编程释放的用于刺激组织再生用细胞植入的纳米结构生物构建体的制作方法

专利名称：编程释放的用于刺激组织再生用细胞植入的纳米结构生物构建体的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物工程化构建体的应用，所述生物工程化构建体将在其被植入体内 的组织、血管或腔结构之后用于组织再生和受控的药物递送。
背景技术：
每年有上百万的患者经受医学装置或医药递送体系在体内的眼、血管、器官、骨、 软骨、肌肉、导管和/或腔结构内的植入，以用于治疗各种疾病和与这些疾病相关的并发 症。然而，这些植入物的细胞相容性仍然有瑕疵。植入往往伴有生物排斥、细胞迁移、受损、 不必要和过度的组织愈合、装置表面的血块发展或者感染的风险。这一问题限制了目前可 利用的可植入生物材料、药物递送技术和细胞治疗策略的应用。植入扰乱了宿主组织的有机系统生理学。在置入装置后，组织变成对于细胞功能 和后续组织再生的不友好环境。无论器官或组织的类型如何，这些损伤不可避免地破坏了 细胞信号传导、分化、增殖和死亡的微妙平衡。大多数组织是异源性的，即其由数种不同的 基于细胞间通讯而兴盛的细胞类型组成。这些化学信号对于细胞存活至关重要，且极大地 被治疗装置的引入所干扰。年龄和疾病状态使天然愈合过程受阻且往往能进一步使其复杂 化。本发明提供了在置入装置后的受控物质递送方法，其模拟生理学愈合过程从而使得植 入物的生物相容性更高并改善整体愈合。在组织工程学领域中，医师和科学家已经遭遇到许多在骨植入手术后的不良成 骨细胞粘连和骨整合的问题。类似地，膀胱和组织植入物也有问题，因为用来使“新”组 织再生的未接种的聚合支架或裸聚合支架虽然具有前景，但其显示出在置入后具有细 胞相容性、毒性和感染的问题。对于皮肤和伤口愈合器具而言也是如此。在血管应用 中，新内膜增殖是装置植入后的通常响应。其由平滑肌细胞增殖和植入物的再内皮化 (re-endothelialization)组成。该响应基本使装置“本地化”，但在25% 30%的情形中， 平滑肌细胞过度增殖，并导致血管装置的再狭窄。这些并发症在装置植入后总是扩展至任 何器官系统，因为它们被人类免疫系统识别为外来物体。许多可植入装置试图通过利用聚合物作为药物载剂或生物膜(例如，聚(L-乳酸) ("PLA")、聚(乙醇酸)(〃 PGA")、聚乳酸-乙醇酸共聚物(〃 PLGA“)、聚已内酯、聚 (醚氨酯)、涤纶、聚四氟氨酯和聚氨酯(“PU"))来减轻生物排斥。这些聚合物在大动 脉、骨和牙科应用中已显示出一定的成功，但其表面特征并非最佳，且已知随着它们的降解 它们会在如小直径血管移植物等应用中形成血栓。有鉴于此，现有的被设计用于改善生物相容性和愈合的植入物表现出了前景，但 它们未能解决至关重要的装置设计问题1)对于模拟组织的天然生物环境的表面形态学 的需要和2)能够从空间和时间角度重建特定组织的生理学愈合过程的植入物。任何治疗性医学装置的植入将特定组织表面形态学立即从纳米级变为微米级。现 有的具有微米级分辨率而非纳米级分辨率的可植入医学装置的表面特征已被证明并不足够，且那些尝试过纳米形态学的应用通常针对对构建体的非聚合部分进行构造，而这些非 聚合部分在许多情况下并未暴露在外。结果，目前可利用的可植入医学装置和/或聚合物 的表面形态学无法模拟天然环境、限制有机生物相互作用并且无法创建对组织再生合适的 细胞环境。由于大多数组织(眼、骨、神经、膀胱、器官和内膜血管组织)的天然表面构造在 尺寸上是纳米级(至多lOOnm)，近来的努力致力于通过设计具有纳米级表面特征的生物相 容性装置来改善组织再生。成功的植入依赖于对细胞天然生理环境和形态环境的仔细复制。这包括对构建体 的组成、结构和表面构造的模拟。表面化学(例如，电荷、亲水性、疏水性、蛋白吸附)和形态 学(例如，表面积和纳米相表面)极大地影响着细胞如何和在何处与生物材料相附着。许多 研究已证明，生物材料的纳米形态学信号能极大地直接和间接地改善细胞响应和愈合。据 信这部分是由于事实上纳米表面在Z平面具有多出约40%的表面积并且具有更高的亲水 性。第三维度上表面积的增加会增加装置-组织粘附。纳米相表面性质有利于蛋白吸附和 相互作用。细胞外基质中所含的蛋白(纤连蛋白、层粘连蛋白、玻璃粘连蛋白)具有纳米结 构Qnm 70nm)，且惯于与纳米相表面相互作用，因此这些蛋白的吸附会随后吸引内皮祖 细胞和其它重建因子、刺激愈合并且能更好地重塑损伤组织。生物材料和新颖类别的生物可降解和生物不可降解聚合物的构建的最新进展表 明，具有纳米级表面特征的材料能更好地支持血管、骨、神经和膀胱组织应用中的细胞响 应。新颖的纳米相聚合物既具有顺应性又具有细胞相容性，因为它们拥有生物相容性的关 键设计参数；具体而言为最佳的形态学。更具体而言，来自这些研究的结果提供了以下第一 证据与常规材料相比时，纳米构造的材料和聚合物的表面性质优先提高内皮细胞相对于 血管平滑肌细胞的竞争性粘附。此外，干细胞在与置于大鼠脑内的纳米纤维组合时显示出 可逆转脑卒中诱导的神经组织损伤。此外似乎还使纳米表面上的巨噬细胞、成纤维细胞、B 细胞和T细胞生长减少，使其天生具有抗炎性。虽然该信息的大部分基于来自体外实验和 动物研究的结果，但存在着极大潜力将现有技术扩展至永久性或半永久性地应用于在人类 生理学体系内的可植入医学装置。除了由纳米构造材料所提供的有利表面性质以外，通过添加生物工程化的“细胞 层(cell sheet)”也能增强植入装置的生物相容性。工程化细胞层的目的在于创建功能化 的分化离体组织，该组织之后能被移植至体内的组织和结构中。通过将细胞接种于生物可 降解支架中，可将无损细胞层以及其沉积的细胞外基质收获并移植至宿主组织内以促进再 生(也可通过铺设细胞层、创建三维的纳米构造组织构建体以省去支架)。本发明的另一显著优点在于可将其编程以模拟生理学愈合过程中发生的细胞事 件。可以谨慎地控制纳米构造的聚合材料的厚度、组成(物质密度)和降解以暴露聚合物 的功能部分(和接种于其内的治疗剂)，从而允许进行受控物质递送。因此，可以利用所述 装置的“可编程”性质以概括特定组织的愈合过程的有机阶段的方式来定时、定性和定量地 释放治疗剂。之前的发明人提出了以治疗性物质填充的生物相容性聚合物，以及直接将纳米结 构添加至外科手术工具和可植入医学装置。然而，据信没有任何现有技术形式致力于将这 两个想法与采用受控物质释放体系来改善愈合过程的目的相结合，所述受控物质释放体系 不仅被组织良好地耐受和整合并且可以被设计成精细地重建在天然组织再生过程中发生的生理学过程。纳米构造装置和接种的治疗性聚合物均不能单独完成这一点，因此仍然需 要设计为具有最佳(纳米相)表面特征的可植入医学装置，该可植入医学装置受到身体 的 良好耐受、对于组织有益且能够重建在体内观察到的生理学过程和细胞信号。

发明内容
新颖的“可编程”的本发明的目的在于，提供一种通过以模拟特定组织的天然愈 合过程的方式向能够定时、定性和定量地溶出(elute)治疗剂的可植入装置添加纳米相表 面构造，从而解决医学装置置入后的不良生物学和生理学耐受性的问题的方法和生物构建 体。用于植入后改善的定时释放的药物递送和组织重塑的独特生物构建体包含带有 或不带有聚合生物支架的分层的聚合生物基质，所述聚合生物基质具有纳米相表面构造， 所述纳米相表面构造设计成模拟其内植入所述聚合物的组织的特定细胞外基质，从而改善 所述生物构建体的生物相容性；和接种于所述聚合生物基质内的各种治疗剂，以便通过受 控药物递送、优化的细胞相容性表面特性、有利的蛋白吸附和改善的细胞相互作用来促进 积极的组织重塑和器官功能。所述治疗剂可以是如药物、化学化合物、生物学化合物或活细 胞等治疗性物质。


图1说明了本发明的生物构建体的形成；图2显示了本发明的生物构建体的一个实施方式的横截面；图3说明了本发明的生物构建体的形成的另一个实施方式；图4显示了本发明的生物构建体的另一个实施方式的横截面；图5显示了应用于医学装置时的生物构建体的实施方式；和图6显示了应用于水凝胶时的生物构建体的实施方式；图7显示了模拟或响应于生理学愈合过程的三个阶段的分层聚合生物基质的实 施方式的横截面。
