TWI614001B - 氟離子電滲入裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種脈衝式氟離子電滲入裝置，包括至少一電極裝置，其內包括至少一電極元件及一含氟電解質，該至少一電極元件係操作以接受一電動勢以將該含氟電解質驅動至一生物介面；以及一電源裝置，係電性連接至該電極裝置，並至少提供該至少一電極元件之一波形為週期性脈衝電壓。

Description

氟離子電滲入裝置
本發明係關於一種脈衝式離子電滲療法之裝置，尤其係關於一種將氟離子電滲入牙齒之裝置。
對於預防蛀牙的方法，目前牙科臨床使用傳統塗氟方式CFA(conventional fluoride application)，係將氟膠直接塗抹在病患牙齒上，於牙齒表面形成CaF2的結構，但已有文獻指出該結構在牙齒表面之停留時間不超過24小時，效果並不持久。
電滲入法，或稱離子導入法(iontophoresis)，是目前被使用的一項醫療技術，乃利用外加電場之效應，藉由電性原理將帶電藥物導入受體中。該技術常用於經皮膚投藥之藥物，且已證實於皮膚投藥之效果良好。
已有研究將離子導入技術應用於牙齒上，將氟導入牙齒以預防蛀牙。亦有研究報導氟化鈉(NaF)之離子導入法，利用電壓使氟離子深入牙本質小管，產生CaF2沉澱，減少牙本質小管內的液體流動，從而可達到降低牙本質敏感的效果。然而，對於離子導入應用於牙齒之技術確有許多問題存在，例如，牙齒和皮膚之組織型態差異極大，皮膚孔洞性較高，藥物導入效果也較好。
目前市售之氟導入儀(Pyo-cure,Narcohm,Japan)之電化學條件係採用計時安培法(chronoamperometry，CA)，原理為施加一固定電位，以時間為函數對應所得電流值之變化，如第1A圖所示，當系統此時有氧化還原物質存在時，且當電極電位在Ea時，不發生氧化還原反應；但是當此系統另外提供一跳躍能階電位使其電位到達Eb時，系統將會產生迅速的還原反應。因此使得擴散至電極表面之還原物質濃度為零，其對應之電流與時間的關係如第1B圖所示。
該氟導入儀之缺點在於，氟離子導入的深度有限，無法將氟離子導入牙齒較深處的位置，進而影響氟離子導入之效果，例如無法延長氟化物結構存在於牙齒的時間。
據此，對於氟離子導入(fluoride iontophoresis，FI)之技術之改進仍有其必要性。
本發明係提供一種脈衝式氟離子電滲入裝置，包括：至少一電極裝置，其內包括至少一電極元件及一含氟電解質，該至少一電極元件係操作以接受一電動勢以將該含氟電解質驅動至一生物介面；以及一電源裝置，係電性連接至該電極裝置，並至少提供該至少一電極元件之一波形為週期性脈衝電壓。
本發明之脈衝式氟離子電滲入裝置可將氟離子導入至牙齒較深處的位置，與牙齒中的氫氧基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)作離子置換形成較穩固的氟磷灰石(fluorapatite，FAP)，延長氟化物結構存在於牙齒的時間。
1‧‧‧氟離子電滲入裝置
11‧‧‧電源
12‧‧‧電流傳導裝置
13‧‧‧參考電極
14‧‧‧輔助電極
15‧‧‧工作電極
16‧‧‧電極元件
17‧‧‧含氟電解質
18‧‧‧生物介面
第1A圖及第1B圖係表示計時安培法之電流與時間的關係圖。
第2圖係表示循環伏安法之波形圖。
第3圖係表示脈波安培法之電位波形圖。
第4A圖及第4B圖為依據本發明之一實施例之電極裝置。
第5圖係顯示F/(Ca+F)之比例，其中，OCV為開路電壓，而PA(xV-yV)乃表示基準電位為xV且脈波電位為yV之脈波安培法，下標代表電位分別維持在xV及yV的時間；其中，A、B、C、D分別表示距牙面深度約為0.1、0.8、1.5、2.2mm，不同欄乃不同樣品之測試結果。
第6A、6B、及6C圖係顯示各組F/(Ca+F)比例；於各圖中，A、B、C、D分別表示距牙面深度約為0.1、0.8、1.5、2.2mm。
第7A至7G圖係顯示氟元素之鍵結能之X射線光電子能譜圖。第7A、7B、7C、7D、7E、7F、和7G圖分別取自PA(0V0.005S-10V0.005S)、PA(OCV0.005S-10V0.005S)、PA(OCV0.02S-10V0.005S)、PA(OCV0.005S-10V0.02S)、PA(-5V0.005S-10V0.005S)、CA和對照組樣品；各圖中，A、B、C、D分別表示距牙面深度約為0.1、0.8、1.5、2.2mm。
第8圖係顯示牙齒樣本抵抗去礦化/增進再礦化之效果。
