JP7301070B2 - 薬物送達のための超音波応答性容器 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０ｌ８年５月３日に出願された（および「Ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｐａｙｌｏａｄ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｆｒｏｍ Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題された）国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０３０９５３号の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、コーティングされたメソ多孔質ナノ粒子（ＭＳＮ）に関する。コーティング材料は、超音波応答性材料（例えばポリマー）であり、ＭＳＮの細孔に充填された材料をブロック／放出するための制御層として機能する。

超音波（ＵＳ）ベースの方法は、現在、生体組織に埋め込まれた粒子またはデバイスから、薬物および診断補助具などの医療ペイロードの放出をリモートでトリガーするために存在する。粒子または埋め込み型デバイスからのＵＳ遠隔トリガーペイロード放出は、過去に研究されてきた。そのような方法の目的は、生体組織内のそのようなペイロード（例えば、粒子または移植可能なデバイス）を収容する担体からのペイロード放出（薬物または診断）のための外部トリガーを生成することである。遠隔でトリガーされるペイロードの放出は、次のような特定の臨床目標をサポートする上で望ましい：
・担体粒子が治療に適した場所（腫瘍など）にある場合にのみの医療ペイロードの放出、
・適切なタイミングでのみの医療ペイロードの放出（例えば、臨床手順の途中）、または
・所定の時間、所定の領域（複数可）を治療するための、時間依存もしくはストップアンドゴー方式での医療ペイロードの放出。

既存のＵＳベースのトリガー方法は、次のような様々な効果に依存している：
・キャビテーションに基づく熱的／機械的効果（振動による局所的な加熱と拡散速度の増加、および／または拡散を増加させる局所的な化学的特性の変化につながる）、
・ペイロードの放出につながる担体の機械的劣化／破裂、
・担体もしくはその統合部品の形状変更、または
・ペイロードが放出されている周囲の生体組織の特性の変更（ソノポレーションなど）、その結果、組織を介したペイロードの拡散／吸収の改善。

これらの方法の一般的な欠点は、各方法が臨床的観点から望まれる典型的な技術的特徴のサブセットのみをサポートすることである。臨床ペイロード放出のための超音波ベースの遠隔トリガーシステムのこれらの機能は、次を含む：
・深部に位置する組織でペイロードの放出をトリガーできるような、カスタマイズ可能な組織浸透深さ（１０ｃｍ以上）。例えば、７ＭＨｚを超える（ＵＳ診断）範囲の放出方法は、典型的には、１０ｃｍ未満の浸透に制限されている。
・既存の医療用超音波機器との互換性を提供し、組織への侵襲性を最小限に抑えるためのカスタマイズ可能な周波数範囲（ＫＨｚ～ＭＨｚ範囲）。例えば、キャビテーションベースの方法は典型的には、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）を使用するＫＨｚ範囲で最も効果的であるが、ポリマー分解ベースの方法は、ＭＨｚ範囲でより効果的である（ＵＳ診断）、
・制御可能な期間にわたる段階的なペイロード放出、または（単一の放出パルスではなく）オン／オフの切り替え可能な放出機能のサポート。例えば、ペイロードを包む均一なポリマーの分解に依存する方法は、設計上不可逆的であり、段階的な放出機能を備えておらず、
・単一の組織体積単位内の複数のペイロード担体の個別制御（例えば、同じ臓器内にある多くの粒子からの単一の粒子のみからペイロードを選択的に放出する）。既存の方法は、どれもこの機能を提供しない。

したがって、現在の能力の上記の制限を克服する埋め込み型デバイスおよびその方法を有することが望ましいであろう。この目標は、本発明の実施形態によって成し遂げられる。

一実施形態では、本発明は、組織に埋め込むことができる担体デバイスを提供し、担体デバイスは、多孔質構造を含む。多孔質構造の細孔は、必要に応じて体内の特定の場所に放出することができる機能性材料を含む。機能性材料は、治療または診断に使用される任意の材料であり得る。例えば、機能性材料は、薬物、生物学的材料の結合剤、画像化要素などであり得る。多孔質構造からの機能性材料の放出を制御するために、多孔質構造は、超音波（ＵＳ）に感応性がある材料によってコーティングされる。材料は、多孔質構造からの材料の放出が必要とされない場合、コーティング材料が、多孔質構造の細孔からの材料の放出をブロックする高密度／閉鎖構造をとるように選択される。しかしながら、多孔質構造の細孔からの材料の放出が必要とされる場合、コーティング材料は、そのような放出を可能にするためにそのコンフォメーションを変更する。このコンフォメーションの変化は、コーティング材料に超音波を適用することによって誘導される。したがって、多孔質構造からの物質放出の制御は、要求に応じてオンおよびオフにできる外部のＵＳ供給源を使用して達成される。

一実施形態では、本発明は、当該組織または別の組織における機能性材料の正確な送達および放出のために生物学的組織に移植するための担体デバイスであって、担体デバイスは、
・ＵＳ感応性コーティング材料でコーティングされた多孔質粒子と、
・機能性材料と、
・推進構成要素と、を備え、
機能性材料が、前記多孔質材料の細孔内に存在し、前記推進構成要素が、前記多孔質粒子に付着している。

一実施形態では、推進構成要素は、磁気構成要素である。一実施形態では、コーティング材料は、ポリマーである。一実施形態では、推進構成要素およびコーティング材料は、外部刺激に対して応答性である。

一実施形態では、コーティング材料は、超音波（ＵＳ）刺激に対して感応性であり、推進構成要素は、ＵＳ、磁気、電気、電磁、熱、電磁放射、またはそれらの組み合わせから選択される刺激に感応性である。

一実施形態では、推進構成要素への刺激の適用は、デバイスを推進する。一実施形態では、ＵＳ感応性材料は、ＵＳに応答して構造的または化学修飾を受ける。

一実施形態では、科学的または構造的修飾は、ポリマー分解、またはコイルコンフォメーションから球状コンフォメーション構造への変化を含む。一実施形態では、ＵＳ感応性コーティング材料は、その化学構造、長さ、分子量、形状もしくはトポロジーを変化させるか、または粒子から分離するか、または外部ＵＳ刺激に応答して破裂するか、または穿孔されるようになる。一実施形態では、多孔質材料は、シリカまたはアルミナである。

一実施形態では、多孔質粒子の平均サイズは、１０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲である。一実施形態では、多孔質粒子の平均サイズは、１００～１５０ｎｍまたは１００～２００ｎｍまたは５０～１００ｎｍまたは１０～５０ｎｍまたは２～５０ｎｍまたは６０～１３０ｎｍまたは７０～１５０ｎｍまたは３０～６０ｎｍの範囲である。

一実施形態では、多孔質粒子のＢＥＴ比表面積は、Ｓ_ＢＥＴ８１７～１０４４ｍ^２／ｇの範囲である。一実施形態では、多孔質粒子の細孔の総体積は、０．９ｃｍ^３／ｇ～１．４ｃｍ^３／ｇの範囲である。一実施形態では、細孔径は、３ｎｍ～１０ｎｍの範囲である。

一実施形態では、ＵＳ感応性コーティング材料が応答するＵＳの周波数は、１０～４０ＫＨｚの範囲である。一実施形態では、ＵＳの周波数は、２０ＫＨｚである。一実施形態では、ＵＳ感応性材料は、ＭＨｚ周波数範囲にあるＵＳに応答して構造的修飾を受けない。

一実施形態では、機能性材料は、有機化合物、ポリマー、複合体、またはそれらの組み合わせである。一実施形態では、機能性材料は、小分子、生物学的材料、遺伝子治療構成要素、アンチセンスオリゴヌクレオチド、アプタマー、ペプチド、ペプトイド、内因性または操作された細胞、腫瘍溶解性ウイルスまたは放射線治療材料を含む。

一実施形態では、遺伝子治療構成要素は、ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９またはウイルスベクターベースの薬剤を含む。一実施形態では、粒子は、マイクロ粒子、ナノ粒子、またはそれらの組み合わせである。一実施形態では、ポリマーは、２－（２－メトキシエトキシ）エチルメタクリレートおよびテトラヒドロピラニルメタクリレート－ポリ（２－（２－メトキシエトキシ）エチルメタクリレート－ｃｏ－２－テトラヒドロピラニルメタクリレート）、ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）を含むかまたは構成される。

一実施形態では、ポリマーは、カルボキシ末端基を含む。一実施形態では、多孔質粒子は、（３－アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を含み、前記ポリマーのカルボキシ基が、前記多孔質粒子上の前記ポリマーの共有結合固定化のためにＡＰＴＥＳのＮＨ_２基に結合する。

