HK1230093A1 - 石墨烯的体内和体外用途 - Google Patents

Description

石墨烯的体内和体外用途

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年3月12日提交的美国临时申请61/951,926的权益，将其通过引用整体并入本文。

发明背景

本公开大体上涉及在生物环境中转运和递送物质，更具体地，涉及利用碳纳米材料转运和递送物质的方法和装置。

免疫活性有机体和免疫无能有机体中药物和细胞的递送，是现今医学研究和实践中一项实际的当前问题。本研究使用聚合物装置和水凝胶作为递送媒介物。一些实例包括具有无纺聚酯网眼衬背的聚四氟乙烯、硅胶、水凝胶、藻酸盐、纤维素硫酸酯、胶原、明胶、琼脂糖、壳聚糖等等。当前的递送媒介物和装置受生物淤积、生物相容性问题以及延迟响应的挑战。现有技术的装置的厚度可能限制功效，因为营养物的有限扩散可以杀死其内含有的细胞，或者延迟正被感知的药物或分子的双向运输。低渗透性也可能是成问题的，所述低渗透性至少部分由于厚度以及鉴于物理应激和渗透应激的机械稳定性。

鉴于上述情况，用于在各种条件下，特别是在生物环境中转运和递送物质的改善的技术在本领域中将具有相当大的益处。本公开满足该需求，并且还提供了相关的优势。

发明概述

本公开描述了由有孔石墨烯或其它有孔二维材料形成的包封物。包封物可以在其内容纳多种物质，其允许选择的物质在包封物内部来回双向移动，将其它选择的物质保留在其内，并阻止另外其它选择的物质进入包封物。可以采用本发明的包封物来将一种或多种选择的物质释放进包封物外部的环境，允许一种或多种选择的物质从包封物外部的环境进入包封物，抑制并优选地阻止一种或多种选择的物质从外部环境进入包封物，将一种或多种选择的物质保留(抑制或优选地防止退出)在包封物内，或者这些应用的组合。基于包封物的具体应用，选择孔或开口的大小或大小范围。术语“包封物”指用于容纳一种或多种物质的空间，其至少部分由有孔二维材料如基于石墨烯的材料形成，其中包封物中的一种或多种物质可以通过有孔二维材料的通道离开包封物。同样地，在某些实施方案中，来自外部环境的一种或多种物质可以通过有孔二维材料的通道进入包封物。在具体的实施方案中，外部环境是生物环境，其可以是体内的生物环境或体外的生物环境。

在实施方案中，包封物包含一个或多于一个子隔室，各子隔室包含有孔的二维材料使形成子隔室的至少一部分的壁或侧面是有孔二维材料。通过一种或多种物质选择性穿进和/或穿出包封物或其子隔室来实现流体连通。流体可以是液体或气体，并且包括具有夹带气体的流体。可以将物质溶解或悬浮，或另外携带在流体中。流体可以是水性的。子隔室可以与相邻的子隔室或外部环境直接流体连通(其中相邻的子隔室至少共有一个壁或侧面)。在实施方案中，一个或多个子隔室可以与相邻的子隔室直接流体连通，但是不与外部环境直接流体连通。包封物中的至少一个子隔室与外部环境直接流体连通。包封物可以具有不同构造的子隔室。子隔室可以具有任何形状。子隔室可以例如是球形、圆柱形或直线的。在实施方案中，子隔室可以是嵌套的。在实施方案中，包封物可以具有中心子隔室，其与多个周围子隔室共有一个壁或侧面。在实施方案中，子隔室可以被线性排列在包封物内。在实施方案中，包封物含有两个子隔室。在实施方案中，包封物含有三个、四个、五个或六个子隔室。在实施方案中，子隔室可以被完全地包含在另一子隔室内，其中，内部子隔室与外部子隔室直接流体连通，并且外部子隔室与外部环境直接流体连通。在该实施方案中，内部子隔室与外部环境间接而不是直接流体连通。在包封物含有多个子隔室的实施方案中，至少一个子隔室与外部环境直接流体连通，并且剩余的子隔室与相邻的子隔室直接流体连通，但是并不是所有的子隔室与外部环境直接流体连通。在包封物含有多个子隔室的实施方案中，所有子隔室与外部环境直接流体连通。

包封物封装了至少一种物质。在实施方案中，包封物可以含有多于一种的不同物质。不同的物质可以在同一或不同的子隔室中。在实施方案中，包封物中的不同的物质未被全部释放至包封物外部的环境。在实施方案中，将包封物中所有的不同物质释放至外部环境。在实施方案中，不同的物质从包封物释放进入外部环境的速率是相同的。在实施方案中，不同的物质从包封物释放进入外部环境的速率是不同的。在实施方案中，从包封物释放的不同物质的相对量是相同或不同的。物质从包封物释放的速率可以被选择的孔大小、孔的功能化或二者控制。

本文还描述了用于在生物环境中转运和递送物质的方法。在一些实施方案中，所述方法可以包括：将由石墨烯或其它二维材料形成的包封物引入生物环境，以及将包封物中至少一部分物质释放至生物环境。在一些或其它实施方案中，所述方法可以包括将由石墨烯形成的包封物引入生物环境，以及将物质从生物环境迁移进包封物。

在实施方案中，本发明提供包括以下步骤的方法：

将包含有孔二维材料的包封物引入至环境，所述包封物容纳有至少一种物质；以及

将至少一种物质的至少一部分通过二维材料的孔释放至包封物外部的环境。在该方法中可以采用本文的任意包封物。

在实施方案中，本发明提供了包括以下步骤的方法：

将包含有孔二维材料的包封物引入至环境，所述包封物容纳有至少一种第一物质；以及将第二物质从环境迁移进包封物。在实施方案中，第一物质是细胞，第二物质是营养物，以及另一第二物质是氧气。

前述相当广泛地概述了本公开的特征，以便可以更好地理解下面的详细描述。本公开的另外特征和优势将在下文描述。根据下述描述，这些以及其它优势和特征将变得更明显。

附图简述

为了更完全地理解本公开以及其优势，现在参照与描述本公开具体实施方案的附图结合的下述描述，其中：

图1显示了表明基于石墨烯的材料相比常见药物递送媒介物和装置的厚度的示意图。该图还阐述了本发明在生物环境中与生物组织接触的实施方案，其中与一种或多种支承材料一起提供包封物，所述支承材料在有孔二维材料的再外部(re external)，并且指示可能的毛细管血管形成进入此类支承材料。

