(57)【要約】  それらの上に複数の開口部を有する、二次元材料、特に、グラフェン系材料は、様々な物質のための封入体に形成され、環境、特に、生物学的環境に（ｉｎ  ｖｉｖｏまたはｉｎ  ｖｉｔｒｏで）導入することができる。１種以上の選択された物質は環境中に放出することができ、環境からの１種以上の選択された物質は封入体に入ることができ、環境からの１種以上の選択された物質は封入体に入らないようにすることができ、１種以上の選択された物質は封入体の内部に保持することができ、またはそれらの組合せが可能である。封入体は、例えば、感覚応答パラダイムの実現を可能にすることができる。封入体は、例えば、その中に保持される、生細胞などの材料のための免疫隔離を提供することができる。
2017516745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質を封入する、有孔二次元材料を含んでなる封入体であって、前記物質は前記有孔二次元材料中の穴を通過することにより封入体の外部の環境に放出されるようになっている、封入体。
【請求項２】
２種以上の異なる物質を封入する請求項１に記載の封入体であって、前記異なる物質の総てが封入体の外部の環境に放出されるものではない、封入体。
【請求項３】
異なる物質が異なる速度および／または異なる相対濃度で封入体の外部の環境中に放出される、請求項２に記載の封入体。
【請求項４】
２種以上の異なる物質を封入する請求項１に記載の封入体であって、前記異なる物質の総てが封入体の外部の環境中に放出される、封入体。
【請求項５】
異なる物質が異なる速度および／または異なる相対濃度で放出される、請求項４に記載の封入体。
【請求項６】
前記封入体が２つ以上のサブコンパートメントを含んでなり、少なくとも１つのサブコンパートメントがそのサブコンパートメントの二次元材料中の穴を通じて封入体の外部の環境と直接流体連結している、請求項１に記載の封入体。
【請求項７】
各サブコンパートメントが有孔二次元材料を含んでなり、各サブコンパートメントが各サブコンパートメントの二次元材料中の穴を通じて、封入体の外部の環境と直接流体連結している、請求項６に記載の封入体。
【請求項８】
有孔二次元材料によって少なくとも一部が互いに隔てられている２つのサブコンパートメントに細分され、それらの２−サブコンパートメントが二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結しているようになっている、請求項１に記載の封入体。
【請求項９】
各々が二次元材料を含んでなる２−サブコンパートメントに細分され、それらのサブコンパートメントが二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結し、それらのサブコンパートメントの一方だけが封入体の外部の環境と直接流体連結している、請求項１に記載の封入体。
【請求項１０】
各々が二次元材料を含んでなる２−サブコンパートメントに細分され、それらのサブコンパートメントが二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結し、それらのサブコンパートメントの両方もまた封入体の外部の環境とも直接流体連結している、請求項１に記載の封入体。
【請求項１１】
各々が有孔二次元材料を含んでなる内側のサブコンパートメントおよび外側のサブコンパートメントを有し、前記内側のサブコンパートメントが前記外側のサブコンパートメント内に完全に収まり、前記内側および外側のコンパートメントが二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結し、前記内側のサブコンパートメントが封入体の外部の環境と直接流体連結していない、請求項１に記載の封入体。
【請求項１２】
各々が二次元材料を含んでなる複数のサブコンパートメントを有する請求項１に記載の封入体であって、前記サブコンパートメントが順次入れ子状になり、それらのサブコンパートメントの各々が、それが隣接するサブコンパートメント（単数または複数）と二次元材料中の穴を通じて直接流体連結し、最も外側のサブコンパートメントが封入体の外部の環境と直接流体連結し、残りの複数のサブコンパートメントが封入体の外部の環境と直接流体連結していない、封入体。
【請求項１３】
各々が二次元材料を含んでなる複数のサブコンパートメントに細分された封入体であって、各サブコンパートメントが１つ以上の隣接するサブコンパートメントと直接流体連結しているが、１つのサブコンパートメントだけが封入体の外部の環境と直接流体連結している、請求項１に記載の封入体。
【請求項１４】
二次元材料中の穴を通じて封入体の外部の環境に放出される封入体の内部の少なくとも１種の物質が薬物である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項１５】
二次元材料中の穴を通じて封入体の外部の環境に放出される封入体の内部の少なくとも１種の物質が薬物であり、前記二次元材料中の穴が１〜５０ｎｍのサイズの範囲である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項１６】
二次元材料中の穴を通じて封入体の外部の環境に放出される封入体の内部の少なくとも１種の物質が薬物であり、前記二次元材料中の穴が１〜１０ｎｍのサイズの範囲である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項１７】
前記封入体の内部の物質が細胞であり、前記二次元材料中の穴のサイズが、前記封入体の内部の細胞を保持しかつ免疫細胞および抗体を封入体の外部の環境から封入体に入らせないように選択される、請求項１に記載の封入体。
【請求項１８】
封入体が複数のサブコンパートメントに分割され、１つ以上のサブコンパートメントが細胞を含む、請求項１７に記載の封入体。
【請求項１９】
各々が有孔二次元材料を含んでなる内側のサブコンパートメントおよび外側のサブコンパートメントを有する請求項１７に記載の封入体であって、前記内側のサブコンパートメントが前記外側のサブコンパートメント内に完全に収まり、前記内側および外側のコンパートメントが前記内側のサブコンパートメントの二次元材料中の穴を通じて直接流体連結し、前記内側のサブコンパートメントが封入体の外部の環境と直接流体連結せず、前記外側のコンパートメントが封入体の外部の環境と直接流体連結している、封入体。
【請求項２０】
複数のサブコンパートメントを有し、それらの各々が有孔二次元材料を含んでなり、それらのサブコンパートメントの各々が１つ以上の隣接するサブコンパートメントと直接流体連結し、前記細胞が１つ以上の細胞収容サブコンパートメントの内部に存在し、それらの各々が封入体の外部の環境と直接流体連結していない、請求項１７に記載の封入体。
【請求項２１】
前記細胞が酵母または細菌の細胞である、請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２２】
前記細胞が哺乳動物細胞である、請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２３】
前記二次元材料中の穴のサイズが３〜１０ｎｍの範囲である、請求項１〜１３または１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２４】
前記二次元材料中の穴のサイズが３〜５ｎｍの範囲である、請求項１〜１３または１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２５】
前記二次元材料が多孔質基質上に支持される、請求項１〜１３または１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２６】
前記二次元材料がグラフェンである、請求項１〜１３または１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２７】
前記二次元材料がグラフェン系材料である、請求項１〜１３または１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２８】
前記二次元材料中の穴の少なくとも一部が官能化される、請求項１〜１３または１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項２９】
前記二次元材料の少なくとも一部が導電性であり、その導電性二次元材料の少なくとも一部に電圧が印加される、請求項１〜１３または１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体。