一実施形態では、ポリマーは、温度感応性である。一実施形態では、ポリマーは、温度変化に応答してコンフォメーションを変化させる。一実施形態では、コンフォメーション変化は、２０～３０℃未満の温度でのコイル構造および２０～３０℃を超える温度での球状構造を含む。

一実施形態では、本発明は、システムであって、
・請求項１に記載のデバイスと、
・遠隔ユニットと、を備え、
遠隔ユニットは、外部刺激を当該デバイスに適用するように構成されている、システムを備える。

一実施形態では、外部刺激は、ＵＳを含む。一実施形態では、コーティング材料は、その形状、トポロジーを変化させるか、または粒子破裂から分離するか、または前記外部刺激に応答して穿孔されるようになるか、あるいは
推進構成要素は、外部刺激、または
それらの組み合わせに応答して駆動される。

一実施形態では、本発明は、デバイスを動作させる方法を提供し、方法は、
〇担体デバイスを提供するステップであって、担体デバイスが、
・ＵＳ感応性コーティング材料でコーティングされた多孔質粒子と、
・機能性材料と、
・推進構成要素と、を備え
機能性材料が、多孔質材料の細孔内に存在し、推進構成要素が、多孔質粒子に付着している、提供する該ステップと、
〇デバイスに外部刺激を適用するステップと、を含む。

一実施形態では、コーティング料は、外部刺激に対して応答性である。一実施形態では、刺激は、ＵＳ、磁気またはそれらの組み合わせである。

一実施形態では、コーティングポリマーは、機能性材料が、外部刺激に応答して粒子から放出されるように、その化学構造、分子量、形状、またはトポロジーを変化させるか、または粒子破裂から分離するか、または前記外部刺激に応答して穿孔されるようになるか、あるいは推進構成要素が、外部刺激、またはそれらの組み合わせに応答して駆動される。

一実施形態では、コーティング材料は、ＵＳに対して応答性であり、推進構成要素は、磁気刺激に対して応答性であり、またはコーティング材料は、第１の周波数のＵＳに対して応答性であり、推進構成要素は、第２の周波数のＵＳに対して応答性である。

一実施形態では、機能性材料は、有機化合物、ポリマー、複合体、またはそれらの組み合わせである。一実施形態では、コーティング材料は、ポリマーを含む。

一実施形態では、多孔質粒子は、マイクロ構造、ナノ構造、またはそれらの組み合わせである。一実施形態では、推進構成要素は、磁気構成要素を含む。

一実施形態では、本発明は、本発明の担体デバイスを生産する方法を提供し、方法は、
・多孔質粒子を提供するかまたは構成するステップと、
・多孔質粒子の細孔を機能性材料で充填するステップと、
・多孔質粒子をＵＳ感応性コーティング材料でコーティングするステップと、
・推進構成要素を多孔質粒子に、コーティング材料に、またはそれらの組み合わせに結合するステップと、を含む。

一実施形態では、本発明は、対象を治療する方法を提供し、方法は、
・本発明の担体デバイスを対象に挿入するステップと、
・外部刺激をデバイスに適用するステップと、を含む。

一実施形態では、デバイスを挿入することは、対象内の特定の組織にデバイスを挿入することを含む。

一実施形態では、外部刺激は、
・対象内の規定された場所にデバイスを推進するための磁気／電気、音響、超音波もしくは電磁刺激、または
・多孔質粒子からの機能性材料の放出を誘発するためのＵＳ刺激、または
・それらの組み合わせを含む。

一実施形態では、機能性材料の放出のために、外部刺激の適用に続いて、機能性材料は、組織または組織の／中の構成要素（複数可）と相互作用する。一実施形態では、相互作用は、治療効果、診断効果、またはそれらの組み合わせをもたらす。

一実施形態では、方法は、対象内の前記デバイスの位置を画像化することをさらに含む。一実施形態では、推進構成要素は、磁気構成要素である。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結論部分で特に指摘され、明確に特許請求される。しかしながら、本発明は、その目的、特徴、および利点と共に、操作構成および方法の両方に関して、添付の図面と共に読まれる場合、以下の詳細な説明を参照することによって最良に理解され得る。

ＭＳＮ－１サンプルのＴＥＭ画像を示す。 ＭＳＮ－２サンプルのＴＥＭ画像を示す。 ＭＳＮ－３サンプルのＴＥＭ画像を示す。 ＭＳＮ－４サンプルのＴＥＭ画像を示す。 ＭＳＮサンプルの粒度分布を示す（ＤＬＳデータによる）。 ＭＳＮサンプルの粒度分布を示す（ＤＬＳデータによる）。 ＭＳＮサンプルの粒度分布を示す（ＤＬＳデータによる）。 ＭＳＮサンプルの粒度分布を示す（ＤＬＳデータによる）。 ＭＳＮサンプルの炭素水素窒素（ＣＨＮ）分析データを示す。 ＭＳＮ－１（１）、ＭＳＮ－２（２）、ＭＳＮ－３（３）ＭＳＮ－４（４）およびＭＳＮ－５（５）のサンプルのＮ_２吸着等温線（７７Ｋ）を示す。 ローダミンＢで標識されたメソ多孔質シリカナノ粒子ＭＳＮ－５の、可視範囲での拡散反射（Ａ）と励起波長４７０ｎｍでの蛍光（Ｂ）のスペクトルを示している。 ローダミンＢで標識されたメソ多孔質シリカナノ粒子ＭＳＮ－５の、可視範囲での拡散反射（Ａ）と励起波長４７０ｎｍでの蛍光（Ｂ）のスペクトルを示している。 ＮＭＲ信号積分によるｃｏ（ＭＥＯ_２ＭＡ／ＴＨＰＭＡ）のモノマー比の推定である。 コポリマーｃｏ（ＭＥＯ_２ＭＡ／ＴＨＰＭＡ）のＤＬＳパターンを示す：１－０．８７５／０．１２５、２－０．８５０／０．１５０、３－０．８８５／０．１１５。 コポリマー－１のＧＰＣ ＲＩＤ分析データを示す。 ポリマー１の相転移温度（下限臨界溶液温度、ＬＣＳＴ）の決定を示す。 ＰＢＳ溶液中のハイブリッドＭＳＮからのフルオレセインの放出プロファイルと、ＵＳ曝露（２０ＫＨｚ）あり、ＵＳ無しの時間の関係を示す。 ＰＢＳ溶液中のハイブリッドＭＳＮまたは純粋なＭＳＮからのフルオレセインの放出プロファイルを、ＵＳ曝露（２０ＫＨｚ）あり、ＵＳ無しの時間と比較して示す。 ＵＳでの処理前後のコポリマー２の^１Ｈ ＮＭＲスペクトルである。 ＰＢＳ溶液中のＭＳＮからのフルオレセインの放出プロファイルと、スケーリングされたサンプルのＵＳ曝露（２０ｋＨｚ）ありとＵＳ無しの時間の関係を示す。 ＰＢＳ溶液中のＭＳＮ－６サンプルのフルオレセイン放出プロファイルとＵＳ曝露あり（１ＭＨｚ、８Ｗまたは２０ｋＨｚ、約１４Ｗ）およびＵＳ無しの時間の関係を示す。 ＰＢＳ溶液中のＭＳＮ－６サンプルのフルオレセイン放出プロファイルをＵＳ曝露（１ＭＨｚ、８Ｗ－異なるｔまたは２０ｋＨｚ、約１４Ｗ）およびＵＳ無しの時間と比較して示す。 ＵＳの集束レンズ（Ａ）およびＲ＝３ｃｍの球面レンズによって集束された１ＭＨｚ超音波の可視化のスキーム（Ｂ）である。 ＵＳの集束レンズ（Ａ）およびＲ＝３ｃｍの球面レンズによって集束された１ＭＨｚ超音波の可視化のスキーム（Ｂ）である。 ＭＳＮ－１サンプルのＴＥＭ画像である（ｄ約４．５ｎｍ、Ｄ_ｐｏｒｅ約２．８ｎｍのオーダーのメソ細孔が示されている）。 ＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンを示す。 ＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンを示す。 ＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンを示す。 ＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンを示す。 ＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンを示す。 ＭＳＮサンプルの熱分析を示す。 ＭＳＮサンプルの熱分析を示す。 ＭＳＮサンプルの熱分析を示す。 ＭＳＮサンプルの熱分析を示す。 ＭＳＮサンプルの熱分析を示す。 Ｎ_２吸着等温線から計算された、ＭＳＮ－１（１）、ＭＳＮ－２（２）、ＭＳＮ－３（３）、ＭＳＮ－４（４）およびＭＳＮ－５（５）サンプルの粒子内（Ａ）および粒子間（Ｂ）の細孔径分布を示す。 Ｎ_２吸着等温線から計算された、ＭＳＮ－１（１）、ＭＳＮ－２（２）、ＭＳＮ－３（３）、ＭＳＮ－４（４）およびＭＳＮ－５（５）サンプルの粒子内（Ａ）および粒子間（Ｂ）の細孔径分布を示す。 ＴＨＰＭＡ（モノマー）、ＭＥＯ_２ＭＡ（モノマー）、およびＣＯ（ＭＥＯ_２ＭＡ／ＴＨＰＭＡ）－１の^１Ｈ ＮＭＲスペクトルである。 ＴＨＰＭＡ（モノマー）、ＭＥＯ_２ＭＡ（モノマー）、およびＣＯ（ＭＥＯ_２ＭＡ／ＴＨＰＭＡ）－１の^１Ｈ ＮＭＲスペクトルである。 ＴＨＰＭＡ（モノマー）、ＭＥＯ_２ＭＡ（モノマー）、およびｃｏ（ＭＥＯ_２ＭＡ／ＴＨＰＭＡ）－３の^１Ｈ ＮＭＲスペクトルである。 ＴＨＰＭＡとコポリマー１、２、および３のＣＨＮ分析である。 モノマーとコポリマー－１のＦＴＩＲスペクトルである モノマーと「縮合」コポリマー－６の^１Ｈ ＮＭＲスペクトルを示す。 コポリマー－１とコポリマー－２のＧＰＣ ＲＩＤ分析データを示す。 コポリマー１、２、６、および７で覆われたＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンである。 コポリマー１、２、６、および７で覆われたＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンである。 ポリマー１、２、６、および７で覆われたＭＳＮサンプルのＦＴＩＲスペクトル。 ポリマー１、２、６、および７で覆われたＭＳＮサンプルのＦＴＩＲスペクトル。 溶液中のフルオレセイン含有量を測定するための較正グラフである。フルオレセインの発光の濃度への依存性は線形ではなく、多項式によってより適切に説明される。フルオレセイン：λ_ｅｘｃ４９０、λ_ｅｍ５１４ｎｍ。 １ＭＨｚＵＳ用の集光レンズを示す。 １ＭＨｚＵＳ用の集光レンズを示す。 １ＭＨｚＵＳ用の集光レンズを示す。

