CN110402284B - 用于基底膜支架的薄膜插入 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制备具有内体积或腔体积的基底膜构建体的组合物和方法。内体积或腔体积可以是用于液体(例如血液)或气体灌注的血管网络的形式。内部空间也可包含细胞，例如上皮细胞。还公开了包含基底膜构建体的组织和器官，及其制备方法。

Description

用于基底膜支架的薄膜插入

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月16日提交的美国临时申请号62/435,121、2017年10月3日提交的美国临时申请号62/567,746和2017年10月3日提交的美国临时申请号62/567,748的权益，其内容通过引用以整体并入本文。

背景技术

人体尺度的组织和器官移植物的生物工程需要产生基质，该基质为细胞驻留和履行其功能提供三维环境，并供应可灌注的血管系统以满足各自的组织代谢需求。这样的基质或支架已经使用包括光刻、立体光刻、静电纺丝、光聚合和挤出印刷等技术的技术生成。迄今为止，血管通道网络的创建一直是该方法的主要限制因素。最近，诸如使用短效油墨的多向3D印刷的技术使得能够在固体材料块内生成三维通道网络。该技术可用于产生实体组织，例如骨骼肌或软骨。

与这些例子相反，含有一种或多种上皮结构(消化，内分泌，神经，淋巴，外皮，生殖，呼吸，感觉，泌尿和循环)的组织和器官取决于能够发挥下述功能的薄基底膜的存在，所述功能例如过滤流体(肾脏，眼睛，淋巴，脑)、扩散气体(肺)、分泌和吸收电解质和其他分子(肾脏，肠，肝脏，肠道组织)、以及激素从一个腔或隔室到另一个的扩散(胰腺，垂体腺，肾上腺)。在许多情况下，该基底膜必须厚度<1um或<10um才能发挥功能(肾脏，肺)。

目前，发明人不知道存在任何技术来产生含有一个或多个由这样的基底膜衬里的三维通道网络的支架。三维增材印刷(additive printing)技术因其具有的分辨率和材料限制呈现出显著的局限，达到了阻止开发含有生理准确的血管结构的组织构建体的程度。

发明内容

在一些实施方式中，本发明解决了对含有一个或多个由基底膜衬里的三维通道网络的支架的需求，并提供了用于产生由限定厚度和组成的基底膜衬里的三维通道网络的新方法。该血管构建体可以包埋于有或没有细胞的支撑材料中，并且可以用上皮细胞衬里再定殖以实现更高水平的功能。

本发明的一些实施方式涉及包含一个或多个限定内体积(例如，腔室)的薄膜(在本文中有时也称为膜、薄膜式膜或薄膜式膜组分)的组合物(例如，基底膜构建体，血管化基底膜构建体，组织，器官)，其中所述一个或多个薄膜包含功能性基底膜材料。在一些实施方式中，所述内体积具有顶侧和底侧，薄膜限定顶侧并且聚合物或水凝胶限定底侧(例如，所述内体积夹在薄膜和基底膜之间)。在一些实施方式中，薄膜限定顶侧和底侧二者(例如，所述内体积夹在一个或两个薄膜之间)。

在一些实施方式中，至少一个薄膜能够过滤流体、扩散气体、分泌或吸收电解质、和/或使激素扩散通过所述薄膜。例如，薄膜可适用于进行血液透析，血气交换以供呼吸；吸收营养物进入血液以供消化，或将激素引入血液用于内分泌功能。

在一些实施方式中，所述一个或多个薄膜的厚度为约0.1μm至约100μm，约0.1μm至约100μm，约0.5μm至约50μm，约1.0μm至约40μm，约5.0μm至约30μm，或约10μm至约20μm，或其间的任何范围。在一些实施方式中，所述一个或多个薄膜的厚度为约10μm或更小。在一些实施方式中，所述一个或多个薄膜的厚度为约1μm或更小。

在一些实施方式中，所述内体积包含一个或多个通道(例如，至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、40、50、100、200、500、750、1000、2000、10000个通道)。在一些实施方式中，所述至少一个通道包含分支通道网络，所述分支通道网络具有一个或多个直径逐渐减小的分支(例如，至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、40、50、100、200、500、750、1000、2000、10000个分支)。在一些实施方式中，通道直径可包括但不限于约10cm、10mm、5mm、1mm、500μm、50μm、10μm、5μm、3μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm或0.01μm。

在一些实施方式中，所述内体积与外部空间连通。例如，所述内体积可具有能够可操作地与患者的动脉连通的通道和与患者的静脉连通的通道，使得血液能够流过所述内体积(例如，穿过形成血管网络的内体积)。

在一些实施方式中，所述内体积形成血管通道网络。例如，所述内体积可模拟肺、肾、消化道或人体其他组织中的血管网络的结构。在一些实施方式中，所述血管通道网络的体积为约0.01mL至约10L、约0.1mL至约5L、约1mL至约1L、约10mL至约0.5L、约50mL至约250mL、或约75mL至约150mL，或其间的任何范围。

在一些实施方式中，所述功能性基底膜材料包含脱细胞组织。在一些实施方式中，所述脱细胞组织已被液化或均质化。在一些实施方式中，所述功能性基底膜材料包含胶原、明胶、水凝胶、聚乳酸、壳聚糖、和/或其他生物相容性材料或这些材料的复合物。

在一些实施方式中，所述薄膜被固化、交联、聚合、干燥和/或凝胶化。

在一些实施方式中，所述组合物包含在三维空间中限定多个内体积的多个膜。例如，所述组合物可包含第一内体积和第二内体积，所述第一内体积是血液的血管网络，所述第二内体积通过薄膜与所述第一内体积分开。