【請求項３０】
少なくとも１種の物質を含む、有孔二次元材料を含んでなる封入体を環境に導入すること、および
少なくとも１種の物質の少なくとも一部を前記二次元材料の穴を通じて前記封入体の外部の環境に放出すること
を含んでなる、方法。
【請求項３１】
前記環境が生物学的環境である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１種の物質の一部が薬物の状態で(in a drug)放出される、請求項３０または３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記封入体が前記封入体から放出されない細胞を含み、その一部が放出される前記少なくとも１種の物質が前記封入体中の前記細胞によって生成された物質である、請求項３０または３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
少なくとも１種の物質を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の封入体を環境中に導入すること、および
少なくとも１種の物質の少なくとも一部を前記二次元材料の穴を通じて前記封入体の外部の環境に放出すること
を含んでなる、方法。
【請求項３５】
請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の封入体を環境中に導入すること、および
少なくとも１種の物質の少なくとも一部を前記二次元材料の穴を通じて前記封入体の外部の環境に放出することを含んでなり、ここで、前記少なくとも１種の物質が前記封入体の内部の前記細胞によって生成された物質である、
方法。
【請求項３６】
少なくとも１種の第１の物質を含み有孔二次元材料を含んでなる封入体を環境に導入すること、および
その環境から第２の物質を前記封入体中に移動させること
を含んでなる、方法。
【請求項３７】
前記第１の物質が細胞であり、第２の物質が栄養素であり、別の第２の物質が酸素である、請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年３月１２日に出願された米国仮出願第６１／９５１，９２６号の利益を主張するものであり、かかる全体は引用することにより本明細書の一部とされる。
【０００２】
発明の背景
本開示は、全体として、生物学的環境での物質の輸送および送達、さらに詳しくは、カーボンナノ材料を使用した、物質の輸送および送達のための方法およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
免疫適格生物および免疫不適格生物の両方における薬物および細胞の送達は今日の医学研究および医療(practice)における実際の現在の問題である。現在の研究では、送達媒体としてポリマーデバイスおよびヒドロゲルを使用する。いくつかの例としては、不織ポリエステルメッシュの裏材を有するポリテトラフルオロエチレン、ケイ素、ヒドロゲル、アルギン酸塩、硫酸セルロース、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キトサンなどが挙げられる。現在の送達媒体およびデバイスは、生物付着、生体適合性問題、および応答遅延による障害がある。現状のデバイスの厚さでは、栄養素の拡散制限により内部に含まれる細胞が死滅したり、感知されている薬物もしくは分子の双方向輸送が遅延したりすることがあるため、効力が制限される可能性がある。低透過性もまた、少なくとも１つには、物理的ストレスおよび浸透圧ストレスから考えて厚さおよび機械的安定性の理由で問題となり得る。
【０００４】
上記の観点から、様々な条件下での、特に、生物学的環境での物質の輸送および送達のための改良された技術は、当技術分野においてかなり有益であろう。本開示はこの必要性を満たし、関連する利点も提供する。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、有孔グラフェンまたは他の有孔二次元材料から形成された封入体(enclosure)を記載する。それらの封入体は、それらの中に様々な物質を収容することができ、選択された物質の封入体内部へおよび内部からの双方向移動を可能にし、他の選択された物質をそれらの中に保持し、さらに別の選択された物質の封入体中への侵入を防ぐ。本発明のエンクロージャーは、１種以上の選択された物質を封入体の外部の環境中に放出するために、封入体の外部の環境からの１種以上の選択された物質の封入体中への侵入を可能にするために、外部環境からの１種以上の選択された物質の封入体中への侵入を阻止するかつ好ましくは防ぐために、封入体の内部の１種以上の選択された物質を保持する（出ていくのを阻止するもしくは好ましくは防ぐ）ために、またはこれらの用途の組合せに用いられ得る。穴または開口部のサイズまたはサイズの範囲は封入体の具体的な用途に基づいて選択される。用語封入体とは、少なくとも一部が有孔二次元材料、例えば、グラフェン系材料などによって形成された、１種以上の物質を受け入れるための空間を指し、その場合、封入体中の１種以上の物質は有孔二次元材料を通過することにより封入体を出ることができる。同様に、特定の実施態様では、外部環境からの１種以上の物質は有孔二次元材料を通過することにより封入体に入ることができる。具体的な実施態様では、外部環境は生物学的環境であり、それはｉｎ  ｖｉｖｏの生物学的環境またはｉｎ  ｖｉｔｒｏの生物学的環境であり得る。
【０００６】
実施態様では、封入体は、各サブコンパートメント(sub-compartment)が有孔二次元材料を含んでなる１つまたは２つ以上のサブコンパートメントを含んでなり、そのサブコンパートメントを形成する壁または側面の少なくとも一部は有孔二次元材料であるようになっている。流体連結は、封入体またはそのサブコンパートメントの内および／または外への１種以上の物質の選択的通過によって達成される。流体は、液体または気体であり得、連行ガスを有する流体を含む。物質は、溶解または懸濁され、そうでなければ流体中で運ばれ得る。流体は水性であり得る。サブコンパートメントは、隣接するサブコンパートメントまたは外部環境と直接流体連結し得る（その場合、隣接するサブコンパートメントは少なくとも１つの壁または側面を共有する）。ある実施態様では、１つ以上のサブコンパートメントは、外部環境と直接流体連結しないが、隣接するサブコンパートメントと直接流体連結し得る。封入体中の少なくとも１つのサブコンパートメントは外部環境と直接流体連結している。封入体はサブコンパートメントの様々な構成(configurations)を有し得る。サブコンパートメントは任意の形状を有し得る。サブコンパートメントは、例えば、球状、円筒状または直線状であり得る  ある実施態様では、サブコンパートメントは入れ子状にし得る。ある実施態様では、封入体は、複数の周辺のサブコンパートメントと壁または側面を共有する中央のサブコンパートメントを有し得る。ある実施態様では、サブコンパートメントは、封入体の内部に直線状に配列され得る。ある実施態様では、封入体は２−サブコンパートメントを含む。ある実施態様では、封入体は３つ、４つ、５つまたは６つのサブコンパートメントを含む。ある実施態様では、サブコンパートメントは別のサブコンパートメントの内部に完全に含まれ得、そこで、内側のサブコンパートメントは外側のサブコンパートメントと直接流体連結し、外側のサブコンパートメントは外部環境と直接流体連結している。この実施態様では、内側のサブコンパートメントは外部環境と直接よりむしろ間接的に流体連結している。封入体が複数のサブコンパートメントを含むある実施態様では、少なくとも１つのサブコンパートメントは外部環境と直接流体連結し、残りのサブコンパートメントは隣接するサブコンパートメントと直接流体連結するが総てが外部環境と直接流体連結し得るわけではない。封入体が複数のサブコンパートメントを含むある実施態様では、総てのサブコンパートメントは外部環境と直接流体連結し得る。
【０００７】
封入体は少なくとも１種の物質を封入する。ある実施態様では、封入体は２種以上の異なる物質を含み得る。異なる物質は同じまたは異なるサブコンパートメント中に存在し得る。ある実施態様では、封入体中の異なる物質の総てが封入体の外部の環境に放出されるものではない。ある実施態様では、封入体中の異なる物質の総てが外部環境に放出される。実施態様では、封入体から異なる物質が外部環境中に放出される速度(rate)は同じである。実施態様では、封入体から異なる物質が外部環境中に放出される速度は異なる。ある実施態様では、封入体から放出される異なる物質の相対量は同じでありまたは異なる。封入体からの物質の放出速度は、穴サイズの選択、穴の官能化または両方により制御し得る。