実例を単純かつ明確にするために、図に示される要素は、必ずしも縮尺どおりに描かれていないことが理解されるであろう。例えば、いくつかの要素の寸法は、明確にするために他の要素に比較して誇張され得る。さらに、適切であると考えられる場合、対応する要素または類似の要素を示すために、参照番号が図の間で繰り返され得る。

以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細を伴わずに実行されてもよいということが、当業者によって理解されるであろう。他の事例では、本発明を不明瞭にしないように、周知の方法、手順、および構成要素は、詳細に説明されていない。

本発明の一実施形態では、固定化されたカルボン酸末端温度および超音波（ＵＳ）応答性ポリマーを有するシリカメソ多孔質ナノ粒子（ＭＳＮ）が調製された。いくつかの実施形態では、ＭＳＮは、その視覚化および発光分光法による粒子含有量の潜在的推定のためにローダミン－Ｂで標識され、一方、ポリマーは、細孔に充填された色素（フルオレセイン）の遮断／放出を制御する層として作用した。内部データに基づくと、ポリマーはＴ＜約２０℃でコイルコンフォメーションを採用したが、温度の上昇により、コンフォメーションが変化し、ＭＳＮの表面に小球が形成された。したがって、カーゴは、低温でポリマーグラフト化ＭＳＮに充填され、室温まで加熱すると細孔が閉じた。色素を充填したポリマーグラフト化ＭＳＮを２０ｋＨｚの超音波で処理した後、リン酸緩衝液で洗浄すると、フルオレセインが放出された。最良のサンプルでは、２０ｋＨｚＵＳを使用して、対照サンプル（ＵＳ処理無し）と比較して、ＵＳ処理時のフルオレセイン放出の３倍の増加が達成された。ＵＶ照射下での細孔開口のメカニズムを調べたところ、２０ｋＨｚＵＳでの処理により、ポリマーの化学的破壊（加水分解）により細孔が開くことが明らかになった。

この研究は、メソ多孔質シリカ粒子などの不活性担体の細孔が、超音波（ＵＳ）の作用下でコンフォメーションの変化を受ける材料によって「塞がれる」可能性があるという考えに基づいていた。一例では、使用された超音波－応答性ポリマーは、２－（２－メトキシエトキシ）エチルメタクリレートおよびテトラヒドロピラニルメタクリレート－ポリ（２－（２－メトキシエトキシ）エチルメタクリレート－ｃｏ－２－テトラヒドロピラニルメタクリレート）、ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）のコポリマーであった。このポリマーは、ＵＳ処理下でコンフォメーションを変化させることができることが知られているため、このような「プラグ」として選択された。重合は、カルボキシ基を有する４，４'－アゾビス（４－シアノ吉草）酸によって開始された（スキーム１）このカルボキシ基の存在は、ＭＳＮへのさらなる共有結合固定化のために（３－アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）のＮＨ_２基に結合しているため、この実施形態にとって非常に重要である。

スキーム１．ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）コポリマーの式（ａ）および重合の開始剤４，４'－アゾビス（４－シアノ吉草）酸（ｂ）。アスタリスクは、ポリマーにカルボキシル基を有する重合開始剤の残留物を示す。

一例として、合成と表面修飾の単純さ、広範囲のｐＨ値（アルカリ性媒体を除くすべての範囲）での様々な溶液での安定性、大きな分子の収着に十分な大きなサイズの細孔と、アクセス可能な高い体積のために、メソ多孔質シリカナノ粒子（ＭＳＮ）が複合材料作成の基礎として選択された。

メソ多孔質ナノ粒子（ＭＳＮ）は、テンプレート（臭化セチルトリメチルアンモニウム、ＣＴＡＢ）の存在下でシリカ源（テトラエチルオルトシリケートＴＥＯＳ）の制御された加水分解によって合成された。ＭＳＮのサイズと多孔質に対する合成条件の影響を明らかにするために、粒子の４つの異なるサンプルを、平均粒子サイズと順序を変えて調製した（ＭＳＮ－１～ＭＳＮ－４とラベル付けされ、ＭＳＮ－５はローダミンＢでラベル付けされた粒子を示す、以下を参照）。前述のプロトコルを適用すると、細孔径が１００～１５０ｎｍのＭＳＮ（ＭＳＮ－１）が形成された。ＴＥＯＳ濃度の２倍の増加、すべての試薬の濃度の１．５倍の増加、または水分含有量のそれぞれの減少により、より小さなＭＳＮ（それぞれ、６０～１３０ｎｍおよび７０～１５０ｎｍ－ＭＳＮ－２およびＭＳＮ－３）が形成された。すべての試薬の濃度を２分の１に減らすか、反応混合物を希釈すると、サイズが３０～６０ｎｍの粒子を特徴とするより小さなＭＳＮ（ＭＳＮ－４）も得られた。すべてのサンプルでのメソ細孔の形成は、高分解能ＴＥＭ（図１６）および粉末Ｘ線回折分析（図１７）によって確認された。

ＴＥＭで示されているように、すべての場合でＭＳＮは、ほぼ球形であり、粒子凝集体の含有量は、低かった（図１）。ロイド溶液中のＭＳＮのサイズは、動的光散乱（ＤＬＳ）によって検証された。サンプルＭＳＮ－１およびＭＳＮ－２について、ＤＬＳおよびＴＥＭプロトコルを介して決定されたサイズの間には良好な相関関係があった（図１および２を参照）。同時に、ＤＬＳによって測定されたサンプルＭＳＮ－３およびＭＳＮ－４の粒子のサイズは、ＴＥＭによって測定されたものよりも大きいように見えた。この相違は、コロイド溶液中での凝集体の形成によって説明することができる。

ローダミン－Ｂ標識サンプルを合成するための基本的な方法として、平均サイズが約１００～１５０ｎｍの高次ＭＳＮ（ＭＳＮ－１）を生成する方法を選択した。ローダミン－Ｂは、チオシアン酸基を介した共有結合固定化によって、つまり粒子を（３－アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）で処理することにより、シリカ粒子に組み込まれた。このラベリングは、ＭＳＮの視覚化と発光分光法による粒子含有量の推定のために導入された。

