TWI459978B - 靜電紡絲裝置、引導組織再生之植入物及其製造方法 - Google Patents

Description

靜電紡絲裝置、引導組織再生之植入物及其製造方法

本發明係有關於一種靜電紡絲裝置，特別是有關於一種引導組織再生之植入物及其製造方法。

為了讓手術患者能夠引導組織再生(Guide Tissue Regeneration；GTR)，目前醫界多為利用組織阻隔膜來阻隔生長速率較快的軟組織細胞，並且提供一個穩定的空間環境讓生長慢的骨性細胞(牙骨質、牙周韌帶、齒槽骨)得以遷移、分化及生長，以達到骨癒合及穩固牙齒的效果。此種技術更可發展至引導骨骼再生(GBR)以應用於骨缺損之重建。

牙科手術(拔牙)中，往往造成牙床骨骼凹陷(過薄)而無法進行後續手術(植牙)處理之狀況，因此必須藉助適當之骨骼組織再生程序，將預設之骨骼組織再生引導物填充於該缺損部位，以期利用骨骼增生之特性而補強該骨骼缺損部位，達到符合進一步手術要求之骨骼強度及條件。參考圖1至3，其顯示習知骨骼組織再生引導物之施作步驟，其應用於大部位之骨骼組織再生需求。首先，將牙床30(或骨骼)之缺損部位31或骨骼增生部位周緣的包覆組織32(例如牙齦或肌肉)切開。然後，將成骨材料40(例如自體骨、合成骨或異體骨)填充於骨缺損處或骨骼需增生(厚度)之部位，並另行覆蓋一組織隔離膜50(或具有加強支柱，例如鈦網之組織隔離膜)於該成骨材料40上。最後，將該切開之包覆組織32縫合，以待傷口復原。然而，此種施作方式，由於該成骨材料40係與不可吸收性組織隔離膜50不易結合，因此增加了手術之困難度。再者，大多數具有加強支柱之不可吸收性組織隔離膜50皆需要移除不可長留於人體，因此在該成骨材料40與牙床30相結合後，必須再度切開該包覆組織32，以取出不可吸收性組織隔離膜50，如此更增加病患之痛苦及手術之成本。

再者，當前許多脊椎植入物之功能主要在於中空或固定脊椎，使用時為了加速骨組織癒合，會使用磷酸鈣等骨填補物或自體碎骨填充在植入物創造的開放性空間中，因此易因生長較快的軟組織侵入或循環系統帶走等因素造成填充物流失。參考圖4，台灣專利申請號第099133492號揭示一種脊椎植入物20之製造方法，其包括有下列步驟：在一可塑性鈦箔上加工有幾何陣列孔23，以形成為一陣列鈦網；將該陣列鈦網加工捲曲為一中空柱體21，並將該中空柱體21之底端封閉；選定該中空柱體21之部份面積形成有一高分子薄膜22。生物可分解性高分子薄膜可作為可吸收性組織隔離膜，以阻隔軟組織侵入達3~6個月，而中空柱體未鍍薄膜部份則與脊椎進行骨整合及促進骨組織生長。當生物可分解性高分子薄膜被人體吸收後，中空柱體已與脊椎融合良好，無需再次手術取出。然而，生物可分解性高分子薄膜是利用靜置成膜之製程，其薄膜型態與成型時間及乾燥溫度相關，製備時間較長。

另外，台灣專利申請號第095135868號揭示一種超細纖維幾丁聚醣不織布的製造方法及製造機。幾丁聚醣具備生物相容性與可降解特性，可應用於吸收縫線、人造皮膚、體表止血敷料與體表促進敷料等。然而，該專利利用熔噴成絲方式進行微米等級幾丁聚醣纖維製備，並以多高壓噴射孔方式加速纖維成形完成大面積幾丁聚醣不織布，此法節省製備時間與效率，但其較粗的纖維直徑與孔隙度，不適合應用於引導組織再生產品中阻隔軟組織的需求。