於實施例中，本發明之脈衝式氟離子電滲入裝置1係如第4A圖所示，包括電源11、電流傳導裝置12、參考電極13、輔助電極14及 工作電極15，其中，該工作電極15包括電極元件16及含氟電解質17，並與生物介面18接觸。
於實施例中，該生物介面為牙齒。
於實施例中，該含氟電解質，舉例但非限制，例如氟化鈉。該含氟電解質可為液態、膠態等。於一實施例中，該含氟電解質可為液態，而該電極元件係於該液態含氟電解質中與該生物介面接觸。於一實施例中，該含氟電解質可為膠態，可塗佈於該電極元件表面，並與該生物介面接觸。
該電源裝置所產生之電壓脈衝的電位波形為週期性，具體而言，該週期性脈衝係具有複數脈波週期，各脈波週期係由一基準電位及一脈波電位所構成，而脈波電位可瞬間或緩步達及。更具體而言，於本發明實施例中，係採用脈波安培法(pulse amperometry，PA)將氟離子電滲入至標的物(例如牙齒)中。
脈波安培法(PA)之電位波形簡圖係如第3圖所示，於各脈波週期中所施加之基準電位(base potential)及脈波電位(pulse potential)可為各週期均相同、或各週期逐漸變化。脈波安培法(PA)之電位施加方式是從基準電位開始，隨時間增加，電位週期性遞變至脈波電位，施加脈波電位之週期稱為脈波週期(pulse period，T)，而脈波電位持續的時間稱為脈波寬度(pulse width，P)。於一實施例中，隨脈波週期次數增加，該基準電位及該脈波電位為定值。但本發明該二電位數值隨脈波週期次數增加不必然為定值。
於一脈波週期中，該基準電位之時間長度與該脈波電位之時間長度之比例為1：64至64：1。舉例而言，該比例可為1：1、1：4、1：5、1：16、1：64、4：1、5：1、16：1、64：1或為前述任兩者間之值。
於一脈波週期中，該基準電位之時間長度為0.001秒至0.32秒，例如0.001秒、0.002秒、0.005秒、0.008秒、0.02秒、0.08秒、0.32秒、或前述任兩者間之值。於一較佳實施例中，該基準電位之時間長度為0.002秒至0.08秒。
於一脈波週期中，該脈波電位之時間長度為0.001秒至0.32秒，例如0.001秒、0.002秒、0.005秒、0.008秒、0.02秒、0.08秒、0.32秒、或前述任兩者間之值。於一較佳實施例中，該脈波電位之時間長度為0.002秒至0.32秒。
實施例 牙齒樣本製備
取2.2mm×2.2mm的立方體形狀之牙釉質，於底部鑽取一個小凹洞，洗淨後乾燥處理。將銅線黏附在該凹洞。除了氟離子接觸反應的外表面外，其餘則使用環氧樹酯(Epoxy resin)將牙釉質樣本封閉，此為測試樣本。
模擬齲齒過程(pH cycling)
生體外模擬齲齒過程(pH cycling)常用於齲齒相關研究，尤其是評估氟之抗齲齒效果，本實施例係根據文獻所設計(ten Cate JM,et al.,Caries Res 2006；40：136-41.)。
第1至3天：將牙齒樣本於4ml的去礦化溶液(含1.5 mMCaCl2、0.9mMKH2PO4、50mM醋酸，pH值4.8至4.6)中浸泡1小時，以清洗液(含1.5 mMCaCl2、0.9mMKH2PO4、130 mMKCl)清洗約5秒，接著於4ml的再礦化溶液(1.5 mMCaCl2、0.9mMKH2PO4、130 mMKCl、20 mMHEPES緩衝液，pH值7.0)中浸泡8小時，以清洗液清洗約5秒。重複前述步驟兩次。
將經處理之牙齒樣本進行電化學反應(如下詳述)以進行氟離子電滲入。
第4至6天：將牙齒樣本重複前述去礦化及再礦化步驟。
電化學反應
以循環伏安法測試樣本是否導電，並增加牙齒孔洞的親水性。接著，將經循環伏安法處理之樣本浸入NaF溶液，進行離子導入測試。詳細條件如下。
循環伏安法(cyclic voltammetry,CV)：循環伏安法之波形圖如第2圖所示。
電極裝置如第4B圖所示(電位儀型號SP150，購自BioLogic)，參考電極端連接至Ag/AgCl電極，工作電極端連接至牙齒樣本，而輔助電極端連接至鉑板，電解質溶液為NaF。參數設定為：電壓：-1V~10V、掃描速率：50mv/s。
脈衝式離子電滲入測試：測試條件如表1所示，分為12組。
組別PA為脈波安培法：分別設定不同的開路電壓(Open-circuit voltage(OCV))停留時間及10V脈衝之停留時間，反應總時間為 100秒。
組別CA為計時安培法：持續10V刺激，不加入脈衝(pulse)設計，反應總時間為100秒。