【０００８】
生物学的環境で物質を輸送および送達する方法もまた、本明細書に記載する。いくつかの実施態様では、それらの方法は、グラフェンまたは他の二次元材料から形成された封入体を生物学的環境中に導入すること、および、前記封入体中の物質の少なくとも一部をその生物学的環境に放出することを含み得る。いくつかまたは他の実施態様では、それらの方法は、グラフェンから形成された封入体を生物学的環境中に導入すること、および、その生物学的環境から物質を前記封入体中に移動させることを含み得る。
【０００９】
ある実施態様では、本発明は、少なくとも１種の物質を含み有孔二次元材料を含んでなる封入体を環境に導入すること、および、少なくとも１種の物質の少なくとも一部を前記二次元材料の穴を通じて前記封入体の外部の環境に放出することを含む方法を提供する。本明細書における任意の封入体は、この方法を用いることができる。
【００１０】
ある実施態様では、本発明は、少なくとも１種の第１の物質を含み有孔二次元材料を含んでなる封入体を環境に導入すること、および、その環境から第２の物質を前記封入体中に移動させることを含む方法を提供する。ある実施態様では、前記第１の物質は細胞であり、第２の物質は栄養素であり、別の第２の物質は酸素である。
【００１１】
上記は、以下の詳細な説明がより良く理解できるように、本開示の特徴をかなり広く概説した。本開示の追加の特徴および利点は、以下に記載する。これらおよび他の利点および特徴は、以下の説明からより明らかになるであろう。
【００１２】
本開示およびその利点をより完全に理解するために、ここで、本開示の具体的な実施態様を説明する添付の図面と合わせて以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、従来の薬物送達媒体およびデバイスと比較してグラフェン系材料の厚さを示す例示的な概略図を示す。この図はまた、生体組織と接触している、生物学的環境での本発明の実施態様を例示し、この場合、封入体は、有孔二次元材料の外部に１つ以上の支持材料を備え、そのような支持材料中への毛細血管新生の可能性を示す。
【図２Ａ−Ｄ】図２Ａ−Ｄは、本開示の様々な実施態様による有用な二次元材料から調製された封入体構成についての様々な構成の例示的な概略図を示す。
【図３Ａ−３Ｂ】図３Ａおよび３Ｂは、生細胞の免疫隔離のために実施される本発明の封入体の概略図である。
【図４Ａ−Ｃ】図４Ａ−Ｃは、本発明の封入体の例示的な調製を示す。
【発明の具体的な説明】
【００１４】
本開示は、１つには、生物学的環境で物質を輸送および送達するためにグラフェン系材料および他の二次元材料を使用するための方法に向けられる。本開示はまた、１つには、封入体の外部の環境、特に、生物学的環境で送達媒体として役割を果たすことができる、多孔性または非多孔性であり得る好適な基質(substrate)（単数または複数）の上にあるまたはその全域に懸濁されたグラフェン系材料および他の二次元材料から形成された封入体に向けられる。本開示はまた、１つには、グラフェン系材料または他の二次元材料から形成された、細胞、医薬品および他の薬剤を含む封入体に向けられる。
【００１５】
グラフェンは、有望な機械的および電子的特性から複数の用途での使用のために広く関心を集めている。グラフェンは、炭素原子が規則正しい格子位置に近接した原子として存在する炭素の原子的薄層を表す。規則正しい格子位置はそれらの中に複数の欠陥が存在し得、それらの欠陥は自然に発生し得またはグラフェン基底面に意図的に導入され得る。そのような欠陥はまた、本明細書において「開口部」、「穿孔(perforations)」、または「穴」と同等に呼ぶ。用語「有孔グラフェン(perforated graphene)」は、欠陥が自然に存在するかまたは意図的に作出されたかには関係なくその基底面中に欠陥を有するグラフェンシートを表すために本明細書において使用されている。そのような開口部を除いて、グラフェンおよび他の二次元材料は多くの物質に対して不透過性の層となることができる。従って、適切なサイズである場合、そのような材料の不透過性層中の開口部は、不透過性層から形成された封入体への侵入および退出のために有用であり得る。
【００１６】
本開示は、生物または類似の生物学的環境で障壁（例えば、免疫隔離障壁）を維持しながら、対象をｉｎ  ｖｉｖｏまたはｉｎ  ｖｉｔｒｏの位置に送達することが可能な様々なグラフェン系封入体を企図する。生物学的環境に（例えば、生物体内に）細胞などを隔離しながら、半透膜、例えば、有孔グラフェンまたは他の二次元材料などを横断する双方向輸送を有する分子または細胞の封入により、移植片拒絶、薬物の反復投与の必要性、および過剰な外科的介入を克服するための治療を可能にすることができる。上記は、異種および同種組織移植、薬物の長期低用量治療レベル、さらに、外科的介入後に栄養物を与え、それによって同じ部位での複数回の手術からの合併症を減少させる感覚応答パラダイムを可能にする技術を提供することによって達成することができる。上記は本開示の特定の利点を表しているにすぎず、本明細書に記載する実施態様の範囲を限定すると考えるべきではないことを認識すべきである。
【００１７】
本発明者らは、有孔グラフェンおよび他の二次元材料は、現在の送達媒体およびデバイス、特に、免疫隔離デバイスの性能を超えながら上記を容易に促進することができることを認識した。グラフェンは、その独特の薄さ、強度、導電性（潜在的な電気刺激のため）、およびその中の穿孔の形での透過性により、上記を達成することができる。薄い特性と、後に起こる、グラフェン膜表面を横切る篩様の輸送特性により、同程度のサイズ性能のより厚いポリマー膜で見られる長期にわたる拡散と比べて破壊的な時間応答の実現が可能になり得る。
【００１８】
二次元材料は、最も一般的には、単層のサブナノメートルの厚さから数ナノメートルまでの厚さを有する原子的に薄いものであり、一般的に高い表面積を有する。二次元材料としては、金属カロゲニド(metal chalogenides)（例えば、遷移金属ジカロゲニド(transition metal dichalogenides)）、遷移金属酸化物、六方晶窒化ホウ素、グラフェン、シリコーンおよびゲルマネン（参照: Xu et al. (2013) “Graphene-like Two-Dimensional Materials） Chemical Reviews 113:3766-3798）が挙げられる。グラフェンは、炭素原子が、拡張ｓｐ２混成炭素平面格子を形成する縮合６員環の原子的に薄い単一シートまたは数層のシート（例えば、約２０以下）の内部に存在する炭素形態を表す。その様々な形態では、グラフェンは、主に、高い導電性および熱伝導性値、良好な面内機械的強度、ならびに独特の光学特性および電子特性の有望な組合せから複数の用途での使用のために広く関心を集めている。数ナノメートル以下の厚さと拡張平面格子を有する他の二次元材料もまた、様々な用途のために興味深い。ある実施態様では、二次元材料は０．３〜１．２ｎｍの厚さを有する。他の実施態様では、二次元材料は０．３〜３ｎｍの厚さを有する。
【００１９】
様々な実施態様では、前記二次元材料は、グラフェン系材料のシートを含んでなる。ある実施態様では、グラフェン系材料のシートは、単層もしくは多層グラフェンのシートまたは複数の相互接続された単層もしくは多層グラフェンドメインを含んでなるシートである。ある実施態様では、前記多層グラフェンドメインは２〜５層または２〜１０層を有する。ある実施態様では、グラフェン系材料のシートを含んでなる層は、グラフェン系材料のシートの表面に位置する非グラフェン炭素系材料をさらに含んでなる。ある実施態様では、非グラフェン炭素系材料の量はグラフェンの量より少ない。実施態様では、グラフェン系材料中のグラフェンの量は６０％〜９５％または７５％〜１００％である。
【００２０】
実施態様では、前記穿孔の特徴的なサイズは、０．３〜１０ｎｍ、１〜１０ｎｍ、５〜１０ｎｍ、５〜２０ｎｍ、１０ｎｍ〜５０ｎｍ、５０ｎｍ〜１００ｎｍ、５０ｎｍ〜１５０ｎｍ、１００ｎｍ〜２００ｎｍ、または１００ｎｍ〜５００ｎｍである。ある実施態様では、平均孔サイズは明記した範囲内である。実施態様では、シートまたは層中のパーフォレーションの７０％〜９９％、８０％〜９９％、８５％〜９９％または９０〜９９％は明記した範囲内に入るが、それ以外の孔は明記した範囲に入らない。
【００２１】
