專利名稱：多孔聚合物制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及多孔聚合物制品，更具體而言，涉及用于組織工 程和器官替代的多孔聚合物制品。
背景技術(shù)：
組織工程和器官移植主要涉及因損傷或疾病而失去功能的組織和 器官的替代。在針對(duì)該目標(biāo)的一種方法中，器官被移植到患者中。但 移植的副作用可能令人討厭并可能危及器官受贈(zèng)人的健康。在另 一方 法中，細(xì)胞在生物可降解的聚合物支架上體外培養(yǎng)以形成組織或新器 官，所形成的組織或新器官然后在所需的解剖部位處,皮^V體內(nèi)。
關(guān)于組織生長(zhǎng)用支架的形成，人們已提出若干技術(shù)。例如，
Borenstein 等的名為"Tissue Engineering of Three-Dimensional Vascularized Using Microfabricated Polymer Assembly Technology"的 美國(guó)專利公開2002/0182241描述了用高精度模制工藝制備的二維模 板。這些模板然后被粘合形成具有封閉腔的三維支架結(jié)構(gòu)。Vacanti 等的名為"Vascularized Tissue Regeneration Matrices Formed by Solid Free Form Fabrication Techniques，，的美國(guó)專利6,176,874描述了 用來(lái)制備允許組織再生以及接種和植入細(xì)胞以形成器官和結(jié)構(gòu)部件的 裝置的固體自由成型方法。Hollister等的名為"Design Methodology for Tissue Engineering Scaffolds and Biomaterial Implants，，的美國(guó)專利公 開2003/0069718描述了具有不均勻材料性質(zhì)(包括互連孔)的解剖學(xué)成 型支架結(jié)構(gòu)。
雖然作了上述努力，但與許多內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)特別是中空和上皮器
官相關(guān)的顯著iua仍有限，并且需要改進(jìn)。特別地，制備用于組織工
程和器官替代的孔徑小而均勻的制品的新方法將是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
7提供了多孔聚合物制品，更具體而言，提供了用于組織工程和器 官替代的多孔聚合物制品。在一個(gè)方面，提供了一系列制備用作細(xì)胞
生長(zhǎng)^^L的結(jié)構(gòu)的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法包括將至少第 一和第二聚合物組分溶解在前體溶劑中以形成結(jié)構(gòu)前體材料、將所述 結(jié)構(gòu)前體材料成型為適宜用作細(xì)胞生長(zhǎng)^^的結(jié)構(gòu)、使所述第一聚合
物組分交聯(lián)、和從結(jié)構(gòu)中除去至少部分前體溶劑從而在結(jié)構(gòu)中形成多 個(gè)孔。
在另一實(shí)施方案中，提供了一種制備用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)的 方法。所述方法包括提供包含至少第一、第二和第三組分的結(jié)構(gòu)前體 材料、將所述結(jié)構(gòu)前體材料成型為適宜用作細(xì)胞生"j^板的結(jié)構(gòu)、使 所述第一組分交聯(lián)、使所述第二組分在沉淀介質(zhì)中沉淀、和在所述沉 淀介質(zhì)中從所述結(jié)構(gòu)中除去第三組分從而在結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔。
在另一實(shí)施方案中，提供了一種制備用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)的 方法。所述方法包括將至少第一和第二聚合物組分在前體溶劑中混合 以形成均勻的結(jié)構(gòu)前體材料(其中所述第 一和第二聚合物組分及前體 溶劑在25攝氏度和latm下可混溶)、印刷所述結(jié)構(gòu)前體材料以形成適 宜用作細(xì)胞生長(zhǎng);^板的三維結(jié)構(gòu)、和從所述結(jié)構(gòu)中除去前體溶劑從而 在結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔。
在另一實(shí)施方案中，提供了一種制備用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)的 方法。所述方法包括形成包含至少第 一和第二聚合物組分及流體載體 的細(xì)胞生長(zhǎng)模板前體結(jié)構(gòu)、使所述第一聚合物組分交聯(lián)從而形成自支 承結(jié)構(gòu)、和從所述自支承結(jié)構(gòu)中除去至少部分流體載體從而在適于模 板化細(xì)胞生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔，其中所述多孔結(jié)構(gòu)形成為適于模 板化細(xì)胞生長(zhǎng)的形狀。
在另一實(shí)施方案中，提供了一種制備用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)的 方法。所述方法包括將至少第一和第二聚合物組分溶解在前體溶劑中 以形成結(jié)構(gòu)前體材料、將所述結(jié)構(gòu)前體材料成型為適宜用作細(xì)胞生長(zhǎng) 模板的結(jié)構(gòu)、將所述結(jié)構(gòu)前體材料暴露于UV輻射下、和從所述結(jié)構(gòu) 中除去至少部分前體溶劑從而在所述結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔。
在另一方面，提供了一種用作細(xì)胞生長(zhǎng)^^的制品。所述制品包 含含有至少一個(gè)限定空腔的壁的結(jié)構(gòu)，和形成在至少部分所述壁中的 平均孔徑小于或等于20微米的多個(gè)孔，其中所有孔中不超過(guò)約5%的孔的尺寸與所述多個(gè)孔的平均孔徑偏離超過(guò)約20%，其中所述結(jié)構(gòu)構(gòu) 造和布置來(lái)用作細(xì)胞生長(zhǎng)的;j^板。
通過(guò)下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各種非限制性實(shí)施方案的詳細(xì)描 述，本發(fā)明的其他有利的和新穎的特征將變得顯而易見(jiàn)。當(dāng)本說(shuō)明書 和通過(guò)引用并入的文件包括沖突和/或不一致的公開時(shí)，以本說(shuō)明書為 準(zhǔn)。如果通過(guò)引用并入的兩個(gè)或更多個(gè)文件彼此包括沖突和/或不一致 的公開，則以生效日靠后的文件為準(zhǔn)。


下面以實(shí)施例的方式參照示意性而非按比例繪制的附圖對(duì)本發(fā)明 的非限制性實(shí)施方案加以描述。在附圖中，所示各個(gè)相同或幾乎相同 的部件通常由一個(gè)附圖標(biāo)記代表。為清楚起見(jiàn)，不是每一部件均在每 一圖中有標(biāo)示，對(duì)于使得本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明而言不是必要的 本發(fā)明各實(shí)施方案的部件也未一一示出。其中，
圖l示出了才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案形成三維結(jié)構(gòu)的工藝；
圖2A和2B示出了才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案用于形成三維結(jié)構(gòu) 的三維印刷方法的示意圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案用于形成多孔結(jié)構(gòu)的相反 轉(zhuǎn)法的示意圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案用于表征多孔結(jié)構(gòu)的孔徑 和截留分子量(molecular weight cutoff, MWCO )的過(guò)濾法的示意
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的各種多孑L膜的7jC通量對(duì) 壓力的曲線圖6A-6F示出了才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的多孔PS-FC膜的 SEM顯微照片；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，圖6A-6F的多孔膜隨 PEG分子量而變的PEG脫除曲線；
圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案未使用粘附蛋白粘附到 商品膜上的MDCK細(xì)胞；和圖8B-8C示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案未使用粘附蛋白粘附 到PS-FC膜上的MDCK細(xì)胞。
詳細(xì)描述
描述了多孔聚合物制品，更具體而言，描述了用于組織工程和器 官替代的多孔聚合物制品。在一些實(shí)施方案中，本文中所述的方法包 括使用聚合物-溶劑體系(例如相反轉(zhuǎn))以在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生多孔性。所述方 法可包括形成含第 一可交聯(lián)組分和可在沉淀介質(zhì)中沉淀的第二組分的 結(jié)構(gòu)前體材料。所述結(jié)構(gòu)前體材料可通過(guò)適宜的技術(shù)如三維印刷成型 為三維形狀。所述結(jié)構(gòu)前體材料一成型，至少部分第一組分即可交聯(lián)。 所述結(jié)構(gòu)然后可與沉淀介質(zhì)接觸以從結(jié)構(gòu)中除去前體溶劑，這可使第 二聚合物組分沉淀并形成含均勻孔的網(wǎng)絡(luò)的多孔結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方 案中，多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)造和布置來(lái)用作超濾、細(xì)胞生長(zhǎng)和/或用于形成其中 活細(xì)胞可固定化并發(fā)揮其正常生理功能的復(fù)雜仿生多孔生物復(fù)合器官 (biohybrid organ)的模板。
有利的是，本文中所述的結(jié)構(gòu)可具有吸引人的生物功能特性如具 有敏銳的截留分子量(MWCO)、高過(guò)濾和擴(kuò)散通量以及良好的機(jī)械強(qiáng) 度、生物相容性和可成形性的均勻的孔。
雖然本文中的許多描述均涉及與使用多孔聚合物制品作為組織工 程和/或器官替代的支架有關(guān)的本發(fā)明的示例性應(yīng)用，但本發(fā)明及其用 途不限于此，應(yīng)理解本發(fā)明也可用在其他裝置如用于過(guò)濾、純化和分 離過(guò)程的裝置中。
在一些實(shí)施方案中，本文中所述的結(jié)構(gòu)可用多種工具包括計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)(CAD)工具、高分辨率多層計(jì)算機(jī)斷層(CT)掃描和/或三維掃 描儀繪制、成像和/或掃描。例如，對(duì)于待用于組織工程和/或器官替代 的結(jié)構(gòu)，患者的組織和/或器官的CT掃描可被轉(zhuǎn)化為適宜的文件格式 并饋送給可產(chǎn)生所述結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中。可4吏用多種技術(shù)來(lái)形成所述結(jié)構(gòu)， 這將在下文更詳細(xì)地描述。在一些情況下，這些方法可控制所述結(jié)構(gòu) 的組成和微結(jié)構(gòu)。制備用于組織工程和/或器官替代的結(jié)構(gòu)的適宜系統(tǒng) 和技術(shù)包括但不限于三維印刷(例如三維分層)、多光子光刻 (multi-photon lithography )、立體光刻(stereolithography， SLA)、選 擇性激光燒結(jié)(SLS)或激光燒蝕、彈道粒子制造(ballistic particlemanufacturing, BPM)、分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing) 和熔化沉積造型(Fusion deposition modeling, FDM)。在某些優(yōu)選的實(shí) 施方案中，通過(guò)三維印刷形成結(jié)構(gòu)。也可使用制備用于組織工程和/ 或器官替代的結(jié)構(gòu)的其他技術(shù)。這類技術(shù)可與適宜的材料和/或步驟相 結(jié)合來(lái)制備本文中所述的多孔制品。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使用三維印刷技術(shù)來(lái)制備多孔制品。所述三 維印刷技術(shù)可包括使用諸如Eden 260快速成型設(shè)備(Rapid Prototyping Tool, RPT)的工具。Eden 260 RPT為聚合物分配系統(tǒng)， 其可用壓電驅(qū)動(dòng)噴嘴印刷聚合物前體材料和根據(jù)需要使用的犧牲材料 的微滴。使用這類工具可處理三維圖像文件且所述圖像可被切成許多 層。然后可將各層相互疊置印刷且至少部分所述聚合物前體材料可被 聚合和/或交聯(lián)。
圖1中示出了形成三維結(jié)構(gòu)的方法的實(shí)例。如方法6中所示，待 成型(例如待成型為細(xì)胞生長(zhǎng)模板)的結(jié)構(gòu)前體材料16可含包含單體 (例如可UV交聯(lián)的單體)的第一組分8和包含可沉淀的單體/聚合物的 第二組分10。所述第一和/或第二組分可被溶解在溶劑12(例如第三組 分或流體載體)中。在一些實(shí)施方案中，將所述第一和第二組分與溶劑 合并(例如混合)的步驟14可形成均勻溶液。然后結(jié)構(gòu)前體材料可在步 驟18中成型為第一前體結(jié)構(gòu)20,其可為細(xì)胞生長(zhǎng)^^1前體結(jié)構(gòu)。前 體結(jié)構(gòu)材料的成型可通過(guò)如圖2A和2B中所示的三維印刷或通過(guò)其他 適宜的技術(shù)進(jìn)行。例如，在圖2A和2B中所示的實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前 體材料(和根據(jù)需要使用的犧牲材料)可逐滴、逐層分配。工具40和42 可用一個(gè)或更多個(gè)噴嘴46分配相同或不同材料的微滴44。微滴44可 被印刷以形成由基體座48負(fù)載的第一前體結(jié)構(gòu)20。如圖2A中所示， 第一前體結(jié)構(gòu)20可通過(guò)垂直印刷法形成；圖2B示出了第一前體結(jié)構(gòu) 20的水平印刷。任選地，在分配各層材料后，可使用輥來(lái)4t4面平滑。 結(jié)構(gòu)前體材料的第一組分(例如可交聯(lián)的單體)可在圖i的步驟22中聚
合(和/或交聯(lián))，所述步驟22可包括例如將結(jié)構(gòu)前體材料暴露于UV輻 射或可引起至少部分所述材料的聚合和/或交聯(lián)的任何適宜的源下。該 過(guò)程可重復(fù)直至形成第二前體結(jié)構(gòu)24，其可呈固體或半固體結(jié)構(gòu)(例如 自支承結(jié)構(gòu))的形式。在其他一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體材料的若干或 所有層可在結(jié)構(gòu)前體材料的至少 一個(gè)組分的聚合和/或交聯(lián)之前分配。 在一些情況下，當(dāng)暴露于UV輻射下時(shí)第二組分基本不聚合和/或交聯(lián)。
ii然后所述結(jié)構(gòu)可在步驟26中與沉淀介質(zhì)接觸并可在介質(zhì)中除去至少 部分所述前體溶劑。該過(guò)程可引起第二組分沉淀并形成含均勻孔網(wǎng)絡(luò) 的多孔結(jié)構(gòu)28。作為替代方案，在一些實(shí)施方案中，第一前體結(jié)構(gòu)20 可在步驟26中與沉淀介質(zhì)接觸，然后前體結(jié)構(gòu)的組分聚合和/或交聯(lián) 形成多孔結(jié)構(gòu)28。所述多孔結(jié)構(gòu)可形成為適于模板化細(xì)胞生長(zhǎng)的形 狀。
