TWI325901B - - Google Patents

Description

1325901 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種仿生基質材料之形成方法，特別是 關於一種多孔之仿生基質材料之形成方法。 【先前技術】 電紡技術（electrospinning) ‘可產生奈米纖維 (Nan0fibers)製造技術之一，其原理係利用材料溶液在 高電壓之下，當溶液表面積累積之電荷所產生的電荷排斥 力大於表面張力時，會在溶液表現形成泰勒錐體 cone) ’在錐體尖端突破張力向相反電極的收集板喷射出 奈米纖維。利用不同的收集板設計可取得不同收集方向的 奈米纖維。 一般而言，奈米纖維的直徑約為傳統纖維的0.01倍， 在、，a克直徑為5G奈米的纖維中，其總表面積約為1〇〇〇 米平方纟於具有奈米纖維獨特大表面積與高孔隙性，使 得奈米纖維有許多特殊的用途。以往奈米纖維的材質係指 碳纖絲（earbon fl她）、人造高分子纖維及氧化峨維等。 電紡奈米纖維具強度與高表面積等特性，可製成抗化

6 S 學品、防水透氣、防污等特殊性能布料，在紡織服裝業有 廣大的市場，目前Nano_Tex公司已有開發之商業化商品 問世。奈米纖維亦被認為作為過遽材料及醫學組織工程之 支架材料；在藥物輸送之媒介、感測器、奈米電機等領域 具有應用潛力。 此外，奈米纖維於生物技術應用方面，近幾年逐漸有 文獻探討奈米纖維與細胞間的交互作用。E1ias等人將人類 的硬骨細胞（Human osteoblast)殖入不同尺寸碳奈米纖維 組成的支架中進行體外培養，培養3週後，細胞生長狀況 良好，細胞激素（Alkaline Phosphatase Activity)及骨細胞 分泌的妈離子濃度（calcium concentration )隨著培養得時 間增加而增加。 而Yoshimoto等人將老鼠的葉幹’細胞（Mesenchymal stem cells )瘦入 PCL ( poly caprolactone )奈米纖維組成的 支架中，以動態生物反應器進行培養，培養4週後，發現 細胞支架（cell-polymer constructs)不但能夠維持住原來 支架的尺寸及形狀，且經由SEM觀察到支架内的細胞具 有疊層增生與細胞基質的生成，而在組織切片免疫染色中 亦發現已有新的組織（type I collagen )形成。因此，由以 上結果顯示奈米纖維對於細胞的生長有助益。 但是，奈米纖維的堆積若太過緊密，且孔隙度太會影 響細胞生長及分化。Christopher等人發現牛的内皮細胞在 小孔徑（<100/zm)的生物基質上生長，其細胞凋亡 (apoptosis)的機率會增加。有鑑於此，仍有必要開發新 的多孔仿生基質材料的製備方法，以提供具有適當孔徑與 孔隙之仿生基質材料。 【發明内容】 鑒於上述之發明背景中，為了符合產業上之要求，本 發明提供一種新的多孔仿生基質材料的形成方法。 本發明之一目的在於藉由改良之電紡技術同時進行 多種材料的微奈米細絲製備’並且控制所需尺寸，以模擬 生物體中的細胞外基質，也可以同時製備並沈積微奈米的 高分子細絲與顆粒，再將特定成分溶去，留下的空間以便 於培養細胞，因此，本發明能夠提供具有適當孔隙的仿生 基質材料。 本發明之另一目的在於利用直接而且經濟的改良電 紡技術，可以快速並且大量製備和混合微奈米的高分子細 絲/顆粒/細絲與顆粒組合’據此，本發明能符合經濟上的 效紐與產業上的利用性。 根據以上所述之目的，本發明揭示了一種多孔之仿生 基貝材料之形成方法’首先，提供至少兩種溶液，其中， 至）一種錢為仿生基質溶液，仿生基質溶液包含一仿生 基貝材料’且至少—種溶液為—孔隙成型溶液，孔隙成型 :液所包含之—孔隙成型材料具有I少—對應之特定溶 劑°其次’進行—㈣程序，藉由频程序將上述溶液充 填於一混合噴射裝置的不同嘴射口内。 接著’施加一第一電性於混合噴射裝置，並施加一第 :電性於-收集裝置上’第—電性與第二電性相反，混合 喷射《置與收集裝置兩者之間有—電壓差。再者，進行一 電紡程序’上述溶液係由混合噴射裝置的不同喷射口内向 收集裝置噴出，以便於在收集裝置上形成一複合材料，其 中’形成複合材料的每種材料的型態係為下列鱗中之一 者:細絲、顆粒與細絲與顆粒之組合。最後，進行一移除 程序，藉由溶劑溶解複合材料的中的孔隙成型材料，以形 成一具有多孔之仿生基質材料。 【實施方式】 本發明在輯探_方向為—難有纽之仿生基 質材料之形成方法。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列 的描述t提出詳錢步觀其组成。