本明細書に記載する実施態様におけるグラフェンまたはグラフェン系材料の形成に使用される技術は、特に限定されるとは考えられない。例えば、いくつかの実施態様では、ＣＶＤグラフェンまたはグラフェン系材料を使用することができる。様々な実施態様では、ＣＶＤグラフェンまたはグラフェン系材料は、その成長基質（例えば、Ｃｕ）から離し、ポリマー裏打ちに転写することができる。同様に、グラフェンまたはグラフェン系材料に穿孔を導入するための技術もまた、所望のサイズ範囲内の穿孔を作出するように選択されること以外、特に限定されるとは考えられない。穿孔は、本明細書に記載するように、所与の用途のためにある種類（原子、分子、タンパク質、ウイルス、細胞など）の所望の選択的透過性を提供するようにサイズ設定される。選択的透過性は、１つ以上の種類を他の種類より容易にまたはより速く通過させる（または輸送する）ことを可能にする多孔性材料または有孔二次元材料の性質に関係する。選択的透過性は、異なる通過または輸送速度を示す種類の分離を可能にする。二次元材料では、選択的透過性は、開口部の寸法またはサイズ（例えば、直径）および種類の相対的有効サイズと相関する。グラフェン系材料などの二次元材料中の穿孔の選択的透過性はまた、穿孔の官能化（もしあれば）および分離される特定の種類にも依存し得る。混合物中の２つ以上の種類の分離は、混合物が有孔二次元材料を通って通過した後の混合物中の２つ以上の種類の比率（重量比またはモル比）の変化を含む。
【００２２】
グラフェン系材料としては、限定されるものではないが、単層グラフェン、多層グラフェンまたは相互接続された単層もしくは多層グラフェンドメインおよびそれらの組合せが挙げられる。ある実施態様では、グラフェン系材料はまた、単層または多層グラフェンシートを積み重ねることにより形成された材料を含む。実施態様では、多層グラフェンは、２〜２０層、２〜１０層または２〜５層が挙げられる。実施態様では、グラフェンは、グラフェン系材料中の主要な材料である。例えば、グラフェン系材料は、少なくとも３０％のグラフェン、または少なくとも４０％のグラフェン、または少なくとも５０％のグラフェン、または少なくとも６０％のグラフェン、または少なくとも７０％のグラフェン、または少なくとも８０％のグラフェン、または少なくとも９０％のグラフェン、または少なくとも９５％のグラフェンを含んでなる。実施態様では、グラフェン系材料は、選択されたグラフェンの範囲、３０％〜９５％、または４０％〜８０％  ５０％〜７０％、６０％〜９５％または７５％〜１００％を含んでなる。
【００２３】
本明細書で使用される場合、「ドメイン」とは、原子が結晶格子中に均一に配列された材料の領域を指す。ドメインは、その境界内で均一であるが、隣接領域とは異なる。例えば、単結晶材料は、配列された原子の単一ドメインを有する。ある実施態様では、グラフェンドメインの少なくともいくつかは、１〜１００ｎｍまたは１０〜１００ｎｍのドメインサイズを有するナノ結晶である。ある実施態様では、グラフェンドメインの少なくともいくつかは、１００ｎｍより大きく１ミクロンまで、または２００ｎｍ〜８００ｎｍ、または３００ｎｍ〜５００ｎｍのドメインサイズを有する。各ドメインの縁での結晶学的欠陥により形成された「結晶粒境界」により隣接結晶格子間は区別される。いくつかの実施態様では、第１の結晶格子は、第２の結晶格子に対して、２つの格子の「結晶格子配向」が異なるように、シートの面に垂直な軸の周りの回転により回転し得る。
【００２４】
ある実施態様では、グラフェン系材料のシートは、単層または多層グラフェンまたはそれらの組合せのシートを含んでなる。ある実施態様では、グラフェン系材料のシートは、単層または多層グラフェンまたはそれらの組合せのシートである。別の実施態様では、グラフェン系材料のシートは、複数の相互接続された単層または多層グラフェンドメインを含んでなるシートである。ある実施態様では、相互接続されたドメインは、共有結合により結合され、シートを形成している。シート中のドメインの結晶格子配向が異なる場合、そのシートは多結晶である。
【００２５】
実施態様では、グラフェン系材料のシートの厚さは０．３４〜１０ｎｍ、０．３４〜５ｎｍ、または０．３４〜３ｎｍである。ある実施態様では、グラフェン系材料のシートは本質的な欠陥を含んでなる。本質的な欠陥は、グラフェン系材料のシートまたはグラフェンのシート中に選択的に導入される穿孔に対し、グラフェン系材料の調製から生じるものである。このような本質的な欠陥としては、限定されるものではないが、格子異常、孔、裂け、亀裂またはしわが挙げられる。格子異常としては、限定されるものではないが、６員以外の炭素環（例えば、５員環、７員環または９員環）、空孔(vacancies)、格子間欠陥（格子中への非炭素原子の組込みを含む）、および結晶粒境界を挙げることができる。
【００２６】
ある実施態様では、グラフェン系材料のシートを含んでなる層は、グラフェン系材料のシートの表面に位置する非グラフェン炭素系材料をさらに含んでなる。ある実施態様では、前記非グラフェン炭素系材料は、長距離秩序(long range order)を有さず、非晶質として分類され得る。実施態様では、前記非グラフェン炭素系材料は、炭素および／または炭化水素以外の元素をさらに含んでなる。前記非グラフェン炭素中に組み込まれ得る非炭素元素としては、限定されるものではないが、水素、酸素、ケイ素、銅および鉄が挙げられる。実施態様では、前記非グラフェン炭素系材料は炭化水素を含んでなる。実施態様では、炭素は非グラフェン炭素系材料中の主要な材料である。例えば、非グラフェン炭素系材料は、少なくとも３０％の炭素、または少なくとも４０％の炭素、または少なくとも５０％の炭素、または少なくとも６０％の炭素、または少なくとも７０％の炭素、または少なくとも８０％の炭素、または少なくとも９０％の炭素、または少なくとも９５％の炭素を含んでなる。実施態様では、非グラフェン炭素系材料は、選択された炭素の範囲、３０％〜９５％、または４０％〜８０％、または５０％〜７０％を含んでなる。
【００２７】
孔が意図的に作られたこのようなナノ材料を、本明細書において、「有孔グラフェン」、「有孔グラフェン系材料」または「有孔二次元材料」と呼ぶ。本開示はまた、１つには、所与の封入体の用途に適当なサイズ（またはサイズ範囲）の複数の穴を有する有孔グラフェン、有孔グラフェン系材料および他の有孔二次元材料に向けられる。穴のサイズ分布は狭く、例えば、サイズの偏差１〜１０％またはサイズの偏差１〜２０％に制限され得る。ある実施態様では、穴の特徴的な寸法は、用途に向けて選択される。円形の穴の場合、特徴的な寸法は穴の直径である。非円形孔に関する実施態様では、特徴的な寸法は、穴に広がる最大距離、穴に広がる最小距離、穴に広がる最大距離と最小距離の平均、または孔の面内面積に基づいた相当直径とみなすことができる。本明細書で使用される場合、有孔グラフェン系材料は、非炭素原子が孔の縁に組み込まれた材料を含む。
【００２８】
様々な実施態様では、前記二次元材料は、グラフェン、硫化モリブデン、または窒化ホウ素を含んでなる。より特定の実施態様では、前記二次元材料はグラフェンであり得る。本開示の実施態様によるグラフェンは、単層グラフェン、多層グラフェン、またはそれらの任意の組合せを含み得る。拡張二次元分子構造を有する他のナノ材料もまた、本開示の様々な実施態様において二次元材料を構成することができる。例えば、硫化モリブデンは、二次元分子構造を有する代表的なカルコゲニドであり、他の様々なカルコゲニドは、本開示の実施態様において二次元材料を構成することができる。特定の用途に好適な二次元材料の選択は、グラフェンまたは他の二次元材料が最終的に配置される化学的および物理的環境を含む複数の要因によって決定することができる。本発明における用途では、封入体の作製において採用される材料は、好ましくは、生体適合性であり、または生体適合性にすることができる。
【００２９】
グラフェンおよび他の二次元材料中の穴を形成するプロセスは、本明細書において、「穿孔(perforation)」と呼び、このようなナノ材料を、本明細書において、「有孔(perforated)」のものと呼ぶ。グラフェンシートでは、格子間開口部はシート中、各６個の炭素原子の環構造によって形成され、この格子間開口部は幅が１ナノメートル未満である。具体的には、この格子間開口部は、その最長寸法の幅が約０．３ナノメートルであると考えられる（炭素原子間の中心間距離は約０．２８ｎｍであり、開口部はこの距離よりやや小さい）。二次元ネットワーク構造を含んでなるシートの穿孔は、典型的には、そのネットワーク構造中の格子間開口部よりも大きい穴の形成を指す。
【００３０】
グラフェンおよび他の二次元材料の原子レベルの薄さから、１〜２０ｎｍの範囲にある穴でも、分離プロセスまたは濾過プロセス中に高液体スループットの流動を達成することが可能であり得る。
【００３１】
