CN114945391A - 用于组织再生的3d生物打印支架 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于组织再生植入物的系统，方法，和装置。在一些方面，一种神经组织再生植入物制品包括外部壳体；多个束结构，其被设置在外部壳体的内部区域中，其中每个束结构包括在近侧端和远侧端之间的中空区域，使得束结构被配置为促进和引导轴突沿着在近侧端和远侧端之间的束结构的至少一部分生长；以及沿着外部壳体的多个可形成血管的通路，其中可形成血管的通路被配置为允许血管组织渗入植入物制品，使得植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够经由通过多个可形成血管的通路渗入到植入物制品中的血管组织交换到在多个束结构内的轴突来促进神经再生。

Description

用于组织再生的3D生物打印支架

相关申请交叉引用

本专利文件要求2019年11月1日提交的标题为“用于组织再生的3D生物打印支架”的美国临时专利申请号62/929,724的优先权和权益。上述专利申请的全部内容通过引用并入本文作为本专利文件公开的一部分。

技术领域

本专利文件涉及用于多种生物医学应用的组织构建体或支架。

背景技术

组织再生可涉及为医疗目的使用组织支架来形成新的活体组织。

概述

本文公开了用于组织再生植入物的系统，方法，制品和组合物，其中在它们的制造过程(例如3D生物打印)中嵌入了例如细胞，纳米颗粒，和/或生物分子或结构之类的功能元件。

现有的3D生物打印技术只能产生仅由聚合物(即，无细胞)形成的3D打印支架，需要在3D打印后手动将细胞填充到通道中。使用根据本技术实施例的系统和方法，可以使用3D生物打印将一种或多种类型的细胞以限定异质性分布直接嵌入支架中(以模拟细胞组合物，例如原生脊髓组织的细胞组合物)。因此，细胞不仅位于通道内部，还嵌入通道壁和支架核中。

在一些实施例中，对基于生理信息的(physiologically-informed)植入物装置进行三维打印来包括为治疗性应用嵌入其中的细胞，以协助修复患者的受损神经，包括中枢神经系统(例如，脊髓)和周围神经(例如，坐骨神经或面神经)。在根据本技术的一些实施例中，被三维打印的植入物装置不包括嵌入其中的细胞。

在根据本技术的一些实施例中，一种用于神经再生的生物相容性植入物制品包括外部壳体；多个束结构，其被设置在所述外部壳体内的内部区域中，其中所述多个束结构各自包括在近侧端和远侧端之间的中空区域，使得束结构被配置为促进和引导轴突沿着在所述近侧端和所述远侧端之间的所述束结构的至少一部分生长；和沿着所述外部壳体的多个可形成血管的通路，其中所述可形成血管的通路被配置为允许血管组织渗入所述植入物制品，使得所述植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够经由通过所述多个可形成血管的通路渗入到植入物制品中的血管组织交换到在多个束结构内的轴突来促进神经再生。

在根据本技术的一些实施例中，一种用于神经再生的生物相容性植入物制品包括多个束结构，该多个束结构各自包括一个或多个壁，该一个或多个壁围绕位于束结构近侧端和远侧端的两个开口之间的中空区域，其中所述多个束结构位于所述植入物制品的内部，并通过允许神经细胞的轴突进入束结构的所述中空区域并接触所述束结构的所述一个或多个壁以在所述两个开口之间的方向上生长来促进和引导轴突生长；和多个通道，该多个通道由所述植入物制品的外周上的孔形成，该孔穿过被设置在所述植入物制品内部的所述束结构中的至少一些，其中所述多个通路被配置为允许血管组织渗入所述植入物制品，使得所述植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够经由通过所述多个通道渗入所述植入物制品的血管组织交换到在所述多个束结构内的所述神经细胞的所述轴突来促进神经组织再生。

在根据本技术的一些实施例中，一种用于修复横断神经损伤的方法包括(a)在横断神经的至少一个截断端植入植入物制品，其中所述植入物制品包括外部壳体，在所述外部壳体内的内部区域中的多个束结构，和多个可形成血管的通路，以允许宿主血管网络渗入所述植入物制品，该植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够进行交换来促进神经再生；和(b)通过帮助神经纤维从横断神经的至少一个截断端生长到另一条横断神经的至少一个截断端来修复所述横断神经，以桥接所述横断神经之间的间隙。

本专利文件中描述的主题可以通过提供以下特征中的一个或多个的特定方式实现。

附图说明

图1A和1B示出了根据在此公开的技术的非功能化基于生理信息的植入物的示例实施例的示意图，其中示出了六角形中空束微结构。

图2A和2B示出了根据在此公开的技术的功能化基于生理信息的植入物的示例实施例的示意图，其中示出了六角形中空束微结构。

图3A和3B示出了根据在此公开的技术的异质性非功能化基于生理信息的植入物的示例实施例的示意图，其中示出了六角形中空束微结构，代表白质区域，以及内部蝶形区，代表中枢神经系统的灰质区域。

图4A和4B示出了根据在此公开的技术的异质性功能化基于生理信息的植入物的示例实施例的示意图，其中示出了六角形中空束微结构，代表白质区域，以及内部蝶形区，代表中枢神经系统的灰质区域。

图5A和5B示出了根据在此公开的技术的异质性非功能化基于生理信息的植入物的示例实施例的示意图，其中示出了六角形中空的有脊的束微结构，代表白质区域，以及内部蝶形区，代表中枢神经系统的灰质区域。

图6A和6B示出了根据在此公开的技术的异质性功能化基于生理信息的植入物的示例实施例的示意图，其中示出了六角形中空的有脊的束微结构，代表白质区域，以及内部蝶形区，代表中枢神经系统的灰质区域。

图7A和7B示出了根据在此公开的技术的异质性功能化基于生理信息的植入物的示例实施例的示意图，其中示出了六角形束微结构，具有限定区域硬度，代表白质区域，以及内部蝶形区，代表中枢神经系统的灰质区域。

图8示出了描绘在人体尺度(scale)下填充多种脊髓病变形态和病因的示例3D打印支架的一组图像。

图9示出了描绘多种示例神经植入物设计的一组图像和示意图，包括示例3D打印的真人大小的神经植入物。

图10示出了植入前，刚植入后，和植入2周后在手术神经修复部位拍摄的示例神经植入物的一组术中照片。

具体实施方式

目前，修复神经损伤，尤其是脊髓损伤(SCI)，仍然是临床领域最具挑战性的任务之一。根据国家脊髓损伤统计中心(NSCISC)2019年发布的最新报告，美国约有291,000名SCI患者，每年新增17,730例，给患者和护理人员带来了巨大的心理和经济成本。由于SCI造成的不利微环境，受损成人中的轴突缺乏自发性再生。目前还没有临床认可的治疗方法来促进SCI后的轴突再生和功能恢复。