具体实施例方式下文结合附图所述的具体描述旨在描述本发明的目前优选的实施方式，而并非旨 在代表其中可以构建和/或利用本发明的唯一形式。这些描述结合所说明的实施方式描述 了构建和执行本发明的步骤的功能和顺序。然而应该理解，可以通过不同实施方式来实现 相同或等价的功能和顺序，所述不同实施方式也应被涵盖于本发明的主旨和范围之内。本发明通过利用具有细胞相容性的分层生物相容性聚合生物基质来提供用于在 植入医学装置后进行组织重塑和/或药物递送的生物构建体和方法，所述聚合生物基质最 优地构建有粒度为最大IOOnm的专门化表面构造并接种有各种治疗剂。所述生物构建体可以用作用于控释药物递送和/或组织再生体系的可植入装置。 所述生物构建体可以非共价或共价地铺设有有机或半合成的纳米构造聚合物的涂层。所述 纳米构造聚合物可以包含药学物质，例如生长因子、配体、抗体和/或其它有益的生物活性 齐U，以旨在向组织的腔表面和近腔室表面递送受控的区别性物质/药物以及吸引可使功能性组织再生和恢复器官的解剖学和生理学完整性的靶标分子/细胞。将所述聚合物的组成 和构造设计成以模拟天然器官形成和组织再生期间发生的生理学过程的顺序的时间顺序 促进治疗剂的释放。可以对这一设计(组成、厚度、溶出动力学等)进行修改以影响植入的 或受损的组织的特定再生性质。愈合过程也可以通过添加组织特异性的生物工程化细胞层 而得到增进，所述细胞层可以与其细胞外基质一起涂覆于装置之上。这可包括内皮祖细胞、 成体干细胞、胚胎干细胞、内源性心脏定向干细胞和其它能够分化和恢复器官的解剖学和 生理学完整性的多能原始细胞。所述生物构建体包含设计为具有纳米相表面构造的聚合复合物(polymeric compound)和各种治疗剂，其目的在于当其被植入体内的组织、血管或腔结构内之后进行组 织再生和/或生长因子和药物的受控递送。本发明可以被应用于但不限于用于血管、心脏、 目艮、膀胱、软骨、中枢神经系统和周围神经系统、肺、肝、胰腺、胃、平滑肌和骨骼肌、内脏、肾、 生殖系统、上皮和/或结缔组织应用的任何医学植入物。本文所用的以下术语应具有以下意义术语“递送载具”是指临时或永久性引入哺乳动物中以用于治疗疾病、疾病并发 症或医学病况的平台，例如医学装置或医学物质。该递送载具可以通过外科手术、经皮肤 或于皮下引入体内的脉管、器官、软骨、神经组织、肌肉、导管和/或腔结构内。医学装置包 括但不限于支架、血管移植物、合成移植物、瓣膜、导管、过滤器、夹、端口、起搏器、起搏器导 线、封堵器、除颤器、分流器、引流管、夹具、探针、螺杆、钉、加压钉(staple)、层状板、网、缝 合线、胸管、插入物或任何用于治疗目的的装置。这些装置可以包含钛、氧化钛、钛合金、不 锈钢、镍钛合金(镍钛诺)、钴铬合金、镁合金、碳、碳纤维和/或任何其它生物相容性金属、 合金或材料。医学物质包括凝胶，例如水凝胶。术语“纳米相”或“纳米构造”被定义为具有粒度为最大约100纳米(nm)的表面 构造。这包括但不限于无规或非无规模式，其可包括纳米球、纳米纤维或纳米管。术语“聚合物”是指分子由多个(两个以上)单体的联合形成的情况。聚合物可以 优选为双亲性的，且可为有机的、半合成或合成的。与本发明相关的聚合物的实例包括但不 限于具有生物耐受性和药学上可接受的聚(L-乳酸)("PLA")、聚(乙醇酸)(〃 PGA")、 聚乳酸-乙醇酸共聚物(〃 PLGA“)、聚已内酯(〃 PCL")、聚(醚氨酯)、涤纶、聚四氟氨 酯、聚氨酯(“PU")和/或硅。聚合物还可以包括天然存在的材料，如胶原蛋白I、胶原蛋 白III、纤连蛋白、纤维蛋白、层粘连蛋白、纤维素酯或弹性蛋白。术语“纳米聚合物”或“纳米构造的聚合物”是指具有纳米相表面粗糙度(粒度最 大约IOOnm)的聚合物(如上所述)。术语“治疗剂”是指施用 于哺乳动物的组织或器官以产生有益效果的任何治疗性 物质或生物剂或者“有益生物活性剂”。就本发明而言，治疗性物质包括抗增殖剂、生长因 子、抗生素、凝血酶抑制剂、免疫抑制剂、抗氧化剂、肽、蛋白、脂质、酶、血管扩张剂、抗癌剂、 抗炎剂、配体(与靶标细胞上的表面分子结合的肽或小分子)、连接分子、抗体，而尤其相关 的是任何两面神激酶(janus kinase)和信号转导和转录激活因子("JAK/STAT")或AKT 途径激活因子。生物试剂包括成体干细胞和/或胚胎干细胞、内源性干细胞(例如，内源性 心脏定向干细胞)和祖细胞。意图将这些治疗剂接种于上文所列的聚合材料中。术语“生物支架”是指其中可以接种治疗剂的聚合主链或网格。生物支架可以具有生物可降解性(可腐蚀性)或非生物可降解性(取决于应用)并且能从上述聚合介质制 备，从而确保在植入体内时所述聚合物不会产生副作用或对材料的排斥。生物支架的结构 将试图模拟想要再生的组织的天然生物学细胞外基质。例如，生物支架表面可以含有织纹、 支柱和卷曲。术语“生物基质”是指带有或不带生物支架并且其内接种有治疗剂(药物、活细胞 等)的纳米构造生物构建体。

术语“生物可降解”是指一旦植入体内并暴露于体内生理环境后能被化学(pH、水 解、酶促作用)和/或物理过程所分解或腐蚀的材料。该过程的动力学可能需要数分钟至 数年。后续成分无毒性且可被排泄出。术语“细胞层”是指生长于支架上的专门化的组织特异性细胞群。细胞层被离体 培养并随后与其细胞外基质一起收获，涂覆于纳米构造的构建体上并移植至宿主组织内以 促进再生。如图1和2所示，纳米构造聚合生物基质100包含两亲性有机、合成或半合成聚合 材料或生物支架102和接种于其内的治疗剂104和/或300。治疗剂104和/或300可以 以随机或非随机方式直接引入聚合溶液中。治疗剂104和/或300可以直接添加，或治疗 剂104和/或300可以被封装(例如，包封在微泡、微球或某些同类物内)然后添加至聚合 溶液。治疗剂104和/或300可以共价或非共价地与聚合物偶联。根据治疗剂104和/或 300的化学性质和分子量，可将其置于聚合物102的层间。针对靶标组织对接种于聚合生物 基质100内的治疗剂104和/或300的量、浓度或剂量进行优化，并定义为产生治疗效果的 必需量。纳米构造聚合生物基质100充当定时释放的药物递送体系。在植入后，构建体被 暴露于生理环境中，并随后开始腐蚀并释放至少一种治疗性物质104。聚合生物基质100 的腐蚀动力学取决于聚合物密度、脂质膜的选择、玻璃化转化温度以及所接种的物质和生 物试剂的分子量。在某些实施方式中，生物基质100可以由具有不同的聚合物层、类型和密 度的聚合物组成，从而整个构建体中的腐蚀动力学将会有差异。这可确保健康的组织再生 (通过治疗性物质的释放)以及定时物质递送(由于聚合物的降解)以使可植入构建体的 生物相容性最大化。可以将生物构建体构建成使得可以利用装置的可编程性质来定时、定 性和定量地释放组织特异性治疗性物质。对溶出的物质的顺序、类型和剂量进行编程以模 拟在器官生成过程中以及/或者愈合期间的组织和/或器官再生过程中的天然存在的细胞 环境中观察到的生理学。因此，可以将纳米构造的聚合生物基质100设计成促进受控的三维药物递送并将 其优化以改善组织再生。例如，聚合物102可以起到保护或保存生物试剂300的作用，因为 其不会暴露于生理环境中直到生物基质的聚合部分有效腐蚀时。在某些实施方式中，所述 聚合部分可以在室温(约25V )为液相或冻干相并随后在植入或直接注射后在核心体温 (约37°C )下发生相变或构象变化。纳米构造的聚合物102还可以通过释放缓冲剂、抑制剂或生长因子来制备细胞环 境，所述缓冲剂、抑制剂或生长因子在所接种的治疗生物试剂300或治疗性物质104释放前 会提高其效力。这还可以起到保护组织不受聚合物降解所产生的酸性的影响的作用。在某些实施方式中，在构建体的不同方面上聚合物的组成可能不同。聚合生物支架102的表面将为纳米构造，以便通过优化表面化学、亲水性、电荷、形态、粗糙度和能量来 增加有利的细胞响应。聚合生物支架102的表面可以通过此前由Webster等所描述的方法 (5，6，14-18，25，26，美国专利申请号10/793, 721)进行纳米构造106。