图2A-D显示根据本公开多个实施方案由有用的二维材料制备的包封物构造的不同构造的示意图。

图3A和3B是实施本发明的包封物用于免疫隔离活细胞的示意图。

图4A-C阐述了本发明的包封物的示例性制备。

发明详述

本公开部分地涉及在生物环境中使用基于石墨烯的材料和其它二维材料转运和递送物质的方法。本公开还部分地涉及由在合适的基底或几种基底上、或者悬挂在合适的基底或几种基底上的基于石墨烯的材料和其它二维材料形成的包封物，所述基底可以是多孔或无孔的，所述基于石墨烯的材料和其它二维材料可以作为包封物外部的环境特别是生物环境中的递送媒介物。本公开还部分涉及由基于石墨烯的材料或其它二维材料形成的含有细胞、药品和其它药物的包封物。

石墨烯由于其良好的机械和电子特性，对于在许多应用中的使用已获得了广泛的关注。石墨烯代表了原子级碳薄层，其中碳原子作为紧密间隔的原子存在于规则的晶格位置处。规则的晶格位置可以具有多个缺陷存在于其中，所述缺陷可以天然地存在，或者被有意引入至石墨烯的基面。此类缺陷在本文还被等同地称为“开口”、“穿孔”或“孔”。术语“有孔的石墨烯”在本文被用来表示石墨烯薄层在其基面中具有缺陷，与所述缺陷是天然存在的还是有意产生的无关。除了此类开口之外，石墨烯和其它二维材料可以代表对于许多物质的不可渗透层。因此，当大小适当时，此类材料的不可渗透层中的开口可用于进出由不可渗透层形成的包封物。

本公开考虑了能够在有机体或类似生物环境中向体内或体外位置递送靶标同时维持屏障(例如，免疫隔离屏障)的多种基于石墨烯的包封物。封装双向转运穿过半透膜(如有孔的石墨烯或其它二维材料)的分子或细胞，同时隔绝生物环境中(如生物体中)的细胞等，可以使处理能够克服移植排斥、药物的重复剂量需求以及过量的外科干预。上述可以通过以下来实现：提供允许异种和同种异体组织移植物的技术，药物的长期低剂量治疗水平，以及甚至感知响应范例以处理外科干预后的营养物，从而减少在相同位置处的来自多次外科手术的并发症。应认识到，前述仅代表本公开的具体优势，并且不应当被认为是限制本文所描述的实施方案的范围。

本发明人认识到，有孔的石墨烯和其它二维材料可以容易地促进前述同时优于当前的递送媒介物和装置，特别是免疫隔离装置的性能。石墨烯由于其独特的薄度、强度、导电性(对于潜在的电刺激)以及其内穿孔形式的渗透性可以实现前述。与用具有相当的大小性能的较厚聚合物膜看到的长时间扩散相比，薄且横穿石墨烯膜表面的随后的筛样转运特性可以允许实现颠覆性的时间响应。

二维材料最通常是原子级薄的材料，厚度从单层亚纳米厚度至几纳米，并且其通常具有高的表面面积。二维材料包括金属硫属化物(例如过渡金属二硫属化物)、过渡金属氧化物、六角氮化硼、石墨烯、硅酮和锗烯(参见：Xu et al.(2013)“Graphene-like Two-Dimensional Materials”Chemical Reviews 113:3766-3798)。石墨烯代表这样的碳形式，其中碳原子存在于形成延伸sp2-杂化碳平面晶格的稠合六元环的单一原子级薄层或几层薄层(例如，约20层或更少)内。在其多种形式中，对于在许多应用中的使用，石墨烯获得了广泛的关注，主要是由于其高的电导率和热导率价值、良好的面内机械强度、以及独特的光学和电学特性的有利组合。具有几纳米或更少厚度以及延伸的平面晶格的其它二维材料，对于多种应用也获得了关注。在实施方案中，二维材料具有0.3nm至1.2nm的厚度。在其它实施方案中，二维材料具有0.3nm至3nm的厚度。

在多种实施方案中，二维材料包含基于石墨烯的材料的薄层。在实施方案中，基于石墨烯的材料的薄层是单层或多层石墨烯的薄层或者包含多个互相连通的单层或多层石墨烯晶畴的薄层。在实施方案中，多层石墨烯晶畴具有2至5层、或2至10层。在实施方案中，包含基于石墨烯的材料的薄层的层，还包含位于基于石墨烯的材料的薄层表面上的基于非石墨烯碳的材料。在实施方案中，基于非石墨烯碳的材料的量，小于石墨烯的量。在实施方案中，基于石墨烯的材料中的石墨烯的量是60％至95％、或75％至100％。

在实施方案中，穿孔的特征尺寸是0.3nm至10nm、1nm至10nm、5nm至10nm、5nm至20nm、10nm至50nm、50nm至100nm、50nm至150nm、100nm至200nm、或者100nm至500nm。在实施方案中，平均孔径大小在指定的范围内。在实施方案中，薄层或层中70％至99％、80％至99％、85％至99％、或90％至99％的穿孔落入指定的范围，但是其它孔落在指定的范围之外。

用于形成本文所描述的实施方案中的石墨烯或基于石墨烯的材料的技术，不被认为是受到具体的限制。例如，在一些实施方案中，可以使用CVD石墨烯或基于石墨烯的材料。在多种实施方案中，CVD石墨烯或基于石墨烯的材料可以从其生长的基底(例如，Cu)上释放，并被转移至聚合物衬背。同样地，除了选择该技术以产生期望大小范围内的穿孔以外，用于将穿孔引入石墨烯或基于石墨烯的材料的技术也不应被认为是受到具体的限制。如本文所述确定穿孔的合适大小为给定应用提供物质(原子、分子、蛋白、病毒、细胞等)的期望的选择性渗透性。选择性渗透性涉及多孔材料或有孔二维材料允许一种或多种物质比其它物质更容易或更快通过(或转运)的倾向。选择性渗透性允许分离展示不同通过率或转运率的物质。在二维材料中，选择性渗透性与开口的尺寸或大小(例如，直径)以及物质的相对有效大小有关。二维材料如基于石墨烯的材料中的穿孔的选择性渗透性，还可取决于穿孔的功能化(若有的话)以及待分离的具体物质。混合物中的两种或更多种物质的分离，包括混合物通过有孔二维材料之后混合物中的两种或更多种物质的比值(重量比或摩尔比)的变化。