组织工程方法已成为SCI的一种有希望的治疗策略。常规技术包括将多种细胞和胞间质材料移植到病变部位，从而为轴突再生提供更有利的环境。然而，这些细胞移植不为有方向的轴突生长提供任何引导，造成降低了最优功能恢复可能性的随机轴突朝向。带有线性通道的模板支架也被开发出来，以精确地引导轴突在病变部位线性生长。虽然在线性通道的引导下，伸过病变到达合适的远侧目标的轴突数量显著增加，但是存在反应性细胞层(RCL)和含有包裹支架的胶原的细胞外基质(ECM)，防止再生轴突离开支架通道并到达远侧宿主脊髓。这是体内植入物由于支架材料生物相容性差导致的常见问题。更重要的是，模板方法缺乏灵活性和能力来定制能完美配合(fit)SCI患者的病变部位的植入物。因此，仍然迫切需要可以为SCI患者的轴突再生和功能恢复提供最优引导和帮助的基于生理信息的植入物。

除SCI外，周围神经损伤每年需要约200000次手术。损伤由创伤，肿瘤，和其他疾病导致，并可能导致完全或部分瘫痪。目前，对完全神经横断后周围神经系统(PNS)损伤的修复策略包含在不引入张力的情况下缝合远侧和近侧神经末梢，或放置从身体其他部位获取的自体神经移植物(自体移植物)以治疗较大的缺损。自体移植是目前的“金标准(goldstandard)”，但需要额外的手术来获取移植物，并通常导致神经瘤的形成和供者部位的功能丧失。此外，自体供者移植物的总长度是有限的，尤其是在儿童中，因此限制了重新构建的选择。

组织工程的基本目标是创造能够替换或修复受损组织的材料。为此，人们希望组织工程化的构建体能模仿原生组织的架构。然而，目前的技术还不足以重新创建3D，跨越多个长度尺度，具有相互连接的孔隙和特征，并且由原生生物聚合物构建的复杂结构。

本文公开了用于可植入活体组织中的组织再生结构构建体的系统，方法，制品和组合物，其可以是3D生物打印的，并且其可以包括在打印期间被嵌入其中的功能元件。如本专利文件所述，本公开的结构构建体被称为“支架”，“植入物”，或“基于生理信息的植入物”。

在此公开的技术可以通过提供被设计为显著改善神经损伤患者的功能恢复的基于生理信息的植入物来解决上述和其他技术挑战。在一些实施例中，在此公开的技术包括系统和方法以(1)提供形状和尺寸与病变部位完美匹配的植入物；(2)提供可形成血管的通路，其允许宿主血管系统穿透植入物以进行氧气，营养物，和废物运输；(3)为束结构提供物理和机械引导，以促进轴突再生；(4)使用异物反应最小且减少可以偏转轴突生长的反应性细胞层的生物相容性材料；和/或(5)在植入物中直接嵌入功能元件，例如细胞，纳米颗粒，生长因子和/或其他生物分子，其具有仿生，局部和有组织的分布，作用是在病变部位重新连接断开的近侧端和远侧端神经末梢。在此公开的技术的实现方式可为神经损伤(例如周围神经损伤和脊髓损伤，目前尚无临床批准的治疗方法)的患者提供有效且特定于患者的治疗。

在一些实施例中，例如，装置包括基于生理信息的植入物制品(将细胞嵌入在内或不嵌入在内)，其可被实现以用于多种目的，包括用于修复患者受损神经的治疗目的，例如中枢神经系统(例如，脊髓)和周围神经系统(例如，坐骨神经或面神经)。在一些实施例中，以下五个特征或方面中的一个或多个包括在根据在此公开的技术的装置，方法和系统中。

I.基于生理信息的设计

例如磁共振成像(MRI)和计算机断层(CT)扫描之类的现代成像技术可用于确定患者病变部位的形状和尺寸。快速原型(例如，3D打印和生物打印)和其他生物制造技术可用于制造与病变部位完美匹配的基于生理信息的植入物。

II.束结构

健康原生脊髓白质中的轴突高度组织成束，以将信息和信号从喙端传输到尾端。因此，为了模拟这种组织，示例植入物制品和装置可以包括被称为“束结构”或“束微结构”的工程化的生物材料结构，其为轴突生长和再生提供引导，以便可以重新连接从病变部位近侧端到远侧端的信号道路。工程化的束结构使用生物相容性材料设计，以形成围绕两个开口(例如，有时称为束结构的近侧和远侧(开放)端)之间的中空内部的一个或多个壁。束结构的一个或多个壁可以被配置为不同的几何形状，使得神经细胞的轴突可以通过开放端中的至少一个进入，并在束结构的中空内部区域内接触该一个或多个壁的内侧，并在两个开口之间的方向上生长。例如，如果没有束结构，再生轴突可能会沿随机方向生长而没有足够的轴突到达远侧端，从而限制功能恢复。

III.可形成血管的通路

示例植入物制品和装置可包括微孔，作为植入物周边壳体上的可形成血管的通路，以允许并促进宿主血管系统穿透植入物以提供氧气，营养物，和废物的必要运输。可形成血管的通路是被配置在植入物外部(例如，周边壳体)上的开口。在一些实施例中，可形成血管的通路包括在植入物外部上的开口的模式化或非模式化阵列或排布，并通过被设置在植入物内的至少一些束结构。在一些实施例中，可形成血管的通路具有在植入物的外部上的开口的排布，并通过设置在植入物内的至少一些束结构。例如，经由束结构的3D打印技术可以产生通过束结构的可形成血管的通路的排布。可形成血管的结构可以维持植入物内细胞的活力，并获得长期功能恢复。

IV.生物相容性材料

生物相容性材料可用于构建植入物。在一些实施例中，例如，生物相容性材料包括水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性体[例如，聚(癸二酸甘油酯)及其与丙烯酸酯基团共轭的衍生物]，和导电聚合物[例如，聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐]。例如，所选择的聚合物材料具有生物相容性，因此植入物将引起最小的异物反应，并减少可阻碍轴突再生到束结构的反应性细胞层。它们也是可生物降解的，因此随着神经再生，生物材料可以被宿主再吸收。

V.功能元件

在一些实施例中，为了实现最优的神经再生，可将例如细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合物，和生物分子之类的功能元件嵌入束结构中，以进一步协助受损神经的再生。所述细胞类型包括但不限于诱导多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从这些干细胞分化的细胞(例如，iPSC衍生的神经祖细胞，iPSC衍生的少突胶质细胞)，和其他支持性细胞(例如内皮细胞，雪旺(Schwann)细胞)。在一个实施例中，iPSC衍生的神经细胞可以与宿主轴突形成突触，并在病变部位重新连接先前断开的近侧端和远侧端。

下面描述了根据在此公开的技术的基于生理信息的植入物制品，装置，系统和方法的实施例和实现方式的多种示例。

示例实施例和实现方式

示例1：非功能化基于生理信息的植入物+束+可形成血管的通路

图1A和1B示出了非功能化(例如，非细胞的)基于生理信息的植入物制品的示例实施例的示意图，其被标记为100，具有中空束微结构101(图1A中的俯视图)，侧视图(图1B中)示出了示例非细胞的基于生理信息的植入物100周边壳体上的可形成血管的通路，放大的横截面图示出了每个中空束微结构101的六角形几何形状。