在一些实施方式中，所述组合物还包含细胞支架。在一些实施方式中，所述细胞支架源自于脱细胞组织或器官。

在一些实施方式中，所述组合物还包含在所述内体积内并附着于一个或多个薄膜的表面上的一种或多种细胞类型。在一些实施方式中，所述一种或多种细胞类型包括上皮细胞类型。“上皮细胞”是指为中空器官衬里的细胞，以及构成腺体和身体外表面的细胞。一般而言，可以考虑四种类型的上皮细胞：鳞状上皮细胞，柱状上皮细胞，腺瘤上皮细胞，和过渡上皮细胞。在一些实施方式中，上皮细胞类型选自前列腺细胞、乳腺细胞、肝细胞、胰岛细胞包括β细胞、肺上皮细胞、肾细胞、膀胱细胞、胃上皮细胞、大小肠上皮细胞、尿道上皮细胞、睾丸上皮细胞、卵巢上皮细胞、宫颈上皮细胞、甲状腺细胞、甲状旁腺细胞、肾上腺细胞、胸腺细胞、胆囊细胞和垂体细胞。

在一些实施方式中，所述组合物还包含在所述内体积内并附着于一个或多个薄膜的表面上的一种或多种细胞类型。在一些实施方式中，所述一种或多种细胞类型包括干细胞或祖细胞类型。“干细胞”是指未终末分化并可以产生、长成或以其他方式转化成不同类型细胞的细胞。干细胞可包括全能、多能、专能、寡能和单能干细胞。干细胞的具体例子包括胚胎干细胞、胎儿干细胞、成体干细胞和诱导的多能干细胞(iPSC)(例如，参见美国公布的申请号2010/0144031，2011/0076678，2011/0088107，2012/0028821，它们全部通过引用并入本文)。

在一些实施方式中，所述组合物包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是包含人肾上皮细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够进行血液透析。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的肾组织。在一些实施方式中，将所述组合物植入患者中。在一些实施方式中，所述组合物对于患者是体外的。

在一些实施方式中，所述组合物包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是包含人肺上皮细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够进行气体交换。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的肺组织。在一些实施方式中，所述组合物包含能够使所述组合物扩张和收缩的弹性纤维。在一些实施方式中，将所述组合物植入患者中。在一些实施方式中，所述组合物对于患者是体外的。

在一些实施方式中，所述组合物包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是一个或多个包含人肠上皮细胞的腔空间，以及在所述内体积之外的间质细胞和肌细胞，其中所述组合物能够蠕动，并且在与患者的血液循环系统连通时，能够将营养物吸收到患者的血液中。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的一部分消化道。

在一些实施方式中，所述组合物包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是包含人内分泌细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够将激素或其他物质扩散到患者的血液中。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的甲状腺、甲状旁腺、肾上腺、胸腺和/或垂体组织。

在一些实施方式中，所述组合物是组织或器官构建体。

本发明的一些方面涉及一种制造基底膜构建体的方法，所述方法包括在支撑结构或薄膜层上产生包含一种或多种牺牲材料的牺牲结构(在本文中有时称为通道隔室或通道网络组件)；将包含功能性基底膜材料的薄膜层施加到所述牺牲结构；任选重复步骤(a)和然后(b)一次或多次；任选将步骤(a)、(b)和任选(c)的产物包埋于牺牲或永久材料中；以及去除所述牺牲材料以提供一个或多个内体积，从而制造基底膜构建体。

在一些实施方式中，所述牺牲材料具有热可逆的凝胶化性质或者在施加热或冷后可经历相变。如果可以在不去除、降解和/或损坏薄膜和/或永久材料的情况下被除去，则任何合适的材料都可以是牺牲材料。在一些实施方式中，所述牺牲材料在所述薄膜和/或永久材料不可溶的条件下是可溶的。在一些实施方式中，在所述薄膜和/或永久材料不可消化的条件下，所述牺牲材料是可化学或酶消化的。在一些实施方式中，所述牺牲材料是聚合物或水凝胶。

在一些实施方式中，步骤(a)的牺牲结构通过挤出、模塑、研磨或增材印刷来产生。产生所述牺牲结构的方法不受限制，并且可以采用本领域中任何合适的方法。

在一些实施方式中，所述牺牲材料限定了如本文所述的内空间(例如，腔空间)。在一些实施方式中，所述牺牲结构具有限定至少一个通道(例如，至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、40、50、100、200、500、750、1000、2000、10000个通道)的体积。在一些实施方式中，所述至少一个通道包含分支通道网络，所述分支通道网络具有直径逐渐减小的分支(例如，至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、40、50、100、200、500、750、1000、2000、10000个分支)。在一些实施方式中，通道直径可包括但不限于约10cm、10mm、5mm、1mm、500μm、50μm、10μm、5μm、3μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm或0.01μm。

在一些实施方式中，所述牺牲结构具有限定血管通道网络或腔空间的体积。在一些实施方式中，所述血管通道网络或腔空间限定的体积为约0.01mL至约10L、约0.1mL至约5L、约1mL至约1L、约10mL至约0.5L、约50mL至约250mL、或约75mL至约150mL，或其间的任何范围。

在一些实施方式中，所述通道网络或腔空间是通过冲压、模制或本领域已知的将在所述支架材料或所述支架材料的一部分内产生负空间的其他技术限定的。然后通过添加薄膜式膜来包围或密封该空间(图6)。

