TWI423829B - 傷口癒合支架及其製造方法 - Google Patents

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TWI423829B
TWI423829B TW099146903A TW99146903A TWI423829B TW I423829 B TWI423829 B TW I423829B TW 099146903 A TW099146903 A TW 099146903A TW 99146903 A TW99146903 A TW 99146903A TW I423829 B TWI423829 B TW I423829B
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張雍
陳聖翰
阮若屈
李魁然
賴君義
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私立中原大學
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傷口癒合支架及其製造方法
本發明係有關於一種傷口癒合支架及其製造方法，特別是關於一種使用複合纖維薄膜之傷口癒合支架及其製造方法。
在組織工程(tissue engineering)上，人工基質(matrices)或支架(scaffolds)之開發備受矚目，人工支架可分為暫時及永久性兩種，其中永久性的人工支架不會分解，持續留在人體中，而暫時性的人工支架需具有生物降解性(biodegradable)，人工支架在進行修復受損組織或器官的同時，隨著新組織的增生，人工支架可被生物體分解及代謝，且不產生免疫反應。
在傷口的癒合，如果傷口小，皮膚可自然癒合，或使用市售的紗布等各種敷料包紮，皮膚組織增生而癒合，但是需要移除這些敷料時，傷患需要忍受移除敷料的痛苦，另外當傷口太大時，這些敷料無法幫助皮膚癒合，需要使用人工支架，以促進組織細胞的增生而幫助傷口的癒合。再者，使用暫時性的人工支架時，這些人工支架可被生物體分解及代謝，而免除患者移除人工支架時的痛苦。
美國專利申請案US 2009/0198167揭露一種微粒-纖維複合支架(microsphere-fiber composite scaffold)，其係由具有生物分解性(bioresorbable)之微粒及纖維所製成，具有空隙度(porosity)，方便進行減壓組織處理，該支架的結構設計之主要目的在於提供孔洞，促進進行減壓組織處理時傷口組織液的移除及誘導粒狀組織(granulation tissue)的形成。
但是，在傷口癒合上，亟需一新的傷口癒合支架，可提供更好的促進傷口的癒合之效果。
鑒於上述之發明背景中，為了符合產業上之要求，本發明提供一種傷口癒合支架及其製造方法。根據本發明的傷口癒合支架，藉由非對稱的結構設計，一方面可促進皮下組織的成長，另一方面可促進表皮角質細胞的成長，以進一步促進傷口的癒合，而且傷口癒合後無需移除，可自然被生物體分解及代謝。
本發明之目的之一，是在提供一種傷口癒合支架及其製造方法，進一步藉由三明治之纖維結構，與使用單一成分纖維的情況比較，除可在支架的兩表面上分別具有不同效果之纖維結構，促進組織增生外，還可利用位於中心的第三種纖維，提供所需的機械強度，因此可提供具備各種功能需求之傷口癒合支架。
本發明之目的之一，是在提供一種傷口癒合支架及其製造方法，除可應用於傷口癒合外，還可藉由調整纖維結構、種類及特性等，可作為例如外科手術之阻隔膜(isolation surgical membrane)、修復受損骨頭組織的支架、血管組織工程的人工支架等應用領域，如此的纖維支架可提供細胞良好的生長環境，並具備組織工程應用的優勢。
本發明之目的之一，是在提供一種傷口癒合支架及其製造方法，藉由沿特定方向排列之纖維結構，例如順向排列的纖維，與無方向性的纖維或平板纖維比較，可增加細胞分化及細胞增生的能力。
綜上所述，本發明揭露了一種傷口癒合支架，包含：一第一纖維層，其具有一第一表面及一第二表面，該第一纖維層之平均纖維直徑在1～5 μm；以及一第二纖維層，設置於該第一纖維層之第一表面上，該第二纖維層之平均纖維直徑在0.2～1.5 μm。其中，上述第一纖維層及上述第二纖維層具有細胞適應性(cyto-adaptability)。
於一實施例，上述之傷口癒合支架更包含一第三纖維層，設置於該第一纖維層之第二表面上，該第三纖維層之平均纖維直徑在0.2～1.5 μm。
於一實施例，該第一纖維層係由聚消旋乳酸所成，該第二纖維層係由幾丁聚醣(chitosan)所成。
於一實施例，該第一纖維層上所含的顆粒狀結構(beads)小於10 μm，且該第二纖維層上所含的顆粒狀結構小於10 μm(根據本發明，第二纖維層實質上無顆粒結構)。於一實施例，該第一纖維層、該第二纖維層及該第三纖維層上之微滴(droplet)之直徑小於各層之平均纖維徑的10倍。
於一實施例，第二纖維層具有輔助角質細胞(keratinocyte cell)增生的功能，第一纖維層具有輔助纖維組織母細胞(fibroblast cell)增生的功能，第三纖維層具有輔助纖維組織母細胞增生的功能。
於一實施例，該第一纖維層可為無方向性(random)纖維結構，該第二纖維層中之纖維可沿一特定方向排列，該第三纖維層可為無方向性(random)纖維結構或沿一特定方向排列。
於一實施例，該第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3～12 μg/cm2 ，該第三纖維層在該第二表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3～12 μg/cm2 。