Figure TWI614001BD00001
將經模擬齲齒過程及電化學反應之牙齒樣本進行下列檢測。
元素分析
以X射線光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)進行檢測。將牙齒樣本縱切，縱切樣本中，距離氟導入面約0.1mm之檢測點為A，接著以0.7mm為間隔設定檢測點B、C、D。送進儀器進行真空處理約3天，再進行XPS分析。XPS之鍵結能校正參考標準是以樣本表面測得的C 1s=284.5eV為依據。
再礦化/去礦化檢測
取處理過牙齒樣本之去礦化溶液及再礦化溶液，以離子層析儀(ion chromatography，IC)進行分析。
去礦化程度=(原始去礦化溶液之濃度)-(實驗完成之去礦化溶液之濃度)
採用離子層析儀測得之溶液濃度，以ppm為單位。
原始去礦化溶液之濃度為第1至3天溶液之平均，實驗完成之去礦化溶液之濃度為第6天溶液之平均數值。
再礦化程度=(實驗完成之再礦化溶液)-(原始再礦化溶液)
採用離子層析儀測得之溶液濃度，以ppm為單位。
原始再礦化溶液之濃度為第1至3天溶液之平均，實驗完成之再礦化溶液之濃度為第6天溶液之平均數值。
鈣離子淨值=鈣離子流失量+鈣離子吸收量。
結果
第5圖係顯示各組氟離子導入結果，係依據XPS圖進行積分 面積處理(軟體Origin)，並計入不同元素之敏感因子(sensitivity factor)，以得到F/(Ca+F)之比例。
第5圖顯示，PA(OCV0.005S-10V0.005S)距離氟離子導入反應面最近之A點的F/(Ca+F)比例落在0.17-0.24、B點落在0.16-0.20、C點落在0.11-0.16、D點落在0.09-0.13，此組別F/(Ca+F)比例明顯較PA(0V0.005S-10V0.005S)、PA(5V0.005S-10V0.005S)、PA(-5V0.005S-10V0.005S)、CA高。
第6A、6B、及6C圖係顯示各組F/(Ca+F)比例。第6A圖顯示PA(OCV0.005S-10V0.005S)、CA、控制組(blank)之A、B、C、D四點之F/(Ca+F)比例，其中，控制組無氟離子訊號，而當電化學條件設定為PA時，該組之A、B、C、D四點之F/(Ca+F)比例都比組別CA(市售電導入裝置所使用之電化學條件)高，證實PA(OCV0.005S-10V0.005S)之氟離子電滲入效果較市售所用CA為佳。
第6B圖顯示不同電化學條件之F/(Ca+F)比例，可觀察到，無論在牙齒樣本之何種深度(即A、B、C、D四點)，PA(OCV0.005S-10V0.005S)、PA(OCV0.005S-10V0.02S)、PA(OCV0.005S-10V0.08S)、PA(OCV0.005S-10V0.32S)之F/(Ca+F)比例均較PA(0V0.005S-10V0.005S)、PA(5V0.005S-10V0.005S)、PA(-5V0.005S-10V0.005S)、CA為高。第6C圖進一步顯示牙齒樣本不同深度之F/(Ca+F)比例，PA(0V-10V)、PA(5V-10V)、PA(-5V-10V)3組，經ANOVA分析此三組並無統計上之差異；而CA組之F/(Ca+F)比例與PA(OCV0.005S-10V0.005S)相較係有統計上之差異。
PA(OCV0.005S-10V0.02S)之F/(Ca+F)比例值較PA(OCV0.005S-10V0.005S)及PA(OCV0.02S-10V0.005S)略高(第6B圖)，且其於牙齒 樣本各深度之F/(Ca+F)比例值較PA(OCV0.005S-10V0.005S)及PA(OCV0.02S-10V0.005S)兩組高(第6C圖)。
XPS分析結果 F1s
第7A至7G圖為氟元素之鍵結能(binding energy，BE)之XPS圖，A、B、C、D係代表牙齒樣本之不同深度之檢測結果。第7A圖為組別PA(0V0.005S-10V0.005S)，BE落在684eV至685eV之間，較靠近684.1-684.2eV。第7B圖為組別PA(OCV0.005S-10V0.005S)、第7C圖為組別PA(OCV0.02S-10V0.005S)、第7D圖為組別PA(OCV0.005S-10V0.02S)、第7E圖為組別PA(-5V0.005S-10V0.005S)、第7F圖為組別CA，BE也都落在684eV至685eV之間，較靠近684.1-684.2eV。第7A至7E圖均可偵測得氟訊號，A點訊號最強，隨著樣本深度而逐漸下降。第7G圖為控制組，未經氟離子導入，結果顯示完全沒有氟元素之存在。