简言之，可以用粒度 最大约IOOnm的纳米颗粒(碳纳米管、螺旋花环纳米管、纳米 球、纳米纤维等)来生成纳米 构造。可以使用特种模具、水凝胶支架、NaOH处理和超声动力将纳米颗粒转移至包含例如 PLGA、PU或类似物的聚合生物支架102的表面。必要时可以在植入前使用扫描电子显微镜 来评估表面粗糙度。每个聚合层的纳米构造不仅会改善生物相容性和对表面的细胞响应， 还会增进层间的结合。如图1和2所示，在某些实施方式中，可以将专门化的组织特异性细胞群300(包 括但不限于干细胞和祖细胞)接种于聚合生物支架内。通过浸渍、超声喷涂、涂抹或注射器涂布可以将纳米构造的聚合生物基质100牢 固地固定于递送载具或医学平台400。浸渍是常用方法，且涉及将平台浸没在生物基质的 液体溶液(被溶解的聚合物)中。这可通过用所述液体溶液喷涂平台400来实现。可将平 台400干燥并用不同的溶液重新浸渍或重新喷涂，以创建具有独立功能的特异性连续生物 基质层。所述多层还能对构建体提供结构支持，且可以将聚合密度仔细地控制和改变以控 制溶出动力学。另外，物质的浓度和组合可以根据聚合物中的聚合厚度和/或层数而变化， 以控制溶出动力学。选出的生物试剂(抗体、细胞等)可以在其被浸渍或喷涂后共价或非共价地附着 于构建体层。在某些实施方式中，聚合生物基质100可能不需要医学平台400。作为替代， 其可由多层生物试剂和物质306组成，且其铺设提供了结构完整性。在某些实施方式中，本发明中的组织再生用生物构建体充分利用其与天然结构、 纳米相表面形态学的相似性和独特的物质递送体系，以便通过吸引内皮祖细胞和其它重建 因子、刺激愈合和更好地重建受损组织来改善可植入构建体402的生物相容性。受损组织 包括任何因疾病状况、病症和异常引起的对组织的损害，以及任何物理持续性损伤，包括外 科手术期间发生的那些损伤。参与生理学愈合的细胞事件的重建顺序和协同作用在不同的组织类型中是保守 的。本发明充分利用这一事实，并且还为创建组织特异性可植入装置提供了机会，所述组织 特异性可植入装置具有生物相容性并且能够递送离散的用于增强特定组织或器官类型的 重建的再生因子和药学物质(以生理学方式)。在某些实施方式中，不同的组织再生时期(炎性期、增殖期和重塑期)可以以构建 体的三个分离的聚合层来代表，每层接种有适当的治疗剂或再生因子以协助特定的重塑期 中的愈合过程，如图7所示。最外层含有响应于炎性期的因子，将中间层设计成增强增殖期 中的细胞迁移和分化，而最内层起着提供营养因子以支持重塑期内的细胞功能、信号传导 和存活的作用。还可以将这些层分为亚层或分为子层以进一步指导环境内的细胞信号传导 并控制物质的释放。可以改变聚合种类、组成和厚度来控制构建体的降解速率，从而使物质 释放的速率与生理学愈合过程的时间尺度相匹配(如下所述)。聚合材料的具体类型和密度将根据想要重建的组织类型而变化。如胶原蛋白、透 明质酸、纤维蛋白、壳聚糖和明胶等天然来源材料不仅可用于软组织、真皮、血管、皮肤、软 骨和骨修复和工程化，而且还具有促进细胞通讯、分化、生长模式化和控制血管芽生性新生的固有能力，从而使其成为用于构建体的“炎性”和“增殖”层的优异候选物。如PGA、PLA、 PLGA、PCL、PU和PEG等合成聚合物具有高度弹性，展示出较大范围的生物降解 速率，并已 显示可增进肌肉骨骼、纤维血管、皮肤、骨和软骨重塑。这些材料具有足够的耐久性以支持 植入物的“重塑”层。另外，由于有机和合成聚合物在组织愈合应用中展示出截然不同的强 度，因而聚合共混物开始作为有前景的受控药物递送载具出现。共混物在组织重建中提供 的主要优点在于，通过操控相对分子量和比例，其在改善植入物的生物相容性的同时允许 更精细的降解速率。对聚合物聚合物共混比的调节对物质从装置进行递送提供了另一层 面的控制，这是因为可以将所述材料设计为对诸如PH、温度、酶促活性和水等环境因素具有 或多或少的敏感性。另外，现存在预测聚合混合物的降解和药物从聚合混合物溶出的速率 的数学模型，这被证实对于在不同组织类型中的应用是有用的。例如，乳酸与乙醇酸之比为 50 50的PLGA/聚L-丙交酯("PLLA“)共聚物(分子量范围为4，400 ;11，000 ;28，000 ； 和64，000道尔顿)产生降解速率为数周至数月的聚合物。这些聚合物可以商业制造，可购 买获得(Alkermes)，甚至可以作为单独的由PLGA封装物质组成的治疗颗粒出售(Pfizer、 Novartis, Johnson & Johnson等)。考虑到这些聚合混合物的广泛应用，根据所需的层功 能(炎性、增殖或重塑)，本发明的每一层都可由不同比例的有机聚合物合成聚合物组成。在所有身体组织中，愈合过程由重塑受损组织所必需的生化和代谢事件的仔细协 调的时期构成。虽然这些时期内的细胞相互作用可能常常重叠甚至重合，在开发本发明时 已经谨慎地考虑到事件的顺序。该顺序包括三个时期炎性期、增殖期和重塑期。炎性期的特征在于从损伤位点除去(吞噬细胞作用)细菌和细胞碎片，并初步沉 积对植入/损伤位点提供临时结构支持的蛋白。在损伤后，立刻分泌炎性因子(细胞因子、 组胺、白细胞诱素、坏死因子、缓激肽、前列腺素、前列环素、血栓素)和糖蛋白。这些因子共 同引起短暂的血管收缩期(血栓素和前列腺素)以防止进一步出血，其后是促进白细胞(T 细胞)和单核细胞进入创伤位点的长期的血管扩张(组胺)。在此期间，纤维蛋白、纤连蛋 白、透明质酸、糖胺聚糖和蛋白聚糖结合并交联以创建初步的细胞外基质或痂，其不仅起着 在胶原蛋白沉积前支持组织的作用，还充当促进其它重建细胞的流动和迁移的网状物。基 质形成在时间和空间上受指示着细胞相互作用的基质细胞蛋白(matricellular protein) (半乳糖凝集素、骨桥蛋白、SPARC、血小板反应蛋白、腱生蛋白、玻连蛋白和CCN蛋白)的上 调所协调。纤连蛋白、神经肽和生长因子(TGF-β、如BMP-4等骨成形蛋白(“BMP")、胰 岛素样生长因子(〃 IGF" )、VEGF、FGF、血小板源生长因子(〃 PDGF“))吸引支配着该区 域的多形核嗜中性粒细胞并清除创伤的碎片和细菌(通过吞噬作用和蛋白酶活性)大约3 日。在这一时期后(第3和第4日)，单核细胞成熟为巨噬细胞(替代嗜中性粒细胞)，并 继续清除受损区域的碎片和将其准备好进行下一愈合时期的工作。响应于低氧环境，巨噬 细胞也释放出组织特异性因子，其刺激血管生成、诱导永久性细胞外基质的创建并动员可 在增殖期期间刺激细胞再生的祖细胞(progenitor)和/或细胞周期激活因子。随着巨噬细胞和炎性因子的数目的减少和成纤维细胞数目的增加，愈合过程从炎 性期过渡到增殖期。在这一时期，数种细胞事件重叠以刺激新组织的生长血管生成、肉芽 状组织的形成、纤维组织形成、上皮形成和收缩。血管生成受成纤维细胞和内皮细胞向损伤处的迁移所刺激。这些细胞推动穿过健 康组织的细胞外基质并迁移至损伤处以提供氧气和养分；随后，新的血管形成。虽然内皮细胞被(通过由纤维蛋白和纤连蛋白所创建的初期网状物)趋化性地吸引至创伤位点，这些 细胞的生长和增殖受到氧气缺乏和环境的酸性所刺激。随着它们的增殖，疤开始重新被灌 注和重新氧化，而内皮细胞的数目减少。损伤一周后，成纤维细胞变成创伤区域中存在的主要细胞类型。这些细胞的目标 是通过铺设肉芽组织(新血管、成纤维细胞、炎性因子、内皮细胞和临时的细胞外基质)和 胶原蛋白来重建创伤处的结构完整性。成纤维细胞受生长因子和基质细胞蛋白的刺激而沉 积纤连蛋白、糖蛋白、糖胺聚糖、蛋白聚糖、弹性蛋白和胶原蛋白。这些物质共同作用来创建 新的细胞外基质。胶原蛋白沉积持续长达4周并最终负责闭合创口和提供新基质的稳定 性。随着成纤维细胞的成熟，其进行凋亡，将痂从富含细胞的初级结构进化为强化的胶原蛋 白支架。上皮细胞开始增殖并从创伤边缘迁移穿过该基质(疤下方)以重新盖住损伤。一 旦覆盖后，天然组织细胞进行复制而创建健康的组织。在结构和营养支持物返回损伤位点后，其开始收缩。