單/雙頻脈衝超音波刺激對軟骨細胞增生與生化表現實驗評估

海報

軟硬骨多孔性組織支架雷射燒結快速成型技術開發與應用研究

海報

組織支架表面改質與動態培養軟骨細胞增生實驗

海報

聚己內酯支架添加第Ⅱ型膠原蛋白體外驗證與壓力感測支架載子設計製作研究

海報

聚己內酯結合三鈣磷酸鹽生物支架表面改質與功能性骨生成刺激支架載子設計製作研究

海報

雷射燒結快速成型技術結合高分子水膠於硬骨組織支架製程之發展與臨床評估

海報

雷射燒結組織支架製作與水膠結合體外軟骨細胞評估

海報

雷射燒結孔洞支架製作及測試

海報

 

單/雙頻脈衝超音波刺激對軟骨細胞增生與生化表現實驗評估
 

目前人體軟骨由於沒有血管和神經分佈,造成軟骨組織缺損後難以自行再生、修復,因此軟骨細胞活化、增生巳成為組織工程領域主要研究課題。爰此,本研究係針對軟骨細胞增生問題,建構一台「脈衝超音波細胞培養刺激系統」,並以實驗驗證不同單一頻率或雙頻率脈衝超音波刺激策略,對立體凍膠孔洞支架培養軟骨細胞之增生與生化表現,進行定性與定量評估。本研究首先建構並測試脈衝超音波刺激細胞培養系統,結果顯示其叢集波寬200us、重覆率1.0kHz、平均強度32.49mW/cm2,經二維聲場分析實驗顯示超音波均能量集中發射;接著,本研究係進行立體凍膠孔洞支架之製備與物化性測試;所設計之支架直徑約7mm、厚度約1.2mm、凍膠材料為多孔性結構,孔洞大小為300-500μm、孔隙率91.42%、含水率93%、最大破壞應力為0.433 ±0.046 MPa;最後,本研究係進行不同超音波刺激細胞培養實驗與結果之定性/定量分析。在兩種不同單一頻率(750kHz及1.5MHz)超音波刺激與無刺激之比較實驗結果發現,經超音波刺激培養三周後兩組細胞均具有良好活性,且細胞外基質分泌正常;細胞增生量方面,以750kHz超音波刺激最為顯著(達265%),葡萄醣胺聚合醣含量以1.5MHz超音波刺激最佳(達925%);至於單位細胞葡萄醣胺聚合醣分泌表現方面,以1.5MHz超音波刺激最佳(達520%)。在單一頻率(1.5MHz)與雙頻率(750kHz + 1.5MHz)之超音波刺激比較實驗結果發現,細胞外基質分泌及細胞存活分析有相似結果;在細胞增生量方面雙頻率超音波刺激最佳,三週後之增生量達240%。而葡萄醣胺聚合醣分泌量方面,雙頻率超音波刺激十四天後增加720%為最多,單一頻率刺激分泌量增加632%,兩者具顯著差異(p<0.05)。
 

 


 

[ Top ]

 

軟硬骨多孔性組織支架雷射燒結快速成型技術開發與應用研究
 

利用組織工程製作人造膝關節,須完成具有股骨、脛骨及半月板等三種關節結構元件之多孔性支架,而目前支架製作大多採用模具成型法(如鹽析法、氣體發泡法、膜積層法等),無法完全掌控支架內孔洞結構(大小、密度) 及孔洞間連結性,另外由於須使用有機溶劑會造成細胞貼附生長困難,因此本研究為了克服上述製作多孔性支架之問題,首先改良設計一台雷射燒結快速成型機、開發多孔性支架設計模組,再進行多種生醫材料具孔洞結構之軟硬骨組織支架之實體製作。研究工作分為軟/硬體設計及支架實體製作等三部份;已開發完成之軟體模組功能包括組織支架多孔性單元結構設計、組織支架力學分析、單層疊代切層、單層燒結路徑規劃等;在硬體部份主要係開發材料預熱溫控系統,包括預熱保溫蓋、加熱器、溫控調整器、熱循環風扇、粉末回收槽等;本系統為了驗證所開發實驗機台雷射燒結製作組織支架之可行性與實用性,也進行了多項骨水泥及不同生醫材料製作組織支架之實驗,工作包括利用粒徑分析儀與光學顯微鏡進行生醫原材料性質分析、十一種孔洞型式燒結測驗、控制孔隙率燒結測試、骨水泥及生醫材料預熱燒結測試、生醫材料不同比例混合(ZIMMER+HA)燒結測試及人體骨骼組織支架實體製作。

 


 

[ Top ]

 