ＭＳＮのサンプルには、Ｃ、Ｈ、Ｎ分析（図３Ａ）および熱重量分析（図１８）のデータから計算して、約３２～４３％のＣＴＡＢテンプレートと最大１５％の水が含有されていた。このテンプレートは、細孔内にあり、７０℃で硝酸アンモニウムのエタノール溶液（９５％）を使用したイオン交換によってサンプルを形成するために除去する必要があった。この方法では、細孔からすべてのテンプレートを除去できないことが見い出されたが（図３）、ただし、ローダミンＢを保存するため、ならびに加熱時に粒子が凝集することを回避するために、イオン交換の手順（５００℃での焼成とは対照的に）を選択した。

ＭＳＮサンプルの多孔質特性は、７７ＫでのＮ_２吸着測定によって決定された（図３ｂ）。すべてのサンプルは高い気孔率を持ち、比表面積Ｓ_ＢＥＴは、８１７～１０４４ｍ^２／ｇの範囲で変化し、総細孔容積の値は０．９～１．４ｃｍ^３／ｇの範囲であった。予想通り、総収着容量においてメソ細孔の有意な寄与があった。例えば、サンプルＭＳＮ－５（ローダミンラベル付きサンプル）は、Ｓ（メソ細孔）＝９１５ｍ^２／ｇおよび総比表面積９８９ｍ^２／ｇ、メソ細孔の体積０．９０ｃｍ^３／ｇおよび総細孔体積１．０９ｃｍ^３／ｇ、およびメソ細孔直径２．９１＋０．２４ｎｍを有していた（細孔径の計算を図１９に示す）。

ＭＳＮ－５のローダミンＢの光学特性は、細孔内のテンプレート（ＣＴＡＢ）の存在に強く依存することがわかった。テンプレートの除去により、吸収（反射率）の最大シフトと発光強度の変化が生じた。ローダミンの発光は、ゲスト充填によって異なる可能性があるため、細孔内のゲスト含有量の定量的測定には使用できないと結論付けた。

ＭＳＮコーティングを実現するために、様々なモノマー比を使用して３つのポリマーバッチを調製した：２－（２－メトキシエトキシ）エチルメタクリレート／２－テトラヒドロピラニルメタクリレート（ＭＥＯ_２ＭＡ／ＴＨＰＭＡ）含有量は、０．８７５／０．１２５（ポリマー１）、０．８５０／０．１５０（ポリマー２）、または０．８８５／０．１１５（ポリマー３）に設定された。ポリマー組成は、ＮＭＲ分光法によって研究された。重合が完了し、ＮＭＲによってモノマーの痕跡は見られなかったことが示された（図２０～２２）。同時に、ポリマーサンプルには、ＤＭＦ（次の段階の溶媒として添加されたため許容できるとみなされた）とｎ－ヘキサン（精製に使用）の不純物が含有されていた。開始剤のカルボキシル基はＮＭＲでは検出されなかった（その予想される含有量は約０．００３マイクロモル／０．０１ｌミリモルのモノマーであった）。ポリマーの形成は、Ｃ、Ｈ、Ｎ分析（図２３）およびＩＲ分光法によっても一致した。Ｃ＝Ｃ二重結合（予想通り）を除く出発モノマーに特徴的なすべての特定のバンドが、ポリマーのＩＲスペクトルで見い出され（図２４）、完全な重合がさらに確認された。

ＮＭＲスペクトルの４．０６ｐｐｍおよび５．８～５．９ｐｐｍのピークは、約１０であることがわかったポリマー（図５）のモノマー比の推定に特に有用であった。

ポリマー鎖の長さ（Ｍ_ｗ）を修正するために、重合開始剤（４，４'－アゾビス（４－シアノ吉草）酸）の量を変化させた。次に、開始剤の量を増やしたポリマー（サンプル６および７）を合成した。我々のＵＳ制御フルオレセイン放出（下記参照）でポリマー－１でコーティングされたＭＳＮの最高の性能を考慮して、反応混合物中のモノマーの比率は、その合成に使用されたプロトコルと同様に保たれた（図２５）。

エタノールおよび水溶液中のポリマーの凝集状態を、室温での動的光散乱（ＤＬＳ）によって調べた。この研究で調製された３つのポリマーはすべて、エタノール中で平均サイズが約１０～２０ｎｍのミセルを形成したが、水中では大きな凝集体のみが検出された（図６）。水中での室温でのポリマーの凝集は、細孔の閉塞に必要な大きな小球の予想される形成と一致している。

ポリマーの分子量（Ｍ_ｗ）は、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）によって決定された。この分析では、コポリマー－１とコポリマー２のＭ_ｗ値がそれぞれ４４０００Ｄａと３３０００Ｄａであることが示された（図７および２６）。

図７．コポリマーのＧＰＣ ＲＩＤ分析データ－１。

ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）は、温度によって引き起こされるコンフォメーション変化を受けるため、ＭＳＮサンプルへのグラフト化に関連する温度依存のＤＬＳ信号が研究されている。この実験の目的は、遷移相の温度を決定することであった。我々のやり方では、低温でのポリマー採用コイルコンフォメーションが、対象のカーゴが粒子のメソ細孔に入らせる。温度を上げると、ポリマー鎖のコンフォメーションが変化する可能性をもたらす。この転移により、表面ポリマーの「崩壊した」球状トポロジーが生じ、ＭＳＮ粒子の表面に閉じた／部分的に閉じた細孔が得られた。次のステップとして、相転移温度を決定した（６３３ｎｍの波長で最大の５０％の散乱強度に対応する温度）。測定は、相転移温度（下限臨界溶液温度、ＬＣＳＴ）に到達するシステムに対応するポリマーのコンフォメーション変化の効果に基づいていた。ＬＣＳＴポイントで、ポリマーのコンフォメーションが疎水性状態に変化すると予想され、この状態では、分子が崩壊し、化合物が水に不溶性になり、ＤＬＳシグナルが発生する。我々の実験のセットアップでは、温度は１０～４５℃の範囲で少しずつ上昇し、各温度ポイントで２分間平衡化した後に読み取りが行われた。コポリマー１の場合、相転移温度は、約２１～２２℃と決定された（図８）。この洞察に基づいて、後続の実験でのカーゴ充填は、Ｔ＜２０℃で実行されたが、カーゴの放出ステップではシステムが加熱された。

ローダミン標識ＭＳＮ表面へのポリマーの固定化（ポリマーグラフト化）は、Ｎ、Ｎ'－ジシクロヘキシルカルボジイミドとＮ－ヒドロキシスクシンイミドを使用して、カルボン酸テザーを介して実行された。固定化されたポリマーの量を増やすために、ポリマーグラフト化の手順を３回繰り返した（中間サンプル分離無しの同じサンプルの反応混合物へのポリマーの数回の添加）。粉末ＸＲＤ分析は、ポリマーでコーティングされたＭＳＮのサンプルがメソ構造のオーダーを示すことを示唆した（図２７）。さらに、コポリマー１または２で処理されたＭＳＮサンプルは、ＩＲスペクトルで特徴的な吸収帯を示した（例えば、－Ｏ－ＣＨ_２－に割り当てることができる１７２７ｃｍ^－１帯、図２８）。

カーゴ放出を評価するために、ポリマーをグラフトしたＭＳＮに、リン酸緩衝液（ＰＢＳ）中のフルオレセインをＭＳＮと４℃で１日攪拌して充填した。サンプルを４℃で濾過し、温かい（５０℃）ＰＢＳで洗浄して、細孔を閉じた。サンプル洗浄の手順を約１０回繰り返し、サンプル洗浄後に無色のろ液を得た。得られた残留物をポリプロピレンチューブに入れ、１０ｍＬのＰＢＳ緩衝液を入れ、超音波で処理した。対照では、同じサンプルをポリプロピレンチューブに入れ、超音波処理無しで１０ｍＬのＰＢＳ緩衝液を入れた。両方の混合物（超音波処理および対照）を３７℃で所定の時間加熱し、分析のためにサンプルを採取した（図９、１０、１２～１４を参照）。ＭＳＮは、遠心分離によって分離され、上澄みの蛍光は検量線を使用して測定された（図２９）。

コポリマー１または２で処理された両方のＭＳＮサンプルは、対照と比較して、超音波処理後に劇的に増強されたフルオレセイン放出を示した。我々のやり方では、ポリマー１で処理されたＭＳＮで最良の違いが見い出された（図９）。

ポリマーで処理されていないＭＳＮサンプルを比較のために研究した。研究されたすべてのケースでのフルオレセイン放出は、ポリマーグラフト化サンプルよりも５～６倍高かったが、カーゴ放出に対するＵＳ処理の効果は見られなかった（図１０）。

