中原大學生物醫學工程學系學位論文
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台灣地處高濕度與溫暖的亞熱帶，食物中毒案例屢見不鮮。多項研究指出，食物中毒的主因為餐廚具未確實清潔，易滋生大腸桿菌與金黃色葡萄球菌，造成汙染所致。大氣電漿具有豐富的活性物種，對滅菌有相當良好的效果，近年來廣泛應用於生物醫學相關領域。本研究利用大氣介電質阻擋放電電漿技術，設計出單層與多層反應器刀具滅菌系統。本系統在大氣環境中即可激發電漿，激發之工作頻率為4.082 kHz；工作電壓為3.55 kV；電流大小為0.723 A；消耗功率為6.51 W，激發時間在35分鐘時，刀具溫度低於攝氏43度；光學放射光譜儀在波長297 nm和777 nm，檢測出活性氧物種OH與O存在。本研究分別檢測本電漿系統對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌之滅菌效率，結果發現可使此兩株食源性細菌在10分鐘與30分鐘達到完全滅菌。因餐廚具使用環境濕度高，因此亦進行在相對濕度90%下，驗證本系統仍能正常運作。另為充分瞭解本電漿系統的滅菌機制，以掃描式電子顯微鏡分析處理前後細菌之形貌，結果發現處理後細菌表面產生皺縮、破裂與變形。證實本電漿系統具有離子轟擊與活性物種氧化等多重滅菌機制。最後進行電漿處理後靜置之滅菌實驗，證實滅菌後無滅菌物種殘留。
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本研究主要利用暗視野顯微鏡技術探討奈米金粒子於材料表面自組裝的過程。實驗發現以細胞培養基作為反應物，與聚乙二醇化的金奈米粒子反應後，可自組裝吸附於基材表面，形成單層的奈米粒子塗層。實驗中探討聚乙二醇及生物培養基是否對披覆的影響、對生物培養基中的成分與聚乙二醇化的奈米粒子進行個別的探討、對反應時間與溫度環境對此吸附的影響，然而不同的聚乙二醇分子量對於吸附的結果有較大的影響；當改變聚乙二醇化奈米粒子的大小、形狀、材料選擇時，並不影響其表面披覆特性；至於基板的親疏水性、材質等，皆有吸附的效果，故利用此吸附方式可將金奈米粒子塗佈在不同基材表面。除了進行各種測試吸附外，亦利用掃描穿透式電子顯微鏡觀察，並進行能量散射光譜分析其表面的元素改變，進而推論其吸附的機制。
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植牙已是目前缺牙病患最主流的術式，雖然植牙成功率很高但還是有將近一成的失敗率，失敗的原因中最常發生的就是病患骨整合失敗，影響骨整合能力的關係與人工牙根的表面能有關，而改善人工牙根表面親水性亦能增加其表面能。根據文獻，大氣低溫電漿施打在物體表面，能活化物體表面的親水官能基，因此可增加物體表面其親水性，也因未造成人工牙根原有特性破壞，對於FDA標準無須重新認證，讓本研究對於臨床使用更加便利，本研究已開發一人工牙根表面活化之噴射式大氣低溫電漿系統，目的在於改善人工牙根的親水性進而提升其骨整合能力，藉以提高植牙手術成功機率，本研究所使用的噴射式大氣低溫電漿系統，為自行開發的一組電漿系統，包含以氦氣激發，與自製電源供應器及反應器，此系統使用的工作電壓為32kV與工作頻率為126.2kHZ，此情況下所激發的電漿，在氣體流量4 slpm時，電漿激發長度為30 mm，激發過程中最高溫度為35.3oC，本研究證實鈦金屬表面在經由電漿處理60秒後可讓其表面接觸角明顯降低，再根據楊氏熱力平衡方程式，得出接觸角角度越小表面表面能越大，而表面能越大親水性越強，親水性越強人工牙根骨母細胞附著力越強，進而提高手術成功率，本研究已找出此電漿系統最佳參數，且藉由SEM的拍攝證實鈦金屬表面會遭受破壞，未來本研究所開發出之人工牙根表面活化之噴射式大氣低溫電漿系統，可實際於牙科臨床應用。
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本研究針對不同層早衰細胞粒線體與正常細胞粒線體進行影像處理和分析，並比較早衰與正常細胞粒線體的形態差異。首先在每一張同一個視野中圈選單一細胞粒線體，並將細胞粒線體分成Layer1與Layer2兩層。以MicroP進行影像分割，使二值化影像利於粒線體三維特徵的擷取。為了區分粒線體的次形態，將粒線體三維形態特徵做正規化，使得所有的特徵差異變小，再使用X-Means群集分析，依照子集與子集中心距離排列，並定義了7種形態，球狀，小塊狀、短條狀、大塊狀、短分支狀、中分支狀和長分支狀。再計算不同層早衰與正常細胞粒線體數量、體積、平均形態、分支與整體細胞粒線體的分布情況等等的特徵。最後使用J48決策樹，將所有細胞特徵資訊以70%訓練組與30%測試組的細胞分類。 統計分析顯示，第一層早衰細胞粒線體的粒線體數量、體積與粒線體在細胞中的分布情形，皆較於正常細胞粒線體與第二層早衰粒線體多且分布廣，在形態分析中，第一層早衰細胞粒線體的球狀、小塊狀和短條狀平均體積較多，第一層正常細胞粒線體多為大塊狀與短分支狀，第二層早衰與正常粒線體有相近的細胞特徵。訓練組及測試組正確率分別為95.12%與82.35%。