組織支架表面改質與動態培養軟骨細胞增生實驗
 

小耳症是顱顏整形外科臉部畸形之其中一種常見症狀,小耳症影響範圍主要是外耳缺陷、內耳耳道狹窄或缺少耳道等耳朵缺損情形,造成耳道閉鎖及聽力障礙問題。然而目前臨床上小耳症患者耳朵重建手術包括自體移植及人工義耳之植入,但採用自體移植受限於身上可移植軟骨之部位會造成缺損,而採用人工義耳植入術但易因植入骨釘位置、角度或深度不準確發生免疫排斥問題而造成病人術後之感染。近年來,組織工程技術已可利用具生物相容性之生醫材料製作人體耳朶外型之支架,再加入自體軟骨細胞培養成耳朵植入物,以解決前述問題;但是如何在生物相容性材料所製作之支架上快速培養出適質、適量之軟骨細胞,便成為組織工程臨床應用成功之重要關鍵;本研究團隊過去曾利用聚己內酯(Polycaprolactone, PCL)製作孔洞支架,並透過明膠及第二型膠原蛋白進行表面改質,以增加親水性、改善細胞貼附性,實驗證實已可成功地在PCL支架上培養出軟骨細胞。然而,臨床上常用之生物相容性材料為聚乳酸和聚甘醇酸(poly-lactic-co-glycolic acid, PLGA),因此本研究將延用前述表面親水性改質技術,改以PLGA材料製作圓柱形孔洞支架,再利用體外細胞培養與動物體內實驗,以驗證表面改質確實能發揮細胞在立體孔洞支架上貼附、增生及細胞外基質分化之效果。除此,本研究也建構了電磁攪拌式動態細胞培養平台,以評估動態培養對軟骨細胞在孔洞支架內增生以及細胞外基質分化之成效。

 

[ Top ]

 

聚己內酯支架添加第Ⅱ型膠原蛋白體外驗證與壓力感測支架載子設計製作研究

 

硬骨組織工程係人體再生醫學骨骼缺損修復之關鍵技術。組織工程常用之聚己內酯材料雖具生物相容性,但是製作出之支架機械強度欠佳,且支架表面呈疏水性,造成細胞貼附及增生效果不佳。因此,本研究之目的首先係利用雷射燒結(SLS)層加工成型技術製作聚己內酯材料混合三鈣磷酸鹽(PCL-TCP)之複合支架,以檢測添加三鈣磷酸鹽材料對於提升支架機械強度之效果;除此,也添加第一型膠原蛋白(PCL-TCP + type I collagen)進行支架表面改質,以實驗證實親水性及骨細胞增生之改善成效;另外,本研究也嘗試製作一種功能性聚己內酯支架載子,包埋薄盤式壓電陶瓷蜂鳴片,成為骨生成刺激支架載子,作為植入體內,可藉由體外驅動產生超音波局部刺激,以期加快骨折癒合、硬骨缺損修復。

 

 

 

[ Top ]

 

聚己內酯結合三鈣磷酸鹽生物支架表面改質與功能性骨生成刺激支架載子設計製作研究

 

人體骨骼缺損修補,常需進行骨骼移植,由於國人對器官移植觀念尚未建立,人體骨骼移植材料取得不易,另外異體骨骼在移植中常有感染及排斥等風險。因此,開發人造硬骨植入物以突破上述自體、異體移植骨骼容易發生感染、排斥等問題,並確保人造骨骼細胞增生、分化能力,已成為組織工程重要之研究課題。另外高分子水膠是一種立體網狀結構具親水性之材料,包覆活體細胞、提供細胞體外增生環境,並產生修補組織缺陷植入物之功能,然而高分子水膠也是一種高含水率之溫感性液/固相變化材料,雖然有良好之細胞增生條件,但缺乏結構支撐強度,無法適用可承受力量之硬骨缺損修補,造成臨床應用受限。爰此,本研究係利用本團隊所自行開發之雷射燒結快速成型系統,設計、製造生物可吸收聚己內酯(PCL)立體孔洞支架,並灌注高分子水膠與骨母細胞,透過體外實驗培養硬骨活體組織,並進行物、化性測試與細胞分化及增生品質驗證,以期發展一種結合高分子水膠與聚己內酯(PCL)孔洞支架,經由體外細胞培養成兼具結構支撐強度與細胞增生能力之生物可降解人造活體硬骨植入物。另外,為了使本研究所開發之硬骨組織增生技術能符合臨床需求,也進行了猪下顎骨缺損植入活體支架修補之動物實驗,並初步觀察活體支架在動物體內被吸收及硬骨組織生長情形。

[ Top ]

 

雷射燒結快速成型技術結合高分子水膠於硬骨組織支架製程之發展與臨床評估

 