於一實施例，傷口癒合支架更包含：一抗生物沾黏塗層，於各纖維層的表面，可藉由浸漬該傷口癒合支架於一抗生物沾黏塗劑所成，其中該抗生物沾黏塗劑包含一抗生物沾黏嵌段共聚物，該抗生物沾黏嵌段共聚物係由雙離子區塊(zwitterionic block)及定錨區塊(anchoring block)所構成，其中該定錨區塊包含一具有一第一電性之次區塊(sub-block)，作為固定用，而該雙離子區塊係用以作為抗生物沾黏。(抗生物沾黏塗劑之詳細技術內容請參考本案發明人之美國申請案號12/952913)
於一實施例，該抗生物沾黏嵌段共聚物係選自下列族群之一化合物：聚環氧丙烷-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(propylene oxide)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PPO-b -PSBMA))、聚(11-巰基-N,N,N-三甲基氯化銨)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercapto-N,N,N-trimethylammonium chloride)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PTMA-b -PSBMA))及聚(11-巰基十一烷基磺酸)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercaptoundecyl sulfonic acid)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PSA-b -PSBMA))。
本發明之另一實施例揭露一種傷口癒合支架之製造方法，其係用於製造如申請專利範圍第1項所述之傷口癒合支架，其包含以下步驟：提供一第一溶液；進行一第一電紡程序，使用該第一溶液，形成一第一纖維層；提供一第二溶液；進行一第二電紡程序，使用該第二溶液，形成一纖維沿一特定方向排列之第二纖維層於該第一纖維層的一第一表面上。
於一實施例，在該第一電紡程序與該第二電紡程序之間，更包含一第一層合程序，形成一第一接合層，作為該第一纖維層與該第二纖維層之界面層，例如在電紡設備上可設置3個噴嘴，可分別噴出第一溶液、第二溶液及第一接合層用溶液，在形成第一纖維層後，藉由另一噴嘴噴出之第一接合層用溶液或者改變第一溶液與第二溶液的成分比例而形成第一接合層，接著進行第二電紡程序，形成第二纖維層。於另一實施例，在該第一纖維層與該第二纖維層之間不設置界面層，藉由同一材料(亦即第一溶液與第二溶液為相同的溶液)，在形成第一纖維層後，改變電紡製程參數，改變所形成的平均纖維徑，以便形成第二纖維層。當然，於另一實施例，第一溶液與第二溶液為相同的溶液時，亦可藉由另一噴嘴噴出之第一接合層用溶液，在第一纖維層與該第二纖維層之間形成第一接合層。
於一實施例，該第一電紡程序中，藉由調整電紡參數，使平均纖維直徑為1～5 μm，該第二電紡程序中，藉由調整電紡參數，使平均纖維直徑為0.2～1.5 μm，其中該電紡參數為選自下述群組中的任一參數或其組合：溶液濃度、溶液黏度、針頭直徑、工作距離(由針頭至接地之收集裝置的距離)、操作電壓、電紡溫度。
於一實施例，該第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3 μg/cm2 以上，該第三纖維層在該第二表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3 μg/cm2 以上。
於一實施例，該第一溶液包含聚消旋乳酸及至少一溶劑，該第二溶液包含幾丁聚醣(chitosan)及至少一溶劑。
於一實施例，該第二電紡程序使用一旋轉收集裝置，以收集沿一特定方向排列之纖維。
於一實施例，上述傷口癒合支架之製造方法，更包含：提供一第三溶液；進行一第三電紡程序，使用該第三溶液，形成一第三纖維層於該第一纖維層的一第二表面上，其中該第一纖維層的該第二表面係與該第一表面相對向。
於一實施例，在進行該第二電紡程序後以及進行該第三電紡程序前，更包含一第二層合程序，形成一第二接合層，作為該第三纖維層與該第一纖維層之界面層。
於一實施例，該第三電紡程序中，藉由調整電紡參數，使平均纖維直徑為0.2～1.5 μm，其中該電紡參數為選自下述群組中的任一參數或其組合：溶液濃度、溶液黏度、針頭直徑、工作距離(由針頭至接地之收集裝置的距離)、操作電壓、電紡溫度。
於一實施例，該第一溶液包含聚消旋乳酸及至少一溶劑，該第二溶液包含幾丁聚醣(chitosan)及至少一溶劑，及該第三溶液包含幾丁聚醣及至少一溶劑。
於一實施例，該第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時可為3 μg/cm2 以上，該第三纖維層在該第二表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時可為3 μg/cm2 以上。
於一實施例，該第三纖維層之纖維結構可為無方向性或沿一特定方向排列。