基于石墨烯的材料包括但不限于：单层石墨烯、多层石墨烯、或互相连通的单层或多层石墨烯晶畴，以及它们的组合。在实施方案中，基于石墨烯的材料还包括通过单层或多层石墨烯薄层堆叠形成的材料。在实施方案中，多层石墨烯包括2至20层、2至10层、或2至5层。在实施方案中，石墨烯是基于石墨烯的材料中的主要材料。例如，基于石墨烯的材料包含至少30％石墨烯、或至少40％石墨烯、或至少50％石墨烯、或至少60％石墨烯、或至少70％石墨烯、或至少80％石墨烯、或至少90％石墨烯、或至少95％石墨烯。在实施方案中，基于石墨烯的材料包含选自以下范围的石墨烯：30％至95％、40％至80％、50％至70％、60％至95％、或75％至100％。

如本文所用，“晶畴”指其中原子均匀有序排列成晶格的材料区域。晶畴在其边界内是均匀的，但与邻近的区域不同。例如，单结晶材料的有序原子具有单个晶畴。在实施方案中，至少一些石墨烯晶畴是纳米晶体，其具有1至100nm、或10-100nm的晶畴大小。在实施方案中，至少一些石墨烯晶畴具有大于100nm至1μm、或200nm至800nm、或300nm至500nm的晶畴大小。各晶畴边缘处由结晶缺陷形成的“晶粒边界”把邻近的晶格区分开来。在一些实施方案中，通过围绕垂直于薄层平面的轴的旋转，第一晶格可以相对于第二晶格旋转，使两个晶格在“晶格定向”上不同。

在实施方案中，基于石墨烯的材料的薄层包含单层或多层石墨烯薄层或者其组合。在实施方案中，基于石墨烯的材料的薄层是单层或多层石墨烯薄层或者其组合。在另一实施方案中，基于石墨烯的材料的薄层是包含多个互相连通的单层或多层石墨烯晶畴的薄层。在实施方案中，互相连通的晶畴共价地结合在一起以形成薄层。当薄层中的晶畴在晶格定向上不同时，所述薄层是多晶的。

在实施方案中，基于石墨烯的材料的薄层厚度是0.34至10nm、0.34至5nm、或0.34至3nm。在实施方案中，基于石墨烯的材料的薄层包含固有缺陷。与选择性地引入基于石墨烯的材料薄层或石墨烯薄层的穿孔相反，固有缺陷是由制备基于石墨烯的材料产生的。此类固有缺陷包括但不限于：晶格异常、小孔、撕裂、裂缝或皱褶。晶格异常可以包括但不限于：具有除6元以外(例如5元、7元或9元环)的碳环、空缺、间隙缺陷(其包括晶格中并入非碳原子)以及晶粒边界。

在实施方案中，包含基于石墨烯的材料薄层的层，还包含位于该基于石墨烯的材料薄层表面上的非石墨烯的碳基材料。在实施方案中，非石墨烯的碳基材料不具有长程有序并且可被归类为无定型的。在实施方案中，非石墨烯的碳基材料还包含除碳和/或烃以外的元素。可被并入非石墨烯碳中的非碳元素包括但不限于：氢、氧、硅、铜和铁。在实施方案中，非石墨烯的碳基材料包含烃。在实施方案中，碳是非石墨烯的碳基材料中的主要材料。例如，非石墨烯的碳基材料包含至少30％碳、或至少40％碳、或至少50％碳、或至少60％碳、或至少70％碳、或至少80％碳、或至少90％碳、或至少95％碳。在实施方案中，非石墨烯的碳基材料包含选自以下的碳范围：30％至95％、或40％至80％、或50％至70％。

其中有意产生孔的此类纳米材料，在本文被称为“有孔的石墨烯”、“有孔的基于石墨烯的材料”或“有孔二维材料”。本公开还部分涉及有孔的石墨烯、有孔的基于石墨烯的材料，以及含有适合于给定包封物应用的大小(或大小范围)的多个孔的其它有孔二维材料。孔的大小分布可以是狭窄的，例如，限于1-10％的大小偏差、或1-20％的大小偏差。在实施方案中，针对应用，选择孔的基准尺寸。对于圆孔，基准尺寸是孔的直径。在与非圆形孔相关的实施方案中，基准尺寸可被视为横跨孔的最大距离、横跨孔的最小距离、横跨孔的最大和最小距离的平均值、或基于孔的面内区域的等同直径。如本文所用，有孔的基于石墨烯的材料，包括其中在孔的边缘处并入非碳原子的材料。

在多种实施方案中，二维材料包含石墨烯、硫化钼或一氮化硼。在更具体的实施方案中，二维材料可以是石墨烯。本公开的实施方案所述的石墨烯可以包括单层石墨烯、多层石墨烯或其任意组合。具有延伸的二维分子结构的其它纳米材料，还可组成本公开的多种实施方案中的二维材料。例如，硫化钼是具有二维分子结构的代表性硫属化物，以及其它多种硫属化物可以组成本公开的实施方案中的二维材料。通过多种因素可以确定选择合适二维材料用于具体的应用，所述因素包括最后要在其中部署石墨烯或其它二维材料的化学或物理环境。对于本发明中的应用，在制备包封物中采用的材料优选生物相容的或者可被制成生物相容的。

在石墨烯和其它二维材料中形成孔的过程，在本文被称为“穿孔”，并且此类纳米材料在本文被称为“有孔的”。在石墨烯薄层中，通过薄层中的各六碳原子环的结构形成间隙开口，并且该间隙开口具有小于一纳米的跨度。具体而言，该间隙开口横跨其最长尺寸被认为是约0.3纳米(碳原子之间的中心至中心距离是约0.28nm，并且开口稍微小于该距离)。包含二维网状结构的薄层的穿孔，通常指在网状结构中形成大于间隙开口的孔。