細孔が開くメカニズムを見い出すために、ポリマーの加水分解に対する超音波の影響を調べた。具体的には、ポリマーのポリマー溶液を２０ＫＨｚで超音波処理し、加水分解生成物を^１Ｈ ＮＭＲ分光法で分析して、モノマーと加水分解生成物の形成を明らかにした（図１１）。さらに、懸濁したポリマー－１とポリマー－２の水溶液を２０ｋＨｚＵＳで１０分間処理して、媒体のｐＨの大幅な低下（「酸性化」）を見い出した。このｐＨの変化は、使用するポリマーのＭＷの増加によってさらに強化された。例えば、３０ｍＬの水中の０．２６ｇのポリマー（１と２の両方）を超音波で処理すると、溶液のｐＨ値は６．５から４．４７に低下した。この効果は、エステル基の加水分解によるカルボキシル基の形成に起因していた。

スケーリングされたＭＳＮサンプルは、超音波処理されたサンプルと対照の間のフルオレセイン放出より良い違い（約３倍）を示した（図１２）。

１ＭＨｚ周波数の超音波に対するポリマーグラフト化ＭＳＮサンプルの応答をさらに試験した。実験は、上記で報告されたプロトコルを使用して実施された。２０ｋＨｚ超音波プロトコルで得られたデータとは対照的に、モデル化合物の放出は、複数のＭＳＮサンプルにわたって適度に増強された（ベースラインに対して約５％の増加、図１３）。これらの比較データに基づいて、合成手順は、ポリマーグラフト化ＭＳＮの大規模なバッチ（サンプルＭＳＮ－６）の合成のためにスケールアップされた。ポリマー１および２の両方をＭＳＮ－６サンプルに固定化し、上記のように２０ｋＨｚおよび１ＭＨｚの超音波で処理した。２０ｋＨｚの超音波周波数でのフルオレセイン放出は、対照実験と比較して一貫して高かった（Ｘ２～３倍）。一方、１ＭＨｚの超音波によるＭＳＮ－６の治療は、効率が低かった。

図１３は、ＰＢＳ溶液中のＭＳＮ－６サンプルのフルオレセイン放出プロファイルとＵＳ曝露あり（１ＭＨｚ、８Ｗまたは２０ｋＨｚ、～１４Ｗ）およびＵＳ無しの時間の関係を示す。

別の実験では、超音波処理は、２～５５℃の範囲の温度で実行された。高温での１Ｍｈｚ超音波処理下でのフルオレセインの放出の増強が観察されたのに対し、２０ｋＨｚ周波数の効果と比較してやや低かった（図１４）。

図１４は、ＰＢＳ溶液中のＭＳＮ－６サンプルのフルオレセイン放出プロファイルをＵＳ曝露（１ＭＨｚ、８Ｗ－異なるｔまたは２０ｋＨｚ、～１４Ｗ）およびＵＳ無しの時間と比較して示す。

超音波強度を高めるために、集光レンズが製造された（図３０）。ＵＳ濃度用のレンズは、半径Ｒが約２．５ｃｍの有機ガラス製の凹面である。有機ガラス（ポリメチルメタクリレート）のＵＳ波の速度は、水性媒体および生理学的マトリックス（それぞれ２７００ｍ／秒および１５００ｍ／秒）よりも速いため、超音波エンベロープの焦点を合わせることが期待されていた。同様のレンズで焦点を合わせた１ＭＨｚＵＳの写真を図１５に示す（写真はシャドウ法で取得したものである）。

図１５は、ＵＳの集束レンズ（Ａ）およびＲ＝３ｃｍの球面レンズによって集束された１ＭＨｚ超音波の可視化のスキーム（Ｂ）である。

本発明の特定の実施形態は、生体組織に埋め込まれた担体の遠隔トリガーおよびナビゲーションのために超音波（ＵＳ）に依存している。他の実施形態は、超音波を他の外部の物理的刺激と組み合わせ、その非限定的な例には、以下が含まれる：電磁場、現象、および効果、および温度と圧力の両方の効果を含む熱力学的現象と効果。

本明細書における「担体デバイス」および「担体」という用語は、生体組織に埋め込み可能であり、医療ペイロード（機能性材料）を組織に運び、放出することができる任意の物体を示す。いくつかの実施形態では、「デバイス」という用語または「粒子」という用語は、担体または担体デバイスを説明するために使用される。機能性材料または「医療ペイロード」という用語、または同等に医療の文脈で使用される「ペイロード」という用語は、本明細書では、医学的治療的または診断的性質の任意の物質または材料を含むと理解される。特定の実施形態では、医療ペイロードまたはペイロードは、機能が治療に関連するか、または向けられ、または診断目的である「機能性材料」と同等である。本明細書における「デバイス」（担体に関する）という用語は、堆積、化学反応、化学的または物理的結合、エッチング、リソグラフィー、薄膜技術、堆積技術、コーティング、成形、液体およびガス処理、自己組織化、化学合成などを含むがこれらに限定されない、物理的／化学的生産／製造技術によって構築または製作される担体を意味する。本発明のいくつかの実施形態における「粒子」という用語は、担体デバイスに関して言及されている。他の実施形態では、「粒子」という用語は、例えば多孔質粒子などの担体デバイスの部分に関して注記されている。

本発明の様々な実施形態では、担体デバイスは、生体組織への埋め込みのために小型化されている。本明細書における「小型化された」（担体に関して）という用語は、ミリメートルからセンチメートルスケールの担体、「担体マイクロデバイス」と呼ばれるマイクロメートル（「ミクロン」）スケールの担体、「担体ナノデバイス」と呼ばれるナノメートルスケールの担体、を含むがこれらに限定されない、小さいサイズの担体を意味する担体自体は上記のサイズスケールであるだけでなく、担体の個々の構成要素も同等のスケールである。特定の担体寸法は、異なるスケールであり得る、例えば、担体は、ナノメートル範囲の１つの寸法とマイクロメートル範囲の別の寸法を有し得ることに留意されたい。そのようなすべての小型デバイスは、本発明の実施形態に含まれる。

一実施形態では、本発明の多孔質材料は、複数の細孔を含む。一実施形態では、この発明の多孔質材料はメソ多孔質材料であり、２ｎｍ～５０ｎｍの間のサイズの範囲の細孔を含む。一実施形態では、この発明の多孔質材料は、大部分がメソ細孔、および少量のミクロおよびマクロ細孔を含む。一実施形態では、本発明の多孔質材料は、ミクロ細孔、メソ細孔、およびマクロ細孔の任意の組み合わせを含み、ミクロ細孔は、直径２ｎｍまでの範囲であり、メソ細孔直径は、２ｎｍ～５０ｎｍの範囲であり、マクロ細孔は、直径５０ｎｍより大きいものである。この発明の多孔質粒子は、一実施形態では固体材料である。本発明の多孔質粒子は、一実施形態では、液体環境および非液体環境において安定である。この態様によれば、かつ一実施形態では、本発明の多孔質粒子は、小胞またはリポソームではなく、多多孔質材料であること、固体材料であること、および液体および非液体環境で安定であることを含む様々な特性においてそのような粒子とは異なる。一実施形態では、本発明の多孔質粒子は、複数の細孔を含む。一実施形態では、多孔質粒子は、多孔質構造である。一実施形態では、多孔質粒子は、球の形状を有する。他の実施形態では、多孔質粒子／構造は、ロッド、ディスク、ボックス、尖った形状、楕円形、葉、または任意の対称／非対称／部分対称形状を含む任意の形状をとることができる。

一実施形態では、推進要素／推進構成要素は、多孔質粒子に付着している。この態様によれば、一実施形態では、推進構成要素は、多孔質粒子に直接（コーティングを通してではなく）付着している。他の実施形態では、推進構成要素は、多孔質粒子のコーティングに付着している。一実施形態では、多孔質粒子は、推進構成要素に取り付けられ、この取り付けに続いてのみ、多孔質粒子は、コーティング材料によってコーティングされている。一実施形態では、多孔質粒子は、最初にコーティングされ、次に推進構成要素に付着される。一実施形態では、推進構成要素は、多孔質粒子の外部表面に付着している。一実施形態では、推進構成要素は、多孔質粒子の内部領域に付着している。一実施形態では、推進構成要素は、多孔質粒子の細孔に結合している材料である。

一実施形態では、推進構成要素は、磁気構成要素である。この態様によれば、ある実施形態では、磁気構成要素は磁性材料を含む。一実施形態では、磁気構成要素は、磁場および／または電場に応答性がある。磁気構成要素により、１つの実施形態でデバイスをナビゲートすることができる。一実施形態では、磁場または電磁場が印加されると、磁気構成要素が磁場に応答する。したがって、外部磁場を印加することにより、磁性構成要素をある場所から別の場所に移動させることができる。磁気構成要素は、デバイスからの機能性材料の制御放出のために、デバイスを特定の場所に向けるために使用される。外部場（外部刺激）の適用は、デバイスを目的の場所に駆動するために使用される。