化学的技術は、グラフェンおよび他の二次元材料中に穴を作るために使用することができる。グラフェンまたは別の二次元材料をオゾンまたは大気圧プラズマ（例えば、酸素／アルゴンまたは窒素／アルゴンプラズマ）に曝露することによって、穿孔を行うことができる。物理的技術、例えば、イオン衝撃などもまた、穴を作るために二次元材料の平面構造から物質を除去するために使用することができる。そのような総ての物理的または化学的方法が、所与の用途に所望の穴サイズまたは穴サイズの範囲に依存した、本明細書における使用のための有孔二次元物の調製のために適用することができる
【００３２】
本開示の様々な実施態様では、グラフェンまたは他の二次元材料中に作出される穴はサイズが約０．３ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲であり得る。より具体的な実施態様では、穴サイズは(hole seizes)１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であり得る。より具体的な実施態様では、穴サイズは(hole seizes)１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であり得る。より具体的な実施態様では、穴サイズは(hole seizes)５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であり得る。より具体的な実施態様では、穴サイズは(hole seizes)１ｎｍ〜５ｎｍの範囲であり得る。より具体的な実施態様では、前記穴はサイズが約０．５ｎｍ〜約２．５ｎｍの範囲であり得る。追加の実施態様では、前記穴サイズは０．３〜０．５ｎｍである。さらなる実施態様では、前記穴サイズは０．５〜１０ｎｍである。追加の実施態様では、前記穴サイズは５ｎｍ〜２０ｎｍである。さらなる実施態様では、前記穴サイズは０．７ｎｍ〜１．２ｎｍである。追加の実施態様では、前記穴サイズは１０ｎｍ〜５０ｎｍである。より大きな穴サイズが好ましい実施態様では、前記穴サイズは５０ｎｍ〜１００ｎｍ、５０ｎｍ〜１５０ｎｍ、または１００ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００３３】
用語物質は、原子、分子、ウイルス、細胞、粒子およびそれらの凝集体を指すために、本明細書において総括的に使用される。特に興味深い物質は、タンパク質および核酸などの生体分子を含む様々なサイズの分子である。物質は、生物製剤および小分子薬物を含む、医薬品、薬物、薬剤および治療薬を含み得る。
【００３４】
図１は、従来の薬物送達媒体およびデバイスと比較してグラフェンの厚さを示す例示的な概略図を示す。グラフェンの生体適合性は、特に、特定の生物学的環境と適合するようにグラフェンを官能化することにより（例えば、利用可能なエッジ結合、バルク表面官能化、π結合などを介して）、この適用をさらに促進することができる。官能化により、局所性および全身性疾患の治療における使用のために複雑性を追加した膜を提供することができる。図１は、活性細胞を保持する、４００〜７００ｎｍの範囲の穴サイズを有する有孔二次元材料を用いて形成された封入体の壁を例示している。封入体（完全な封入体は示していない）に接する外部の生物学的環境を、有孔二次元材料の外部で隣接する任意選択の多孔性支持構造（ポリマーまたはセラミック）と、有孔二次元材料の外部の任意選択の織物支持材料とともに例示している。例示するように、そのような封入体の植え込みは、そのような任意の外部の支持材料中への血管新生を意図する。免疫隔離を提供することを目的とするある実施態様では、封入体中への抗体の侵入を防ぐために、一般的に小さい穴サイズが好ましい。
【００３５】
様々な実施態様では、本開示は、材料の双方向性輸送が可能なままである、主に、二次元材料、例えば、グラフェンなどから形成された密閉された封入体を記載する。様々な実施態様では、封入体の少なくとも１つのセクションまたはパネルは、封入体の内部への所望のサイズの材料の侵入および退出それぞれを可能にするために、二次元材料中に適当なサイズの穿孔を含む。
【００３６】
いくつかの実施態様では、前記二次元材料、例えば、グラフェンなどは、好適な多孔質基質に固定することができる。好適な多孔質基質は、例えば、薄膜ポリマーおよびセラミックスを含み得る。
【００３７】
実施態様では、前記封入体は、主要な封入体の内部に複数のサブコンパートメントを有し得、各サブコンパートメントは、そのサブコンパートメントの内または外への１種以上の物質の通過を可能にするために有孔二次元材料を含んでなる。そのような実施態様では、サブコンパートメントは、任意の有用な形状またはサイズを有し得る。具体的な実施態様では、２つまたは３つサブコンパートメントが存在する。封入体サブコンパートメントのいくつかの例を図２Ａ〜２Ｄに示している。図２Ａでは、入れ子状になった構成を例示し、主要な封入体Ｂはより小さい封入体Ａを完全に含み、真ん中の封入体Ａ中の物質が、主要な封入体Ｂへ移行し、侵入時およびそこからの退出時に主要なコンパートメントとまたはその内部で潜在的に反応することができるようになっている。この実施態様では、Ａ中の１種以上の物質はＢへ移行することができ、Ａ中の１種以上の物質はＡ中に保持され得るがＢに保持され得ない。１種以上の物質がサブコンパートメント間を直接移行することができる２つのサブコンパートメントは直接流体連結している。サブコンパートメント間および封入体と外部環境の間の移行は、有孔二次元材料の穴を通過することによるものである。コンパートメントＡおよびＢの間の障壁（膜、すなわち、有孔二次元材料）は、Ａ中の総ての物質に対して透過性であり得、またはＡ中の特定の物質に対して選択的に透過性であり得る。Ｂおよび外部環境の間の障壁（膜）は、Ｂ中の総ての物質に対して透過性であり得、またはＢ中の特定の物質に対して選択的に透過性であり得る。図２Ａでは、サブコンパートメントＡは、サブコンパートメントＢと直接流体連結し、次に、サブコンパートメントＢが外部環境と直接流体連結している。この入れ子状構成でのコンパートメントＡは、サブコンパートメントＢ中への中間通路を経由して、外部環境と間接流体連結しているだけである。所与の封入体の異なるサブコンパートメントに採用される二次元材料は同じまたは異なる材料であり得、異なるサブコンパートメントの二次元材料中の穿孔または穴のサイズは関連する物質および用途に応じて同じでありまたは異なり得る。
【００３８】
図２Ｂでは、封入体は、サブコンパートメントＡおよびＢを形成する不透過性の壁（例えば、非多孔性または非透過性のシーラントで形成されている）で二分され、両方のセクションでは、独立して、退出場所へアクセスできるが、ＡからＢへの物質の直接的または間接的な移行はないようになっている。（しかしながら、ＡまたはＢを出た物質が外部環境を経由して間接的にもう一方のサブコンパートメントに入り得ることが理解されるであろう。）
【００３９】
図２Ｃでは、主要な封入体はこの場合もサブコンパートメントＡおよびＢに二分されるが、有孔材料によってそれらのサブコンパートメント間の障壁が形成されている。両方のサブコンパートメントでは、独立して、退出場所へアクセスできるだけでなく、ある実施態様では、相互に相互作用することもできる、すなわち、それらのサブコンパートメントは直接流体連結している。ある実施態様では、コンパートメントＡおよびＢの間の障壁（膜）は選択的に透過性であり、例えば、Ａ中の少なくとも１種の物質がＢへ移行することを可能にするが、Ｂに由来する物質をＡに移行させない。
【００４０】
図２Ｄは、３つのコンパートメントを有する封入体を例示している。封入体を、サブコンパートメントＡがサブコンパートメントＢ中への出口を有し、サブコンパートメントＢが、次に、サブコンパートメントＣ中への出口を有し、サブコンパートメントＣが、次に、外部環境への出口を有する状態で例示している。コンパートメントＡおよびＢには外部環境への出口がない、すなわち、それらは外部環境と直接流体連結していない。隣接するサブコンパートメントＡおよびＢと、隣接するサブコンパートメントＢおよびＣは各々、有孔二次元材料によって隔てられ、従って、相互に直接流体連結している。サブコンパートメントＡは、コンパートメントＣおよび外部環境と、それぞれ、サブコンパートメントＢまたはＢおよびＣを経由して間接流体連結しているだけである。半透性の障壁（膜）または非透過性の障壁の様々な他の組合せを、本明細書における封入体中のコンパートメントを隔てるために採用することができる。様々な穿孔サイズ制限は、封入体が最終的に構成される状態に応じて（例えば、横並びに対し、１つの封入体が別のものの内部にある場合）変化し得る。選択された構成に関わらず、封入体の、境界またはそれらの少なくとも一部は、その利益を実現するために、具体的に言えば、活性膜の厚さが、選択的にその膜を横断して移行される対象の直径よりも小さいように、二次元材料から構築することができる。いくつかの実施態様では、二次元材料の孔サイズはサイズが約０．３ｎｍ〜約１０ｎｍの間の範囲であり得る。より大きい孔サイズもまた可能である。