在一些情況下，多孔結(jié)構(gòu)28可設(shè)計(jì)為包含開放區(qū)域(例如孔和/或 空腔)。在制備過(guò)程中，開放區(qū)域可被填充以犧牲材料。犧牲材料和前 體材料可通過(guò)三維印刷機(jī)的分開的噴嘴分配。印刷后，犧牲材料可通 過(guò)例如將所述材料溶解在溶劑中而除去。通常，適宜的犧牲材料包括 可溶于不溶解結(jié)構(gòu)前體材料的溶液中的材料。在一些情況下，犧牲材
料不可聚合和/或交聯(lián)；然而，在另外一些情況下，犧牲材料可聚合和 /或交聯(lián)。
現(xiàn)在對(duì)相反轉(zhuǎn)法進(jìn)行進(jìn)一步的描述。如本文中所述，在一些實(shí)施 方案中，結(jié)構(gòu)的制備可包括將一種或更多種組分(例如第 一和/或第二聚 合物組分，其可包括單體和/或聚合物)溶解在適宜的前體溶劑中以形成 結(jié)構(gòu)前體溶液。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，所述第一和第二組分在25 攝氏度和latm下可混溶。結(jié)構(gòu)前體溶液可成型為所希望的結(jié)構(gòu)。例 如，在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體溶液被澆鑄為膜或空心纖維。在另 一實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體溶液通過(guò)適宜的技術(shù)例如三維印刷成型為三 維結(jié)構(gòu)。任選地，所述結(jié)構(gòu)的至少一種組分(例如第一聚合物組分)可 通過(guò)例如將組分暴露于紫外(UV)輻射下而聚合和/或交聯(lián)。聚合和/或 交聯(lián)可在所有或部分結(jié)構(gòu)已成型后進(jìn)行。在一些情況下，聚合和/或交 聯(lián)可引起部分結(jié)構(gòu)的固化。然后可將所述結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在可沉淀所述結(jié)構(gòu) 的至少 一種組分(例如第二聚合物組分)的沉淀介質(zhì)(例如液體或氣體形 式的溶劑，也稱"非溶劑")中。該過(guò)程可引起前體結(jié)構(gòu)分離成固體聚合 物和包含前體溶劑的液體溶劑相。至少部分前體溶劑可在沉淀介質(zhì)中 除去，這可引起第二聚合物組分沉淀并形成含均勻孔網(wǎng)絡(luò)的多孔結(jié)構(gòu)。
影響所希望結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的參數(shù)可包括沉淀^h質(zhì)的組成、組 分濃度、前體材料的粘度(其又可取決于用來(lái)成型/形成結(jié)構(gòu)的方法)、 各組分(例如，如果前體材料含一種以上組分的話)的相對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度和粘度比(或分子量比)、結(jié)構(gòu)前體材料和/或沉淀介質(zhì)的溫度、(一 種或更多種組分、溶劑和沉淀^h質(zhì)的)組分分子量和溶解度M、以及前體溶劑的量和類型。可改變這些因素以產(chǎn)生例如具有大孔徑范圍(例
如從0.01到20微米)的結(jié)構(gòu)，并且在一些實(shí)施方案中，所有孔中不超 過(guò)約5%的孔的尺寸與所述平均孔徑偏離超過(guò)約20%,這將在下面更 詳細(xì)地描述。
可采用不同的沉淀方法來(lái)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)前體材料的組分的沉淀。在一 些情況下，前體結(jié)構(gòu)的組分的沉淀可通過(guò)改變前體結(jié)構(gòu)中組分的濃度 引起。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，可將包含聚合物組分和前體溶劑的 前體結(jié)構(gòu)或前體溶液與沉淀介質(zhì)接觸。至少部分前體溶劑可向外擴(kuò)散
進(jìn)沉淀介質(zhì)中且至少部分沉淀介質(zhì)可擴(kuò)散進(jìn)所述結(jié)構(gòu)或前體溶液中。 在給定的 一段時(shí)間后，前體溶劑和沉淀介質(zhì)的交換可使前體結(jié)構(gòu)/溶液 變得熱力學(xué)不穩(wěn)定。因此，可能發(fā)生反混合，聚合物組分可能沉淀形 成固體網(wǎng)絡(luò)。作為替代方案，在一些情況下沉淀介質(zhì)可為氣體(例如空 氣、氮?dú)?、氧氣和二氧化?，前體溶劑的蒸發(fā)可導(dǎo)致聚合物組分的沉 淀。在另一實(shí)施方案中，溶解在溶劑中的聚合物組分可通過(guò)改變溫度 (例如冷卻時(shí))而固化。這可通過(guò)例如將前體結(jié)構(gòu)/溶液的溫度降至待沉 淀的聚合物組分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔點(diǎn)以下進(jìn)行。
結(jié)構(gòu)前體材料的 一種組分的沉淀速率可通過(guò)選擇沉淀^h質(zhì)的適宜 組成和/或條件加以控制。例如，已經(jīng)知道組分沉淀得越快，沉淀相的 ^t就越好。高沉淀速率可通過(guò)將沉淀組分暴露于與該組分的溶解度 參數(shù)非常不同的沉淀介質(zhì)中而發(fā)生。組分暴露于沉淀介質(zhì)中的時(shí)間長(zhǎng) 短以及二者間的溫度差異也可改變沉淀速率。因此，最終多孔結(jié)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)完整性和形態(tài)學(xué)性質(zhì)可通過(guò)控制這類M加以改變。
適宜用作沉淀介質(zhì)的材料包括例如可使結(jié)構(gòu)前體材料的至少 一種 組分在暴露于該介質(zhì)中時(shí)沉淀的液體或氣體。例如，包含聚砜的結(jié)構(gòu) 前體材料可通過(guò)使材料暴露于水中而沉淀，這里水充當(dāng)適宜的沉淀介 質(zhì)。結(jié)構(gòu)前體材料適宜的沉淀介質(zhì)可基于待沉淀組分在沉淀介質(zhì)中的 溶解度例如用材料已知的溶解度性質(zhì)或通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇。例如， 如Barton, Handbook of Solubility Parameters (溶解度參數(shù)手冊(cè)), CRC Press, 1983中描述的溶解度"t(例如Hildebrand參數(shù))可用來(lái)確 定一種組分在另一組分中的溶解可能性。通常，具有不同的溶解度參 數(shù)值的化學(xué)組分彼此不可溶。在某些實(shí)施方案中，優(yōu)選不與沉淀介質(zhì) 反應(yīng)而在暴露于沉淀介質(zhì)中時(shí)沉淀的結(jié)構(gòu)前體材料組分。因此，可選 擇具有不同的溶解度M值的結(jié)構(gòu)前體材料組分和沉淀介質(zhì)。本領(lǐng)域組分沉淀。這樣的實(shí)驗(yàn)中可使用不同的條件例如溫度和材料濃度。本 領(lǐng)域技術(shù)人員還可進(jìn)行其他簡(jiǎn)單的試驗(yàn)。
多種材料可用來(lái)制備本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。用來(lái)形成用于組織工程和/ 或器官替代的結(jié)構(gòu)的材料可以是生物相容的并可包括例如合成或天然 聚合物、無(wú)機(jī)材料或者無(wú)機(jī)材料與聚合物的復(fù)合材料。
如上所述，在一些實(shí)施方案中，本文中所述的結(jié)構(gòu)由含至少第一 和第二聚合物組分的結(jié)構(gòu)前體材料形成。所述第一和第二聚合物組分
可為例如可聚合和/或交聯(lián)的單體或可通過(guò)任何適宜的途徑進(jìn)一步聚 合和/或交聯(lián)的聚合物。有時(shí)，所述第一聚合物組分可溶解于所述第二 聚合物組分(或與兩種聚合物組分相容的溶劑)中以便組分分子互相貫 穿。結(jié)構(gòu)前體材料可能是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，這意味著材料中可能發(fā)生 反混合過(guò)程。為增加穩(wěn)定性，常有必要聚合、交聯(lián)或沉淀一種或兩種 聚合物組分。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體材料的聚合物組分 基本可溶于前體溶劑中但基本不溶于沉淀介質(zhì)中，以便至少部分組分 在與沉淀介質(zhì)接觸時(shí)沉淀。在另一實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體的聚合物組
分可通過(guò)適宜的技術(shù)例如暴露于uv輻射、熱和/或交聯(lián)劑中而聚合和
/或交聯(lián)。在又一實(shí)施方案中，聚合物組分(和/或前體溶劑)至少部分基 于其在彼此中的溶解度用例如組分已知的溶解度性質(zhì)或通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)
驗(yàn)來(lái)選擇。例如，如Barton, Handbook of Solubility Parameters (溶解 度^lt手冊(cè))，CRC Press, 1983中描述的溶解度^^t(例如Hildebrand 參數(shù))可用來(lái)確定一種組分在另一組分中的溶解可能性。通常，具有相 似的溶解度參數(shù)值的化學(xué)組分彼此可溶。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可通過(guò)例 如組分和溶劑間反應(yīng)的可能性和/或通過(guò)簡(jiǎn)單的篩選試驗(yàn)選擇適宜的 聚合物和/或溶劑。 一種簡(jiǎn)單的篩選試驗(yàn)可包括將聚合物組分一起任選 地與前體溶劑混合并測(cè)定所述組分是否彼此反應(yīng)和/或形成均勻的溶 液。在某些實(shí)施方案中，在25攝氏度和latm下形成可混溶(例如均勻) 溶液的非反應(yīng)性組分是優(yōu)選的。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可進(jìn)行其他筒單的 試驗(yàn)。
在一些實(shí)施方案中，聚合物組分包含一種或更多種可光固化(例如 可交聯(lián))的聚合物(或單體)。例如，可光固化的聚合物可包括可紫外(uv)或可見(jiàn)光固化的聚合物。具體的材料包括可光固化的丙烯酸類 單體、丙烯酸類聚合物、可uv固化的單體、可熱固化的單體、聚合
物溶液如熔融聚合物和/或低聚物溶液、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基 苯酚、苯并環(huán)丁烯、光交聯(lián)端基封端的聚環(huán)氧乙烷前體、 一種或更多 種聚酰亞胺、和這些聚合物的單體。在一些情況下，基于丙烯酸酯的 光聚合物可包括一種或更多種組分如敏化染料、胺類光引發(fā)劑和多官
能丙烯酸酯單體。例如，季戊四醇三丙烯酸酯(PETIA)可形成聚合物 網(wǎng)絡(luò)的骨架，N-甲基二乙醇胺(MDEA)可用作光引發(fā)劑，曙紅Y(2-,4-， 5-， 7-四溴熒光素二鈉鹽)可用作朝:化染料。該體系在450-550nm的光 鐠區(qū)中特別敏感，可用在例如包括1028nm激光器的兩光子光刻法中。 在另一實(shí)例中，可用有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化物例如ORMOCER (微刻技術(shù)， Micro Resist Technology)來(lái)制備本文中所述的結(jié)構(gòu)。該材料在可見(jiàn)和 近紅外范圍內(nèi)可具有高度透明性，可含高度可交聯(lián)的有機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可結(jié) 合可帶來(lái)高的光學(xué)性能以及高度的機(jī)械和熱穩(wěn)定性的無(wú)機(jī)組分，并可 對(duì)某些類型的細(xì)胞和/或細(xì)胞組分生物相容。在再一實(shí)例中，丙烯酸酯 和環(huán)氧聚合物如乙？L^化三羥曱基丙烷三丙烯酸酯和烷lL&化三官能 丙烯酸酯可用來(lái)形成結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)前體材料還可含一種或更多種用于聚合和/或交聯(lián)的光引發(fā) 劑和/或交聯(lián)劑。此外，結(jié)構(gòu)前體材料可任選稀釋于一種或更多種溶劑 中以降低材料的粘度和使其適于應(yīng)用于例如噴射機(jī)構(gòu)如三維印刷機(jī) 中。
在某些實(shí)施方案中，也生物相容并可水溶的可光聚合的材料可用 來(lái)形成用于組織工程和/或器官替代的結(jié)構(gòu)。非限制性的實(shí)例包括聚乙 二醇四丙烯酸酯，其可用氳激光器在生物相容條件下，即，使用引發(fā) 劑如三乙醇胺、N-乙烯基吡咯烷酮和曙紅Y，進(jìn)行光聚合?？墒褂妙?似的具有聚(乙二醇)中心嵌段、經(jīng)可水解的低聚物如低聚(d，l-乳酸)或 低聚(乙醇酸)擴(kuò)鏈并由丙烯酸酯基團(tuán)封端的可光聚合的單元。也可使 用例如暴露于熱和/或化學(xué)交聯(lián)劑中時(shí)聚合或交聯(lián)的其他可聚合和/或 可交聯(lián)的聚合物。
可用來(lái)形成本文中所述結(jié)構(gòu)的聚合物組分的其他實(shí)例包括但不限 于聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛(polyvinylbutryl)、聚乙烯基吡啶、 聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯基乙酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、乙 烯國(guó)丙烯橡膠(EPDM)、 EPR、氯化聚乙烯(CPE)、亞乙基雙丙烯酰胺(EBA)、丙烯酸酯(例如烷基丙烯酸酯、乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇丙 烯酸酯、乙烯-丙烯酸乙酯(EEA))、氫化丁腈橡膠(HNBR)、天然橡膠、 丁腈橡膠(NBR)、某些含氟聚合物、聚硅氧烷橡膠、聚異戊二烯、乙 烯-乙酸乙烯酯(EVA)、氯磺酰橡膠、氟化聚(芳醚)(FPAE)、聚醚酮、 聚砜、聚醚酰亞胺、二環(huán)氧化物、二異氰酸酯、二異硫氰酸酯、甲醛 樹脂、M樹脂、聚氨酯、不飽和聚醚、聚乙二醇乙烯基醚、聚乙二 醇二乙烯基醚、聚(酸酐)、聚原酸酯、聚磷腈、聚丁烯、聚己內(nèi)酯、 聚碳酸酯、蛋白質(zhì)聚合物(如白蛋白、J^f、蛋白)、和多糖、其共聚物、 以及這些聚合物的單體。在某些實(shí)施方案中，聚合物組分基于其與三 維印刷技術(shù)的適應(yīng)性來(lái)選擇。
在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體材料包含可UV固化的丙烯 酸類單體，所述單體包含Object FullCureTM 3D印刷構(gòu)造材料，其可 從Object Geometries Inc.得到。當(dāng)將包含所述構(gòu)造材料的結(jié)構(gòu)前體材 料暴露于UV輻射中時(shí)，至少部分丙烯酸類單體可聚合和/或交聯(lián)形成 固體或半固體的前體結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體材料可還包含 用于聚合的光引發(fā)劑，并可在一種或更多種溶劑如醇例如異丙醇、乙 醇和/或曱醇或任何其他適宜的溶劑中稀釋以降低可UV固化的單體的 粘度和使其適于應(yīng)用于例如噴射機(jī)構(gòu)如三維印刷機(jī)中。
在一些情況下，聚合物前體材料含暴露于沉淀介質(zhì)中時(shí)能沉淀的 聚合物。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，聚合物組分為聚砜。聚砜包括例 如聚醚砜、聚芳^風(fēng)(例如聚苯^風(fēng))、，基颯、聚芳烷基颯等。