於一實施例，上述傷口癒合支架之製造方法更包含：提供一抗生物沾黏塗劑；進行一抗生物沾黏程序，浸漬該傷口癒合支架於該一抗生物沾黏塗劑中，覆蓋該傷口癒合支架之表面，形成一抗生物沾黏塗層；以及乾燥該抗生物沾黏塗層，其中該抗生物沾黏塗劑包含一抗生物沾黏嵌段共聚物，該抗生物沾黏嵌段共聚物係由雙離子區塊(zwitterionic block)及定錨區塊(anchoring block)所構成，其中該定錨區塊包含一具有一第一電性之次區塊(sub-block)，作為固定用，而該雙離子區塊係用以作為抗生物沾黏。該抗生物沾黏嵌段共聚物係選自下列族群之一化合物：聚環氧丙烷-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(propylene oxide)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PPO-b -PSBMA))、聚(11-巰基-N,N,N-三甲基氯化銨)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercapto-N,N,N-trimethylammonium chloride)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PTMA-b -PSBMA))及聚(11-巰基十一烷基磺酸)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercaptoundecyl sulfonic acid)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PSA-b -PSBMA))。如此的傷口癒合支架，例如可作為外科手術之阻隔膜(isolation surgical membrane)。
因此，根據本發明的傷口癒合支架及其製造方法，藉由纖維結構之設計，可促進傷口的癒合，而且傷口癒合後無需移除，可自然被生物體分解及代謝，除可應用於傷口癒合外，還可藉由調整纖維結構、種類及特性等，可作為例如外科手術之阻隔膜(isolation surgical membrane)、修復受損骨頭組織的支架、血管組織工程的人工支架等應用領域，如此的纖維支架可提供細胞良好的生長環境，並具備組織工程應用的優勢。
本發明在此揭示一種傷口癒合支架及其製造方法。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本發明的施行並未限定於該領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，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例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，「A層(或元件)設置於B層(或元件)上」之用語，並不限定為A層直接貼覆接觸B層表面的態樣，例如A層與B層中間尚間隔其他疊層亦為該用語所涵蓋範圍。圖示中，相同的元件係以相同的符號表示。
本發明之傷口癒合支架，係藉由複合纖維結構，形成非對稱性的支架，其一表面可具有一特定功能，而另一表面具有另一特定功能，如第一圖所示的結構，再藉由調整纖維的結構參數及種類等，可成為具有生物分解性(bioresorbable)或生物降解性(biodegradable)之支架，又可具有促進細胞分化及增生的功能。第一圖表示根據本發明一實施例之傷口癒合支架之結構示意圖，其中10表示第一纖維層(具有第一表面10a及第二表面10b)，20表示第二纖維層(具有第一表面20a及第二表面20b)，其中第一纖維層10與第二纖維層20的材料可為相同或相異。例如第一纖維層10與第二纖維層20為相同的材料所構成時，兩層具有不同的平均纖維徑，以便分別達成不同的功效，例如不同的平均纖維徑，可輔助不同的細胞分化及增生。
此外，藉由如第二圖所示的三明治之纖維結構，第二圖表示根據本發明另一實施例之傷口癒合支架之結構示意圖，其中10表示第一纖維層，20表示第二纖維層，30表示第三纖維層(具有第一表面30a及第二表面30b)。第二圖之傷口癒合支架之結構，與使用單一成分纖維的情況比較，除可在支架的兩表面上分別具有不同效果之纖維結構，促進組織增生外，還可利用位於中心的纖維，提供所需的機械強度，因此可提供具備各種功能需求之傷口癒合支架。第二圖中，第一纖維層10、第二纖維層20及第三纖維層30可皆互不相同之材料，或者第二纖維層20與第三纖維層30為同種材料而第一纖維層10為不同的材料，此時第二纖維層20與第三纖維層3的結構，可依據需要，可為相異或相同。
一般在生醫合成高分子的種類中，主要以聚碳酸酯(polycarbonate)及聚酯(polyester)兩大種類為主，例如聚乳酸[poly(lactide acid)，PLA]、聚己內酯[poly(ε-carprolactone)，PCL]、聚甘醇酸[poly(glycolic acid)，PGA]、聚乳酸/聚甘醇酸共聚物[poly(lactide-co -glycolide acid)，PLGA]、聚甘醇酸/聚己內酯共聚合物[poly(L-lactide-co -ε-caprolactone)，PLCL]與聚羥基丁酯[poly(hydroxybutyrate)，PHB]等，皆具備生物相容性佳、生物可降解及生物可吸收性質之高分子材料。另外，代表天然高分子之幾丁聚醣，在自然界中的含量僅次於纖維素(cellulose)，已經研究證實具備無毒性、生物活性(降膽固醇、降血脂、降血壓、增加免疫功能)、生物可降解性質及在酸性溶液下帶有正電的胺基(amino group)提供吸附、抗菌與止血等特性。