在一些实施方式中，所述通道网络或腔空间是通过选择性粘合薄膜式膜来限定的。例如，在一些实施方式中，两个薄膜式膜片可以重叠并以一定图案选择性熔融、胶合、交联或以其他方式彼此结合，使得在两个膜之间形成内空间或通道网络(图7)。

在一些实施方式中，所述支撑结构包含细胞支架。在一些实施方式中，所述细胞支架源自于脱细胞组织或器官。

在一些实施方式中，步骤(b)的薄膜通过化学或物理薄膜沉积、雾化、喷雾、静电纺丝或凝胶化来施加。可以使用任何合适的薄膜沉积方法，并且不受限制。

在一些实施方式中，步骤(b)的薄膜的厚度约0.1μm至约100μm、约0.1μm至约100μm、约0.5μm至约50μm、约1.0μm至约40μm、约5.0μm至约30μm、或约10μm至约20μm，或其间的任何范围。在一些实施方式中，步骤(b)的薄膜的厚度约10μm或更小。在一些实施方式中，步骤(b)的薄膜的厚度约1μm或更小。

在一些实施方式中，在执行步骤(b)之后，将薄膜固化、部分或完全交联、聚合、干燥或凝胶化。可以使用任何合适的固化、交联、聚合、干燥或凝胶化方法，并且不受限制。

在一些实施方式中，所述功能性基底膜材料包含已被液化或均质化的脱细胞组织、器官或细胞外基质。在一些实施方式中，所述功能性基底膜材料包含胶原、硝化纤维素、明胶、水凝胶或聚乳酸。

在一些实施方式中，步骤(e)的基底膜构建体在每个薄膜层之间包含一个或多个内体积。例如，所述基底膜构建体可包含，例如，三个薄膜层和两个内体积，其中一个薄膜层接触这两个内体积。在一些实施方式中，步骤(e)的基底膜构建体在交替的薄膜层之间包含一个或多个内体积。例如，所述基底膜构建体可包含，例如，四个薄膜层和两个内体积，其中每个薄膜层仅接触一个内体积。在一些实施方式中，所述基底构建体包含在每个薄膜层之间具有一个或多个内体积的部分和在交替的薄膜层之间具有一个或多个内体积的部分。在一些实施方式中，所述基底膜构建体包含一个薄膜式膜和支撑结构，在所述薄膜式膜和支撑结构之间具有一个或多个内体积或腔空间。在一些实施方式中，所述基底膜构建体包含两个薄膜式膜和一个或多个在所述薄膜式膜之间的内体积或腔空间。

在一些实施方式中，步骤(e)还包括在去除所述牺牲材料之前通过施加热量使所述牺牲材料经受相变或脱凝胶化。

在一些实施方式中，所述方法还包括用一种或多种细胞类型定殖所述一个或多个内体积的步骤(f)。在一些实施方式中，所述一种或多种细胞类型包含上皮细胞类型。在一些实施方式中，所述上皮细胞类型选自前列腺细胞、乳腺细胞、肝细胞、胰岛细胞包括β细胞、肺上皮细胞、肾细胞、膀胱细胞、胃上皮细胞、大小肠上皮细胞、尿道上皮细胞、睾丸上皮细胞、卵巢上皮细胞、宫颈上皮细胞、甲状腺细胞、甲状旁腺细胞、肾上腺细胞、胸腺细胞、胆囊细胞和垂体细胞。

在一些实施方式中，所述方法还包括在所述一个或多个内体积外部用细胞定殖所述构建体的步骤(g)。

在一些实施方式中，步骤(e)的基底膜构建体包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是包含人肾上皮细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够进行血液透析。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的肾组织。

在一些实施方式中，步骤(e)的基底膜构建体包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是包含人肺上皮细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够进行气体交换。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的肺组织。

在一些实施方式中，步骤(e)的基底膜构建体包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是一个或多个包含人肠上皮细胞的腔空间，以及在所述内体积之外的间质细胞和肌细胞，其中所述组合物能够蠕动，并且在与患者的血液循环系统连通时，能够将营养物吸收到患者的血液中。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的一部分消化道。

在一些实施方式中，所述步骤(e)的基底膜构建体包含第一内体积，所述第一内体积是包含人血管内皮细胞的第一血管网络，和第二内体积，所述第二内体积是包含人内分泌细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够将激素或其他物质扩散到患者的血液中。例如，所述组合物可用于补充或替代患者的甲状腺、甲状旁腺、肾上腺、胸腺和/或垂体组织。

通过参考以下对本发明的详细描述，将更好地理解本发明的上述讨论以及许多其他特征和伴随的优点。

附图说明

图1A-1C描绘了薄膜式膜支架装配的基于组件的方法，其中所述膜作为独立组件产生，然后将其并入所述支架中：A)产生薄膜式膜，B)在所述膜上沉积牺牲材料以在一侧或多侧形成通道网络，和C)所述膜和通道组件可以包埋于支架材料中以形成所述支架构建体。

图2A-2C描绘了薄膜式膜支架装配的按序方法，其中将所述膜沉积或以其他方式生成在通道网络或其他支架组件上或者与其结合：A)沉积牺牲材料以形成通道网络，B)以与所述通道网络结合的方式沉积或以其他方式生成薄膜式膜，和C)将所述膜和通道组件包埋于支架材料中以形成构建体。

