大同大學數位論文

以 靜 電 紡 絲 技 術 製 備 組 織 工 程 用 之 聚 羥 基 丁 酯 戊 酯 (PHBV) / 聚 己 內 酯 (PCL) 纖 維 薄 膜 及 電 漿 表 面 改 質 研 究 Preparation of Poly-hydroxy-butyrate-co-hydroxyalerate (PHBV) / Poly-ε-caprolactone (PCL) Membrane by Electrospinning for Tissue Engineering 研 究 生 : 張 佳 惠 (Chia-Hui Chang) 指 導 教 授 : 王 鐘 毅 (Prof.Chung-Yih Wang) 大 同 大 學 生 物 工 程 研 究 所 碩 士 論 文 Thesis for Master of Science Department of Bioengineering Tatung University 中 華 民 國 一 O 二 年 七 月 July 2013

致 謝 本 論 文 首 要 感 謝 指 導 教 授 王 鐘 毅 博 士 於 這 二 年 來 於 學 業 實 驗 研 究 之 教 導 及 論 文 撰 寫 上 的 指 導, 在 這 樣 的 歷 練 下 學 習 了 很 多 東 西, 研 究 上 也 很 有 領 悟, 促 使 我 論 文 能 順 利 完 成, 在 此 謹 致 上 最 誠 摯 的 謝 意 感 謝 口 試 委 員 台 北 醫 學 大 學 陳 建 中 教 授 大 同 大 學 陳 克 紹 教 授 對 本 論 文 提 出 的 建 議 與 指 正, 於 百 忙 中 撥 冗 審 查 我 的 論 文, 並 給 予 學 生 許 多 意 見 並 細 心 指 正, 使 得 論 文 能 更 加 完 善 感 謝 生 醫 工 程 研 究 室 的 所 有 好 夥 伴, 學 長 姐 念 齊 若 語 昱 陞, 同 學 鵬 仰 俊 賢, 學 弟 妹 郁 捷 嵐 雅 書 儂 思 浩 暐 婷 俐 瑾 韋 萱 君 璋 琳 樺... 等 在 這 段 研 究 期 間 的 相 互 扶 持 打 氣 與 陪 伴, 成 為 我 能 夠 持 續 實 驗 的 最 大 動 力, 沒 有 你 們 就 沒 有 了 歡 笑, 使 我 的 碩 士 生 涯 更 加 多 采 多 姿 感 謝 台 北 醫 學 大 學 建 華 學 姊, 及 同 學 俊 宏 在 我 做 實 驗 的 期 間 給 予 我 非 常 大 的 鼓 勵 與 指 導, 幫 助 我 解 決 在 實 驗 上 的 問 題 最 後, 感 謝 大 同 大 學 提 供 一 個 優 良 的 讀 書 環 境 與 教 學 資 源, 及 爸 爸 媽 媽 和 弟 弟 給 予 的 支 持, 讓 我 在 求 學 期 間 倍 感 安 心

中 文 摘 要 近 年 來 組 織 工 程 的 發 展 開 始 受 到 關 注 其 中, 關 節 軟 骨 缺 乏 再 生 能 力, 外 傷 或 疾 病 引 起 的 軟 骨 缺 損 需 利 用 軟 骨 或 其 它 材 料 修 復, 自 體 軟 骨 來 源 有 限, 且 容 易 造 成 缺 損, 應 用 受 到 限 制 雖 然 異 體 軟 骨 曾 廣 泛 應 用, 但 可 能 會 引 起 免 疫 排 斥 反 應, 而 導 致 細 胞 死 亡 及 功 能 喪 失 因 此, 軟 骨 組 織 工 程 材 料 逐 漸 受 到 重 視, 使 用 人 工 合 成 的 支 架 材 料 它 本 身 的 結 構 表 面 特 性 降 解 行 為 及 生 物 相 容 性 等 將 會 是 重 要 的 研 究 方 向 本 研 究 是 利 用 靜 電 紡 絲 的 方 式 製 備 生 物 可 分 解 性 聚 羥 基 丁 酯 戊 酯 (poly-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV) 及 具 有 良 好 熱 塑 性 高 分 子 材 料 聚 己 內 酯 (Poly-ε-caprolactone) (PCL) 電 紡 絲 纖 維 薄 膜, 再 給 予 表 面 電 漿 修 飾, 期 望 以 PHBV 來 改 善 PCL 的 機 械 性 質 與 熱 性 質 及 降 解 速 率 將 高 分 子 先 以 不 同 混 和 比 例 摻 合 (PHBV/PCL: 100/0,75/25, 50/50,25/75,0:100) 形 成 參 合 膜, 接 著 使 用 電 紡 絲 方 式 製 備 成 不 同 參 合 比 例 的 纖 維 膜 以 DSC 進 行 熱 分 析, 並 以 拉 伸 試 驗 進 行 機 械 性 質 研 究, 最 後 選 出 適 合 做 為 細 胞 支 架 的 混 參 比 例 (PHBV/PCL:50/50), 進 行 降 解 速 率 與 軟 骨 細 胞 貼 附 率 及 增 生 研 究 接 著 為 了 進 一 步 增 加 細 胞 的 生 長 速 度, 因 此 藉 由 不 同 電 漿 表 面 改 質 (O 2 Hexamethyldisilazane O 2 + Hexamethyldisilazane) 來 改 變 電 紡 絲 維 膜 的 親 疏 水 性 從 實 驗 結 果 顯 示 電 漿 表 面 改 質 對 細 胞 的 生 長 效 果 均 有 改 I

善, 但 改 質 疏 水 纖 維 膜 比 改 質 親 水 纖 維 膜 對 細 胞 的 成 長 效 果 較 為 顯 著, 所 以 我 們 同 時 也 探 討 不 同 電 漿 與 基 材 分 離 的 時 間 是 否 會 影 響 細 胞 生 長 效 果 ; 期 望 未 來 能 夠 進 行 動 物 相 容 性 的 實 驗 進 一 步 增 加 材 料 對 軟 骨 組 織 修 復 的 發 展 潛 力 關 鍵 字 : 靜 電 紡 絲 電 漿 改 質 細 胞 相 容 性 組 織 工 程 II

Abstract In recent years, development of tissue engineering becomes an important issue.cartilage defects caused by trauma or disease are difficult to recover because articular cartilage can t regenerate by itself. Although allogeneic cartilage has been used, it may lead to rejection, cell death or the loss of function. Therefore, cartilage tissue with synthetic scaffold and autologous cells becomes important research directions. This study used electrospinning method to prepare scaffold for cartilage engineering. Biodegradable poly-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate (PHBV) and polymer material poly-ε-caprolactone (PCL) was chosen as the raw materials. We adjust PHBV content to improve the mechanical properties and degradation rates of the PCL. Polymers blended with different proportion of PHBV/PCL (100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100) to form the films. The films were characterized with contact angle measurement, calorimetry (DSC), Lloyd test machine,and scanning electro microscopy (SEM). PHBV/PCL(50/50) Fiber have the best physical properties, then can be used in plasma modification.to enhance the cell growth rate, we further treated the electropsun fiber with different plasma surface (Oxygen, Hexamethyldisilazane, Oxygen + Hexamethyldisilazane) to modify hydrophilicity of the surface.the results of this study showed that plasma surface modification had improved the cell growth.the hydrophobic fiber had higher growth rate then the hydrophilic fiber. Keywords: electrospinning, plasma modification, cell compatibility, tissue engineering III

目 錄 中 文 摘 要 Ⅰ 英 文 摘 要 Ⅲ 目 錄 Ⅳ 圖 目 錄 Ⅷ 表 目 錄 ⅩⅠ 第 一 章 導 論..1 1.1 前 言 1 1.2 研 究 動 機 與 目 的 3 1.3 聚 羥 基 丁 酯 戊 酯 共 聚 物 (PHBV).4 1.3.1 PHA 材 料 特 性 4 1.3.2 PHA 的 生 物 可 分 解 性 7 1.3.3 PHA 的 生 相 容 性 (Biocompatibility) 7 1.3.4 PHA 的 生 物 吸 收 性 (Bioabsorption) 9 1.4 聚 己 內 酯 (PCL)..10 1.4.1 脂 肪 族 聚 酯 聚 合 物 擁 有 的 優 點 11 1.4.2 PCL 的 應 用...11 1.5 軟 骨 細 胞..12 1.5.1 血 清 的 主 要 成 分 及 主 要 作 用 13 1.5.2 組 織 工 程 支 架 16 1.6 高 分 子 生 醫 材 料..17 1.6.1 生 技 產 業 市 場 分 析 19 1.6.2 生 醫 材 料 成 長 的 因 素 20 第 二 章 實 驗 理 論 及 文 獻 回 顧 22 2.1 電 紡 絲 介 紹 22 IV

2.2 電 紡 絲 原 理 22 2.2.1 電 紡 絲 基 本 參 數 控 制 24 2.2.2 電 紡 絲 的 應 用..26 2.3 電 漿 簡 介.27 2.3.1 電 漿 基 本 理 論 27 2.4 電 漿 蝕 刻.29 2.5 低 溫 電 漿 的 特 色.33 2.6 低 溫 電 漿 表 面 處 理 技 術..33 2.6.1 表 面 活 化 35 2.7 電 漿 表 面 處 理 在 生 醫 材 料 上 的 應 用 38 第 三 章 實 驗 方 法 與 儀 器 41 3.1 實 驗 架 構.41 3.2 實 驗 藥 品 與 儀 器 42 3.3 高 分 子 支 架 的 製 備 與 選 取.46 3.3.1 實 驗 步 驟 46 3.3.1.1 混 摻 薄 膜 之 製 備 46 3.3.1.2 靜 電 紡 絲 高 分 子 溶 液 配 製..47 3.3.1.3 靜 電 紡 絲 薄 膜 的 製 備 47 3.3.2 分 析 方 法 49 3.3.2.1 示 差 掃 描 量 熱 法 (DSC) 49 3.3.2.2 拉 升 試 驗 50 3.3.2.3 黏 度 測 定 53 3.3.2.4 水 接 觸 角 54 3.3.2.5 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 55 3.3.3 電 紡 絲 薄 膜 降 解 性 實 驗 56 V

3.3.3.1 PBS 水 解 實 驗. 56 3.3.4 電 紡 絲 薄 膜 UV 光 照 射 實 驗 56 3.4 電 漿 表 面 處 理. 57 3.4.1 HMDSZ 電 漿 表 面 沉 積 57 3.4.2 O2 電 漿 表 面 活 化 57 3.5 細 胞 培 養. 58 3.5.1 永 生 大 鼠 軟 骨 細 胞 58 3.5.2 實 驗 方 法 59 3.5.2.1 材 料 前 處 理 60 3.5.2.2 冷 凍 細 胞 活 化 60 3.5.2.3 細 胞 繼 代 培 養 61 3.5.3 細 胞 存 活 率 測 定 - MTT assay 62 3.5.3.1 實 驗 原 理.. 62 3.5.3.2 標 準 曲 線 63 3.5.3.3 樣 品 測 定 64 3.5.3.4 細 胞 形 態 固 定 及 觀 察 64 第 四 章 結 果 與 討 論. 65 4.1 PHBV/ PCL 摻 合 膜. 65 4.1.1 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 熱 性 質 分 析 65 4.1.2 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 拉 升 試 驗. 68 4.1.3 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 71 4.2 高 分 子 黏 度 分 析 74 4.3 PHBV/ PCL 靜 電 紡 絲 纖 維.. 76 4.3.1 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 SEM 影 像.. 76 4.3.2 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 之 熱 分 析... 79 VI

4.3.3 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 之 拉 伸 變 化... 81 4.3.4 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 之 水 接 觸 角... 83 4.3.5 降 解 性 測 試... 85 4.3.5.1 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 的 重 量 損 失 變 化... 85 4.3.5.2 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 在 不 同 降 解 時 間 對 熱 分 析 之 影 響.....88 4. 3. 5. 3 P H B V / P C L 電 紡 絲 纖 維 在 不 同 降 解 時 間 之 拉 伸 變 化 90 4.3.6 UV 光 照 射 後 電 紡 絲 纖 維 的 形 態... 93 4.4 電 漿 表 面 處 理.......... 95 4.4.1 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 表 面 親 疏 水 性 變 化...... 95 4.4.2 不 同 電 漿 與 電 紡 絲 纖 維 對 浸 泡 培 養 基 時 間 的 影 響......98 4.5 細 胞 培 養............ 100 4.5.1 PHBV/ PCL 摻 合 膜 對 細 胞 生 長 的 影 響..........100 4.5.2 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 生 長 的 影 響.........102 4.5.3 電 漿 處 理 後 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響...104 4. 5. 3. 1 氧 氣 電 漿 處 理 之 P H B V / P C L 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響.. 1 0 4 4.5.3.2 HMDSZ 電 漿 處 理 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響 107 4.5.3.3 HMDSZ+ 氧 氣 電 漿 處 理 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響...110 4. 5. 3. 4 電 漿 處 理 P H B V / P C L ( 5 0 / 5 0 ) 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響...11 3 第 五 章 結 論.. 115 參 考 文 獻... 118 附 錄.. 123 附 錄 1 高 分 子 萃 取 步 驟 附 錄 2 PHBV/PCL 摻 合 膜 的 熱 分 析 數 據 圖 附 錄 3 不 同 PHBV/PCL 比 例 電 紡 絲 在 降 解 試 驗 的 熱 分 析 數 據 圖 VII

圖 目 錄 圖 1-1 聚 羥 基 酯 類 (PHA) 結 構 名 稱 5 圖 1-2 PHBV 的 結 構 圖 圖 5 圖 1-3 依 據 碳 數 之 不 同 的 PHA 分 類 6 圖 1-4 PCL 聚 合 10 圖 1-5 組 織 工 程 三 要 素 16 圗 2.1 靜 電 紡 絲 原 理 23 圖 2.2 壓 力 對 電 子 溫 度 (T e) 氣 體 溫 度 (T g) 離 子 溫 度 (T i) 之 關 係 28 圖 2.3 Remote Plasma 示 意 圖 29 圖 2.4 圖 2.5 Pure Chemical Etching 29 Pure Physical Etching 30 圖 2.6 活 性 離 子 蝕 刻 示 意 圖 32 圖 2.7 惰 性 氣 體 電 漿 處 理 於 材 料 表 面 所 產 生 的 反 應 36 圖 2.8 非 聚 合 反 應 性 氣 體 電 漿 處 理 於 材 料 表 面 所 產 生 的 反 應 37 圖 2.9 表 面 電 交 處 理 技 術 在 各 種 生 醫 材 料 領 域 上 的 應 用 40 圗 3.1 電 紡 絲 設 備 照 片 45 圖 3.2 PHBV/PCL 摻 合 膜 46 圖 3.3 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 膜 48 圖 3.4 電 紡 在 20mm 玻 璃 片 上 的 PHBV/PCL 纖 維 膜 48 圖 3.5 拉 伸 試 驗 簡 圖 50 圖 3.6 應 力 - 應 變 曲 線 圖 51 圗 3.7 音 叉 震 動 式 黏 度 計 53 圖 3.8 IRC 永 生 大 鼠 軟 骨 細 胞 58 圖 3.9 使 用 UV 光 殺 菌 後 PHBV/PCL 纖 維 60 圖 3.10 MTT 結 構 中 的 tetrazolium ring 被 切 斷 形 成 formazan 62 VIII

圖 4.1 不 同 PHBV/ PCL 比 例 摻 合 膜 的 熱 分 析 圖 67 圖 4.2 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 楊 氏 系 數 曲 線 圖 69 圖 4.3 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 應 力 應 變 曲 線 圖 69 圖 4.4 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 應 力 應 變 過 程 變 化 圖 70 圖 4.5 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 72 圖 4.6 不 同 比 例 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 圖 片 73 圖 4.7 PCL 黏 度 與 濃 度 關 係 圖 75 圖 4.8 PHBV 黏 度 與 濃 度 關 係 圖 75 圖 4.9 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 形 態 78 圖 4.10 不 同 PHBV/PCL 比 例 之 電 紡 絲 薄 膜 熱 分 析 圖 80 圖 4.11 不 同 PHBV/PCL 比 例 之 電 紡 絲 纖 維 應 力 應 變 曲 線 圖 82 圖 4.12 不 同 PHBV/PCL 比 例 電 紡 絲 纖 維 時 間 對 力 的 作 圖 82 圖 4.13 不 同 PHBV/PCL 比 例 電 紡 絲 纖 維 之 楊 氏 係 數 圖 82 圖 4.14 不 同 PHBV/PCL 比 例 的 電 紡 絲 纖 維 水 接 觸 角 84 圖 4.15 不 同 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 的 重 量 損 失 變 化 圖 87 圖 4.16 不 同 PHBV/PCL 比 例 在 降 解 過 程 中 的 最 大 應 力 曲 線 圖 91 圖 4.17 不 同 PHBV/PCL 比 例 在 降 解 過 程 中 的 楊 氏 係 數 曲 線 圖 91 圖 4.18 不 同 PHBV/PCL 比 例 在 降 解 過 程 中 的 最 大 應 變 曲 線 圖 92 圖 4.19 PHBV/PCL 電 紡 絲 薄 膜 於 UV 照 射 後 之 SEM 圖 94 圖 4.20 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 前 後 水 接 觸 角 之 測 量 圖 96 圖 4.21 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 前 後 水 接 觸 角 之 變 化 97 圖 4.22 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 於 電 漿 改 質 後 浸 泡 培 養 基 時 間 對 水 接 觸 角 的 影 響...99 圖 4.23 PHBV/ PCL 摻 合 膜 於 細 胞 培 養 之 生 長 曲 線 101 圖 4.24 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 之 細 胞 生 長 曲 線 103 圖 4.25 氧 氣 電 漿 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 細 胞 生 長 曲 線 105 IX

圖 4.26 細 胞 在 氧 氣 電 漿 之 PHBV 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 生 長 之 情 形 105 圖 4.27 細 胞 在 氧 氣 電 漿 之 PHBV/PCL (50/50) 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形.106 圖 4.28 細 胞 在 氧 氣 電 漿 之 PCL 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形 106 圖 4.29 HMDSZ 電 漿 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 細 胞 生 長 曲 線 108 圖 4.30 細 胞 在 HMDSZ 電 漿 之 PHBV 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形 108 圖 4.31 細 胞 在 HMDSZ 電 漿 之 PHBV/PCL(50/50) 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形 109 圖 4.32 細 胞 在 HMDSZ 電 漿 之 PCL 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形 109 圖 4.33 細 胞 在 氧 氣 + HMDSZ 電 漿 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 細 胞 生 長 曲 線 111 圖 4.34 細 胞 在 HMDSZ +O2 電 漿 之 PHBV 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形 111 圖 4.35 HMDSZ +O2 電 漿 之 PHBV/PCL(50/50) 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形.112 圖 4.36 HMDSZ +O2 電 漿 之 PCL 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM 圖 生 長 之 情 形 112 圖 4.37 三 種 電 漿 於 PHBV/ PCL(50/50) 電 紡 絲 纖 維 細 胞 生 長 曲 線 114 X

表 目 錄 表 4.1 不 同 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 熔 點 與 結 晶 度 67 表 4.2 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 拉 伸 測 試 數 據 表 70 表 4.3 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 數 據 表 72 表 4.4 PHBV/PCL 的 電 紡 絲 薄 膜 熱 分 析 數 據 表 80 表 4.5 不 同 PHBV/PCL 比 例 的 電 紡 絲 薄 膜 水 接 觸 角 數 據 表 84 表 4.6 不 同 PHBV/PCL 比 例 電 紡 絲 在 降 解 性 試 驗 的 熱 分 析 89 表 4.7 不 同 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 在 不 同 降 解 時 間 之 拉 伸 數 據 表 92 表 4.8 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 前 後 水 接 觸 角 之 數 據 圖 97 表 4.9 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 改 質 與 浸 泡 培 養 基 的 水 接 觸 角 數 據 99 XI