因此，便有需要提供一種引導組織再生之植入物及其製造方法，能夠解決前述的問題。

本發明提供一種引導組織再生之植入物的製造方法，包含下列步驟：提供一靜電紡絲裝置，其包含一注射桿、一針筒、一針頭、一電源供應器、一加熱器及一收集器；製備一高分子溶液，並放置於該針筒內；設定該靜電紡絲設備之製程參數；將一醫療級之金屬支架置放或夾持於該收集器上；利用該注射桿，將該針筒內之該高分子溶液擠出該針頭之尖端外，藉由該電源供應器之電壓使該高分子溶液帶有電荷，並藉由該加熱器使將噴出之該高分子溶液乾燥與固化，以使一可吸收性高分子纖維薄膜形成於該金屬支架上，以完成該金屬支架與可吸收性高分子纖維薄膜之複合製程；進行該複合後之可吸收性高分子纖維薄膜的交聯製程；潤洗該交聯後之可吸收性高分子纖維薄膜；以及加熱乾燥該潤洗後之可吸收性高分子纖維薄膜。

本發明利用靜電紡絲設備(單/多孔式)可精確調整可吸收性高分子纖維薄膜之膜厚、纖維直徑、孔隙大小與孔隙密度。可吸收性高分子纖維薄膜之纖維直徑範圍為5~1200微米，孔隙範圍為0.5~5微米，且膜厚範圍為10~3000微米，以使可吸收性高分子纖維薄膜作為一組織阻隔膜，來阻隔生長速率較快的軟組織細胞，且金屬支架未形成有可吸收性高分子纖維薄膜之部份則提供一個穩定的空間環境讓生長慢的骨性細胞得以遷移、分化及生長，以達到骨癒合及穩固牙齒的效果。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

參考圖5，顯示本發明之一實施例之引導組織再生之植入物的製造方法的流程圖。在步驟S202中，參考圖6，提供一靜電紡絲裝置(electro-spinning device)100，其包含一注射桿110、一針筒120，一針頭130，一高電壓電源供應器140、一加熱器150及一收集器160。注射桿110可插入針筒120內，以對針筒120內液體施壓。針筒120可藉由一抗腐蝕管路122而連通於針頭130。針頭130可藉由一固定器132而固定。加熱器150設於收集器160外側。在步驟S204中，製備高分子溶液112，並放置針筒120內。在本實施例中，配置幾丁聚醣(Chitosan)(重量百分比10%~50%)與聚己內酯(Polycaprolactone)(重量百分比10%~50%)溶於N-甲基咯烷酮(N-methyl pyrrolidinone)之溶劑，以製備高分子溶液112。在步驟S206中，設定靜電紡絲裝置100(例如單孔式)之製程參數如下：高電壓電源供應器140之供給電壓為8~20千伏(KV)，靜電紡絲之距離(亦即針頭130之尖端至收集器160之距離)為4~24公分，且高分子溶液112之流速0.002~0.006毫升/分(ml/min)。

在步驟S208中，將一醫療級之金屬支架162(例如鈦金屬、鈦合金、不銹鋼所製)置放或夾持於收集器160上，維持與電場垂直90度方向。在步驟S210中，利用注射桿110，將針筒120內之高分子溶液112噴出針頭130尖端外，藉由該高電壓電源供應器140之電壓(例如5~80kV)使高分子溶液112帶有電荷，並藉由加熱器150將噴出之高分子溶液112乾燥與固化，以使一可吸收性高分子纖維薄膜164形成於金屬支架162上，以完成金屬支架162與可吸收性高分子纖維薄膜164之複合製程。

詳言之，本發明利用靜電紡絲裝置100，在提供高電壓的情況下，利用裝配有計量幫浦的注射桿110及針筒120將高分子溶液112噴出，當逐漸增加電場強度後，在注射器110及針筒120的針頭130尖端產生半球形流體表面延伸形成圓錐狀(亦即泰勒圓錐形(Taylor Cone))。繼續增加電 場強度，一旦達到某臨界值，其靜電排斥力超過流體表面張力值時，圓錐形尖端之帶電荷流體產生噴射現象，在此過程中將溶劑蒸發固化而形成一層或兩層可吸收性高分子纖維薄膜164於位在收集器160上之金屬支架162的一面或兩面。在靜電紡絲裝置100中，高電壓電源供應器140之一電極電性連接至欲噴出的高分子溶液112，高電壓電源供應器140之另一電極則電性連接至收集器160或金屬支架162。金屬支架162之形狀可為平板狀、立體圓柱形與立體多邊形。金屬支架162可為實心或中空狀。