因此，根據本發明一實施例，結合天然高分子-幾丁聚醣(chitosan)與合成高分子－聚消旋乳酸(PDLLA)所組成的複合纖維，形成如上述第一圖或第二圖所示的結構，製作傷口癒合支架，因為幾丁聚醣與聚消旋乳酸皆屬於生物可降解與生物可吸收的兩種生醫高分子，並由許多文獻已證實皆具有良好的生物適應性，可得到促進傷口癒合之效果。
根據本發明一實施例提供一種傷口癒合支架，包含：一第一纖維層10，其具有一第一表面10a及一第二表面10b，該第一纖維層之平均纖維直徑在1～5 μm；以及一第二纖維層20，設置於該第一纖維層之第一表面10a上，該第二纖維層之平均纖維直徑在0.2～1.5 μm。其中該第二纖維層具有細胞適應性(cyto-adaptability)。上述第一纖維層需具有一定的強度，通常抗張強度(tensile strength)為1 MPa以上。
於一實施例，上述之傷口癒合支架更包含一第三纖維層，設置於該第一纖維層之第二表面10b上，該第三纖維層之平均纖維直徑在0.2～1.5 μm。
根據本發明，上述第一纖維層、第二纖維層及第三纖維層的材料，可依據應用的需求，選擇上述生醫合成高分子的例或天然高分子，只要所製造的複合纖維具有上述第一圖或第二圖的纖維結構，其結構參數滿足本發明的範圍即可。於一實施例，該第一纖維層可由聚消旋乳酸所成，該第二纖維層可由幾丁聚醣(chitosan)所成，該第三纖維層可由幾丁聚醣(chitosan)所成。
再者，根據本發明的傷口癒合支架，實質上不含顆粒狀結構(bead on string)，亦即作為傷口癒合支架的纖維為無顆粒之纖維(bead-free fiber)。一般以電紡方式製造纖維時，由於製程條件的控制，可能產生顆粒(beads)、顆粒存在於纖維上或純纖維之三種形態，而於本發明，各纖維層實質上為純纖維的形態。於一實施例，該第一纖維層上所含的顆粒狀結構(beads)小於10 μm，且該第二纖維層上所含的顆粒狀結構小於10 μm(根據本發明，第二纖維層實質上無顆粒結構)。於一實施例，該第一纖維層、該第二纖維層及該第三纖維層上之微滴(droplet)之直徑小於各層之平均纖維徑之10倍。第七圖表示在不同的電紡條件下電紡纖維的結構之變化。例如第七圖中(a)~(c)之電紡纖維的結構皆具有顆粒狀結構。此外，如果在電紡時製程條件不佳，會產生大的微滴(big droplet)，約為電紡纖維的平均纖維徑之10倍以上，例如第八圖(a)及(b)所示。
於一實施例，第二纖維層具有輔助角質細胞增生的功能，第一纖維層具有輔助纖維組織母細胞增生的功能，第三纖維層具有輔助纖維組織母細胞增生的功能，如此的傷口癒合支架適用於促進皮膚傷口的癒合。
於一實施例，該第一纖維層可為無方向性(random)纖維結構，該第二纖維層中之纖維可沿一特定方向排列，該第三纖維層可為無方向性(random)纖維結構或沿一特定方向排列，藉由如此的設計，可進一步促進細胞分化及增生。
參考第二圖，圖示中表示第一纖維層10、第二纖維層20及第三纖維層30之爆炸圖，第一纖維層10的第一表面10a與第二纖維層20的第二表面20b是直接互相接合，或者隔著一接合層(adhesive layer)而互相接合。於直接接合的情況，在該兩層的界面上，可藉由平均纖維徑的梯度，由第一纖維層轉換為第二纖維層。或者藉由改變電紡溶液的組成成分，由第一纖維層轉換為第二纖維層。相同地，第三纖維層30的第一表面30a與第一纖維層10的第二表面10b之間，可直接互相接合，或者隔著一接合層(adhesive layer)而互相接合。
根據本發明，傷口癒合支架為兩層纖維層所構成時，第二纖維層非常緊密地貼合於第一纖維層時會影響第一纖維層的孔洞尺寸，且第二纖維層的排列程度會隨著堆積量的增加而降低，因此第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時通常為3 μg/cm2 以上。而於傷口癒合支架為三層纖維層所構成時，該第三纖維層在該第二表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時通常為3 μg/cm2 以上。
此外，傷口癒合支架更包含：一抗生物沾黏塗層，於各纖維層的表面，該抗生物沾黏塗層(coating)，係藉由浸漬該傷口癒合支架於一抗生物沾黏塗劑所成。該抗生物沾黏塗劑包含一抗生物沾黏嵌段共聚物，該抗生物沾黏嵌段共聚物係由雙離子區塊(zwitterionic block)及定錨區塊(anchoring block)所構成，其中該定錨區塊包含一具有一第一電性之次區塊(sub-block)，作為固定用，而該雙離子區塊係用以作為抗生物沾黏。該抗生物沾黏嵌段共聚物係選自下列族群之一化合物：聚環氧丙烷-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(propylene oxide)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PPO-b -PSBMA))、聚(11-巰基-N,N,N-三甲基氯化銨)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercapto-N,N,N-trimethylammonium chloride)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PTMA-b -PSBMA))及聚(11-巰基十一烷基磺酸)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercaptoundecyl sulfonic acid)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PSA-b -PSBMA))。
