智能型生醫材料之分子結構設計於人體血小板控制研究與組織再生應用

Molecular Structure Design of Intelligent Biomaterials for Human Platelet Activation Control and Tissue Regeneration Applications

葉至誠(Chih-Chen Yeh)

指導教授 ： 張雍

中原大學/工學院/化學工程研究所/博士(2018年)

https://doi.org/10.6840/cycu201800748

摘要

血小板濃厚液治療 在現今對於疾病而言日漸重要，由自體血小板濃厚液治療 在現今對於疾病而言日漸重要，由自體血小板濃厚液治療 在現今對於疾病而言日漸重要，由自體的潛力 以及治療效果的卓越成，其已經 在臨床中 應用於治療慢性傷口、
膝關節炎皮膚美容以及頭髮再生等 ，而所有的原因都在於其含眾多生長子 ，而所有的原因都在於其含眾多生長子 。近年 。近年 來，血小板治療文獻越廣泛許多指出 來，血小板治療文獻越廣泛許多指出 來，血小板治療文獻越廣泛許多指出 來，血小板治療文獻越廣泛許多指出 來，血小板治療文獻越廣泛許多指出 來，血小板治療文獻越廣泛許多指出 來，血小板治療文獻越廣泛許多指出 血小板濃厚液 在治療的同時，也 在治療的同時，也 在治療的同時，也 可能伴隨著其他風險存在，例如白血球的競爭性 可能伴隨著其他風險存在，例如白血球的競爭性 可能伴隨著其他風險存在，例如白血球的競爭性 、血小板的活性 喪失或者生長因 子的含量不均 等。因此 等。因此 等。因此 過於複雜的 負面效應 可能 抵消了生長因子對於組織再的 作用， 作用， 雖然在治療的過程中其正面 或者負機制可能還尚未 釐清 ，但是 透過刺激 或者誘導的過程使得 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 血小板濃厚液在治療的過程中趨向正面效應 將會是解決治 會是解決治 會是解決治 會是解決治 會是解決治 療不確定性的方法之一， 療不確定性的方法之一， 這也使得 血小板 純化分離以及活控制會是未來血小板 純化分離以及活控制會是未來濃厚液在治療應用上的挑戰。 濃厚液在治療應用上的挑戰。 在這樣的挑戰下，為了能夠有效地設計出具血小 在這樣的挑戰下，為了能夠有效地設計出具血小 在這樣的挑戰下，為了能夠有效地設計出具血小 板分離與控制之生醫 材料，其 材料，其 材料，其 材料 所必須具備的關鍵功能包括了 所必須具備的關鍵功能包括了 : 血小板專一性 選擇性 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 、抵抗非特定生物分子沾黏智能型響應細胞離技術快速的表面改質 技術以及血小板活化控制 因子 。綜合以上 。綜合以上 五個重要因素，此透過本論文的四 個重要因素，此透過本論文的四 個重要因素，此透過本論文的四 個 研究章節 預期 發展出 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 血小板分離與控制的生醫材料設計概念以應用於糖尿病 慢 性傷口治療。