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現今院內感染案件有越來越多的趨勢，主要感染方式可能是經由黏附細菌的醫療器材與病人交叉感染，或是經由接觸、媒介物等傳染途徑感染。然而針對降低院內感染的改善方式是將醫療器材有效地滅菌，但市面上的滅菌方式會造成滅菌時間較長、材料選用有限、使用時須為真空狀態等缺點，而大氣低溫電漿現已慢慢崛起也被廣泛應用於滅菌。本研究使用介電質阻擋放電（dielectric barrier discharge ,DBD）型式設計了低溫大氣電漿系統應用於微生物滅菌，所開發之低溫大氣電漿滅菌盒為體積小、成本低、可快速滅菌並應用於各式材料等優點。使用工作電壓為8.24 kV、總功率為27 W，利用光學發射光譜儀(Optical Emission Spectroscopy; OES)檢測到電漿中具有單態氧和OH自由基等活性氧物種，對大腸桿菌(Escherichia coli, E. coli)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus, S.A.)進行不同時間的滅菌測試，滅菌率儼然達到99 %。因此證明本研究所開發之電漿系統視為可在短時間內達到滅菌之效果，希望本研究在未來可以商品化並且能提供醫院一個體積小、滅菌時間短、對於高分子材料亦能進行滅菌的電漿滅菌系統。
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九節茶(Sarcandraglabra)別名草珊瑚、觀音茶、接骨木，為長年生常綠灌木，植物中含九節風內脂A及D（chlorantha lactoneA及D）、鞣質(tannins)、琥珀酸(IUPAC)等成份及防禦素。先前發表的文獻記載九節茶具有增強免疫功能、祛風除濕及活血止痛的功效。近期的研究也顯示了九節茶萃取物除了具有促進傷口癒合的能力外，亦能改善小鼠體內腫瘤細胞的生長繁殖能力，提高過氧化氫酶(Catalase)的活力，對癌細胞的耗氧能力有直接抑制作用，改善能量代謝而實現抗癌作用。本研究則是採用中草藥植物九節茶作為尋常性痤瘡的修復成分，並深入檢測藥材對痤瘡形成因素的改善成效。 本實驗所用九節茶藥材是以其根莖部位萃取使用，實驗以五階段逐次進行。第一階段為將中草藥植物碎化後以乙醇泡製，再經由索氏(Soxhlet)萃取成實驗藥材。第二階段為細菌實驗，針對痤瘡丙酸桿菌（Propionibacterium acnes）及金黃色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus)二種引發及存在於痤瘡患部促發炎症的細菌，實驗其抑菌功效。第三階段是利用RAW264.7巨噬細胞(Macrophage)檢測細胞存活率(MTT Assay)。第四階段為測試藥材對引發炎症的毒性物質防禦效果。第五階段為DPPH自由基活性清除率之檢測。由此五個階段的實驗，探討中草藥植物九節茶萃取物應用於修復尋常性痤瘡的可行性。 實驗結果顯示中草藥植物九節茶萃取物在痤瘡丙酸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌實驗中均能產生有效的抑菌範圍，發揮抑菌效果。再將藥材以逐次對半稀釋的方式採5組測試組(0.5%、0.25%、0.125%、0.0625%、 0.03125%)和控制組分別做細胞存活率、抗發炎及抗氧化能力實驗，其結果皆有明顯的提升。MTT assay細胞活化能力及DPPH自由基活性清除皆提升了3倍的有效率；細胞抗發炎實驗中加入含毒性因子的LPS，讓細胞達到完全發炎的狀態，經施於定量藥材後，約能達到90%之抵禦毒性物質的傷害，有效發揮保護細胞的機制。經由以上五個階段的實驗，顯示九節茶萃取物具備了研發成為治療尋常性痤瘡的條件。 中草藥保養品的研發一直是廣受注目的，尤其是針對尋常性痤瘡的治療；痤瘡患部若長期以化學藥物治療(如：抗生素)會產生具有抗藥性的細菌而造成日後醫療上的難題；而溫和的中草藥成分產生抗藥性的顧忌極低，因此本研究結果可作為修復尋常性痤瘡產品研發的參考依據。