顯絲，本發明的施 行並未限定麟賴之技藝者· f6猶殊㈣。另一方 面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造 成本發料必要之_。本發明輸佳實關會詳細描述 t下’然而除了這些詳細描述之外’本發明還可以廣泛地 施行在其他的實施财’且本發明的範目衫岐，其以 之後的專利範圍為準。 本發明之-倾_露-種纽之仿生基質材料之 形成方法’找，提供至少兩種溶液，其中，至少一種溶 液為仿生基質溶液，仿生基質溶液包含—仿生基質材料， 且至少一種溶液為-孔隙成型溶液，孔隙成型溶液所包含 之孔隙成型材料具有至少一對應之特定溶劑。上述之仿 生基質材料與孔隙成型材料係獨立選自下列之—者或其 組合：幾丁㈣（chitGsan)、聚乳酸（pQly !_ _)、 聚甘醇酸（p〇ly capr〇】act〇ne_c〇 lactic add)、膠原蛋白 (collage)、聚醯胺（p〇lyamide)、動物膠（㈣&如其次， 進行-填料程序，將上述溶液充填於—混合侧I置的不 同喷射口内。 於填料裎序完成後，施加一第二電性於混合噴射裝 射抓里控制益所控制流量範圍約為祕。混合噴射 裝置可以為％轉式混合噴射裝置或震盈式混合喷射裝 置’其中’旋轉式混合噴射裝置包含一旋轉速度控制器， 紅轉速度控制器所控制轉速範圍約·3_啊。相對 地’震遺式混合噴射裝置包含一震蘯速度控制器，震魏 度控制^侧_細約UK)〜誦mm/min。 上述之收集裝置可以為滾輪式收絲置或平板式收 集裝置射’滾輪式收集裝置包含一滚輪收集速度控制 器，滾輪收集逮度控制速度範圍約0-3〇OOrpm。相對地， 平板式收絲置包含一平板收集速度控制器，平板收集速 度控制速度範_ 〇〜職nunAnin。 上述之於複合材料所含每種材料之㈣與其對應溶 ^之濃度相關。於仿生基f溶液中，隨著仿生基賭料含 量越=經過電_序所形成之材料聽越接近顆粒，反 之’ ^者仿生基質材料含量越低，經過電紡程序所形成之 材料型態越接近細絲。此外，於孔隙·溶液中，隨著孔 隙成型材料含魏高，經職紡辦卿紅侧型能越 接近顆粒，反之，隨著孔隙成型材料含量越低，經過電紡 知序所形叙材_態雜近細絲。 上述之於複合材料所含每種材料之型態與電場強度 12 、S * 1325901 (V/m)相_於仿生基質溶液中，隨著電壓差越高，經 過電紡程序卿成之材料鶴越接近纟罐，反之，隨著電 壓差越低，_電_序_成之㈣贿越接近顆粒。 此外，於孔隙成型溶液中，隨著電壓差越高，經過電纺程 序所形成之材料型態越接近細絲，反之，隨著電壓差越 低’經過電紡程序卿成之材料鶴越接近顆粒。 另一方面，除了上述因素會改變複合材料的型態，還 有下列的㈣會㈣複合材料_態：i•將獅填入針筒 的流速（feeding rate ofthe p〇lymer)。2複合材料的性質 (properties of the polymer)包含有：黏度、分子量導電 度、溶劑種類以及添加物。3.不同尺寸的喷口（ diameter 〇f the needle)。4.收集裝置與喷口的距離（distant㈣呢邱 needle and metal collector) 5 大氣條件“加沉沖游 condition ) ° 於本實施例之一較佳範例中，於電紡程序完成後且於 移除程序進行之前，可以進行—交聯程序，交聯程序係藉 由-交聯鑽⑽成珊料進行交聯，以增強孔隙成型材 料的機械強度’其中’上述交聯劑選自下列之—者或其組 合：戊二醛（glutaraldehyde)、曱醛（f〇rmaldehyde)。 傳統上使用電紡技術時’因電場強度過低或所使用之 13 材料濃度太低而形成的顆粒型態被認定為失敗的技術參 數’長久以來並沒有使用者將此一特性應用於複合材料的 製備方法中。本發明克服該所屬技術領域中具有通常知識 者長久以來根深柢固之技術偏見，而採用因技術偏見而被 捨棄之技術’藉由該技術解決傳統所面臨之問題，佐證本 發明並非能輕易完成。 範例一 “ 一種多孔之仿生基質材料之形成方法，所用之改良式 電纺裝置包含：導電的混合噴射裝置、噴射流量控制器、 絲速度控制n、導電的㈣裝置、收料度控制器以及 二壓電提縣置和其他輔助裝置。其導電軌合喷射裝置 可以聚載兩組以上的針筒，所以具有兩個以上的出口，可 以進行兩觀上材料微奈米_和顆㈣製備。 混合方式有震狀和_式_，_歧合為轉速 脈3__。翁流量控制為αι__ / h。導電的收集 了以為平板式 '滾輪式或是多電極式....等等模式。收 本、、度在錢式_下_為G侧_。 :所，㈣。利用此改咖 矛〜微奈米高分子的細絲與顆粒’： 1325901 如第二A圖所示，利用2%-15%聚甘醇酸（poly