可用作結(jié)構(gòu)前體組分的暴露于沉淀介質(zhì)中時(shí)可沉淀的其他聚合物 包括但不限于聚胺類(例如聚(乙烯亞胺)和聚曱基吖丙啶(PPI));聚酰 胺類(例如聚酰胺(尼龍)、聚(￡-己內(nèi)酰胺)(尼龍6)、聚(己二酰己二胺)(尼 龍66))、聚酰亞胺類(例如聚酰亞胺、聚腈和聚(均苯四酰亞胺-l，4-二苯 基醚)(Kapton));乙烯基聚合物類(例如聚丙烯酰胺、聚(2-乙烯基吡咬)、 聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(甲基氰基丙烯酸酯)、聚(乙基氰基丙烯酸 酯)、聚(丁基氰基丙烯酸酯)、聚(異丁基氰基丙烯酸酯)、聚(乙酸乙蟑 酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(2-乙烯基吡咬)、乙烯 基聚合物、聚氯三氟乙烯和聚(異己基氰基丙烯酸酯))；聚縮醛類；聚 烯烴類(例如聚(丁烯-l)、聚(正戊烯-2)、聚丙烯、聚四氟乙烯)；聚酯 類(例如聚碳酸酯、IW苯二曱酸丁二醇酯、聚羥基丁酸酯)；聚醚類(聚 (環(huán)氧乙烷)(PEO)、聚(環(huán)氧丙烷)(PPO)、聚(環(huán)氧丁烷)(PTMO));亞乙烯基聚合物類(例如聚異丁烯、聚(甲基苯乙烯)、聚(甲基丙烯酸甲
酯)(PMMA)、聚(偏二氯乙烯)和聚(偏二氟乙烯))；聚芳酰胺類(例如聚 (亞^J^l，3-亞苯基亞氨基間^i酰)和聚(亞^J^l，4-亞苯基亞JliJ^ ^l酰))；聚雜芳族化合物(例如聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并二D惡唑(PBO) 和聚苯并二蓉哇(PBT));聚雜環(huán)化合物(例如聚吡咯)；聚氨酯類；酚類 聚合物(例如苯酚-甲醛)；聚炔類(例如聚乙炔)；聚二烯類(例如1,2-聚 丁二烯、順式或反式-l，4-聚丁二烯)；聚硅氧烷類(例如聚(二曱基眭氧 烷)(PDMS)、聚(二乙基珪氧烷)(PDES)、聚二苯基珪氧烷(PDPS)和聚 曱基苯M氧烷(PMPS));和無(wú)機(jī)聚合物(例如聚磷腈類、聚膦酸酯類、 聚硅烷類、聚硅氮烷類)；這些聚合物的單體以及本文中所述的其他聚 合物和單體。
本文中所述的結(jié)構(gòu)可為疏水或親水的。疏水結(jié)構(gòu)可由疏水聚合物 形成，所述疏水聚合物包括但不限于聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、 聚偏二氟乙烯、聚(四氟乙烯)。在一些情況下，至少部分疏水性可通 過(guò)例如表面改性變?yōu)橛H水的。也可使用如本文中所述的親水聚合物。
聚合物組分可為不可生物降解的或可生物降解的(例如通過(guò)水解 或酶切割)。在一些實(shí)施方案中，可生物降解的聚酯例如聚丙交酯、聚 乙交酯和其他a-羥基酸可用來(lái)形成結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變例如丙交酯/乙交酯
共聚物中的單體比率可改變聚合物的物理性質(zhì)和降解時(shí)間。例如，聚 -L-乳酸(PLLA)和聚乙醇酸(PGA)具有高度的結(jié)晶性且降解較慢，而 PLLA與PGA的共聚物PLGA為非晶的且降解快速。
在一些情況下希望的是具有低熔融溫度的可生物相容聚合物。非 限制性的實(shí)例包括聚乙二醇(PEG) 400 (熔融溫度=4-80°(:)、 PEG 600 (熔融溫度-20-25。C)、 PEG 1500 (熔融溫度-44-480。C)和硬脂酸(熔融溫 度-70。C)。
在一些實(shí)施方案中，聚合物前體材料可含非聚合物材料。這類材 料的非限制性實(shí)例包括有機(jī)和無(wú)機(jī)材料如陶瓷、玻璃、羥基磷灰石、 碳酸鉤、緩沖劑以及藥物遞送載體(例如凝膠)，其可通過(guò)施加粘合劑 或粘結(jié)料而固化。
在某些實(shí)施方案中，可向結(jié)構(gòu)前體材料中加入添加劑。添加劑可 例如提高形成結(jié)構(gòu)的材料的物理(例如強(qiáng)度)和/或化學(xué)性質(zhì)(例如親水 性/疏水性)。添加劑可^t在整個(gè)結(jié)構(gòu)前體材料中和/或可結(jié)合進(jìn)結(jié)構(gòu)一些情況下，添加劑可在結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程中
通過(guò)三維制備法加入；在另一些情況下，添加劑可在結(jié)構(gòu)的整體形狀 已形成后加入到結(jié)構(gòu)中。添加劑也可通過(guò)吸附或通過(guò)使添加劑以化學(xué) 方式反應(yīng)到聚合物的表面上即通過(guò)將添加劑涂覆或印刷到結(jié)構(gòu)上而加 入到結(jié)構(gòu)中和/或結(jié)構(gòu)上。添加劑的非限制性實(shí)例包括生物活性劑(例如 治療劑、蛋白質(zhì)和肽、核酸、多糖、核酸和脂類，包括抗炎化合物、 抗微生物化合物、抗癌化合物、抗病毒素、激素、抗氧化劑、通道阻 滯劑和疫苗)、表面活性劑、顯影劑和顆粒。如果需要，添加劑可用噴 霧干燥、霧化、研磨或其他標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)加工成顆粒。在一些情況下，添 加劑可形成為乳化物、微米或納米顆粒、脂質(zhì)體或可加入到結(jié)構(gòu)的材 料中的其他顆粒。在一些實(shí)施方案中，用于組織工程和/或器官替代的 復(fù)合結(jié)構(gòu)可通過(guò)組合無(wú)機(jī)和有機(jī)組分形成。結(jié)合了添加劑的顆粒可具 有各種尺寸；例如，顆粒的橫截面尺寸可小于lmm，小于100微米， 小于50微米，小于30微米，小于10微米，小于5微米，小于1微米， 小于100納米或小于10納米。
在一些情況下，在當(dāng)結(jié)構(gòu)處于其使用環(huán)境中(例如M哺乳動(dòng)物身
體中)時(shí)希望從部分結(jié)構(gòu)中釋放添加劑。添加劑的釋放可包括形成結(jié)構(gòu) 的聚合物的7jC解和/或降解。添加劑的釋放速率在一些情況下可通過(guò)聚
合物的降解速率確定。添加劑的釋放速率可通過(guò)將添加劑分布到整個(gè) 聚合物中和/或通過(guò)改變聚合物的微結(jié)構(gòu)(例如聚合物的密度)以使降解
速率隨結(jié)構(gòu)的某些部分而變來(lái)控制。
本文中所述的結(jié)構(gòu)前體材料可具有4吏其與三維制備技^M目適應(yīng)的 任何適宜的粘度。在一些實(shí)施方案中，前體結(jié)構(gòu)材料的粘度在1-1,000 厘泊(cps)之間、1，000-2，000cps之間、2，000-5,000cps之間、 5，000-10，000cps之間、10,000-15，000cps之間、15,000-20,000cps之間、 20,000-25,000cps之間、25，000-30，000cps之間、30，000-35，000cps之間、 35，000-40,000cps之間、40，000-45,000cps之間或45,000-50,000cps之間。 在某些實(shí)施方案中，前體結(jié)構(gòu)材料的粘度高于10,000cps，高于 20,000cps,高于30，000cps,高于40，000cps,高于50，000cps或高于 60，000cps 。結(jié)構(gòu)前體材料的粘度可通過(guò)各種措施例如向材料中加稀釋 劑和/或提高材料的溫度來(lái)降低。材料的粘度可通過(guò)各種措施例如向材 料中加填料(例如顆粒)或粘性流體和/或降低材料的溫度來(lái)增加。
本文中所述的結(jié)構(gòu)前體材料的組分可具有任何適宜的分子量。在一些情況下，組分的分子量在10-100g/mol之間、100-l,000g/mol之間、 l,000-5,000g/mol之間、5，000-10，000g/mol之間、10，000-15，000g/mol 之間、15，000-20,000g/mol之間、20,000-25，000g/mol之間、 25,000-30,000g/mol之間、30，000-35,000g/mol之間、35，000-40,000g/mol 之間、40,000-45，000g/mol之間或45,000-50,000 g/mol之間。也可使用 分子量高于50,000g/mol的組分。
本文中所述的結(jié)構(gòu)前體材料中可使用任何適宜的可聚合/可交聯(lián) 組分和沉淀組分的分子量比率。例如，笫一可聚合和/或可交聯(lián)組分與 第二沉淀組分的分子量比率高于或等于0.01:1,高于或等于0.05:1， 高于或等于0.1:1,高于或等于0.2:1，高于或等于0.4:1，高于或等于 0.6:1，高于或等于0.8:1，高于或等于1:1，高于或等于1.2:1，高于或 等于1.5:1，高于或等于2:1，高于或等于3:1，高于或等于5:1，高于 或等于10:1，或者高于或等于20:1。
如本文中所述，在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)前體材幹沒(méi)計(jì)為使第一 組分與第二組分具有一定的重量比。第一組分可為可聚合和/或交聯(lián)的 材料，第二組分可為在暴露于沉淀介質(zhì)中時(shí)可沉淀的材料。兩種組分 的比率可改變最終多孔結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)(例如硬度)。此外，在一些情 況下，最終多孔結(jié)構(gòu)的孔徑可通過(guò)改變組分的比一加以改變。例如， 在一些實(shí)施方案中，相對(duì)于FullCureTM可聚合/可交聯(lián)組分而言含較高 濃度聚砜沉淀組分的結(jié)構(gòu)前體材料可導(dǎo)致較小的孔徑。因此，結(jié)構(gòu)前 體材料中沉淀組分與可聚合/可交聯(lián)組分的重量比可取決于最終多孔 結(jié)構(gòu)中所希望的孔徑而變并可例如高于或等于0.2:1,高于或等于 0.4:1，高于或等于0.6:1,高于或等于0.8:1，高于或等于1:1,高于或 等于1.2:1,高于或等于1.5:1，高于或等于2:1，高于或等于3:1，高 于或等于5:1，高于或等于8:1，高于或等于10:1，高于或等于15:1， 或者高于或等于20:1。
結(jié)構(gòu)的"孔徑"指與結(jié)構(gòu)表面平行的連接孔的外周周圍兩個(gè)點(diǎn)并通 過(guò)孔開口的幾何中心的最短的線的長(zhǎng)度(例如橫截面尺寸)。孔徑可用 諸如可見(jiàn)光顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和過(guò)濾法的技術(shù)測(cè)定，這 將在下文更詳細(xì)地描述。
可改變孔的橫截面形狀(圓形、橢圓形、三角形、不規(guī)則形、正方 形或長(zhǎng)方形等)、數(shù)量和尺寸以適應(yīng)具體的應(yīng)用。在一個(gè)特定實(shí)施方案
19中，孔具有基本圓形的橫截面。在一些情況下，孔可具有比結(jié)構(gòu)可能 暴露于的物質(zhì)的最小橫截面尺寸更小的最小直徑。這些孔可例如防止 物質(zhì)通過(guò)孔，例如從多孔結(jié)構(gòu)的第一側(cè)到第二側(cè)。在另外一些情況下， 孔徑可選擇為比結(jié)構(gòu)可能暴露于的物質(zhì)大得多。此外，在一些情況下， 可對(duì)孔的空間分布加以控制。
除上述通過(guò)從結(jié)構(gòu)前體材料中除去組分而制備孔的方法外，也可 使用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生孔的其他方法。在一些實(shí)施方案中，可使用多于一 種的技術(shù)來(lái)向結(jié)構(gòu)中引入多孔性。例如，多孔性可通過(guò)諸如相反轉(zhuǎn)、 溶液澆鑄、乳液澆鑄和聚合物共混的方法在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生。例如，孔可 通過(guò)用來(lái)制備所述結(jié)構(gòu)的三維制備^支術(shù)直接制備。例如，洞或孔的陣 列可繪制到掃描圖像上以形成成像組織或器官的多孔骨架。換句話說(shuō)， 孔可用與形成所述結(jié)構(gòu)所用相同的制備技術(shù)制備。在一些情況下，孔
可用膠版(offset)設(shè)計(jì)和印刷。附加地和/或作為替代方案，如果需要， 可用多孔材料涂覆結(jié)構(gòu)表面。多孔材料可包括例如多于一種的在某些 溶劑中具有不同溶解度的組分。例如，第一組分可包含形成所述結(jié)構(gòu) 的聚合物，第二組分可包含不溶于所述聚合物中但可l^溶解在溶解 所述顆粒的溶劑中的顆粒。在結(jié)構(gòu)被涂覆以多孔材料后，可將結(jié)構(gòu)浸 泡在溶解所述第二組分的溶劑中以例如從多孔材料中浸出第二組分。
因此，本文中所述的結(jié)構(gòu)可包含寬孔徑范圍的孔。結(jié)構(gòu)的孔可具 亨均勻的尺寸或如果需要可具有不同的尺，。在一些實(shí)施方案中，本
過(guò)5%的孔的尺寸與所述平均孔徑偏離超過(guò)約20%，在一些情況下不 超過(guò)約10%，在另一些情況下不超過(guò)約5%。結(jié)構(gòu)的孔徑可小于或等 于lmm，小于或等于100微米，小于或等于50微米，小于或等于40 微米，小于或等于30微米，小于或等于10微米，小于或等于5微米， 小于或等于l微米，或者小于或等于100nm。在含多于一種孔徑的實(shí) 施方案中，結(jié)構(gòu)中可含例如上述那些孔徑的組合。
如本文中所述，本文中所述的某些多孔結(jié)構(gòu)可具有敏銳的截留分 子量(MWCO)。例如，結(jié)構(gòu)中至少95。/。的孔的MWCO可小于或等于 5kD,小于或等于10kD，小于或等于15kD，小于或等于20kD,小于 或等于25kD，小于或等于30kD,小于或等于40kD，小于或等于45kD， 小于或等于50kD，小于或等于55kD，小于或等于60kD，小于或等于 65kD,小于或等于70kD，小于或等于75kD，小于或等于80kD，或者小于或等于100kD。
本文中所述的某些多孔結(jié)構(gòu)可能能夠?qū)⒕哂胁煌叽绲慕M分排除 在外。例如，結(jié)構(gòu)中至少95。/。的孔可能能夠?qū)⒊叽绱笥诨虻扔趌mm、 大于或等于100微米、大于或等于50微米、大于或等于40微米、大 于或等于30微米、大于或等于10微米、大于或等于5微米、大于或 等于1微米、或者大于或等于100nm的組分排除在外。
在一些實(shí)施方案中，多孔聚合物結(jié)構(gòu)可原位制備為具有適于用作 生物復(fù)合器官支架的固有性質(zhì)。在一些情況下，結(jié)構(gòu)前體材料可澆鑄 為平板分離膜和/或空心纖維。所述材料可具有M濾到微濾范圍的滲 透性質(zhì)。這些性質(zhì)可4吏膜分離具有不同分子量的物質(zhì)。在某些實(shí)施方 案中，所述膜可不經(jīng)進(jìn)一步加工(例如膜表面的進(jìn)一步改性)即用作生 物活性膜，例如所述膜可以在沒(méi)有細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)表面涂層的情況 下表現(xiàn)出良好的生物相容性和細(xì)胞粘附性。
在某些實(shí)施方案中，諸如平膜或空心纖維的結(jié)構(gòu)可用聚砜(PS，沉 淀組分)和FullcureTM 700單體(FC,可交聯(lián)組分)制備。膜和/或空心纖 維可制備為具有例如5-100kDa之間的可控的MWCO，其可允許某些 離子、營(yíng)養(yǎng)物、廢物、蛋白結(jié)合毒素等的輸運(yùn)。所述結(jié)構(gòu)可通過(guò)濕法 和干法表面化學(xué)官能化和改性。在一些情況下，生物特異性配體可共 價(jià)結(jié)合或吸附到表面上以支持結(jié)構(gòu)的一側(cè)上腎上皮細(xì)胞的附著和功能 以"結(jié)構(gòu)的血液接觸側(cè)上獲得良好的血液相容性。如果兩種性質(zhì)不 能組合于一個(gè)結(jié)構(gòu)中，對(duì)于空心纖維，則可通過(guò)應(yīng)用特定的纖維中纖 維(fiber-in-fiber)設(shè)計(jì)來(lái)替代。
圖3示出了制備呈膜的形式的多孔結(jié)構(gòu)的方法的實(shí)例。如圖3中 所示的實(shí)施方案中所示，含溶劑(例如二曱基乙酰胺)的第 一組分54 (例 如聚醚砜的溶液)和第二組分56 (例如FullcureTM 700單體)可混合形成 結(jié)構(gòu)前體材料。結(jié)構(gòu)前體材料60可倒入并夾在由一個(gè)或更多個(gè)控制膜 厚的隔離物64隔開的兩個(gè)玻璃板62之間。然后整個(gè)組件可經(jīng)受UV 輻射，如箭頭66所示，這可引起結(jié)構(gòu)前體材料的一種組分(例如 FullcureTM 700)的聚合和/或交聯(lián)。結(jié)構(gòu)前體材料可從組件中除去，然 后經(jīng)受相反轉(zhuǎn)過(guò)程70，由此結(jié)構(gòu)前體材料被置于沉淀介質(zhì)72 (例如水) 中以使結(jié)構(gòu)前體材料的 一種組分(例如聚醚砜)沉淀和/或除去材料的組 分(例如溶劑)以產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)74。膜可以是高度滲透性的，可具有吸引人的生物功能特性(例如敏銳的MWCO)，并可擁有高過(guò)濾和擴(kuò)散通 量以及良好的機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性和可成形性。這類結(jié)構(gòu)可用于包 括例如污水處理和/或凈化的應(yīng)用中。