本發明之另一實施例揭露一種傷口癒合支架之製造方法，用於製造如上述之傷口癒合支架，如第三圖所示的流程圖。步驟S100：提供一第一溶液。該第一溶液係根據所欲形成之纖維材料而決定，例如可包含聚消旋乳酸及至少一溶劑，其中該溶劑例如為三氯甲烷等。步驟S110：進行一第一電紡程序，使用該第一溶液，形成一第一纖維層。於一實施例，該第一電紡程序中，可藉由調整電紡參數，使平均纖維直徑為1～5 μm。該些電紡參數例如為溶液濃度、溶液黏度、針頭直徑、工作距離(由針頭至接地之收集裝置的距離)、操作電壓、電紡溫度等，上述參數係根據所選定的纖維材料及所欲形成的結構等因素而決定。
於一實施例，在該第一電紡程序(S100+S110)與該第二電紡程序(S200+S210)之間，更包含一第一層合程序(S150)，形成一第一接合層，作為該第一纖維層與該第二纖維層之界面層，例如在電紡設備上可設置3個噴嘴，可分別噴出第一溶液、第二溶液及第一接合層用溶液，在形成第一纖維層後，藉由另一噴嘴噴出之第一接合層用溶液或者改變第一溶液與第二溶液的成分比例而形成第一接合層，接著進行第二電紡程序，形成第二纖維層。於另一實施例，在該第一纖維層與該第二纖維層之間不設置界面層，藉由同一材料(亦即第一溶液與第二溶液為相同的溶液)，在形成第一纖維層後，改變電紡製程參數，改變所形成的平均纖維徑，以便形成第二纖維層。當然，於另一實施例，第一溶液與第二溶液為相同的溶液時，亦可藉由另一噴嘴噴出之第一接合層用溶液，在第一纖維層與該第二纖維層之間形成第一接合層。步驟S200：提供一第二溶液。該第二溶液係根據所欲形成之纖維材料而決定，例如包含幾丁聚醣(chitosan)及至少一溶劑，其中該溶劑例如為乙酸等。步驟S210：進行一第二電紡程序，使用該第二溶液，形成一纖維沿一特定方向排列之第二纖維層。該第二電紡程序中，藉由調整電紡參數，使平均纖維直徑為0.2～1.5 μm，其中該些電紡參數例如為溶液濃度、溶液黏度、針頭直徑、工作距離(由針頭至接地之收集裝置的距離)、操作電壓、電紡溫度等，上述參數係根據所選定的纖維材料及所欲形成的結構等因素而決定。再者，使收集沿特定方向排列的纖維之方法，例如在第二電紡程序中使用一旋轉收集裝置，以收集沿特定方向排列之纖維。再者，為了製造含有三層纖維層構造之傷口癒合支架，上述製造方法，如第四圖所示，更包含以下步驟。步驟S400：提供一第三溶液。該第三溶液係根據所欲形成之纖維材料而決定，例如包含幾丁聚醣(chitosan)及至少一溶劑，其中該溶劑例如為乙酸等。步驟S410：進行一第三電紡程序，使用該第三溶液，形成一第三纖維層於該第一纖維層的一第二表面上，其中該第一纖維層的該第二表面係與該第一表面相對向。該第三纖維層之纖維結構可為無方向性或具有方向性。在進行該第二電紡程序(S210)後以及進行該第三電紡程序(S400+S410)前，更包含一第二層合程序(S350)，形成一第二接合層，作為該第三纖維層與該第一纖維層之界面層。該第二層合程序(S350)之實施方式，可與該第一層合程序(S150)之實施方式類似，例如藉由複數噴嘴，可選擇性地噴出各種電紡溶液(第一溶液、第三溶液或第二接合層用溶液)，藉由改變電紡參數(例如組成成分、纖維平均徑)，而使第一纖維層與第三纖維層接合。在第三電紡程序中，可藉由調整電紡參數，使平均纖維直徑為0.2～1.5 μm，藉由第三纖維層之纖維徑相異於第二纖維層，可使第三纖維層具有與第二纖維層不同之功能，此時第一纖維層主要作為支持功能，其中該些電紡參數例如為溶液濃度、溶液黏度、針頭直徑、工作距離(由針頭至接地之收集裝置的距離)、操作電壓、電紡溫度等，上述參數係根據所選定的纖維材料及所欲形成的結構等因素而決定。
例如，於一纖維層為由聚消旋乳酸所成，另一纖維層為由幾丁聚醣(chitosan)所成，接合層用溶液可為聚消旋乳酸、幾丁聚醣及溶劑的混合溶液。根據本發明，傷口癒合支架為兩層纖維層所構成時，第二纖維層非常緊密地貼合於第一纖維層時會影響第一纖維層的孔洞尺寸，且第二纖維層的排列程度會隨著堆積量的增加而降低，因此第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時通常為3 μg/cm2 以上。而於傷口癒合支架為三層纖維層所構成時，該第三纖維層在該第二表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時通常為3 μg/cm2 以上。
此外，根據本發明一實施例，上述傷口癒合支架之製造方法，更包含以下步驟：提供一抗生物沾黏塗劑；進行一抗生物沾黏程序，浸漬該傷口癒合支架於該一抗生物沾黏塗劑中，覆蓋該傷口癒合支架之表面，形成一抗生物沾黏塗層；以及乾燥該抗生物沾黏塗層；而成為抗生物沾黏之傷口癒合支架。其中該抗生物沾黏塗劑包含一抗生物沾黏嵌段共聚物，該抗生物沾黏嵌段共聚物係由雙離子區塊(zwitterionic block)及定錨區塊(anchoring block)所構成，其中該定錨區塊包含一具有一第一電性之次區塊(sub-block)，作為固定用，而該雙離子區塊係用以作為抗生物沾黏。抗生物沾黏嵌段共聚物之例，如上述之化合物。
以下利用範例更進一步說明本發明，此處僅是舉例說明本發明的實施態樣，熟習本技術者可依據這些實施例及範例，進行各種等效改變或修飾，但本發明的範圍係以後述的請求範圍為基準，不限於這些實施例及範例。