图3A-3D描绘了薄膜式膜支架装配的交替式方法，其中将所述膜沉积或以其他方式生成在通道网络或其他支架组件上或者与其结合，并重复该过程以形成更大和/或更复杂的支架：A)沉积薄膜式膜和牺牲材料以形成初始通道网络，B)沉积第二薄膜式膜层，C)沉积额外的牺牲材料层，和D)重复该过程以形成更大的支架。

图4A-4C描述了用于已完成的支架构建体的细胞接种方法：A)生成无细胞支架，B)除去所述短效材料，形成通道网络的负空间，和C)将多个细胞群接种到支架和通道网络中。

图5A-5C描述了用于支架构建体细胞化的替代方法：A)将细胞包埋、包封或以其他方式包含在用于构建所述支架的材料中，B)随着所述支架交联、培养或以其他方式稳定时，所述细胞附着于所述支架，和C)从通道网络中去除短效材料，留下为负空间衬里的细胞内容物。

图6A-6C描绘了用于构建通道网络或腔空间的替代方法，所述通道网络或腔空间通过冲压、模制或本领域已知的其他技术限定，其将在支架材料或支架材料的一部分内产生负空间：A)模制支架材料以生成通道网络或腔空间的负空间，B)将薄膜式膜交联或以其他方式结合到支架材料上，生成封闭的通道网络，和C)模制第二支架材料组件并添加到所述构建体以生成第二通道网络。该过程可以依次重复。

图7A-7C描绘了构建通道网络或腔空间的替代方法，所述通道网络或腔空间通过薄膜式膜的选择性结合来限定：A)可以重叠两个薄膜式膜片，B)将所述膜以一定图案选择性地熔融、胶合、交联或以其他方式彼此结合，使得在所述两个膜之间形成内空间或通道网络，C)在没有结合膜的区域中形成腔空间。

图8描绘了使用本文描述的这些用于构建薄膜式膜支架的技术生成的薄膜式膜、支架、通道网络和器官特异性结构的例子。

具体实施方式

在一些实施方式中，本文公开的发明通过在器官支架内产生仿生膜来解决工程化功能器官组织构建体所需的关键组件，所述仿生膜可以执行与天然器官组织中的基底膜相同的功能，即过滤、扩散、吸收和分泌。在一些实施方式中，本发明涵盖了构建各种组成和性质的生物薄膜式膜的方法，所述生物薄膜式膜可以结合到用于组织工程的支架中。这些支架可以具有各种材料组成并含有一个或多个各种结构的通道网络，所述通道网络能够容纳或输送流体、气体或其他材料。这些通道与各种组成的薄膜式膜相邻或衬有所述薄膜式膜。图1中描绘了本发明的一些实施方式的一般概念。具体地，在该实施方式中，所述薄膜式膜部分或完全包围隔室、通道或通道网络和另一个相邻的隔室、通道或通道网络，限定这两个隔室、通道或通道网络之间的边界。该膜和通道结构包含所述支架的功能部分，其允许过滤、扩散、吸收、分泌或其他生物功能。

在一些实施方式中，所述薄膜式膜组件可以使用诸如喷涂、静电纺丝、薄膜沉积的技术或本领域已知的其他技术制造，以在衬底或表面上生成生物材料膜。在一些实施方式中，构成支架中的基底膜的薄膜被构建为单独的组分并从衬底上移除，然后可以进一步操作所述膜并随后将其与隔室、通道或通道网络组件一起并入所述支架中。在一些实施方式中，将所述薄膜式膜与通道网络组件一起构建、沉积或以其他方式生成。在一些实施方式中，将所述薄膜式膜沉积在特定结构的短效材料上，所述短效材料可任选进一步包埋于或以其他方式结合到支架中。在一些实施方式中，在构建期间或之后，将所述短效材料从支架中撤出，产生与所述短效材料相关的特定结构的薄膜式膜组件。所述薄膜式膜、通道网络和其他支架组件可以在没有细胞的情况下制造，可以在完整支架的制造期间或之后的任何时点将细胞接种、包封或以其他方式结合到任何或所有这些组件的制造过程中。

在一些实施方式中，所述薄膜式膜可以由适合于薄膜沉积并能够在整个支架内的隔室之间维持机械活力和屏障完整性的任何生物、合成或复合材料来构建。该薄膜式膜可以含有孔隙、狭缝、表面粗糙度或在制造期间使用本领域已知的技术赋予的其他功能特性，所述技术旨在改善膜的功能、生物相容性或其他品质。该膜可以具有0.01μm至100μm或更大的均匀或变化的厚度。

包含在所述支架内并与所述薄膜式膜相邻的通道隔室或网络可以使用模具、细丝、挤出、三维印刷、或使用各种先前描述腔空间所定义的材料包括短效材料的技术来构建，所述材料以给定的图案或结构沉积。这些材料可以按有层次的图案或结构安排，以允许分支流动图案和高表面积。这些通道网络可以按特定方式图案化以产生或促进支架内的功能。这些通道网络可以相互连通或分开。

所述薄膜式膜组件的制造可以分开进行，在存在制造其他支架组件、例如通道网络的情况下进行，或与其一起进行。所述薄膜式膜的制造可以在构建支架期间与其他制造步骤或过程一起以连续的方式进行。所述膜组件和通道网络组件可以顺序组装或以综合方式组装以形成完整的支架，并且可以在该过程期间与类似或其他组成的其他支架材料组合。

所述薄膜式膜组件可以由生物、合成或复合材料例如胶原、明胶、其他水凝胶、纤维素或其他材料制造，所述材料可以沉积在薄膜中并随后交联、干燥、凝胶化、固化或以其它方式稳定化以形成内聚性并且机械稳定的薄膜式膜。该薄膜可以经过进一步处理或操作以提供增强的功能或机械性能。