在一些情況下，膜的孔徑和/或MWCO可如圖4中所示通過(guò)過(guò)濾 裝置測(cè)定。如圖4的實(shí)施方案中所示，儲(chǔ)罐80可通過(guò)多孔膜卯自下 室86向上室88泵iHtt液。滲透物可在上室中收集。溶液的泵送和壓 力可分別通過(guò)泵送系統(tǒng)82和壓力系統(tǒng)84控制。使用這樣的系統(tǒng)，溶 液通過(guò)膜的通量可在穩(wěn)態(tài)流下測(cè)定。含已知分子量(和/或尺寸)的溶質(zhì) 的不同溶液的通行可引起通過(guò)膜的通量的改變，料液和滲透物溶液的 不同濃度可用來(lái)確定膜的孔徑和/或截留分子量，這將在實(shí)施例中更詳 細(xì)地描述。
在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的制品可用作組織工程和/或器官替代 的生物相容結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可通過(guò)例如三維制備技術(shù)形成。在一些實(shí) 施方案中，所述生物相容結(jié)構(gòu)為細(xì)胞的支架，其可用作組織工程模板 和/或用作Ait器官。所述結(jié)構(gòu)可以是三維的并可模仿組織和/或器官的 形狀和尺寸，包括組織和器官的微結(jié)構(gòu)和多孔性。例如，本發(fā)明的某 些實(shí)施方案可制備為包括非常小的特征(例如小于20微米)，例如小孔 徑、小空腔和/或具有薄壁的結(jié)構(gòu)。這些特征特別適合于涉及中空和上 皮器官的結(jié)構(gòu)。在一些情況下，通過(guò)三維制備形成的結(jié)構(gòu)包含限定空 腔的壁和至少部分所述壁中的多個(gè)孔。所述孔可至少在所述壁的選定 部分處或整個(gè)壁上穿透所述壁，并使得能夠在空腔內(nèi)部分和空腔外部 分之間交換組分(例如分子和/或細(xì)胞)。例如，孔可允許結(jié)構(gòu)與其宿主 環(huán)境之間的分子傳遞、細(xì)胞遷移和/或結(jié)締組織生成。有利的是，含均 勻尺寸的孔的結(jié)構(gòu)可通過(guò)本文中所述的方法制備。例如，孔的平均孔 徑可小于或等于20微米，其中所有孔中不超過(guò)約5%的孔的尺寸與所 述多個(gè)孔的平均孔徑偏離超過(guò)約20%。 4^發(fā)明的結(jié)構(gòu)可植入哺乳動(dòng)物 中，或者作為替代方案和/或附加地，可用作離體生物Ait輔助裝置。
在一些情況下，結(jié)構(gòu)可制備為含子結(jié)構(gòu)。例如，大血管可制備為 在大血管內(nèi)含小血管。子結(jié)構(gòu)的表面也可改性，即以上述方式改性。 例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，大血管的壁可用第一生長(zhǎng)因子改性以誘導(dǎo) 第一類細(xì)胞在大血管的壁上生長(zhǎng)，小血管的壁可用第二生長(zhǎng)因子改性 以誘導(dǎo)第二類細(xì)胞在小血管的壁上生長(zhǎng)。子結(jié)構(gòu)可包括允許在子結(jié)構(gòu)
的內(nèi)部空腔部分與子結(jié)構(gòu)外的部分之間(即，子結(jié)構(gòu)的空腔部分與較大結(jié)構(gòu)的空腔部分之間)交換組分的孔。
多種人造組織和器官均可用本文中所述的方法制備為三維結(jié)構(gòu)。 在一些實(shí)施方案中，所述結(jié)構(gòu)可用作細(xì)胞生長(zhǎng)的^^板，所述^^1可應(yīng) 用于組織工程和/或器官替代。對(duì)于將在體內(nèi)使用的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞和/或組 織可在結(jié)構(gòu)被^之前在結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)，或作為替代方案，可將結(jié)構(gòu)直 接置入哺乳動(dòng)物系統(tǒng)中，其中身體細(xì)胞自然地滲入所述結(jié)構(gòu)。
在一些特定的實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可形成為含空腔部分的器官的形 狀。例如，含空腔部分的結(jié)構(gòu)可包括中空器官和/或上皮器官如血管、 肺、肝、腎、胰、腸、膀胱和輸尿管，這將在下文更詳細(xì)地描述。本 文中用到的結(jié)構(gòu)的空腔指由所述結(jié)構(gòu)的壁限定的基本封閉的空間，其 中可置入平面與所述空腔內(nèi)的至少一個(gè)點(diǎn)相交，且所述結(jié)構(gòu)在其與所 述平面相交的地方完全包圍該點(diǎn)。所述空腔可以是封閉的或開放的。 例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，空腔可由血管的管內(nèi)的內(nèi)部空間限定。在 另一實(shí)施方案中，空腔可由膀胱內(nèi)的中空空間限定。如此，空腔可具 有多種形狀和尺寸?？涨粌?nèi)的空間被稱為內(nèi)部空腔部分，空腔外的空 間被稱為空腔外的部分。空腔中可充填流體、氣體或其他組分。在一 些情況下，空腔可內(nèi)襯以一個(gè)或更多個(gè)細(xì)胞或組織的層。所述細(xì)胞或 組織的層可形成例如組織或器官的膜或壁。在一些情況下，空腔的內(nèi) 襯可包含允許在空腔內(nèi)部分與空腔外部分之間交換組分的孔，這將在 下文更詳細(xì)地描述。
結(jié)構(gòu)的空腔可具有不同的體積，在一些情況下可取決于所述結(jié)構(gòu)
所^^仿的組織或器官?？涨坏捏w積可例如小于1L，小于500mL，小 于100mL，小于10mL，小于lmL，小于100微升，小于10微升， 小于1微升，小于100納升，或小于10納升，其中體積以封閉住的那
部分結(jié)構(gòu)內(nèi)的體積測(cè)得。
限定空腔部分的結(jié)構(gòu)的壁可具有不同的厚度，并且也可取決于所
述結(jié)構(gòu)所模仿的組織或器官。在一些情況下，厚壁(例如厚度大于500 微米)可能適合在空腔內(nèi)部分與空腔外部分之間可能需要例如慢或較 少的組分交換的某些結(jié)構(gòu)(例如膀胱)。薄壁(例如厚度小于50微米)可 能可應(yīng)用于在空腔內(nèi)部分與空腔外部分之間可能需要例如快的組分交 換的一些結(jié)構(gòu)(例如肺泡)。在某些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)的壁厚可小于 lmm，小于500微米，小于200微米，小于100微米，小于50微米，小于30微米，小于10微米，小于5微米，或小于1微米。
在一些情況下，空腔可由一定距離的內(nèi)徑限定。本文中用到的"內(nèi) 徑"指空腔的一個(gè)或更多個(gè)表面的任意兩個(gè)相對(duì)的點(diǎn)間的距離。例如， 血管的內(nèi)徑可由血管內(nèi)壁的兩個(gè)相對(duì)的點(diǎn)間的距離限定。內(nèi)徑也可用 來(lái)描述非球形和非管形空腔?？涨坏膬?nèi)徑可例如小于10cm、小于lcm、 小于lmm、小于500微米、小于200微米、小于100微米、小于50 微米、小于30微米、小于10微米、小于5微米、或小于1微米。
在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可含具有多于一個(gè)部分的空腔，例如， 第一和第二空腔部分可互連，這允許物質(zhì)在各空腔部分之間自由通過(guò)。
附加地或作為替代方案，結(jié)構(gòu)可含多于一個(gè)的空腔(例如在空腔不互連 的情況下)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)的空腔可包括至少第一和 第二部分，空腔的第一部分由第一內(nèi)徑限定，第二部分由第二內(nèi)徑限
定。在另一實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可包括具有第一內(nèi)徑的第一空腔和具有 第二內(nèi)徑的第二空腔。第二空腔可由例如子結(jié)構(gòu)的空腔限定。對(duì)于上 述情況，第一和第二內(nèi)徑可不同；例如，第一內(nèi)徑與第二內(nèi)徑的比率 可大于l:l，大于2:1，大于5:1，大于10:1，大于20:1，大于50:1， 大于100:1，大于200:1，或大于500:1。 一些結(jié)構(gòu)，例如某些血管， 其第一空腔部分與第二空腔部分可具有相同的內(nèi)徑，即第一部分和第 二部分的內(nèi)徑的比率可為1:1。這些結(jié)構(gòu)的其他實(shí)例在下文有更詳細(xì)的 描述。
在^^仿身體的組織和/或器官時(shí)，在負(fù)責(zé)組織或器官的復(fù)雜功能的 精密微結(jié)構(gòu)中，不同的細(xì)胞類型可鄰近結(jié)構(gòu)布置。因此，可形成具有 與組織或器官的天然條件緊密相關(guān)的尺寸和布置的微結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)和結(jié)構(gòu)內(nèi)細(xì)胞的布置可允許相關(guān)細(xì)胞之間(例如結(jié)構(gòu)上培養(yǎng)的細(xì)胞 與宿主環(huán)境的細(xì)胞之間)的功能相互影響。當(dāng)^哺乳動(dòng)物系統(tǒng)中時(shí)， 這些因素也可引起適宜的宿主應(yīng)答，例如無(wú)血凝塊、抗細(xì)菌定植 (bacterial colonization)和正常愈合。
本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到在制備用于組織工程和器官替代的結(jié)構(gòu)特別是 涉及中空和上皮器官的結(jié)構(gòu)時(shí)強(qiáng)調(diào)幾何形狀、尺寸、機(jī)喊性質(zhì)和生物 應(yīng)答的重要性，這將在下文中更詳細(xì)地描述。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，所關(guān)心的組織和器官包括循環(huán)系統(tǒng)的那 些。循環(huán)系統(tǒng)包括心臟(冠狀循環(huán))、血管系統(tǒng)(體循環(huán))和肺(肺循環(huán))。循環(huán)系統(tǒng)起到向身體傳輸氧氣、營(yíng)養(yǎng)分子和激素以及從身體局部除去 二氧化碳、氨和其他代謝廢物的作用。
冠狀循環(huán)指血液通過(guò)心臟的一些組織的運(yùn)動(dòng)。在一些情況下，心 臟的一些部分會(huì)病變。例如，心臟組織可能不接受正常供血和/或供氧， 或形成心臟的某些結(jié)構(gòu)例如心瓣膜可能不能正常工作。在后一情況下， 當(dāng)心瓣膜正常發(fā)揮功能時(shí)，瓣片(也稱小葉或瓣尖)完全開啟和閉合。 當(dāng)瓣的開啟程度不夠或不讓足夠的血液流過(guò)時(shí)，心瓣膜的正常功能可
能停止；這種情況稱為狹窄。當(dāng)瓣閉合不正常時(shí)，血液可能漏進(jìn)不應(yīng) 該出現(xiàn)的地方；這種情況稱為閉鎖不全或返流(regurgitation).在這 些情況下，心瓣膜可能需要替換。在一個(gè)實(shí)施方案中，本文中所述的 方法可用來(lái)制備涂覆有已知用來(lái)防止血液凝結(jié)的添加劑的膜的心瓣膜 (例如三尖瓣、肺動(dòng)脈瓣、二尖瓣和/或主動(dòng)脈瓣)。在另一實(shí)施方案中， AJt瓣膜中可加入可防止心內(nèi)膜炎、心臟內(nèi)膜或瓣膜的感染的添加劑， 如抗生素。在一些情況下，AJ造瓣膜可包含添加劑例如上面所提到的 那些的組合。心瓣膜可用在體內(nèi)以替代病變的心瓣膜和/或用在體外作 為細(xì)胞接種的支架模板。
在另一實(shí)施方案中，三維制備技術(shù)可用來(lái)形成血管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 包括動(dòng)脈、靜脈、毛細(xì)管和淋巴管。血管系統(tǒng)使血液在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)繞 身體流動(dòng)。
動(dòng)脈將充滿氧氣的血液從心臟帶到身體的所有部位。隨著動(dòng)脈與 心臟的距離變遠(yuǎn)，動(dòng)脈變小。最終，動(dòng)脈變成毛細(xì)管，毛細(xì)管是最小 的血管，其直接進(jìn)入組織。這里，毛細(xì)管中的血液將氧氣交給細(xì)胞并 從細(xì)胞處帶走廢氣二氧化碳。毛細(xì)管與小靜脈相連，小靜脈是身體中 最小的靜脈，當(dāng)其攜帶血液返回心臟時(shí)靜脈變大。毛細(xì)管是血液和周 圍組織間的交換點(diǎn)。組分可穿進(jìn)和穿出毛細(xì)管，例如通過(guò)穿過(guò)內(nèi)襯毛 細(xì)管的細(xì)胞或在這些細(xì)胞間穿行。
用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為模仿血管系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)。在 一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可用作引發(fā)血管結(jié)構(gòu)受控向內(nèi)生長(zhǎng)的^^或完 全的Ait血管替代品。這些結(jié)構(gòu)可用在體內(nèi)以誘導(dǎo)血管。
本文中所述的結(jié)構(gòu)可形成為含內(nèi)部空腔部分和空腔外部分的管 形。所述結(jié)構(gòu)可具有第一端部和第二端部，所述端部可以是開放的或 封閉的。在一些情況下，端部可用來(lái)將所述結(jié)構(gòu)與患者的導(dǎo)管連接。
25結(jié)構(gòu)的尺寸可隨結(jié)構(gòu)將模仿的特定身體部位、結(jié)構(gòu)在體內(nèi)的安放位置、
患者的身材等而異。例如，結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑和/或外徑可小于10mm、小于 5mm、小于2.5111111、小于1.5mm或小于lmm。在一些實(shí)施方案中， 結(jié)構(gòu)可移植到哺乳動(dòng)物身體中且其長(zhǎng)度可在10mm-100mm、或 25mm-75mm之間(例如50mm);內(nèi)徑的長(zhǎng)度可為約0.5mm，外徑的長(zhǎng) 度可為約1.5111111。結(jié)構(gòu)的壁厚可由內(nèi)外徑之差定義。壁厚可在數(shù)微米 (即幾個(gè)細(xì)胞)到亳米范圍內(nèi)變動(dòng)。
在一些情況下，結(jié)構(gòu)可在該結(jié)構(gòu)的至少一部分中具有多個(gè)孔。孔
可具有不同的尺寸；例如，大孔(例如大于100微米)可能適于通過(guò)所 述孔生長(zhǎng)大血管和/或促進(jìn)組分在內(nèi)部空腔部分和空腔外部分之間的 高交換。小孔(例如小于ioo微米)可能適于通過(guò)所述孔生長(zhǎng)小血管和/ 或促進(jìn)組分穿過(guò)結(jié)構(gòu)壁的相對(duì)低的交換。這些結(jié)構(gòu)可a^哺乳動(dòng)物中 或在體外使用。
在一些情況下，結(jié)構(gòu)可含一個(gè)或更多個(gè)附加的子結(jié)構(gòu)。例如，小
管(tubule)可制備為舍睹如血管的子結(jié)構(gòu)。血管可位于小管的內(nèi)部 空腔部分內(nèi)的至少一部分中或其可位于空腔外。在一些情況下，血管 可穿過(guò)小管的孔或血管可在小管的孔間交織。如此，小管可含至少第 一空腔(例如小管的內(nèi)部空腔部分)和第二空腔(例如血管的空腔部分)。 第一空腔的內(nèi)徑與第二空腔的內(nèi)徑的比率可為例如高于1:1、高于2:1、 高于5:1、高于10:1、高于20:1、高于50:1、高于100:1、高于200:1 或高于500:1。