第 一 章 緒 論 1.1 前 言 隨 著 我 國 老 年 人 口 逐 年 攀 升, 關 節 的 損 傷 和 退 化 性 關 節 炎 便 成 為 近 年 來 重 要 的 研 究 課 題 關 節 軟 骨 為 無 血 管 神 經 之 組 織, 本 身 並 無 再 生 能 力 (O'Driscoll, 1998), 因 此 進 行 器 官 移 植 或 植 入 適 當 替 代 材 料 為 常 見 的 治 療 方 式 在 臨 床 上, 自 體 移 植 雖 然 容 易 被 患 者 接 受, 但 仍 有 來 源 有 限 及 會 造 成 患 者 二 次 傷 害 等 問 題 ; 而 異 體 移 植 雖 然 取 得 較 方 便, 但 是 有 免 疫 排 斥 及 傳 染 疾 病 等 疑 慮 目 前, 靜 電 紡 絲 已 廣 泛 應 用 於 組 織 工 程 支 架 的 研 究, 且 生 物 可 分 解 材 料 漸 漸 受 到 生 醫 材 料 產 業 的 重 視 聚 羥 基 丁 酯 戊 酯 (PHBV) 和 聚 ε- 己 內 酯 (PCL) 都 是 具 有 良 好 生 物 相 容 性 生 物 降 解 性 和 無 毒 性 的 生 物 醫 用 材 料 PHBV 結 晶 度 較 高 球 晶 大, 導 致 有 易 脆 性 質 且 加 工 溫 度 範 圍 窄, 還 有 疏 水 性 強 等 缺 點 PCL 在 生 物 醫 學 等 領 域 有 潛 在 的 應 用 價 值, 但 卻 因 熱 變 形 溫 度 比 較 低, 作 為 骨 科 修 復 材 料 和 組 織 工 程 支 架 材 料 使 用 時, 其 硬 度 和 強 度 方 面 都 沒 辦 法 達 到 要 求, 因 此 材 料 本 體 組 成 表 面 結 構 等 對 於 支 架 材 料 上 有 重 要 影 響 ( 唐 勇 红, 2010) 傳 統 紡 絲 製 成 包 括 : 熔 體 紡 絲 (melting spinning) 溼 式 紡 絲 (wet spinning) 乾 式 紡 絲 (dry spinning) 和 膠 體 紡 絲 法 (gel spinning) 等 僅 可 製 備 出 直 徑 介 於 微 米 級 至 次 微 米 級 的 紡 絲 纖 維 因 為 以 上 纖 1

維 製 程 之 加 工 方 式 受 到 纖 維 加 工 或 draw resonance 之 限 制, 無 法 製 備 出 直 徑 小 於 1 m 的 奈 米 纖 維 最 近 電 紡 絲 技 術 的 發 展 主 要 利 用 高 電 壓 產 生 的 電 斥 力 使 高 分 子 溶 液 於 電 紡 過 程 進 行 甩 動 拉 伸 的 運 動, 促 使 纖 維 有 效 且 快 速 的 拉 伸 以 獲 得 直 徑 達 奈 米 級 的 奈 米 纖 維 在 紡 絲 技 術 中 將 纖 維 直 徑 縮 小 至 奈 米 纖 維 有 許 多 好 處 ; 如 增 加 纖 維 的 強 力 及 其 比 表 面 積 以 利 於 纖 維 之 應 用 以 纖 維 的 機 械 強 度 而 言, 直 徑 越 大 的 纖 維 由 於 內 部 存 在 的 缺 陷 (defects) 越 多 且 無 法 達 到 高 度 的 配 向 性, 相 對 的 纖 維 表 面 的 缺 陷 也 越 多, 因 此 在 纖 維 拉 伸 中 導 致 纖 維 受 力 應 力 集 中 (stress concentration) 使 纖 維 的 強 度 大 幅 下 降 ( 王 盈 淇, 2006) 此 外, 細 胞 培 養 也 是 組 織 再 生 的 重 要 入 門 課 程 之 一, 支 架 表 面 的 親 疏 水 性, 對 於 細 胞 的 貼 附 增 生 及 移 動 均 有 影 響 利 用 電 漿, 把 反 應 氣 體 分 子 加 以 解 離 成 原 子 離 子 或 活 性 (Radical), 使 沈 積 反 應 可 以 在 較 低 的 溫 度 下 進 行 薄 膜 沈 積 最 重 要 的 是 沈 積 溫 度 低, 具 有 能 改 變 材 料 表 面 親 疏 水 性 與 增 加 潤 滑 性 生 物 相 容 性 等 優 點 電 漿 反 應 器 中 通 入 有 幾 化 合 物 如 碳 氫 氧 化 合 物 會 先 分 解 然 後 結 合 形 成 含 氧 的 高 分 子 化 合 物 ( 陳 克 紹,2006), 使 細 胞 的 貼 附 性 會 因 為 纖 維 的 親 疏 水 性 而 產 生 改 變 2

1.2 研 究 動 機 與 目 的 軟 骨 組 織 工 程 支 架 必 須 具 有 良 好 的 生 物 相 容 性 生 物 可 降 解 性 無 免 疫 排 斥 性 良 好 的 三 維 結 構 及 高 孔 隙 率, 並 且 能 夠 誘 導 細 胞 貼 附 增 生 及 維 持 正 常 細 胞 型 態 (Johnna et al,1999) 電 氣 紡 絲 能 形 成 奈 米 尺 寸 的 纖 維, 這 些 纖 維 互 相 堆 疊 後 形 成 的 開 放 型 多 孔 洞 狀 並 具 有 高 表 面 積 比, 使 其 能 夠 製 作 出 模 仿 胞 外 間 質 的 支 架 (Cui et al,2010) 本 研 究 是 利 用 靜 電 紡 絲 的 方 式 製 備 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 膜, 期 望 以 PHBV 來 改 善 PCL 的 機 械 性 質 熱 性 質 和 降 解 速 率 等 隨 之 為 增 加 其 細 胞 相 容 性, 將 纖 維 表 面 以 低 溫 電 漿 處 理, 探 討 支 架 親 水 性 及 促 進 軟 骨 細 胞 貼 附 與 增 生 的 要 素, 並 選 出 最 適 合 作 為 軟 骨 組 織 工 程 的 支 架 混 紡 比 例, 以 作 為 軟 骨 組 織 修 復 之 應 用 3

1.3 聚 羥 基 丁 酯 戊 酯 共 聚 物 (PHBV) 1.3.1 PHA 材 料 特 性 Poly (hydroxyalkanoates) (PHAs), 是 由 C H O 所 組 成 的 脂 肪 族 聚 合 物, 其 聚 合 的 單 元 體 為 hydroxyalkanoates (HAs), 單 元 體 的 carboxyl group 與 下 一 個 單 元 體 的 hydroxyl group 以 ester bond 連 結, 並 以 R configuration 形 式 存 在, 而 在 C-3 或 β 位 置 的 alkyl group 可 以 是 飽 和 不 飽 和 分 枝 烷 基 或 芳 香 族, 隨 著 R group 的 不 同, 其 簡 稱 也 不 相 同 如 接 上 甲 基 (CH 3 -) 則 為 PHB, 而 接 上 乙 基 (C 2 H 5 -) 則 為 PHV, 其 結 構 名 稱 見 圖 1.1 所 示, 而 當 兩 者 共 聚 時 稱 聚 羥 基 丁 酯 羥 基 (poly(3-hyroxybutyrate-co-3-hydroxy valerate),phbv), 其 結 構 如 圖 1.2 所 示,PHBV 共 聚 物 會 隨 著 羥 基 戊 酯 單 元 的 比 例 增 加 而 有 不 同 的 性 質 ( 陳,2004) 根 據 PHA 單 體 組 成 的 碳 數 不 同, 可 分 為 三 類 (Kim et al., 2003), 如 圖 1.3: 4

圖 1.1 聚 羥 基 酯 類 (PHA) 結 構 名 稱 ( 陳 丕 哲,2004) 圖 1.2 PHBV 結 構 圖 5

圖 1.3 依 據 碳 數 之 不 同 的 PHA 分 類 6

1.3.2 PHA 的 生 物 可 分 解 性 PHA 之 所 以 成 為 塑 膠 取 代 品 主 要 在 於 PHA 具 有 自 然 生 物 分 解 性, 在 無 氧 和 有 氧 環 境 下, 微 生 物 所 產 生 的 PHA 可 被 環 境 中 分 解 PHA 的 細 菌 和 真 菌 所 釋 放 的 extracellular PHA depolymerase 所 分 解 目 前 已 知 具 有 295 種 菌 可 以 於 細 胞 外 分 解 PHB 和 P(HB-HV) (Mergaert et al., 1993) PHA 在 在 無 氧 狀 況 下 PHA 被 分 解 成 二 氧 化 碳 和 甲 烷, 而 在 有 氧 的 情 況 下 可 被 分 解 成 二 氧 化 碳 和 水 烷 (Reddy et al., 2003) 實 驗 結 果 顯 示, 將 PHB 製 成 薄 膜 在 37 下,pH = 7.4 的 buffer 環 境 中 分 解 半 衰 期 為 1 年 (Freier et al., 2002) 1.3.3 PHA 的 生 相 容 性 (Biocompatibility) 生 物 相 容 性 廣 泛 的 定 義 是 指 生 物 體 對 外 來 物 的 包 容 性 和 接 受 程 度, 也 就 是 植 體 和 受 體 互 動 的 現 象 (William 1986), 而 狹 義 上 的 定 義 是 指 植 入 的 物 質 本 身 與 宿 主 免 疫 系 統 的 一 連 串 反 應 過 程 由 於 PHA 是 屬 於 聚 羥 基 烷 酯 類, 所 以 一 般 會 造 成 非 專 一 性 的 免 疫 反 應 為 先, 而 專 一 性 免 疫 反 應 為 後 生 物 相 容 性 低 的 高 分 子 材 料 往 往 會 引 發 受 體 的 排 斥 反 應 造 成 局 部 或 全 身 性 的 組 織 受 損 PHB 在 活 體 外 可 水 解 成 D-(-)3-hydrobutyric acid 的 單 元 體, 而 D-(-)-3-hy 7

droxybutyric acid 是 ketogenesis 代 謝 中 所 得 到 的 酮 體 產 物 之 一 (Reusch et al., 1988) 另 外,PHB 的 含 量 可 在 人 類 的 血 液 中 偵 測 到, 其 為 人 類 代 謝 的 分 解 產 物 之 一 (Reusch et al., 1992) 根 據 以 上 的 結 果, 可 以 認 為 PHB 是 具 有 生 物 相 容 性, 並 且 也 可 應 用 在 各 種 植 體 植 片 膠 片 等 生 醫 材 料 的 製 作, 並 且 應 該 不 具 毒 性 而 PHA 在 生 物 相 容 性 的 研 究 結 果 並 不 一 致, 根 據 活 體 外 的 方 式 評 估 PHB 的 研 究 指 出, 以 小 鼠 纖 維 母 細 胞 或 倉 鼠 卵 巢 細 胞 (CHO-k1) 與 PHB 植 片 混 合 培 養, 並 不 會 改 變 二 種 細 胞 生 長 和 小 鼠 纖 維 母 細 胞 中 葡 萄 糖 消 耗 與 乳 酸 的 產 生 (Lafferty et al., 1988) 並 且, 根 據 植 入 老 鼠 體 內 的 實 驗 顯 示, 以 PHB 製 成 的 植 片 植 入 會 引 起 急 性 發 炎 反 應, 可 在 植 片 鄰 近 發 現 大 量 嗜 中 性 白 血 球 聚 集 ( 植 入 後 5 週 ), 而 植 入 後 20 週 左 右 主 要 是 淋 巴 球 為 主 的 發 炎 反 應, 但 植 片 四 周 組 織 並 沒 有 壞 死 的 現 象, 他 們 推 論 這 只 是 生 物 體 外 來 的 一 種 正 常 反 應 (Korsatko et al., 1984), 另 外 以 PHB 製 成 的 微 小 球 (100μm) 注 入 老 鼠 的 大 腿 肌 肉 實 驗 結 果 (Juni et al.,1987) 與 Korsatko 報 告 一 致, 及 兔 子 軟 骨 細 胞 與 PHBHHx/PHB 所 製 成 之 載 體 作 共 同 培 養, 不 會 干 擾 軟 骨 細 胞 的 生 長 (Deng et al., 2002) 及 以 PHB/atactic PHB 所 作 成 植 片 縫 入 大 鼠 腸 中, 手 術 後 PHB 不 會 與 腸 道 發 生 沾 黏 且 腸 道 蠕 動 正 常 (Freier et al., 2002) 8

1.3.4 PHA 的 生 物 吸 收 性 (Bioabsorption) Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) 同 時 也 具 有 生 物 吸 收 性 (Freier et al., 2002), 可 以 在 大 鼠 體 內 起 分 解 反 應, 然 後 被 大 鼠 吸 收 而 消 失 不 見 因 此 PHA 這 些 材 料 表 面 經 過 適 當 處 理 之 後, 可 以 改 變 材 料 的 血 液 相 容 性 蛋 白 質 貼 覆 性 及 細 胞 貼 覆 與 生 長 的 特 性 等, 使 生 醫 材 料 的 應 用 更 廣, 產 品 性 能 更 佳 9

1.4 聚 己 內 酯 (PCL) 聚 己 內 酯, 全 名 Polycaprolactone (PCL), 是 利 用 ε- 己 內 酯 經 開 環 聚 合, 即 可 生 成 聚 己 內 酯, 如 圖 1.4, 它 是 一 種 熱 可 塑 性 結 晶 型 聚 酯 屬 於 聚 酯 中 應 用 較 廣 泛 的 一 種, 來 源 廣 泛 可 靠, 而 且 常 可 用 其 他 材 料 進 行 一 些 改 性 或 共 混, 以 滿 足 不 同 用 途 的 要 求, 但 須 克 服 熔 點 較 低 (60 ) 的 缺 陷 PCL 以 ε- 己 內 酯 為 原 料 聚 合 得 到, 是 一 類 完 全 微 生 物 降 解 的 聚 合 物 ( 戈 進 杰,2002) 圖 1-4 PCL 聚 合 PCL 材 料 特 性 ( 戈 進 杰,2002): (1) 具 可 燃 性 高 結 晶 性 生 物 分 解 性 熱 崩 解 性 (230 以 上 ) (2) 低 熔 點 (60 ) (3) 與 多 種 高 分 子 材 料 具 有 較 好 的 混 溶 性 10

1.4.1 脂 肪 族 聚 酯 聚 合 物 擁 有 的 優 點 PCL 為 生 物 可 分 解 塑 膠, 為 真 正 減 少 垃 圾 保 護 環 境 之 重 要 材 料, 但 仍 有 缺 點 : 因 成 本 過 高, 隨 著 生 物 分 解 塑 膠 的 規 模 生 產, 成 本 可 能 會 降 低 一 些, 在 短 時 期 內, 成 本 仍 高 於 通 用 塑 膠 雖 常 與 澱 粉 進 行 混 煉, 但 由 於 此 兩 種 材 料 的 相 容 性 並 不 佳, 因 此 必 須 尋 找 適 當 相 容 劑 才 可 將 PCL 和 澱 粉 均 勻 摻 混 1.4.2 PCL 的 應 用 PCL 是 目 前 較 為 重 要 的 生 物 降 解 高 分 子 材 料, 近 來 的 發 展 主 要 是 由 於 高 分 子 技 術 的 進 步 以 及 具 有 良 好 的 熱 塑 性 等 易 加 工 性 主 要 應 用 於 醫 療 食 品 以 及 包 裝 材 料, 商 用 製 品 的 形 態 多 以 薄 膜 為 主, 厚 度 約 為 50~100μm 的 薄 膜 拉 伸 強 度 可 達 19.6MPa(200kg/cm2), 伸 長 率 可 達 300% ( 戈 進 杰,2002) 11

1.5 軟 骨 細 胞 (1) 關 節 軟 骨 的 作 用 : 關 節 軟 骨 就 是 人 體 內 關 節 兩 端, 包 裹 在 長 骨 兩 端 的 一 層 白 色 的 光 滑 結 構, 人 類 的 膝 蓋 關 節 軟 骨 大 約 有 幾 釐 米 厚 軟 骨 組 織 和 下 方 的 骨 骼, 在 結 構 上 有 明 顯 的 不 同, 骨 骼 組 織 有 豐 富 的 血 管 和 神 經 網 絡, 也 因 此 硬 骨 組 織 的 新 陳 代 謝 非 常 旺 盛 相 對 地, 軟 骨 組 織 則 沒 有 任 何 血 管 和 神 經 結 構, 軟 骨 組 織 的 養 分 主 要 從 周 圍 關 節 液 中 擴 散 過 來, 供 給 非 常 緩 慢, 因 此, 軟 骨 組 織 中 的 新 陳 代 謝 也 非 常 緩 慢 由 於 骨 骼 內 有 神 經 組 織, 如 果 兩 塊 骨 骼 相 撞, 可 以 想 像 對 於 神 經 的 衝 擊 會 有 多 大, 所 造 成 的 疼 痛 是 非 常 嚴 重 的 可 是, 因 為 有 了 軟 骨 的 遮 蔽, 骨 骼 間 就 不 會 直 接 接 觸, 當 我 們 行 走 或 是 進 行 激 烈 的 活 動 時, 就 不 會 感 到 痛 苦 (2) 關 節 軟 骨 的 損 傷 與 補 救 : 當 軟 骨 組 織 成 熟 後, 軟 骨 細 胞 就 停 止 增 長, 因 此 無 法 對 受 損 的 部 位 進 行 修 復 不 過, 科 學 家 很 早 就 發 現, 將 軟 骨 組 織 取 出 來, 把 細 胞 從 細 胞 外 間 質 中 釋 放 出 來, 在 實 驗 室 培 養 皿 裡 培 養, 軟 骨 細 胞 還 是 可 以 生 長 的 因 此, 有 一 位 瑞 典 籍 的 醫 生 就 想, 既 然 軟 骨 細 胞 在 體 外 不 能 生 長, 那 麼 就 讓 它 們 在 實 驗 室 中 生 長, 再 植 入 關 節 軟 骨 的 缺 陷 處, 看 看 能 不 能 使 軟 骨 組 織 重 生 經 過 一 連 串 的 動 物 實 驗 和 臨 床 實 驗, 證 實 了 將 增 殖 後 的 軟 骨 細 胞 植 入 缺 陷 的 關 節 軟 骨 後, 可 以 再 長 出 新 的 組 織, 病 人 因 而 能 12

減 輕 行 動 時 的 痛 苦 這 樣 的 治 療 方 式 後 來 由 美 國 的 健 生 美 (Genzyme) 公 司 商 業 化, 產 品 的 名 稱 為 Carticel R 其 治 療 方 式 是, 外 科 醫 生 從 病 人 關 節 軟 骨 中 未 受 力 的 部 分, 取 出 一 片 約 為 葡 萄 乾 大 小 的 健 康 軟 骨 組 織, 送 到 健 生 美 公 司 的 實 驗 室 中 研 究 人 員 將 軟 骨 細 胞 分 離 出 來, 在 實 驗 室 中 經 過 三 星 期 的 培 養, 細 胞 的 數 目 增 加 約 10 ~ 20 倍 健 生 美 公 司 再 把 細 胞 送 到 醫 院, 醫 生 此 時 把 病 人 召 回, 先 將 軟 骨 受 損 的 部 分 清 理 乾 淨, 去 除 壞 死 的 組 織, 然 後 從 病 人 的 下 方 骨 頭 部 位 取 出 一 片 約 與 傷 口 大 小 相 同 的 骨 膜, 縫 在 傷 口 上 方, 再 將 細 胞 用 針 筒 注 射 到 骨 膜 下 方, 以 防 止 細 胞 外 洩 手 術 後 病 人 經 過 一 連 串 的 復 健, 一 年 後 就 可 以 恢 復 正 常 的 生 活 了 由 於 細 胞 是 來 自 病 患 本 人, 因 此 沒 有 排 斥 的 問 題, 也 可 以 避 免 傳 染 病 1.5.1 血 清 的 主 要 成 分 及 主 要 作 用 ( 章 靜 波.,2005) 血 清 是 由 血 漿 去 除 纖 維 蛋 白 而 形 成, 血 清 中 含 有 各 種 血 漿 蛋 白, 多 肽 脂 肪 碳 水 化 合 物 生 長 因 子 激 素 無 機 物 等, 這 些 物 質 對 促 進 細 胞 生 長 或 抑 制 生 長 活 性 是 達 到 生 理 平 衡 的 血 清 的 主 要 作 用 可 歸 納 如 下 : 13