由于石墨烯和其它二维材料的原子水平薄度，在分离或过滤过程期间，实现高的液体通量流量是可能的，甚至具有1-20nm范围的孔。

化学技术可用来在石墨烯和其它二维材料中产生孔。石墨烯或另外的二维材料暴露于臭氧或大气压等离子体(例如，氧/氩、或氮/氩等离子体)可以影响穿孔。还可使用诸如离子轰击的物理技术，从二维材料的平面结构移除物质以便产生孔。所有此类物理或化学方法可应用于制备本文使用的有孔二维材料，其取决于期望用于给定应用的孔大小或孔大小的范围。

在本公开的多种实施方案中，在石墨烯或其它二维材料中产生的孔的大小范围可以是约0.3nm至约50nm。在更具体的实施方案中，孔的大小范围可以是1nm至50nm。在更具体的实施方案中，孔的大小范围可以是1nm至10nm。在更具体的实施方案中，孔的大小范围可以是5nm至10nm。在更具体的实施方案中，孔的大小范围可以是1nm至5nm。在更具体的实施方案中，孔的大小范围是约0.5nm至约2.5nm。在另外的实施方案中，孔的大小是0.3nm至0.5nm。在其他实施方案中，孔的大小是0.5nm至10nm。在另外的实施方案中，孔的大小是5nm至20nm。在其他实施方案中，孔的大小是0.7nm至1.2nm。在另外的实施方案中，孔的大小是10nm至50nm。在优选较大的孔大小的实施方案中，孔的大小是50nm至100nm、50nm至150nm、或100nm至200nm。

术语“物质”在本文一般被用来指原子、分子、病毒、细胞、颗粒及其聚集体。具体关注的物质是不同大小的分子，包括生物分子，如蛋白和核酸。物质可以包括药品、药物、药剂和治疗剂，其包括生物制剂和小分子药物。

图1示出了展示石墨烯相比常见药物递送媒介物和装置的厚度的示意图。石墨烯的生物相容性还可以具体通过使石墨烯功能化以与特定的生物环境相容(例如，经由可用的边缘结合、整体表面功能化、π键等)来促进该应用。功能化可以提供复杂度增加的膜，用于治疗局部和全身疾病。图1示例了用有孔二维材料形成的包封物的壁，所述二维材料具有400-700nm范围的孔大小，其将截留活细胞。用与有孔二维材料毗邻且在其外部的任选的多孔支承结构(聚合物或陶瓷)以及在有孔二维材料外部的任选的纺织支承材料，示例与包封物(完整的包封物未示出)邻接的外部生物环境。如所示，此类包封物的植入考虑了血管化进入任意此类外部支承材料。在意图提供免疫隔离的实施方案中，通常优选更小的孔大小以防止抗体进入包封物。

在多种实施方案中，本公开描述了主要由二维材料如石墨烯形成的密封包封物，所述二维材料保留双向转运材料的能力。在多种实施方案中，包封物的至少一个截面或面在二维材料中含有适当大小的穿孔，以允许期望大小的材料从包封物的内部来回地分别进出。

在一些实施方案中，可将诸如石墨烯的二维材料黏附至合适的多孔基底。合适的多孔基底可以包括例如薄膜聚合物和陶瓷。

在实施方案中，包封物可以在主包封物内具有多个子隔室，各子隔室包含有孔二维材料以允许一种或多种物质穿进或穿出子隔室。在此类实施方案中，子隔室可以具有任意有用的形状或大小。在具体的实施方案中，存在2个或3个子隔室。包封物子隔室的数个实例示例于图2A-2D中。在图2A中，示例了嵌套的构造，主包封物B完全地含有较小的包封物A，使最中心的包封物A中的物质可以进入主包封物B，并且在从其内进出期间可能与主隔室反应或在主隔室内反应。在该实施方案中，A中的一种或多种物质可以进入B，以及A中的一种或多种物质可被保留在A中并不进入B。其中一种或多种物质可在子隔室之间直接通过的两个子隔室直接流体连通。子隔室之间以及包封物和外部环境之间的通道，是经由有孔二维材料的孔的通道。隔室A和B之间的屏障(膜，即有孔二维材料)，可以透过A中的所有物质或者选择性透过A中的某些物质。B和外部环境之间的屏障(膜)，可以透过B中所有的物质或者选择性透过B中的某些物质。在图2A中，子隔室A与子隔室B直接流体连通，子隔室B进而与外部环境直接流体连通。该嵌套构造中的隔室A只能经由进入子隔室B的中间通道与外部环境间接流体连通。在给定包封物的不同子隔室中采用的二维材料可以是相同的或不同的材料，并且不同子隔室的二维材料中的穿孔和孔的大小可以是相同或不同的，其取决于涉及的物质和应用。

在图2B中，包封物由不渗透性壁(例如，由无孔或不渗透的密封剂形成)一分为二以形成子隔室A和B，使两个部分独立地进入出口位置，但是物质从A至B不存在直接或间接的通道(然而，应了解，离开A或B的物质可以经由外部环境间接进入另一子隔室)。

在图2C中，主包封物也被一分为二为子隔室A和B，但是用有孔材料形成子隔室之间的屏障。在实施方案中，两个子隔室不仅独立地进入至出口位置，而且可以彼此相互作用，即子隔室直接流体连通。在实施方案中，隔室A和B之间的屏障(膜)是选择性可渗透的，例如其允许A中的至少一种物质进入B，但是不允许始发于B中的物质通过至A。

图2D示例了具有三个隔室的包封物。用具有进入子隔室B的出口的子隔室A示例包封物，所述子隔室B进而具有至子隔室C的出口，所述子隔室C进而具有进入外部环境的出口。隔室A和B不具有至外部环境的出口，即它们不与外部环境直接流体连通。相邻的子隔室A和B以及相邻的子隔室B和C各自被有孔二维材料隔开，并且从而彼此直接流体连通。子隔室A只能经由子隔室B、或者B和C分别与隔室C和外部环境间接流体连通。可以采用半渗透屏障(膜)或不渗透屏障的多种其它组合隔开本文包封物中的隔室。不同的穿孔大小限制可以改变，其取决于如何使包封物最终成形(例如，相对于并排形式，一个包封物是否在另一个内部)。与选择的构造无关，可以由二维材料来构造包封物的边界或其至少一部分以便实现其益处，特别是使活性膜的厚度小于待选择性地穿过所述膜的靶标的直径。在一些实施方案中，二维材料的孔大小的范围可以是大小约0.3nm至约10nm。较大的孔大小也是可能的。