可使用来自磁共振成像(MRI)和计算机断层(CT)扫描的数据来设计植入物制品100(例如，包括中空束微结构)的结构和大小，以产生与病变部位完美匹配的特定于患者和个性化的植入物结构。例如，在其他生物制造方法中，产生示例植入物的制造方法可以包括快速原型技术。例如，由于例如基于数字光处理(DLP)的3D打印机之类的3D打印技术的更高的分辨率，制造速度，和适应建造高度复杂几何结构的能力，可以采用它们来制造所述植入物。适用于制造所述植入物的生物材料包括水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性材料(例如，聚(癸二酸甘油酯)，和导电聚合物(例如，聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)。

在一些特定实施例中，用于产生植入物的生物材料选择标准可包括：1)与宿主组织匹配的机械硬度，以最小化炎症反应并减少可阻碍宿主轴突再生的反应性细胞层，2)生物相容性，以减少异物免疫反应并增强再生级联，从而使宿主轴突细胞能够生长成束，3)生物降解性，从而随着时间的推移，植入物可以被宿主组织替换，和/或4)在手术和缝合过程中在机械方面符合处理要求。在一些实施例中，例如，与宿主组织匹配的植入物制品的机械硬度可被配置为在约10千帕(kPa)到约100,000kPa之间。对于多种实现方式，与宿主组织匹配的机械硬度的一些示例范围包括：约100kPa到约500kPa，约200kPa到约600kPa，约1,000kPa到约1,500kPa，约10kPa到约10,000kPa，约10,000kPa到约100,000kPa，约200kPa到约100,000kPa，约50kPa到约200kPa，约2,000kPa到约6,000kPa，或者约100kPa到约700kPa。

如图1A所示，示例非细胞的基于生理信息的植入物制品100包括植入物内部的束结构101，其被设计为用于促进和引导宿主轴突从近侧端到远侧端的生长。在图1A所示的示例非细胞的基于生理信息的植入物制品100中，束结构101具有六角形结构。然而，神经束结构可以是任何可以促进神经生长的中空结构。例如，在此公开的技术的束结构可以被配置为其他形状，包括但不限于三角形，正方形，矩形，五角形，六角形，七角形，八角形，椭圆形，或梯形几何形状，以用于根据本技术的多种组织工程应用。在一些实施例中，束结构101被配置为具有约0.01μm到约1000μm的直径。束结构101的直径范围的一些示例包括：约0.01μm到约10μm，约0.01μm到约100μm，约1μm到约10μm，约1μm到约100μm，约10μm到100μm，或者约10μm到1000μm。

此外，如图1B所示，示例非细胞的基于生理信息的植入物制品100包括沿着植入物外部壳体的被模式化的可形成血管的通路105，以允许宿主血管网络渗入植入物，并通过使营养物，氧气，和废物能够进行交换来改善神经再生。在一些实施例中，可形成血管的通路105被配置为具有约0.01μm到约1000μm之间的直径。例如，可形成血管的的通路105的直径范围可以是在约0.01μm到约10μm之间，约0.01μm到约100μm之间，约1μm到约10μm之间，约1μm到100μm之间，约10μm到100μm之间，或者约10μm到1000μm之间。

示例2：功能化基于生理信息的植入物+束+可形成血管的通路

图2A和2B示出了功能化基于生理信息的植入物制品的示例实施例的示意图，其被标记为200，示出了中空束微结构201(图2A中的俯视图)，以及侧视图(图2B中)示出了示例功能化基于生理信息的植入物200周边壳体上的可形成血管的通路，以及放大的横截面图示出了每个功能化束201的六角形几何形状。在图2A和2B中所示的示例实施例中，中空束微结构201具有六角形结构。

图2A和2B中所示的植入物制品200的示例实施例是包括功能化束的图1A-1B中的示例的衍生。例如，示例功能化基于生理信息的植入物200包括功能元件202，例如，包括但不限于细胞，生长因子，纳米颗粒，和其他生物分子，其可被嵌入束结构201内以进一步协助受损神经的再生。例如，细胞的存在可以通过与宿主轴突形成突触来帮助进一步的再生活动，以在整个植入物构建体中形成完全神经连接。可并入的细胞类型的示例包括但不限于诱导多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从这些干细胞分化的细胞(例如，iPSC衍生的神经祖细胞，iPSC衍生的少突胶质细胞)，和其他支持性细胞(例如，内皮细胞，雪旺细胞)。生长因子的示例包括但不限于神经营养因子，例如脑源性神经营养因子(BDNF)，血管内皮生长因子(VEGF)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，钙蛋白酶抑制剂MDL28170，和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。用于改善导电性和轴突生长的纳米颗粒的示例包括但不限于氮化硼纳米管，金纳米棒，碳纳米管，和石墨烯的压电性能。这种纳米颗粒还可以与聚合物混合，以形成导电纳米复合物，用于构建神经植入物并进一步协助轴突再生和连接。聚合物的示例包括但不限于，适用于制造所述植入物的生物材料包括水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性体材料(例如，聚(癸二酸甘油酯)，和导电聚合物(例如，聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)。

示例3：异质性非功能化基于生理信息的植入物+束+可形成血管的通路

图3A和3B示出了异质性非功能化(例如，非细胞的)基于生理信息的植入物制品的示例实施例的示意图，其被标记为300，示出了代表白质区域的中空束微结构301，以及代表中枢神经系统灰质区域的内部蝶形区303。在图3A和3B所示的示例实施例中，中空束微结构301具有六角形结构。图3A示出了示例异质性非功能化基于生理信息的植入物300的俯视图。图3B示出了示例异质性非细胞的基于生理信息的植入物300的侧视图，描绘了周边壳体上的可形成血管的通路305。图3B中所示是示出了每个中空束301的六角形几何形状的放大横截面图。在该示例中，灰质区域还可以包括由不同于白质区域的生物材料制备的被设计的微结构。例如，植入物制品(例如示例植入物300)具有包括不同生物材料的灰质区域和白质区域，影响了植入物制品300的异质性，并使其更准确地模拟其中嵌入植入物制品300的生物环境。

图3A和3B中示出的植入物制品300的示例实施例是图1A-1B中示例的衍生，其包括代表中枢神经系统内白质和灰质的异质性区域。在该示例中，植入物300的设计可用于实现对神经修复至关重要的更完全的再生功能，因为白质功能用于在神经元之间传输神经脉冲，而灰质功能用于控制肌肉和感觉活动。在该实施例中，异质性白质和灰质设计还用于创建更仿生的植入物，该仿生的植入物可用于通过并入其他所述生物材料来增强神经再生并改善植入物的机械完整性。例如，灰质可以由不同于周围白质区域的生物材料并结合内部微结构(例如，六角形束，实心的(solid)等)来制备。当灰质和白质区域包括不同的生物材料时，每个区域可具有不同的生物功能，因此，植入物制品300可用于模拟生物环境的异质性。