该过程可能持续数周，并是由 新分化的类似于平滑肌细胞的成肌纤维细胞造成的。成肌纤维细胞中的肌动蛋白组分积极 将细胞外基质的边缘牵拉到一起以闭合创口并分解初期基质。这标示着成纤维细胞增殖和迁移的结束，以及重塑期的开始。当胶原蛋白合成的 速率与胶原蛋白降解的速率相匹配时，新创建的组织开始成熟。胶原蛋白纤维重新排列并 对齐以重建细胞组成并恢复组织的强度。这一过程可能持续数月至一年，直到创伤正确愈 合为止。为改善药物递送、创伤愈合和组织重塑，本发明的生物构建体包含生物相容性聚 合层，其中每层包含改善所述生物构建体的生物相容性的纳米相表面构造以及接种于所述 生物相容性聚合物内的治疗剂。每个生物相容性聚合层的治疗剂对应于创伤愈合和组织重 塑的不同时期。例如，第一层700可以包含至少一种对应于创伤愈合和组织重塑的炎性期的炎性 响应剂。因此，炎性响应剂可以为如下的治疗剂，所述治疗剂参与细菌和细胞碎片的去除以 及蛋白沉积从而提供初期或临时性结构支持物或细胞外基质以进一步促进吞噬细胞作用、 创建愈合和组织重塑用结构框架并过渡至愈合和组织重塑的下一时期。炎性响应剂的实例 包括神经丝裂原、细胞迁移激活因子、凝血酶激活因子、分化剂、生长因子和营养因子。第二层702可以包含至少一种对应于增殖期的增殖剂。增殖剂包括可以诱导复制 并促进血管生成、肉芽状组织形成、纤维组织形成、上皮化和收缩的治疗剂。增殖剂的实例 包括复制诱导剂、干细胞动员因子、内皮细胞引诱剂、神经丝裂原、细胞迁移激活因子、分化 齐U、血管生成剂、生长因子、营养因子、神经保护剂、细胞周期激活因子、细胞外基质形成剂 和神经突过度生长剂。第三层704可以包含至少一种对应于重塑期的重塑剂。重塑剂包括可能参与细胞 和组织的分化、成熟、重排和强化的治疗剂。重塑剂的实例包括干细胞动员因子、内皮细胞 引诱剂、细胞周期激活因子、神经保护剂和抗疤痕形成剂。 由于创伤愈合从炎性期到增殖期再到重塑期进展，在优选实施方式中，含有炎性 响应剂的第一层700是分层生物构建体的最外层，含有增殖剂的第二层702是分层生物构 建体的次内层，而含有重塑剂的第三层704构成该生物构建体的最内层。这控制着适当的 治疗剂在适当的时间进行递送，具体而言，在炎性期期间释放炎性响应剂，在增殖期期间释放增殖剂，并在重塑期期间释放重塑剂。由于炎性期、增殖期 和重塑期有重叠，因而炎性响应剂、增殖剂和重塑剂也可能重 叠。换言之，用于任何一层中的治疗剂也可能适于并存在于另一层中。此外，第一层700和第二层702的生物相容性聚合物可以包含如胶原蛋白、透明质 酸、纤维蛋白、壳聚糖和凝胶等天然来源聚合物，因为它们具有促进细胞通讯、分化、生长模 式化和控制血管芽生性新生的固有能力。第三层704的生物相容性聚合物可以包含如PGA、 PLA、PLGA、PCL、PU和PEG等合成聚合物。在某些实施方式中，第一层700、第二层702和/ 或第三层704的生物相容性聚合物可以包含天然来源聚合物和合成聚合物的共混物。本实施方式的具体实施方式
(iteration)列举如下1.胰腺糖尿病是影响着全世界上百万人的流行病。糖尿病的发病机制是由胰腺B细胞的 破坏和/或有缺陷的胰岛素作用而引起的。对外分泌和内分泌胰腺组织的再生的更好的理 解将为这些患者提供急需的和改善的治疗。成熟胰腺中的细胞周转由Notch途径中间体内的局部信号传导机制所引导，也称 为“二元命运选择”。该途径是胰腺祖细胞是否增殖(保留在细胞周期内)或分化(离开细 胞周期以获得其细胞身份)的关键决定因素。胰腺内分泌和外分泌细胞从位于胰管内的称 为胰腺祖细胞(Pdxl+)的干细胞群再生。接收Notch信号的Pdxl+细胞会抑制对分化具有 特异性的基因。这促使祖细胞更新(有丝分裂发生)并阻碍细胞分化。不接收Notch信号 的Pdxl+细胞经历转录因子Neurogenin 3 (Ngn3)的上调并分化为成熟内分泌(β)细胞。 胰高血糖素样肽1 (GLP-I)也显示可诱导成体组织中的β细胞复制。有鉴于此，本发明的一个实施方式可以用已知可诱导复制的接种至所述装置的 “增殖”层的物质(即Ngn3和GLP-1)以及生长因子和治疗剂以及细胞基质信号传导蛋白的 精细组合来构建，其目的不仅在于使组织愈合，还在于刺激胰腺祖细胞分化(即抑制Notch 信号)而不干扰干细胞群的增殖。2.心脏冠心病、心肌病、心血管病和缺血性心脏病共同组成了美国中死亡主要诱因。除了 先天性心脏病以外，心肌组织及其相关脉管系统的获得性损伤对青少年和成年患者造成严 重且往往是致命的并发症。心肌组织或心脏组织的细胞是能改善或限制心脏病的单元要 素。因此，改善这些细胞和整个组织的恢复潜力至关重要。成熟的心脏由几种不同细胞类型(心肌、平滑肌、传导系统、内皮细胞、瓣膜细胞 和间质间充质成纤维细胞)组成，所有这些细胞对于有效的结构和功能形成都很重要。出 生前心脏是脊椎动物中形成的第一个器官，但一旦成熟，出生后心脏是典型的非再生器官， 即心肌细胞不具有再生能力。考虑到这点以及心脏病的情况，越来越多的研究开始涉足细 胞周期激活和细胞移植以恢复患病心脏。针对心脏重建的最有前景的工作集中于用于移植的成体心脏前体细胞和祖细胞 的潜在来源。存在几个候选物，即造血干细胞、间充质干细胞和内皮祖细胞。为了成功进 行心脏恢复，这些细胞必须展示出分化、自我更新、整合和与驻留细胞(resident cell) 的通讯的能力，并且展示出适当的电偶联。虽然支配这些祖细胞的分化的确切机制仍然 在某种程度上并不清楚，但存在一些展示出可发育为成熟心肌细胞、平滑肌细胞和/或内皮细胞的能力的候选物ckitl+细胞、Seal+细胞、Scal+(ABCG2)细胞、心脏球细胞(cardiosphere)和Isll+细胞。这些研究的结果喜忧参半，但鼓舞人心。一些已表明，干细 胞治疗仍不能完全胜任对心肌的再生，其具有次级效应，从而可通过经心脏保护机制促进 血管生成和细胞存活来改善心脏功能。考虑到所有这些，本发明的另一个实施方式可以将以下物质接种至“增殖”聚合层 和“重塑”聚合层以便动员细胞、吸引修复性细胞和促进干细胞递送后的分化干细胞动员 因子[G-CSF]、内皮细胞引诱剂[GM-CSF、CSF-1、G-CSF、M-CSF、c-mpl 配体(MGDF 或 ΤΡ0)、促 红细胞生成素(EPO)、干细胞因子(SCF)、flt3配体、血管内皮生长因子(VEGF)、成纤维细胞 生长因子(FGF) -3、FGF-4、FGF-5、FGF-6、FGF-7、FGF-8、FGF-9、碱性成纤维细胞生长因子、 血小板诱导生长因子、转化生长因子β 1、酸性成纤维细胞生长因子、骨连接蛋白、血管生成 素1、血管生成素2、胰岛素样生长因子，与以下的一种或多种受体具有结合亲和力的抗体 或抗体片段:CD34 受体、CD133 受体、CDw90 受体、CDl 17 受体、HLA-DR、VEGFR-I、VEGFR-2、 Muc-18 (CD 146)、CD 130、干细胞抗原(Sca-I)、干细胞因子 1 (SCF/c-kit 配体)、Tie_2 和 HAD-DR]和细胞周期激活因子[胸腺素β _4、同源异形盒蛋白Nkx-2. 5(" Nkx2. 5" )、SV40 大T抗原、D型细胞周期蛋白、细胞周期蛋白依赖性激酶2("⑶K2")、显性对接(dominant interfacing) TSC2、pl93、p53和p38、丝裂原激活蛋白激酶(“MAPK“)、细胞周期蛋白A2、 BCK2基因(也称激酶C旁路蛋白(“Bck-2" ))、GLP-I和胰岛素样生长因子I(IGF-I)]。 提供物质和生长因子的平衡无疑会改善成功的心脏功能和恢复的机会，所述物质和生长因 子会增进干细胞治疗的益处、上调细胞周期、促进血管生成和/或促进驻留细胞和生物相 容性聚合物内的干细胞之间的细胞间信号传导(以生理学方式进行)。3.中枢神经系统神经细胞存活与再生是与脑和脊髓损伤、老化以及中枢神经系统疾病有关的极为 重要的问题。亨廷顿病、帕金森病和阿尔茨海默病均由神经细胞退化或死亡所引起并且影 响着上百万人。此外，如脑卒中等急性损伤可能对运动和认知功能造成破坏性后果。