还应注意到，在一些实施方案中，包封物可以被一个或多个支承结构支承。在实施方案中，支承结构本身可以具有多孔结构，其中所述孔大于二维材料的孔。在实施方案中，支承结构是完全多孔的。在实施方案中，支承结构至少部分无孔。

本文所描述的包封物及其用途的多个物理实施方案，可以允许不同水平的相互作用以及待解决的问题成比例的复杂性。例如，单包封物可以为给定时间段提供药物洗脱，或者可以存在多种大小的穿孔以限制或允许不同靶标的移动，其各自具有特定的大小。

本文所描述的具有多个子隔室的实施方案的复杂性增加，可以允许在靶化合物之间相互作用以催化或激活次级响应(即，“感知响应”范例)。例如，如果包封物存在独立进入至出口的两个部分，则示例性化合物A可以经历恒定扩散进体内，或者在一段时间之后或仅在来自体内的刺激物的存在下经历恒定扩散进体内。在此类实施方案中，示例性化合物A可以激活示例性化合物B，或者使其功能失活而封阻示例性化合物B以防止溢出。产生上述效果的结合可以是可逆或不可逆的。此外，在其它实施方案中，示例性化合物A可以与包封物外部产生的化学级联物相互作用，以及相互作用之后的代谢物可以释放示例性化合物B(通过使功能化失活)。利用以类似方式产生效果的其他实例，包括使用包封物中含有的源细胞(非寄主的、同种异体的)，在所述包封物内来自细胞的分泌物可以产生“感知响应”范例。

在其他实施方案中，可以将生长因子装载在包封物中以促进血管形成(参见图1)。在前述实施方案中，细胞存活可以远远优于营养物和废物双向转运的结果。

在其他实施方案中，石墨烯的相对薄度可以实现双向转运穿过极接近于血管(特别是毛细血管)和其它靶细胞的膜包封物。利用基于石墨烯的包封物的本实施方案，可以提供与实现相同效果的其它解决方案的区别，因为石墨烯膜不会明显地限制渗透性。相反，分子通过介质或间隙连接的扩散，会限制靶标的移动。

关于前述，用石墨烯通过优良的时间响应使得任何“感知响应”范例成为可能。石墨烯的生物相容性还可以增强该应用，在治疗局部和全身疾病中，扩增至复杂性增加的功能化石墨烯膜，具有预计较低程度的生物淤积(由于功能化或带电)。此外，石墨烯的机械稳定性可以使其适合于经受体内的物理应激和渗透应激。

图3A和3B提供了本发明的包封物免疫隔离的示意图。包封物被示例为具有单个隔室。应理解，包封物可以具有多个子隔室，例如，两个或三个子隔室。图3A的包封物(30)，用由包含有孔二维材料(如基于石墨烯的材料)的内薄层或内层(31)和支承材料的外薄层或外层(32)形成的横截面示出。支承材料可以是多孔的、选择性渗透的、或者无孔的且不渗透的。然而，至少一部分支承材料是多孔的或选择性渗透的，适合于包封物的应用。支承薄层或支承层可以是，例如，聚合物或陶瓷。包封物容纳有用于给定用途的选择的活细胞(33)。图3B提供了图3A的包封物的替代性横截面，其示出了第一和第二复合层(32/31)之间形成的空间或腔，其中密封剂34被示例为密封复合层的边缘。应理解，采用夹紧或卷曲的物理方法可以形成复合层边缘处的密封。不具体地限制用于形成边缘处密封的方法和材料，但必须提供无孔且不渗透的密封或闭合。

如果细胞被容纳在该闭合内，则至少一部分的包封物可渗透足够用于细胞生长和维持的氧和营养物，并且可渗透废产物。包封物不可透过细胞，特别是免疫细胞。来自外部环境的细胞不可进入包封物，并且包封物中的细胞得以保留。包封物不可透过病毒或细菌。包封物不可透过抗体。相比之下，依据用途，包封物可透过期望的产物，如由细胞产生的生长因子。包封物内的细胞是免疫隔离的。在具体的实施方案中，用于免疫隔离的有孔二维材料中孔大小的范围是1-10nm，更优选3-10nm，以及还更优选3-5nm。

图4A-4C阐述了用于形成本发明的包封物并在其内引入选择的物质(例如细胞)的示例性方法。与使用密封剂形成包封物一起示例所述方法。示例性包封物没有子隔室。采用示例的方法可以很容易地制备具有子隔室(例如嵌套或相邻子隔室)的包封物。如图4A中所示例的，通过铺设与支承层(42)接触的二维材料的薄层或层，特别是基于石墨烯的材料的薄层或石墨烯的薄层(41)，来形成第一复合层或薄层。第一复合材料的至少一部分支承层(42)是多孔或可渗透的。支承层的孔大小通常大于所采用的二维材料中的孔或开口，并且可以针对环境(例如体腔)进行调整。将密封剂(例如硅酮)层(44)施加在画出包封物隔室轮廓的有孔二维材料的薄层或层上，其中密封剂将形成包封物周界附近的不渗透密封。单个隔室的形成示例于图4A-4C中，然而，应理解，通过类似的方法可以形成包封物内的多个独立隔室。然后用有孔二维材料的薄层或层与密封剂接触，以与第一复合层相同的方式制备形成第二复合层，并且确定其位置(可选地，可以将密封剂施加至复合层的一部分，并且可以将所述层与密封剂接触向上折叠以形成包封物)。然后在两个复合层之间形成密封。可以施加适当的压力以促进密封，而不损坏二维材料或其支承层。应理解，通过与密封剂接触施加无孔且不渗透的支承材料的薄层或层可以形成替代性包封物。在该情况下，包封物只有一部分是多孔且可渗透的。密封的复合层示例于图4B中，其中示出了可以将密封层修整至密封剂周围的大小以形成包封物。形成的包封物显示具有外部的多孔支承层42，被放置作为内层的有孔二维材料(41)的薄层或层，与包封物周界周围的密封剂44。如图4C中所示例的，在包封物形成之后，穿过密封剂层的注射，可以将被有孔二维薄层或层的通道排除的细胞或其它物质引入包封物。如需要，可以密封通过这样的注射形成的任何穿孔。应理解，可在形成密封之前将物质和细胞引入包封物。本领域技术人员将理解，在制备包封物的期间或之后，可以采用设想的适合于该应用的灭菌方法。