示例4：异质性功能化基于生理信息的植入物+束+可形成血管的通路

图4A和4B示出了异质性功能化基于生理信息的植入物制品的示例实施例的示意图，其被标记为400，示出了代表白质区域的中空束微结构401以及代表中枢神经系统灰质区域的内部蝶形区403。在图4A和4B所示的示例实施例中，中空束微结构401具有六角形结构。图4A示出了示例异质性功能化基于生理信息的植入物400的俯视图。图4B示出了示例异质性基于生理信息的植入物400的侧视图，其中描绘了周边壳体上的可形成血管的通路405。图4B中所示是示出了每个中空束401的六角形几何形状的放大横截面图。在该示例中，灰质区域也可以是功能化的，并包括由不同于白质区域的生物材料制备的被设计的束微结构401。

图4A和4B中示出的植入物制品400的示例实施例是图3A-3B中示例的衍生，其包括植入物400的功能化，以重现中枢神经系统白质和灰质区域内生物化学上的区别和不同的细胞群。如图4B所示，植入物制品400包括功能元件402，包括但不限于细胞，生长因子，纳米颗粒，和其他生物分子，其可被嵌入束结构内以进一步协助受损神经的再生。例如，细胞的存在可以通过与宿主轴突形成突触来帮助进一步的再生活动，以在整个植入物构建体中形成完全神经连接。可并入的细胞类型的示例包括但不限于诱导多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从这些干细胞分化的细胞(例如，iPSC衍生的神经祖细胞，iPSC衍生的少突胶质细胞)，和其他支持性细胞(例如，内皮细胞，雪旺细胞)。生长因子的示例包括但不限于神经营养因子，例如脑源性神经营养因子(BDNF)，血管内皮生长因子(VEGF)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，钙蛋白酶抑制剂MDL28170，和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。用于改善导电性和轴突生长的纳米颗粒的示例包括但不限于氮化硼纳米管，金纳米棒，碳纳米管，和石墨烯的导电和/或压电性能。这种纳米颗粒还可以与聚合物混合，以形成导电纳米复合物，用于构建神经植入物并进一步协助轴突再生和连接。聚合物的示例包括但不限于，适用于制造所述植入物的生物材料包括水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性体材料(例如，聚(癸二酸甘油酯)，和导电聚合物(例如聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯)。

示例5：异质性非功能化基于生理信息的植入物+有脊的束+可形成血管的通路

图5A和5B示出了异质性非功能化(例如，非细胞的)基于生理信息的植入物制品的示例实施例的示意图，被标记为500，示出了代表白质区域的中空有脊的束微结构501，以及代表中枢神经系统灰质区域的内部蝶形区503。在图5A和5B所示的示例实施例中，中空束微结构501具有六角形结构。图5A示出了示例异质性非功能化(例如，非细胞的)基于生理信息的植入物500的俯视图。图5B示出了示例异质性非细胞的基于生理信息的植入物500的侧视图，其示出了周边壳体上的可形成血管的通路505。图5B中所示是示出了每个中空有脊的束501的六角形几何形状的放大横截面图。所示的灰质区域还可以包括由不同于白质区域的生物材料制备的被设计的微结构。

图5A和5B中示出的植入物制品500的示例实施例是图3A-3B中示例的衍生，其包括每个中空束微结构501内部表面内的纳米结构或微结构脊506。脊506被设计为提供物理引导提示，以进一步促进宿主轴突沿着植入物制品500的近侧端到远侧端的有方向的生长。在植入物制品500的一些实现方式中，脊506被3D打印到中空束微结构501上。在一些实施例中，脊506可被配置为厚度在约0.001μm到约500μm之间。例如，在约0.001μm到约1μm之间，0.001μm到约10μm之间，约0.001μm到约100μm之间，约0.001μm到约200μm之间，约0.001μm到约300μm之间，约0.001μm到约400μm之间，约1μm到约10μm之间，约1μm到约100μm之间，约1μm到约200μm之间，约1μm到约300μm之间，约1μm到约400μm之间，约100μm到约200μm之间，约100μm到约300μm之间，约100μm到约400μm之间，或者约100μm到约500μm之间。

示例6：异质性功能化基于生理信息的植入物+有脊的束+可形成血管的通路

图6A和6B示出了异质性功能化基于生理信息的植入物制品的示例实施例的示意图，其被标记为600，示出了中空有脊的束微结构601，代表白质区域，以及内部蝶形区603，代表中枢神经系统的灰质区域。在图6A和6B中所示的示例实施例中，中空束微结构601具有六角形结构。图6A示出了示例异质性功能化基于生理信息的植入物600的俯视图。图6B示出了示例异质性功能化基于生理信息的植入物600的侧视图，其示出了周边壳体上的可形成血管的通路605。图6B中所示是示出每个功能化束601的六角形几何形状的放大横截面图。灰质区域也可以是功能化的，并包括由不同于白质区域的生物材料制备的被设计的微结构。

图6A和6B中示出的植入物制品600的示例实施例是图5A-5B中示例的衍生，其包括植入物600的功能化，以重现中枢神经系统白质和灰质区域内生物化学上的区别和不同的细胞群。如图6B所示，示例异质性功能化基于生理信息的植入物制品600包括功能元件602，包括但不限于细胞，生长因子，纳米颗粒，和其他生物分子，其可被嵌入束结构内以进一步协助受损神经的再生。例如，细胞的存在可以通过与宿主轴突形成突触来帮助进一步的再生活动，以在整个植入物构建体中形成完全神经连接。可并入的细胞类型的示例包括但不限于诱导多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从这些干细胞分化的细胞(例如，iPSC衍生的神经祖细胞，iPSC衍生的少突胶质细胞)，和其他支持性细胞(例如，内皮细胞，雪旺细胞)。生长因子的示例包括但不限于神经营养因子，例如脑源性神经营养因子(BDNF)，血管内皮生长因子(VEGF)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，钙蛋白酶抑制剂MDL28170，和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。用于改善导电性和轴突生长的纳米颗粒的示例包括但不限于氮化硼纳米管，金纳米棒，碳纳米管，和石墨烯的导电和/或压电性能。这种纳米颗粒还可以与聚合物混合，以形成导电纳米复合物，用于构建神经植入物并进一步协助轴突再生和连接。聚合物的示例包括但不限于，适用于制造所述植入物的生物材料包括水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性体材料(例如，聚(癸二酸甘油酯)，和导电聚合物(例如聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯)。

示例7：异质性功能化基于生理信息的植入物+束的限定局部硬度+可形成血管的通路

图7A和7B示出了异质性功能化基于生理信息的植入物制品的示例实施例的示意图，其被标记为700，示出了代表白质区域的有脊的束微结构701，以及代表中枢神经系统灰质区域的内部蝶形区703。在图7A和7B所示的示例实施例中，中空束微结构701具有六角形结构。图7A示出了示例异质性功能化基于生理信息的植入物700的俯视图。图7B示出了示例异质性功能化基于生理信息的植入物700的侧视图，其示出了周边壳体上的可形成血管的通路705。