在論 文的第一部分中藉由討在不同聚乙二醇分子量下所製備的水凝膠 其 抗沾黏效果 ，其結果顯示出在水凝膠中的分子鏈過短會造成和相 其結果顯示出在水凝膠中的分子鏈過短會造成和相 互作用過低，導致抗沾黏特性的消失；但是若在水凝膠中分子鏈長卻會使得 互作用過低，導致抗沾黏特性的消失；但是若在水凝膠中分子鏈長卻會使得 互作用過低，導致抗沾黏特性的消失；但是若在水凝膠中分子鏈長卻會使得 互作用過低，導致抗沾黏特性的消失；但是若在水凝膠中分子鏈長卻會使得 互作用過低，導致抗沾黏特性的消失；但是若在水凝膠中分子鏈長卻會使得 分子鏈在水凝膠中的擾動性變差 分子鏈在水凝膠中的擾動性變差 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 ，亦會導致抗沾黏特性的喪失因此在分子量 500克/莫爾的聚乙二醇 單體所製備出來的水凝膠聚有最 佳抗沾黏特性以及高的非結凍水含量 。這些結果都顯示出分子鏈長短與的擾動狀態對於抗沾 。這些結果都顯示出分子鏈長短與的擾動狀態對於抗沾 。這些結果都顯示出分子鏈長短與的擾動狀態對於抗沾 黏效果的重要性。
然而在論文的第二部分中為了將抗沾黏特性快速進行表面固定化，因此設計 然而在論文的第二部分中為了將抗沾黏特性快速進行表面固定化，因此設計 然而在論文的第二部分中為了將抗沾黏特性快速進行表面固定化，因此設計 然而在論文的第二部分中為了將抗沾黏特性快速進行表面固定化，因此設計 了具備 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 抗沾黏特性的三種形式 聚苯乙烯 -聚乙二醇甲基丙烯酸酯 共聚物 :隨機共 聚物 、雙嵌段共聚物 、雙嵌段共聚物 、雙嵌段共、三嵌段共聚物 、三嵌段共聚物 ，進而探討不同共聚物型態對於表面固定化 ，進而探討不同共聚物型態對於表面固定化 ，進而探討不同共聚物型態對於表面固定化 之差異以及抗沾黏特性的展現。 之差異以及抗沾黏特性的展現。 特別的是在表面固定化過程中，根據不同共聚 特別的是在表面固定化過程中，根據不同共聚 特別的是在表面固定化過程中，根據不同共聚 物的形式， 最優先會是改變共聚在表面上固定量物的形式， 最優先會是改變共聚在表面上固定量物的形式， 最優先會是改變共聚在表面上固定量物的形式， 最優先會是改變共聚在表面上固定量然而二嵌段與三共 聚物 會有相較於隨機共聚 物低的塗佈量，但卻在抗沾黏表現中優會有相較於隨機共聚 物低的塗佈量，但卻在抗沾黏表現中優會有相較於隨機共聚 物低的塗佈量，但卻在抗沾黏表現中優會有相較於隨機共聚 物低的塗佈量，但卻在抗沾黏表現中優物的塗佈表面 ，因此顯示出共聚物的固定端不僅會決塗佈量多寡甚至影 ，因此顯示出共聚物的固定端不僅會決塗佈量多寡甚至影 ，因此顯示出共聚物的固定端不僅會決塗佈量多寡甚至影 ，因此顯示出共聚物的固定端不僅會決塗佈量多寡甚至影 響到塗佈過程共聚物在表面的形式。
除了表面改質以外， 除了表面改質以外， 多功能性的表面才夠具備 多功能性的表面才夠具備 血小板分離純化與控制的目 的，因此在論文第三部份透過設計種 的，因此在論文第三部份透過設計種 的，因此在論文第三部份透過設計種 的，因此在論文第三部份透過設計種 不同功能性的共聚物預期達到血小板分 離純化之目的。 離純化之目的。 透過纖維蛋白原連接的共聚物部分固定化表面將血小板捕捉，並 透過纖維蛋白原連接的共聚物部分固定化表面將血小板捕捉，並由抗沾黏 共聚物部分固定化 抵抗非特定生物分子的貼附，以增加血小板離純化 抵抗非特定生物分子的貼附，以增加血小板離純化 抵抗非特定生物分子的貼附，以增加血小板離純化 抵抗非特定生物分子的貼附，以增加血小板離純化 的選擇性， 的選擇性， 再以溫感性共聚物部分固定化表面將血小板透過低方式 以溫感性共聚物部分固定化表面將血小板透過低方式 將血小板從 表面上脫附，最後收集 血小板並討論不同固定化比例對於收集之影響。