所述通道网络组件可以由本质上可以是或不是短效的并且可以溶解、液化或以其他方式从支架移除的材料构建，生成包含通道隔室或网络的负腔空间。

所述支架内未被所述薄膜式膜或通道网络组件涵盖的本体材料可以由与所述膜组件的组成相似或不相似的生物、合成或复合材料构建，只要它可以与所述膜交联或以其它方式结合以形成单个内聚性支架即可。

该支架可具有适当的组成，以便在体外和体内条件下是机械、化学和其他方面稳定的。该支架可以交联或以其它方式改变，以在适于体外细胞培养和体内植入的温度下维持稳定性。

该支架可以用细胞构建，或者可以在构建后添加细胞。所述支架可以在支架内的任何位置支持单个或多个细胞类型，其可以或可以不增强、促进、实现或以其他方式提供与细胞或支架位置相关的功能。膜组件、通道网络组件和本体支架组件可以通过包封、植入或本领域已知的其他手段将细胞结合到它们的构造中。所述薄膜式膜和支架可以由下述材料构建，所述材料使得发生所述支架的细胞重塑、重建和维持。细胞和支架相互作用可以改善或促进薄膜式膜特性、质量或功能。

所述支架可以用细胞定殖，所述细胞可以与所述薄膜式膜、通道网络和本体支架结合提供紧密结合的、有组织的功能，例如扩散、过滤、分泌和吸收。在一些实施方式中，该功能可以与所述通道网络的内容物结合或依赖于所述通道网络的内容物来执行，并且可以对所述通道网络的内容物进行材料、化学、生物或其他改变。

在本发明的一些实施方式中，用能够提供血液透析功能的细胞类型定殖所述支架和膜，所述血液透析功能潜在包括但不限于葡萄糖、电解质、毒素和其他分子的过滤、扩散、吸收和分泌。所述支架和薄膜式膜装置可具有由血液灌注的通道网络，以便对该血液执行前述功能。所述支架可以具有或不具有由其他流体、例如透析液灌注的附加通道网络，以便促进或增强该功能。本发明的实施方式可以以体外方式使用，或者可以植入患者体内作为用于治疗应用的体内血液透析移植物。

在本发明的一些实施方式中，用能够提供肺功能的细胞类型定殖所述支架和膜，所述肺功能潜在包括但不限于扩散、气体交换、吸收和分泌。所述支架和薄膜式膜装置可具有由血液灌注的通道网络，以便对该血液执行前述功能。所述支架可以具有或不具有由其他流体或气体灌注的附加通道网络，以便促进或增强该功能。本发明的实施方式可以以体外方式使用，或者可以植入患者体内作为用于治疗应用的体内气体交换装置或肺组织移植物。

在本发明的一些实施方式中，用能够提供肠功能的细胞类型定殖所述支架和膜，所述肠功能潜在包括但不限于扩吸收和分泌。所述支架和薄膜式膜装置可具有由血液灌注的通道网络，以便对该血液执行前述功能。所述支架可以具有或不具有由其他流体或气体灌注的附加通道网络，以便促进或增强该功能。本发明的实施方式可以植入患者体内，以起到用于治疗应用的体内肠组织移植物的功能。

在本文公开的本发明的一些实施方式中，牺牲材料可以成型为复杂性逐渐增加和直径逐渐减小的分支通道网络的形式。在一些实施方式中，通道网络的分支随后合并而形成数量逐渐减小而直径逐渐增加的流出分支。在一些实施方式中，通道网络的分支模拟天然灌注模式(例如，展示具有用于在组织构建体内扩散的高表面积的大量通道，所述通道可以从单个源灌注，允许与薄膜基底膜结合的功能性通道结构)。本文公开的方法使得多个网络、通道、网络的层或其他几何形状和结构能够在尺寸和功能上复合，以形成尺寸和复杂度增加的组织构建体。

在本文公开的本发明的一些实施方式中，通道直径由分配方法、材料性质和/或其他参数决定。通道直径可以是任何合适的直径。在一些实施方式中，通道直径(例如，印刷的组织或支架中的通道直径)可包括但不限于，约10cm、10mm、5mm、1mm、500μm、50μm、10μm、5μm、3μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm、或0.01μm。微米和纳米制造技术中的重大进步，例如双光子聚合印刷机，可以允许设计和构建具有分辨率为0.01-10μm的结构的牺牲材料组件或水凝胶和聚合物支架。

本文公开的本发明的一些实施方式包括由具有热可逆凝胶化的牺牲材料(例如Pluronic F127凝胶(通用名泊洛沙姆407))和薄膜基底膜组成的组织或生物构建体以及由包括但不限于明胶、胶原、壳聚糖、纤维素、PLA的材料或可以如前面例子中所述进行组装和交联的其他聚合物或生物材料或复合材料组成的支架组件。