神经 元干细胞(NSC)已展示出在发育中和成熟的脑组织中分裂和分化的能力，然而已证实在成 人脑中的再生是远更复杂的问题。神经组织对损伤具有独特的响应，且NSC(移植的或内源 性的)需要选择性神经营养因子以进行成功的细胞信号传导和存活。生物剂和神经营养因 子的递送可能被血脑屏障复杂化，并进一步受到不足和不适合的递送技术的限制。生物相 容性聚合物和水凝胶(PEG和PLGA)已在有效的物质递送方面展示出前景，因为它们保持了 神经营养因子和生物活性物质的生物活性并且具有易于控制的降解速率。有鉴于此，本发明的另一个实施方式提出了创建一种分层聚合结构，其具有下述 能力在避免神经胶质结痂(这可能抑制轴突生长)的同时小心地执行受控的外在信号， 所述信号指导再生神经组织中的细胞分化、防止细胞凋亡、促进髓鞘形成和支持长期细胞 存活。使“炎性”层和“增殖”层接种有神经丝裂原(表皮生长因子(“EGF")、碱性成纤 维细胞生长因子(“bFGF")、大T抗原、GM-CSF)以刺激分化、有丝分裂和细胞迁移。“增 殖”层的较下层填充有营养因子，例如促进细胞存活、星形胶质细胞和少突胶质细胞生长的 物质以及促进长期神经保护的神经保护剂PDGF、FGF-2、骨源神经营养因子("BDNF“)、 神经营养因子3(〃 NT3")、神经营养因子4/5(" NT4/5")、神经生长因子(“NGF")和 bFGF、神经胶质源神经营养因子(“⑶NF")、结缔组织营养配方(“CTNF“)、甲状腺激素T3和半乳凝集素。最后，构建体的“重塑”层含有已知可提高长期神经细胞存活的物质(嗜 铬细胞)。4.皮肤皮肤是极为复杂和多用途的器官。包含了身体质量的十分之一，该器官的细胞构 成多样化，因此改善皮肤再生和愈合的尝试必须考虑能促进多种功能和细胞过程的构建 体。皮肤作为器官是分层的，因此愈合装置必须被设计成处理不同厚度的创伤、促进血管生 成、提供强健的屏障、无毒、抗坏死，并同时使疼痛、炎症和结痂最小化。本发明具有完成这些的能力，因为所述装置的构建基础是聚合分层，从而每层能 支持不同的功能。在皮肤的实施方式中，聚合层将由如胶原蛋白、纤连蛋白、多肽、羟基磷灰 石、透明质酸、糖胺聚糖、壳聚糖或藻酸盐等天然存在的物质构成。这些有机聚合物可以与 其它生物相容性合成聚合物共混以便更好地控制溶出以及降解动力学。在该实施方式中，表面层或“炎性”层会接种有PDGF、细胞因子和补体途径激活因 子以改善嗜中性粒细胞迁移、针对感染的宿主防御和凝血酶激活。第二层或“增殖”层将用 整联蛋白、TGF-α和TGF-β (具体因子将根据患者的年龄而有所不同)、IGF-1、BMP、EGF、 bFGF、VEGF、Ang-l和肝生长因子/扩散因子("HGF/SF")进行增强，以便诱导分化、细胞 迁移、血管生成和促进细胞存活。最终层即“重塑”层将被构造成使结痂过程最小化。其会 缺乏TGF-β和PDGF，因为这些因子促进成熟组织中的结痂。相反，该层会含有胶原蛋白生 物支架和基质细胞蛋白来促进健康的细胞间信号传导和对新重塑的组织的物理支持。这些 聚合层的厚度将最终取决于创伤的相对深度。5.视网膜由于事实上眼部组织不仅在功能上截然不同而且来自不同的胚胎组织群，因而眼 重塑在再生医学领域提出了重大挑战。虽然这一问题离解决尚远，但已有与视网膜再生有 关的进展。近期研究已发现，使用特定的抑制剂和生长因子可以将人胚胎干细胞(ESC)引 导至视网膜细胞命运。考虑及此，本发明可以与干细胞治疗结合以提供微环境信号和改善干细胞植入后 当前策略的成功。聚合物的外层“炎性”层将含有BMP和Wnt抑制剂以及IGF-I来协调适当 的分化。第二层“增殖”层将包含呢 、附3、附4/546 -2、^顺以激活细胞周期、促进细胞 迁移和调节细胞外基质的形成。将添加神经营养因子4((" NT4" )、BDNF和结缔组织营养 配方(”CTNF“)以促进神经突过度生长。最终层将包含肿瘤坏死因子α (“ TNF-α “) 以提供神经保护，从而支持新分化的神经元和神经胶质的完整性和功能。如图4 5所示，在某些实施方式中，本发明还提供了通过植入生物构建体(聚合 物或聚合物+平台)来解决血管内或腔内装置置入后的再狭窄和后期血栓形成的问题的方 法，所述生物构建体的纳米表面特征和聚合物组成可以增强内皮愈合、减轻平滑肌血管细 胞粘附和最终促进患有心血管病的患者中的血管重建。可配制纳米构造的聚合生物基质 100并将其涂布(喷涂、浸渍、涂抹)于装置500上，例如支架、血管移植物、瓣膜、导管、过滤 器、夹、端口、起搏器、起搏器导线、除颤器、分流器或者任何设计成治疗与血管疾病相关的 并发症的血管内或腔内装置。在该情形中，所述构建体将试图突出由聚合物的纳米相构造 和装置500的平台所促进的内皮愈合方法。该纳米构造的模式可以为无规和/或非无规的； 其被设计成引起血液流动，例如促进内皮祖细胞的捕获；使腔尺寸最大化；和使平滑肌细胞粘附最小化。聚合物102促进药物化合物104向构建体的近腔室表面和腔表面的受控释 放。为促进受控释放，生物基质100可以含有多层设计成结合和/或吸引靶标细胞(内皮祖 细胞)上的特定膜分子的配体、抗体和生长因子，其目的在于增进内皮愈合。在该实施方式 中，这可以包括以下物质中的一种或多种抗增殖剂(紫杉醇、西罗莫司等)、内皮祖细胞、 内源性心脏定向干细胞、Flkl+祖细胞、心脏球子细胞、内皮细胞生长因子、粒细胞巨噬细胞 集落刺激因子(“GM-CSF“)、粒细胞集落刺激因子(“G-CSF“)、巨噬细胞集落刺激因子 (“M-CSF“)、促红细胞生成素、干细胞因子、血管内皮生长因子(“VEGF“)、如FGF-3、 FGF-4、FGF-5、FGF-6、FGF-7、FGF-8和FGF-9等成纤维细胞生长因子(“FGF")、碱性成纤 维细胞生长因子、血小板诱导生长因子、转化生长因子β 1、酸性成纤维细胞生长因子、骨连 接蛋白、血管生成素1、血管生成素2、胰岛素样生长因子、平滑肌细胞生长抑制剂、抗生素、 凝血酶抑制剂、免疫抑制剂、抗氧化剂、肽、蛋白、生长因子激动剂、血管扩张剂、抗血小板凝 集剂、胶原蛋白合成抑制剂、细胞外基质组分、fms样酪氨酸激酶受体3(" flt3")配体、 c-mpl配体、巨核细胞生长和分化因子(“MGDF“)或促血小板生成素(“ΤΡ0")、蓖麻毒 素配体或者任何与以下受体之一具有结合亲和力的抗体或抗体片段CD34受体、CD133受 体、CDw90 受体、CDl 17 受体、HLA-DR、Flkl、VEGFR-I、VEGFR-2、Muc_18 (CD 146)、CD 130、干 细胞抗原(Sca-I)、干细胞因子(SCF/c-kit配体)、Tie-2和/或HAD-DR。该纳米构造装置 将共同促进内皮愈合和血管重建。在另一个实施方式中，本发明提供了解决各种形式的细胞治疗之后的细胞迁移和 存活问题的方法。通过使用接种有治疗剂104和/或300的纳米构造水溶胶600将治疗性 物质104和有益生物试剂300分别直接应用于组织中的特定的损伤或创伤，如图6所示。 使用微创手术技术来应用凝胶600或“生物点(bio-dot) ”，该聚合介质的使用能确保正确 的植入和细胞的安全、阻碍细胞迁移、改善细胞响应、存活和整合，并保护接种于其内的蛋 白类物质。另外，通过聚合降解速率可以控制所述构建体的溶出动力学，从而使得“生物点” 天生可被编程。在另一个实施方式中，本发明提供了解决在胰岛素依赖性糖尿病患者中的胰岛移 植过程后的细胞排斥、迁移和肝血管部分血栓形成问题的方法。I型和晚期II型糖尿病具 有受损的胰岛素和胰高血糖素功能，这损害了其维持血糖正常的内在能力。在试图管理血 糖水平时，大多数患者经历了形式为皮下胰岛素施用的苛刻的胰岛素替代治疗。虽然在血 糖监测装置和胰岛素递送系统上已有进展，但胰岛素治疗仍然有缺陷；其无法模拟生理学 胰岛素分泌，从而使得患者极为易受并发症(主要是低血糖症)影响。为了试图减轻这些 并发症和使患者摆脱对胰岛素的依赖，实验性胰岛移植成为一种选择。与许多移植一样，该 过程伴随着门静脉(和其它小的肝内血管)的部分血栓形成的风险、胰岛细胞排斥、不良细 胞存活和功能以及细胞迁移。另外，在移植后给予的抗排斥药(免疫抑制剂)使得患者易 受机会性感染的影响并已显示会损害正常胰岛功能。通过将胰岛300接种于纳米构造的聚 合生物支架102、106中，可将胰岛小心地与其细胞外基质和生长因子一起经由门静脉沉积 至肝宿主组织中。聚合物102将为胰岛提供稳定的治疗性环境，这将对生理学条件进行生 物模拟并促进正常功能。该应用的最终目标是刺激整合，并最终改善整体胰岛素和胰高血 糖素分泌。功能性胰岛能解放糖尿病患者对胰岛素的依赖或减少其胰岛素依赖，并使他们 认识到真正的血糖控制的益处。