いくつかの実施形態では、コーティング材料は、ＵＳに対して感応性がある。一実施形態では、ＵＳへの曝露時に、コーティング材料は、その形状／コンフォメーションを変化させる。いくつかの実施形態では、コーティング材料は、ＵＳに応答する加水分解によって例示されるがこれに限定されないように、化学修飾を受ける。

一実施形態では、ＵＳ感応性材料は、ＵＳに応答して構造的または化学修飾を受ける。この態様によれば、一実施形態では、ＵＳの適用前は、コーティング材料は、閉じた形状または形態である、すなわち、機能性材料は、コーティング材料を透過または移動することができない。したがって、この構造のコーティング材料が多孔質粒子をコーティングする場合、多孔質粒子の細孔内に存在する機能性材料は、粒子内に閉じ込められ、放出することができない。しかしながら、コーティング材料が構造的改変を受けると（例えば、ＵＳに応じて）、それは穿孔されるか、その形状を変えるか、または剥離し、その結果、機能性材料は、多孔質粒子から周囲の組織に移動することができる。

球構造

一実施形態では、コーティング材料は、非ポリマー材料の乾燥フィルムである。一実施形態では、本発明のデバイスは、特定の組織に載置または向けることができ、機能的な材料がその組織に放出される。他の実施形態では、本発明のデバイスは、特定の組織に載置または向けることができ、機能的材料は、隣接する（他の）組織に放出される。

一実施形態では、１つのデバイスが、組織、血流、リンパ、胆汁、または脳脊髄液の流れにおける機能性物質の放出に使用されている。他の実施形態では、２つ以上のデバイスが、組織内の機能性材料の放出のために使用される。この態様によれば、一実施形態では、２つ以上のデバイスは、同じ機能性材料を放出するように動作する。他の実施形態では、デバイスのフリート内の異なるデバイスは、必要に応じて放出されている異なる機能性材料を含有する。２つ以上のデバイスからの１つ以上の機能性材料の放出は、並行して行われる。例えば、同時に、一部のデバイスは、第１の材料を放出し、他のデバイスは、第２の材料を放出する。１つ以上の機能性材料を備えた複数のデバイスの使用は、一実施形態において強化された治療または診断効果をもたらす。

一実施形態では、多孔質材料は、シリカまたはアルミナである。一実施形態では、一実施形態では、多孔質材料は、シリカまたはアルミナを含む。一実施形態では、一実施形態では、多孔質粒子は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、多孔質材料は、有機多孔質材料、または有機／無機多孔質材料である。

一実施形態では、多孔質粒子の平均サイズは、１０ｎｍ～３００ｎｍまたは１０ｎｍ～１０００ｎｍまたは５０ｎｍ～２５０ｎｍの範囲である。

一実施形態では、多孔質粒子の細孔の総体積は、０．５ｃｍ^３／ｇ～５．０ｃｍ^３／ｇの範囲である。一実施形態では、特定の多孔質材料に関連する総細孔容積の他の値は、本発明の実施形態に適用可能である。
一実施形態では、細孔径は、３ｎｍ～１０ｎｍの範囲である。一実施形態では、細孔径は、５ｎｍ～５０ｎｍの範囲である。一実施形態では、細孔径は、２ｎｍ～５０ｎｍの範囲である。一実施形態では、細孔径は、１ｎｍ～５０ｎｍまたは１ｎｍ～７５ｎｍまたは１ｎｍ～１００ｎｍの範囲である。いくつかの実施形態では、上記の範囲は、細孔のすべてに与えられる。他の実施形態では、上記の範囲は、特定の領域／粒子／材料内の細孔の大部分に与えられる。本発明の多孔質材料には、少量のより小さなまたはより大きな細孔が存在し得る。例えば、細孔の２０％未満、１０％未満、５％未満、１％未満、０．１％未満、または０．０１％未満は、細孔の大部分のサイズ／径の上記に与えられた範囲外である可能性がある。

一実施形態では、本発明は、当該組織または別の組織における機能性材料の正確な送達および放出のために生物学的組織に移植するための担体デバイスであって、担体デバイスは、
・ＵＳ感応性コーティング材料でコーティングされた多孔質粒子と、
・機能性材料と、
・推進構成要素と、を備え
機能性材料が、前記多孔質材料の細孔内に存在し、前記推進構成要素が、前記多孔質粒子に付着している。

一実施形態では、ＵＳ感応性コーティング材料が応答するＵＳの周波数は、１０～１００ＫＨｚの範囲である。この周波数範囲は、いくつかの実施形態では、コーティング材料が感応性である範囲である。使用できる超音波感受性ポリマーの追加の代表的な例には、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド６、ＰＳおよびＰＭＭＡが含まれる。この実施形態によれば、その周波数範囲でＵＳが適用されると、ＵＳに敏感なコーティング材料は、本明細書で上記のようにその形状／コンフォメーションを変化させる。

一実施形態では、粒子は、マイクロ粒子、ナノ粒子、またはそれらの組み合わせである。一実施形態では、粒子は、ナノ粒子であり、粒子の最大寸法は、ナノメートルの範囲にある。いくつかの実施形態では、粒子は、粒子の最大寸法がマイクロメートル範囲であるマイクロ粒子である。いくつかの実施形態では、粒子サイズは、５００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲であり、それはナノ粒子およびマイクロ粒子の両方とみなすことができる。いくつかの実施形態では、特定の寸法（例えば、長さ）がマイクロメートルの範囲にあり、別の寸法（例えば、厚さ）がナノメートルの範囲にある。このような粒子は、マイクロ・ナノ粒子とみなすことができる。そのような組み合わせはすべて、本発明の実施形態に含まれる。

本明細書に記載される一実施形態では、本発明の担体デバイスは、ＵＳ感応性コーティング材料でコーティングされた多孔質粒子を含む。いくつかの実施形態では、粒子は、コーティング材料によって完全にコーティングされている。他の実施形態では、ＵＳの適用時に機能性材料を放出することができない領域は、コーティング材料によって覆われず、コーティングされない。例えば、いくつかの実施形態では、推進構成要素は、粒子の表面の領域に付着している。一実施形態によれば、この領域は、コーティング材料によってコーティングされていない。したがって、いくつかの実施形態では、コーティング材料は、多孔質粒子の一部をコーティングする。いくつかの実施形態では、コーティング材料は、多孔質粒子の外側表面の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０５、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％、少なくとも９９．９％または少なくとも９９．９９％をコーティングする。

一実施形態では、本発明は、対象を治療する方法を提供し、方法は、
・請求項１に記載のデバイスを対象に挿入するステップと、
・外部刺激をデバイスに適用するステップと、を含む。

いくつかの実施形態では、粒子は最初に対象に挿入され、次に組織内の所望の場所に移送され、移送された後、機能性材料が粒子から放出される。粒子の所望の場所への移送、機能性材料の放出、またはそれらの組み合わせは、外部刺激によって制御される。いくつかの実施形態では、粒子移送を制御する刺激は、移送中に機能性材料が固定され、その後の移送機能性材料が放出されるように、機能性材料の刺激とは異なる。いくつかの実施形態では、特定の経路に沿った機能性材料の動的放出のために、移送のための刺激および放出のための刺激を同時に適用することができる。いくつかの実施形態では、移送および放出のための刺激は、性質が異なる（例えば、一方は、ＵＳであり、他方は、磁気ベースである）。他の実施形態では、移送のための刺激および放出のための刺激は、大きさ／値が異なる（例えば、移送は、ある周波数のＵＳによって誘導され、一方、放出は、別の周波数のＵＳによって誘導される）。

カーゴは、いくつかの実施形態では機能性材料またはペイロードを指し、担体デバイスは、いくつかの実施形態では容器としてみなされる。

実施例１
１．出発化合物および材料の合成

１．１．メソ多孔質シリカナノ粒子（ＭＳＮ）

１ｇの臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）、４８０ｍｌのＨ_２Ｏ（Ｍｉｌｌｉ－Ｑ）および３．５ｍＬのＮａＯＨ（２Ｍ）を１０００ｍＬの丸底フラスコに添加した。混合物を８０℃に加熱し、６００ｒｐｍで撹拌した。次に、ポンプを使用して５ｍＬのＴＥＯＳを０．２５ｍＬ／分の速度で滴下した。得られた白色懸濁液を８０℃でさらに２時間磁気撹拌した。次に、反応混合物を遠心分離し、水およびエタノールで洗浄した。最後に、硝酸アンモニウム（１０ｍｇ／ｍＬ）のエタノール（９５％）溶液を使用したイオン交換により、７０℃で一晩磁気撹拌機でテンプレートを除去した。ナノ粒子を遠心分離によって収集し、エタノールで３回洗浄し、真空下で一晩乾燥させた。