在实施方案中，本发明提供了封装有物质的有孔二维材料的包封物，使得该物质通过有孔二维材料中的孔的通道被释放至包封物外部的环境。在实施方案中，包封物封装了多于一种的不同物质。在实施方案中，不同的物质未被全部释放至包封物外部的环境。在实施方案中，将所有不同的物质释放进包封物外部的环境。在实施方案中，将不同的物质以不同的速率释放进包封物外部的环境。在实施方案中，将不同的物质以相同的速率释放进包封物外部的环境。

在实施方案中，包封物包含两个或更多个子隔室，其中至少一个子隔室通过子隔室的二维材料中的孔与包封物外部的环境直接流体连通。在实施方案中，各子隔室包含有孔二维材料，并且各子隔室通过各子隔室的二维材料中的孔与包封物外部的环境直接流体连通。

在实施方案中，包封物被再分为两个子隔室，至少部分通过有孔二维材料将其彼此隔开，使两个子隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通。在实施方案中，包封物被再分为各自包含二维材料的两个子隔室，所述子隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通，并且只有一个子隔室与包封物外部的环境直接流体连通。在实施方案中，包封物被再分为各自包含二维材料的两个子隔室，所述子隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通，并且两个子隔室还均与包封物外部的环境直接流体连通。

在实施方案中，包封物具有各自包含有孔二维材料的内部子隔室和外部子隔室，其中内部子隔室被完整地封闭在外部子隔室内，内部和外部的隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通，并且内部子隔室不与包封物外部的环境直接流体连通。

在实施方案中，其中包封物具有各自包含二维材料的多个子隔室，子隔室是在另一个内的嵌套子隔室，所述子隔室各自通过二维材料中的孔和与其相邻的子隔室直接流体连通，最外面的子隔室与包封物外部的环境直接流体连通，剩下的多个子隔室不与包封物外部的环境直接流体连通。

在实施方案中，其中包封物被再分为各自包含二维材料的多个子隔室，各子隔室与一个或多个相邻的子隔室直接流体连通，并且只有一个子隔室与包封物外部的环境直接流体连通。

在本文的任意包封物构造的实施方案中，通过二维材料中的孔释放至包封物外部的环境的包封物内的至少一种物质是药品、治疗剂或药物。在实施方案中，其中释放的物质是药品、治疗剂或药物，用于释放所述物质的包封物的二维材料包含大小范围为1-50nm的孔。在实施方案中，其中释放的物质是药品、治疗剂或药物，用于释放物质的包封物的二维材料包含大小范围为1-10nm的孔。

在本文任意包封物的实施方案中，包封物内的物质是细胞，选择二维材料中的孔的大小，以将细胞保留在包封物内并拒绝免疫细胞和抗体从包封物外部的环境进入包封物。在具体的实施方案中，针对细胞的用途，将包封物分为多个子隔室，并且一个或多个子隔室含有细胞。包封物可以在一个子隔室内含有不同的细胞，或者在同一包封物的不同的子隔室内含有不同的细胞。在具体的实施方案中，针对细胞的用途，包封物是嵌套包封物，其中细胞在内部子隔室内。

在实施方案中，包封物具有各自包含有孔二维材料的内部子隔室和外部子隔室，其中内部子隔室被完全地封闭在外部子隔室内，内部和外部的隔室通过内部子隔室的二维材料中的孔直接流体连通，内部子隔室不与包封物外部的环境直接流体连通，以及外部的隔室与包封物外部的环境直接流体连通。

在实施方案中，针对细胞的用途，包封物具有多个子隔室，所述子隔室各自包含有孔二维材料，并且所述子隔室各自与一个或多个相邻的子隔室直接流体连通，所述细胞在一个或多个含有细胞的子隔室内，所述一个或多个含有细胞的子隔室各自不与包封物外部的环境直接流体连通。

在含有细胞的包封物的实施方案中，细胞是酵母细胞或细菌细胞。在含有细胞的包封物的实施方案中，细胞是哺乳动物细胞。在含有细胞的包封物的实施方案中，包封物或子隔室的二维材料中孔的大小范围是1-10nm、3-10nm、或3-5nm。

在本文任意包封物的实施方案中，包封物中的二维材料被支承在多孔基底上。在实施方案中，多孔基底可以是聚合物或陶瓷。

在本文任意包封物的实施方案中，二维材料是基于石墨烯的材料。在本文任意包封物的实施方案中，二维材料是石墨烯。

在本文任意包封物的实施方案中，包封物的二维材料中的至少一部分孔是功能化的。

在本文的任意包封物的实施方案中，至少一部分二维材料是导电的，并且可以向至少一部分导电的二维材料施加电压。电压可以是AC或DC电压。可以从包封物的外部电源施加电压。在实施方案中，本发明的包封物装置还包含连接器，并且引导从外部电源向二维材料施加电压。

本发明提供了在选定的环境中采用本文的任意包封物用于将一种或多种物质递送至所述环境的方法。在具体的实施方案中，环境是生物环境。在实施方案中，将包封物植入生物组织。在实施方案中，采用包封物用于递送药品、药物或治疗剂。

在实施方案中，本发明提供了这样的方法，其包括：将包含有孔二维材料的包封物引入至环境，所述包封物容纳有至少一种物质；以及通过二维材料的孔将至少一种物质的至少一部分释放至包封物外部的环境。在实施方案中，包封物容纳有不从包封物释放的细胞，以及释放的至少一种物质的一部分是由在包封物中的细胞产生的物质。

在实施方案中，本发明提供了这样的方法，其包括：将包含有孔二维材料的包封物引入至环境，所述包封物容纳有至少一种第一物质；以及将来自环境的第二物质迁移进所述包封物。在实施方案中，第一物质是细胞，第二物质是营养物，并且另一第二物质是氧。

在实施方案中，支承层可以是聚合物或陶瓷材料。有用的示例性陶瓷包括纳米多孔硅石或SiN。有用的多孔聚合物支承物包括径迹蚀刻聚合物、发泡聚合物或无纺聚合物。支承材料可以是多孔或可渗透的。包封物或子隔室的一部分，例如，壁、侧面或其部分，可以是无孔的聚合物或陶瓷。优选生物相容的聚合物和陶瓷。可以由密封剂，如硅酮、环氧材料、聚氨酯或类似的材料形成包封物的一部分。优选生物相容的密封剂。