通过受控药物递送、优化的细胞相容性表面特性以及有利的蛋白吸附和细胞相互 作用，所述构建体的纳米相表面性质将有利于植入后积极的组织重塑。本发明的应用可以 扩展至但不限于血管、心脏、上皮、眼、膀胱、软骨、中枢神经系统和周围神经系统、肺、肝、胰 腺、胃、平滑肌和骨骼肌、内脏、肾、生殖系统和结缔组织中的生物构建体。与本领域中的现有发展相比本发明是独特的，其试图强调所述装置的改善的生物 相容性、受控的生理学物质溶出体系以及所述聚合物的纳米相表面特点。上文对本发明的优选实施方式的描述是出于说明性和描述性的目的而呈现的。其 并非意在进行穷尽的列举或将本发明限制于所公开的确切形式。根据上述教导可以产生许 多改进和变体。本发明的范围不应受这些具体描述的限制，而是受权利要求和所附权利要 求的等同物的限制。工业实用性本发明可以在工业上应用于生物工程化构建体的开发、制造和使用，所述构建体 用于在其被植入体内的组织、血管或腔结构后的组织再生和受控药物递送。所述生物工程 化构建体包含设计为具有纳米相构造的聚合生物基质和治疗剂。所述生物构建体的形态学 和生物相容性特点为组织再生提供了最佳环境，并提供编程释放的药物递送体系，从而改 善植入物的生理耐受性并且使植入组织内的细胞存活、迁移和整合最大化。所述治疗剂可 以是治疗性物质或生物试剂，例如抗体、配体或活细胞。
权利要求
1.一种用于改善的药物递送和组织重塑的生物构建体，所述生物构建体包含а.聚合生物基质，所述聚合生物基质包含1.具有纳米相表面构造的生物相容性聚合物，所述纳米相表面构造设计成模拟其内植 入所述聚合生物基质的组织的特定细胞外基质，从而改善所述生物构建体的生物相容性； 和 .接种于所述生物相容性聚合物内的治疗剂。
2.如权利要求1所述的生物构建体，其中所述生物相容性聚合物选自由有机材料、合 成材料和半合成材料组成的组。
3.如权利要求2所述的生物构建体，其中所述生物相容性聚合物选自由聚(L-乳酸) (“PLA")、聚(乙醇酸)(〃 PGA")、聚乳酸-乙醇酸共聚物(〃 PLGA “)、聚乙二醇 (“PEG")、聚己内酯(“PCL")、聚(N-异丙基丙烯酰胺)("PIPAAm")、聚(醚氨酯)、 涤纶、聚四氟氨酯、聚氨酯(“PU")、纤维素酯、胶原蛋白I、胶原蛋白III、弹性蛋白、纤连 蛋白、纤维蛋白、纤维蛋白原、层粘连蛋白和硅组成的组。
4.如权利要求1所述的生物构建体，其中所述纳米相表面构造包含选自由纳米管、纳 米纤维和纳米球组成的组的纳米颗粒。
5.如权利要求4所述的生物构建体，其中所述纳米相表面构造的粒度为至多约100纳米。
6.如权利要求4所述的生物构建体，其中所述纳米颗粒以预定模式排列。
7.如权利要求4所述的生物构建体，所述生物构建体还包含多个纳米相表面构造区 域，其中每个纳米相表面构造区域具有独立于另一个纳米相表面构造区域的模式。
8.如权利要求1所述的生物构建体，其中所述治疗剂选自由以下物质组成的组配体、 抗体、生长因子、抗增殖剂、成体干细胞、胚胎干细胞、内源性心脏定向干细胞、内皮祖细胞、 内皮细胞生长因子、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(“GM-CSF“)、粒细胞集落刺激因子 (〃 G-CSF“)、巨噬细胞集落刺激因子(〃 M-CSF“)、促红细胞生成素、干细胞因子、血管内 皮生长因子(“VEGF“)、两面神激酶和信号转导和转录激活因子抗炎性剂途径激活因子 (“JAK/STAT" )、AKT/Pim-1途径激活因子、AKT/Pim-3途径激活因子、胸腺素i3-4、FGF-3、 FGF-4、FGF-5、FGF-6、FGF-7、FGF-8、FGF-9、碱性成纤维细胞生长因子、血小板诱导生长因 子、转化生长因子β 1、酸性成纤维细胞生长因子、骨连接蛋白、血管生成素1、血管生成素 2、胰岛素样生长因子、平滑肌细胞生长抑制剂、抗生素、凝血酶抑制剂、免疫抑制剂、抗氧化 剂、肽、蛋白、生长因子激动剂、连接子分子、血管扩张剂、抗血小板凝集剂、胶原蛋白合成抑 制剂、细胞外基质组分、flt3配体、c-mpl配体、蓖麻毒素配体、缓冲剂和酶。
9.如权利要求8所述的生物构建体，其中所述试剂是对受体具有亲和力的抗体，所 述受体选自由 CD;34 受体、CD133 受体、CDw90 受体、CDl 17 受体、HLA-DR、Flkl、VEGFR-I、 VEGFR-2、Muc-18 (CD 146)、CD 130、干细胞抗原(Sca-I)、干细胞因子(SCF/c-kit 配体)、 Tie-2和HAD-DR组成的组。
10.如权利要求1所述的生物构建体，所述生物构建体包含多个分层排列的聚合生物 基质，以用于精细地协调执行药物从聚合物的释放。
11.如权利要求10所述的生物构建体，其中每层包含独立的治疗剂。
12.如权利要求1所述的生物构建体，所述生物构建体还包含选自由装置和凝胶组成的组的递送载具。
13.如权利要求12所述的生物构建体，其中所述递送载具是选自由支架、血管移植物、 合成移植物、瓣膜、导管、过滤器、夹、端口、起搏器、起搏器导线、封堵器、除颤器、分流器、引 流管、夹具、探针、螺杆、钉、加压钉、层状板、网、缝合线、胸管和插入物组成的组的装置。
14.如权利要求13所述的生物构建体，其中所述装置由至少一种金属制成，所述金属 来自由钛、氧化钛、钛合金、不锈钢、镍钛合金、钴铬合金、镁合金、碳和碳纤维组成的组。
15.如权利要求12所述的生物构建体，其中所述递送载具是水凝胶。
16.如权利要求1所述的生物构建体，所述生物构建体还包含其中接种有治疗剂的聚 合生物支架。
17.如权利要求1所述的生物构建体，其中所述治疗剂是组织特异性的治疗性物质， 且对所述生物构建体进行编程以用于定时、定性和定量地释放所述组织特异性的治疗性物 质。
18.如权利要求17所述的生物构建体，其中所述组织特异性的治疗性物质的定时、定 性和定量的释放模拟了在子宫内组织发生、器官发生以及/或者愈合期间的器官和/或组 织再生的过程中在天然存在的生理环境中观察到的释放。
19.一种创建用于改善药物递送和增强组织再生的第一生物构建体的方法，所述方法 包括a.提供具有纳米相表面构造的第一生物相容性聚合物，所述纳米相表面构造被设计成 模拟其内植入所述第一生物相容性聚合物的组织的特定细胞外基质，从而改善所述生物构 建体的生物相容性；和b.在所述生物相容性聚合物内接种治疗剂以形成第一聚合生物基质。
20.如权利要求19所述的方法，所述方法还包括将所述第一聚合生物基质涂布于递送 载具。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述递送载具选自由装置或凝胶组成的组。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述递送载具是选自由支架、血管移植物、合成移 植物、瓣膜、导管、过滤器、夹、端口、起搏器、起搏器导线、封堵器、除颤器、分流器、引流管、 夹具、探针、螺杆、钉、加压钉、层状板、网、缝合线、胸管和插入物组成的组的装置。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述涂布步骤选自由喷涂、浸渍、超声喷雾涂布、 涂抹和用注射器涂布的组。
24.如权利要求20所述的方法，所述方法还包括以下步骤a.干燥所述聚合生物基质；b.涂布第二聚合生物基质以创建一层聚合生物基质，其中每种聚合生物基质包含独立 的治疗剂。