在一些實(shí)施方案中，本文中所述的結(jié)構(gòu)可用來(lái)替代患者的血管段。 這類結(jié)構(gòu)可含具有內(nèi)徑的內(nèi)部空腔部分、空腔外部分、第一端和第二 端。所述結(jié)構(gòu)也可含可用作互連腔以連接所述結(jié)構(gòu)與患者的一個(gè)或更 多個(gè)導(dǎo)管的段。如果需要，所述結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為含多個(gè)這類段。所述段 可各由具有一定內(nèi)徑的空腔部分限定。在一些情況下，第一空腔部分 的內(nèi)徑與第二空腔部分的內(nèi)徑的比率可等于l:l、高于l:l、高于2:1、 高于5:1、高于10:1、高于20:1、高于50:1或高于100:1。
結(jié)構(gòu)的壁厚可小于5mm、小于lmm (例如0.5mm)或小于0.5mm。 在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)的壁厚為0.5mm。在一些情況下，壁 可由可隨例如心臟泵血和流體流經(jīng)結(jié)構(gòu)而伸展、回縮和/或吸收壓力的 彈性材料形成。如果需要，在將結(jié)構(gòu)植入患者中之前，可向所有或部分結(jié)構(gòu)壁上生長(zhǎng)平滑肌細(xì)胞。這些肌細(xì)胞可收縮和擴(kuò)張而控制直徑以 及因此導(dǎo)致的通過(guò)結(jié)構(gòu)的血流速率(例如，肌細(xì)胞的收縮和擴(kuò)張可分別 使結(jié)構(gòu)膨脹和收縮)。在一些情況下，可向結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)結(jié)締組織的附加 外層。如果需要，也可向結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)彈性纖維的層以賦予其更高的彈 性。在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可由例如在健康組織已再生并已整合進(jìn) 身體中后降解的生物可降解聚合物制備。
在一些實(shí)施方案中，通過(guò)本文中所述的方法形成的結(jié)構(gòu)i殳計(jì)為模 擬毛細(xì)管，其可允許組分如營(yíng)養(yǎng)物、廢物、激素和白細(xì)胞在血液和周
圍環(huán)境之間交換。周圍環(huán)境可包括例如間質(zhì)液和/或周圍組織。AJt結(jié) 構(gòu)可含包含具有例如0.5mm的厚度或任何其他適宜厚度的壁的空腔 部分，所述壁可內(nèi)襯有內(nèi)皮細(xì)胞。在一些情況下，毛細(xì)管的壁可具有 單個(gè)細(xì)胞的厚度。在一個(gè)實(shí)施方案中，毛細(xì)管結(jié)構(gòu)可在毛細(xì)管壁的細(xì) 胞間含尺寸可小于50微米、小于10微米(例如約1微米)的小孔或洞， 從而允許某些組分穿進(jìn)和穿出毛細(xì)管，例如在內(nèi)部空腔部分與空腔外 部分(例如周圍組織)之間。孔可允許某些小組分例如某些溶解了的分 子(例如小離子)通過(guò)孔，但可阻止較大的組分如蛋白質(zhì)通過(guò)。在另一 實(shí)施方案中，組分通過(guò)毛細(xì)管壁的交換可通過(guò)毛細(xì)管壁細(xì)胞中的嚢泡 發(fā)生，所述嚢泡從血液中(例如毛細(xì)管的內(nèi)部空腔部分中)拾取組分、 將其輸運(yùn)通過(guò)毛細(xì)管壁并將其驅(qū)逐到周圍組織中(例如毛細(xì)管空腔外 的部分中)。在再一實(shí)施方案中，組分可經(jīng)由穿過(guò)細(xì)胞內(nèi)襯而在內(nèi)部空 腔部分與空腔外部分之間交換。例如，組分可M液擴(kuò)散進(jìn)毛細(xì)管壁 的細(xì)胞中，然后進(jìn)入周圍組織中。Ait毛細(xì)管也可設(shè)計(jì)為含一個(gè)或更 多個(gè)分支結(jié)構(gòu)，所述分支結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生較大的表面積，組分的交換可通 過(guò)該較大的表面積發(fā)生。
在本發(fā)明的另 一方面中，結(jié)構(gòu)制備為模仿消化道的組織和/或器 官。消化道包含口腔、食道、胃、小腸和大腸、直腸和肛門。消化道 的不同部位可具有相似的組織結(jié)構(gòu)，即各部位可包含肌肉壁，所述肌 肉壁由含上皮細(xì)胞的粘膜所覆蓋。這些器官可受疾病如癌癥、感染等 的影響。消化道的病變器官通常需要包括切除病變段的手術(shù)。這些被 除去的段可由本發(fā)明的AJt結(jié)構(gòu)所替代。在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可 制備為模仿病變部分。所述結(jié)構(gòu)可用作由患者的健康細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)天 然粘膜的支架。該支架然后可被植入患者中。在一個(gè)實(shí)施方案中，該 方法被應(yīng)用于所謂的腸儲(chǔ)袋中以替代腸的控便功能。循環(huán)系統(tǒng)的類似
27Ait結(jié)構(gòu)、消化道的結(jié)構(gòu)可由生物可降解聚合物形成。
在本發(fā)明的另一方面中，結(jié)構(gòu)制備為模仿腸相關(guān)腺。腸相關(guān)腺包 括唾液腺、肝臟和胰腺。所有三個(gè)器官均由特殊的具有內(nèi)分泌和外分 泌功能的上皮細(xì)胞構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可制備為模仿部分 肝臟。肝臟主要由含排列在板中的肝細(xì)胞的小葉組成。在肝細(xì)^L之 間可發(fā)現(xiàn)含血的竇狀隙。小葉的中心為中央靜脈，該血管接收來(lái)自竇 狀隙的血液。在一些實(shí)施方案中，可制備肝臟小葉形狀的AJ造結(jié)構(gòu)。 所述結(jié)構(gòu)可包括用于放置和生長(zhǎng)肝細(xì)胞的支架。所述支架可設(shè)計(jì)為具 有特定的可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞接種的空間控制的微結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)也可包括 竇狀隙結(jié)構(gòu)，其可用作包容血液的空腔。所i^L可在支架的內(nèi)部空間 中充滿肝細(xì)胞，與中心相鄰的板壁可覆蓋以內(nèi)皮細(xì)胞。在某些實(shí)施方 案中，肝臟小葉的尺寸可為約0.7mmx2mm。所述結(jié)構(gòu)可制備為具有 可促進(jìn)組分交換的孔。例如，組分的交換可經(jīng)由竇狀隙結(jié)構(gòu)(例如內(nèi)部 空腔部分)中所含的血液與可能位于空腔外部分的肝細(xì)胞之間的孔發(fā) 生?？卓芍苽錇榫哂胁煌某叽纭Ｍǔ?，對(duì)于肝臟小葉，孔可制備為 具有微米范圍內(nèi)的橫截面尺寸。
在另一實(shí)施方案中，用于組織工程和/或器官替代的結(jié)構(gòu)可制備為 模仿部分胰腺。胰腺是混合型外分泌-內(nèi)分泌腺，其產(chǎn)生激素如胰島素 和胰高血糖素以及幫助消化酸和大分子營(yíng)養(yǎng)物(例如蛋白質(zhì)、脂肪和淀 粉)的胰酶。產(chǎn)生激素的細(xì)胞聚集在郎格罕氏島(胰島)中。胰島M 在整個(gè)胰腺內(nèi)。與所有內(nèi)分泌腺一樣，胰島分泌的激素i^V血流中而 不進(jìn)入管或?qū)Ч苤?。由于需要向血流中分泌激素，故胰島為小血管(例 如毛細(xì)管)所包圍。所述島也是高度血管化的，從而促進(jìn)激素在島與血 管系統(tǒng)間的交換。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，用本文所述的技術(shù)制 備了呈島樣結(jié)構(gòu)形狀的結(jié)構(gòu)。人造島樣結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為具有特定的微結(jié) 構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)可使得內(nèi)分泌細(xì)胞能夠接種在預(yù)先形成的位置即靠近 設(shè)計(jì)來(lái)引導(dǎo)毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)的位置。同上述結(jié)構(gòu)一樣，如果需要，模仿 部分胰腺的結(jié)構(gòu)可由生物可降解聚合物形成。這些AJt胰腺結(jié)構(gòu)可用 來(lái)治療疾病如糖尿病。
在本發(fā)明的另一方面中，結(jié)構(gòu)制備為模仿內(nèi)分泌器官。內(nèi)分泌器 官包括腎上腺、甲狀腺、甲狀旁腺和松果腺。這些器官由內(nèi)分泌(即產(chǎn) 生激素的)細(xì)胞組成，所述細(xì)胞位置非?？拷?xì)管，如上面關(guān)于郎格 罕氏島所描述的。這些器官與毛細(xì)管的緊鄰4吏血液循環(huán)因子可離開毛細(xì)管而與內(nèi)分泌細(xì)胞上的細(xì)胞受體結(jié)合，從而觸發(fā)激素的釋放。釋放 的激素?cái)U(kuò)散進(jìn)入毛細(xì)管中并隨后分布在身體中而與其他組織中的受體 結(jié)合。在一些實(shí)施方案中，內(nèi)分泌結(jié)構(gòu)可制備為具有特定的允許細(xì)胞
在結(jié)構(gòu)的某些位置內(nèi)接種的微結(jié)構(gòu)。AJt內(nèi)分泌器官可制備為高度血 管化的以促iil且分在器官與毛細(xì)管間的交換。在一些情況下，AJt內(nèi) 分泌器官制備為高度多孔性的。所述孔可具有多種尺寸，這取決于具 體的器官。同上述結(jié)構(gòu)一樣，如果需要，模仿內(nèi)分泌器官的結(jié)構(gòu)可由 生物可降解聚合物形成。AJ造內(nèi)分泌器官可用以例如治療腺體中的激 素分泌不足。
在本發(fā)明的另一方面中，結(jié)構(gòu)制備為模仿部分呼吸系統(tǒng)。呼吸系 統(tǒng)包括氣管和肺。在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可制備為替代氣管的病變 或受損部分。氣管為軟骨質(zhì)并包繞膜的管，空氣經(jīng)由其從鼻和口到達(dá) 肺。氣管分枝為右和左主支氣管。AJt氣管可制備為含與健康氣管類 似的子結(jié)構(gòu)和M性質(zhì)。例如，AJt結(jié)構(gòu)可含自彈性聚合物制得的類 似軟骨的環(huán)狀部分。在一些情況下，來(lái)自健康氣管的軟骨細(xì)胞(例如透 明軟骨)可在人造結(jié)構(gòu)中接種和生長(zhǎng)，人造結(jié)構(gòu)可內(nèi)襯以用來(lái)從氣道中 除去異物(例如灰塵)以使它們不i^肺中的纖毛細(xì)胞。
在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可制備為替代肺的病變或受損部分。肺 含導(dǎo)氣段如細(xì)支氣管，細(xì)支氣管為數(shù)量眾多的小管，其從各支氣管(氣 管的分枝)分枝i^肺中。肺也含肺泡，肺泡為發(fā)生氣體交換的呼吸部 分。導(dǎo)氣部分含內(nèi)襯有呼吸道上皮的壁，其負(fù)責(zé)產(chǎn)生粘液。在一些情 況下，結(jié)構(gòu)制備為模仿部分導(dǎo)氣段。例如，AJt細(xì)支氣管可制備為厚 度小于10mm、小于l.Omm(例如0.5mm)或小于0.5mm，直徑小于約 10mm、小于約5mm(例如2mm)或小于約2mm。細(xì)支氣管結(jié)構(gòu)的厚度 和直徑當(dāng)然取決于結(jié)構(gòu)在肺內(nèi)的位置、患者的身材等。導(dǎo)氣部分的所 有結(jié)構(gòu)可形成為Ait插入段或形成為工程化組織結(jié)構(gòu)體的模板。例如， 在一些情況下，AJt結(jié)構(gòu)可形成用于在結(jié)構(gòu)的壁內(nèi)生長(zhǎng)結(jié)締組織和平 滑肌細(xì)胞的支架。壁也可內(nèi)襯以上皮細(xì)胞，其可包含三類細(xì)胞纖毛 細(xì)胞、非纖毛細(xì)胞和基細(xì)胞。在一些特定的實(shí)施方案中，某些Ait結(jié) 構(gòu)，如模仿終末細(xì)支氣管的那些，可制備為在結(jié)構(gòu)的壁中含AJt^泡。
在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)制備為模仿肺泡。肺泡是細(xì)支氣管末端 小的薄壁氣嚢(即空腔)，其橫截面尺寸為約200微米。緊鄰肺泡壁有 肺毛細(xì)管，在這里，毛細(xì)管中的血液與肺泡中吸入的空氣間發(fā)生氣體交換。例如，為到達(dá)血液中，氧氣擴(kuò)散通過(guò)肺泡上皮、薄胞間隙和毛
細(xì)管內(nèi)皮；二氧化碳沿相反的路徑到達(dá)肺泡。在本發(fā)明的某些實(shí)施方 案中，AJt肺泡結(jié)構(gòu)可制備為具有天然尺寸和用于氣體交換的多孔壁。 肺泡的壁中的孔可允許組分(例如氣體)在肺泡的內(nèi)部(例如內(nèi)部空腔 部分)與包繞肺泡的胞間隙(例如空腔部分外的部分)之間交換。Ait^ 泡結(jié)構(gòu)可由賦予肺泡機(jī)械穩(wěn)定性同時(shí)允許結(jié)構(gòu)膨脹和收縮的彈性材料 形成。在一些情況下，Ait^泡結(jié)構(gòu)可形成用于生長(zhǎng)細(xì)胞的支架，即 所述結(jié)構(gòu)可內(nèi)襯以上皮細(xì)胞例如1型和2型肺細(xì)胞。Ait肺泡可用來(lái) 幫助增加呼吸缺陷患者中的氧氣含量。
在本發(fā)明的另一方面中，結(jié)構(gòu)制備為模仿部分泌尿系統(tǒng)。泌尿系 統(tǒng)包含腎、輸尿管、膀胱和尿道。在一些情況下，結(jié)構(gòu)可制備為替代 腎的病變或受損部分。腎由多個(gè)腎單位形成，其含腎小球及近端和遠(yuǎn) 端曲小管。腎小球是過(guò)濾站，其含毛細(xì)管的tuffs，在這里，超濾液被 壓出。在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可制備為多孔環(huán)狀超結(jié)構(gòu)的形式。在 一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可用作Ait腎小球。在另一實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu) 可用作Ait近端和/或遠(yuǎn)端曲小管。在一些情況下，結(jié)構(gòu)可含多個(gè)環(huán)， 所述多個(gè)環(huán)可具有相同或不同的尺寸。結(jié)構(gòu)可含至少一個(gè)限定空腔(例 如管狀部分)的壁?？涨豢稍谡麄€(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)具有相同的內(nèi)徑，例如一個(gè)實(shí) 施方案中的約40-500微米，或另一實(shí)施方案中的50-100微米之間。 作為替代方案，空腔的第一部分可與空腔的第二部分具有不同的內(nèi)徑。 壁的厚度可在例如約1-500微米(例如2-500微米)、1-100微米或2-100 微米范圍內(nèi)。壁可任選地含多個(gè)4吏得組分(例如水和離子)能夠在空腔 內(nèi)部分與空腔外部分之間交換的孔?？卓稍试S某些組分在空腔的內(nèi)部 和外部間通行，例如基于尺寸、電荷等。在一些情況下，所有或部分 壁可覆蓋以納米到微米厚的膜。這些膜可形成允許某些組分在空腔的 內(nèi)部和外部間通行的選擇性滲透膜。所述結(jié)構(gòu)可用來(lái)處理超濾液以便 好物質(zhì)(例如葡萄糖和氨基酸)被再吸收而廢物(例如尿素)作為尿被棄 掉。在某些實(shí)施方案中，所述結(jié)構(gòu)可用作血濾系統(tǒng)。因此，所述結(jié)構(gòu) 可用來(lái)替代和/或輔助腎的過(guò)濾功能。
本發(fā)明的一些實(shí)施方案包括結(jié)構(gòu)內(nèi)多個(gè)空腔的形成。例如，在該 實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可形成為塊形并可含限定多個(gè)空腔的壁。結(jié)構(gòu)內(nèi)的 空腔在一些實(shí)施方案中可以是分離的，或在另外的實(shí)施方案中可以是 互連的。結(jié)構(gòu)內(nèi)的空腔可具有相同或不同的幾何形狀和/或尺寸。具有提高血濾系統(tǒng)中的表面積體積比，例如以 便電解質(zhì)如葡萄糖和其他代謝產(chǎn)物以更高的速率被再吸收。在一些情 況下，這類結(jié)構(gòu)可與本發(fā)明的其他實(shí)施方案組合。例如，這類結(jié)構(gòu)可 與一個(gè)或更多個(gè)人造腎小球組合以用身體外模塊替代主要的腎功能。 在另外一些情況下，這類結(jié)構(gòu)可與一個(gè)或更多個(gè)腎小球組合作為可植 入設(shè)備以替代哺乳動(dòng)物系統(tǒng)中的主要腎功能。