Ca_actone_co_lactic acid ; pcL)和第二 b 圖所示利用 2 動物膠（gelatin)分職充於導電混合噴射裝置的 針琦之中，在9KV、Oml / hr、2000 rpm旋轉收集速度、 導電的混合噴射裝置和收集板之間的距離為3cm的條件 下’進仃兩種微奈米的高分子_和微奈的高分子顆粒的 混合。 將混合微奈米高分子的細絲和顆粒進行交聯反應和 部分溶解處理。將餘1()姻)nm騎娜（ge]atin)細 絲利用戊二酸（glutaraldehyde)的蒸汽進行交聯1-9分鐘， Ik後利用丙酮（acetone)將直徑1〇〇〇 2〇〇〇〇〇 的 顆粒溶解。溶解鑛訂孔難郎，形成具有適當孔隙 度的仿生基質材料。將製備好的材料放置於DMEM+10% 哪中’並置於3rc、5%c〇2細胞培養環境下進行分解 速度的測試。並種植密度⑹eells /咖2的纖維母細胞進行 細胞存活率以及生物相雜_試，以評倾生基質材料 後續應用的特性。 如第二BI-B4圖所示，藉由不同濃度之聚甘醇酸 (poly capr〇lactone_co_lactic acid ; pcL)形成具有細絲及 顆粒之仿生基質材料，其中，當聚甘醇酸百分濃度比介於 15 1325901 2-4%時’所職之仿生基質材料其賴越接近細絲；當聚 甘醇酸百分濃度比介於卜7.5%時，所形成之魅基質材料 其型癌混合祕以及雜5¾麵!| ;當料_百分濃度 比介於8-·時，所形成之仿生基質材料其型態越接^ 粒。

如第二C1-C4圖所示，藉由不同濃度之動物膠 (gelatin)形成具有細絲及顆粒之仿生基質材，料，其中， 當聚甘醇酸百分濃度比纽Μ.5%時，·狀仿生基質 ^料其型祕接近_ ; #聚甘賴百分濃度比介於㈣ /時’所形成之仿生基質材料其鶴混合細_及顆粒兩 種型態。

°弟三圖所示，旋賦混合裝置配合滾輪式收集 裝置iog包含· 1合速度控制m —旋轉式導電混 合噴射裝置12〇、—飪宵ηΛ Α在土 — 計_ 130、一收集速度控制器14〇、一 滾輪式導電收集裝置 助裝置160。 150以及一高壓電提供裝置及其他輔 如第四_示’雜式混合噴射裝置配合平板式收集 f置2〇G &含.—現合速度控制器210、-旋轉式導電混 噴射裝置22G、-針筒23〇、—平板式導電收集裝置2奶 16 S > 1325901 以及一祕電提供裝置及其他辅助裝置250。 騎不’震'^式齡喷姆魏合滾輪式 " 〇含：一震盪式導電混合噴射裝置 I—滾輪轉魏«請爾賴控_40以 及间[電知供裝置及其他辅助裝置现。