本文公开的本发明的一些实施方式包括由牺牲材料和基底膜组成的组织或生物构建体的制造以及由水凝胶例如明胶、PLA、壳聚糖、水凝胶或其他水凝胶材料的复合材料以及各种浓度和组成的复合材料组成的支架组件的制造。在一些实施方式中，各种浓度和组成的水凝胶材料和复合材料的变化能够调节机械和生物学性质，这可以增强和进一步专用化组织构建体用于期望的生物学应用。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其含有水凝胶、聚合物和材料化合物，它们已经由诸如二价金属离子去除、配体附着的技术或本领域已知的其他技术进行改性，以产生可调的机械和生物学性质。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其含有水凝胶、聚合物和材料化合物，它们已通过添加增强剂或化合物进行改性，以产生可调的机械和生物学性质。技术的例子包括但不限于将甘油、山梨糖醇、丙二醇或其他增塑剂添加到明胶或明胶复合水凝胶中。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其包含另外的材料例如聚合物或水凝胶材料，所述另外的材料为所述基底膜材料和构建体提供支撑基质。这种另外的材料例如聚合物或水凝胶材料可以由与基底膜类似的材料构建，或者可以由互补的(complimentary)水凝胶或聚合物构建。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其中所述基底膜组件和或支架组件由明胶或其他水凝胶或生物相容性材料构建，所述明胶或其他水凝胶或生物相容性材料已被改变为使用各种波长的紫外光可光固化的，例如甲基丙烯酸明胶。不同浓度的诸如这种的材料可以使用本领域已知的公布方案或技术生成。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其中在多步工艺中应用所述基底膜组件和或支架组件。该工艺可以由在施加固化溶液或化合物之前或之后将水凝胶或聚合物材料层施加到所述牺牲材料上组成，所述固化溶液或化合物起到聚合、胶凝、固化或以其他方式固结所述聚合物或水凝胶材料的作用。在一些实施方式中，明胶的施加和随后交联溶液(例如，包含戊二醛、转谷氨酰胺酶或其他交联酶或分子的溶液)的施加使用，但不限于，约0.01-5g/10g明胶的浓度。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其中用于所述基底膜材料的固化溶液包含在牺牲材料内，并且所述基底膜材料在与所述牺牲材料接触时固化、胶凝、或以其他方式固结。该方法适用于以雾化、喷涂、沉积或以其他方式施加到所述牺牲材料上的基底膜材料，并且适用于通过浸没被印刷、挤出或以其它方式暴露于基底膜材料的牺牲材料。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其中用于构建所述组织或构建体的任何或所有水凝胶或聚合物材料可含有悬浮、粘附或以其他方式包封的细胞，以便为所述组织构建体接种或递送细胞源。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其含有具有包封或添加的生物因子以促进细胞和组织生长的水凝胶和聚合物。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其中所述基底膜与衬底结合制作，所述衬底在所述膜上赋予图案、孔隙或其他物理状态，从而改善功能或生物相容性或其他品质。

本文公开的本发明的一些实施方式包括组织或生物构建体，以及其中的制造方法，其中所述基底膜与衬底或材料结合制作，所述衬底或材料通过生物或化学手段增强所述膜，例如通过添加生长因子、配体、包封的细胞或其他生物学或生物化学相关的组分。

本文公开的本发明的一些实施方式包括支架或薄膜式膜装置，以及其中的制造方法，其具有由血液灌注的通道网络以便执行与该血液相关的功能(例如，过滤；扩散；吸收；分泌葡萄糖、电解质、毒素或其他分子；气体交换；吸收；和分泌)。在一些实施方式中，该支架或薄膜式膜装置具有由其他流体或气体灌注的附加通道网络，以便促进或增强与该血液相关的功能。在一些实施方式中，所述支架或薄膜式膜装置以体外或体内方式为患者提供用于治疗应用的功能。

本文公开的本发明的一些实施方式包括支架和膜，以及其中的制造方法，其用能够提供血液透析功能(例如，过滤、扩散、吸收和/或分泌葡萄糖、电解质、毒素和其他分子)的细胞类型定殖。在一些实施方式中，所述支架或膜以体外方式使用。在一些实施方式中，将所述支架或膜植入患者体内作为用于治疗应用的体内血液透析移植物。

本文公开的本发明的一些实施方式包括支架和膜，以及其中的制造方法，其用能够提供肺功能(例如，扩散、气体交换、吸收和/或分泌)的细胞类型定殖。在一些实施方式中，所述支架或膜以体外方式使用。在一些实施方式中，将所述支架或膜植入患者体内作为用于治疗应用的体内气体交换装置或肺组织移植物。

本文公开的本发明的一些实施方式包括支架和膜，以及其中的制造方法，其用能够提供肠功能(例如，吸收和/或分泌)的细胞类型定殖。在一些实施方式中，所述支架或膜以体外方式使用。在一些实施方式中，所述支架或膜被植入患者体内以起到用于治疗应用的体内肠组织移植物的功能。

本领域技术人员容易理解，本发明非常适合于实现所述目的并获得所提及的结果和优点，以及其中固有的那些。本文的描述和实施例的细节是某些实施方式的代表，是示例性的，并不意图作为对本发明范围的限制。本领域技术人员将想到其中的修改和其他用途。这些修改包涵在本发明的精神内。在不背离本发明的范围和精神下可以对在本文中公开的发明做出各种取代和修改，这对本领域技术人员而言将是显而易见的。