25.如权利要求19所述的方法，其中所述第一生物相容性聚合物由选自由有机化合 物、合成化合物和半合成化合物组成的组的聚合材料创建。
26.如权利要求19所述的方法，其中所述第一生物相容性聚合物通过选自由特种模 具、水凝胶和氢氧化钠超声组成的组的技术创建。
27.如权利要求19所述的方法，所述方法还包括在所述第一生物相容性聚合物上方铺 设第二生物相容性聚合物，其中将治疗剂包含在所述第一生物相容性聚合物和第二生物相容性聚合物之间。
28.如权利要求19所述的方法，所述方法还包括提供聚合生物支架，在所述生物支架 中接种有治疗剂。
29.如权利要求19所述的方法，其中所述治疗剂是组织特异性的治疗性物质，且对所 述生物构建体进行编程以用于定时、定性和定量地释放所述组织特异性的治疗性物质。
30.如权利要求四所述的方法，其中所述组织特异性的治疗性物质的定时、定性和定 量的释放模拟了在子宫内组织发生、器官发生以及/或者愈合期间的器官和/或组织再生 的过程中在天然存在的生理环境中观察到的释放。
31.一种用于改善的药物递送和组织重塑的生物构建体，所述生物构建体包含聚合生 物基质，所述聚合生物基质包含a.多个生物相容性聚合层，每个生物相容性聚合层包含i.改善所述生物构建体的生物相容性的纳米相表面构造；和 .接种于所述生物相容性聚合层内的治疗剂，其中所述生物相容性聚合层中的所述 治疗剂与伤口愈合和组织重塑的时期相一致，其中b.所述聚合生物基质包含i.包含炎性响应剂的第一层，其中所述第一层中的所述炎性响应剂选自由神经丝裂 原、细胞迁移激活因子、凝血酶激活因子、分化剂、生长因子和营养因子组成的组； .包含增殖剂的第二层，其中所述第二层中的所述增殖剂选自由复制诱导剂、干细胞 动员因子、内皮细胞引诱剂和第二神经丝裂原、第二细胞迁移激活因子、第二分化剂、血管 生成剂、第二生长因子、第二营养因子、神经保护剂、细胞周期激活因子、细胞外基质形成剂 和神经突过度生长剂组成的组；和iii.包含重塑剂的第三层，其中所述第三层中的所述重塑剂选自由第二干细胞动员因 子、第二内皮细胞引诱剂、第二细胞周期激活因子、第二神经保护剂和抗疤痕形成剂组成的 组，其中iv.每个生物相容性聚合层包含含有第二治疗剂的子层；且其中c.所述生物相容性聚合物选自由聚(L-乳酸)("PLA")、聚(乙醇酸)(〃PGA")、 聚乳酸-乙醇酸共聚物(〃 PLGA“)、聚乙二醇(〃 PEG")、聚己内酯(“PCL")、聚(N-异 丙基丙烯酰胺)("PIPAAm")、聚(醚氨酯)、涤纶、聚四氟氨酯、聚氨酯(“PU")、硅、纤 维素酯、胶原蛋白I、胶原蛋白III、弹性蛋白、纤连蛋白、纤维蛋白、纤维蛋白原、层粘连蛋 白、羟基磷灰石、透明质酸、糖胺聚糖、壳聚糖或藻酸盐。
32.—种生物构建体，所述生物构建体用于改善的药物递送和模拟损伤组织的天然愈 合的组织重塑，所述生物构建体包含含有多个生物相容性聚合层的聚合生物基质，每个生 物相容性聚合层包含a.改善所述生物构建体的生物相容性的纳米相表面构造；和b.接种于所述生物相容性聚合层内的治疗剂，其中所述生物相容性聚合层中的所述治 疗剂与伤口愈合和组织重塑的时期相一致。
33.如权利要求32所述的生物构建体，其中a.第一层包含炎性响应剂；b.第二层包含增殖剂；和c.第三层包含重塑剂。
34.如权利要求33所述的生物构建体，其中第一层中的所述炎性响应剂选自由神经丝 裂原、细胞迁移激活因子、凝血酶激活因子、分化剂、生长因子和营养因子组成的组。
35.如权利要求33所述的生物构建体，其中所述炎性响应剂选自由表皮生长因子 (“EGF")、碱性成纤维细胞生长因子(“bFGF")、大T抗原、粒细胞巨噬细胞集落刺激因 子(〃 GM-CSF“)、血小板源生长因子(“PDGF“)、细胞因子、骨成形蛋白(“BMP")抑 制剂、Wnt抑制剂和胰岛素样生长因子1(" IGF-I “)组成的组。
36.如权利要求33所述的生物构建体，其中所述第二层中的所述增殖剂选自由复制诱 导剂、干细胞动员因子、内皮细胞引诱剂、神经丝裂原、细胞迁移激活因子、分化剂、血管生 成剂、生长因子、营养因子、神经保护剂、细胞周期激活因子、细胞外基质形成剂和神经突过 度生长剂组成的组。
37.如权利要求33所述的生物构建体，其中所述增殖剂选自由神经元素(“Ngn3")、 胰高血糖素样肽(〃 GLP-I “)、粒细胞集落刺激因子(〃 G-CSF “)、集落刺激因子 (“CSF" )、CSF-1、巨噬细胞集落刺激因子(“M-CSF“ )、c-mpl配体、巨核细胞生长和 分化因子(“MGDF“)、促红细胞生成素(“ΕΡ0")、干细胞因子(“SCF" )、fms样酪 氨酸激酶受体3(" flt3")配体、血管内皮生长因子(“VEGF“)、成纤维细胞生长因 子(“FGF" )-3、FGF-4、FGF-5、FGF-6、FGF-7、FGF-8、FGF-9、碱性成纤维细胞生长因子 (〃 bFGF")、血小板诱导生长因子、转化生长因子(〃 TGF〃)β 1、酸性成纤维细胞生长 因子、骨连接蛋白、血管生成素1、血管生成素2、胰岛素样生长因子、抗体或抗体片段、胸腺 素3-4、同源异形盒蛋白他1-2.5(〃 Nkx2. 5〃)、SV40大T抗原、D型细胞周期蛋白、细 胞周期蛋白依赖性激酶2(〃 CDK2")、显性对接TSC2、pl93、p53和p38、丝裂原激活蛋白 激酶(〃 MAPK“)、细胞周期蛋白A2、激酶C旁路蛋白(“bck-2" )、IGF-1、EGF、大T抗 原、GM-CSF、PDGF、FGF-2、骨源神经营养因子(〃 BDNF “)、神经营养因子3(" NT 3 “)、 神经营养因子4/5(" NT4/5")、神经生长因子(“NGF")、神经胶质源神经营养因子 (“GDNF“)、甲状腺激素T3、半乳凝集素、整联蛋白、TGF-a、TGF-i3、BMP、Ang-l、肝生长因 子/扩散因子(“HGF/SF")、神经营养因子4(" NT4")和结缔组织营养配方(“CTNF“) 组成的组。
38.如权利要求37所述的生物构建体，其中所述抗体或抗体片段与一种或多种抗原具 有结合亲和力，所述抗原选自由⑶；34受体、⑶133受体、CDw90受体、⑶117受体、HLA-DR、 VEGFR-I、VEGFR-2、Muc-18 (CD 146)、CD130、干细胞抗原、干细胞因子 1 (SCF/c-Kit 配体)、Tie-2和HAD-DR组成的组。
39.如权利要求33所述的生物构建体，其中所述第三层中的所述重塑剂选自由干细胞 动员因子、内皮细胞引诱剂、细胞周期激活因子、神经保护剂和抗疤痕形成剂组成的组。
40.如权利要求33所述的生物构建体，其中所述重塑剂选自由集落刺激因子 (〃 CSF" )、CSF-I、G-CSF、M-CSF、c-mpl配体、巨核细胞生长和分化因子(〃 MGDF“)、血 小板生成素(“ΤΡ0")、促红细胞生成素(“ΕΡ0")、干细胞因子(“SCF" )、flt3配体、 血管内皮生长因子(“VEGF“)、成纤维细胞生长因子(“FGF" )-3、FGF-4、reF-5、FGF-6、 FGF-7、FGF-8、FGF-9、碱性成纤维细胞生长因子、血小板诱导生长因子、转化生长因子β 1、 酸性成纤维细胞生长因子、骨连接蛋白、血管生成素1、血管生成素2、胰岛素样生长因子、抗体或抗体片段、胸腺素β _4、Nkx2. 5、SV40大T抗原、D型细胞周期蛋白、⑶K2、显性对接 TSC2、pl93、p53、p38、丝裂原激活蛋白激酶(“MAPK“)、细胞周期蛋白A2、bck_2、GLP-1、 IGF-1、嗜铬细胞、胶原蛋白生物支架、基质细胞蛋白和肿瘤坏死因子α (“ TNF-α “)组成 的组。
41.如权利要求40所述的生物构建体，其中所述抗体或抗体片段与一种或多种抗原具 有结合亲和力，所述抗原选自由⑶；34受体、⑶133受体、CDw90受体、⑶117受体、HLA-DR、 VEGFR-l、VEGFR-2、Muc-18 (CD 146)、CD130、干细胞抗原(Mca-I ”)、干细胞因子 1 ( "SCF/ c-Kit配体” )、Tie-2和HAD-DR组成的组。