範例一：製作chitosan/PDLLA複合纖維所成之傷口癒合支架
1.電紡溶液(第一溶液)的配製1：將適量的聚消旋乳酸(PDLLA)加入至三氯甲烷(chloroform)中，分別配成不同重量比(5 wt%、10 wt%、12.5 wt%、15 wt%及20 wt%)之高分子溶液，在室溫利用電磁加熱攪拌器予以充分攪拌至完全溶解後即為紡絲溶液，並將溶液靜置一天，以去除攪拌時所產生之氣泡。
2.電紡溶液(第二溶液)的配製2：將適量的幾丁聚醣(chitosan)加入至90 wt%的醋酸水溶液中，配製成6 wt%之高分子溶液，在室溫下利用電磁加熱攪拌器予以充分攪拌至完全溶解，並將此溶液靜置一天，以去除攪拌時所產生之氣泡，最後再加入5 wt%(base on the solid content of chitosan)的聚氧化乙烯(PEO)攪拌至完全溶解。
3.第一纖維層的製備：使用電紡設備，注入第一溶液，設定注射幫浦(syringe pump)之推進速率以控制紡絲溶液的進料流率(例如0.1-1.7 mL/h)，並同時固定工作距離範圍(例如5-40 cm)與操作電壓(例如15 kV)。將蓋玻片(coverslip)、載玻片或黑色卡紙固定在金屬收集板或旋轉收集裝置上，並同時設定收集裝置之轉速及進行接地。開啟高壓電源供應器之電源進行紡絲，經由不同的收集時間後取下纖維樣品秤重後即可得收集量(collecting amount;μg/cm2 )，最後以真空乾燥法移除纖維樣品的殘餘溶劑。
4.第二纖維層的製備：與上述第一纖維層的製備相同，使用電紡設備，注入第二溶液，使用旋轉收集裝置，在上述形成的第一纖維層上收集纖維，取下纖維樣品秤重後減去第一纖維層的重量，即可得收集量(collecting amount;μg/cm2 )，亦即覆蓋量，而形成第二纖維層。
範例二：纖維支架結構設計對人類纖維肉瘤細胞(human fibrosarcoma cells;H1080)貼附與增生之影響
第五圖表示範例一之細胞存活率測試(MTT assay)之結果，其中(a)：chitosan/PDLLA複合纖維；(b)：PDLLA纖維；(c)：chitosan纖維；(d)：平板薄膜組(PDLLA薄膜)；(e)：玻璃蓋玻片(cover slip)；(f)組織培養聚苯乙烯(tissue culture polystyrene;TCPS)；(g)：SBMA水膠(polysulfobetaine methacrylate;SBMA hydrogel)。由第五圖，可證實隨著HT1080細胞培養天數由1天至5天，不論是纖維組(chitosan/PDLLA複合纖維、PDLLA纖維及chitosan纖維)、平板薄膜組(PDLLA薄膜)與控制(control)組(玻璃蓋玻片(cover slip)、組織培養聚苯乙烯(tissue culture polystyrene;TCPS))的光學密度(O.D.)值皆有增加的趨勢，代表細胞培養於這些材料上可進行細胞增生(cell proliferation)行為。首先，以纖維樣品而言，在細胞培養第1天和第3天時，複合纖維及單一成分纖維的細胞存活率並無明顯差異，而當進入第5天後，chitosan/PDLAA複合纖維在MTT assay的O.D.值為63，明顯高於PDLLA纖維及chitosan纖維，顯示以複合纖維的結構設計可有效提高細胞之存活率，其次，相較於2D結構的PDLLA薄膜與玻璃蓋玻片，3D結構的chitosan/PDLAA複合纖維也較具有優勢，並且微幅超越正控制組(positive control)的TCPS，此外，負控制組(negative control)的甲基丙烯酸聚磺酸甜菜鹼水膠(polysulfobetaine methacrylate;SBMA hydrogel)之O.D.值並未隨培養天數增加而上升，除了驗證具有抵抗生物分子沾黏(antifouling)特性，更可對照於O.D.值正比於培養天數增加的條件，整體而言，本實驗成功地藉由調整細胞支架的物理結構與材料性質可提供細胞生長的理想環境。
範例三：順向性纖維覆蓋率對人類纖維肉瘤細胞貼附與增生之影響
針對複合纖維中的順向性幾丁聚醣(chitosan)纖維之覆蓋率(coverage level)進行定量，並將重量換算成纖維收集量[collecting amount(g/cm2 )]，期望能找出提供HT1080 cells最佳生長環境的條件，找出最適化的幾丁聚醣順向性纖維之覆蓋率。
利用細胞存活率測試(MTT assay)，如第六圖所示，可證實藉由三種不同纖維收集量(collecting amount)的chitosan/PDLLA複合纖維、玻璃蓋玻片(cover slip)及TCPS，所測得之O.D.值皆隨著培養天數的增加有上升的趨勢，代表細胞在材料上都有進行細胞增生(cell proliferation)行為，而接著比較不同條件下的O.D.值之高低，發現在HT1080細胞的培養天數為1天與4天時，其各組數值並無明顯的差異性，然而，當培養天數進入第7天時，針對三種不同幾丁聚醣纖維收集量進行比較時，可顯著地觀察到O.D.值以收集量約為12.7 g/cm2 具有最高值，而相反地當收集量約為3.6 g/cm2 則具有最低值，主要原因可能為高(12.7 g/cm2 )纖維收集量的纖維排列密度與奈米尺寸的高表面積可有利於細胞初期的貼附(cell attachment)行為，但在此條件下，也並非所以細胞皆生長於順向性幾丁聚醣纖維之上，而是同時也生長於PDLLA random纖維結構，隨著細胞培養時間進入第7天時，複合纖維支架表面的順向性幾丁聚醣纖維則轉變為扮演引導細胞生長方向的功能，使細胞可沿著幾丁聚醣纖維進行遷移(cell migration)，及引導進入纖維支架的3D立體空間中，細胞存活率更高於在2D平面的玻璃蓋玻片(cover slip)，由MTT assay可驗證在纖維支架的設計中，表面的順向性纖維必須達一定排列密度的收集量約為12.7 g/cm2 )，且在不完全覆蓋住PDLLA無方向性(random)纖維所建構出的孔洞之下，可使chitosan/PDLLA複合纖維支架發揮其功能性，且相對地提高細胞活性。