在血小板純化分離或者保存的過程中，活性都非常困難地短時間 在血小板純化分離或者保存的過程中，活性都非常困難地短時間 在血小板純化分離或者保存的過程中，活性都非常困難地短時間 在血小板純化分離或者保存的過程中，活性都非常困難地短時間 內進行控制，因此 內進行控制，因此 內進行控制，因此 在論文的最後一部份，預期血小板純化分離能夠藉由特 在論文的最後一部份，預期血小板純化分離能夠藉由特 在論文的最後一部份，預期血小板純化分離能夠藉由特 在論文的最後一部份，預期血小板純化分離能夠藉由特 在論文的最後一部份，預期血小板純化分離能夠藉由特 在論文的最後一部份，預期血小板純化分離能夠藉由特 在論文的最後一部份，預期血小板純化分離能夠藉由特 定基材給予血小板誘導或者刺激，使得在短時間內擁有不同的治療效應。 定基材給予血小板誘導或者刺激，使得在短時間內擁有不同的治療效應。 定基材給予血小板誘導或者刺激，使得在短時間內擁有不同的治療效應。 定基材給予血小板誘導或者刺激，使得在短時間內擁有不同的治療效應。 纖維蛋 白原固定化水凝膠在 短時間 與血小板濃厚液進行接觸時，會有較明顯的凝反應 與血小板濃厚液進行接觸時，會有較明顯的凝反應 與血小板濃厚液進行接觸時，會有較明顯的凝反應 與血小板濃厚液進行接觸時，會有較明顯的凝反應 產生並且提高血漿中小板衍長 因子與血管內皮生長的含量，並且作為 因子與血管內皮生長的含量，並且作為 因子與血管內皮生長的含量，並且作為 傷口敷料 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而言會促進傷口癒合，但是卻因為凝血反應與發炎現象導致效果不彰； 而正電荷水凝膠在接觸血小板濃厚液時，卻會有效地促進衍生長因子含 而正電荷水凝膠在接觸血小板濃厚液時，卻會有效地促進衍生長因子含 而正電荷水凝膠在接觸血小板濃厚液時，卻會有效地促進衍生長因子含 而正電荷水凝膠在接觸血小板濃厚液時，卻會有效地促進衍生長因子含 量的增加，卻並不會使得血管內皮生長因子含上升 量的增加，卻並不會使得血管內皮生長因子含上升 量的增加，卻並不會使得血管內皮生長因子含上升 ，代表著在短時間內不同的 ，代表著在短時間內不同的 刺激可能造成生長因子含量的分布會不同，也時顯示透過敷料控制血小板活性 刺激可能造成生長因子含量的分布會不同，也時顯示透過敷料控制血小板活性 刺激可能造成生長因子含量的分布會不同，也時顯示透過敷料控制血小板活性 刺激可能造成生長因子含量的分布會不同，也時顯示透過敷料控制血小板活性 來促進傷口癒合會是 另外一種敷料的治療方式。
無論如何， 無論如何， 對於血小板分離純化與活控制的生醫材料設計， 對於血小板分離純化與活控制的生醫材料設計， 都必須從抗沾 黏特性、表面改質程序以及功能化循漸進地行研究與開發， 黏特性、表面改質程序以及功能化循漸進地行研究與開發， 黏特性、表面改質程序以及功能化循漸進地行研究與開發， 黏特性、表面改質程序以及功能化循漸進地行研究與開發， 並透過 調控 所有功能性的展現 ， 才能夠有效地達到高率血小板分離純化與精準控制， 才能夠有效地達到高率血小板分離純化與精準控制， 才能夠有效地達到高率血小板分離純化與精準控制進而 應用在糖尿病慢性傷口治療過程中。 應用在糖尿病慢性傷口治療過程中。 在此篇論文中，除了能夠有效提供 在此篇論文中，除了能夠有效提供 在此篇論文中，除了能夠有效提供 抗沾黏材 料的設計概念、 抗沾黏材表面改質技術料的設計概念、 抗沾黏材表面改質技術料的設計概念、 抗沾黏材表面改質技術料的設計概念、 抗沾黏材表面改質技術多功能表面以及材料誘導血小板活化 控制，其都顯示出 控制，其都顯示出 控制，其都顯示出 在血小板純化分離過濾與活控制都是具有治療潛力的重 在血小板純化分離過濾與活控制都是具有治療潛力的重 要研究項目 ，並應用於慢性傷口復原 。