除非另有明确指示，否则本说明书和权利要求书中没有具体数量指示的指称物应理解为包括复数指称物。如果组中成员的一个、多于一个或全部在给定产品或工艺中存在、使用或以其他方式相关，则认为满足在一个或多个组中成员之间包括“或”的权利要求或描述，除非另有指示或从上下文中明显看出不是如此。本发明包括其中恰好一个组成员存在于、用于、或以其他方式相关于给定产品或工艺的实施方式。本发明还包括其中组中成员的多于一个或全部存在于、用于或以其它方式相关于给定产品或工艺的实施方式。此外，应该理解，本发明提供了所有变化、组合和置换，其中来自一个或多个所列权利要求中的一个或多个限制、要素、条款、说明项等被引入另一个从属于同一个基础权利要求(或者，相关的任何其他权利要求)的权利要求，除非另有说明或者除非本领域普通技术人员将明显看出会产生矛盾或不一致。考虑本文描述的所有实施方式在适当的情况下可应用于本发明的所有不同方面。还考虑任一所述实施方式或方面可以在适当时自由地与一个或多个其他这样的实施方式或方面组合。在要素作为清单、例如以马库什组或类似格式呈现的情况下，应当理解，要素的每个子组也被公开，并且可以从组中移除任何元素。应当理解，一般而言，在本发明或本发明的方面被称为包含特定元素、特征等的情况下，本发明或本发明的方面的某些实施方式由这样的元素、特征等组成，或基本由其组成。出于简化的目的，这些实施方式并未在所有情况下都在本文中用诸多词语具体阐述。还应该理解，无论是否在说明书中叙述了特定排除，本发明的任何实施方式或方面都可以明确地从权利要求中排除。例如，可排除任何一种或多种活性剂、添加剂、成分、任选的药剂、生物体类型、病症、对象或其组合。

在权利要求或描述涉及物质组合物的情况下，应理解，根据本文公开的任何方法的物质组合物的制备或使用方法以及将所述物质组合物用于本文公开的任何目的的方法都是本发明的方面，除非另有说明或者除非本领域普通技术人员将明显看出会产生矛盾或不一致。在权利要求或描述涉及例如方法的情况下，应理解，可用于实施所述方法的组合物的制备方法以及根据所述方法制造的产品都是本发明的方面，除非另有说明或者除非本领域普通技术人员将明显看出会产生矛盾或不一致。

在本文给出了范围的情况下，本发明包括包含端点的实施方式、排除两个端点的实施方式、以及包含一个端点而排除另一个端点的实施方式。应该假定两个端点都包括，除非另有说明。此外，应理解，除非另有说明或本领域普通技术人员从上下文明显看出和理解，否则表示为范围的值可以在本发明的不同实施方式中假定为所述范围内的任何具体值或子范围，至所述范围下限单位的十分之一，除非上下文另有明确规定。还应理解，在本文陈述一系列数值的情况下，本发明包括与由系列中的任何两个值限定的任何中间值或范围类似相关的实施方式，并且最低值可以被视为最小值并且最高值可以被视为最大值。如本文所用的数值包括以百分比表示的值。对于其中数值以“约”或“近似”为前缀的任何本发明实施方式，本发明包括其中描述精确值的实施方式。对于其中数值未以“约”或“近似”为前缀的任何本发明实施方式，本发明包括其中数值以“约”或“近似”为前缀的的实施方式。

如本文所用的“A和/或B”，其中A和B是不同的要求保护的项，通常表示A、B、或A和B两者中的至少一种。例如，与另一个序列互补和/或杂交的一个序列包括(i)与另一个序列互补的一个序列，即使所述一个序列可以不必在所有条件下与另一个序列杂交，(ii)与另一个序列杂交的一个序列，即使所述一个序列可以不与另一个序列完全互补，和(iii)与另一个序列既互补又杂交的序列。

“近似”或“约”通常包括在两个方向的任一个上(大于或者小于该数字)落在该数字的1％的范围内或在一些实施方式中在5％的范围内或者在一些实施方式中在数字的10％的范围内的数字，除非另有陈述或从上下文中明显看出不是如此(除了这样的数字将不允许超过可能值的100％的情况)。应当理解，除非明确地另有说明，否则在本文要求保护的包括多于一个动作的任何方法中，所述方法的动作顺序不一定限于所叙述的方法中的动作的顺序，但是本发明包括如此限制顺序的实施方式。还应理解，除非另有说明或从上下文中明显看出，否则本文所述的任何产品或组合物可被认为是“分离的”。

用于本文中时，术语“包含”用于指称对本发明而言必不可少的组成、方法及其相应成分，但对于包含未指明的要素，无论是否必要，仍然是开放的。

用于本文中时，术语“基本上由...组成”是指给定实施方式所需的那些元素。该术语允许存在不会实质上影响本发明实施方式的基本和新颖或功能特征的其他要素。

术语“由...组成”是指如本文所述的组成、方法和其各自的成分，其不包括在该实施方式的描述中未列举的任何要素。

实施例

实施例1

在本发明的一个实施例中，薄膜基底膜支架如下组装：

在步骤1中，使用本领域已知的技术，例如使用物理或化学方法进行薄膜沉积，将生物相容性基底膜材料的薄膜或这样的基底膜材料的组合沉积在衬底上。然后将该膜固化、干燥、部分或完全交联、或以其他方式固结并从衬底上移除，以形成均匀的薄膜式膜组件。

在步骤2中，由一种或多种牺牲材料构建一个或多个通道网络的蓝图并沉积在所述薄膜式膜组件的表面上，形成含有薄膜式膜和通道网络的组件。这可以使用本领域已知的技术完成，所述技术包括但不限于挤出、模塑、铣削或增材印刷。如果需要，可以使用机械支撑材料，其可以是或不是牺牲材料。

在步骤3中，可以将一个或多个薄膜式膜和通道部件包埋于牺牲材料或可以与所述薄膜组件永久性交联的永久基质材料中。所述材料可以含或不含细胞，并且可以用于修饰所述构建体的机械性质，例如弹性、拉伸强度和颜色。所述材料还可以提供额外的机械或生物功能以支持或增强初始构建体的功能。