42.如权利要求33所述的生物构建体，其中每个生物相容性聚合层都包含含有第二治 疗剂的子层。
43.如权利要求33所述的生物构建体，其中a.所述第一层的生物相容性聚合层包含第一天然来源聚合物，所述天然来源聚合物选 自由胶原蛋白、透明质酸、纤维蛋白、壳聚糖和明胶组成的组；b.所述第二层的生物相容性聚合层包含第二天然来源聚合物，所述天然来源聚合物选 自由胶原蛋白、透明质酸、纤维蛋白、壳聚糖和明胶组成的组；且c.所述第三层的生物相容性聚合层包含合成聚合物，所述合成聚合物选自由聚(L-乳 酸)(〃 PLLA“)、聚(乙醇酸)(〃 PGA")、聚乳酸-乙醇酸共聚物(〃 PLGA“)、聚乙二醇 (“PEG")、聚己内酯(“PCL")和聚氨酯(“PU")组成的组。
44.如权利要求43所述的生物构建体，其中每层包含天然来源聚合物和合成聚合物的 共混物。
45.如权利要求32所述的生物构建体，其中每个生物相容性聚合层包含选自由以下物 质组成的组的聚合物聚(L-乳酸)(〃 PLLA“)、聚(乙醇酸)(〃 PGA")、聚乳酸-乙醇 酸共聚物(“PLGA“)、聚乙二醇(〃 PEG")、聚己内酯(“PCL")、聚(N-异丙基丙烯酰 胺)("PIPAAm")、聚(醚氨酯)、涤纶、聚四氟氨酯、聚氨酯(“PU")、硅、纤维素酯、胶原 蛋白I、胶原蛋白III、弹性蛋白、纤连蛋白、纤维蛋白、纤维蛋白原、层粘连蛋白、羟基磷灰 石、透明质酸、糖胺聚糖、壳聚糖或藻酸盐。
46.如权利要求45所述的生物构建体，其中至少一个生物相容性聚合层包含等比例的 PLGA和PLLA的共混物。
47.一种使损伤组织愈合和重塑的方法，所述方法包括a.提供具有聚合生物基质的生物构建体，所述聚合生物基质包含多个生物相容性聚合 层，每个生物相容性聚合层包含i.改善所述生物构建体的生物相容性的纳米相表面构造；和 .接种于所述生物相容性聚合层内的治疗剂，其中所述生物相容性聚合层中的所述 治疗剂与伤口愈合和组织重塑的时期相一致；和b.将所述生物构建体插入损伤位点，由此使损伤组织愈合和重塑。
48.如权利要求47所述的方法，其中所述生物构建体包含a.包含炎性响应剂的第一层；b.包含增殖剂的第二层；和c.包含重塑剂的第三层。
49.如权利要求48所述的方法，其中a.所述第一层中的所述炎性响应剂选自由神经丝裂原、细胞迁移激活因子、凝血酶激 活因子、分化剂、生长因子和营养因子组成的组；b.所述第二层中的所述增殖剂选自由复制诱导剂、干细胞动员因子、内皮细胞引诱剂、 第二神经丝裂原、第二细胞迁移激活因子、第二分化剂、血管生成剂、第二生长因子、第二营 养因子、神经保护剂、细胞周期激活因子、细胞外基质形成剂和神经突过度生长剂组成的 组；和c.所述第三层中的所述重塑剂选自由第二干细胞动员因子、第二内皮细胞引诱剂、第 二细胞周期激活因子、第二神经保护剂和抗疤痕形成剂组成的组。
50.如权利要求48所述的方法，其中a.所述炎性响应剂选自由表皮生长因子(“EGF")、碱性成纤维细胞生长因子 (“bFGF")、大T抗原、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(“GM-CSF“)、血小板源生长因子 (“PDGF“)、细胞因子、骨成形蛋白(“BMP")抑制剂、Wnt抑制剂和胰岛素样生长因子 1(" IGF-I “)组成的组；b.所述增殖剂选自由神经元素(〃Ngn3")、胰高血糖素样肽(〃 GLP-I “)、粒细 胞集落刺激因子(“G-CSF“)、集落刺激因子(“CSF" )、CSF-1、巨噬细胞集落刺激因 子(“M-CSF“ )、c-mpl配体、巨核细胞生长和分化因子(“MGDF“)、促红细胞生成素 (“ΕΡ0")、干细胞因子(“SCF" )、fms样酪氨酸激酶受体3(" flt3")配体、血管内皮 生长因子(〃 VEGF“)、成纤维细胞生长因子(〃 FGF〃)-3、FGF-4、FGF-5、FGF-6、FGF-7、 FGF-8、reF-9、碱性成纤维细胞生长因子(“bFGF")、血小板诱导生长因子、转化生长因 子(“TGF" ) β 1、酸性成纤维细胞生长因子、骨连接蛋白、血管生成素1、血管生成素2、胰 岛素样生长因子、抗体或抗体片段、胸腺素β-4、同源异形盒蛋白Nkx-2. 5 (〃 Nkx2.5")、 SV40大T抗原、D型细胞周期蛋白、细胞周期蛋白依赖性激酶2("⑶K2")、显性对接 TSC2、pl93、p53、p38、丝裂原激活蛋白激酶(〃 MAPK“)、细胞周期蛋白A2、激酶C旁路蛋白 (“bck-2" )、16 -^6 、大1~抗原、61 ^ 、？06 、^^-2、骨源神经营养因子("BDNF“)、 神经营养因子3(" NT3")、神经营养因子4/5(" NT4/5")、神经生长因子(“NGF")、 神经胶质源神经营养因子(“⑶NF")、甲状腺激素T3、半乳凝集素、整联蛋白、TGF-a、 TGF-β、BMP、Ang-l、肝生长因子/扩散因子(〃 HGF/SF")、神经营养因子4(" NT4")和 结缔组织营养配方(“CTNF“)组成的组；且c.所述重塑剂选自由CSF、CSF-I、G-CSF,M-CSF, c-mpl配体、MGDF、血小板生成 素(“ΤΡ0" )、EPO、SCF、flt3 配体、VEGF、FGF-3、FGF-4、FGF-5、FGF-6、FGF-7、FGF-8、 FGF-9、bFGF、血小板诱导生长因子、TGF β 1、酸性成纤维细胞生长因子、骨连接蛋白、血管 生成素1、血管生成素2、胰岛素样生长因子、抗体或抗体片段、胸腺素β -4、Nkx2. 5、SV40 大T抗原、D型细胞周期蛋白、⑶K2、显性对接TSC2、pl93、p53、p38、MAPK、细胞周期蛋 白A2、bck-2、GLP-U IGF-1、嗜铬细胞、胶原蛋白生物支架、基质细胞蛋白和肿瘤坏死因子 α (〃 TNF-α “)组成的组。
51.如权利要求48所述的方法，其中每个生物相容性聚合层都包含子层。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述第一层的子层包含细胞存活剂。
53.如权利要求47所述的方法，其中所述生物相容性聚合层包含选自由以下物质组成的组的聚合物聚(L-乳酸)(〃 PLLA“)、聚(乙醇酸)(〃 PGA")、聚乳酸-乙醇酸共 聚物(〃 PLGA“)、聚乙二醇(〃 PEG")、聚己内酯(“PCL")、聚(N-异丙基丙烯酰胺) (“PIPAAm")、聚(醚氨酯)、涤纶、聚四氟氨酯、聚氨酯(“PU")、硅、纤维素酯、胶原蛋 白I、胶原蛋白III、弹性蛋白、纤连蛋白、纤维蛋白、纤维蛋白原、层粘连蛋白、羟基磷灰石、 透明质酸、糖胺聚糖、壳聚糖和藻酸盐。
全文摘要
本发明涉及一种生物工程化构建体，所述构建体包含设计为具有纳米相构造(106)的聚合生物基质(100)和治疗剂(104或300)，其用于组织再生和/或再生因子和治疗性物质在所述构建体被植入体内的组织、血管或腔结构之后的受控递送。所述治疗剂(104或300)可以是治疗性物质(104)或生物剂(300)，例如抗体、配体或活细胞。将所述纳米相构建体设计成使腔尺寸最大化、促进组织重塑和最终使得植入物的生物相容性更高。纳米构造的聚合生物基质(100)可以包含一层或多层含有治疗性物质(104)和/或有益生物剂(300)的层，以用于向血管或腔的腔表面和近腔室表面内受控地递送生理学上有差异的物质/药物以及吸引会使功能性组织再生的靶标分子/细胞。该分层生物构建体的形态学和生物相容性特点为组织再生提供了最佳环境，并提供编程释放的药物递送体系，从而改善植入物的生理耐受性并且使植入组织内的细胞存活、迁移和整合最大化。
文档编号A61K9/00GK102083412SQ200980124087
公开日2011年6月1日 申请日期2009年3月5日 优先权日2008年4月25日
发明者拉杰·马卡尔, 杰伊·N·沙皮拉 申请人:拉杰·马卡尔, 杰伊·N·沙皮拉