在步驟S212中，取下複合後之具有可吸收性高分子纖維薄膜164的金屬支架162，再進行可吸收性高分子纖維薄膜164的交聯製程，例如以二異氰酸己烷溶於異丙醇中配置交聯劑，交聯時間10~60分鐘。在步驟S214中，以去離子水充分潤洗交聯完成的可吸收性高分子纖維薄膜164。在步驟S216中，以真空烘箱加熱乾燥24小時，以完成引導組織再生之植入物的最終產品製備。

舉例，在牙科植牙手術之骨骼組織再生的應用中，則金屬支架之形狀可為平板狀，只須一層可吸收性高分子纖維薄膜164形成於金屬支架162之一面。本發明利用靜電紡絲設備(單/多孔式)可精確調整可吸收性高分子纖維薄膜164之膜厚、纖維直徑、孔隙大小與孔隙密度。可吸收性高分子纖維薄膜164之纖維直徑範圍為5~1200微米，孔隙範圍為0.5~5微米，且膜厚範圍為10~3000微米，以使可 吸收性高分子纖維薄膜164作為一組織阻隔膜，來阻隔生長速率較快的軟組織細胞，且金屬支架162未形成有可吸收性高分子纖維薄膜164之部份則提供一個穩定的空間環境讓生長慢的骨性細胞(牙骨質、牙周韌帶、齒槽骨)得以遷移、分化及生長，以達到骨癒合及穩固牙齒的效果。參考圖7，其為本發明之鈦基引導組織再生之植入物的掃描式電子顯微鏡(SEM)的剖面圖，可顯示可吸收性高分子纖維薄膜164之膜厚為50~60微米。參考圖8，其為顯示本發明之鈦基引導組織再生之植入物的掃描式電子顯微鏡(SEM)的平面圖，可顯示可吸收性高分子纖維薄膜164之纖維直徑為5~7微米及孔隙為2~4微米。

再舉例，在脊椎植入物的應用中，金屬支架162之形狀可為中空狀立體形，只須一層可吸收性高分子纖維薄膜164形成於金屬支架162之中空狀立體形的一部份表面(例如介於二分之一至四分之一的表面)，以完成引導組織再生之脊椎植入物，如圖9所示。此時，再參考圖6，收集器可連結至一可轉動之輪軸170，輪軸170之旋轉並非360度，而是介於90度至180度往復擺動，擺動頻率為10rpm至60rpm。可吸收性高分子纖維薄膜164作為一組織阻隔膜，來阻隔軟組織侵入達3~6個月，且金屬支架162未形成有可吸收性高分子纖維薄膜164之部份則與脊椎進行骨整合及促進骨組織生長。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的 技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

20．．．脊椎植入物

21．．．中空柱體

22．．．高分子薄膜

23．．．孔

30．．．牙床

31．．．缺損部位

32．．．包覆組織

40．．．成骨材料

50．．．組織隔離膜

100．．．靜電紡絲裝置

110．．．注射桿

112．．．高分子溶液

120．．．針筒

122．．．管路

130．．．針頭

132．．．固定器

140．．．高電壓電源供應器

150．．．加熱器

160．．．收集器

162．．．金屬支架

164．．．高分子纖維薄膜

170．．．輪軸

S202．．．步驟

S204．．．步驟

S206．．．步驟

S208．．．步驟

S210．．．步驟

S212．．．步驟

S214．．．步驟

S216．．．步驟

圖1至3為習知骨骼組織再生引導物之施作步驟之立體圖；

圖4為習知脊椎植入物結構之平面圖；

圖5為本發明之一實施例之引導組織再生之植入物的製造方法的流程圖；

圖6為本發明之一靜電紡絲裝置之立體圖；

圖7為本發明之鈦基引導組織再生之植入物的掃描式電子顯微鏡(SEM)的剖面圖；

圖8為顯示本發明之鈦基引導組織再生之植入物的掃描式電子顯微鏡(SEM)的平面圖；以及

圖9為顯示本發明之引導組織再生之脊椎植入物的立體圖。

100．．．靜電紡絲裝置

110．．．注射桿

112．．．高分子溶液

120．．．針筒

122．．．管路

130．．．針頭

132．．．固定器

140．．．高電壓電源供應器

150．．．加熱器

160．．．收集器

162．．．金屬支架

164．．．高分子纖維薄膜

170．．．輪軸

Claims (9)