離子層析分析結果
以離子層析分析下列四組牙齒樣本，以測定牙齒樣本抵抗去(再)礦化能力之效果：未經氟離子導入之控制組(Blank)、PA(OCV0.005S-10V0.005S)、PA(-5V0.005S-10V0.005S)以及CA(持續提供10V)。
結果如第8圖所示，其中，以ANOVA進行統計分析。
控制組之鈣離子流失量約5.5ppm，顯示其抵抗去礦化能力明顯較低。PA(OCV0.005S-10V0.005S)、PA(-5V0.005S-10V0.005S)及CA之經氟離子電滲入之三組，則顯示可抑制鈣離子流失，其中以組別PA(OCV0.005S-10V0.005S)之抵抗去礦化效果最佳。另外，對於氟離子電滲入對牙齒樣本之再礦化效 果，則可由鈣離子吸收量判斷。控制組為小於0.5ppm；PA(OCV0.005S-10V0.005S)、PA(-5V0.005S-10V0.005S)及CA則介於1.5-2.5ppm，均明顯高於控制組，其中，以PA(OCV0.005S-10V0.005S)最高且具有統計上差異性；證實脈衝式氟離子電滲入處理可提升再礦化程度。
由鈣離子淨值(鈣離子吸收量與流失量之總和)觀察，控制組為負值，經脈衝式氟離子電滲入之組別均為正值，其中以組別PA(OCV0.005S-10V0.005S)之鈣離子數值5.3ppm為最高。證實本發明之脈衝式氟離子電滲入條件(即PA)對於牙齒樣本抑制去礦化、增進再礦化及整體效果均有效，且顯然優於習知方法(即CA，市售電導入裝置所使用之電化學條件)。
F/(Ca+F)之比例與抵抗去礦化/增強再礦化之效果呈正相關，即比例愈高，效果愈好。由前述實施例觀之，不同電化學條件會造成不同F/(Ca+F)比例，整體而言，本發明之電化學條件均優於CA組(市售電導入裝置所使用之電化學條件)，其中，又以PA(OCV0.005S-10V0.005S)、PA(OCV0.005S-10V0.02S)、PA(OCV0.005S-10V0.08S)、PA(OCV0.005S-10V0.32S)之F/(Ca+F)比例為較佳，因此，在氟離子導入之效果上較習知條件更優異，更適於臨床應用(例如預防齲齒)。
上述特定實施例之內容係為了詳細說明本發明，然而，該等實施例係僅用於說明，並非意欲限制本發明。熟習本領域之技藝者可理解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之範疇下，針對本發明所進行之各種變化或修改係均落入本發明之一部分。
1‧‧‧氟離子電滲入裝置
11‧‧‧電源
12‧‧‧電流傳導裝置
13‧‧‧參考電極
14‧‧‧輔助電極
15‧‧‧工作電極
16‧‧‧電極元件
17‧‧‧含氟電解質
18‧‧‧生物介面

Claims (6)

  1. 一種脈衝式氟離子電滲入裝置，包括：至少一電極裝置，其內包括至少一電極元件及一含氟電解質，該至少一電極元件係操作以接受一電動勢以將該含氟電解質驅動至一生物介面；以及一電源裝置，係電性連接至該電極裝置，並至少提供該至少一電極元件之一波形為週期性脈衝電壓；其中，該週期性脈衝電壓係具有複數脈波之週期，各脈波週期係由一基準電位及一脈波電位所構成，該基準電位與該脈波電位在不同脈波週期可均相同或逐漸變化，在每一脈波週期內，電位是從該基準電位經過複數脈波階梯逐漸遞變至該脈波電位；其中，該生物介面為牙齒。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該脈波電位係緩步達及。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，於一脈波週期中，該基準電位之時間長度與該脈波電位之時間長度之比例為1：64至64：1。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，於一脈波週期中，該基準電位之時間長度為0.001秒至0.32秒。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，於一脈波週期中，該脈波電位之時間長度為0.001秒至0.32秒。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該含氟電解質係包含氟化鈉。
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