在步骤4中，去除牺牲性通道材料，留下一个或多个背后有或没有支撑结构的由薄膜式膜衬里的通道网络和/或空间。

在步骤5中，所述通道网络、隔室和/或腔空间可以用一种或多种上皮和/或内皮细胞类型再定殖。

实施例2

在本发明的另一个实施例中，薄膜基底膜支架如下组装：

在步骤1中，从一种或多种牺牲材料生成含有一个或多个通道网络的组件。这可以使用本领域已知的技术完成，所述技术包括但不限于挤出、模塑、铣削或增材印刷。如果需要，可以使用机械支撑材料或支架材料，其可以是或不是牺牲材料。

在步骤2中，然后使用本领域已知的技术，例如使用物理或化学方法进行薄膜沉积，将该组件用生物相容性基底膜材料或这样的基底膜材料的组合的薄膜部分或完全包被。

步骤1和2可以采用层次化技术(牺牲材料继之以薄膜继之以牺牲材料等的交替沉积)或以顺序方式(牺牲材料继之以薄膜沉积)来完成。

在步骤3中，所生成的构建体可以包埋于牺牲材料或可以与所述膜组件永久性交联的永久性基质材料中。所生成的构建体可以结合一个或多个薄膜式膜和通道构建体。所述永久性材料可以含或不含细胞，并且可以用于修饰所述构建体的机械性质，例如弹性、拉伸强度和颜色。所述材料还可以提供额外的机械或生物功能以支持或增强初始构建体的功能。

在步骤4中，去除牺牲性通道材料，留下一个或多个背后有或没有支撑结构的由薄基底膜衬里的通道网络和/或空间。

在步骤5中，所述通道网络和/或腔空间可以用一种或多种上皮和或内皮细胞类型再定殖。

Claims (19)

1.一种组合物，其包含厚度为约10μm或更小的薄膜，其中

所述薄膜包含功能性基底膜材料，其中所述功能性基底膜材料包含已被液化或均质化的脱细胞组织；

所述薄膜限定第一内体积与第二内体积之间的边界，其中所述第一内体积和第二内体积中的至少一者形成体积为约0.01mL至约10L血管通道网络；并且

所述薄膜能够过滤流体、扩散气体、分泌或吸收电解质、扩散激素、或其组合，

其中“约”表示±10％。

2.权利要求1的组合物，其中所述薄膜的厚度为约1μm或更小，其中“约”表示±10％。

3.权利要求1的组合物，其中所述血管通道网络的体积为约1mL至约10L，其中“约”表示±10％。

4.权利要求1的组合物，其中还包含细胞支架。

5.权利要求1的组合物，包含在三维空间中限定多个内体积的具有外表面的多个膜。

6.权利要求1的组合物，其中所述第一内体积和第二内体积各自与外部空间连通。

7.权利要求1的组合物，其中所述第一内体积和第二内体积中的至少一者包含一种或多种细胞类型的细胞。

8.权利要求7的组合物，其中所述细胞包含附着于所述薄膜的表面的细胞。

9.权利要求7的组合物，其中所述细胞包含上皮细胞。

10.权利要求1的组合物，其中所述第一内体积包括包含人血管内皮细胞的第一血管网络，并且所述第二内体积包括包含人肾上皮细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够进行血液透析。

11.权利要求1的组合物，其中所述第一内体积包括包含人血管内皮细胞的第一血管网络，并且所述第二内体积包括包含人肺上皮细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够进行气体交换。

12.权利要求1的组合物，其中所述第一内体积包括包含人血管内皮细胞的第一血管网络，并且所述第二内体积包括一个或多个包含人肠上皮细胞的腔空间，其中所述组合物还包含在所述第一内体积和第二内体积之外的间质细胞和肌细胞，其中所述组合物能够蠕动，并且在与患者的血液循环系统连通时，能够将营养物吸收到所述患者的血液中。

13.权利要求1的组合物，其中所述第一内体积包括包含人血管内皮细胞的第一血管网络，并且所述第二内体积包括包含人内分泌细胞的第二血管网络，其中所述组合物在与患者的血液循环系统连通时，能够将激素或其他物质扩散到所述患者的血液中。

14.权利要求1的组合物，其中所述组合物是组织或器官构建体。

15.一种制造组合物的方法，所述方法包括：

a.在支撑结构上产生包含一种或多种牺牲材料的第一牺牲结构；

b.将包含功能性基底膜材料的薄膜层施加到所述第一牺牲结构，其中所述薄膜层的厚度为约10μm或更小，并且其中所述第一牺牲结构接触所述薄膜层的第一侧，其中所述功能性基底膜材料包含已被液化或均质化的脱细胞组织；

c.将牺牲材料施加到所述薄膜层的第二侧以形成第二牺牲结构，并将所述第二牺牲结构包埋于材料中；

d.去除所述牺牲材料以提供具有由所述薄膜层限定的边界的第一内体积和第二内体积，从而制造所述组合物，

其中所述第一内体积和第二内体积中的至少一者形成体积为约0.01mL至约10L血管通道网络，

其中“约”表示±10％。

16.权利要求15的方法，其中所述支撑结构包含细胞支架。

17.权利要求15的方法，其中所述第一内体积和第二内体积各自与外部空间连通。

18.权利要求15的方法，其还包括用一种或多种细胞类型的细胞定殖所述第一内体积和第二内体积中的至少一者的步骤(e)。

19.权利要求18的方法，其中所述细胞包含上皮细胞。