綜上所述，根據本發明的傷口癒合支架及其製造方法，可促進傷口的癒合，而且傷口癒合後無需移除，可自然被生物體分解及代謝，除可應用於傷口癒合外，還可藉由調整纖維結構、種類及特性等，可作為例如外科手術之阻隔膜(isolation surgical membrane)、修復受損骨頭組織的支架、血管組織工程的人工支架等應用領域，如此的纖維支架可提供細胞良好的生長環境，並具備組織工程應用的優勢。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。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等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10．．．第一纖維層
20．．．第二纖維層
30．．．第三纖維層
10a,20a,30a．．．第一表面
10b,20b,30b．．．第二表面
S100～S410．．．製造流程
第一圖表示根據本發明一實施例之傷口癒合支架之結構爆炸示意圖；
第二圖表示根據本發明另一實施例之傷口癒合支架之結構爆炸示意圖；
第三圖根據本發明一實施例之傷口癒合支架之製造方法之流程圖；
第四圖根據本發明另一實施例之傷口癒合支架之製造方法之流程圖；
第五圖表示範例一之細胞存活率測試(MTT assay)之結果；
第六圖表示範例二之細胞存活率測試(MTT assay)之結果；
第七圖表示在不同的電紡條件下電紡纖維的結構之變化，其中(a)~(c)的條件下仍有顆粒狀結構，(d)及(e)為纖維狀結構；以及第八圖表示電紡纖維中的微滴之示意圖，其中(a)表示放大倍率為100，(b)表示放大倍率為500。
10．．．第一纖維層
20．．．第二纖維層
10a,20a．．．第一表面
10b,20b．．．第二表面

Claims (18)

  1. 一種傷口癒合支架，包含：一第一纖維層，其具有一第一表面及一第二表面，該第一纖維層之平均纖維直徑在1~5μm一第二纖維層，設置於該第一纖維層之第一表面上，該第二纖維層之平均纖維直徑在0.2~1.5μm；以及一抗生物沾黏塗層，於該第一纖維層與該第二纖維層的表面，其中該抗生物沾黏塗劑包含一抗生物沾黏嵌段共聚物，該抗生物沾黏嵌段共聚物係由雙離子區塊(zwitterionic block)及定錨區塊(anchoring block)所構成，其中該定錨區塊包含一具有一第一電性之次區塊(sub-block)，作為固定用，而該雙離子區塊係用以作為抗生物沾黏。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之傷口癒合支架，更包含一第三纖維層，設置於該第一纖維層之第二表面上，該第三纖維層之平均纖維直徑在0.2~1.5μm。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之傷口癒合支架，其中該第一纖維層係由聚消旋乳酸所成，該第二纖維層係由幾丁聚醣(chitosan)所成。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之傷口癒合支架，其中該第一纖維層上所含的顆粒狀結構(beads)小於10μm，且該第二纖 維層上所含的顆粒狀結構小於10μm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之傷口癒合支架，其中該第二纖維層中之纖維係沿一特定方向排列。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之傷口癒合支架，其中該第二纖維層之纖維結構係沿一特定方向排列，該第三纖維層係沿一特定方向排列。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之傷口癒合支架，其中該第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3μg/cm2 以上。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之傷口癒合支架，其中該第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3μg/cm2 以上，該第三纖維層在該第二表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3μg/cm2 以上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之傷口癒合支架，其中該抗生物沾黏塗層(coating)，係藉由浸漬該傷口癒合支架於一抗生物沾黏塗劑所成。