【００４１】
また、いくつかの実施態様では、封入体を、１つ以上の支持構造によって支持することができることに留意すべきである。ある実施態様では、前記支持構造はそれ自体が、孔が二次元材料のものより大きい多孔質構造を有し得る。ある実施態様では、前記支持構造は完全に多孔性である。実施態様では、前記支持構造は少なくとも一部は非多孔性である。
【００４２】
本明細書に記載する封入体およびそれらの使用についての複数の物理的実施態様は、解決すべき問題の様々なレベルの相互作用および複雑性のスケーリングを可能にすることができる。例えば、単一の封入体により、所与の期間にわたる薬物溶出を提供することができ、または各々が特定のサイズを有する異なる対象の移動を制限しもしくは可能にするために複数のサイズの穿孔が存在し得る。
【００４３】
複数のサブコンパートメントを有する本明細書に記載する実施態様の追加された複雑性は、対象化合物間の相互作用が二次応答を触媒または活性化すること（すなわち、「感覚応答」パラダイム）を可能にすることができる。例えば、独立して、出口へアクセスできる、封入体の２つのセクションが存在する場合、例示的化合物Ａは、体内へ、または時間経過後にもしくは体からの刺激の存在下でのみ、一定の拡散を受け得る。そのような実施態様では、例示的化合物Ａは、例示的化合物Ｂを活性化することができまたは、例示的化合物Ｂが流出しないようにする官能化を不活性化することができる。上記効果を生み出す結合は、可逆的または不可逆的であり得る。加えて、他の実施態様では、例示的化合物Ａは、封入体外で生じる化学的カスケードと相互作用することができ、相互作用後の代謝産物は（官能化を不活性化することにより）例示的化合物Ｂを放出することができる。同様に起こる効果を利用するさらなる例は、封入体中に含まれる原始細胞（非宿主、同種異系）の使用を含み、その内部での細胞からの分泌物が「感覚応答」パラダイムを生み出すことができる。
【００４４】
さらなる実施態様では、血管新生促進するために封入体中に増殖因子を入れることができる（図１参照）。上記の実施態様では、細胞の生存は、栄養素および廃棄物の双方向輸送の結果としてはるかに優れていることがある。
【００４５】
さらなる実施態様では、グラフェンの相対的な薄さは、血管、特に、毛細血管、および他の対象細胞に極めて接近した、膜封入体を横断する双方向輸送を可能にすることができる。グラフェン系封入体を使用する本実施態様は、グラフェン膜が透過性をあまり制限していないため、同じ効果を達成する他の解決策よりも優位に差別化することができる。その代わりとして、媒体または格子間接続を通しての分子の拡散が対象の移動を制限することができる。
【００４６】
上記に関して、グラフェンによる任意の「感覚応答」パラダイムは、優れた時間応答によって可能になる。グラフェンの生体適合性は、（官能化または電化による）予測されるより低い程度の生物付着からの、局所性および全身性疾患の治療での複雑性追加のための官能化グラフェン膜への拡大によって、この適用をさらに増進することができる。加えて、グラフェンの機械的安定性は、体内での物理的ストレスおよび浸透圧ストレスに耐えるのに好適なものにすることができる。
【００４７】
図３Ａおよび３Ｂは、免疫隔離する本発明の封入体の概略図を提供する。封入体は、単一コンパートメントを有するように示している。封入体が複数のサブコンパートメント、例えば、２つまたは３つサブコンパートメントを有し得ることが理解されるであろう。図３Ａの封入体（３０）は、有孔二次元材料、例えば、グラフェン系材料などを含んでなる内側のシートまたは層（３１）および支持材料の外側のシートまたは層（３２）によって形成された断面で示している。その支持材料は、多孔性、選択的透過性または非多孔性および非透過性であり得る。しかしながら、支持材料の少なくとも一部は多孔性または選択的透過性であり、封入体の用途に適当である。支持シートまたは層は、例えば、ポリマーまたはセラミックであり得る。封入体は所与の用途のために選択された生細胞（３３）を含む。図３Ｂは、第１および第２の複合層（３２／３１）間に形成された空間または空洞を示す、図３Ａの封入体の代替断面を提供し、シーラント３４は、それらの複合層の縁(he edges)を密閉するように示している。それらの複合層の縁のシールは、クランピングまたはクリンピングの物理的方法を採用して形成することができることが理解されるであろう。縁でシールを形成するための方法および材料は、特に限定されていないが、非多孔性および非透過性のシールまたはクロージャーを準備しなければならない。
【００４８】
細胞がクロージャー内部に配置されている場合、封入体の少なくとも一部は、細胞増殖および維持に十分な酸素および栄養素に対して透過性であり、廃棄物に対して透過性である。封入体は、細胞、特に、免疫細胞に対して透過性ではない。外部環境からの細胞は封入体に入ることができず、封入体中の細胞は保持される。封入体はウイルスまたは細菌に対して透過性ではない。封入体は抗体に対して透過性ではない。これに対して、用途に応じて、封入体は、望ましい生成物、例えば、細胞によって生産された増殖因子などに対して透過性である。封入体の内部の細胞は免疫隔離される。具体的な実施態様では、免疫隔離に有用な有孔二次元材料中の穴サイズは、１〜１０ｎｍ、より好ましくは、３〜１０ｎｍ、さらに好ましくは、３〜５ｎｍのサイズの範囲である。
【００４９】
図４Ａ〜４Ｃは、本発明の封入体を形成し、その中に選択された物質、例えば、細胞を導入するための例示的な方法を例示している。その方法は、封入体を形成するためにシーラントを使用して示している。例示的封入体にはサブコンパートメントはない。サブコンパートメント、例えば、入れ子状になっているまたは隣接するサブコンパートメントを有する封入体は、例示した方法を採用して、容易に調製することができる。図４Ａに例示するように、第１の複合層またはシートは、二次元材料のシートまたは層、特に、グラフェン系材料のシートまたはグラフェンのシート（４１）を、支持層（４２）と接触して配置することにより形成される。第１の複合材料の支持層（４２）の少なくとも一部は、多孔性または透過性である。支持層の孔サイズは、採用される二次元材料中の穴または開口部よりも一般的に大きく、環境（例えば、体腔）に合わせ得る。シーラントの層（４４）、例えば、シリコーンは、封入体のコンパートメントの輪郭を描いて有孔二次元材料のシートまたは層上に適用され、ここで、シーラントは、封入体の周囲に非透過性シールを形成する。単一コンパートメントの形成を図４Ａ〜４Ｃに示しているが、封入体内部の複数の独立したコンパートメントを類似の方法によって形成することができることが理解されるであろう。次に、第１の層と同じように形成された第２の複合層が準備され、有孔二次元材料のシートまたは層がシーラントと接触した状態で位置づけられる。（あるいは、シーラントは複合層の一部に適用することができ、その層は封入体を形成するためにシーラントと接触して折り返すことができる。シールは、その後、それら２つの複合層の間に形成される。二次元材料またはその支持体を損傷させることなく密閉を促進するために、適当な圧力を適用し得る。非多孔性および非透過性の支持材料のシートまたは層をシーラントと接触して適用することにより代替封入体を形成することができることが理解されるであろう。この場合、封入体の一部だけが多孔性および透過性である。密閉された複合層を図４Ｂに示し、その図では、封入体を形成するために、密閉層をシーラント周囲のサイズにトリミングすることができることが示されている。形成された封入体は、外部の多孔性支持層４２を有し、有孔二次元材料のシートまたは層（４１）は内部の層として位置づけられ、シーラント４４は封入体の周囲にあることが示されている。図４Ｃに例示するように、有孔二次元(two-dimentional)シートまたは層の通過によって排除されるであろう細胞または他の物質は、それがシーラント層を通して注入されることにより生じた後に封入体中に導入することができる。そのような注入によって形成された任意の穿孔は必要に応じて密閉することができる。物質および細胞はシールの形成前に封入体中に導入することができると理解される。当業者には、想定される用途に適当な滅菌方法は、封入体の調製中またはその後に採用し得ることが理解されるであろう。
【００５０】