1. 提 供 基 本 營 養 物 質 血 清 中 含 有 各 種 胺 基 酸 維 生 素 無 機 物 脂 類 物 質 核 酸 衍 生 物 等, 都 是 細 胞 生 長 所 需 的 基 本 營 養 物 質 2. 提 供 貼 壁 和 擴 展 因 子 許 多 體 外 培 養 的 細 胞 必 須 貼 附 於 培 養 器 皿 才 能 生 長, 幫 助 細 胞 貼 壁 的 物 質 都 屬 於 細 胞 外 基 質, 細 胞 在 體 內 生 長 時 具 有 分 泌 細 胞 外 基 質 的 功 能, 而 在 體 外 生 長 時, 隨 著 傳 代 次 數 的 增 加 這 種 能 力 逐 漸 下 降 甚 至 丟 失 血 清 中 含 有 這 類 物 質, 如 纖 維 連 接 蛋 白 素 (Fibronectin) 層 粘 連 蛋 白 (laminin) 等, 它 們 可 以 促 進 細 胞 貼 壁 3. 提 供 激 素 及 各 種 生 長 因 子 血 清 中 含 有 各 種 激 素 如 胰 島 素 腎 上 腺 皮 質 激 素 ( 氫 化 可 體 松 地 塞 米 松 ) 類 固 醇 激 素 ( 雌 二 醇 睪 固 酮 助 孕 酮 ) 等 同 時 含 有 各 種 生 長 因 子, 如 成 纖 維 細 胞 成 長 因 子 (FGF) 表 皮 細 胞 細 胞 生 長 因 子 (EGF) 血 小 板 生 長 因 子 (PDGF) 等 4. 提 供 結 合 蛋 白 結 合 蛋 白 的 作 用 是 攜 帶 重 要 的 低 分 子 量 物 質, 如 白 蛋 白 攜 帶 維 生 素 脂 肪 ( 脂 肪 酸 膽 固 醇 ) 以 及 激 素 等, 轉 鐵 蛋 白 攜 帶 鐵 結 合 蛋 白 在 細 胞 代 謝 過 程 中 起 重 要 作 用 14

5. 對 培 養 中 的 細 胞 提 供 些 保 護 作 用 有 一 些 細 胞, 如 內 皮 細 胞 骨 髓 樣 細 胞 可 以 釋 放 蛋 白 酶, 血 清 中 含 有 抗 蛋 白 酶 的 成 分, 起 中 和 作 用 這 種 作 用 是 偶 然 發 現 的, 現 在 則 有 目 的 地 使 用 血 清 來 終 止 胰 蛋 白 酶 的 消 化 作 用, 因 為 胰 蛋 白 酶 已 廣 泛 地 應 用 於 貼 壁 細 胞 的 消 化 傳 代 血 清 蛋 白 形 成 血 清 的 黏 度, 可 保 護 細 胞 免 受 機 械 損 傷, 特 別 是 在 懸 浮 培 養 攪 拌 時, 黏 度 起 重 要 作 用 血 清 中 還 含 有 一 些 微 量 元 素 和 離 子, 它 們 在 代 謝 解 毒 中 起 重 要 作 用, 如 SeO3 硒 等 15

1.5.2 組 織 工 程 支 架 組 織 工 程 (tissue engineering) 是 應 用 工 程 學 與 生 命 科 學 的 方 法, 發 展 具 活 性 的 替 代 物, 以 便 恢 復 或 改 善 人 體 組 織 的 功 能, 組 織 工 程 包 含 了 三 大 要 素, 分 別 是 細 胞 (cell) 促 進 細 胞 生 長 分 化 的 訊 息 因 子 (signals) 及 提 供 細 胞 生 長 所 需 之 支 架 (scaffold) ( Becker et al.,2007), 如 圖 1.5 其 中, 支 架 不 僅 要 具 備 胞 外 間 質 (extracellular matrix, ECM) 的 結 構 特 性 及 機 械 性 質, 還 要 能 夠 提 供 細 胞 繁 殖 並 維 持 正 常 細 胞 型 態 (Smith et al., 2009), 並 且 要 具 備 良 好 的 生 物 相 容 性 生 物 可 降 解 性 無 免 疫 排 斥 性 無 毒 性 適 當 的 孔 隙 度 誘 導 細 胞 貼 附 增 生 遷 移 並 且 維 持 正 常 細 胞 型 態 (Temeno and Mikos,1999 ; Ma et al.,2003 ; Ma et al.,2004 ; Chen et al.,2001 ; Zhao et al.,2003) 圖 1.5 組 織 工 程 三 要 素 16 ( Becker,2007)

1.6 高 分 子 生 醫 材 料 生 醫 高 分 子 材 料 是 生 技 領 域 中, 類 似 關 鍵 零 組 件 概 念 的 產 品, 它 以 製 造 導 向 為 模 式, 且 開 發 的 成 果 和 技 術 可 應 用 至 不 同 的 領 域, 尤 其 在 醫 療 器 材 上 的 應 用 愈 來 愈 多, 也 愈 來 愈 重 要 依 據 藥 事 法 第 13 條, 醫 療 器 材 是 指 包 括 診 斷 治 療 減 輕 或 直 接 預 防 人 類 疾 病, 或 足 以 影 響 人 類 身 體 結 構 及 機 能 的 儀 器 器 械 用 具 及 其 附 件 配 件 零 件 等 一 般 常 把 它 分 成 三 類 : 醫 療 電 子 ( 如 耳 溫 槍 數 位 血 壓 計 超 音 波 機 X 光 機 等 ) 輔 助 器 具 ( 如 輪 椅 電 動 代 步 車 拐 杖 義 肢 等 ), 和 生 醫 材 料 ( 如 繃 帶 隱 形 眼 鏡 注 射 針 筒 醫 用 導 管 人 工 器 官 等 )( 科 學 發 展,2010 年 11 月 ) 生 醫 材 料 是 指 具 有 生 物 相 容 性 而 可 植 入 或 結 合 入 活 體 系 統 中, 以 取 代 或 修 補 活 體 系 統 的 一 部 分, 或 者 直 接 和 活 體 接 觸 而 執 行 生 命 功 能 的 天 然 來 源 或 人 工 合 成 材 料 目 前 生 醫 材 料 的 概 念 可 延 伸 至 包 括 藥 物 傳 輸 系 統 生 物 感 應 器, 甚 至 支 持 身 體 功 能 的 體 外 醫 療 器 材 所 用 的 材 料 ( 科 學 發 展,2010 年 11 月 ) 在 製 造 醫 療 器 材 時, 除 了 一 般 材 料 的 物 理 化 學 性 質 外, 還 需 考 量 它 與 人 體 組 織 體 液 血 液 等 接 觸 時 的 生 物 相 容 性 所 謂 的 生 物 相 容 性, 涵 蓋 了 當 材 料 和 人 體 組 織 體 液 血 液 等 接 觸 時, 其 界 面 或 各 自 所 發 生 的 一 切 現 象, 例 如 蛋 白 質 的 吸 附 血 栓 的 產 生 免 疫 反 應 材 料 的 分 解 等 ( 科 學 發 展,2010 年 11 月 ) 17

傳 統 的 工 業 材 料 如 金 屬 與 合 金 陶 瓷 材 料 高 分 子 材 料 等, 都 曾 嘗 試 用 來 做 為 生 醫 材 料 在 1976 年 以 前, 只 要 醫 生 敢 用, 任 何 材 料 都 可 用 在 人 體 上 但 臨 床 的 經 驗 告 訴 我 們, 適 合 用 在 人 體 的 生 醫 材 料, 不 像 一 般 工 業 上 的 應 用, 還 得 考 慮 人 體 複 雜 的 免 疫 系 統 反 應 因 此 在 1976 年 美 國 國 會 通 過 食 品 藥 物 法 規 之 後, 生 醫 材 料 就 如 同 藥 物 一 般, 必 須 通 過 相 當 嚴 謹 的 體 外 和 動 物 實 驗, 進 而 臨 床 測 試 後 才 可 上 市 現 今 生 醫 材 料 的 研 究 已 不 再 是 一 個 單 獨 領 域 的 知 識 就 可 勝 任, 化 學 化 工 生 物 生 理 免 疫 醫 學 等 不 同 領 域 的 知 識, 已 是 研 究 生 醫 材 料 所 必 須 具 備 的 基 礎 依 材 料 種 類 來 分 類, 生 醫 材 料 大 致 可 分 為 高 分 子 有 機 聚 合 體 陶 瓷 金 屬 和 複 合 性 材 料 4 大 類 金 屬 材 料 所 衍 生 的 醫 療 產 品, 在 臨 床 應 用 上 大 致 以 手 術 器 械 和 骨 科 內 外 固 定 裝 置 等 醫 療 器 材 為 主 ; 陶 瓷 材 料 則 以 植 入 式 骨 科 填 補 材 料 為 主 要 應 用 ; 而 高 分 子 材 料, 由 於 易 加 工 生 產 具 強 韌 機 械 強 度 和 良 好 的 生 物 相 容 性 等 特 色, 過 去 數 十 年 被 廣 泛 應 用, 所 開 發 的 數 千 種 拋 棄 式 醫 療 器 材 和 植 入 式 生 醫 材 料, 對 增 進 人 類 健 康 有 重 大 的 貢 獻 高 分 子 材 料 依 來 源 又 可 分 類 為 合 成 高 分 子 材 料 和 天 然 高 分 子 材 料 ( 科 學 發 展,2010 年 11 月 ) 18

1.6.1 生 技 產 業 市 場 分 析 台 灣 發 展 生 物 科 技 產 業, 有 幾 個 方 向 值 得 參 考 : (1) 開 發 基 因 治 療 中 草 藥 針 對 亞 洲 人 特 別 容 易 罹 患 的 病 症, 例 如 肝 炎 鼻 咽 癌 口 腔 癌 等 疾 病, 進 行 研 究 及 中 藥 材 開 發 (2) 建 立 生 技 事 業 金 融 平 臺 利 用 國 內 的 資 本 市 場 為 平 臺, 為 國 內 外 生 物 科 技 公 司 募 集 資 金 或 為 國 際 資 金 媒 合 投 資 標 的 建 立 台 灣 生 技 事 業 的 金 融 轉 運 站 (3) 發 展 生 醫 材 料 開 發 高 經 濟 價 值 的 功 能 性 生 醫 材 料, 例 如 生 物 高 分 子 生 物 螢 光 體 等 等 (4) 檢 驗 試 劑 及 分 析 工 具 例 如 : 開 發 生 物 晶 片 及 其 周 邊 設 備 儀 器 及 試 劑 (5) 開 發 保 健 食 品 隨 著 追 求 健 康 保 健 的 觀 念 流 行, 具 有 保 健 功 能 的 食 品 及 機 能 性 飲 料, 市 場 需 求 越 來 越 大 (6) 生 技 醫 療 器 材 配 合 基 因 治 療 發 展, 以 台 灣 具 有 的 微 製 程 技 術 為 基 礎, 開 發 微 小 化 輕 便 及 個 人 化 的 醫 療 器 材 19

1.6.2 生 醫 材 料 成 長 的 因 素 目 前, 生 醫 材 料 的 技 術 無 法 完 全 取 代 原 組 織, 但 確 有 相 輔 相 乘 的 作 用 與 正 面 的 助 益 事 實 上, 生 醫 材 料 的 快 速 成 長, 來 自 於 下 列 幾 項 驅 動 因 素 : ( 一 ) 人 口 高 齡 化 造 成 的 需 求 戰 後 嬰 兒 潮 是 指 1946~1964 年 出 生 的 族 群, 亦 是 生 醫 材 料 最 主 要 使 用 的 人 口, 預 估 至 2050 年, 全 球 將 有 20% 屬 於 高 齡 人 口, 由 於, 高 齡 化 人 口 在 歐 美 先 進 國 家 的 比 重 逐 漸 增 加, 其 造 成 的 慢 性 病 增 加 及 追 求 永 保 青 春 的 需 求, 促 使 生 醫 材 料 的 成 長 速 度 驚 人 包 含 : 骨 科 心 血 管 眼 科 牙 科 各 式 微 創 植 入 物 等 市 場 需 求 增 加, 使 得 生 醫 材 料 市 場 逐 漸 擴 大, 使 用 人 口 亦 不 斷 擴 增, 產 業 規 模 逐 漸 大 輻 提 升 ( 二 ) 醫 療 保 險 制 度 需 求 增 加 帶 動 產 業 成 長 過 去 醫 療 器 材 的 需 求, 仰 賴 著 病 患 的 需 求, 這 樣 的 需 求 是 以 使 用 者 需 求 為 依 歸 的 角 度, 但 是, 由 於 許 多 生 醫 材 料 科 技 的 發 展 逐 漸 成 熟, 許 多 的 領 導 廠 商 著 重 於 醫 師 操 作 為 主 的 設 計 與 開 發, 以 突 顯 產 品 的 功 能 性 設 計 這 些 產 業 的 發 展 趨 勢 受 到 全 球 醫 療 保 險 制 度 的 影 響, 造 成 下 一 階 段 的 改 變, 就 是 滿 足 成 本 有 效 性 的 生 醫 材 料 發 展 第 三 支 付 者, 一 般 認 為 就 是 保 險 機 構, 由 於 保 險 公 司 以 第 三 者 身 分 向 醫 療 服 務 提 供 者 支 付 病 20

人 ( 投 保 人 ) 的 費 用, 服 務 提 供 者 與 病 人 均 沒 有 強 烈 動 機, 以 防 止 濫 用 醫 療 服 務 和 濫 收 醫 療 費 用 然 而, 就 第 三 支 付 者 的 立 場 來 看, 若 是 產 品 可 以 符 合 第 三 支 付 者 的 長 期 效 益, 將 是 給 予 給 付 的 關 鍵 因 素 若 產 品 一 旦 提 供 保 險 給 付, 醫 療 服 務 的 提 供 者 與 病 患 的 使 用 意 願 將 會 大 增, 新 產 品 的 市 場 將 有 機 會 大 幅 成 長 簡 單 來 說, 生 醫 材 料 需 要 滿 足 減 少 住 院 天 數 減 少 感 染 及 減 少 再 復 發 的 功 能 21

2.1 電 紡 絲 介 紹 第 二 章 實 驗 理 論 及 文 獻 回 顧 電 氣 紡 絲 (electrospinning) 是 利 用 高 壓 電 場 為 驅 動 力, 將 溶 解 狀 態 的 高 分 子 溶 液 由 毛 細 管 中 推 出 形 成 泰 勒 錐, 當 電 場 電 壓 大 於 溶 液 內 聚 力 時, 溶 液 會 脫 離 泰 勒 錐 射 出, 經 過 一 定 的 飛 行 軌 跡 後 在 收 集 板 上 展 開 (Reneker and Chun,1996), 形 成 奈 米 尺 寸 的 纖 維, 這 些 纖 維 互 相 堆 疊 形 成 的 開 放 型 多 孔 洞 狀 及 高 表 面 積 比, 使 電 氣 紡 絲 技 術 能 夠 製 作 出 模 仿 胞 外 間 質 的 支 架 (Cui et.al,2010) 2.2 電 紡 絲 原 理 Reneker 學 者 利 用 PEO 進 行 電 紡 絲 實 驗, 將 電 紡 絲 製 程 分 為 Base Jet Splaying Collection 四 大 部 分, 如 圗 2.1 所 示, 高 分 子 溶 於 適 當 之 溶 劑 中, 再 將 此 溶 液 以 擠 壓 的 方 式 導 入 針 頭, 並 且 在 針 頭 連 接 一 正 極 之 高 電 壓, 纖 維 收 集 板 連 接 負 極 或 是 接 地, 當 啟 動 高 壓 電 時, 針 頭 與 負 極 或 接 地 端 隨 即 產 生 電 位 差 ; 隨 著 電 壓 的 上 升, 溶 液 表 面 之 電 荷 密 度 提 高, 液 滴 表 面 產 生 的 靜 電 排 斥 力 隨 之 提 高, 使 得 液 滴 形 狀 由 半 圓 形 (Base) 逐 漸 改 變 形 成 Taylor cone; 當 高 壓 電 場 作 用 力 大 於 溶 液 的 表 面 張 力 時, 液 滴 克 服 表 面 張 力 在 Taylor cone 之 底 端 形 成 一 射 流 (Jet), 射 流 又 受 到 電 場 作 用 力 的 拉 伸 及 鞭 動 進 而 分 裂 展 開 (Splay) 出 更 細 的 射 流 (Jet), 紡 絲 過 程 中 經 溶 劑 揮 發 或 熔 體 冷 卻 後 固 化 成 細 絲, 最 後 以 纖 22

維 的 形 態 沉 積 於 收 集 板 上 (Collection) 與 一 般 紡 絲 技 術 比 較 之 下, 相 異 之 處 是 將 其 驅 動 力 由 機 械 力 改 為 靜 電 力, 故 稱 之 為 電 紡 絲 圗 2.1 靜 電 紡 絲 原 理 (Reneker and Chun, 1996) 電 紡 絲 藉 由 工 作 電 壓 溶 液 黏 度 工 作 距 離 等 條 件 控 制, 可 紡 織 出 纖 維 交 疊 型 態 的 結 構, 由 控 制 薄 膜 之 孔 洞 率 孔 徑, 達 到 理 想 中 之 纖 維 支 架 結 構 電 紡 纖 維 支 架 因 纖 維 直 徑 的 奈 米 化, 造 成 量 子 尺 寸 效 應 及 表 面 效 應, 進 而 展 現 出 不 同 的 物 理 與 化 學 的 性 質 ; 電 紡 絲 技 術 優 點 如 下 : (1) 纖 維 尺 寸 可 達 奈 米 級 (2) 纖 維 結 構 及 直 徑 大 小 可 由 溶 液 黏 度 (Solution Viscosity) 電 場 強 度 (Electric Field Intensity) 等 變 因, 準 確 調 控 電 紡 絲 可 使 纖 維 呈 現 高 度 順 向 性 排 列, 有 助 於 纖 維 支 架 機 械 強 度 的 提 升, 可 應 用 在 心 血 管 支 架 上 電 紡 絲 藉 由 工 作 電 壓 溶 液 黏 度 工 作 23

距 離 等 條 件 控 制, 可 紡 織 出 纖 維 交 疊 型 態 的 結 構, 由 控 制 薄 膜 之 孔 洞 率 孔 徑, 達 到 理 想 中 之 纖 維 支 架 結 構 電 紡 纖 維 支 架 因 纖 維 直 徑 的 奈 米 化, 造 成 量 子 尺 寸 效 應 及 表 面 效 應, 進 而 展 現 出 不 同 的 物 理 與 化 學 的 性 質 ; 電 紡 絲 技 術 優 點 如 下 : (3) 纖 維 尺 寸 可 達 奈 米 級 (4) 纖 維 結 構 及 直 徑 大 小 可 由 溶 液 黏 度 (Solution Viscosity) 電 場 強 度 (Electric Field Intensity) 等 變 因, 準 確 調 控 電 紡 絲 可 使 纖 維 呈 現 高 度 順 向 性 排 列, 有 助 於 纖 維 支 架 機 械 強 度 的 提 升, 可 應 用 在 心 血 管 支 架 上 2.2.1 電 紡 絲 基 本 參 數 控 制 靜 電 紡 絲 的 過 程 中, 紡 絲 參 數 (parameters) 會 影 響 紡 絲 後 的 纖 維 形 態, 可 將 影 響 電 紡 絲 纖 維 形 態 的 參 數 分 為 三 大 類 : 第 一 類 為 設 備 參 數 : 包 括 電 壓 (Voltage) 工 作 距 離 (Work distance) 進 料 流 率 (input flow rate) 纺 絲 頭 直 徑 (Needle diameter)( Holzmeister and Rudisile, 2007 Huang and Zhang, 2004) 第 二 類 : 電 纺 溶 液 的 特 性, 包 括 黏 度 (Viscosity) 聚 合 物 濃 度 (Polymer concentration) 聚 合 物 的 分 子 量 (Molecular weight of polymer)(shah and Manthe, 2009 Munir and Suryamas, 2009 ) 導 電 性 (Electrical conductivity) 表 面 張 力 (Surface tension)(kwon and Kidoaki, 2005 24