關鍵字

生醫材料 ； 智能 ； 血小板 ； 組織再生

並列摘要

The treatment of platelet-rich plasma is becoming more and more important for the treatment of specific diseases today. Due to the potential of autotherapy and the excellent results of therapeutic effects, it has been used clinically to treat chronic wounds, knee arthritis, Skin beauty and hair regeneration, all of which are due to the numerous growth factors it contains. In recent years, the literature on platelet therapy has become more and more extensive. Many literatures indicate that platelet-rich plasma may be accompanied by other risks, such as competition of white blood cells, loss of platelet activity, or uneven growth factor content. Therefore, the overly complex negative effects may offset the effect of growth factors on tissue regeneration. Although the positive or negative mechanisms may not be clarified during the course of treatment, the platelet-rich plasma tends to be in the process of treatment through stimulation or induction. Positive effects will be one of the ways to address treatment uncertainty, which will make platelet purification separation and activation control a challenge for future therapeutic use of platelet concentrates. Under such a challenge, in order to effectively design biomedical materials with platelet separation and control, the key functions that materials must have include: platelet specific selectivity, resistance to non-specific biomolecules, and intelligent response for cell separation techniques, rapid surface modification techniques, and platelet activation control factors. Combining the above five important factors, it is expected that the four research chapters of this paper will develop the concept of biomedical material design for platelet separation and control for chronic wound treatment of diabetes.
In the first part of the thesis, by discussing the anti-fouling effect of hydrogels which prepared by different molecular weights of polyethylene glycol, the results show that the shorter molecular chain in the hydrogel would cause the interaction between water molecules and hydrogels become weak, and resulting in the disappearance of the anti-fouling property; however, if the molecular chain in the hydrogel more longer, the molecular chain will be disturbed in the hydrogel, which will also lead to the lost of anti-fouling properties. therefore, the hydrogel prepared by polyethylene glycol monomer which having a molecular weight of 500 g/mole has the best anti-fouling properties and the highest non-freezing water content in all of the hydrogels. These results all show the importance of the length of the molecular chain and the perturbation state of the molecular chain for the anti-fouling effect.
However, in the second part of the paper, in order to quickly give the materials with anti-fouling properties by surface modification, three types of polystyrene-polyethylene glycol methacrylate copolymers with anti-fouling properties were designed to coat on polystyrene well plates: random copolymers, di-block copolymers, tri-block copolymers, and further explore the differences in surface modification and adhesion resistance of different copolymer types. In particular, in the process of surface immobilization, depending on the form of the different copolymers, the most preferable one is to change the coating density of copolymers on the surface. The coating density of di-block and tri-block copolymers coated surface are lower than random copolymer coated surface, but better than the coated surface of the random copolymer in the anti-adhesive performance. Thus showing that the anchoring part of the copolymer not only determines the amount of coating, but even affects the different form of copolymer on the surface.
In addition to surface modification, the versatile surface can be used for the separation, purification and control of platelets. Therefore, in the third part of the thesis, it is expected to achieve the purpose of platelet separation and purification by designing three different functional copolymers. The platelet is captured by a partially immobilized surface of the fibrinogen-conjugated copolymer, and surface is partially immobilized by the anti-fouling copolymers against the attachment of non-specific biomolecules to increase the selectivity of platelet, and then the thermal-responsive copolymers are also partialy immobilized surfaces to desorb platelets from the surface by low temperature, and finally collect platelets and discuss the effects of different immobilization ratios on platelet collection.
During the purification and perservation of platelets, the activity of platelets is very difficult to control in a short period of time. Therefore, in the last part of the thesis, it is expected that platelet can be induced or stimulated by specific materials to control the amounts of the growth factors which would be releasing from platelets after platelet purification and separation. These way make it possible to have different therapeutic effects in a short time. When the fibrinogen-conjugated hydrogel is in contact with the platelet-rich plasma for a short period of time, there will be a significant coagulation reaction and increase the content of platelet-derived growth factor and vascular endothelial growth factor in plasma, and as a wound dressing which could promotes wound healing, but it is not effective due to coagulation reaction and inflammation; while positively charged hydrogel can effectively promote the increase of platelet-derived growth factor content when exposed to platelet-rich plasma, but does not make an increase in the content of vascular endothelial growth factor, which indicates that different stimuli method may cause a different distribution of growth factor content in a short period of time, and it also means that controlling the activity of platelets through dressings to promote wound healing may be another treatment method for wound dressings.
In any case, the design of biomedical materials for platelet separation, purification and activation control must be carried out in a step-by-step manner from anti-fouling properties, surface modification procedures, surface functionalization. With the all factor which could be effectively achieve high-efficiency platelet separation and purification and precise control, and then applied in the treatment of chronic wounds in diabetes. In this thesis, in addition to the effective design of anti-fouling materials, anti-fouling surface modification technology, multi-functional surface and material-induced platelet activation control, it has been shown the potential in both platelet purification separation filtration and activation control and It is an important research project for chronic wound healing.

並列關鍵字

Biomaterials ； Intelligent ； Platelet ； Tissue engineering

參考文獻

Reference

1. Rabkin, Elena and Frederick J Schoen, Cardiovascular tissue engineering. Cardiovascular pathology, 2002. 11(6): p. 305-317.

2. Horbett, Thomas A, Principles underlying the role of adsorbed plasma proteins in blood interactions with foreign materials. Cardiovascular Pathology, 1993. 2(3): p. 137-148.

3. Brash, John L and Thomas A Horbett, Proteins at interfaces: an overview. 1995, ACS Publications.

4. Horbett, Thomas A and John L Brash, Proteins at interfaces: current issues and future prospects. 1987, ACS Publications.