ある実施態様では、本発明は、物質を封入する、有孔二次元材料を含んでなる封入体であって、前記物質は前記有孔二次元材料中の穴を通過することにより封入体の外部の環境に放出されるようになっている、封入体を提供する。ある実施態様では、前記封入体は２種以上の異なる物質を封入する。ある実施態様では、前記異なる物質の総ては封入体の外部の環境に放出されるものではない。ある実施態様では、前記異なる物質の総ては封入体の外部の環境中に放出される。ある実施態様では、異なる物質は異なる速度で封入体の外部の環境中に放出される。ある実施態様では、異なる物質は同じ速度で封入体の外部の環境中に放出される。
【００５１】
ある実施態様では、前記封入体は２つ以上のサブコンパートメントを含んでなり、ここで、少なくとも１つのサブコンパートメントはそのサブコンパートメントの二次元材料中の穴を通じて封入体の外部の環境と直接流体連結している。ある実施態様では、各サブコンパートメントは有孔二次元材料を含んでなり、各サブコンパートメントは各サブコンパートメントの二次元材料中の穴を通じて、封入体の外部の環境と直接流体連結している。
【００５２】
ある実施態様では、封入体は有孔二次元材料によって少なくとも一部が互いに隔てられている２つのサブコンパートメントに細分され、それらの２−サブコンパートメントは二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結しているようになっている。ある実施態様では、前記封入体は、各々が二次元材料を含んでなる２−サブコンパートメントに細分され、それらのサブコンパートメントは二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結し、それらのサブコンパートメントの一方だけは封入体の外部の環境と直接流体連結している。ある実施態様では、前記封入体は、各々が二次元材料を含んでなる２−サブコンパートメントに細分され、それらのサブコンパートメントは二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結し、それらのサブコンパートメントの両方は封入体の外部の環境とも直接流体連結している。
【００５３】
ある実施態様では、前記封入体は、各々が有孔二次元材料を含んでなる内側のサブコンパートメントおよび外側のサブコンパートメントを有し、ここで、前記内側のサブコンパートメントは前記外側のサブコンパートメント内に完全に収まり、前記内側および外側のコンパートメントは二次元材料中の穴を通じて相互に直接流体連結し、前記内側のサブコンパートメントは封入体の外部の環境と直接流体連結していない。
【００５４】
ある実施態様では、封入体は、各々が二次元材料を含んでなる複数のサブコンパートメントを有し、前記サブコンパートメントは順次入れ子状になり(nested one within the other)、それらのサブコンパートメントの各々は、それが隣接するサブコンパートメント（単数または複数）と二次元材料中の穴を通じて直接流体連結し、最も外側のサブコンパートメントは封入体の外部の環境と直接流体連結し、残りの複数のサブコンパートメントは封入体の外部の環境と直接流体連結していない。
【００５５】
ある実施態様では、前記封入体は、各々が二次元材料を含んでなる複数のサブコンパートメントに細分され、各サブコンパートメントは１つ以上の隣接するサブコンパートメントと直接流体連結し、１つのサブコンパートメントだけは封入体の外部の環境と直接流体連結している。
【００５６】
本明細書における任意の封入体構成のある実施態様では、二次元材料中の穴を通じて封入体の外部の環境に放出される封入体の内部の少なくとも１種の物質は、医薬、治療薬または薬物である。放出される物質が医薬、治療薬または薬物であるある実施態様では、その物質の放出のための封入体の二次元材料は、１〜５０ｎｍのサイズの範囲である穴を含んでなる。放出される物質が医薬、治療薬または薬物であるある実施態様では、その物質の放出のための封入体の二次元材料は、１〜１０ｎｍのサイズの範囲である穴を含んでなる。
【００５７】
本明細書における任意の封入体のある実施態様では、前記封入体の内部の物質は細胞であり、前記二次元材料中の穴のサイズは、前記封入体の内部の細胞を保持しかつ免疫細胞および抗体を封入体の外部の環境から封入体に入らせないように選択される。細胞に有用な、ある具体的な実施態様では、前記封入体は複数のサブコンパートメントに分割され、１つ以上のサブコンパートメントは細胞を含む。封入体は、１つのサブコンパートメントに異なる細胞を、または同じ封入体の異なるサブコンパートメントの内部に異なる細胞を含み得る。細胞に有用なある具体的な実施態様では、前記封入体は入れ子状の封入体であり、ここで、細胞は内側のサブコンパートメントの内部に存在する。
【００５８】
ある実施態様では、封入体は、各々が有孔二次元材料を含んでなる内側のサブコンパートメントおよび外側のサブコンパートメントを有し、ここで、前記内側のサブコンパートメントは前記外側のサブコンパートメント内に完全に収まり、前記内側および外側のコンパートメントは前記内側のサブコンパートメントの二次元材料中の穴を通じて直接流体連結し、前記内側のサブコンパートメントは封入体の外部の環境と直接流体連結せず、前記外側のコンパートメントは封入体の外部の環境と直接流体連結している。
【００５９】
細胞で有用なある実施態様では、封入体は複数のサブコンパートメントを有し、それらの各々は有孔二次元材料を含んでなり、それらのサブコンパートメントの各々は１つ以上の隣接するサブコンパートメントと直接流体連結し、前記細胞は１つ以上の細胞収容サブコンパートメントの内部に存在し、それらの各々は封入体の外部の環境と直接流体連結していない。
【００６０】
細胞を含む封入体の実施態様では、前記細胞は酵母細胞または細菌細胞である。細胞を含む封入体の実施態様では、前記細胞は哺乳動物細胞である。細胞を含む封入体の実施態様では、前記封入体またはサブコンパートメントの二次元材料中の穴のサイズは１〜１０ｎｍ、３〜１０ｎｍ、または３〜５ｎｍの範囲である。
【００６１】
本明細書における任意の封入体の実施態様では、前記封入体中の二次元材料は多孔質基質上に支持される。実施態様では、前記多孔質基質はポリマーまたはセラミックであり得る。
【００６２】
本明細書における任意の封入体の実施態様では、前記二次元材料はグラフェン系材料である。本明細書における任意の封入体の実施態様では、前記二次元材料はグラフェンである。
【００６３】
本明細書における任意の封入体の実施態様では、前記封入体の二次元材料中の穴の少なくとも一部は官能化される。
【００６４】
本明細書における任意の封入体の実施態様では、前記二次元材料の少なくとも一部は導電性であり、電圧はその導電性二次元材料の少なくとも一部に印加され得る。電圧はＡＣまたはＤＣ電圧であり得る。電圧は封入体の外部の電源から印加され得る。ある実施態様では、本発明の封入体デバイスは、外部電源から二次元材料へ電圧を印加するためのコネクターおよびリード線をさらに含んでなる。
【００６５】
本発明は、選択された環境において１種以上の物質をその環境に送達するために本明細書における任意の封入体を採用する方法を提供する。ある具体的な実施態様では、前記環境は生物学的環境である。ある実施態様では、前記封入体は生体組織中に植え込まれる。ある実施態様では、前記封入体は医薬、薬物または治療薬の送達のために採用される。
【００６６】
ある実施態様では、本発明は、少なくとも１種の物質を含む、有孔二次元材料を含んでなる封入体を環境中に導入する工程と、少なくとも１種の物質の少なくとも一部を前記二次元材料の穴を通じて前記封入体の外部の環境に放出する工程とを含む方法を提供する。ある実施態様では、前記封入体は前記封入体から放出されない細胞を含み、その一部が放出される前記少なくとも１種の物質は前記封入体中の前記細胞によって生成された物質である。
【００６７】
ある実施態様では、本発明は、少なくとも１種の第１の物質を含む、有孔二次元材料を含んでなる封入体を環境に導入すること、およびその環境から第２の物質を前記封入体中に移動させることを含む方法を提供する。ある実施態様では、前記第１の物質は細胞であり、第２の物質は栄養素であり、別の第２の物質は酸素である。
【００６８】
実施態様では、前記支持層はポリマーまたはセラミック材料であり得る。有用な例示的セラミックスとしては、ナノ多孔性シリカまたはＳｉＮが挙げられる。有用な多孔性ポリマー支持体としては、トラックエッチング(track-etched)ポリマー、発泡ポリマーまたは不織ポリマーが挙げられる。支持材料は多孔性または透過性であり得る。封入体またはサブコンパートメントの、一部、例えば、壁、側面またはその一部は、非多孔性ポリマーまたはセラミックであり得る。生体適合性ポリマーおよびセラミックスが好ましい。封入体の一部は、シーラント、例えば、シリコーン、エポキシ樹脂、ポリウレタンまたは同様の材料などから形成され得る。生体適合性のシーラントが好ましい。