Lin and Chua al, 2007) 第 三 類 為 周 遭 環 境 狀 態, 包 括 : 溫 度 (Temperature) 濕 度 (Humidity) 以 及 流 動 氣 體 等 (Vaquette and Babak, 2008) 根 據 這 三 大 類 的 條 件 做 一 個 靜 電 紡 絲 的 製 備, 例 如 在 相 同 的 條 件 下 調 整 進 料 流 率 可 以 增 加 紡 絲 的 產 量, 但 是 當 電 壓 調 高 時 紡 絲 頭 的 泰 勒 錐 將 不 再 明 顯, 而 是 由 紡 絲 嘴 中 的 毛 細 孔 (capillary Pore) 直 接 拉 出, 此 時 靜 電 紡 絲 流 速 等 於 紡 絲 頭 之 初 始 流 速 ; 也 可 以 藉 由 紡 絲 頭 直 徑 的 調 整 來 控 制 毛 細 孔 大 小, 當 口 徑 越 大, 毛 細 現 象 越 薄 弱, 此 時 在 固 定 電 廠 的 拉 扯 下 容 易 形 成 泰 勒 錐, 間 接 影 響 纖 維 形 成 ; 在 電 纺 過 程 中 的 物 理 現 象 由 電 場 強 度 ( electric field strength ) 所 控 制, 在 實 驗 過 程 中 將 電 壓 除 距 離 後 會 得 到 一 比 值, 在 一 些 文 獻 中 將 比 值 稱 為 稱 為 電 壓 距 離 比 (Voltage distance rate), 換 句 話 說 電 壓 與 工 作 距 離 是 同 一 種 類 別 的 條 件, 在 相 同 的 電 壓 下 縮 短 工 作 距 離 時, 纖 維 所 承 受 的 電 場 強 度 就 會 增 加, 若 增 加 工 作 距 離 時 則 反 之, 相 對 的 在 固 定 工 作 距 離 下 進 行 電 壓 調 整 後, 一 樣 也 可 以 獲 得 相 同 的 結 果, 所 以 本 實 驗 中 也 將 以 電 壓 / 距 離 比 之 條 件 作 為 調 整 因 子 在 溶 液 特 性 的 部 分, 高 分 子 溶 液 黏 度 濃 度 分 子 量 和 表 面 張 力 都 成 正 比, 當 高 分 子 濃 度 提 高 時, 黏 度 和 表 面 張 力 也 會 相 對 的 提 升, 此 時 就 需 要 更 大 的 電 場 強 度, 才 能 夠 將 粘 稠 的 高 分 子 溶 液 從 紡 絲 嘴 中 拉 出 纖 25

維, 所 以 在 纺 絲 過 程 中 的 各 項 條 件 都 應 適 中, 才 有 利 於 紡 絲 操 作 另 外 環 境 因 素 也 會 影 響 整 個 纖 維 形 態 或 泰 勒 錐 的 黏 度, 因 為 當 環 境 溫 度 過 高 時, 會 使 高 分 子 溶 液 的 黏 度 下 降, 文 獻 指 出 溼 度 過 高 會 使 纖 維 有 機 會 形 成 孔 洞 形 態, 以 及 紡 絲 過 程 中 的 流 動 氣 體 會 使 纖 維 形 態 散 亂 不 規 則 提 高 溶 液 揮 發 速 度, 間 接 影 響 纖 維 的 形 態 直 徑 和 規 則 性 之 排 列 纖 維 等 2.2.2 電 紡 絲 的 應 用 電 氣 紡 絲 技 術 應 用 於 組 織 工 程 支 架 製 備, 在 近 年 來 的 研 究 中 備 受 青 睞, 因 為 其 能 夠 提 供 奈 米 尺 寸 的 孔 洞, 並 且 表 面 積 比 相 當 大, 非 常 適 合 細 胞 增 生 與 貼 附 而 纖 維 直 徑 小 及 電 氣 紡 絲 的 拉 扯 力 等 因 素, 使 纖 維 內 的 分 子 順 向 大 幅 提 高, 讓 電 氣 紡 絲 纖 維 更 能 夠 成 為 模 仿 自 然 生 理 環 境 的 組 織 工 程 材 料 (Liang et.al,2007 ; Smith et.al, 2008; Baker et.al,2009; Smith et.al,2009) 26

2.3 電 漿 簡 介 2.3.1 電 漿 基 本 理 論 若 對 中 性 物 質 施 加 高 磁 場 或 能 量 時, 會 使 此 物 質 吸 收 這 些 能 量 而 游 離 出 電 子, 電 子 再 受 電 場 加 速 獲 得 動 能 ( 速 度 能 ), 此 快 速 電 子 衝 撞 原 子 或 分 子 會 有 電 子 (electron) 正 離 子 (positive ion) 負 離 子 (negative ion) 自 由 基 (free radical) 原 子 (atom) 分 子 (molecules) 激 發 物 質 (excited species) UV 光 可 見 光 等 多 種 複 雜 物 質 同 時 產 生 此 狀 態 稱 之 為 電 漿 (plasma)(liao et.al,1994 ; Hsieh and wu 1991) 一 般 來 說 電 漿 具 有 下 列 之 特 性 (Dai et.al,2000) : 1. 電 漿 是 將 能 量 ( 或 熱 能 ) 施 於 氣 體 而 發 生, 故 通 常 視 為 繼 固 態 液 態 氣 態 之 後 物 質 的 第 四 態 (Yasuda,1990) ( 第 四 相 ) 由 氣 態 轉 換 成 電 漿 態 時 其 間 沒 有 一 個 可 供 明 確 區 別 的 相 變 化 (phase change), 這 意 謂 變 化 過 程 為 一 連 續 或 接 近 連 續 2. 電 漿 是 一 種 局 部 或 全 部 離 子 化 之 氣 體, 其 正 電 荷 粒 子 數 目 和 負 電 粒 子 荷 數 目 相 等, 而 呈 現 一 準 中 性 (quasi neutral) 氣 體, 這 些 帶 電 粒 子 藉 長 庫 倫 力 ( long range coulomb force ) 之 交 互 作 用 (Interaction), 而 呈 現 集 體 化 行 為 (collective behavior), 通 常 氣 體 離 子 化 數 目 通 常 達 到 進 料 氣 體 總 數 之 萬 分 之 一 以 上 即 可 以 電 漿 組 成 溫 度 而 言, 可 將 電 漿 分 為 熱 電 漿 (thermal plasma) 與 低 27

溫 電 漿 (cold plasma) 操 作 壓 力 在 100torr 以 上 者 一 般 稱 為 熱 電 漿, 亦 稱 為 平 衡 電 漿 (equilibrium plasma) 或 局 部 熱 力 學 平 衡 電 漿 (local thermodynamic equlilbrium); 如 圖 2.2 當 氣 體 溫 度 (T g ) 與 電 子 溫 度 (T e ) 和 離 子 溫 度 (T i ) 三 者 溫 度 相 近, 可 高 達 數 萬 K, 最 常 見 的 例 子 就 是 環 繞 在 太 陽 四 周 的 氣 體, 因 受 太 陽 高 溫 及 輻 射 影 響 而 形 成 熱 電 漿 而 操 作 壓 力 在 1torr 以 下 者 一 般 稱 為 低 溫 電 漿, 亦 稱 為 非 平 衡 電 漿 (non-equilibrium plasma ) 或 非 局 部 熱 力 學 平 衡 電 漿 ( non-local thermodynamic equlilbrium); 由 於 整 個 空 間 屬 於 一 個 低 壓 系 統, 故 系 統 中 電 子 與 中 性 氣 體 分 子 或 離 子 碰 撞 機 率 大 幅 減 少, 導 致 電 子 的 能 量 無 法 有 效 的 傳 遞, 因 此 電 子 溫 度 可 高 達 10 5 K, 而 離 子 中 性 分 子 溫 度 則 與 室 溫 差 不 多 (Jung et al, 2008) 圖 2.2 壓 力 對 電 子 溫 度 (T e) 氣 體 溫 度 (T g) 離 子 溫 度 (T i) 之 關 係 (Jung et al, 2008) 28

2.4 電 漿 蝕 刻 電 漿 蝕 刻 (plasma etching) 主 要 的 用 途 可 以 用 來 去 除 材 料 表 面 的 某 些 部 分, 常 被 使 用 於 半 導 體 產 業 中 另 外 它 也 可 以 利 用 在 表 面 的 清 潔 方 面 基 本 的 蝕 刻 機 制 有 以 下 幾 種 (Wang and Yasuda,1995 ; 潘 扶 民,1998 ) : 1. 純 化 學 蝕 刻 (Pure Chemical Etching) 一 般 都 以 遙 距 (remote) 電 漿 或 稱 下 游 (downstream) 電 漿 ( 圖 2.3) 的 方 式, 產 生 具 有 蝕 刻 能 力 的 高 能 氣 體 分 子 或 離 子, 藉 以 碰 撞 材 料 表 面 產 生 化 學 反 應, 形 成 具 揮 發 性 (volatile) 氣 體 產 物 而 脫 離 表 面 ( 圖 2.4) 圖 2.3 Remote Plasma 示 意 圖 (Dai,2000) 圖 2.4 Pure Chemical Etching ( Dai,2000 ) 29

2. 純 物 理 性 蝕 刻 (Pure Physical Etching) 電 漿 產 生 之 離 子 對 表 面 只 有 純 物 理 性 的 碰 撞, 不 會 產 生 揮 發 性 氣 體 ( 圖 2.5) 圖 2.5 Pure Physical Etching ( Dai,2000 ) 3. 離 子 輔 助 蝕 刻 (Ion Assisted Etching) 半 導 體 產 業 中 電 漿 產 生 的 陽 離 子 可 清 除 在 材 料 表 面 上 生 成 的 抑 制 層 (inhibitor), 利 用 自 由 基 對 材 料 表 面 蝕 刻, 屬 化 學 性 蝕 刻 如 CF 類 電 漿 氣 體 易 生 成 -(CF 2 )n- 高 分 子 抑 制 層, 使 用 氧 氣 電 漿 可 以 生 成 CO CO2 等 揮 發 性 物 小 分 子 來 清 除 此 抑 制 層 4. 化 學 性 加 物 理 性 蝕 刻 (Chemical and Physical Etching) 化 學 性 強 一 點 的 方 式 蝕 刻 稱 之 為 電 漿 化 學 蝕 刻 (Plasma Chemical Etching PCE); 化 學 性 與 物 理 性 各 半 者 稱 為 活 性 離 子 蝕 刻 (Reactive Ion Etching RIE); 物 理 性 較 強 者 則 稱 為 活 性 離 子 束 蝕 刻 (Reactive Ion Beam Etching RIBE) 以 下 就 以 活 性 離 子 蝕 刻 做 一 些 說 明 ( 圖 2.6): 30

A : 自 由 基 吸 附 於 材 料 表 面 B : 小 分 子 的 脫 附 C : 自 由 基 與 材 料 表 面 進 行 化 學 反 應, 生 成 揮 發 性 小 分 子 D : 陽 離 子 易 與 電 子 作 用 而 生 成 自 由 基 E : 脫 附 後 的 小 分 子 擴 散 進 入 本 體 (bulk) 氣 體 由 pump 抽 走 F : 陽 離 子 一 般 並 不 會 參 與 反 應, 但 會 受 負 偏 壓 加 速 撞 擊 材 料 表 面, 而 造 成 缺 陷 (defect), 成 為 活 性 位 置 (active site) 導 致 自 由 基 亦 吸 附 在 此 位 置 上 31

圖 2.6 活 性 離 子 蝕 刻 示 意 圖 (In Kwon Jung,2008) 32

2.5 低 溫 電 漿 的 特 色 影 響 電 漿 製 程 的 參 數 有 很 多, 如 : 功 率 激 發 頻 率 進 氣 種 類 氣 體 的 混 合 壓 力 流 量 等 等, 各 種 參 數 皆 會 影 響 處 理 的 結 果, 因 此 各 種 參 數 間 的 相 互 影 響 性 非 常 重 要 低 溫 電 漿 化 學 處 理 就 是 把 材 料 放 置 於 電 漿 環 境 中, 讓 電 漿 將 其 材 料 表 面 以 物 理 或 化 學 方 法 加 以 改 質 使 用 電 漿 表 面 處 理 的 特 色 如 下 : 1. 只 有 表 面 被 改 質, 而 不 會 改 變 材 料 的 主 結 構 性 質 ; 2. 是 一 種 乾 式 的 過 程, 低 公 害 ; 3. 聚 合 膜 的 性 能 優 越, 且 與 基 材 上 其 他 層 膜 接 著 力 強 ; 4. 複 雜 的 形 狀, 也 能 均 勻 的 處 理 ; 5. 電 漿 溫 度 低 對 材 料 影 響 很 小 ; 等 多 項 優 點 2.6 低 溫 電 漿 表 面 改 質 技 術 曝 露 於 電 漿 中 的 材 料, 其 所 有 重 要 的 反 應 皆 建 立 於 自 由 基 化 學 (free radical chemical) 上 由 低 壓 電 漿 產 生 的 自 由 基 在 材 料 上 主 要 有 四 種 作 用 (Nimni,1988): 1. 交 錯 連 結 (crosslinking) 2. 切 除 (ablation) 33

3. 表 面 清 潔 (etching) 4. 表 面 活 性 化 (activation) 這 四 種 作 用 同 時 發 生 時, 何 種 作 用 較 佔 優 勢, 則 取 決 於 程 序 條 件 (processing conditions) 及 反 應 室 設 計 然 而, 這 些 影 響 皆 只 在 上 面 極 少 數 的 分 子 層 ( 約 10~1000Å ), 所 以 不 會 改 變 材 料 外 觀 或 整 體 性 質 利 用 低 溫 電 漿 處 理 高 分 子 基 材 表 面 的 方 法 已 被 廣 泛 研 究 採 用 的 方 法 可 概 分 為 三 種 : 表 面 活 化 (surface activation ) 電 漿 誘 導 接 枝 共 聚 反 應 ( plasma-induced graft copolymerization ) 電 漿 聚 合 ( plasma polymerization) 等 三 種 而 電 漿 表 面 處 理 的 技 術 優 點 有 : (1) 與 傳 統 燃 燒 化 學 比 較, 電 漿 化 學 能 量 利 用 率 高 (2) 電 漿 反 應 能 量 只 用 於 加 速 電 子, 氣 流 的 溫 度 變 化 不 會 太 大 ; 加 上 電 漿 化 學 產 生 許 多 高 活 性 自 由 基, 由 於 自 由 基 反 應 速 率 非 常 快 而 且 受 溫 度 的 影 響 不 大, 因 此 不 須 在 很 高 溫 度 下 就 可 進 行 反 應, 一 般 情 況 下 室 溫 即 可 ; 簡 單 來 說, 不 需 耗 費 能 源 在 加 熱 氣 體 上 (3) 在 電 漿 的 操 作 下, 可 以 有 許 多 種 反 應 模 式 供 選 擇, 應 用 範 圍 極 廣 大 (4) 電 漿 的 處 理 僅 表 面 而 已, 能 夠 在 不 會 改 變 基 材 本 身 物 理 性 質 下 做 表 面 改 質, 並 且 處 理 彈 性 大, 能 夠 處 理 金 屬 無 機 材 料 與 有 機 材 料 表 面 34

2.6.1 表 面 活 化 表 面 活 化 反 應 係 利 用 電 漿 激 發 惰 性 氣 體 或 非 聚 合 反 應 性 氣 體, 以 產 生 具 高 能 量 的 粒 子 與 材 料 表 面 相 互 作 用, 讓 表 面 產 生 活 化 點 (active point) 之 後, 暴 露 於 空 氣 中 生 成 過 氧 化 基 (peroxide) 加 以 應 用 之 反 應 ( 陳 克 紹,1986) 1. 惰 性 氣 體 (Intert Plasma): 如 氬 (Ar) 氦 (He) 形 成 之 電 漿, 對 於 高 分 子 近 表 面 區 域 的 改 質, 離 子 扮 演 一 重 要 角 色 因 為 離 子 可 在 基 材 表 面 產 生 自 由 基 (Chemical radicals) 與 交 聯 (Crosslinking) 的 活 性 表 面 如 Fig. 2.7 所 示 這 些 自 由 基 具 有 非 常 接 近 表 面 半 衰 期 短 易 自 然 氧 化 之 特 質, 故 在 電 漿 反 應 室 內 通 入 單 體, 可 立 即 (in-situ) 運 用 短 暫 的 自 由 基 行 接 枝 聚 合 反 應 ( 曾 勝 群,2006 ; Sperati et al,1975) 35

圖 2.7 惰 性 氣 體 電 漿 處 理 於 材 料 表 面 所 產 生 的 反 應 ( 陳 克 紹,1986) 2. 非 聚 合 反 應 性 氣 體 : 如 氮 (N 2 ) 氧 (O 2 ) 形 成 之 電 漿, 離 子 分 解 與 受 激 化 學 反 應 物 種 間 的 平 衡 決 定 電 漿 處 理 材 料 表 面 活 化 點 含 量, 可 以 在 材 料 表 面 形 成 個 別 的 官 能 基 ( 如 圖 2.8) ( 廖 淑 娟,2007): 36

圖 2.8 非 聚 合 反 應 性 氣 體 電 漿 處 理 於 材 料 表 面 所 產 生 的 反 應 ( 廖 淑 娟,2007) 37

2.7 電 漿 表 面 處 理 在 生 醫 材 料 上 的 應 用 從 一 般 外 用 創 傷 敷 材 到 內 服 控 制 藥 物 釋 放 的 膠 囊, 眼 鏡 族 配 戴 的 隱 形 眼 鏡, 乃 至 於 植 入 病 患 體 內 之 人 造 血 管 及 人 工 關 節 等, 生 醫 材 料 的 應 用 不 勝 枚 舉, 不 同 的 應 用, 功 能 需 求 各 異, 如 圖 2.9 但 最 基 本, 也 是 每 種 生 醫 材 料 在 實 用 上 必 需 要 克 服 的 問 題, 即 是 材 料 本 身 表 面 與 其 接 觸 之 人 體 生 理 界 面 的 相 容 性, 電 漿 表 面 處 理 可 以 在 不 影 響 生 醫 材 料 主 體 機 能 下, 進 行 材 料 表 面 特 性 的 改 質, 改 善 材 料 生 物 的 相 容 性 ( 吳 et.al, 工 業 材 料 雜 誌 212 期 93 年 8 月 ) 電 漿 處 理 技 術 在 生 醫 材 料 的 表 面 改 質 已 有 廣 泛 的 應 用, 除 了 可 提 升 材 料 表 面 的 生 物 相 容 性 外, 也 常 藉 由 改 善 材 料 表 面 的 其 他 性 質, 如 (1) 貼 附 性 (2) 親 水 性 (3) 分 子 固 定 (4) 沉 積 阻 隔 薄 膜 與 (5) 材 料 表 面 清 潔 消 毒 等 (1) 貼 附 性 : 電 漿 表 面 處 理 可 在 材 料 表 面 形 成 一 些 特 定 官 能 基, 或 是 沉 積 薄 膜 來 改 變 材 料 表 面 化 學 組 成, 以 達 到 良 好 的 貼 附 性, 例 如 HN 3 電 漿 處 理 使 用 在 生 醫 材 料 的 表 面 改 質 能 夠 增 加 細 胞 的 貼 附 與 成 長 38

(2) 親 水 性 : 在 材 料 表 面 創 造 出 親 水 或 疏 水 的 特 性, 常 見 的 像 是 O 2 電 漿 處 理, 在 表 面 產 生 一 些 OH 基, 以 提 升 表 面 的 親 水 性, 改 善 隱 形 眼 鏡 配 戴 的 舒 適 性 (3) 分 子 固 定 : 高 分 子 材 料 經 電 漿 處 理 後, 可 在 分 子 結 構 中 產 生 自 由 基, 能 與 單 體 進 行 接 枝 聚 合 反 應, 將 生 物 分 子 固 定 以 改 善 生 物 相 容 性, 例 如 表 面 固 定 膠 原 蛋 白 可 提 升 角 膜 上 皮 細 胞 的 生 物 相 容 性 (4) 沉 積 阻 隔 薄 膜 : 在 藥 物 釋 放 系 統 中, 適 當 的 阻 隔 膜 可 限 制 藥 物 分 子 的 擴 散 速 率, 有 助 於 藥 物 低 劑 量 且 長 時 間 穩 定 的 釋 出, 利 用 電 漿 處 理 在 材 料 表 面 沉 積 薄 膜, 能 達 到 控 制 小 分 子 擴 散 透 過 高 分 子 薄 膜 的 速 率 (5) 材 料 表 面 清 潔 消 毒 : 與 普 通 的 加 熱 輻 射 消 毒 法 比 較, 電 漿 消 毒 常 被 應 用 在 一 些 對 高 溫 和 輻 射 表 面 敏 感 的 生 醫 材 料, 例 如 使 用 電 漿 處 理 對 高 分 子 材 料 消 毒 與 清 潔, 能 夠 避 免 結 構 產 生 變 化 或 是 熱 裂 解 的 現 象, 仍 然 能 夠 有 效 的 殺 菌, 避 免 植 入 體 內 產 生 感 染 排 斥 等 問 題 39