如第六_示，驗式混合噴崎置配合平板式收集 、400 &含：一震盪式導電混合嘴射裝置彻、一針筒 420、—平板式導電收集裝置以及—高壓電提供裝置 及其他輔助裝置44〇。

收集 31〇、一針筒 ’、、、貝d地’依照上面實施例中的描述，本發明可能有許 '夕正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍 、理解除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛 在/、他的貫施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例 而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫 離本發明所揭示之精神下所完成的較改變.飾，均應 包含在下述申請專利範圍内。 < S > 【圖式簡單說明】 第一圖係為本發明之形成複合材料的每種材料的型 態； 第一 A圖係為動物膠（gelatin)與聚甘醇酸 caprolactone-co-lactic acid ; PCL)顆粒混合之仿生基質材 t-T-II^Cscanning electron microscope; SEM) 影像圖； 第二B卜B4圖係為不同濃度之奈米聚甘醇酸

Capr〇lactone_co_lactic acid ; PCL)細絲/顆粒/兩者混合之仿 生基質材料的掃瞒式電子顯微鏡(scanning eiectr〇n microscope; SEM)影像圖； 第二Cl〜C4圖係為不同濃度之奈米動物膠（geiatin) 細絲/顆粒/兩者混合之仿生基質材_掃喊電子顯微鏡 (scanning electron microscope; SEM)影像圖； 第三圖係為本發明之_式齡噴㈣置配合配合 滾輪式收集裝置的示意圖； 第四圖係為本發明之旋轉式混合噴射裝置配合平板 式收集裝置的示意圖； 1325901 第五圖係為本發明之震盪式混合喷射裝置配合滾輪 式收集裝置的示意圖；以及 第六圖係為本發明之震盪式混合喷射裝置配合平板 式收集裝置的示意圖。 1325901 【主要元件符號說明】 100旋轉式混合喷射裝置配合滾輪式·收集裝置 110混合速度控制器 120旋轉式導電混合喷射裝置 130針筒 140收集速度控制器 150滚輪式導電收集裝置 160高壓電提供裝置及其他輔助裝置 200旋轉式混合喷射裝置配合平板式收集裝置 210混合速度控制器 220旋轉式導電混合喷射裝置 230針筒 240平板式導電收集裝置 250高壓電提供裝置及其他輔助裝置 300震盪式混合喷射裝置配合滾輪式收集裝置 310震盪式導電混合喷射裝置 320針筒 330滾輪式導電收集裝置 340收集速度控制器 350高壓電提供裝置及其他辅助裝置 20 1325901 400震盪式混合喷射裝置配合平板式收集裝置 410震盪式導電混合喷射裝置 420針筒 430平板式導電收集裝置 440高壓電提供裝置及其他輔助裝置 • S ' 21

Claims (1)