图7B中所示是示出了使用基于灰度DLP的3D打印形成的每个功能化束701的六角形几何结构的放大横截面图，以结合局部硬区域和软区域作为物理引导提示。在一些实施例中，硬区域和软区域由相同的生物材料制成，但基于影响区域中材料的硬度或软度的聚合物交联密度，将其分类为“硬”或“软”。将一个区域指定为“软”或“硬”与邻近区域的密度有关。例如，如果密度为100kPa的第一区域邻近于密度为1000kPa的第二区域，则该第一区域为“软”，第二区域则被视为“硬”。然而，如果密度为100kPa的第一区域邻近于密度为10kPa的第二区域，则该第一区域被视为“硬”，其中，在这种情况下，第二区域将被视为“软”。在一些实施例中，软区域的密度为约10kPa，约100kPa，和约1000kPa，其中软区域的密度小于邻近区域的密度。在一些实施例中，硬区域的密度为约10kPa，约100kPa，和约1000kPa，其中硬区域的密度大于邻近区域的密度。在一些实施例中，用于并入局部硬区域和软区域的3D打印过程改变用于制造硬区域和软区域的聚合物的交联密度。细胞因此沿着硬区域和软区域之间的界面生长，从而赋予细胞生长方向(例如，沿着硬区域和软区域的界面)。灰质区域也可以是功能化的，并包括由不同于白质区域的生物材料制备的被设计的微结构。

图7A和7B中示出的植入物制品700的示例实施例是图4A-4B中示例的衍生，其包括每个束内限定区域硬度和所述植入物的功能化，以重现中枢神经系统白质和灰质区域内生物化学上的区别和不同的细胞群。如图7B所示，可以使用基于灰度DLP的3D打印技术来制造中空束微结构701的限定局部硬度(与硬周边和软内部相关)。例如，具体地，灰度光投影能够直接控制同一投影数字模式内的局部光强度，使得与造成较软区域的较低光强度相比，接收较高光强度的区域产生较硬的区域。这些区别的硬/软区域提供物理机械引导提示，以促进从植入物的近侧端到远侧端的嵌入细胞和宿主轴突的有方向的生长。在根据植入物制品700的示例实施例的一些实现方式中，例如，细胞沿着硬区域和软区域之间的界面生长。

如图7B所示，示例异质性功能化基于生理信息的植入物制品700包括功能元件702，包括但不限于细胞，生长因子，纳米颗粒，和其他生物分子，其可被嵌入束结构内以进一步协助受损神经的再生。例如，细胞的存在可以通过与宿主轴突形成突触来帮助进一步的再生活动，以在整个植入物构建体中形成完全神经连接。在图7B所示的异质性功能化基于生理信息的植入物制品700的示例中，功能元件702代表具有被细胞壁(外圈)围绕的细胞核(内圈)的细胞。可并入的细胞类型的示例包括但不限于诱导多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从这些干细胞分化的细胞(例如，iPSC衍生的神经祖细胞，iPSC衍生的少突胶质细胞)，和其他支持性细胞(例如，内皮细胞，雪旺细胞)。生长因子的示例包括但不限于神经营养因子，例如脑源性神经营养因子(BDNF)，血管内皮生长因子(VEGF)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，钙蛋白酶抑制剂MDL28170，和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。用于改善导电性和轴突生长的纳米颗粒的示例包括但不限于氮化硼纳米管，金纳米棒，碳纳米管，和石墨烯的导电和/或压电性能。这种纳米颗粒还可以与聚合物混合，以形成导电纳米复合物，用于构建神经植入物并进一步协助轴突再生和连接。聚合物的示例包括但不限于，适用于制造所述植入物的生物材料包括水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性体材料(例如，聚(癸二酸甘油酯)，和导电聚合物(例如聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯)。

示例应用：脊髓损伤修复

本专利文件中所公开的植入物制品的示例实施例的一项应用是治疗脊髓损伤，目前尚无临床批准的促进轴突再生和功能恢复的疗法。结合3D生物打印技术，可以快速打印出不同尺寸和不规则形状的特定于患者的植入物，以符合磁共振成像(MRI)上可以被确定的个体患者病变部位。图8示出了符合多种人体损伤腔形态的3D生物打印植入物的示例。

图8示出了描绘在人体尺度下填充多种脊髓病变形态和病因的示例3D打印支架的一组图像。图8的(a)组示出了针对4cm长的病变打印的支架的纵向视图(也在b1中示出)。图8的(b)组示出了基于MRI针对多种病变形态打印的支架，包括(b1，3)形成不规则形状的中央挫伤病变，和(b2)刀切病变。在图8的(b)组中，左列表示矢状的颈椎中段MRI图像(b1-2：T2加权，b3：T1加权)；病变部位用红线表示。在图8的(b)组中，左起第二列表示已开发出与病变形状相对应的3D模型。在图8的(b)组中，左起第三列表示3D打印支架。在图8的(b)组中，右列示出了在病变腔中叠加(overlay)被打印的支架设计。

应用示例：周围神经修复

在此公开的技术的另一个示例性应用是修复周围神经损伤，其有时需要枝状神经植入物。结合3D生物打印，例如，可以快速打印多种形状的神经植入物，以连接受损神经(如图9所示)，例如简易的中空导管，具有多个微通道的导管，枝状导管，以及用于人体面神经修复的解剖学上适合尺寸的仿生导管。

图9示出了描绘多种示例神经植入物设计((a)组的左列)和相应的3D打印植入物((a)组的右列)的一组图像和示意图，包括示例3D打印的真人大小的神经植入物(如(b)组的下图所示，如(b)组的示意图所示)。

由图9中示出的示例数据所展示的，左列示出了神经植入物的CAD设计，右列示出了3D打印的神经植入物。用表征为颧支，颊支，下颌边缘支，和颈支的解剖学上适合大小的神经植入物(例如，5.5cm长)重现复杂的枝状人体面神经结构(图9b)。在一些实施例中，植入物的大小基于损伤的大小和/或治疗需求而变化。相信，这种复杂度如此之高，尺度如此之大的神经植入物以前从未实现过。

如图10所示的示例数据所展示的，3D打印的神经植入物可以很容易地用于引导体内神经再生。在本实现方式中，例如，在神经元特定(Thy-1)启动子下，将完全坐骨神经横断引入表达青色荧光蛋白(CFP)的转基因小鼠。横断后，神经的近侧端和远侧端收缩，形成大约4mm的神经间隙。然后植入3D打印的神经植入物，以连接与微通道对准的近侧和远侧神经末梢。

图10示出了植入前，刚植入后和植入2周后在手术神经修复部位拍摄的示例神经植入物(例如，明视野/CFP荧光)的一组术中照片。图10的示例图像以明视野视图和CFP视图呈现了手术植入的过程，以突出显示神经。植入两周后，可以看到神经近侧段通过神经植入物内的横断间隙连接(蓝色箭头)。

用于组织工程的示例方法

在根据本技术的一些实施例中，所公开的可植入制品和装置可根据所公开的用于修复横断神经损伤的方法和其他组织工程手术实现。例如，在一些实施例中，该方法包括在横断神经的至少一个截断端附近植入本技术的植入物制品。在一些实施例中，该方法还包括通过帮助神经纤维从横断的神经的至少一个截断端生长到另一条横断神经的至少一个截断端，以桥接横断神经之间的间隙，从而修复横断神经。