圖 2.9 表 面 電 交 處 理 技 術 在 各 種 生 醫 材 料 領 域 上 的 應 用 ( 工 業 材 料 雜 誌 212 期 93 年 8 月 ) 40

第 三 章 實 驗 方 法 與 儀 器 3.1 實 驗 架 構 41

3.2 實 驗 藥 品 與 儀 器 (1) 實 驗 材 料 : 1. 聚 羥 基 丁 酯 戊 酯 ( Poly-hydroxy butyrate-co-hydroxyvalerate, PHBV ),Haloferax mediterranei 發 酵 萃 取 所 生 產 2. 聚 己 內 酯 (poly-ε-caprolactone) Mw = 70000~90000kD, Sigma-Aldrich,USA 3. 二 氯 甲 烷 (Dichloromethane, DCM ):ECHO, 試 藥 級,Taiwan 4. 二 甲 基 甲 醯 胺 ( N,N-Dimethyl formamide, DMF ):ECHO, 試 藥 級, Taiwan 5. 乙 醇 ( Ethanol, ETOH ):95%, 工 業 級,Taiwan 6. 氧 氣 (O 2) 7. Dulbecco s Modified Eagle Medium : Nutrient Mixture F-12 (1:1) (DMEM/F12,Gibco) 8. Dimethyl sulfoxide(dmso,scharlau) 9. Bovine Serum Albumin(BSA,sigma) 10. fetal bovine serum (FBS, Gibco) 11. Hepes buffer (sigma) 12. Phoshphate-Buffered Saline(PBS,Sigma) 13. penicillin (Biological Industries) 14. streptomycin (Biological Industries) 15. Trypan Blue 42

16. trypsin 胰 蛋 白 酶 17. MTT(5mg/ml PBS) 18. NaHCO 3 (Sigma) 19. 六 甲 基 二 矽 氨 烷 Hexamethyldisilazane [(CH 3 ) 3 Si-NH-Si(CH 3 ) 3,HMDSZ],( 分 子 量 = 161.39 g/mole, 密 度 = 0.774 g/cm 3 (Fluka Chemical Co. Japan.) 20. 細 胞 株 : 永 生 大 鼠 軟 骨 細 胞 immortalized rat chondrocytes (IRC) ( 由 國 立 臺 灣 大 學 徐 善 慧 教 授 提 供 ) (2) 實 驗 儀 器 : 1. 乾 燥 烘 箱 :DENG YNG,DO 60,Taiwan 2. 排 煙 櫃 3. 電 紡 設 備 ( 由 台 北 醫 學 大 學 陳 建 中 老 師 提 供 )( 圖 3.1) 4. 電 漿 設 備 ( 由 大 同 大 學 陳 克 紹 老 師 提 供 ) 5. 電 磁 加 熱 攪 拌 器 (NUOVA II,STIR PLATE Thermolyne,USA) 6. 電 子 天 平 (XS105DU,Taiwan) 7. T-flask(T-25 T-75,Nunc) 8. 12 well 96 well(nunc) 9. 恆 溫 水 浴 槽 (G-20,DENG YNG) 43

10. 培 養 箱 (MCO-20AIC,Sanyo) 11. 血 球 計 數 盤 (MARIENFELD) 12. 離 心 機 (5310,Kubota) 13. 倒 立 式 螢 光 顯 微 鏡 ( 含 : 顯 微 鏡 與 照 相 系 統,TEU2000-U,Nikon) 14. 無 菌 操 作 台 (VCM-420,TKS) 15. 80 C 冰 箱 (SANYO,MDF-U33V, Taiwan) 16. 圓 形 蓋 玻 片 (20mm, Taiwan) 17. 玻 璃 針 筒 (5ml 10ml, korea) 18. 鐵 氟 龍 管 19. 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (JEOL JSM-5600, Japan) 20. 差 示 掃 描 量 熱 法 (DSC) (TA Instrument DSC-Q10, USA) 21. 傅 利 葉 紅 外 線 光 譜 儀 (FTIR) (horiba FT-720, Japan) 22. 音 叉 型 振 動 式 黏 度 計 (A&D Vibro viscometer SV-10, Japan) 23. 高 壓 靜 電 產 生 器 (CM50 Simco, USA) 24. 光 學 顯 微 鏡 (Nikon,Eclipse E600,Japan) 25. 拉 伸 機 (Lloyd Instruments,USA) 44

圗 3.1 電 紡 絲 設 備 照 片 (1) 推 進 式 幫 浦 ;(2) 高 壓 靜 電 產 生 器 ;(3) 玻 璃 針 筒 ;(4) 鐵 氟 龍 管 ; (5) 同 軸 式 紡 絲 嘴 ;(6) 滾 筒 式 收 集 器 ;(7) 旋 轉 馬 達 ( 100 ~ 1000 rpm ) 45

3.3 高 分 子 支 架 的 製 備 與 選 取 3.3.1 實 驗 步 驟 3.3.1.1 混 摻 薄 膜 之 製 備 1. 以 8.5wt% 的 濃 度 將 不 同 重 量 比 例 (PHBV:PCL=100/0,75/25,50/50, 25/75,0/100) 的 藥 品 放 入 sample 瓶 中, 並 加 入 二 氯 甲 浣 和 二 甲 基 甲 醯 胺, 以 9:1 的 比 例 於 室 溫 下 震 盪 混 合 24 小 時 2. 將 攪 拌 完 成 之 PHBV/PCL 溶 液 在 通 風 櫥 中 吸 取 10ml 置 入 dish 中 3. 為 避 免 蒸 散 速 率 過 快, 操 作 期 間 關 閉 通 風 系 統 4. 將 dish 蓋 上 鋁 蓋, 打 開 通 風 系 統 5. 靜 置 至 溶 劑 完 全 揮 發, 即 得 本 實 驗 所 需 高 子 薄 膜 ( 圖 3.2) 製 作 多 孔 鋁 蓋 : 1. 將 市 售 製 作 糕 點 的 鋁 盤 蓋 在 玻 璃 dish 上 方, 以 注 射 針 頭 (0.63 25 mm) 均 勻 戳 40 個 孔 洞 2. 使 鋁 盤 邊 緣 能 與 玻 璃 dish 盡 量 密 合 Pure PHBV PHBV75/PCL25 PHBV50/PCL50 PHBV25/PCL75 Pure PCL 圖 3.2 PHBV/PCL 摻 合 膜 46

3.3.1.2 靜 電 紡 絲 高 分 子 溶 液 配 製 將 不 同 重 量 比 例 PHBV / PCL (100/0,75/25,50/50,25/75,0/100) 加 入 DCM/DMF ( 9 : 1 ) 配 製 成 黏 度 800 cp ( 此 黏 度 較 適 合 電 紡 ) 約 8.5wt% ~12wt%, 於 室 溫 下 利 用 磁 石 攪 拌 器 攪 拌 至 完 全 溶 解, 並 靜 置 一 小 時 以 去 除 攪 拌 時 所 產 生 之 氣 泡 3.3.1.3 靜 電 紡 絲 薄 膜 的 製 備 電 氣 紡 絲 儀 器 由 注 射 器 泵 補 (syringe pump) 通 有 高 壓 電 場 的 編 織 針 (needle) 和 收 集 板 (collector) 所 組 成 首 先, 將 PHBV/PCL 溶 液 置 於 注 射 器 泵 補 中, 並 分 別 以 3 ml/h 及 4 ml/h 的 速 度 將 溶 液 注 入 編 織 針, 並 在 編 織 針 處 通 以 19KV ~26.9KV 的 電 流, 使 溶 液 由 電 氣 紡 絲 儀 器 的 針 頭 部 位 射 出, 在 針 頭 與 包 有 鋁 箔 的 銅 製 收 集 版 之 間 的 距 離 為 15cm 及 13cm, 蒐 集 板 上 黏 有 20mm 的 圓 形 蓋 玻 片, 使 纖 維 紡 在 上 面 以 利 後 續 細 胞 培 養 ( 玻 璃 片 雖 屬 非 導 電 材 質, 但 不 影 響 紡 絲 過 程 所 收 集 之 纖 維 ), 如 圖 3.3,3.4 所 示 當 所 有 溶 液 都 製 成 奈 米 纖 維 後, 測 量 其 面 積 及 厚 度, 放 入 真 空 脫 泡 (vacuum chamber) 中 48 小 時, 將 剩 餘 的 DCM / DMF 溶 液 抽 出, 並 置 於 乾 燥 箱 47

圖 3.3 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 膜 圖 3.4 電 紡 在 20mm 玻 璃 片 上 的 PHBV/PCL 纖 維 膜 48

3.3.2 分 析 方 法 3.3.2.1 示 差 掃 描 量 熱 法 (DSC) 示 差 掃 瞄 量 熱 計, 簡 稱 DSC, 其 利 用 的 原 理, 簡 單 來 說, 就 是 將 樣 品 和 參 考 物 置 於 可 以 等 速 升 降 溫 或 維 持 恆 溫 的 加 熱 爐 中, 並 通 以 穩 定 流 速 的 氣 體 ( 例 如 氮 氣 ) 使 爐 體 內 的 氣 體 環 境 維 持 恆 定, 測 定 樣 品 在 定 速 率 下 加 熱 或 冷 卻, 或 以 恆 溫 的 方 式 進 行 下, 其 熱 焓 量 的 變 化 當 樣 品 發 生 熔 融 蒸 發 結 晶 相 轉 變 等 物 理 或 化 學 變 化 時, 常 會 伴 隨 著 吸 熱 或 放 熱 反 應, 使 樣 品 與 參 考 物 間 產 生 溫 度 差 或 熱 阻 抗 值 的 差 異, 熱 分 析 圖 譜 中 將 會 出 現 吸 熱 或 放 熱 帶, 推 測 樣 品 之 性 質 簡 言 之, DSC 所 應 用 的 原 理, 就 是 量 測 樣 品 能 量 的 變 化 情 形, 進 而 推 測 樣 品 之 性 值 透 過 DSC 來 了 解 PHBV/PCL 摻 合 膜 與 電 紡 纖 維 膜 的 材 料 性 質, 例 如 熱 焓 值 熔 點 等 等, 材 料 間 的 物 理 變 化, 其 測 量 方 式 是 將 各 比 例 的 摻 合 膜 與 電 紡 纖 維 膜 秤 取 2~5 mg 至 壓 盤 內, 再 放 入 儀 器 中 進 行 分 析, 設 定 條 件 以 10 /min 的 升 溫 速 度 從 20 降 溫 至 -30 之 後, 再 以 10 /min 升 溫 速 度 升 溫 至 180 維 持 5 分 鐘, 透 過 升 溫 與 降 溫 的 過 程 可 以 獲 得 數 據 圖 譜 49

3.3.2.2 拉 伸 試 驗 先 將 不 同 比 例 (PHBV:PCL 100/0,75/25,50/50,25/75,0/100) 的 掺 合 膜 及 電 紡 纖 維 膜 試 片, 裁 成 寬 約 5mm, 長 約 25 mm 長 條 試 片, 夾 住 試 片, 拉 伸 速 度 為 10 mm / min, 並 將 參 數 輸 入 程 式 中, 並 開 始 測 試, 當 試 片 斷 裂 後, 即 完 成 測 試 ( 實 驗 數 值 為 數 據 的 平 均 值 n=6) 拉 伸 試 驗 是 用 來 測 試 材 料 在 靜 止 狀 態 承 受 荷 重 或 受 到 緩 慢 增 加 負 荷 時 的 抵 抗 能 力 拉 伸 過 程 中, 試 片 兩 端 被 夾 緊 同 時 受 到 軸 向 的 拉 力, 給 果 會 使 得 試 片 在 平 行 於 作 用 力 的 方 向 產 生 伸 長 的 現 象 試 驗 裝 置 簡 圖 如 圖 3.5: 圖 3.5 拉 伸 試 驗 簡 圖 50

(1) 彈 性 變 形 與 塑 性 變 形 圖 3.6 應 力 - 應 變 曲 線 中 的 OP 線 段, 是 材 料 受 拉 力 的 初 期, 應 力 與 應 變 呈 直 線 關 係 工 程 上 稱 這 種 宜 線 關 係 為 虎 克 定 律 在 此 直 線 範 圍, 當 我 們 對 試 桿 拖 予 一 拉 力 時, 構 成 材 料 的 原 子 與 原 子 之 間 的 鍵 便 被 拉 開 來, 則 使 得 試 桿 伸 長, 當 我 們 將 拉 力 釋 放 棹 時, 原 子 間 的 鍵 回 復 到 原 來 長 度, 試 桿 便 縮 回 到 原 來 尺 寸 若 應 力 繼 續 增 加 到 某 一 程 度, 將 迫 使 材 料 內 部 的 差 排 開 始 運 動 而 形 成 滑 移 (slip) 的 現 象, 則 材 料 的 塑 性 變 形 便 產 生, 若 此 時 將 拉 力 移 去, 由 聯 結 鍵 伸 長 所 造 成 的 禪 性 變 形 仍 將 回 復, 但 由 滑 移 所 形 成 的 變 形 則 將 永 久 的 存 在 圖 3.6 應 力 - 應 變 曲 線 圖 51

(2) 彈 性 係 數 (Modulus of Elasticity) 彈 性 係 數 或 稱 為 楊 氏 係 數, 就 是 應 力 - 應 變 曲 線 上 彈 性 區 域 的 斜 率, 其 關 係 滿 足 虎 克 定 律 : 彈 性 係 數 E = 彈 性 係 數 也 代 表 著 材 料 的 剛 性 (stiffiness), 剛 性 材 料 具 有 較 高 的 彈 性 係 數, 意 味 著 其 原 子 間 有 較 大 的 鍵 給 力, 在 彈 性 負 荷 範 圍 內 較 易 保 持 形 狀 和 尺 寸 52

3.3.2.3 黏 度 測 定 透 過 此 分 析 來 定 量 不 同 高 分 子 或 溶 劑 溶 液 的 黏 度, 乃 利 用 音 叉 振 動 式 黏 度 計 進 行 黏 度 測 試 測 量 原 理 是 利 用 音 叉 在 待 測 溶 液 中, 音 叉 會 以 固 定 頻 率 的 正 弦 波 反 向 驅 動 兩 個 碟 片, 如 圖 3.7 所 示, 當 碟 片 以 固 定 頻 率 振 動 時, 碟 片 與 待 測 溶 液 的 磨 擦 力 不 同, 因 此 擺 動 幅 度 也 會 跟 著 改 變, 為 了 使 碟 片 可 以 得 到 相 同 振 動 幅 度, 黏 度 計 的 彈 簧 盤 會 驅 動 電 流, 確 保 碟 片 獲 得 相 同 振 動 幅 度, 驅 動 的 電 流 將 與 黏 度 成 正 比, 並 以 驅 動 電 流 和 黏 度 之 間 的 比 例 關 係 來 獲 得 黏 度 圗 3.7 音 叉 震 動 式 黏 度 計 53

3.3.2.4 水 接 觸 角 材 料 的 表 面 自 由 能 (surface free energy) 或 表 面 張 力 (surface tension), 可 以 使 用 接 觸 角 測 量 方 法 來 測 量 它 當 標 準 液 體 滴 在 平 滑 且 均 質 的 物 體 表 面 時, 因 為 固 相 / 液 相 固 相 / 氣 相 和 氣 相 / 液 相 三 種 介 面 張 力 存 在 下, 使 得 液 滴 在 受 測 物 的 表 面 上 會 有 此 形 狀 接 觸 角 一 般 會 隨 著 表 面 能 量 的 變 化 而 變 化, 同 時 也 受 液 體 (liquid) 和 固 體 (solid) 種 類 的 影 響 ; 此 外, 接 觸 角 也 會 受 週 遭 環 境 的 影 響, 例 如 溫 度 溼 度 等 實 驗 中 所 使 接 觸 角 測 量 時 需 注 意 幾 點 事 項 以 避 免 實 驗 誤 差 : (1) 為 避 免 水 中 的 雜 質 影 響 到 測 量 結 果, 所 以 使 用 的 水 為 乾 淨 之 去 離 子 水 (2) 為 使 每 次 測 量 之 液 滴 所 受 到 重 力 的 影 響 不 致 太 大, 應 固 定 液 滴 體 積, 本 實 驗 固 定 為 0.9μL (3) 本 實 驗 的 量 測 數 值 採 用 3 點 測 量 的 平 均 值 首 先 以 蒸 餾 水 滴 於 奈 米 纖 維 支 架 表 面, 在 室 溫 下 利 用 電 荷 耦 合 元 件 (Charge Coupled Device, CCD) 觀 察 並 利 用 電 腦 分 析 軟 體 算 出 水 接 觸 角 值 θ H2O 當 水 接 觸 角 越 小 表 示 材 料 表 面 親 水 性 越 好 54

3.3.2.5 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) SEM 主 要 是 用 來 看 物 質 表 面 的 影 像, 觀 察 高 分 子 薄 膜 表 面 形 態 ; 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 是 以 電 場 發 射 原 理 產 生 電 子, 當 施 加 一 負 偏 壓 於 電 子 槍 時, 強 大 的 電 場 會 集 中 在 針 尖, 藉 此 游 離 電 子, 再 將 游 離 的 電 子 聚 焦, 用 電 子 束 撞 擊 材 料 表 面, 以 偵 測 二 次 或 背 向 散 射 電 子 解 析 度 可 達 3.5 nm, 通 常 以 電 壓 10 kv 來 觀 察 管 狀 纖 維 的 表 面 顯 微 結 構 將 奈 米 纖 維 支 架 收 集 在 載 玻 片 上, 以 雙 面 碳 膠 帶 固 定 於 SEM 載 台 上,, 接 著 以 大 氣 電 漿 (SPI-MODULE sputter coater) 噴 射 塗 層 金 粒 子, 再 以 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (Scanning electron microscopy, SEM, JEOL JSM-5600 SEM) 觀 測 支 架 的 表 面 型 態, 並 且 以 OriginPro8 分 析 計 算 支 架 的 孔 係 度 55

3.3.3 電 紡 絲 薄 膜 降 解 性 實 驗 為 了 定 量 支 架 的 降 解 程 度, 本 實 驗 的 降 解 性 試 驗 是 以 磷 酸 緩 衝 溶 液 ( Phosphate buffered saline, PBS ) 與 UV 照 射 兩 種 方 法 來 進 行 實 驗 3.3.3.1 PBS 水 解 實 驗 首 先 將 乾 燥 之 奈 米 纖 維 支 架 ( 1 x 3 cm ) 裁 切 並 秤 乾 重, 接 著 將 支 架 放 入 裝 含 有 15mL PBS( PH = 7.4 ) + 1mL trypsin 的 20mm 樣 品 瓶 中, 置 於 37 恆 溫 培 養 箱 中, 第 7 14 21 28 天 分 別 取 出 將 其 烘 乾 2 天, 再 秤 其 乾 重 針 對 各 時 間 點 的 降 解 樣 品 進 行 結 晶 度 熔 點 重 量 來 探 討 整 個 降 解 過 程 對 材 料 性 質 的 改 變 ( 實 驗 期 間 每 週 更 換 ㄧ 次 PBS 及 trypsin) 並 以 下 式 算 出 支 架 的 降 解 : 剩 餘 支 架 重 量 (%)=100 實 驗 後 乾 重 / 實 驗 前 乾 重 3.3.4 電 紡 絲 薄 膜 UV 光 照 射 實 驗 為 模 擬 高 分 子 於 自 然 環 境 中 分 解 之 情 形, 本 研 究 使 用 紫 外 燈 (30W) 照 射 12 hr, 並 觀 察 表 面 形 態 之 變 化 56