【００６９】
加えて、グラフェン系または他の二次元膜の導電特性は、外部電源から電化が起こることを可能にすることができる。例示的な実施態様では、ＡＣまたはＤＣ電圧を、封入体の導電性二次元材料に印加することができる。グラフェンの導電特性は、荷電分子に追加のゲーティング(gating)を提供することができる。電化は恒久的にまたは時間の一部分のみ起こり得、ゲーティングに作用する。荷電分子の方向性をもつゲーティングは、孔を通って誘導される（または孔を通じての移動に制限する）だけでなく、グラフェンの表面にも誘導され得、吸着または結合し、増殖を促進し、保護層の形成を促進し、または身体への他の生化学的効果のための基礎もしくは機構を提供する。
【００７０】
そのような実施態様では、グラフェンとの恒久的な結合および一時的な結合の両方が可能である。上記の利点に加えて、本明細書に記載する実施態様はまた、それらが最先端の媒体および他のデバイスのための破壊的技術を表しているだけでなく、それらがまた、新しい方法でのこれらの媒体およびデバイスの使用を可能にすることができるという点で有利であり得る。例えば、細胞株の開発、治療薬放出手段。センシングパラダイム（例えば、ＭＲＳｗのもの、ＮＭＲに基づく磁気緩和スイッチ(NMR-based magnetic relaxation switches)、参照; Koh et al. (2008) Ang. Chem. Int’l Ed. Engl, 47(22)4119-4121）は、生物付着および生体反応性を軽減し、より優れた透過性およびより少ない応答遅延を与え、機械的安定性を提供するために、本明細書に記載する封入体の内部で使用することができる。つまり、本明細書に記載する封入体は、現時点では不可能な新しい方法での既存の技術の実施を可能にすることができる。
【００７１】
上記のｉｎ  ｖｉｖｏおよびｉｎ  ｖｉｔｒｏでの使用に加えて、本明細書に記載する実施態様は他の分野でも同様に利用することができる。本明細書に記載する封入体はまた、例えば、（ＧＩへの送達のために処理中に生存力を増加させるための現在使用されているマイクロカプセル化技術とは対照的に）乳製品でのプロバイオティクスの投与などの非治療用途に使用することができる。この点および他の点に関して、本明細書に記載する封入体とそれらから形成されるデバイスは、製造技術および様々な最終用途の要件に応じて、サイズが数桁に及び得ることに留意すべきである。それにもかかわらず、封入体は、血流を通って循環するのに十分に小さくすることができると考えられる。その一連の範囲の反対端では、封入体は、植え込むのに十分に大きくすることができる（およそ数インチ以上）。これらの特性は、グラフェンおよび大きな表面積でのその成長の二次元特性から生じ得る。
【００７２】
開示した実施態様を参照して本開示を説明してきたが、当業者には、これらが本開示の単なる例示であることが容易に理解されるであろう。本開示の趣旨から逸脱することなく様々な変更を行うことができるものと理解すべきである。本開示は、これまでに記載していないが本開示の趣旨および範囲に相応した任意の数の変形、改変、置換または同等の配置を組み込むように変更することができる。加えて、本開示の様々な実施態様を説明してきたが、本開示の態様が、記載した実施態様の一部のみを含み得るものと理解すべきである。従って、本開示は、上記の説明によって限定されるとみなすべきではない。
【００７３】
記載または例示した成分の総ての処方または組合せは、特に断りのない限り、本発明を実施するために使用することができる。当業者は同じ化合物を別に命名することができることが知られているように、化合物の具体的な名称は例示であることが意図されている。化合物が本明細書に記載され、その化合物の特定の異性体または鏡像異性体が、例えば、式でまたは化学名で、明記されていないようになっている場合、その記載は、個別にまたは任意の組合せで記載された化合物の各異性体および鏡像異性体を含むことが意図されている。当業者には、具体的に例示したもの以外の方法、デバイス要素、出発材料および合成方法は、過度の実験を行うことなく、本発明の実施において採用することができることが理解されるであろう。そのような任意の方法、デバイス要素、出発材料および合成方法の、当該技術分野で公知の総ての機能的等価物は、本発明に含まれることが意図されている。本明細書中に範囲が記載されている場合は必ず、例えば、温度範囲、時間範囲、または組成範囲、総ての中間範囲および部分範囲、ならびに記載された範囲に含まれる総ての個別値は、本開示に含まれることが意図されている。マーカッシュ群または他の群が本明細書において使用される場合、その群ならびにその群の可能な総ての組合せおよび部分的組合せの総ての個々のメンバーは、本開示に個別に含まれることが意図されている。
【００７４】
本明細書で使用される場合、「含んでなる(comprising)」は、「含む(including)」、「含有する(containing)」、または「を特徴とする(characterized by)」と同義であり、包括的またはオープンエンドであり、追加の、列挙されていない要素または方法ステップを排除するものではない。本明細書で使用される場合、「からなる(consisting of)」は、請求項の要素に明記されていない任意の要素、ステップ、または成分を排除する。本明細書で使用される場合、「から本質的になる(consisting essentially of)」は、請求項の基本的および新規な特徴に実質的に影響を及ぼさない材料またはステップを排除するものではない。特に、組成物の成分の説明またはデバイスの要素の説明における用語「含んでなる(comprising)」の本明細書における任意の列挙は、列挙された成分または要素から本質的になるおよびからなる組成物および方法を包含するものと理解される。本明細書に例示的に記載した本発明は、好適には、本明細書に具体的に開示されていない任意の要素（単数または複数）、限定（単数または複数）の不在下で実施し得る。
【００７５】
採用してきた用語および表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用において、示され記載された特徴またはそれらの一部の任意の等価物を排除する意図はないが、特許請求する本発明の範囲内で様々な変更が可能であることは認識されている。従って、本発明を好ましい実施態様および任意選択の特徴によって具体的に開示してきたが、本明細書における開示された概念の変更および変形は当業者によって再分類され得ること、ならびにそのような変更および変形は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内であると考えられるものと理解すべきである。
【００７６】
一般的に、本明細書において使用される用語およびフレーズは当技術分野で認められているそれらの意味を有し、それらは、当業者に公知の標準テキスト、雑誌の参考文献および文脈を参照することによって見出すことができる。前述の定義は、本発明の文脈においてそれらの具体的な使用を明らかにするために与えられている。
【００７７】
本出願全体にわたる総ての参考文献、例えば、発行もしくは付与された特許または等価物を含む特許文書、特許出願公開、および非特許文献文書または他の資料は、各参考文献が少なくとも部分的に本出願における開示と矛盾しない程度に、あたかも個別に引用することにより一部とされる（例えば、部分的に矛盾した参考文献は、その参考文献のその部分的に矛盾した部分を除いて、引用することにより一部とされる）ように、全体として引用することにより本明細書の一部とされる。
【００７８】
本明細書において言及される総ての特許および刊行物は、本発明が属する分野の当業者レベルの指標である。本明細書において引用される参考文献は、一部の場合ではそれらの出願日時点での技術水準を示すために、全体として引用することにより本明細書の一部とされ、必要に応じて、先行技術にある具体的な実施態様を排除するために（例えば、権利を要求しないように）、この情報を本明細書において採用することができることが意図されている。例えば、化合物が特許請求される場合、本明細書に開示された参考文献（特に、参照された特許文献）に開示された特定の化合物を含む、先行技術で知られている化合物は、特許請求の範囲に含まれることを意図するものではないものと理解すべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【国際調査報告】
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