在一些情況下，含多個(gè)空腔的結(jié)構(gòu)可含一種或更多種附加的子結(jié) 構(gòu)。例如，這類結(jié)構(gòu)可制備為含子結(jié)構(gòu)如血管。子結(jié)構(gòu)可位于結(jié)構(gòu)的 至少部分空腔中，或者子結(jié)構(gòu)可位于空腔外。在一些情況下，子結(jié)構(gòu) 可在結(jié)構(gòu)的一個(gè)以上空腔間交織。如此，結(jié)構(gòu)可含至少第一空腔和第 二空腔(例如血管的空腔部分)。第一空腔的內(nèi)徑與第二空腔的內(nèi)徑的
比率可例如大于l:l、大于2:1、大于5:1、大于10:1、大于20:1、大 于50:1、大于100:1、大于200:1、或大于500:1。
在一些情況下，Ait結(jié)構(gòu)可制備為替代輸尿管和/或膀胱的病變或 受損部分。輸尿管和膀胱是中空器官，其含內(nèi)襯變移上皮的限定空腔 部分的壁。有時(shí)，該上皮會(huì)受癌癥影響。通常，為治療這類疾病，有 必要進(jìn)行外科手術(shù)，由此，部分腸被除去并用來(lái)替代膀胱的儲(chǔ)尿功能 或輸尿管的傳導(dǎo)功能。在一些情況下，該療法佳尿道因感染而受影響， 從而導(dǎo)致狹窄。為防止這些并發(fā)癥的發(fā)生，輸尿管和/或膀胱的病變部 分可用本發(fā)明的Ait結(jié)構(gòu)替代。Ait結(jié)構(gòu)也可用來(lái)替代部分輸尿管和/ 或膀胱以治療諸如尿失禁的病況。
通過(guò)三維制^^技術(shù)形成的結(jié)構(gòu)可用來(lái)替代部分輸尿管或尿道，或 可用作Ait膀胱。所述結(jié)構(gòu)可在體內(nèi)或體外用于組織工程和/或器官替 代。在一個(gè)實(shí)施方案中，待用作Ait膀胱的結(jié)構(gòu)含主體部分、連接輸 尿管的入口和連接尿道的出口 。所述結(jié)構(gòu)可含限定主體部分的空腔部 分(例如第一空腔部分)、入口的空腔部分(例如第二空腔部分)和出口的 空腔部分(例如第三空腔部分)的壁。空腔部分的內(nèi)徑可在例如約 0.01-5mm或0.01-2mm范圍內(nèi)。在一些情況下，結(jié)構(gòu)的一個(gè)空腔部分 的內(nèi)徑可與另一空腔部分的內(nèi)徑不同。例如，第二空腔部分與第一空 腔部分的內(nèi)徑間的比率可大于1:1、大于2:1、大于5:1、大于10:1、 大于20:1、大于50:1、或大于100:1。
取決于Ait膀胱中液體的量，待用作Ait膀胱的結(jié)構(gòu)的壁的厚度
31可在例如約0.01-5mm或0.01-2mm范圍內(nèi)，并可由柔性材料形成以使 膀胱可膨脹和收縮。在一些情況下，在將結(jié)構(gòu)植入患者中前壁被內(nèi)襯 以細(xì)胞和/或組織。例如，結(jié)構(gòu)可用作形成膀胱的組織的不同層例如粘 膜、粘膜下層和肌肉層的;^板。粘膜含變移上皮層，變移上皮層可用 作器官與器官外環(huán)境間的選擇性屏障。上皮層下可含基底膜，基底膜 為將上皮層與粘膜下層(固有層)分離開來(lái)的單層細(xì)胞。粘膜下層含與 肌肉層交織的結(jié)締組織。粘膜下層可含血管、神經(jīng)并在一些區(qū)域中含 腺體；在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可含這類微結(jié)構(gòu)。限定肌肉層的肌細(xì) 胞可位于粘膜下層之下。
本文中所述的結(jié)構(gòu)可以能夠或經(jīng)改性后允許各種物質(zhì)粘附到所述 結(jié)構(gòu)的表面上或涂覆所述結(jié)構(gòu)的表面的材料上。例如，細(xì)胞和/或生物 分子如蛋白質(zhì)等可相對(duì)于結(jié)構(gòu)的各部分固定化，所述各部分包括例如 沿孔的側(cè)壁的區(qū)域、結(jié)構(gòu)表面上孔間的區(qū)域、或孔之上的區(qū)域。
本文中所述的一些結(jié)構(gòu)可包含粘合材料，選擇所述粘合材料以優(yōu) 先吸引和/或結(jié)合特定物質(zhì)，例如附著在結(jié)構(gòu)的至少一側(cè)、相對(duì)于結(jié)構(gòu) 的至少 一側(cè)固定化或以其他方式與結(jié)構(gòu)的至少 一側(cè)相關(guān)聯(lián)的細(xì)胞或其 他生物物質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，粘合材料為細(xì)胞粘合材料。本文中 用到的術(shù)語(yǔ)"細(xì)胞粘合材料"可指可粘附細(xì)胞的任何化學(xué)或生物材料。 在某些實(shí)施方案中，這樣的細(xì)胞粘合材料構(gòu)造為附著在結(jié)構(gòu)的至少一 側(cè)的表面上的連續(xù)的層。這樣的細(xì)胞粘合材料層可包含本領(lǐng)域內(nèi)已知 能特異性地或非特異性地結(jié)合到生物細(xì)胞的膜或其組分上的非常多物 質(zhì)中的任意物質(zhì)，例如膠原或膠原與多糖的混合物、抗體、細(xì)胞表面 受體的配體、抗原、外源凝集素、整合素、選擇素、源自細(xì)菌的親和 分子如蛋白A或蛋白G、其衍生物、其混合物、與皿相關(guān)的任何上 述物質(zhì)或其他形成層的材料如膠原、明膠、瓊脂糖、丙烯酰胺、殼聚 糖、纖維素、葡聚糖、藻酸鹽、角叉菜膠等。
結(jié)構(gòu)的表面性質(zhì)可通過(guò)各種技術(shù)改性。在一些情況下，結(jié)構(gòu)的表 面可通過(guò)緊鄰結(jié)構(gòu)涂覆和/或印刷添加劑而改性。在另外一些情況下， 添加劑可如本文中所述加到用來(lái)形成結(jié)構(gòu)的材料中(例如在制備過(guò)程 中鑲嵌在結(jié)構(gòu)中)。表面可用添加劑如蛋白質(zhì)和/或其他適宜的表面改性 物質(zhì)改性。例如，JIL^、粘連蛋白、RGD肽和/或其他細(xì)胞外基質(zhì)(ECM) 蛋白或生長(zhǎng)因子可涂覆到結(jié)構(gòu)上，例如以引起細(xì)胞適宜的生物應(yīng)答， 包括細(xì)胞附著、遷移、增殖、分化和基因表達(dá)。然后可將細(xì)胞接種該結(jié)構(gòu)的表面上。在一個(gè)實(shí)施方案中，細(xì)胞粘附蛋白可加到結(jié)構(gòu)的某 些通道和/或孔中以促進(jìn)血管向內(nèi)生長(zhǎng)進(jìn)這些通道和/或孔中。在另 一實(shí) 施方案中，生長(zhǎng)因子可加到結(jié)構(gòu)中以誘導(dǎo)在結(jié)構(gòu)的某些區(qū)域內(nèi)觸發(fā)健 康組織形成的最佳細(xì)胞生長(zhǎng)條件。在再一實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可包含添 加劑例如布置在結(jié)構(gòu)一側(cè)的一個(gè)表面上例如結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔上的細(xì)胞粘合 材料。在這樣的實(shí)施方案中，當(dāng)結(jié)構(gòu)暴露于含細(xì)胞的介質(zhì)中時(shí)，第一 類細(xì)胞可粘附到結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔上。任選地，當(dāng)結(jié)構(gòu)暴露于含細(xì)胞的介質(zhì) 中時(shí)，結(jié)構(gòu)的外部可優(yōu)先吸引和/或結(jié)合第二類細(xì)胞。
在一些情況下，可能希望用抑制細(xì)胞粘附的材料如表面活性劑(例 如聚乙二醇和聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷嵌段共聚物)改性全部或部分表 面。例如，不希望用于細(xì)胞生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域可涂覆以這類材料以例如 防止過(guò)多的軟結(jié)締組織從周圍組織向內(nèi)生長(zhǎng)進(jìn)結(jié)構(gòu)中。在一些情況下， 結(jié)構(gòu)表面性質(zhì)的改性可用來(lái)將細(xì)胞定位在結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定位點(diǎn)處。在一 些實(shí)施方案中，細(xì)胞粘附與細(xì)胞抑制物質(zhì)的組合可加到結(jié)構(gòu)的各部分 中以同時(shí)分別促進(jìn)和抑制細(xì)胞生長(zhǎng)。
在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可在被涂覆和/或印刷表面改性物質(zhì)之前 涂覆以多孔材料(例如聚合物，如凝膠)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，
結(jié)構(gòu)可用三維制備或其他適宜技術(shù)制備以形成生物AJt腎。在一些情 況下，結(jié)構(gòu)可用物質(zhì)改性；例如，結(jié)構(gòu)可先涂覆以多孔聚合物，然后 涂覆以表面改性物質(zhì)如可用來(lái)促進(jìn)細(xì)胞粘附的膠原。然后可將細(xì)胞(例 如血管細(xì)胞)接種到改性表面中和/或上。在一些情況下，結(jié)構(gòu)可含另一 層細(xì)胞(例如近端小管細(xì)胞)。所述裝置可模仿腎的功能以允許血液和 超濾液流進(jìn)和流出結(jié)構(gòu)。
如果需要，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可涂覆以多孔聚合物。涂覆結(jié)構(gòu)的多孔 聚合物可用作多種用途。例如，多孔聚合物可用來(lái)在結(jié)構(gòu)的較大的孔 (例如橫截面尺寸為約20-200微米)內(nèi)形成小孔(例如橫截面尺寸為約 l-20微米或在聚合物的孔隙度范圍內(nèi))。在一些情況下，多孔聚合物可 使活性劑從聚合物中持續(xù)釋放以例如促進(jìn)細(xì)胞隨時(shí)間的生長(zhǎng)和/或粘 附。在另外一些情況下，多孔聚合物可影響組分從結(jié)構(gòu)的第一位置到 第二位置的輸運(yùn)。在又一些情況下，涂覆結(jié)構(gòu)的多孔聚合物可降低結(jié) 構(gòu)的表面粗糙度，這將在下文描述。適宜的多孔聚合物的一個(gè)非限制 性實(shí)例為聚砜。
33多種技術(shù)，例如下文所描述的那些，可用來(lái)制備或成型本文中所 述的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行這類技術(shù)的過(guò)程之后或期間，可將結(jié)構(gòu)暴露于沉淀 介質(zhì)中以形成具有均勻網(wǎng)孔的細(xì)胞生長(zhǎng)模板結(jié)構(gòu)。
在一些實(shí)施方案中，本文中所述的結(jié)構(gòu)至少部分通過(guò)用一種或更 多種噴射工藝如噴注工藝制備，包括熱和/或壓力噴注，例如通過(guò)4吏用 噴墨設(shè)備。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，使用印刷機(jī)的印刷技術(shù)用來(lái)從薄
的二維("2D，，)層制備三維結(jié)構(gòu)。使用計(jì)算機(jī)通過(guò)將物體的數(shù)字表示存 儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中而生成2-D層的橫截面圖案。然后使用計(jì)算機(jī)輔 助設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)輔助制造("CAM")軟件將結(jié)構(gòu)的數(shù)字表示分割到多個(gè) 單獨(dú)的2D層中。印刷機(jī)，如噴墨印刷機(jī)，任選地使用輥，用來(lái)向平 整表面或支承平臺(tái)上為由軟件分割的各層制備結(jié)構(gòu)前體材料的層。結(jié) 構(gòu)前體材料可呈液體或粉末形式并可為例如陶瓷、金屬、聚合物或復(fù) 合材料。如果結(jié)構(gòu)前體材料呈粉末形式，則可用噴墨印刷機(jī)的印刷頭 在粉末材料上選擇性地沉積液體粘結(jié)劑以產(chǎn)生粘結(jié)粉末區(qū)域。通常為 聚合物樹脂或含7jC組合物的液體粘結(jié)劑以2D層的橫截面圖案樣式施 加。液體粘結(jié)劑可滲透進(jìn)粉末材料中的間隙中并可與粉末顆粒及^應(yīng)而 產(chǎn)生在兩個(gè)維度上粘結(jié)的層。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，粘結(jié)劑也將各相繼的 2D層粘結(jié)到先前沉積的2D層上。其他2D層通過(guò)重復(fù)沉積其他結(jié)構(gòu) 前體材料及施加粘結(jié)劑溶液的步驟直至產(chǎn)生所希望數(shù)量的層而形成。 由于液體粘結(jié)劑被選擇性地施加到粉末材料上，故僅某些粉末材料區(qū) 域被粘結(jié)到層內(nèi)和先前的層上。3D物體形成后，未粘結(jié)的粉末隨后通 過(guò)例如將粉末溶解在適宜的溶劑中而除去。然后可使前體結(jié)構(gòu)聚合和/ 或交聯(lián)，和/或暴露于沉淀介質(zhì)中以形成最終的多孔結(jié)構(gòu)。
在一些實(shí)施方案中，本文中所述的結(jié)構(gòu)至少部分用多光子光刻體 系形成。例如，可4吏用兩光子光刻或三光子光刻體系。多光子聚合可 涉及超快紅外激光器(例如在1028nm的波長(zhǎng)下工作的飛秒激光器)的 使用，所i^快紅外激光器可聚焦在含光敏材料的結(jié)構(gòu)前體材料的體 積中。聚合過(guò)程可由焦點(diǎn)體積內(nèi)的非線性吸收引發(fā)。通過(guò)移動(dòng)聚焦激 光器使之三維地通過(guò)樹脂，可以制備三維結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，可至少部分使用兩光子光刻體系來(lái)制備用于 組織工程和/或器官替代的結(jié)構(gòu)。在兩光子光刻體系中，與吸收UV光 的光引發(fā)劑混合的單體可被暴露于紅外激光中。樹脂/化學(xué)品可吸收紅 外光的兩個(gè)光子并可釋放紫外光的單光子。釋放的光子然后可被光引發(fā)劑吸收而產(chǎn)生可使單體聚合的自由基。由于兩光子吸收截面非常小，
故為釋放足夠的uv光以在化學(xué)品中誘導(dǎo)自由基聚合，可通過(guò)激光器
向化學(xué)品中傳遞大量的能量(兆兆瓦)。該能量密度可在來(lái)自超快(例如 飛秒)脈沖激光器的激光束的焦點(diǎn)處產(chǎn)生。兩光子吸收僅發(fā)生在光束焦 點(diǎn)處而不發(fā)生在激光束路徑上，因此僅非常小體積(例如毫微微升)的 單體可通過(guò)光引發(fā)劑釋放的自由基得到聚合。在結(jié)構(gòu)已例如由樹脂塊
或在單體的皮氏培^HL中聚合后，未曝光的化學(xué)品可用適宜的溶劑洗
去而留下最終結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可用于多種材料，包括丙烯酸酯和環(huán)氧聚
合物如本文中所述的乙H^化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯和烷lL&化三 官能丙烯酸酯。該體系可在例如當(dāng)需要具有高分辨率的結(jié)構(gòu)時(shí)使用。 例如，在一些情況下，多光子光刻可用來(lái)形成具有亞微米(例如小于一 微米)分辨率的結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，可至少部分^^用立體光刻來(lái)形成用于組織工 程和/或器官替代的結(jié)構(gòu)。立體光刻可涉及在含可光聚合的液體聚合物 的容器頂部上方掃描的聚焦紫外激光器的使用。當(dāng)激光束打到容器表
面上時(shí)，UV激光可使聚合物聚合和/或交聯(lián)，從而在液體表面上形成 固體或半固體聚合物層。所述固體層可降入到容器中且所述過(guò)程可重 復(fù)以形成下一層，直至獲得所希望結(jié)構(gòu)的多個(gè)疊加層。該過(guò)程可允許 形成各種自支承結(jié)構(gòu)，所述自支承結(jié)構(gòu)然后可M露于沉淀介質(zhì)中以 形成具有均勻網(wǎng)孔的細(xì)胞生長(zhǎng)^板結(jié)構(gòu)。