１．２．ローダミンＢラベル付けメソ多孔質シリカナノ粒子（ＭＳＮ）

１ｇのＣＴＡＢ、４８０ｍｌのＨ_２Ｏ（Ｍｉｌｌｉ－Ｑ）および３．５ｍＬのＮａＯＨ（２Ｍ）を１０００ｍＬの丸底フラスコに添加した。混合物を８０℃に加熱し、６００ｒｐｍで撹拌した。２時間の間、１００μＬのエタノール中の２．２μＬの（３－アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を含む１ｍｇのローダミン－Ｂイソチオシアネートを混合し、得られた溶液を５ｍＬのＴＥＯＳに加え、次に、混合物をポンプで０．２５ｍＬ／分の速度で滴下して添加した。得られた白色懸濁液を８０℃でさらに２時間磁気撹拌した。次に、反応混合物を遠心分離し、水およびエタノールで洗浄した。最後に、硝酸アンモニウム（１０ｍｇ／ｍＬ）のエタノール（９５％）溶液を使用したイオン交換により、７０℃で一晩マグネチック撹拌機でテンプレートを除去した。ナノ粒子を遠心分離によって収集し、エタノールで３回洗浄し、真空下で一晩乾燥させた。

１．３．ＵＳ応答性モノマー、テトラヒドロピラニルメタクリレート（ＴＨＰＭＡ）

メタクリル酸（８ｇ）、ピリジン（０．３ｍＬ）、およびｐ－トルエンスルホン酸（０．７ｇ）を８０ｍＬのジクロロメタンに溶解した（図Ｓ７ａ）。ジヒドロピラン（０．１６２モル）を室温でゆっくりと添加した。一晩撹拌した後、溶液を短いシリカカラムで濾過した。溶液を、水およびブラインで３回抽出した。最後に、溶媒を真空下で除去して、ＴＨＰＭＡを得た。

１．４．ＵＳ応答性コポリマーｐ（ＭＥＯ_２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）

コポリマー、ポリ（２－（２－メトキシエトキシ）エチルメタクリレート－ｃｏ－２－テトラヒドロピラニルメタクリレート）、ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）は、ＭＥＯ２ＭＡ（温度応答性モノマー）とＴＨＰＭＡ（超音波－応答性モノマー）からフリーラジカル重合によって合成された。異なるモル比（合計０．０１モル）のＭＥＯ２ＭＡおよびＴＨＰＭＡをシールバイアルに入れ、窒素でパージした。不活性雰囲気下で１６ｍＬのＤＭＦを添加し、溶液を８０℃で磁気撹拌機下に載置した。０．００３ミリモルの開始剤４，４'－アゾビス（４－シアノ吉草酸）（ＡＢＣＶＡ）を含む１ｍＬのＤＭＦを添加した。反応は一晩行われた。次に、ポリマーを冷ジエチルエーテル中で沈殿させ、遠心分離によって分離し、ジエチルエーテルで３回洗浄した後、溶媒を蒸発させた。

１．５．ポリマーグラフト化ＭＳＮナノ粒子

０．３ｇのカルボン酸末端ポリ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）、１１ｍｇのＮ、Ｎ'－ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）および６ｍｇのＮ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）をガラスバイアルに添加した。バイアルを窒素でパージし、２ｍＬのＤＭＦを添加した。次に、Ｎ_２雰囲気下で磁気撹拌機を用いて、８μｌのＡＰＴＥＳを含むＤＭＦ（１ｍＬ）を加えた。溶液を一晩撹拌した（溶液１、シリレートコポリマー溶液）。次に、激しく攪拌しながら、１ｍＬの溶液１を５０ｍｇのＭＳＮを含む２０ｍＬのトルエンに滴下した。反応媒体を還流下で加熱した。４時間後、さらに１ｍＬの溶液１を添加した。４時間後、残りの溶液１を添加した。反応物を激しく撹拌しながら２４時間放置した。次に、混成ＭＳＮを遠心分離によって収集し、トルエン、ＤＭＦ（２回）、冷水（２回）、およびエタノールで洗浄した。その後、ナノ粒子を真空下で１６時間乾燥させた。色素を充填する前に、サンプルをトルエン、ＤＭＦ（２回）、水、エタノールで完全に洗浄し、６０℃で真空乾燥した。

１．６．動的光散乱によるポリマーグラフト化ＭＳＮナノ粒子の相転移温度（ＬＣＳＴ）の決定

ＬＣＳＴは、ＬＣＳＴでのポリマーの沈殿によって得られる散乱強度の劇的な変化（散乱強度が最大の５０％である温度として決定される）によって、動的光散乱（ＤＬＳ）によって決定された。ＬＣＳＴの測定は、６３３ｎｍの「赤色」レーザーを備えたＺｅｔａｓｉｚｅｒ Ｎａｎｏ－Ｓ（Ｍａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を使用して実行された。転移温度を決定するために、ガラスキュベット内の１ｍＬの溶液からの９０℃での散乱強度の温度依存性を測定した。温度は、１０～４５℃の範囲で個別の温度増分によって上昇し、各温度で２分間平衡化した後に読み取りが行われた。

１．７．コポリマーグラフト化ＭＳＮの超音波応答性のためのカーゴの充填および放出

カーゴ充填：２０ｍｇのナノ粒子をセプタム付きのガラスバイアルに入れ、８０℃で真空下で２４時間乾燥させた。次に、バイアルを磁気撹拌して４℃に載置し、５ｍＬのカーゴ溶液（２０ｍｇ／ｍＬ、ＰＢＳ中のフルオレセイン）を添加し、懸濁液を４℃で２４時間撹拌した。その後、外面に吸収されたカーゴを除去するために、サンプルを濾過し、あらかじめ熱いＰＢＳ（５０℃）で２回洗浄した。最後に、生成物を２５℃の真空下で乾燥させた。

カーゴ放出を評価するために、ポリマーをグラフトしたＭＳＮに、リン酸緩衝液（ＰＢＳ）中のフルオレセインをＭＳＮと４℃で１日攪拌して充填した。コポリマーの熱応答性による細孔の閉鎖を誘発するために、サンプルを４℃で濾過し、温かい（５０℃）ＰＢＳで洗浄した。サンプル洗浄の手順を８～１１回繰り返し、サンプル洗浄後に無色の溶液が得られ、外部表面からＦＬが完全に放出された（細孔にトラップされたフルオレセインのみがサンプルに残っている必要があった）。次に、サンプルをポリプロピレンチューブに入れ、１０ｍＬのＰＢＳ緩衝液を入れ、ＵＳで処理した。特に、ＵＳ処理は、溶液加熱を引き起こすが、我々の信念では、次のステップでのさらなる溶液加熱を考慮すると、これは重要ではない。対照実験では、サンプルをポリプロピレンチューブに入れ、ＵＳ処理無しで１０ｍＬのＰＢＳ緩衝液を入れた。次に、両方の溶液（ＵＳおよび対照によって処理された）を３７℃で一定時間加熱し、指定された加熱期間の後、分析のためにサンプルを採取した。ＭＳＮを遠心分離により分離し、そして透明な溶液の蛍光を、較正曲線、フルオレセインを用いて測定した：λ_ｅｘｃ４９０、λ_ｅｍ５１４ｎｍ（図２９）。

１．８．ポリマーの加水分解

特定量のポリマー（０．０７～０．２６ｇ）を３０ｍＬの水に懸濁した。懸濁液を２０ｋＨｚＵＳで１０分間処理した後、溶液のｐＨをｐＨメーターで測定した。

実施例２
２．方法

粉末回折は、Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥ、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ回折計で測定した。サンプルの表面と体積を測定するための窒素吸着は、Ｓｏｒｐｔｏｍａｔｉｃ １９９０（Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）装置を使用して７７Ｋで測定した。動的光散乱は、Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ Ｎａｎｏ－Ｓ、Ｍａｌｖｅｒｎデバイスを使用して測定した。透過型電子画像はＴＥＭ（ＰＥＭ－１２５Ｋ、Ｓｅｌｍｉ）顕微鏡で取得し、元素分析（ＣＨＮ）は、ＣａｒｌｏＥｒｂａ １１０６分析器で実行した。熱分析は、Ｑ－１０００、ＭＯＭデリバトグラフで実行された。ＩＲスペクトルは、ＫＢｒディスクのＳｐｅｃｔｒｕｍ Ｏｎｅ Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＦＴＩＲ分光計で測定した。ＵＶ－ＶｉｓスペクトルはＳｐｅｃｏｒｄ ２１０、Ａｎａｌｙｔｉｋ Ｊｅｎａ分光計で測定され、固体サンプルと溶液の発光スペクトルはＬＳ５５、Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ発光分光計で測定された。^１Ｈ ＮＭＲおよび^１３Ｃスペクトルは、ユニティプラス４００、バリアンＮＭＲ分光計で測定した。