人體骨骼缺損修補,常需進行骨骼移植,由於國人對器官移植觀念尚未建立,人體骨骼移植材料取得不易,另外異體骨骼在移植中常有感染及排斥等風險。因此,開發人造硬骨植入物以突破上述自體、異體移植骨骼容易發生感染、排斥等問題,並確保人造骨骼細胞增生、分化能力,已成為組織工程重要之研究課題。另外高分子水膠是一種立體網狀結構具親水性之材料,包覆活體細胞、提供細胞體外增生環境,並產生修補組織缺陷植入物之功能,然而高分子水膠也是一種高含水率之溫感性液/固相變化材料,雖然有良好之細胞增生條件,但缺乏結構支撐強度,無法適用可承受力量之硬骨缺損修補,造成臨床應用受限。爰此,本研究係利用本團隊所自行開發之雷射燒結快速成型系統,設計、製造生物可吸收聚己內酯(PCL)立體孔洞支架,並灌注高分子水膠與骨母細胞,透過體外實驗培養硬骨活體組織,並進行物、化性測試與細胞分化及增生品質驗證,以期發展一種結合高分子水膠與聚己內酯(PCL)孔洞支架,經由體外細胞培養成兼具結構支撐強度與細胞增生能力之生物可降解人造活體硬骨植入物。另外,為了使本研究所開發之硬骨組織增生技術能符合臨床需求,也進行了猪下顎骨缺損植入活體支架修補之動物實驗,並初步觀察活體支架在動物體內被吸收及硬骨組織生長情形。

 

 

 

[ Top ]

 

雷射燒結組織支架製作與水膠結合體外軟骨細胞評估

 

軟骨是一種結締組織,由於沒有血管和神經之分布,養分輸送及廢物排出均須藉由細胞外間質以擴散作用完成,因此軟骨細胞再生與修復速度較慢;例如關節軟骨損傷後由於自我修復能力差,通常須仰賴軟骨修復手術填補或人工關節置換,才能避免惡化為退化性關節炎等後遺症。而軟骨修復常用之方法包括組織修復法、組織移植法、細胞植入法等,由於這些方法都需要有足夠之自體或異體軟骨植入物方能完成,然而軟骨植入物因不易取得,且植入後常有免疫排斥問題,因此利用組織工程技術,製作生物可降解植入物支架,透過體外細胞增殖實驗生成活體軟骨植入物,已成為現今再生醫學領域研究之主要課題。另外利用組織工程技術培養軟骨植入物需先建構多孔性支架,而目前支架製作大多採用模具成型法(如鹽析法、氣體發泡法、膜積層法等),無法完全掌控支架內孔洞結構(大小、密度)及孔洞間連結性,影響活體軟骨組織生成品質及植入後軟骨再生能力。近年來,文獻指出利用高分子水膠包覆細胞已成為『非支架』方式,成功進行軟骨組織缺損修補之方法。然而含透明質酸及明膠之高分子水膠是一種立體網狀結構具親水性,且高含水率溫度感應液/固相變化材料,可包覆活體細胞、提供細胞體外增生環境、促進軟骨細胞增生與避免軟骨去分化,並產生修補組織缺陷之植入物,但缺乏結構支撐強度,無法適用於承受力量之軟骨缺損修補,造成臨床應用受限。另外,關節軟骨具有軟/硬骨雙相複合結構,因此在組織工程應用於人體關節軟骨修復時,必須要能製作生物相容且具有軟/硬骨雙相複合組織支架,並具有細胞增殖功能方能供臨床應用。爰此,本研究為了克服上述軟骨活體組織生成所面臨之問題,分別進行雷射燒結軟/硬骨雙相複合組織支架製作、高分子水膠灌注立體孔洞支架實驗,利用含水膠支架製作兼具結構支撐強度及細胞增生活性之之軟骨組織植入物;令外為了驗證體外細胞培養實驗成效及臨床應用可行性,本研究也進行了細胞貼附、增生等實驗和客製化耳朵軟骨活體細胞培養實驗流程規劃及耳朵外型支架模具製作評估等先期研究。

 

 

 

[ Top ]

 

雷射燒結孔洞支架製作及測試

 

        組織支架(scaffold)結構設計與製作是組織工程成功與否之關鍵,由於組織工程支架孔洞結構需具有符合細胞生長的適當孔徑、高孔隙率、三度空間的多孔性結構、適當機械強度等條件,如果設計不良,養分將無法擴散至組織支架內部,造成細胞在支架內無法均勻分佈,導致組織支架生長成為組織或器官時,可能發生強度不足之問題;另外,目前製造組織支架大多採用模具成型法,無法控制支架孔洞結構、製作外形複雜之組織支架,且成型過程殘留之溶劑會影響支架之生物相容性及細胞貼附性。  

        本研究完成了雷射燒結快速成型系統骨水泥孔洞製作之最適化製程參數組合,並透過巨觀及微觀結構觀察,進一步了解支架之結構特性。另外,透過材料化學特性測試,已驗證了自製之雷射燒結快速成型機製作過程中對於材料化學特性不會有影響。最後也利用生物可降解生醫材料聚己內酯與聚乳酸-甘醇酸共聚物進行初步之雷射燒結成型實驗,得知系統亦可成功地燒結成型生物可降解材料之孔洞支架,係發展組織工程支架製造之先導研究。

 

 

 

[ Top ]