此外，基于石墨烯的膜或其它二维材料的膜的导电性，可以允许带电从外部电源发生。在示例性实施方案中，可以向包封物的导电二维材料施加AC或DC电压。石墨烯的导电特性可向带电分子提供另外的门控(gating)。带电可以永久地发生或者只发生一会以影响门控。对带电分子定向门控不仅可以被引导通过孔(或者限制经过孔)，而且可被引导至石墨烯的表面以吸附或结合并促使生长、促进保护层的形成、或者为对身体的其它生化影响提供基础或机理。

在此类实施方案中，与石墨烯永久结合和暂时结合均是可能的。除前述优势之外，本文所描述的实施方案还可具有的优势在于，对现有技术的媒介物和其它装置而言，它们不仅代表了颠覆性的技术，而且它们还允许以新的方式使用这些媒介物和装置。例如，可以将细胞系发育、治疗释放剂、感知范例(例如，MRSw，基于NMR的磁性弛豫开关技术，参见；Kohet al.(2008)Ang.Chem.Int’l Ed.Engl,47(22)4119-4121)用于本文所描述的包封物内，用于减少生物淤积和氧化性损伤(bioreactivity)、传输优良的渗透性且较少的响应延迟，并且提供机械稳定性。即，本文所描述的包封物可以允许既有技术以目前不可能的新方式实施。

除上文所描述的体内和体外用途之外，还可在其它领域中利用本文所描述的实施方案。本文所描述的包封物还可用于非治疗应用，例如，乳产品中益生菌的剂量(与当前使用的在加工期间增加递送至胃肠道的活力的微囊化技术相反)。就这点和其它方面而言，应当注意，由此形成的本文所描述的包封物和装置在大小上可以横跨几个量级，其取决于制造技术和不同的目标使用需求。然而，据信包封物能够被制造得足够小以通过血流进行循环。另一方面，可将包封物制造的足够大以植入(数量级为大约几英寸或更大)。这些特性可以由石墨烯的二维性质以及其在大的表面区域上的生长产生。

尽管已参照公开的实施方案描述了本公开，但本领域技术人员将很容易理解，这些仅用于示例本公开。应当理解，在不脱离本公开的精神的情况下，可以进行多种修改。可以修改本公开以并入任意数量的变型、改变、替换或迄今为止未描述的等同排列，但是这些与本公开的精神和范围是相应的。此外，虽然已描述了本公开的多种实施方案，但是应理解，本公开的方面可以仅包括所描述实施方案中的一些。因此，本公开不应理解为受限于前述描述。

所描述或例示的每一构想或组分的组合可用来实行本发明，除非另有规定。化合物的具体名称旨在是示例性的，因为已知的是，本领域技术人员可以不同地命名同一化合物。当化合物在本文例如以公式或化学名称描述而未指定化合物的具体异构体或对映异构体时，所述描述旨在包括单独描述的化合物的各异构体和同分异构体或任意组合。本领域技术人员将理解，除了明确例示的以外，方法、装置元件、原材料和合成方法可用于本发明的实践中，而无需过多实验。任何此类方法、装置元件、原材料和合成方法的所有本领域已知的功能等同物旨在被包括在本发明中。每当在说明书中给出范围，例如，温度范围、时间范围或组成范围时，所有中间范围和子范围，以及给出的范围中包括的所有单个值旨在被包括在本公开中。当马库什组或其它分组在本文使用时，所述组的所有单个成员以及所述组的所有组合和可能的亚组合旨在被单独地包括在本公开中。

如本文所用，“包含(comprising)”与“包括(including)”、“含有(containing)”或“特征是(characterized by)”同义，并且是包含式或开放式的，并且不排除另外的未列出的元素或方法步骤。如本文所用，“由…组成(consisting of)”排除权利要求元素中未规定的任何元素、步骤或成分。如本文所用，“基本上由…组成(consisting essentially of)”不排除实质上不影响权利要求的基本特征和新特征的材料或步骤。特别是在组合物的组分的描述中或在装置的元件的描述中，术语“包含(comprising)”在这里的任何列举应被理解为，涵盖了基本上由所列组分或元件组成的这些组合物和方法，以及由所列组分或元件组成的这些组合物和方法。本文所例示性描述的发明可以在未在本文具体公开的任意元素、任意限制不存在的情况下实施。

已采用的术语和表述被用作描述的术语，而不是用作限制的术语，并且此类术语和表述的使用不存在排除所示或所描述的特征的任意等同物或其部分的意图，但是应认识到，在本发明所要求的保护范围内多种修改是可能的。因此，应当理解，尽管已通过优选的实施方案和任选的特征具体地公开了本发明，但是可以通过本领域技术人员对本文所公开的概念进行修改和变化，并且此类修改和变化被认为在由所附权利要求所限定的本发明的范围内。

通常，本文所使用的术语和短语具有其领域公认的含义，通过参照标准文本、期刊参考文献和本领域技术人员已知的背景，可以找到所述术语和短语。提供前述定义以阐明其在本发明背景下的具体使用。

将本申请中的所有参考文献，例如专利文件(包括公布的或授权的专利或等同物；专利申请出版物)；和非专利文献文档或其它原始材料在此通过引用整体并入本文，如同通过引用单独并入，至各参考文献至少部分地不与本申请的公开不一致的程度(例如，除参考文献的部分不一致部分之外，将与本申请的公开部分地不一致的该参考文献通过引用并入)。

说明书中提及的所有专利和出版物表明发明所属领域技术人员水平。将本文引用的参考文献通过引用整体并入本文以表明本领域的现有技术，在一些情况下自它们的申请日起，并且意图是该信息可用于本文中(若需要的话)以排除(例如，放弃)现有技术的具体实施方案。例如，当保护化合物时应当理解，本领域已知的化合物，包括本文所公开的参考文献(特别是在引用的专利文件)中所公开的某些化合物，不意图包括在权利要求中。

Claims (37)