3.4 電 漿 表 面 處 理 3.4.1 HMDSZ 電 漿 表 面 沉 積 利 用 旋 轉 或 機 械 式 幫 浦 抽 至 真 空 度 30 mtorr 以 下, 接 著 通 入 HMDSZ 單 體, 待 腔 體 內 部 氣 體 壓 力 處 於 平 衡 時 開 始 電 漿 表 面 沉 積 處 理 參 數 為 : 功 率 20W; 處 理 時 間 為 10 分 鐘 ;HMDSZ 單 體 通 入 量 為 60 mtorr 此 時 無 機 之 基 材 表 面 帶 有 官 能 機, 並 放 置 在 空 氣 中 形 成 過 氧 化 物, 以 利 於 後 面 表 面 活 化 3.4.2 O 2 電 漿 表 面 活 化 利 用 油 壓 式 幫 浦 抽 至 真 空 度 為 30 mtorr 以 下, 接 著 通 入 O 2 單 體, 待 腔 體 內 部 氣 體 壓 力 處 於 平 衡 時 開 始 電 漿 表 面 活 化 處 理 參 數 為 : 功 率 20W; 處 理 時 間 為 10 分 鐘 ;O 2 單 體 通 入 量 為 100 mtorr 目 的 在 利 用 高 功 率 低 處 理 時 間, 利 用 氧 氣 活 化 表 面, 增 加 支 架 的 親 水 性 57

3.5 細 胞 培 養 3.5.1 永 生 大 鼠 軟 骨 細 胞 永 生 大 鼠 軟 骨 細 胞 ( immortalized rat chondrocytes, IRC) 是 由 W. E. Horton et al. (1988, Exp. Cell Res. 178, 457-468.) 建 置 之 軟 骨 細 胞 株, 是 利 用 轉 錄 病 毒 將 v-myc 和 v-raf 兩 個 癌 化 基 因 插 入 大 鼠 軟 骨 細 胞, 使 其 成 為 永 生 細 胞 株 (Horton et.al,1988), 如 圖 3.8 圖 3.8 IRC 永 生 大 鼠 軟 骨 細 胞 58

3.5.2 實 驗 方 法 1. 培 養 基 配 製 : 配 製 Dulbecco's Modified Eagle Media-low glu-cose(dmem-lg )/ Ham s F12 以 1:1 混 合, 再 加 入 1.176g NaHCO 3 10 ml hepes buffer (sigma) 13.5ml Bovine Serum Albumin(BSA, sigma) 10% fetal bovine serum (FBS, Gibco) 及 100 U/ml penicillin 或 100 mg/ml streptomycin (Biological Industries) 2. 放 置 於 室 溫 攪 拌 2 小 時, 使 用 HCL 調 整 ph 質 至 7.4, 最 後 用 0.22μm 過 濾 膜 過 濾 3. 前 一 天 須 將 材 料 先 做 好 前 處 理 4. 先 將 紡 於 20mm 圓 形 蓋 播 片 上 的 電 紡 纖 維 支 架 裁 切 取 下, 放 入 12well 盤 中, 並 置 於 無 菌 層 流 操 作 台 (laminar flow hood) 下 以 紫 外 光 (Ultraviolet) 照 2 個 小 時, 以 達 到 滅 菌 效 果 5. 將 IRC 軟 骨 細 胞 培 養 於 T-75 flask 中, 每 2 至 3 天 更 換 一 次 培 養 基, 當 達 到 足 夠 細 胞 數 量 時, 以 胰 蛋 白 酶 (trypsin) 將 細 胞 由 T-75 flask 中 沖 洗 下 來, 並 取 2.5 10 4 cells/ml 注 入 裝 有 支 架 的 12 孔 盤 中, 每 1 3 5 7 天 做 MTT, 及 SEM 記 錄 一 次 6. 培 養 條 件 :37 C 5%CO 2 59

3.5.2.1 材 料 前 處 理 1. 電 紡 纖 維 在 培 養 細 胞 前 皆 須 進 行 殺 菌 處 理, 在 這 邊 我 們 用 uv 光 殺 菌 2 小 時, 酒 精 浸 泡 10 分 鐘 ( 因 酒 精 浸 泡 超 過 1 小 時 會 發 現 纖 維 有 膨 脹 化 開 的 現 象, 所 以 在 這 邊 以 uv 光 殺 菌 為 主, 如 圖 3.9) 2. 殺 菌 完 成 時, 將 材 料 分 別 放 入 12 孔 盤 中 並 加 入 培 養 基, 放 置 於 培 養 箱 24hr, 待 隔 天 將 細 胞 種 入 圖 3.9 使 用 UV 光 殺 菌 後 PHBV/PCL 纖 維 3.5.2.2 冷 凍 細 胞 活 化 1. 將 細 胞 培 養 液 於 恆 溫 水 浴 槽 回 溫 至 37 2. 由 液 態 氮 中 取 出 冷 凍 小 管, 置 於 恆 溫 水 浴 槽 37 中 輕 輕 搖 晃, 直 至 冷 凍 小 管 中 的 細 胞 液 完 全 融 化 3. 將 融 化 後 的 細 胞 液 以 pipet 稍 加 混 合, 避 免 細 胞 分 散 不 均, 再 將 細 胞 懸 浮 液 加 入 至 T-25 4. 為 避 免 滲 透 壓 變 化 過 大 對 細 胞 造 成 傷 害, 取 4ml 的 細 胞 培 養 液 緩 慢 加 入 T-25 內 60

5. 將 T-25 置 於 二 氧 化 碳 培 養 箱 培 養 24 小 時 後 更 換 新 鮮 培 養 液, 其 後 每 三 日 移 除 舊 有 培 養 液, 更 換 成 新 鮮 培 養 液 6. 由 於 冷 凍 細 胞 時 必 須 在 細 胞 培 養 液 中 加 入 抗 凍 劑 (DMSO), 因 此 待 細 胞 貼 附 後, 需 移 除 含 抗 凍 劑 之 培 養 液, 更 換 成 新 鮮 的 培 養 液 3.5.2.3 細 胞 繼 代 培 養 1. 將 細 胞 培 養 液 trypsin-edta PBS 於 恆 溫 水 浴 槽 回 溫 至 37 2. 移 除 T-flask 內 的 舊 培 養 液 3. 以 PBS 潤 洗 T-flask 底 部 的 細 胞 層, 避 免 血 清 影 響 trypsin-edta 的 作 用 4. 加 入 trypsin-edta(t-25 加 1ml T-75 加 3ml) 快 速 潤 洗 T-flask 底 部, 抽 掉 trypsin-edta 後 加 入 新 鮮 培 養 基 中 止 trypsin-edta 對 細 胞 的 作 用 5. 利 用 pipet 吸 取 培 養 液 輕 輕 沖 刷 T-flask 底 部, 使 細 胞 完 全 懸 浮 於 培 養 液 中, 接 著 將 含 有 細 胞 之 培 養 液 取 出 至 離 心 管, 以 1000rpm 5 分 鐘 使 細 胞 沉 降 6. 移 除 離 心 管 內 上 層 液 體, 保 留 細 胞 團 塊 7. 加 入 1ml 的 新 鮮 培 養 液 並 使 細 胞 完 全 懸 浮 8. 取 20μl 細 胞 懸 浮 液 經 適 量 稀 釋 後 以 trypan blue 染 色, 再 利 用 血 球 計 數 盤 計 算 細 胞 數 量 61

9. 依 據 細 胞 數 量 將 細 胞 移 至 數 個 新 的 T-flask, 細 胞 每 分 盤 一 次 即 增 加 一 代 3.5.3 細 胞 存 活 率 測 定 - MTT assay 3.5.3.1 實 驗 原 理 MTT assay 是 一 種 生 物 學 上 常 用 以 測 定 細 胞 存 活 率 或 增 殖 作 用 的 方 法 MTT(1,3-[4,5-Dimethylthiazol-2yl]-2,5-diphenyltetrazolium bromide) 是 一 種 水 溶 性 呈 現 黃 色 的 tetrazolium 鹽 類 MTT 主 要 依 賴 活 細 胞 內 粒 線 體 中 的 琥 珀 酸 去 氫 酶 之 作 用 將 MTT 之 tetrazolium 鹽 類 轉 為 藍 紫 色 產 物 -MTT formazan, 如 圖 3.10, 並 於 細 胞 中 堆 積, 當 加 入 DMSO 將 其 溶 解, 則 可 利 用 測 OD 540nm 值 得 知 formazan 的 形 成 量, 即 細 胞 還 原 MTT 的 能 力 而 此 OD 540nm 值 代 表 粒 線 體 的 活 性, 即 表 示 活 細 胞 的 數 目, 故 MTT assay 能 作 為 細 胞 存 活 率 的 指 標 (Kaczmarek et al,2002) 圖 3.10 MTT 結 構 中 的 tetrazolium ring 被 切 斷, 形 成 formazan MTT 結 構 中 的 tetrazolium ring 被 切 斷, 形 成 formazan 只 有 活 細 胞 粒 線 體 中 的 琥 珀 酸 去 氫 酶 酵 素 才 具 有 活 性, 故 所 測 得 的 吸 光 值 與 細 胞 存 活 率 呈 正 比, 因 此 可 利 用 formazan 產 量 多 寡 評 估 細 胞 存 活 率 62

3.5.3.2 標 準 曲 線 1. 於 24 well 中 seeding 六 個 不 同 細 胞 密 度 2. 待 24 小 時 後 細 胞 貼 附 於 well 上, 移 除 well 中 的 medium 各 well 中 加 入 400μl medium 和 100μl MTT 溶 液 3. 37 下 培 養 4 小 時 4. 移 除 含 MTT 之 medium, 每 well 加 入 500μl 之 DMSO 5. 每 一 well 中 取 100μl 至 96 well 6. 波 長 570nm 測 吸 光 值 7. 利 用 Excel 繪 製 細 胞 數 量 與 吸 光 值 之 關 係 曲 線, 對 此 線 作 線 性 迴 歸 可 得 標 準 曲 線 之 方 程 式 63

3.5.3.3 樣 品 測 定 1. 於 12 well 盤 中 seeding 2.5 10 4 個 細 胞 ( 需 經 前 處 裡 完 ) 2. 待 24 小 時 後 細 胞 貼 附 於 well 上, 移 除 well 中 的 medium 各 well 中 加 入 400μl medium 和 100μl MTT 溶 液 3. 37 下 培 養 4 小 時 4. 移 除 含 MTT 之 medium, 每 well 加 入 500μl 之 DMSO 5. 每 一 well 中 取 100μl 至 96 well, 測 波 長 570nm 測 吸 光 值 6. 測 得 之 吸 光 值 數 據 代 回 標 準 曲 線 之 回 歸 曲 線 方 程 式, 可 得 相 對 應 的 細 胞 數 3.5.3.4 細 胞 形 態 固 定 及 觀 察 IRC 軟 骨 細 胞 分 別 經 過 1 3 5 7 天 培 養 後, 需 先 將 細 胞 固 定 於 薄 膜 試 片 上 再 使 用 SEM 進 行 拍 攝, 觀 察 細 胞 的 形 態 固 定 步 驟 : 2.5% 戊 二 醛, 30 min, 4 C PBS Wash 2 次 50% 酒 精,10min, 室 溫 70% 酒 精,10min 80% 酒 精,10min 90% 酒 精,10min 95% 酒 精,10min,2 次 抽 風 櫃 抽 乾 放 置 乾 燥 箱 儲 存 64

第 四 章 結 果 與 討 論 4.1 PHBV/ PCL 摻 合 膜 由 於 想 找 出 最 適 合 做 為 軟 骨 細 胞 支 架 的 電 紡 絲 混 紡 比 例, 於 是 先 以 摻 合 模 來 決 定, 期 望 藉 由 PHBV 來 改 善 PCL 的 機 械 性 質 及 熱 性 質 探 討 ; 另 一 方 面 結 合 PCL 的 優 點, 使 混 摻 出 來 的 纖 維 不 太 過 硬 或 脆, 反 而 會 有 韌 性 及 延 展 性 4.1.1 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 熱 性 質 分 析 圖 4.1 及 表 4.1 是 PHBV/ PCL 摻 合 膜 經 由 DSC 測 試 觀 察 所 得 到 的 結 果, 可 以 發 現 這 三 種 比 例 (75/25; 50/50; 25/75) 的 摻 合 膜 熔 點 (Tm) 產 生 雙 峰 值 現 象, 主 要 是 PHBV 由 兩 種 單 體 所 組 合, 兩 種 單 體 也 分 別 具 有 不 同 的 結 晶 相, 因 此 出 現 此 現 象, 如 圖 4.1 (Srubar III and Billington, 2013) 熔 點 以 第 二 峰 值 作 為 數 據 ( 取 物 質 熔 融 完 全 時 的 所 出 現 的 峰 值 ) 且 各 比 例 差 異 不 大, 而 三 種 摻 合 膜 結 晶 度 (Xc) 及 結 晶 溫 度 熱 焓 ( Tc) 均 有 因 為 添 加 PCL 而 降 低, 如 表 4.1 所 示 根 據 文 獻 指 出, 結 晶 度 越 高, 材 料 越 脆, 且 結 晶 度 下 降 有 助 於 增 加 材 料 的 降 解 速 度 ( 陳 風 雷 等 人, 2006) 做 為 適 合 組 織 工 程 用 的 支 架 需 要 保 持 一 些 韌 性 及 延 展 性, 使 支 架 在 體 內 不 會 因 任 意 的 外 力 而 脆 化 在 這 65

裡 顯 示 出 添 加 PCL 有 助 於 降 低 PHBV 的 結 晶 度, 也 可 能 助 於 增 加 降 解 速 率 雖 然 表 4.1 三 種 摻 合 膜 的 數 據 結 果 都 顯 示 出 雙 峰 值, 從 數 據 推 測 是 由 於 分 子 與 分 子 之 間 沒 有 均 勻 混 合 所 導 致, 但 不 因 此 結 果 而 有 影 響, 最 後 還 是 如 期 獲 得 較 低 結 晶 度 的 摻 合 膜 66

圖 4.1 不 同 PHBV/ PCL 比 例 摻 合 膜 的 DSC 表 4.1 不 同 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 熔 點 與 結 晶 度 Tm( C) Hm(J/g) Xc(%) Tc( C) Tc(J/g) pure PHBV 153.21 67.01 45.89 66.22 27.51 PHBV75/PCL25 153.11/58.85 44.96/8.56 30.79/6.29 72.79/22.07 30.58/4.82 PHBV50/PCL50 152.61/61.55 39.77/22.55 27.23/16.58 69.45/18.92 11.64/17.17 PHBV25/PCL75 153.07/62.18 11.65/45.89 7.97/33.74 NON/18.8 NON/31.72 pure PCL 61.87 67.9 49.92 23.27 47.03 Tm:melting temperature; Hm:enthalpy of melting;tc:crystallization temperature; Tc:enthalpy of crystallization;crystallinity (Xc) =ΔHm /ΔHm 0 x 100 % Hm 0 = 136 J/g of PCL Hm 0 = 146 J/g of PHBV(Gonçalves and Martins-Franchetti, 2010) 67

4.1.2 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 拉 伸 試 驗 經 由 拉 伸 試 驗 可 以 看 出 材 料 的 機 械 性 質, 並 推 斷 其 可 能 的 機 械 強 度 圖 4.2 ~ 4.4 表 4.2 分 別 為 不 同 比 例 PHBV/ PCL(100/0,75/25, 50/50,25/75,0/100) 摻 合 膜 的 機 械 性 質 結 果 由 圖 4.2 發 現 添 加 PCL 後 的 三 種 摻 合 膜 其 楊 氏 系 數 均 較 PHBV 來 的 低, 其 中 又 以 PHBV/PCL:50/50 最 低, 降 低 了 598.76*10-1 MPa, 楊 氏 系 數 越 低 代 表 材 料 延 展 性 越 好 在 圖 4.3 4.4 可 以 看 到 三 種 摻 合 膜 最 大 應 力 及 應 變 以 PHBV/PCL:25/75 最 佳, 符 合 具 有 支 撐 及 緩 衝 性, 但 依 表 4.1 的 結 晶 度 來 看,PHBV/PCL: 25/75 的 結 晶 度 兩 者 不 平 均, 落 差 最 大, 且 PHBV/PCL:50/50 結 晶 度 為 最 低, 較 利 於 往 後 降 解 性 試 驗, 所 以 在 這 邊 我 們 將 初 步 考 慮 使 用 此 兩 種 混 紡 比 例 (PHBV/PCL: 25/75 50/50) 作 為 細 胞 支 架 68

圖 4.2 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 楊 氏 系 數 曲 線 圖 (n=6) 圖 4.3 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 應 力 應 變 曲 線 圖 (n=6) 69

圖 4.4 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 應 力 應 變 過 程 變 化 圖 表 4.2 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 拉 伸 測 試 數 據 表 Maximum stress(mpa) Maximum strain(%) Young's Modulus(Mpa) PHBV(0%) 0.331±0.0637 55.05±1.19 6.00x10-1 ±1.09*10-1 BV75/CL25(25%) 0.1414±0.0129 74.79±9.39 1.90x10-1 ±9.28*10-3 BV50/CL50(50%) 0.1085±0.011 87.96±9.05 1.24x10-1 ±4.15*10-3 BV25/CL75(75%) 0.218±0.0391 134.55±12.24 1.61x10-1 ±1.92*10-2 PCL(100%) 0.2452±0.0215 244.64±22.44 1.01x10-1 ±6.81*10-3 70

4.1.3 PHBV/ PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 由 圖 4.5 4.6 表 4.3 我 們 可 以 發 現 由 於 兩 種 材 料 本 身 屬 於 較 疏 水 的 物 質, 所 以 三 種 摻 合 膜 的 水 接 觸 角 並 沒 有 改 善 很 多, 只 有 PHBV/PCL: 75/25 稍 微 親 水 些, 但 整 體 而 言 並 沒 有 太 大 的 差 異 由 於 差 異 不 大, 所 以 接 下 來 的 實 驗 我 們 將 會 做 電 漿 表 面 改 質 來 改 善 材 料 的 親 疏 水 性, 期 望 可 以 讓 材 料 表 面 由 疏 水 轉 親 水, 以 利 於 後 續 細 胞 培 養 的 實 驗 71

表 4.3 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 數 據 表 Composition(%) Contact angle( ) Average( ) PHBV 67.27 65.16 65.58 66.00 ± 1.12 PHBV75/PCL25 56.02 55.27 56.99 56.09 ± 0.86 PHBV50/PCL50 62.49 61.38 63.56 62.47 ± 1.09 PHBV25/PCL75 65.89 65.58 66.72 66.06 ± 0.59 PCL 73.68 71.83 72.85 72.78 ± 0.93 圖 4.5 不 同 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 (n = 3) 72

(a) 66.00 ± 0.42 (b) (c) 56.09 ± 0.86 62.47 ± 1.09 (d) (e) 66.06 ± 0.57 72.78 ± 0.92 圖 4.6 不 同 比 例 PHBV/PCL 摻 合 膜 之 水 接 觸 角 圖 片 (a)phbv ; (b) PHBV75/PCL25 ; (c) PHBV50/PCL50 ; (d) PHBV25/PCL75 ; (e) PCL 73

4.2 高 分 子 黏 度 分 析 在 電 紡 絲 技 術 中, 高 分 子 的 量 與 濃 度 皆 會 影 響 其 黏 度, 若 黏 度 過 低 或 過 高 都 不 利 於 紡 絲, 所 以 為 了 能 掌 握 電 紡 溶 液 的 條 件, 我 們 對 兩 種 材 料 分 別 做 黏 度 測 試 本 研 究 以 音 叉 式 黏 度 計 進 行 黏 度 測 量, 由 圖 4.7 和 4.8 黏 度 檢 量 線 可 以 估 算 出 所 需 的 黏 度 其 預 調 配 的 高 分 子 濃 度 範 圍 以 現 階 段 高 分 子 的 性 質 而 言, 透 過 黏 度 測 試 法 可 以 改 善 紡 絲 材 料 的 不 穩 定 性, 以 固 定 黏 度 之 方 式 來 進 行 紡 絲 實 驗, 並 可 藉 此 測 試 來 調 整 靜 電 纺 絲 高 分 子 溶 液 所 需 要 的 黏 度 範 圍, 使 紡 絲 時 可 排 除 一 項 變 數 本 次 實 驗 控 制 黏 度 約 800cp,PHBV 為 8.5wt%,PCL 為 12wt% 74

Viscosity (cp) 圖 4.7 PCL 黏 度 與 濃 度 關 係 圖 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 y = 3.9272x 2.4946 R 2 = 0.9668 4 5 6 7 8 9 10 11 Concentration (wt%) 圖 4.8 PHBV 黏 度 與 濃 度 關 係 圖 75