在另 一實(shí)施方案中，可至少部分使用選擇性激光燒結(jié)(或激光燒蝕)
來(lái)形成用于組織工程和/或器官替代的結(jié)構(gòu)。選擇性激光燒結(jié)可涉及聚
焦到松散聚集的塑性粉末燒結(jié)區(qū)上的激光束的使用，其中所述粉末逐
層施加。例如，薄層粉末可例如使用輥機(jī)構(gòu)均勻鋪展到平坦表面上。
粉末可用高功率激光束進(jìn)行光柵掃描。激光束聚焦的粉末材料區(qū)域可
熔合而粉末的其他區(qū)域可保持分離。可逐層沉積和光柵掃描粉末的相
繼層直至獲得所希望的結(jié)構(gòu)。在該過(guò)程中，各層的燒結(jié)深度可足夠深 以將其粘結(jié)到前一層上。
在涉及三維制備的一些實(shí)施方案中，可使用激光強(qiáng)度和/或橫動(dòng)速 度的改變來(lái)改變結(jié)構(gòu)內(nèi)的交聯(lián)密度。在一些情況下，這允許材料的性 質(zhì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)的不同位置各不相同。激光強(qiáng)度和/或橫動(dòng)速度的改變也可 控制材料內(nèi)局都致密化的程度。例如，激光強(qiáng)度高或橫動(dòng)速度低的區(qū) 域可產(chǎn)生更高密度的區(qū)域。下面的實(shí)施例意在舉例說(shuō)明本發(fā)明的某些實(shí)施方案，但不應(yīng)理解 為限制性的也并未例示本發(fā)明的全部范圍。
實(shí)施例1
聚砜-FullcureTM (PS-FC)膜的制備
PS-FC膜由聚砜(PS， Sigma Aldrich， MW=26，000g/mol)和 FullcureTM 700單體(Stratasys，美國(guó))以表l中所示的重量比制備。溶 劑N，N-二甲基乙酰胺(DMAc, Sigma Aldrich)不經(jīng)處理直接使用。圖3 示出了制備膜的合成方案。將PS在DMAc中的溶液(10wt。/。)和 FullcureTM 700單體倒出并夾在由控制膜厚的隔離物隔開的兩個(gè)玻璃 板之間。用該組件制得厚80微米的膜。然后使整個(gè)組件經(jīng)受30分鐘 的UV固化，這使得聚合物共混物的空間布局固定而形成自立式結(jié)構(gòu)。 然后可將該結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在水浴中以進(jìn)行相反轉(zhuǎn)過(guò)程(溶劑-非溶劑處理過(guò) 程，其中水用作非溶劑(沉淀介質(zhì)))從而使PS沉淀而生成多孔網(wǎng)絡(luò)。 從玻璃板上剝下膜后，用蒸餾水洗滌膜并在使用前保存在室溫下的蒸 餾水中。
表l: PS-FC膜的組成和性質(zhì)
共混物組成PS-FC-0.15PS-FC-0.2PS-FC-0.25
PS (g)2.02.02.0
FC (g)0.150.200.25
孔直徑a (Jim)10-156-125-10
孔直徑b (nm)12.58.65.5
MWCO (kDa)804015
純^C通量(L/m2-h)717597161
Tg (。C)卯，19595,19897， 200
接觸角(°)303538
儲(chǔ)能模量155019202100
生物相容性是是是
a由SEM測(cè)得。b由MWCO測(cè)得。
36實(shí)施例2 PS-FC膜的表征
用掃描電子顯微鏡(JOEL JSM-7400F, 10kV)對(duì)實(shí)施例1的PS-FC 膜加以表征。膜的分離性質(zhì)用超濾膜的溶質(zhì)脫除技術(shù)試驗(yàn)。將膜切成 需要的尺寸以用于超濾池中。
膜受到20psi的壓力，通itJ度的水通量在穩(wěn)態(tài)流下用式1測(cè)定
其中g(shù)為所收集的滲透物的量(L),入為水通量(L/m、h)， Jr為 取樣時(shí)間(h)，爿為膜面積(m2)。
PS-FC膜的孔徑通過(guò)不同分子量的聚乙二醇(PEG)的超濾測(cè)定。 PEG溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線用2-100kDa的純PEG級(jí)分獲得。PEG的摩爾 質(zhì)量通過(guò)皿滲透色譜獲得。所有PEG溶液均以lwt。/。的濃度制備并 用作iW。避免更高濃度是因?yàn)闈B透物的通量將隨i^h濃度的增加而 降低并影響脫除性能。MWCO值用式2計(jì)算
%幼=
i-^
C/」
x100 (2)
其中SR對(duì)應(yīng)于90。/。的溶質(zhì)脫除，Cf和Cp分別為iWh和滲透物濃 度(mol/dm3)。膜的平均孔半徑r (A)由式3從PEG的MWCO值計(jì)算
,'- 0'33(對(duì).46 (3) 其中M為溶質(zhì)的分子量。
PS-FC膜的性質(zhì)匯總在表1中。用小于2:0.25的PS:FC重量比制 得的PS-FC膜具有較細(xì)、較少的互連孔。PS-FC膜在約IOO攝氏度和 約200攝氏度具有兩個(gè)Tg值及1550-2100MPa的高儲(chǔ)能模量。與多孔 PS相比，較高FC含量的膜獲得較高的儲(chǔ)能模量，較高FC含量提供 更具彈性的構(gòu)架。三種膜具有相近的30-38度范圍內(nèi)的7jC接觸角，這 表明這些膜可為組織細(xì)胞的附著和增殖提供可適度潤(rùn)濕的表面。
在確定孔統(tǒng)計(jì)學(xué)和MWCO的所有PEG脫除研究中，均勻攪動(dòng)進(jìn)料側(cè)以防止膜表面上的濃度極化和濾餅形成，膜表面上的濃度極化和濾餅形成會(huì)影響通量以及最終影響分配系數(shù)和聚集孔徑。
PS隱FC-0.15、 PS-FC-0.20和PS-FC-0.25共混物膜在20psi的壓力下進(jìn)行7jC通量評(píng)估并與孔徑分別為0.3和0.2微米的商品BTS-45和BTS-55 PS膜(Pall Corporation,美國(guó))比較。如圖5中所示，與PS-FC-0.15和PS-FC-0.20 (其穩(wěn)態(tài)通量分別為717和597L/m2h)相比，PS-FC-0.25觀察到較低的7JC通量。FC增加時(shí)通量的降低可歸因于膜中較小的孔的形成。當(dāng)FC含量從0.15g提高到0.25g時(shí)，SEM孔直徑從10-15nm顯著減小至5-10fim。圖6示出了 PS-FC膜的頂視圖和橫截面視圖的SEM顯微照片。具體而言，圖6A(頂視圖)和6B(橫截面視圖)示出了 PS-FC-0.15的圖像；圖6C (頂視圖)和6D (橫截面視圖)示出了 PS-FC-0.20的圖像；圖6E (頂視圖)和6F(橫截面視圖)示出了PS-FC-0.25的圖像。MWCO研究+基于式3計(jì)森的孔直徑遠(yuǎn)小于在SEM下觀察到的那些(參見(jiàn)表1)。來(lái)自MWCO實(shí)驗(yàn)的測(cè)定值很可能比SEM測(cè)定值給出更精確的孔徑值。對(duì)于商品BTS膜，也發(fā)現(xiàn)SEM孔直徑不同于通過(guò)MWCO所測(cè)得的孔直徑。
一般來(lái)說(shuō)，隨著FC含量提高，PS-FC膜在滲透性質(zhì)方面表現(xiàn)出從微濾到超濾范圍的過(guò)渡。其截留曲線比商品BTS-45和BTS-55 PS膜的更敏銳。這些發(fā)現(xiàn)表明PS-FC膜是可望作為多孔分離膜的材料。
圖7中示出了 PS-FC膜對(duì)PEG分子量的典型PEG脫除曲線。截留水平基于特定分子量的PEG的卯％脫除測(cè)定。 一般來(lái)說(shuō)，膜的截留水平對(duì)應(yīng)于其平均孔徑。
平均孔徑由PEG分子90%脫除下測(cè)得的截留值確定。FC含量降低時(shí)MWCO的提高表明了孔徑的增大。
本實(shí)施例表明，可按本文中所述的方法制備具有均勻孔徑的膜。
實(shí)施例3
細(xì)胞在PS-FC膜上的生長(zhǎng)
本實(shí)施例表明實(shí)施例1的PS-FC膜與活細(xì)J^目容。對(duì)于生物相容性研究，將MDCK (Madin-Darby腎細(xì)胞)置于PS-FC膜上(未用細(xì)胞粘附蛋白涂AM)并在含5體積％ co2的加濕孵育箱中培養(yǎng)。細(xì)胞生存能力和增殖用DAPI染色在光學(xué)熒光顯微鏡下檢查。
MDCK細(xì)胞的形態(tài)學(xué)在于PS-FC-0.25膜上培養(yǎng)4天后研究。圖8示出了活細(xì)胞的核的DAPI染色。圖8B和8C示出了粘附在膜上并且在即便不使用細(xì)胞粘附蛋白時(shí)也如腎小管細(xì)胞特征性的那樣均勻地以單層覆蓋膜表面的MDCK細(xì)胞。相比之下，圖8A示出了當(dāng)膜不含細(xì)胞粘附蛋白層時(shí)細(xì)胞在商品聚砜SUPOR—1200膜(Pall Corporation,美國(guó))上呈團(tuán)簇形式的粘附。因此，結(jié)論;^與SUPOR—1200膜相比，PS-FC膜提供了更好地培養(yǎng)單層MDCK細(xì)胞的無(wú)毒i體。
本實(shí)施例表明PS-FC膜可用作生物活性膜而不需進(jìn)一步處理如用細(xì)胞粘附蛋白涂覆膜。由于許多常規(guī)聚合物膜在無(wú)ECM表面涂層時(shí)不具有細(xì)胞粘附性，故這是相對(duì)于用于生物人造用途的現(xiàn)有聚合物表面的改進(jìn)。本實(shí)施例也表明PS-FC材料可適于應(yīng)用在生物復(fù)合Ait器官裝置中。
實(shí)施例4
3D多孔結(jié)構(gòu)的制備
在本預(yù)言性實(shí)施例中，制備了適于用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的3D多孔結(jié)構(gòu)?；颊叩慕M織和/或器官的CT掃描被轉(zhuǎn)化為CAD文件并輸入到三維印刷機(jī)中。結(jié)構(gòu)前體材料通過(guò)混合FullcureTM 700單體、聚砜和N,N-二甲基乙酰胺溶劑制備以形成均勻溶液。同用來(lái)在結(jié)構(gòu)中形成開放區(qū)域(例如空腔)的犧牲材料(例如FullcureTM 705載體)一樣，將結(jié)構(gòu)前體材料引入三維印刷機(jī)中。結(jié)構(gòu)前體材料和犧牲材料被逐滴和逐層分配到基體上。在沉積若干層前體結(jié)構(gòu)后，使前體結(jié)構(gòu)經(jīng)受足夠時(shí)間的UV輻射以使FullcureTM單體聚合(和/或交聯(lián))。將所得前體結(jié)構(gòu)浸泡在水浴中，這使聚砜沉淀并從結(jié)構(gòu)中除去N，N-二甲基乙酰胺溶劑。此過(guò)程的結(jié)果是在結(jié)構(gòu)中形成均勻的孔網(wǎng)絡(luò)。然后將結(jié)構(gòu)浸泡在25%的四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液中直至犧牲材料已從結(jié)構(gòu)中除去。然后將結(jié)構(gòu)用作細(xì)胞生長(zhǎng)的模板，在這里，活細(xì)胞可被固定化并發(fā)揮其正常的生理功能。
雖然本文中描述和舉例說(shuō)明了本發(fā)明的若干實(shí)施方案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于想到多種實(shí)現(xiàn)本文所述功能和/或獲得本文所述結(jié)果和/或一個(gè)或更多個(gè)本文所述優(yōu)勢(shì)的其他措施和/或結(jié)構(gòu)，各個(gè)這類變體和/或改變均被視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。更一般地說(shuō)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于理解本文中所描述的所有參數(shù)、尺寸、材料和/或構(gòu)造是示例性的，實(shí)際的M、尺寸、材料和/或構(gòu)造將取決于使用本發(fā)明教導(dǎo)的
一個(gè)或更多個(gè)具體應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員^i人識(shí)到或能用常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法確定本文所述本發(fā)明的具體實(shí)施方案的許多等價(jià)方案。因此應(yīng)理解前述實(shí)施方案僅是以實(shí)施例的方式給出的，在附隨的權(quán)利要求書及其等價(jià)方案的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以所具體描述和要求保護(hù)的方式之外的方式實(shí)施。本發(fā)明旨在提供本文所述的各個(gè)特征、體系、物品、材料、成套元件和/或方法。此外，兩種或更多種這類特征、體系、物品、材料、成套元件和/或方法的組合也包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，如果這類特征、體系、物品、材料、成套元件和/或方法互不矛盾的話。
本文中定義和用到的所有定義應(yīng)理解為優(yōu)先于字典定義、通過(guò)引用結(jié)合的文件中的定義和/或所定義術(shù)語(yǔ)的通常含義。
除非明確指出相反，否則本說(shuō)明書和權(quán)利要求書中不用數(shù)量詞修*飾時(shí)都應(yīng)理解為指"至少一個(gè)"。
本說(shuō)明書和權(quán)利要求書中用到的表述"和/或"應(yīng)理解為指這樣連結(jié)起來(lái)的要素之"任一或二者"，即要素有時(shí)一起出現(xiàn)、有時(shí)分開出現(xiàn)。由"和/或，，羅列的多個(gè)要素應(yīng)以相同的方式理解，即這樣連接的要素之"一個(gè)或更多個(gè)"。除"和/或"從句明確指出的要素外，其他要素也可任選存在，無(wú)論與那些明確指出的要素相關(guān)還是不相關(guān)。因此，作為非限制性的實(shí)例，當(dāng)與開放式語(yǔ)言如"包含"一起使用時(shí)，提及"A和/或B"可以在一個(gè)實(shí)施方案中僅指A (任選包括B之外的要素)；在另一個(gè)實(shí)施方案中僅指B (任選包括A之外的要素)；而在另一個(gè)實(shí)施方案中指A和B(任選包括其他要素)；等。
本說(shuō)明書和權(quán)利要求書中用到的"或，，應(yīng)理解為具有與上面定義的"和/或，，相同的含義。例如，在分開列表中的項(xiàng)目時(shí)，"或"或"和/或"應(yīng)理解為包括的，即包括許多要素或要素列表中的至少 一個(gè)但也包括一個(gè)以上，并任選包括另外的未列出的項(xiàng)目。僅明確指出相反的術(shù)語(yǔ)例如"僅一個(gè)，，或"正好一個(gè)，，或當(dāng)在權(quán)利要求書中使用"由......組成"時(shí)
將指包括許多要素或要素列表中的正好一個(gè)要素。 一般而言，僅當(dāng)有排他性的術(shù)語(yǔ)如"任一""中的 一個(gè)，，"中的僅一個(gè)，，或"中的正好一個(gè)"
時(shí)，本文中用到的術(shù)語(yǔ)"或，，應(yīng)理解為指排他的選擇方案(即"一個(gè)或另一個(gè)而非二者")。權(quán)利要求書中用到的"基本由......組成"應(yīng)具有專利
法領(lǐng)域中所用的通常含義。
本說(shuō)明書和權(quán)利要求書中關(guān)于一個(gè)或更多個(gè)要素的列表所用到的表述"至少一個(gè)"應(yīng)理解為指選自要素列表中任何一個(gè)或更多個(gè)要素的
至少 一個(gè)要素，但不一定包括要素列表內(nèi)明確列出的每一個(gè)要素的至少一個(gè),也不排除要素列表中要素的任意組合。在該定義下，除表述"至少一個(gè)，，所指的要素列表內(nèi)明確指出的要素外的要素也可任選存在，而無(wú)論其與那些明確指出的要素相關(guān)還是不相關(guān)。因此，作為非限制性
的實(shí)例，"A和B中的至少一個(gè)"(或等價(jià)地，"A或B中的至少一個(gè)"，或等價(jià)地，"A和/或B中的至少一個(gè)")在一個(gè)實(shí)施方案中可指至少一個(gè)、任選包括一個(gè)以上A而無(wú)B存在(并任選包括B之外的要素)；在另 一個(gè)實(shí)施方案中可指至少 一個(gè)、任選包括一個(gè)以上B而無(wú)A存在(并任選包括A之外的要素)；而在另一個(gè)實(shí)施方案中可指至少一個(gè)、任選包括一個(gè)以上A和至少一個(gè)、任選包括一個(gè)以上B (并任選包括其他要素)；等。