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之傷口癒合支架，其中該抗生物沾黏嵌段共聚物係選自下列族群之一化合物：聚環氧丙烷-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(propylene oxide)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PPO-b -PSBMA))、聚(11-巰基-N,N,N-三甲基氯化銨)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercapto-N,N,N-trimethylammonium chloride)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PTMA-b -PSBMA))及聚(11-巰基十一烷基磺酸)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercaptoundecyl sulfonic acid)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PSA-b -PSBMA))。
  11. 如申請專利範圍第1或2項所述之傷口癒合支架，其中該第一纖維層、該第二纖維層及該第三纖維層上之微滴(droplet)之直徑小於各層之平均纖維徑之10倍。
  12. 一種傷口癒合支架之製造方法，其包含以下步驟：提供一第一溶液、一第二溶液及一第一接合層用溶液；進行一第一電紡程序，使用該第一溶液，形成一第一纖維層；進行一第一層合程序，藉由該第一接合層用溶液，形成一第一接合層，作為該第一纖維層與該第二纖維層之界面層，其中該 第一接合層用溶液為該第一溶液與該第二溶液的混合溶液，進行該第一層合程序時藉由該第二溶液改變該第一溶液的組成，形成該第一接合層用溶液；進行一第二電紡程序，使用該第二溶液，形成一纖維沿一特定方向排列之第二纖維層，於該第一纖維層的一第一表面上；提供一抗生物沾黏塗劑；進行一抗生物沾黏程序，浸漬該傷口癒合支架於該一抗生物沾黏塗劑中，覆蓋該傷口癒合支架之表面，形成一抗生物沾黏塗層；以及乾燥該抗生物沾黏塗層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3μg/cm2 以上。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該第一溶液包含聚消旋乳酸及至少一溶劑，該第二溶液包含幾丁聚醣(chitosan)及至少一溶劑。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，更包含：提供一第二層合程序及一第三溶液；進行一第二層合程序，藉由該第二接合層用溶液，形成一第 二接合層，作為該第三纖維層與該第一纖維層之界面層，其中該第二接合層用溶液為該第一溶液與該第三溶液的混合溶液，進行該第二層合程序時藉由該第三溶液改變該第一溶液的組成，形成該第二接合層用溶液；以及進行一第三電紡程序，使用該第三溶液，形成一第三纖維層於該第一纖維層的一第二表面上，其中該第一纖維層的該第二表面係與該第一表面相對向。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第一溶液包含聚消旋乳酸及至少一溶劑，該第二溶液包含幾丁聚醣(chitosan)及至少一溶劑，及該第三溶液包含幾丁聚醣及至少一溶劑。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第二纖維層在該第一表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3μg/cm2 以上，該第三纖維層在該第二表面之覆蓋量，以單位面積的纖維重量計算時為3μg/cm2 以上。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該抗生物沾黏塗劑包含選自下列族群之一化合物：聚環氧丙烷-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(propylene oxide)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PPO-b -PSBMA))、聚(11-巰基 -N,N,N-三甲基氯化銨)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercapto-N,N,N-trimethylammonium chloride)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PTMA-b -PSBMA))及聚(11-巰基十一烷基磺酸)-聚甲基丙烯酸磺酸甜菜鹼-嵌段共聚物(poly(11-mercaptoundecyl sulfonic acid)-block -poly(sulfobetaine methacrylate)(PSA-b -PSBMA))。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1776033A (zh) * 2005-11-11 2006-05-24 东南大学 复合纳米纤维长丝束制备装置及其制备方法
WO2009093023A2 (en) * 2008-01-25 2009-07-30 Smith & Nephew Plc Multilayer scaffold

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