4.3 PHBV/ PCL 靜 電 紡 絲 纖 維 此 實 驗 使 用 本 研 究 所 發 酵 工 程 實 驗 室 所 生 產 的 PHBV 與 市 售 PCL 混 紡, 製 備 出 適 合 軟 骨 組 織 工 程 的 支 架 實 驗 參 數 以 電 壓 19~26.9KV, 工 作 距 離 13~15cm, 流 速 3ml/h 和 4ml/h, 濃 度 8.5wt%~12wt% 來 進 行 實 驗, 實 驗 結 果 將 以 數 據 統 計 分 析 來 和 摻 合 模 做 比 對, 找 出 最 適 合 做 為 支 架 的 混 摻 比 例 4.3.1 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 SEM 影 像 圖 4.9 為 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 500 倍 及 1000 倍 的 SEM 影 像 由 圖 4.9(b) 和 (d) 我 們 可 以 看 到 由 於 PCL 比 PHBV 較 具 延 展 性 的 關 係, 纖 維 形 態 也 較 細 長, 大 約 2.45±1.3μm 左 右 ; 而 PHBV 的 纖 維 細 度 大 約 是 3.51±1.6μm 圖 4.9(e) 和 (f) 則 是 因 混 摻 的 關 係 所 以 纖 維 細 度 介 於 兩 者 中 間 一 般 來 說, 這 是 以 電 紡 絲 技 術 製 備 出 的 電 紡 絲 纖 維 薄 膜, 此 種 纖 維 製 品 不 具 方 向 性 纖 維 形 成 機 制 是 由 於 在 纺 絲 過 程 中, 當 高 分 子 溶 液 在 通 過 紡 絲 噴 嘴 時 會 進 入 所 謂 的 穩 定 區 域, 這 時 纖 維 以 直 線 的 方 式 飛 向 收 集 板, 緊 接 著 進 入 不 穩 定 區 域 (Splay), 使 纖 維 透 過 電 場 力 量 呈 現 甩 動 的 狀 態 (Reneker et al., 2000) 最 後 形 成 本 實 驗 的 靜 電 紡 絲 纖 維 薄 膜 ; 以 纖 維 形 態 來 說, 這 樣 的 線 性 纖 維 薄 膜 可 以 應 用 於 組 織 工 程 支 架, 因 為 絕 大 部 分 的 細 胞 以 線 性 方 式 來 生 長, 也 可 以 透 過 纖 維 之 間 孔 隙 度 的 調 整 來 調 76

控 細 胞 之 生 長, 如 Lyu 等 人 利 用 電 紡 絲 纖 維 進 行 骨 組 織 修 復 研 究 (Lyu et al., 2013) 我 們 可 以 看 到 纖 維 與 纖 維 之 間 產 生 類 似 交 聯 的 現 象, 可 能 是 在 纺 絲 過 程 中 溶 劑 揮 發 未 完 全 所 導 致, 且 纖 維 在 定 型 之 前 都 有 可 能 呈 現 交 聯 形 態, 當 高 分 子 溶 劑 揮 發 完 全 時, 纖 維 形 態 才 會 完 全 固 化, 呈 現 完 整 的 纖 維 形 態 ; 具 文 獻 指 出, 交 聯 現 象 所 產 生 的 結 構 強 度 大 於 無 交 聯 之 纖 維 形 態 (Jiang et al., 2008), 因 此 本 研 究 所 製 備 的 電 紡 絲 纖 維 薄 膜 將 有 利 於 組 織 工 程 之 應 用 77

(a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖 4.9 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 形 態 (a)(b):pcl ; (c)(d):phbv ; (e)(f): PHBV/PCL(50/50) (a)(c)(e):500 倍 (b)(e)(f):1000 倍 78

4.3.2 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 之 熱 分 析 將 不 同 比 例 的 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 薄 膜 進 行 熱 性 質 之 分 析, 主 要 探 討 高 分 子 在 溶 劑 溶 解 過 程 中 混 合 之 情 形 圖 4.10 結 果 顯 示 不 同 比 例 的 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 於 熔 點 發 生 前 有 一 吸 收 峰 值, 其 中 75/25 和 25/75 都 出 現 雙 吸 收 峰 現 象, 可 能 由 於 兩 種 材 料 在 溶 解 過 程 中 的 高 分 子 無 法 完 全 混 合 均 勻 所 導 致 ( 張 朝 順, 2005), 在 不 同 比 例 組 合 當 中 50/50 是 唯 一 與 PHBV PCL 具 相 同 的 單 一 吸 收 峰 值, 可 能 是 由 於 PHBV 與 PCL 結 晶 度 相 近 所 導 致, 如 表 4.4 所 示 結 果 中 出 現 雙 熔 點 峰 值, 是 因 為 高 分 子 在 溶 劑 內 混 合 時 並 非 分 子 交 聯 混 合 而 是 物 理 混 合, 所 以 數 據 上 會 顯 示 出 兩 種 高 分 子 的 結 晶 度 此 外, 從 表 4.4 與 表 4.1 可 以 發 現 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 與 摻 合 膜 比 較 之 下, 熔 點 (Tm) 與 結 晶 度 (Xc) 有 些 許 的 下 降, 目 前 已 知 高 分 子 於 溶 劑 中 可 能 會 使 高 分 子 結 構 受 到 些 許 改 變, 產 生 降 解 的 情 形, 分 子 量 熔 點 也 因 此 下 降 (Li et al,2012) 在 PHBV/PCL 50/50 比 例 的 電 紡 絲 纖 維 其 結 晶 度 較 其 他 組 合 電 紡 絲 纖 維 最 為 平 均 且 為 最 低, 推 測 有 助 於 增 加 纖 維 降 解 時 的 速 率 79

圖 4.10 不 同 PHBV/PCL 比 例 之 電 紡 絲 薄 膜 熱 分 析 圖 表 4.4 PHBV/PCL 的 電 紡 絲 薄 膜 熱 分 析 數 據 表 Tm( C) Hm(J/g) Xc(%) pure PHBV 147.57 55.07 37.72 PHBV75/PCL25 148.03/59.22 37.4/5.36 25.62/3.94 PHBV50/PCL50 147.95/60.42 20.21/16.61 13.84/12.21 PHBV25/PCL75 148.56/63.92 8.63/40.39 5.91/29.7 pure PCL 66.01 55.1 40.51 Tm:melting temperature; Hm:enthalpy of melting ;Crystallinity (Xc)= ΔHm / ΔHm0 x 100 % Hm 0 = 136 J/g of PCL Hm 0 = 146 J/g of PHBV(Gonçalves and Martins-Franchetti, 2010) 80

4.3.3 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 之 拉 伸 變 化 以 不 同 比 例 PHBV/ PCL 電 紡 絲 薄 膜 進 行 拉 伸 試 驗, 探 討 不 同 PHBV/ PCL 組 成 之 最 大 應 力 最 大 應 變 與 楊 氏 係 數 的 變 化, 圖 4.11 4.12 結 果 顯 示, 最 大 應 變 隨 著 PCL 的 添 加 成 正 比, 而 整 體 最 大 應 力 與 添 加 比 例 成 反 比, 添 加 PCL 其 目 的 為 改 善 PHBV 易 脆 性 質, 就 彈 性 而 言,50/50 與 25/75 比 例 可 以 大 幅 增 加 材 料 彈 性 在 最 大 應 力 的 部 分 則 是 以 50/50 比 例 較 佳, 主 要 是 因 為 材 料 在 溶 劑 溶 解 過 程 中 分 子 單 體 混 合 較 均 勻, 由 熱 分 析 與 拉 伸 試 驗 都 獲 得 類 似 的 結 果 在 圖 4.13 楊 氏 係 數 部 分, 隨 著 PCL 添 加 比 例 上 升 楊 氏 係 數 有 明 顯 的 下 降 趨 勢, 但 是 當 PHBV/PCL 比 例 從 75/50 增 加 至 25/50 時 卻 無 顯 著 差 異, 意 味 著 此 範 圍 比 例 之 電 紡 絲 薄 膜 就 楊 氏 係 數 而 言 差 異 甚 小, 楊 氏 係 數 主 要 由 應 力 與 應 變 之 比 值 所 獲 得, 當 楊 氏 係 數 越 高 時, 材 料 本 身 具 有 較 大 的 應 力, 楊 氏 係 數 較 低 則 材 料 彈 性 較 佳, 綜 合 整 個 拉 伸 數 據 之 結 果 顯 示 PHBV/PCL(50/50) 比 例 有 利 於 增 加 材 料 彈 性, 又 能 夠 保 有 一 定 的 應 力 強 度, 不 因 添 加 PCL 而 產 生 下 降 情 形, 因 此 將 以 PHBV/PCL(50/50) 做 後 續 的 實 驗 81

圖 4.11 不 同 PHBV/PCL 比 例 之 電 紡 絲 纖 維 應 力 應 變 曲 線 圖 (n=6) 圖 4.12 不 同 PHBV/PCL 比 例 電 紡 絲 纖 維 的 作 圖 (n=6) 圖 4.13 不 同 PHBV/PCL 比 例 電 紡 絲 纖 維 之 楊 氏 係 數 圖 (n=6) 82

4.3.4 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 之 水 接 觸 角 將 不 同 比 例 的 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 做 水 接 觸 角 測 試, 從 圖 4.14 可 以 發 現 電 紡 絲 薄 膜 的 接 觸 角 並 沒 有 因 為 使 用 電 紡 絲 技 術 而 纖 維 更 親 水, 而 電 紡 絲 纖 維 與 摻 合 膜 水 接 觸 角 在 相 同 組 成 比 較 之 下, 沒 有 太 大 顯 著 差 異 ( 小 於 6 ), 後 續 的 實 驗 將 以 PHBV/PCL: 50/50 比 例 做 為 電 紡 絲 纖 維 的 混 紡 比 例, 進 一 步 再 給 予 電 漿 表 面 改 質 及 細 胞 相 容 性 的 研 究 83

表 4.5 不 同 PHBV/PCL 比 例 的 電 紡 絲 薄 膜 水 接 觸 角 數 據 表 Composition(%) Contact angle( ) Average( ) PHBV 63.77 58.47 60.67 61.42 60.03 61.22 60.93±1.75 BV75/CL25 64.33 62.46 61.86 60.29 62.58 63.18 62.45±1.34 BV50/CL50 69.52 67.18 65.2 66.08 64.41 70.36 66.21±2.38 BV75/CL25 68.73 65.92 63.55 66.01 67.5 65.56 66.21±1.76 PCL 74.27 69.32 69.07 66.5 70.35 68.41 69.65±2.59 圖 4.14 不 同 PHBV/PCL 比 例 的 電 紡 絲 纖 維 水 接 觸 角 (n =6) 84

4.3.5 降 解 性 測 試 透 過 降 解 性 試 驗 來 了 解 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 在 降 解 的 過 程 中 發 生 的 變 化, 除 了 纖 維 形 態 和 重 量 改 變 之 外, 我 們 同 時 也 探 討 他 的 熱 性 質 與 拉 升 強 度 的 變 化 4.3.5.1 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 的 重 量 損 失 變 化 本 實 驗 的 降 解 性 試 驗 是 以 磷 酸 緩 衝 溶 液 (PBS ) + 胰 蛋 白 酶 trypsin 模 擬 細 胞 支 架 在 人 體 內 降 解 的 情 況 在 圖 4.15 中 結 果 顯 示 隨 著 降 解 的 時 間 增 加 ( 第 7 14 21 28 天 ), 重 量 開 始 有 下 降 的 趨 勢 支 架 的 降 解 速 度 往 往 會 影 響 組 織 工 程 修 復 的 程 度,Yamamoto 等 學 者 提 到, 在 骨 折 需 要 約 10 週 的 修 復 時 間, 若 支 架 分 解 過 快, 則 無 法 使 組 織 完 全 修 復, 當 支 架 分 解 過 慢, 則 可 能 間 接 阻 礙 組 織 修 復 之 情 形 (Yamamoto et.al,2005) 在 結 果 中 隨 著 PCL 比 例 增 加 降 解 速 度 有 減 慢 的 趨 勢, 但 第 四 週 重 量 損 失 率 與 單 一 高 分 子 PHBV 電 紡 絲 纖 維 相 比 較 卻 沒 有 太 大 差 異, 說 明 混 摻 比 例 不 大 於 50/50 時, 除 了 可 以 有 效 增 加 材 料 彈 性, 降 解 速 率 上 也 沒 有 顯 著 之 影 響 從 第 四 週 數 據 上 可 以 推 測 微 生 物 所 生 產 的 酯 類 高 分 子 (PHBV, 66.75% ) 分 解 速 率 與 化 學 合 成 (PCL, 96.55%) 相 比 之 下 快 了 近 30%, 而 本 研 究 所 添 加 PHBV /PCL:50/50 比 例 下, 物 質 剩 餘 重 量 85

也 達 70.25%, 初 步 證 實 以 微 生 物 發 酵 所 生 產 之 生 物 可 分 解 高 分 子 可 能 較 化 學 合 成 之 降 解 速 率 快 一 些, 根 據 摻 合 膜 數 據 推 測 可 能 由 於 PCL 結 晶 度 高 於 PHBV 所 導 致 86

圖 4.15 不 同 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 的 重 量 損 失 變 化 圖 87

4.3.5.2 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 在 不 同 降 解 時 間 對 熱 分 析 影 響 將 PHBV/PCL 在 不 同 降 解 時 間 之 樣 品 分 別 進 行 熱 分 析, 探 討 在 降 解 過 程 中 熔 點 與 結 晶 度 的 變 化, 並 進 一 步 證 實 因 PCL 結 晶 度 高 於 PHBV 所 導 致 降 解 速 率 變 慢 的 機 制 表 4.6 顯 示 PHBV 相 較 於 PCL 整 體 結 晶 度 低 了 約 2~8%, 初 步 證 實 先 前 降 解 速 率 與 材 料 結 晶 度 有 密 切 關 聯 當 材 料 結 晶 程 度 越 高 則 降 解 速 度 越 慢, 結 晶 度 越 低 則 反 之 從 表 4.4 結 果 中 發 現 結 晶 度 有 先 下 降 後 上 升 的 趨 勢, 其 主 要 原 因 為 高 分 子 糾 纏 結 構 的 非 結 晶 區 受 到 破 壞 使 得 結 晶 度 下 降, 接 著 分 子 單 體 產 生 的 新 結 晶 造 成 結 晶 度 上 升, 最 後 結 晶 區 開 始 受 到 破 壞, 使 結 晶 度 有 下 降 趨 勢 (Hu et al,2011) 三 組 混 紡 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 其 結 晶 度 都 低 於 未 混 紡 的 纖 維, 且 以 50/50 結 晶 度 最 為 平 均 熔 點 的 部 分 對 這 三 組 混 紡 纖 維 沒 有 太 大 的 顯 著 差 異, 所 以 在 這 裡 我 們 挑 選 50/50 比 例 做 為 後 續 實 驗 之 比 例 參 數 88

表 4.6 不 同 PHBV/PCL 比 例 電 紡 絲 在 降 解 性 試 驗 的 熱 分 析 degradation time (Day) Tm( ) 0 7 14 21 28 pure PHBV 147.57 149.06 150.12 150.06 150.36 PHBV75/PCL25 148.03/59.22 147.86/60.5 147.9/61.95 148.76/62.1 148.21/61.32 PHBV50/PCL50 147.95/60.42 148.06/62.62 148.23/63.43 149.06/63.86 147.71/63.56 PHBV25/PCL75 148.56/63.92 147.93/64.04 148.14/65.66 148.56/63.92 148.28/64.3 pure PCL 66.01 65.84 65.52 66.01 66.42 Hm(J/g) 0 7 14 21 28 pure PHBV 55.07 53.01 53.26 57.77 50.74 PHBV75/PCL25 37.4/5.36 36.18/7.17 40.64/8.35 39.36/8.83 36.79/4.98 PHBV50/PCL50 20.21/16.61 24.81/17.22 25.36/25.03 28.39/24.12 23.44/30.39 PHBV25/PCL75 8.63/40.39 14.07/36.1 12.99/42.32 8.64/40.39 7.19/35.69 pure PCL 55.1 52.33 54.07 55.1 58.35 Xca(%) 0 7 14 21 28 pure PHBV 37.72 36.30 36.47 39.56 34.75 PHBV75/PCL25 25.62/3.94 24.78/5.27 27.84/5.72 26.96/6.49 25.19/3.66 PHBV50/PCL50 13.84/12.21 16.99/12.66 17.37/18.4 19.45/17.74 16.05/22.35 PHBV25/PCL75 5.91/29.7 9.64/26.54 8.89/31.11 5.91/29.69 4.92/16.43 pure PCL 40.51 38.47 39.75 40.51 42.90 Tm:melting temperature; Hm:enthalpy of melting ;Crystallinity (Xc)= ΔHm / ΔHm0 x 100 % Hm 0 = 136 J/g of PCL Hm 0 = 146 J/g of PHBV(Gonçalves and Martins-Franchetti, 2010) 89

4.3.5.3 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 在 不 同 降 解 時 間 之 拉 伸 變 化 將 降 解 個 時 間 點 之 樣 品 進 行 拉 伸 試 驗, 並 探 討 降 解 過 程 對 機 械 性 質 的 改 變, 由 圖 4.16 ~ 4.18 結 果 與 上 述 熱 分 析 進 行 對 照, 並 獲 得 相 對 應 之 結 果, 當 材 料 結 晶 度 越 高 時, 材 料 應 力 也 因 此 提 高, 間 接 使 得 降 解 速 率 變 慢, 由 結 果 中 得 到 證 實 從 圖 4.16 結 果 中 發 現, 當 降 解 28 天 時 50/50 比 例 具 有 較 佳 的 機 械 性 質, 可 能 是 由 於 高 分 子 在 溶 解 過 程 中 單 體 與 單 體 之 間 能 夠 均 勻 混 合 且 50/50 比 例 顯 示 出 比 其 它 比 例 結 晶 度 低 降 解 速 率 也 適 中, 於 降 解 28 天 時 又 能 夠 保 有 一 定 機 械 應 力 與 彈 性, 作 為 生 醫 材 料 來 說 是 非 常 好 的 現 象, 這 也 間 接 提 高 材 料 的 應 用 領 域, 例 如 手 術 縫 線 彈 性 敷 料 透 析 膜 等 由 表 4.7 結 果 顯 示, 降 解 28 天 後 的 最 大 應 力 與 最 大 應 變 之 PHBV/PCL(pure PHBV, 75/25, 50/50, 25/75, pure PCL) 依 序 分 別 為 0.0857(Mpa) 10.04%;0.0961(Mpa) 81.76%;0.1002(Mpa) 172.96%;0.0463(Mpa) 321.72%;0.0322(Mpa) 71.87%, 結 果 顯 示 出 50/50 比 例 有 利 於 生 醫 材 料 之 應 用 90

圖 4.16 不 同 PHBV/PCL 比 例 在 降 解 過 程 中 的 最 大 應 力 曲 線 圖 (n=6) 圖 4.17 不 同 PHBV/PCL 比 例 在 降 解 過 程 中 的 楊 氏 係 數 曲 線 圖 (n=6) 91

圖 4.18 不 同 PHBV/PCL 比 例 在 降 解 過 程 中 的 最 大 應 變 曲 線 圖 (n=6) 表 4.7 不 同 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 在 不 同 降 解 時 間 之 拉 伸 數 據 表 Maximum stress(mpa) 0(day) 7(day) 14(day) 21(day) 28(day) PHBV 0.1087 ± 0.0233 0.1185 ± 0.0256 0.0651 ± 0.0267 0.0800 ± 0.0156 0.0857 ± 0.0203 BV75/CL25 0.0679 ± 0.0232 0.1082 ± 0.0278 0.0801 ± 0.0125 0.0861 ± 0.0302 0.0961 ± 0.0249 BV50/CL50 0.1036 ± 0.0221 0.0969 ± 0.0172 0.0850 ± 0.0110 0.0967 ± 0.0242 0.1002 ± 0.0148 BV25/CL75 0.0459 ± 0.0069 0.0517 ± 0.0073 0.0365 ± 0.0245 0.0394 ± 0.0058 0.0463 ± 0.0049 PCL 0.0236 ± 0.0035 0.0345 ± 0.0049 0.0076 ± 0.0060 0.0216 ± 0.0075 0.0322 ± 0.0069 Maximum strain(%) 0(day) 7(day) 14(day) 21(day) 28(day) PHBV 29.93 ± 5.49 11.60 ± 1.71 9.73 ± 4.15 5.97 ± 1.31 10.04 ± 3.18 BV75/CL25 117.28 ± 14.25 64.49 ± 13.14 67.36 ± 12.12 47.88 ± 9.88 81.76 ± 11.40 BV50/CL50 369.40 ± 41.04 256.85 ± 22.07 206.91 ± 99.20 199.70 ± 86.14 172.96 ± 78.07 BV25/CL75 402.77 ± 24.07 315.98 ± 22.97 276.07 ± 54.23 236.70 ± 18.48 321.72 ± 51.73 PCL 87.42 ± 19.08 64.47 ± 14.70 40.67 ± 10.96 51.69 ± 16.40 71.87 ± 13.52 Young's modulus(mpa) 0(day) 7(day) 14(day) 21(day) 28(day) PHBV 0.3711 ± 0.0928 1.2447 ± 0.3990 0.6195 ± 0.3990 1.1627 ± 0.1808 0.8694 ± 0.0721 BV75/CL25 0.0595 ± 0.0247 0.1697 ± 0.0424 0.0996 ± 0.0096 0.1603 ± 0.0729 0.1178 ± 0.0278 BV50/CL50 0.0283 ± 0.0069 0.0376 ± 0.0042 0.0428 ± 0.0347 0.0554 ± 0.0579 0.0648 ± 0.0183 BV25/CL75 0.0114 ± 0.0014 0.0190 ± 0.0017 0.0110 ± 0.0009 0.0142 ± 0.0011 0.0147 ± 0.0031 PCL 0.0283 ± 0.0081 0.0543 ± 0.0056 0.0375 ± 0.0047 0.0376 ± 0.0176 0.0447 ± 0.0019 92