図１６は、ＭＳＮ－１サンプルのＴＥＭ画像である（ｄ～４．５ｎｍ、Ｄ_ｐｏｒｅ～２．８ｎｍのオーダーのメソ細孔が示されている）。

図１７に、ＭＳＮサンプルのＸＲＤパターンを示す。

図１８に、ＭＳＮサンプルの熱分析を示す。

図１９に、Ｎ_２吸着等温線から計算された、ＭＳＮｓ－１（１）、ＭＳＮｓ－２（２）、ＭＳＮｓ－３（３）、ＭＳＮｓ－４（４）およびＭＳＮ－５（５）サンプルの粒子内（Ａ）および粒子間（Ｂ）の細孔径分布を示す。

本明細書では本発明の特定の特徴が図示され、説明されてきたが、多くの修正、置換、変更、および同等物が当業者に実施されるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に収まるように、すべてのそのような修正および変更を網羅することを意図していることを理解されたい。

Claims (31)

1. 対象の生物学的組織に移植されて、外部刺激である放出刺激に感応して医療ペイロードを放出する担体デバイスであって、
   前記放出刺激は、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する超音波であり、
   前記担体デバイスは、
   前記医療ペイロードを担持するための複数の細孔を有する多孔質粒子であって、前記複数の細孔を閉塞するコーティング材料でコーティングされ、前記コーティング材料が、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する超音波である前記放出刺激に対して感応性である、該多孔質粒子と、
   前記多孔質粒子に付着し、外部刺激である推進刺激に応答する推進構成要素であって、前記推進刺激により推進されて、前記対象の体内の所定の位置に方向付けられる、該推進構成要素と、を備え、
   前記推進構成要素が、磁気による推進刺激に対して感応性であり、
   前記コーティング材料が、ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）を含むポリマーである、デバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記放出刺激の周波数が１０ｋＨｚ～４０ｋＨｚである、デバイス。
3. 請求項２に記載のデバイスであって、
   前記放出刺激の周波数が２０ｋＨｚである、デバイス。
4. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記多孔質粒子が、シリカまたはアルミナから作られる、デバイス。
5. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記複数の細孔の平均サイズが、１０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲である、デバイス。
6. 請求項５に記載のデバイスであって、
   前記複数の細孔の前記平均サイズが、１００ｎｍ～１５０ｎｍ、１００ｎｍ～２００ｎｍ、５０ｎｍ～１００ｎｍ、１０ｎｍ～５０ｎｍ、２ｎｍ～５０ｎｍ、６０ｎｍ～１３０ｎｍ、７０ｎｍ～１５０ｎｍ、または、３０ｎｍ～６０ｎｍの範囲である、デバイス。
7. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記多孔質粒子のＢＥＴ比表面積が、Ｓ_ＢＥＴ８１７ｍ^２／ｇ～１０４４ｍ^２／ｇの範囲である、デバイス。
8. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記多孔質粒子の細孔の総体積が、０．５ｃｍ^３／ｇ～５．０ｃｍ^３／ｇの範囲である、デバイス。
9. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記多孔質粒子の細孔径が、３ｎｍ～１０ｎｍの範囲である、デバイス。
10. 請求項１に記載のデバイスであって、
    前記医療ペイロードが、前記対象の治療または診断で使用されるものである、デバイス。
11. 請求項１に記載のデバイスであって、
    前記医療ペイロードが、アンチセンスオリゴヌクレオチド、アプタマー、ペプチド、ペプトイド、または、腫瘍溶解性ウイルスを含む、デバイス。
12. 請求項１に記載のデバイスであって、
    前記医療ペイロードが、遺伝子治療構成要素を含み、前記遺伝子治療構成要素が、ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９またはウイルスベクターベースの薬剤を含む、デバイス。
13. 請求項１に記載のデバイスであって、
    前記多孔質粒子が、マイクロ粒子、ナノ粒子、またはそれらの組み合わせである、デバイス。
14. システムであって、
    担体デバイスと、
    遠隔ユニットと、を備え、
    前記担体デバイスが、医療ペイロードを担持し、対象の生物学的組織に移植されて、前記対象の体内の所定の位置で前記医療ペイロードを放出するように構成され、
    前記担体デバイスは、
    複数の細孔を有する多孔質粒子であって、前記複数の細孔を閉塞するコーティング材料でコーティングされ、前記コーティング材料は外部刺激である超音波の放出刺激に対して感応性である、該多孔質粒子と、
    前記多孔質粒子に付着され、外部刺激である推進刺激に応答する推進構成要素であって、前記推進刺激により推進されて、前記所定の位置に方向付けられる、該推進構成要素と、を備え
    前記推進構成要素が、磁気による推進刺激に対して感応性であり、
    前記コーティング材料が、ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）を含むポリマーであり、
    前記遠隔ユニットが、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する前記放出刺激を前記担体デバイスに適用することによって、前記複数の細孔の開放と、それによる前記医療ペイロードの放出を誘導するように構成されている、システム。
15. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記放出刺激の周波数が１０ｋＨｚ～４０ｋＨｚである、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記放出刺激の周波数が２０ｋＨｚである、システム。
17. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記多孔質粒子が、シリカまたはアルミナから作られる、システム。
18. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記複数の細孔の平均サイズが、１０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲である、システム。
19. 請求項１８に記載のシステムであって、
    前記複数の細孔の前記平均サイズが、１００ｎｍ～１５０ｎｍ、１００ｎｍ～２００ｎｍ、５０ｎｍ～１００ｎｍ、１０ｎｍ～５０ｎｍ、２ｎｍ～５０ｎｍ、６０ｎｍ～１３０ｎｍ、７０ｎｍ～１５０ｎｍ、または、３０ｎｍ～６０ｎｍの範囲である、システム。
20. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記多孔質粒子のＢＥＴ比表面積が、Ｓ_ＢＥＴ８１７ｍ^２／ｇ～１０４４ｍ^２／ｇの範囲である、システム。
21. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記多孔質粒子の細孔の総体積が、０．５ｃｍ^３／ｇ～５．０ｃｍ^３／ｇの範囲である、システム。
22. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記多孔質粒子の細孔径が、３ｎｍ～１０ｎｍの範囲である、システム。
23. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記医療ペイロードが、前記対象の治療または診断で使用されるものである、システム。
24. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記医療ペイロードが、アンチセンスオリゴヌクレオチド、アプタマー、ペプチド、ペプトイド、または、腫瘍溶解性ウイルスを含む、システム。
25. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記医療ペイロードが、遺伝子治療構成要素を含み、前記遺伝子治療構成要素が、ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９またはウイルスベクターベースの薬剤を含む、システム。
26. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記多孔質粒子が、マイクロ粒子、ナノ粒子、またはそれらの組み合わせである、システム。
27. デバイスを動作させる方法であって、
    請求項１～１３のいずれか一項に記載の担体デバイスを提供するステップと、
    前記コーティング材料で閉塞された前記複数の細孔内に医療ペイロードを提供するステップと、
    １０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する前記放出刺激を前記デバイスに適用するステップと、を含む、方法。
28. 請求項２７に記載の方法であって、
    前記放出刺激の周波数が１０ｋＨｚ～４０ｋＨｚである、方法。
29. 請求項２８に記載の方法であって、
    前記放出刺激の周波数が２０ｋＨｚである、方法。
30. 請求項２７に記載の方法であって、
    磁気の前記推進刺激を適用して、前記デバイスを前記推進刺激により推進させて、前記対象の体内の所定の位置に方向付けられるステップをさらに含む、方法。
31. 請求項１に記載のデバイスを生産する方法であって、
    複数の細孔を有する多孔質粒子を提供するかまたは構成するステップと、
    前記多孔質粒子の細孔を医療ペイロードで充填するステップと、
    前記複数の細孔を閉塞するように、前記多孔質粒子をコーティング材料でコーティングするステップであって、前記コーティング材料が、ｐ（ＭＥＯ２ＭＡ－ｃｏ－ＴＨＰＭＡ）を含むポリマーであり、前記コーティング材料が、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する前記放出刺激に対して感応性である、該ステップと、
    外部刺激である磁気の推進刺激に応答する推進構成要素を前記多孔質粒子に、前記コーティング材料に、またはそれらの組み合わせに結合するステップであって、前記推進構成要素は、前記磁気の推進刺激により推進されて、前記対象の体内の所定の位置に方向付けられる、該ステップと、を含む、方法。

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