1. 一種引導組織再生之植入物，包含：一醫療級之金屬支架；一可吸收性高分子纖維薄膜，形成於金屬支架上，其中該高分子纖維薄膜之纖維直徑範圍為5~1200微米，該高分子纖維薄膜之孔隙範圍為0.5~5微米，且該高分子纖維薄膜之厚度範圍為10~3000微米；其中該可吸收性高分子纖維薄膜為幾丁聚醣、聚己內酯及N-甲基咯烷酮所製，該可吸收性高分子纖維薄膜之形成方法包含：配置該幾丁聚醣與該聚己內酯溶於N-甲基咯烷酮之溶劑，以製備一高分子溶液，該幾丁聚醣之重量百分比為10%~50%，該聚己內酯之重量百分比為10%~50%；以及將該高分子溶液乾燥與固化，以形成該可吸收性高分子纖維薄膜。
2. 如申請專利範圍第1項所述之引導組織再生之植入物，其中該金屬支架為鈦金屬、鈦合金或不銹鋼所製，金屬支架之形狀為平板狀、立體圓柱形或立體多邊形。
3. 一種引導組織再生之植入物的製造方法，包含下列步驟：提供一靜電紡絲裝置，其包含一注射桿、一針筒、一針頭、一電源供應器、一加熱器及一收集器；製備一高分子溶液，並放置於該針筒內； 設定該靜電紡絲設備之製程參數；將一醫療級之金屬支架置放或夾持於該收集器上；利用該注射桿，將該針筒內之該高分子溶液擠出該針頭之尖端外，藉由該電源供應器之電壓使該高分子溶液帶有電荷，並藉由該加熱器將噴出之該高分子溶液乾燥與固化，以使一可吸收性高分子纖維薄膜形成於該金屬支架上，以完成該金屬支架與可吸收性高分子纖維薄膜之複合製程；進行該複合後之可吸收性高分子纖維薄膜的交聯製程；潤洗該交聯後之可吸收性高分子纖維薄膜；以及加熱乾燥該潤洗後之可吸收性高分子纖維薄膜，其中該可吸收性高分子纖維薄膜之纖維直徑範圍為5~1200微米，該可吸收性高分子纖維薄膜之孔隙範圍為0.5~5微米，且該可吸收性高分子纖維薄膜之厚度範圍為10~3000微米。
4. 如申請專利範圍第3項所述之引導組織再生之植入物的製造方法，其中配置幾丁聚醣與聚己內酯溶於N-甲基咯烷酮之溶劑，以製備該高分子溶液，幾丁聚醣之重量百分比為10%~50%，聚己內酯之重量百分比為10%~50%。
5. 如申請專利範圍第4項所述之引導組織再生之植入物的製造方法，其中設定該靜電紡絲設備之製程參數，該電源供應器之電壓為8~20千伏，該針頭之尖端至該收 集器之距離為4~24公分，且該高分子溶液之流速0.002~0.006毫升/分。
6. 如申請專利範圍第5項所述之引導組織再生之植入物的製造方法，其中該交聯製程以二異氰酸己烷溶於異丙醇中配置交聯劑。
7. 如申請專利範圍第6項所述之引導組織再生之植入物的製造方法，其中該交聯製程之交聯時間10~60分鐘。
8. 一種靜電紡絲裝置，包含：一針頭；一針筒，用以將一高分子溶液放置於其內；一收集器，用以將一醫療級之金屬支架置放或夾持於其上；一可轉動之輪軸，其連結至該收集器，其中該輪軸作90度至180度往復擺動；一電源供應器，其具有一電壓，用以使該高分子溶液帶有電荷；一注射桿，用以將該針筒內之高分子溶液噴出該針頭之尖端外；以及一加熱器，用以將噴出之該高分子溶液乾燥與固化，以使一可吸收性高分子纖維薄膜形成於該金屬支架上，以完成該金屬支架與該可吸收性高分子纖維薄膜之複合製程。
9. 如申請專利範圍第8項所述之靜電紡絲裝置，更包含：一抗腐蝕管路，用以將該針筒連通於該針頭；以及 一固定器，用以固定該針頭。