1.包含有孔二维材料的包封物，其封装了物质以使所述物质通过所述有孔二维材料中的孔的通道被释放至所述包封物外部的环境。

2.如权利要求1所述的包封物，其封装了多于一种的不同物质，其中所述不同的物质未被全部释放至所述包封物外部的环境。

3.如权利要求2所述的包封物，其中将不同的物质以不同的速率和/或不同的相对浓度释放进所述包封物外部的环境。

4.如权利要求1所述的包封物，其封装了多于一种的不同物质，其中所述不同的物质全部被释放进所述包封物外部的环境。

5.如权利要求4所述的包封物，其中将不同的物质以不同的速率和/或不同的相对浓度释放。

6.如权利要求1所述的包封物，其中所述包封物包含两个或更多个子隔室，其中至少一个子隔室通过所述子隔室的二维材料中的孔与所述包封物外部的环境直接流体连通。

7.如权利要求6所述的包封物，其中各子隔室包含有孔二维材料，并且各子隔室通过各子隔室的二维材料中的孔与所述包封物外部的环境直接流体连通。

8.如权利要求1所述的包封物，其中所述包封物被再分为两个子隔室，所述两个子隔室通过有孔二维材料彼此至少部分隔开，使所述两个子隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通。

9.如权利要求1所述的包封物，其中所述包封物被再分为各自包含二维材料的两个子隔室，所述子隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通，并且所述子隔室中只有一个与所述包封物外部的环境直接流体连通。

10.如权利要求1所述的包封物，其中所述包封物被再分为各自包含二维材料的两个子隔室，所述子隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通，并且两个子隔室还均与所述包封物外部的环境直接流体连通。

11.如权利要求1所述的包封物，其具有各自包含有孔二维材料的内部子隔室和外部子隔室，其中所述内部子隔室被完全地包封在所述外部子隔室内，所述内部和外部的隔室通过二维材料中的孔彼此直接流体连通，并且所述内部子隔室不与所述包封物外部的环境直接流体连通。

12.如权利要求1所述的包封物，其具有各自包含二维材料的多个子隔室，所述子隔室一个在另一个内嵌套，所述子隔室各自通过二维材料中的孔和与其相邻的子隔室直接流体连通，最外面的子隔室与所述包封物外部的环境直接流体连通，剩下的多个子隔室不与所述包封物外部的环境直接流体连通。

13.如权利要求1所述的包封物，其被再分为各自包含二维材料的多个子隔室，其中各子隔室与一个或多个相邻的子隔室直接流体连通，但是其中只有一个子隔室与所述包封物外部的环境直接流体连通。

14.如权利要求1-13中任一项所述的包封物，其中通过二维材料中的孔被释放至所述包封物外部的环境的所述包封物内的至少一种物质是药物。

15.如权利要求1-13中任一项所述的包封物，其中通过二维材料中的孔被释放至所述包封物外部的环境的所述包封物内的至少一种物质是药物，并且其中所述二维材料中的孔的大小范围是1-50nm。

16.如权利要求1-13中任一项所述的包封物，其中通过二维材料中的孔被释放至所述包封物外部的环境的所述包封物内的至少一种物质是药物，并且其中所述二维材料中的孔的大小范围是1-10nm。

17.如权利要求1所述的包封物，其中所述包封物内的物质是细胞，并且对所述二维材料中的孔的大小进行选择以将所述细胞保留在所述包封物内，并排除免疫细胞和抗体从所述包封物外部的环境进入所述包封物。

18.如权利要求17所述的包封物，其中将所述包封物分成多个子隔室，并且一个或多个子隔室含有细胞。

19.如权利要求17所述的包封物，其具有各自包含有孔二维材料的内部子隔室和外部子隔室，其中所述内部子隔室被完全地包封在所述外部子隔室内，所述内部和外部的隔室通过所述内部子隔室的二维材料中的孔直接流体连通，所述内部子隔室不与所述包封物外部的环境直接流体连通，并且所述外部的隔室与所述包封物外部的环境直接流体连通。

20.如权利要求17所述的包封物，其具有多个子隔室，所述子隔室各自包含有孔二维材料，并且所述子隔室各自与一个或多个相邻的子隔室直接流体连通，所述细胞在一个或多个含有细胞的子隔室内，所述一个或多个含有细胞的子隔室各自不与所述包封物外部的环境直接流体连通。

21.如权利要求17-20中任一项所述的包封物，其中所述细胞是酵母或细菌细胞。

22.如权利要求17-20中任一项所述的包封物，其中所述细胞是哺乳动物细胞。

23.如权利要求1-13或17-20中任一项所述的包封物，其中所述二维材料中的孔的大小范围是3-10nm。

24.如权利要求1-13或17-20中任一项所述的包封物，其中所述二维材料中的孔的大小范围是3-5nm。

25.如权利要求1-13或17-20中任一项所述的包封物，其中所述二维材料被支承在多孔基底上。

26.如权利要求1-13或17-20中任一项所述的包封物，其中所述二维材料是石墨烯。

27.如权利要求1-13或17-20中任一项所述的包封物，其中所述二维材料是基于石墨烯的材料。

28.如权利要求1-13或17-20中任一项所述的包封物，其中所述二维材料中的孔的至少一部分是功能化的。

29.如权利要求1-13或17-20中任一项所述的包封物，其中所述二维材料的至少一部分是导电的，并且向所述导电的二维材料的至少一部分施加电压。

30.方法，其包括：将包含有孔二维材料的包封物引入至环境，所述包封物容纳有至少一种物质；以及将至少一种物质的至少一部分通过所述二维材料的所述孔释放至所述包封物外部的环境。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述环境是生物环境。

32.如权利要求30或31所述的方法，其中其一部分被释放的所述至少一种物质是药物。

33.如权利要求30或31所述的方法，其中所述包封物容纳有不从所述包封物释放的细胞，并且其一部分被释放的所述至少一种物质是由所述包封物中的所述细胞产生的物质。

34.方法，其包括：将权利要求1-13中任一项所述的包封物引入环境，所述包封物容纳有至少一种物质；以及将至少一种物质的至少一部分通过所述二维材料中的所述孔释放至所述包封物外部的环境。

35.方法，其包括：将权利要求17-20中任一项所述的包封物引入环境；以及将至少一种物质的至少一部分通过所述二维材料的所述孔释放至所述包封物外部的环境，其中所述至少一种物质是由所述包封物内的所述细胞产生的物质。

36.方法，其包括：将包含有孔二维材料的包封物引入至环境，所述包封物容纳有至少一种第一物质；以及将第二物质从所述环境迁入所述包封物。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述第一物质是细胞，第二物质是营养物，以及另一第二物质是氧气。