4.3.6 UV 光 照 射 後 電 紡 絲 纖 維 的 形 態 將 PHBV PHBV/PCL(50/50) PCL 透 過 UV 照 射 方 式, 探 討 材 料 於 殺 菌 過 程 中 對 纖 維 形 態 之 變 化, 由 圖 4.19 結 果 發 現 PHBV 與 PHBV/PCL(50/50) 經 過 12 小 時 UV(30 W/ cm²) 照 射 後 出 現 些 許 裂 解, 其 可 能 原 因 為 PHBV 結 晶 度 較 低, 分 子 結 構 容 易 受 到 破 壞 所 導 致 此 現 象 說 明 材 料 放 置 於 自 然 環 境 中 (13.76 W/cm²) 透 過 日 照 也 可 能 產 生 分 解 的 情 形, 透 過 估 算 後 於 自 然 環 境 中 日 照 26.16 小 時, 也 可 能 獲 得 相 同 的 裂 解 效 果, 因 此, 此 材 料 除 了 生 醫 材 料 上 的 應 用 還 有 利 於 無 須 耐 久 度 之 產 品 應 用, 如 購 物 袋 食 品 容 器 飲 料 品 連 接 環 吸 管 等 如 果 將 材 料 經 過 UV 殺 菌 處 理 須 注 意 分 解 之 情 形, 在 後 續 研 究 中, 將 控 制 照 射 殺 菌 之 時 間, 避 免 材 料 產 生 裂 解 之 情 形 93

(a) (b) (c) 圖 4.19 PHBV/PCL 電 紡 絲 薄 膜 於 UV 照 射 後 之 SEM 圖 (a):phbv; (b):phbv/pcl;(c):pcl 94

4.4 電 漿 表 面 處 理 於 先 前 的 實 驗 結 果 顯 示 PHBV/PCL(50/50) 為 最 好 的 混 紡 比 例 所 以 以 下 的 實 驗 將 用 (50/50) 的 混 紡 比 例 來 探 討 纖 維 表 面 親 疏 水 性 4.4.1 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 表 面 親 疏 水 性 變 化 將 PHBV/PCL 進 行 電 漿 改 質 處 理, 並 利 用 水 接 觸 角 方 式 探 討 HMDSZ 與 O 2 改 質 方 法 對 親 疏 水 性 之 影 響 從 圖 4.20 4.21 表 4.8 結 果 顯 示, PHBV PHBV/PCL(50/50) PCL 於 未 電 漿 處 理 前 之 水 接 觸 角 分 別 為 69.89 83.02 72.9, 以 HMDSZ 電 漿 改 質 後 變 為 85.9 88.83 88.22 更 加 疏 水, 而 O 2 則 是 非 常 親 水, 顯 示 兩 種 電 漿 確 實 有 成 功 改 質 纖 維 表 面 然 而 無 論 透 過 何 種 電 漿 方 式 進 行 改 質, 都 與 材 料 本 身 之 親 疏 水 性 無 大 太 關 聯, 因 為 在 電 漿 改 質 過 程 中, 並 不 會 受 材 料 原 本 之 親 疏 水 性 影 響 但 電 漿 改 質 後 之 材 料 表 面 暴 露 在 空 氣 中 容 易 受 到 氧 化 水 解 之 現 象 (Huang et al,2004), 這 是 改 質 後 尚 須 注 意 的 地 方, 在 後 續 實 驗 中 有 針 對 電 漿 解 離 之 速 率 (1 3 5 7 天 ) 進 行 探 討, 以 了 解 兩 種 電 漿 (HMDCZ 與 O 2) 對 於 浸 泡 培 養 液 時 間 的 長 短 是 否 會 影 響 細 胞 生 長 做 探 討 95

69.71±1.17 82.15±0.80 72.26±1.39 (a) (b) (c) 88.15±0.14 88.5±0.37 85.96±0.38 (d) (e) (f) <10 <10 <10 (g) (h) (i) 圖 4.20 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 前 後 水 接 觸 角 之 測 量 圖 Untreatment : (a)pcl;(b) PHBV-PCL;(c)PHBV HMDCZ : (d)pcl;(e) PHBV-PCL;(f)PHBV 氧 氣 : (g)pcl;(h) PHBV-PCL;(I)PHBV 96

圖 4.21 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 前 後 水 接 觸 角 之 變 化 (n=3) 表 4.8 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 前 後 水 接 觸 角 之 數 據 圖 untreatment Water Contact angle( ) mean PCL 69.89 70.78 68.46 69.71±1.17 PHBV-PCL 83.02 81.44 82.01 82.15±0.80 PHBV 72.9 70.66 73.22 72.26±1.39 HMDSZ PCL 88.25 88.22 87.99 88.15±0.14 PHBV-PCL 88.85 88.55 88.1 88.5±0.37 PHBV 85.95 86.36 85.59 85.96±0.38 氧 氣 PCL <10 <10 <10 <10 PHBV-PCL <10 <10 <10 <10 PHBV <10 <10 <10 <10 97

4.4.2 不 同 電 漿 與 電 紡 絲 纖 維 對 浸 泡 培 養 基 時 間 的 影 響 本 實 驗 將 以 電 漿 改 質 HMDSZ 與 O 2 之 PHBV/PCL 電 紡 絲 薄 膜 透 過 浸 泡 培 養 基 的 方 式 探 討 浸 泡 1 3 5 7 天 之 後 親 疏 水 性 之 影 響 從 圖 4.22 結 果 顯 示,HMDCZ 浸 泡 1 3 5 天 後 的 水 接 處 觸 角 沒 有 太 大 變 化, 只 有 於 浸 泡 7 天 後 出 現 少 許 的 下 降, 於 表 4.9 計 算 出 HMDCZ 電 漿 處 理 之 PHBV PHBV/PCL PCL 電 紡 絲 纖 維 浸 泡 7 天 後 水 接 觸 角 降 低 幅 度 依 序 為 4.59% 4.28% 5.6%, 均 無 太 大 顯 著 差 異 ; 初 步 證 實 HMDCZ 電 漿 處 理 較 不 容 易 受 液 態 環 境 所 影 響 在 O 2 的 部 份 則 出 現 水 接 觸 角 增 加 的 現 象, 推 測 可 能 是 氧 氣 電 漿, 容 易 受 到 環 境 濕 度 或 浸 泡 液 體 所 影 響 或 是 電 漿 膜 厚 太 薄 易 與 基 材 分 離, 而 導 致 O 2 電 漿 水 接 觸 角 有 増 加 的 趨 勢, O 2 電 漿 在 浸 泡 第 一 天 時, 三 種 材 料 均 <10, 當 PHBV PHBV/PCL PCL 浸 泡 七 天 後 水 接 觸 角 分 別 上 升 至 70.8 82.1 68.5, 與 表 4.9 電 漿 處 理 前 相 比, 已 近 似 於 電 漿 處 理 前 之 水 接 觸 角, 並 從 數 據 上 初 步 證 實 O 2 電 漿 處 理 於 浸 泡 培 養 基 七 天 後, 電 漿 分 離 程 度 已 >95%, 此 結 果 與 細 胞 培 養 的 狀 況, 下 一 節 將 會 探 討 98

圖 4.22 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 於 電 漿 改 質 後 浸 泡 培 養 基 時 間 對 水 接 觸 角 的 影 響 表 4.9 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 電 漿 改 質 與 浸 泡 培 養 基 的 水 接 觸 角 數 據 Contact Angle( ) Plasma Culture time(day) Before After 1 3 5 7 PCL 69.89 PCL(HMDCZ) 88.25 88.22 87.5 86.5 83.3 PCL(O2) <10 <10 17.3 67.2 68.5 PHBV-PCL 83.02 PHBV-PCL(HMDCZ) 88.85 88.83 87.3 87 85.2 PHBV-PCL(O2) <10 <10 12.5 81.1 82.1 PHBV 72.9 PHBV(HMDCZ) 85.95 85.9 85 84.1 82 PHBV(O2) <10 <10 15.6 70.1 70.8 99

4.5 細 胞 培 養 本 實 驗 使 用 大 鼠 軟 骨 細 胞 分 別 於 PHBV PHBV/PCL(50/50) PCL 進 行 培 養, 由 於 先 前 的 實 驗 結 果 顯 示 PHBV/PCL(50/50) 為 最 好 的 混 紡 比 例 所 以 本 實 驗 將 用 (50/50) 比 例 來 探 討 摻 合 膜 電 紡 絲 纖 維 電 漿 改 質 等, 以 了 解 材 料 於 不 同 形 式 或 不 同 改 質 之 方 式 對 細 胞 生 長 的 影 響 4.5.1 PHBV/ PCL 摻 合 膜 對 細 胞 生 長 的 影 響 將 先 前 所 探 討 之 最 適 化 比 例 PHBV/PCL(50/50) 與 PHBV 和 PCL 摻 合 膜 進 行 細 胞 活 性 測 試, 探 討 不 同 類 別 之 摻 合 膜 對 細 胞 相 容 性 之 影 響 圖 4.23 結 果 顯 示 在 培 養 一 天 時,PHBV 與 PHBV-PCL 比 PCL 高 出 一 些, 可 能 是 PHBV 與 PHBV-PCL 的 水 接 觸 角 比 PCL 低 所 導 致 隨 著 培 養 天 數 到 3 5 7 天 時, 三 種 摻 合 膜 於 細 胞 培 養 時 沒 有 太 大 顯 著 差 異, 從 三 種 材 料 的 基 本 特 性 ( 水 接 觸 角 結 晶 度 ) 來 看, 雖 然 有 些 許 差 別, 但 乃 屬 於 類 似 之 性 質, 所 以 在 細 胞 培 養 3 5 7 天 後, 較 無 太 大 顯 著 差 異, 其 詳 細 機 制 有 待 進 一 步 探 討 100

圖 4.23 PHBV/ PCL 摻 合 膜 於 細 胞 培 養 之 生 長 曲 線 101

4.5.2 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 生 長 的 影 響 實 驗 中 將 紡 於 圓 形 蓋 玻 片 之 電 紡 絲 纖 維 進 行 細 胞 培 養, 探 討 不 同 組 成 之 細 胞 支 架 對 細 胞 生 長 的 影 響 由 圖 4.24 結 果 顯 示,PCL 在 整 個 培 養 期 間 之 生 長 速 度, 均 高 出 PHBV 與 PHBV/PCL 兩 種 纖 維, 可 能 因 素 是 由 於 PCL 在 先 前 數 據 中 的 纖 維 尺 度 較 其 它 兩 種 纖 維 低 了 約 50% 左 右, 當 纖 維 尺 度 越 小 時, 纖 維 比 表 面 積 也 會 因 此 增 加, 文 獻 指 出, 當 基 材 具 高 度 比 表 面 積 可 以 有 利 於 細 胞 貼 附 與 生 長 ( 蔡, 2011), 因 此 PCL 之 細 胞 生 長 數 量 有 較 高 的 趨 勢 先 前 所 探 討 的 最 適 化 PHBV/PVL(50/50) 比 例 於 結 果 中 沒 有 出 現 較 佳 的 生 長 趨 勢, 但 相 較 於 純 PHBV 纖 維 相 比 高 出 許 多, 於 培 養 時 間 1 3 5 7 天 分 別 高 於 純 PHBV 纖 維 約 24% 35% 21% 38%, 顯 然 添 加 PCL 於 PHBV 當 中 有 利 於 細 胞 的 生 長, 但 生 長 效 果 有 待 改 進, 因 此 在 後 續 實 驗 中 將 以 電 漿 改 質 的 方 式 提 高 PHBV/PVL(50/50) 之 親 疏 水 性, 間 接 增 加 纖 維 於 細 胞 培 養 時 之 生 長 速 率 102

圖 4.24 PHBV/PCL 電 紡 絲 纖 維 之 細 胞 生 長 曲 線 103

4.5.3 電 漿 處 理 後 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響 本 實 驗 透 過 氧 氣 HMDSZ 與 氧 氣 + HMDSZ 之 電 漿 處 理 方 式 進 行 改 質, 並 分 別 探 討 PCL PHBV/PCL PCL 於 三 種 電 漿 處 理 方 式 後 對 細 胞 生 長 曲 線 與 SEM 纖 維 形 態 之 影 響 4.5.3.1 氧 氣 電 漿 處 理 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響 先 前 數 據 指 出, 透 過 氧 氣 電 漿 處 理 方 式 之 三 種 電 紡 絲 纖 維 水 接 觸 角 均 < 10, 顯 示 出 透 過 氧 氣 電 漿 處 理 之 電 紡 絲 纖 維 水 接 觸 角 出 現 大 幅 下 降, 使 得 細 胞 培 養 能 得 到 較 顯 著 之 差 異 圖 4.25 結 果 顯 示, PHBV/PCL(50/50) 於 細 胞 培 養 3 天 後 出 現 比 純 PHBV 和 PCL 好 的 生 長 趨 勢, 從 SEM 圖 來 看, 圖 4.26~4.28 紅 圈 處 為 實 驗 中 所 培 養 之 細 胞 形 態, 1 5 7 天 之 SEM 圖 發 現 PHBV/PVL(50/50) 於 培 養 第 5 天 後 的 纖 維 上, 貼 附 許 多 的 細 胞, 而 純 PHBV 和 PCL 就 少 了 許 多, 於 生 長 7 天 後 的 纖 維 都 覆 蓋 上 滿 滿 的 細 胞 株, 在 圖 4.25 生 長 曲 線 上 卻 出 現 下 降 的 情 形, 對 照 先 前 的 電 漿 處 理 於 浸 泡 培 養 基 後 的 水 接 觸 角 數 據 中 可 以 推 測, 培 養 第 七 天 的 MTT 生 長 曲 線 可 能 是 電 漿 分 離 所 導 致, 先 前 數 據 指 出 纖 維 浸 泡 於 培 養 基 第 七 天 時, 水 接 觸 角 已 接 近 於 未 電 獎 處 理 之 表 面, 於 SEM 圖 中 無 法 發 現 此 結 果, 從 形 態 上 無 法 區 分 死 細 胞 及 活 細 胞 之 形 態 在 MTT 分 析 當 中, 只 有 活 細 胞 才 能 夠 進 行 反 應 ( 染 色 ), 因 此 常 作 為 細 胞 活 性 的 分 析 方 法 104

圖 4.25 氧 氣 電 漿 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 細 胞 生 長 曲 線 (a) (b) (c) 圖 4.26 細 胞 在 氧 氣 電 漿 之 PHBV 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM (a) 1 天 (b) 3 天 (c) 7 天 生 長 之 情 形 105

(a) (b) (c) 圖 4.27 細 胞 在 氧 氣 電 漿 之 PHBV/PCL (50/50) 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM (a)1 天 (b) 3 天 (c)7 天 生 長 之 情 形 (a) (b) (c) 圖 4.28 細 胞 在 氧 氣 電 漿 之 PCL 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM(a)1 天 (b) 3 天 (c) 7 天 生 長 之 情 形 106

4.5.3.2 HMDSZ 電 漿 處 理 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響 先 前 數 據 指 出, 透 過 HMDSZ 電 漿 處 理 方 式 之 三 種 電 紡 絲 纖 維 水 接 觸 角 約 為 85.9 ~ 88.2, 顯 然 透 過 HMDSZ 電 漿 處 理 之 電 紡 絲 纖 維 水 接 觸 角 有 些 許 提 高, 使 纖 維 變 得 更 加 疏 水, 但 從 細 胞 培 養 中 卻 能 得 到 與 氧 氣 電 漿 處 理 有 類 似 的 趨 勢 由 圖 4.29 結 果 顯 示,PHBV/PVL(50/50) 在 細 胞 培 養 結 果 有 較 好 的 趨 勢, 於 細 胞 培 養 第 七 天 時 出 現 些 許 下 降 的 趨 勢, 推 測 可 能 與 氧 氣 電 漿 處 理 有 類 似 的 機 制, 從 圖 4.30~4.32 SEM 顯 示 紅 圈 處 為 細 胞 生 長 於 纖 維 上 之 形 態, 其 細 胞 數 量 較 氧 氣 電 漿 處 理 少 上 許 多, 推 測 可 能 是 表 面 較 疏 水 所 導 致, 在 細 胞 的 生 長 機 制 當 中, 細 胞 必 須 先 於 材 料 上 進 行 貼 附, 接 著 細 胞 才 進 行 分 化, 從 氧 氣 與 HMDSZ 電 漿 處 理 結 果 可 以 推 測, 電 漿 分 離 可 能 使 細 胞 數 有 下 降 的 趨 勢 107

圖 4.29 HMDSZ 電 漿 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 細 胞 生 長 曲 線 (a) (b) (c) 圖 4.30 細 胞 在 HMDSZ 電 漿 之 PHBV 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM (a)1 天 (b) 3 天 (c) 7 天 生 長 之 情 形 108

(a) (b) (c) 圖 4.31 細 胞 在 HMDSZ 電 漿 之 PHBV/PCL(50/50) 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM(a)1 天 (b) 3 天 (c) 7 天 生 長 之 情 形 (a) (b) (c) 圖 4.32 細 胞 在 HMDSZ 電 漿 之 PCL 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM (a)1 天 (b) 3 天 (c) 7 天 生 長 之 情 形 109

4.5.3.3 HMDSZ+ 氧 氣 電 漿 處 理 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 對 細 胞 的 影 響 本 實 驗 期 望 透 過 HMDSZ 電 漿 處 理 後 可 以 有 利 於 穩 定 氧 氣 電 漿 處 理 後 的 不 穩 定 性, 因 此 本 實 驗 依 序 以 HMDSZ 和 氧 氣 進 行 電 漿 處 理, 探 討 此 種 電 漿 處 理 方 式 對 細 胞 生 長 之 影 響 由 圖 4.33~4.36 結 果 顯 示, 培 養 於 第 七 天 之 細 胞 數 量 與 單 獨 氧 氣 電 漿 處 理 之 數 據, 相 較 於 第 五 天 的 細 胞 數 量 都 有 大 幅 下 降 的 趨 勢, 推 斷 此 方 法 並 不 能 穩 定 氧 氣 於 電 漿 處 理 後 所 產 生 的 不 穩 定 性, 其 細 胞 數 下 降 原 因 有 待 進 一 步 研 究 綜 合 最 後 結 果, 由 圖 4.33 與 先 前 氧 氣 和 HMDSZ 電 獎 處 理 之 細 胞 培 養 結 果 都 有 一 共 通 之 處, 就 是 本 研 究 所 製 備 之 PHBV/PCL(50/50) 電 紡 絲 纖 維 薄 膜 於 細 胞 培 養 時 都 具 有 較 好 的 結 果 110

圖 4.33 氧 氣 + HMDSZ 電 漿 之 PHBV/ PCL 電 紡 絲 纖 維 細 胞 生 長 曲 線 (a) (b) (c) 圖 4.34 細 胞 在 HMDSZ +O 2 電 漿 之 PHBV 電 紡 絲 纖 維 膜 SEM (a)1 天 (b) 3 天 (c) 7 天 培 養 之 情 形 111