還應(yīng)理解，除非明確指出相反，否則本文中要求保護(hù)的包括一個(gè)以上步驟或操作的任何方法中，方法的步驟或操作順序不一定限于所記載的方法的步驟或^Mt順序。
在權(quán)利要求書及上面的說(shuō)明書中，所有過(guò)渡性表述如"包含，，"包括""帶有""有""含""涉及""持有""含有"等均應(yīng)理解為開放式的，即指
包括但不限于。僅過(guò)渡性表述"由......組成"和"基本由......組成"應(yīng)分
別為封閉或半封閉式的過(guò)渡性表述，如美國(guó)專利局專利審查程序手冊(cè)第2111.03部分中所規(guī)定的。
權(quán)利要求
1.一種制備用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將至少第一和第二聚合物組分溶解在前體溶劑中以形成結(jié)構(gòu)前體材料；將所述結(jié)構(gòu)前體材料成型為適宜用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)；使所述第一聚合物組分交聯(lián)；和從所述結(jié)構(gòu)中除去至少部分所述前體溶劑，從而在所述結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，所述方法還包括使所述結(jié)構(gòu)與沉 淀介質(zhì)接觸和在所述沉淀介質(zhì)中除去所述部分前體溶劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述沉淀介質(zhì)為溶劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述沉淀介質(zhì)為水。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述沉淀介質(zhì)為空氣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述前體溶劑是不與所述第 一和第二聚合物組分^JL的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第二聚合物組分在所述 交聯(lián)步驟后基本不交聯(lián)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述多個(gè)孔的平均孔徑小于 或等于20微米并形成在所述結(jié)構(gòu)的至少部分壁中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述多個(gè)孔的平均孔徑小于 或等于10微米并形成在所述結(jié)構(gòu)的至少部分壁中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所有孔中不超過(guò)約5%的孔 的尺寸與所述多個(gè)孔的所述平均孔徑偏離超過(guò)約20%。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所有孔中不超過(guò)約5%的孔 的尺寸與所述多個(gè)孔的所述平均孔徑偏離超過(guò)約10%。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中高于卯％的孔的截留分子 量為約80kDa。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中高于卯％的孔的截留分子量為約40kDa。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中高于卯％的孔的截留分子 量為約15kDa。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)前體材料的成型 包括三維印刷。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括將所述結(jié)構(gòu)暴 露于促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)到所述結(jié)構(gòu)上的環(huán)境。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括將所述結(jié)構(gòu)暴 露于促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)進(jìn)所述結(jié)構(gòu)的孔中的環(huán)境。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，所述方法還包括形成組織。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，所述方法還包括形成器官。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一聚合物組分為基 于丙烯酸的單體。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二聚合物組分為基 于砜的單體。
22. —種制備用作細(xì)胞生長(zhǎng)^^的結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括 提供包含至少第一、第二和第三組分的結(jié)構(gòu)前體材料； 將所述結(jié)構(gòu)前體材料成型為適宜用作細(xì)胞生長(zhǎng)^^L的結(jié)構(gòu)； 使所述第一組分交聯(lián)； 使所述第二組分在沉淀介質(zhì)中沉淀；和在所述沉淀^^質(zhì)中從所述結(jié)構(gòu)中除去所述第三組分，從而在所述 結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第一組分為可交聯(lián)的 單體。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第一組分為基于丙烯 酸的單體。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第二組分在所述交聯(lián)步驟后不交聯(lián)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第二組分為基于砜的 單體。
27. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第三組分為溶劑。
28. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第一、第二和第三組 分在25攝氏度和latm下可混溶。
29. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述沉淀介質(zhì)為液體。
30. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)前體材料的成型 包括三維印刷。
31. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，所述方法還包括將所述結(jié)構(gòu)暴 露于促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)進(jìn)所述結(jié)構(gòu)的孔中的環(huán)境。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，所述方法還包括形成組織。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，所述方法還包括形成器官。
34. —種制備用作細(xì)胞生^^板的結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將至少第 一和第二聚合物組分在前體溶劑中混合以形成均勻的結(jié) 構(gòu)前體材料，其中所述第一和第二聚合物組分及所述前體溶劑在25 攝氏度和latm下可混溶；印刷所述結(jié)構(gòu)前體材料以形成適宜用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的三維結(jié) 構(gòu)5和從所述結(jié)構(gòu)中除去所述前體溶劑，從而在所述結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中從所述結(jié)構(gòu)中除去所述前 體溶劑包括使所述結(jié)構(gòu)與沉淀介質(zhì)接觸。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述沉淀介質(zhì)為液體。
37. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，所述方法還包括4吏所述第一聚 合物組分交聯(lián)而所述第二聚合物組分不交聯(lián)。
38. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，所述方法還包括使所述第二聚 合物組分沉淀。
39. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，所述方法還包括將所述結(jié)構(gòu)暴 露于促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)進(jìn)所述結(jié)構(gòu)的孔中的環(huán)境。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，所述方法還包括形成組織。
41. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，所述方法還包括形成器官。
42. —種制備用作細(xì)胞生長(zhǎng)^^板的結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括形成包含至少第 一和第二聚合物組分及流體載體的細(xì)胞生長(zhǎng)模板 前體結(jié)構(gòu)；使所述第一聚合物組分交聯(lián)，從而形成自支承結(jié)構(gòu)；從所述自支承結(jié)構(gòu)中除去至少部分所述流體載體，從而在適于模 板化細(xì)胞生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)孔，其中所述多孔結(jié)構(gòu)形成為適于;^板化細(xì)胞生長(zhǎng)的形狀。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述細(xì)胞生長(zhǎng)模板前體結(jié) 構(gòu)的形成包括三維印刷。
44. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，所述方法還包括將所述多孔的 細(xì)胞生長(zhǎng)模板結(jié)構(gòu)暴露于促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)進(jìn)所述結(jié)構(gòu)的孔中的環(huán) 境。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，所述方法還包括形成組織。
46. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，所述方法還包括形成器官。
47. —種用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的制品，所述制品包含 含有至少一個(gè)限定空腔的壁的結(jié)構(gòu)；和形成在至少部分所述壁中的平均孔徑小于或等于20微米的多個(gè) 孔，其中所有孔中不超過(guò)約5%的孔的尺寸與所述多個(gè)孔的平均孔徑 偏離超過(guò)約20%，其中所述結(jié)構(gòu)構(gòu)造和布置來(lái)用作細(xì)胞生長(zhǎng)的^^L。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所有孔中不超過(guò)約2%的 孔的尺寸與所述多個(gè)孔的平均孔徑偏離超過(guò)約20%。
49. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所有孔中不超過(guò)約5%的 孔的尺寸與所述多個(gè)孔的平均孑L徑偏離超過(guò)約10%。
50. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中高于卯％的孔的截留分子 量為約80kDa。
51. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中高于卯％的孔的截留分子 量為約40kDa。
52. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中高于卯％的孔的截留分子 量為約15kDa。
53. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所述多個(gè)孔的平均孔徑小 于或等于10微米并形成在所述結(jié)構(gòu)的至少部分壁中。
54. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所述多個(gè)孔穿透所述壁， 從而使得能夠在空腔內(nèi)部分和空腔外部分之間進(jìn)行組分交換。
55. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所述空腔的內(nèi)徑小于300 微米。
56. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)包含具有第一內(nèi) 徑的第一空腔部分和具有第二內(nèi)徑的第二空腔部分。
57. —種制備用作細(xì)胞生"JM^板的結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將至少第一和第二聚合物組分溶解在前體溶劑中以形成結(jié)構(gòu)前體 材料；將所述結(jié)構(gòu)前體材料成型為適宜用作細(xì)胞生長(zhǎng)模板的結(jié)構(gòu)；將所述結(jié)構(gòu)前體材料暴露于UV輻射下；和從所述結(jié)構(gòu)中除去至少部分所述前體溶劑，從而在所述結(jié)構(gòu)中形 成多個(gè)孔。
58. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述暴露步驟發(fā)生在所述 成型步驟之后。
59. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述暴露步驟引起至少部 分所述第 一聚合物組分的聚合。
60. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述暴露步驟引起至少部 分所述第一聚合物組分的交聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及多孔聚合物制品，更具體而言，涉及用于組織工程和器官替代的多孔聚合物制品。在一些實(shí)施方案中，本文中所述的方法包括使用聚合物-溶劑體系(例如相反轉(zhuǎn)體系)以在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生多孔性。所述方法可包括形成含第一可交聯(lián)組分和可在沉淀介質(zhì)中沉淀的第二組分的結(jié)構(gòu)前體材料。所述結(jié)構(gòu)前體材料可通過(guò)適宜的技術(shù)如三維印刷成型為三維形狀。所述結(jié)構(gòu)前體材料一成型，至少部分第一組分即可交聯(lián)。所述結(jié)構(gòu)然后可與沉淀介質(zhì)接觸以從結(jié)構(gòu)中除去前體溶劑，這可使第二聚合物組分沉淀并形成含均勻孔的網(wǎng)絡(luò)的多孔結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)造和布置來(lái)用作超濾、細(xì)胞生長(zhǎng)和/或用于形成其中活細(xì)胞可固定化并發(fā)揮其正常生理功能的復(fù)雜仿生多孔生物復(fù)合器官的模板。
文檔編號(hào)C08J9/00GK101528822SQ200680055604
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日
發(fā)明者卡爾·舒馬赫, 盧明福, 應(yīng)儀如, 趙丕雄 申請(qǐng)人:新加坡科技研究局