1. ^25901 材料的中的該孔隙成型材料，以形成一多孔之仿生基質材 料。 .如申凊專利範圍第ϊ項所述之具有多孔之仿生基質材料之 >成方法，其中上述之混合噴射裝置更包含一喷射流量控 制裔’该嘴射流量控制器所控制流量範圍約為0.1-10ml/h。 3·如申請專利範圍第1項所述之具有多孔之仿生基質材料之 形成方法，其中上述之混合噴射裝置為旋轉式混合喷射裝 置。 4. 如申請翻範圍第3項所述之具有纽之仿生基質材料之 /成方法其中上述之旋轉式混合喷射裝置更包含一旋轉 速度控制器’顧轉速度控制器所控制速率範圍約勝鄉〇 rpm ° 5, 如申請專概㈣1顿叙具有纽之魅基質材料之 形成方法’其中上述之昆合喷射裝置為震盪式混合喷射裝 置。 23 η·如申清專利範圍第1項所述之具有多孔之仿生基質材料之 =成方法’於該電_序完錢肠該移除程序進行之 ° ^父聯私序，該父聯程序係藉由一交聯劑對孔 隙成型材料進行交聯。 12.如申請專利範圍第11項所述之具有多孔之仿生基質材料 句成方法’其巾上述交聯継自下狀—者或其組合： 戊二醛（glutaraIdehyde)、甲醛（formaldehyde)。 =申印專她1|第i項所述之具有多孔之仿生基質材料之 成方法，其中上述溶液係同時由該混合噴射裝置的不同 噴射口内向該收集裝置喷出。 14.如申請專纖圍第丨項所述之具有纽之仿生基質材料之 t成方法’其巾上述溶祕铺—特定順序，序列式地反 设由該混合噴射農置的不同噴射口内向該收集裝置喷出。 15·如申請專利範圍第i項所述之具有多孔之仿生基質材料之 %成方法，其中上述之顆粒直徑範圍約lOOOnm〜200000nm。 16.如申請專利範圍第i項所述之具有多孔之仿生基質材料之 成方法其中上述之細絲直控範圍約〜2〇〇〇nm 。 •如申凊專利範圍第1項所述之具有多孔之仿生基質材料之 形成方法’其中上述之具有多孔之仿生基質材料，其孔徑 範圍約 10〇〇nm〜2〇〇〇〇〇nm 〇 18.如申請專利範圍第！項所述之具有多孔之仿生基質材料之 成方法其中上述之於複合材料所含每種材料之型態與 其對應溶液之濃度相關。 巾'^勒j範圍第18項所述之具有乡孔之仿生基質材料 2形成方法’於祕生歸溶液中，隨著齡生基質材料 含量越高，經電_序_成之材料型_接近顆粒。 20·如申請專利範圍第18項所述之具有多孔之仿生基質材料 之軸方法，於該仿生基質溶液中，隨著該仿生基質材料 含量越低，經過該電纺程序所形成之材料型態越接近細絲。 21.如申請專利範圍第18項所述之具有多孔之仿生基質材料 26 之形成方法，於該孔隙成型溶液中，隨著該孔隙成型材料 S里越冋’經過該電紡程序所形成之材料型態越接近顆粒。 22,如申請專利範圍帛18項所述之具有多孔之仿生基質材料 2形成方法，於該孔隙成型溶液中，隨著該孔隙成型材料 含量越低’經般電錄序·成之材料縣越接近細絲。 23·如申請專利範圍第！項所述之具有多孔之仿生基質材料之 •形成方法’其巾上狀於複合材_含每歸料之型態與 該電場強度相關。 ' 4.如申料利細第23項所述之具有多孔之仿生基質材料 之形成方法’賊魅純溶射，隨_電場職越高， 經過該電擁序所形成之材_態越接近細絲。 攻如申請專利範圍第23項所述之具有多孔之仿生基質材料 之形成綠，於祕錄質絲+，縣魏場強度越低， 經過該電_序卿叙材翻襲接近顆粒。 項所述之具有多孔之仿生基質材料 26·如申請專利範圍第23 之形成方法’於該孔隙成型溶液中，隨著該電場強度越高 麵過该電纺料卿紅㈣鶴越接近細絲。 27.如申請專利範圍第23項所述之具有多孔之仿生基質材料 之形成方法，於該·成型溶液中，隨著該電場強度越低， 經過該電紡料卿成讀_態继近顆粒。 汰如申請專利範圍第旧所述之具有多孔之仿生基質材料之 形成方法，其中上述之仿生基質材料選自下列之一者或其 組合：幾丁聚醣（chitosan)、聚乳酸（polylacticacid)、聚 甘醇酸（poly capr〇lactone_c〇_lactic acid )、膠原蛋白 (collage)、聚醯胺（polyamide)、動物膠（gelatin)。 29. 如申請專利範圍第1項所述之具有多孔之仿生基質材料之 形成方法’其中上述之孔隙成型材料選自下列之一者或其 組合：幾丁聚_ (chitosan)、聚乳酸（poly lactic acid)、聚 甘醇酸（poly caprolactone-co-lactic acid )、膠原蛋白 (collage )、聚醯胺（p〇lyamide)、動物膠（gelatin)。 30. 如申請專利範圍第1項所述之具有多孔之仿生基質材料之 28 1325901 形成方法，其中上述之溶劑選自下列之一者或其組合：丙 酮（acetone)、1，4-二氧陸圜（l，4-Dioxane)。

   ·· r S、 29