在一些实施例中，横断神经包括周围神经。在一些实施例中，横断神经与脊髓损伤相关联。在一些实施例中，横断神经是坐骨神经。

在一些实施例中，该方法还包括通过磁共振成像(MRI)确定横断神经损伤的大小。在一些实施例中，该方法包括使用大小与横断神经损伤大小匹配的植入物制品。在一些实施例中，植入物制品的长度为约0.1cm至约20cm。例如，约0.1cm，约0.2cm，约0.3cm，约0.4cm，约0.5cm，约0.6cm，约0.7cm，约0.8cm，约0.9cm，约1cm，约2cm，约3cm，约4cm，约5cm，约6cm，约7cm，约8cm，约9cm，约10cm，约11cm，约12cm，约13cm，约14cm，约15cm，约16cm，约17cm，约18cm，约19cm，或者约20cm。

在一些实施例中，植入物具有一个或多个分支，以促进一个或多个横断神经的修复。在一些实施例中，植入物制品可以为一个，两个，三个，四个，五个，或更多分支。在一些实施例中，植入物制品为颧支，颊支，下颌边缘支，或颈支。

在一些实施例中，该方法还包括通过多个可形成血管的通路将一个或多个细胞，生长因子，或纳米颗粒引入植入物中，以有助于促进神经损伤修复。可并入的细胞类型的示例包括但不限于诱导多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从这些干细胞分化的细胞(例如，iPSC衍生的神经祖细胞，iPSC衍生的少突胶质细胞)，和其他支持性细胞(例如，内皮细胞，雪旺细胞)。生长因子的示例包括但不限于神经营养因子，例如脑源性神经营养因子(BDNF)，血管内皮生长因子(VEGF)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，钙蛋白酶抑制剂MDL28170，和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。用于改善导电性和轴突生长的纳米颗粒的示例包括但不限于氮化硼纳米管，金纳米棒，碳纳米管，和石墨烯的导电和/或压电性能。这种纳米颗粒还可以与聚合物混合，以形成导电纳米复合物，用于构建神经植入物并进一步协助轴突再生和连接。聚合物的示例包括但不限于，适用于制造所述植入物的生物材料包括水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性体材料(例如，聚(癸二酸甘油酯)，和导电聚合物(例如聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯)。

在一些实施例中，修复横断神经损伤的方法可能需要至少约1周，约5周，约10周，约20周，约30周，约1年，约2年，或更长时间。

在一些实施例中，该方法包括在神经修复完成后移除神经植入物。在一些实施例中，该方法包括将所述神经植入物留在受试者体内，其中神经植入物具有生物相容性且可生物降解。

示例

在根据本技术的多种示例实施例和实现方式中，所公开的植入物制品，装置，系统和方法可包括束结构，以引导轴突生长和周边壳体上的可形成血管的通路，以促进形成血管和与宿主循环接合。示例植入物的总体设计(包括尺寸和形状)可以通过例如磁共振成像(MRI)和计算机断层(CT)扫描之类的现代成像技术来知晓。示例植入物可以用聚合物材料来建造，例如水凝胶(例如，明胶，聚乙二醇，胶原，透明质酸，藻酸盐，及其与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，弹性体(例如，聚(癸二酸甘油酯)及其与丙烯酸酯基团共轭的衍生物)，和导电聚合物(例如，聚吡咯，聚苯胺，PEDOT:PSS或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)。所选聚合物材料具有生物相容性和可生物降解性，从而植入物将引起最小的异物反应，并减少可阻碍轴突再生到束结构的反应性细胞层。可以将例如细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合物(例如，与功能化纳米颗粒混合的聚合物)，和其他生物分子之类的功能元件嵌入束结构，以进一步协助受损神经的再生。细胞类型可包括但不限于诱导多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从这些干细胞分化的细胞(例如，iPSC衍生的神经祖细胞，iPSC衍生的少突胶质细胞)，和其他支持性细胞(例如，内皮细胞，雪旺细胞)。示例植入物可以使用快速原型技术(例如，3D打印和生物打印)以及其他常规微加工和生物加工技术(例如，模塑)制造。

在一个实施例中，例如，束结构可包括一丛中空六角形微通道，其被设计为用于引导受损神经中轴突的生长。可形成血管的的通路可以包括周边壳体上的微孔，其允许宿主血管生长到植入物中并使植入物形成血管。在一些实施例中，例如，束结构可以填充有可以连接受损神经或进一步促进病变部位的神经再生的功能元件，例如细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合物(例如，与功能化纳米颗粒混合的导电聚合物)，和其他生物分子。功能元件的示例可在制造植入物后手动填充到束结构中，或在生物制造过程中(例如，用细胞直接进行生物打印)直接嵌入束结构中。在本示例中，可使用生物打印以预定义的分布模式(例如，多种细胞类型的异质性分布，生长因子的梯度分布)直接模式化或嵌入功能元件(例如，细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合物，和其他生物分子)，以协助和引导轴突再生。在一些实施例中，例如，在束通道的内壁上设计了微型脊，其可作为物理引导，以与再生轴突对准，使其从病变部位的近侧端生长到远侧端。在一些实施例中，例如，3D生物打印，尤其是基于数字光处理的生物打印，可用于在制造束结构的同时调整局部硬度，并提供机械硬度界面，从而引导和再生轴突以从病变部位的近侧端生长到远侧端。

在根据本技术的一些实施例(示例1)中，一种用于神经再生的生物相容性植入物制品，包括：外部壳体；多个束结构，其被设置在所述外部壳体内的内部区域中，其中所述多个束结构各自包括在近侧端和远侧端之间的中空区域，使得束结构被配置为促进和引导轴突沿着在所述近侧端和所述远侧端之间的所述束结构的至少一部分生长；和沿着所述外部壳体的多个可形成血管的通路，其中所述可形成血管的通路被配置为允许血管组织渗入所述植入物制品，使得所述植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够经由通过所述多个可形成血管的通路渗入到植入物制品中的血管组织交换到在多个束结构内的轴突来促进神经再生。

示例2包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个的形状包括圆形，三角形，矩形，五角形，六角形，七角形，八角形，椭圆形，或梯形几何形状之一，或任意几何形状。

示例3包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述外部壳体被构造为包括灰质区域和白质区域，该灰质区域和白质区域包括不同的生物材料以模拟生物系统的异质性。

示例4包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个的直径范围为0.01μm到1,000μm。

示例5包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述可形成血管的通路的直径范围为0.01μm到1,000μm。

示例6包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述植入物制品是非功能化的。

示例7包括示例1-5或8-15中任一所述的植入物制品，其中所述植入物制品通过嵌入在所述多个束结构中的至少一些中的功能元件进行功能化。

示例8包括示例7所述的植入物制品，其中所述功能元件包括细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合物，或其他生物分子中的一种或多种，其中所述功能元件能够进一步协助受损神经的再生。

示例9包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述外部壳体被构造为包括内部蝶形区，以允许所述植入物制品内的活物的中枢神经系统的灰质区域。

示例10包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述多个束结构包括局部硬和软区域，为神经生长提供物理引导提示。

示例11包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中使用来自磁共振成像(MRI)和计算机断层(CT)扫描的数据来设计所述植入物制品的结构和大小，以产生与神经组织的病变部位完美匹配的特定于患者的且个性化的植入物结构。

示例12包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述植入物制品可由3D打印产生。

示例13包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述植入物制品可使用包括水凝胶，弹性材料，或导电聚合物中一种或多种的生物材料来产生。

示例14包括示例1-15中任一所述的植入物制品，其中所述多个束结构是中空的，并且还包括沿着所述多个束结构的内部的脊，以促进和引导轴突沿着束结构的至少一部分从近侧端到远侧端生长。

示例15包括示例1-14中任一所述的植入物制品，其中所述脊的厚度在约0.001μm到约500μm之间。

在根据本技术的一些实施例(示例16)中，一种用于神经再生的生物相容性植入物制品，包括：多个束结构，该多个束结构各自包括一个或多个壁，该一个或多个壁围绕位于束结构近侧端和远侧端的两个开口之间的中空区域，其中所述多个束结构位于所述植入物制品的内部，并通过允许神经细胞的轴突进入束结构的所述中空区域并接触所述束结构的所述一个或多个壁以在所述两个开口之间的方向上生长来促进和引导轴突生长；和多个通道，该多个通道由所述植入物制品的外周上的孔形成，该孔穿过被设置在所述植入物制品内部的所述束结构中的至少一些，其中所述多个通道被配置为允许血管组织渗入所述植入物制品，使得所述植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够经由通过所述多个通道渗入所述植入物制品的血管组织交换到在所述多个束结构内的所述神经细胞的所述轴突来促进神经组织再生。

示例17包括示例16-28中任一所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个都被构造为形状包括圆形，三角形，矩形，五角形，六角形，七角形，八角形，椭圆形，或梯形几何形状之一，或任意几何形状。

示例18包括示例16-28中任一所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个的直径范围为0.01μm到1,000μm。

示例19包括示例16-28中任一所述的植入物制品，其中所述多个通道的所述孔的直径范围为0.01μm到1,000μm。

示例20包括示例16-28中任一示例的植入物制品，其中所述多个束结构包括沿着所述多个束结构的所述一个或多个壁的内侧的脊，以促进和引导在所述束结构的所述近侧端和所述远侧端之间的所述轴突生长。

示例21包括示例20中的植入物制品，其中所述脊的厚度在约0.001μm到约500μm之间。

示例22包括示例16-28中任一示例的植入物制品，还包括嵌入所述多个束结构中的至少一些内的一个或多个功能元件以进一步协助所述神经组织再生，其中所述功能元件包括细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合结构，或一个或多个生物分子中的一个或多个。

示例23包括示例16-28中任一示例的植入物制品，其中所述束结构被布置在所述植入物制品的内部以形成内部蝶形区，该内部蝶形区允许活物的中枢神经系统的灰质区域占据所述植入物制品的所述内部蝶形区。

示例24包括示例16-28中任一示例的植入物制品，其中所述多个束结构被构造为具有局部硬区域和软区域，为神经生长提供物理引导提示。

示例25包括示例24的植入物制品，其中所述局部硬区域和软区域是基于聚合物交联密度创建的，该聚合物交联密度影响所述多个束结构的所述区域中的材料的相对硬度或软度。

示例26包括示例16-28中任一示例的植入物制品，其中所述植入物制品包括一种或多种生物材料，该一种或多种生物材料包括水凝胶，弹性材料，或导电聚合物中的一种或多种。

示例27包括示例16-28中任一示例的植入物制品，其中使用来自磁共振成像(MRI)和计算机断层(CT)扫描的数据来设计所述植入物制品的结构和大小，以产生与所述神经组织的病变部位相匹配的特定于患者的且个性化的植入物结构。

示例28包括示例16-27中任一示例的植入物制品，其中所述植入物制品可通过3D打印产生。

在根据本技术的一些实施例(示例29)中，一种用于修复横断神经损伤的方法，所述方法包括：(a)在横断神经的至少一个截断端植入植入物制品，其中所述植入物制品包括：外部壳体，在所述外部壳体内的内部区域中的多个束结构，所述多个束结构能够促进和引导宿主轴突沿着所述束结构的至少一部分从近侧端到远侧端生长，和沿着所述外部壳体的多个可形成血管的通路，所述可形成血管的通路能够允许宿主血管网络渗入所述植入物制品，该植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够进行交换来促进神经再生；和(b)通过帮助神经纤维从横断神经的至少一个截断端生长到另一条横断神经的至少一个截断端来修复所述横断神经，以桥接所述横断神经之间的间隙。

示例30包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述横断神经包括周围神经。

示例31包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述横断神经与脊髓损伤相关联。

示例32包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述横断神经为坐骨神经。

示例33包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述植入物制品的大小基于所述横断神经损伤的大小而变化。

示例34包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述植入物制品具有一个或多个分支，以促进修复一个或多个横断神经损伤。

示例35包括示例29-41中任一所述的方法，还包括通过磁共振成像(MRI)确定所述横断神经损伤的大小。

示例36包括示例29-41中任一所述的方法，其中通过所述多个可形成血管的通路将细胞，生长因子，或纳米颗粒中的一个或多个引入所述植入物制品。

示例37包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述细胞选自多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从干细胞分化的细胞，和其他支持性细胞。

示例38包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述从干细胞分化的细胞包括iPSC衍生的神经祖细胞和iPSC衍生的少突胶质细胞。

示例39包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述其他支持性细胞包括内皮细胞和雪旺细胞。

示例40包括示例29-41中任一所述的方法，其中所述生长因子选自神经营养因子(BDNF)，血管内皮生长因子(VEGF)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，钙蛋白酶抑制剂MDL28170，和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。

示例41包括示例29-40中任一所述的方法，其中所述纳米颗粒选自氮化硼纳米管，金纳米棒，碳纳米管，和石墨烯。

旨在将本说明书和附图仅认为是示例性的，其中示例性指示例。如本文所用，除非上下文另有明确表示，否则单数形式“一(a)”，“一(an)”和“所述(the)”也旨在包括复数形式。此外，除非上下文另有明确表示，否则“或”的使用旨在包括“和/或”。

尽管本专利文件包含许多细节，但这些细节不应被解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是对可能特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。本专利文件中在不同的实施例的情境中描述的某些特征也可以在单个实施例中以组合方式实现。相对地，在单个实施例的情境中描述的多个特征也可以在不同的多个实施例中实现，或者以任何适合的子组合实现。此外，尽管上面可以将特征描述为以特定组合起作用，甚至最初被声称为这样，但在一些情况下，可以将所声称的组合中的一个或多个特征从该组合中删除，并且所声称的组合可以被用于子组合或子组合的变体。

类似地，虽然以特定顺序在附图中描绘了操作，但这不应被理解为要求按照所示的特定顺序或依次的顺序执行此类操作，或要求执行所有示出的操作，才获得想要的结果。此外，本专利文件中描述的实施例中的多种系统部件的分离不应被理解为在所有实施例中都要求这种分离。

仅描述了一些实现方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和说明的内容作出其他实现方式，增强和变化。

Claims (35)

1.一种用于神经再生的生物相容性植入物制品，包括：

外部壳体；

多个束结构，其被设置在所述外部壳体内的内部区域中，其中所述多个束结构各自包括在近侧端和远侧端之间的中空区域，使得束结构被配置为促进和引导轴突沿着在所述近侧端和所述远侧端之间的所述束结构的至少一部分生长；和

沿着所述外部壳体的多个可形成血管的通路，其中所述可形成血管的通路被配置为允许血管组织渗入所述植入物制品，使得所述植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够经由通过所述多个可形成血管的通路渗入到植入物制品中的血管组织交换到在多个束结构内的轴突来促进神经再生。

2.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个的形状包括圆形，三角形，矩形，五角形，六角形，七角形，八角形，椭圆形，或梯形几何形状之一，或任意几何形状。

3.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述外部壳体被构造为包括灰质区域和白质区域，该灰质区域和白质区域包括不同的生物材料以模拟生物系统的异质性。

4.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个的直径范围为0.01μm到1,000μm。

5.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述可形成血管的通路的直径范围为0.01μm到1000μm。

6.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述植入物制品是非功能化的。

7.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述植入物制品通过嵌入在所述多个束结构中的至少一些中的功能元件进行功能化。

8.根据权利要求7所述的植入物制品，其中所述功能元件包括细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合物，或其他生物分子中的一种或多种，其中所述功能元件能够进一步协助受损神经的再生。

9.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述外部壳体被构造为包括内部蝶形区，以允许所述植入物制品内的活物的中枢神经系统的灰质区域。

10.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述多个束结构包括局部硬和软区域，为神经生长提供物理引导提示。

11.根据权利要求1所述的植入物制品，其中使用来自磁共振成像(MRI)和计算机断层(CT)扫描的数据来设计所述植入物制品的结构和大小，以产生与神经组织的病变部位完美匹配的特定于患者的且个性化的植入物结构。

12.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述植入物制品可由3D打印产生。

13.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述植入物制品可使用包括水凝胶，弹性材料，或导电聚合物中一种或多种的生物材料来产生。

14.根据权利要求1所述的植入物制品，其中所述多个束结构是中空的，并且还包括沿着所述多个束结构的内部的脊，以促进和引导轴突沿着束结构的至少一部分从近侧端到远侧端生长。

15.根据权利要求14所述的植入物制品，其中所述脊的厚度在约0.001μm到约500μm之间。

16.一种用于神经再生的生物相容性植入物制品，包括：

多个束结构，该多个束结构各自包括一个或多个壁，该一个或多个壁围绕位于束结构近侧端和远侧端的两个开口之间的中空区域，其中所述多个束结构位于所述植入物制品的内部，并通过允许神经细胞的轴突进入束结构的所述中空区域并接触所述束结构的所述一个或多个壁以在所述两个开口之间的方向上生长来促进和引导轴突生长；和

多个通道，该多个通道由所述植入物制品的外周上的孔形成，该孔穿过被设置在所述植入物制品内部的所述束结构中的至少一些，其中所述多个通道被配置为允许血管组织渗入所述植入物制品，使得所述植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够经由通过所述多个通道渗入所述植入物制品的血管组织交换到在所述多个束结构内的所述神经细胞的所述轴突来促进神经组织再生。

17.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个都被构造为形状包括圆形，三角形，矩形，五角形，六角形，七角形，八角形，椭圆形，或梯形几何形状之一，或任意几何形状。

18.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述多个束结构中的每一个的直径范围为0.01μm到1,000μm。

19.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述多个通路的所述孔的直径范围为0.01μm到1,000μm。

20.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述多个束结构包括沿着所述多个束结构的所述一个或多个壁的内侧的脊，以促进和引导在所述束结构的所述近侧端和所述远侧端之间的所述轴突生长。

21.根据权利要求20所述的植入物制品，其中所述脊的厚度在约0.001μm到约500μm之间。

22.根据权利要求16所述的植入物制品，还包括嵌入所述多个束结构中的至少一些内的一个或多个功能元件以进一步协助所述神经组织再生，其中所述功能元件包括细胞，生长因子，纳米颗粒，纳米复合结构，或一个或多个生物分子中的一个或多个。

23.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述束结构被布置在所述植入物制品的内部以形成内部蝶形区，该内部蝶形区允许活物的中枢神经系统的灰质区域占据所述植入物制品的所述内部蝶形区。

24.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述多个束结构被构造为具有局部硬区域和软区域，为神经生长提供物理引导提示。

25.根据权利要求24所述的植入物制品，其中所述局部硬区域和软区域是基于聚合物交联密度创建的，该聚合物交联密度影响所述多个束结构的所述区域中的材料的相对硬度或软度。

26.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述植入物制品包括一种或多种生物材料，该一种或多种生物材料包括水凝胶，弹性材料，或导电聚合物中的一种或多种。

27.根据权利要求16所述的植入物制品，其中使用来自磁共振成像(MRI)和计算机断层(CT)扫描的数据来设计所述植入物制品的结构和大小，以产生与所述神经组织的病变部位相匹配的特定于患者的且个性化的植入物结构。

28.根据权利要求16所述的植入物制品，其中所述植入物制品可通过3D打印产生。

29.一种用于修复横断神经损伤的方法，所述方法包括：

(a)在横断神经的至少一个截断端植入植入物制品，其中所述植入物制品包括：

外部壳体，

在所述外部壳体内的内部区域中的多个束结构，所述多个束结构能够促进和引导宿主轴突沿着所述束结构的至少一部分从近侧端到远侧端生长，和

沿着所述外部壳体的多个可形成血管的通路，所述可形成血管的通路能够允许宿主血管网络渗入所述植入物制品，该植入物制品使营养物，氧气，和/或废物能够进行交换来促进神经再生；和

(b)通过帮助神经纤维从横断神经的至少一个截断端生长到另一条横断神经的至少一个截断端来修复所述横断神经，以桥接所述横断神经之间的间隙。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述植入物制品具有一个或多个分支，以促进修复一个或多个横断神经损伤。

31.根据权利要求29所述的方法，还包括通过磁共振成像(MRI)确定所述横断神经损伤的大小。

32.根据权利要求29所述的方法，其进一步包括在植入之前，通过所述多个可形成血管的通路将细胞，生长因子，或纳米颗粒中的一个或多个引入所述植入物制品。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述细胞选自多能干细胞(iPSC)，胚胎干细胞，间充质干细胞，从干细胞分化的细胞，和其他支持性细胞。

34.根据权利要求32所述的方法，其中所述生长因子选自神经营养因子(BDNF)，血管内皮生长因子(VEGF)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，钙蛋白酶抑制剂MDL28170，和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。

35.根据权利要求32所述的方法，其中所述纳米颗粒选自氮化硼纳米管，金纳米棒，碳纳米管，和石墨烯。

Images