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神經退化性疾病與發炎反應所造成的傷害有關，受到刺激的神經微膠細胞會釋放細胞激素傷害周邊的神經元細胞。已知綠茶中的兒茶素具有抗氧化與抗發炎性質，因此可以抑制神經微膠細胞的發炎而達到保護神經的功效，本研究利用溶劑萃取綠茶中的兒茶素，經過紫外光光譜儀測量萃取物中兒茶素的純度為 90.5 %。藉由體外穩定自由基1,1-二苯基-2-三硝基苯肼測量萃取物的抗氧化能力，結果顯示兒茶素清除自由基在反應在 3 分鐘達到 80 %。本研究使用不帶電磷脂醯膽鹼及負電荷的磷脂醯絲胺兩種磷脂質搭配薄膜水合法與濾膜擠壓法製備搭載兒茶素的微脂體，以動態散射儀分析儀測量微脂體粒徑與粒徑分佈，結果顯示使用負電荷的磷脂醯絲胺 (PS) 與不帶電之磷脂醯膽鹼 (PC) 微脂體粒徑分別為142.9±0.36 nm 與161.5±0.56 nm，添加維生素E的PS 與 PC 微脂體對兒茶素的包覆率分別為 76.8 % 與60.2 %。體外培養神經微膠細胞，加入脂多醣體誘導刺激 24 小時其細胞型態由正常圓球狀轉變成活化型的紡錘狀。從細胞吞噬實驗發現，微脂體與神經微膠細胞共培養1小時後PS 微脂體能夠被發炎態的神經微膠細胞吞噬，利用細胞凋亡試劑測試空微脂體不會影響神經微膠細胞的存活，以兒茶素與搭載兒茶素之微脂體研究受到脂多醣體活化的神經微膠細胞之發炎途徑，包含發炎指標 COX-2 蛋白質表現量以及 NO、TNF-α 的釋放。因此預測搭載兒茶素的 PS 微脂體可抑制受到活化的神經微膠細胞，減緩發炎反應，達到神經保護的功效。
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胎兒心電圖可以用來預測胎兒的健康狀況，因此懷孕期間量測胎兒心 電圖是非常重要的。雖然使用非侵入式的方式量測孕婦腹部心電訊號較為 方便，但因為胎兒的訊號較小且雜訊也比較多，在訊號處理上則比較困難。 本研究以拉普拉斯電極擷取胎兒心電訊號，此電極為導電織布所製成。 此拉普拉斯電極所涵蓋的腹部面積較大，因此能夠減少由於胎位以及電極 擺放位置所造成的影響。本研究利用德州儀器所出產的 TMS320C5515 數位 處理器透過串列傳輸的方式控制 ADS1294 晶片以擷取腹部訊號，再將擷取 的訊號透過數位處理器進行演算並獲得母親及胎兒心率，最後透過 TMS320C5515 eZdsp 上的 LCD 顯示母親及胎兒心率。 在演算法部分，首先根據輸入訊號的品質決定所要進行的分析，若評 估訊號中有胎兒訊號則進行胎兒與母親的心率計算，若無明顯的胎兒訊號 則只進行母親心率的計算。 本研究將系統實際應用在孕婦上，結果顯示，本電極系統可以成功的 採集母親腹部訊號。經由與專家實際標記的母親及胎兒R波位置進行對比， 以每三秒的平均心率進行統計比較，母親及胎兒心率平均準確率分別為 92.5%及 80.3%。
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內皮細胞不僅屏障血管組織與血液，還具有調節血管張力與維持血壓生理恆定等功能。內皮細胞分泌血管擴張因子（EDRF），其中最知名及重要的是一氧化氮（NO）；血管擴張活化物刺激內皮細胞細胞膜上的離子通道，引發鈣離子進入細胞內，並通過 三磷酸肌醇（IP3）等信使，將鈣離子由細胞內儲存器釋放到細胞內液，而細胞內鈣離子儲存器的清空，觸發細胞膜上存儲調控性鈣離子通道（SOCC）開啟，進而維持內皮細胞內鈣離子的上升濃度；內皮細胞內鈣離子上升，是觸發一氧化氮分泌的主要因子，一氧化氮分泌，使血管平滑肌舒張而擴張血管。內皮細胞也分泌血管收縮因子（EDCF），可以引發血管收縮。這些因子對血管維持健康非常重要，其分泌一旦失去平衡，則會導致血管疾病的發生。敗血症常導致重症疾病與死亡，而脂多醣（Lipopolysaccharide, LPS），或稱內毒素(Endotoxin)，是導致敗血症的重要成因。脂多醣內毒素可以傷害內皮細胞功能，導致血壓生理失去平衡而導致敗血症的危害。我的研究報告發現，經由脂多醣內毒素處理過存活的老鼠大腦皮質內皮細胞 (bEND.3 cell)，給予活化物，引發細胞內鈣庫釋放反應仍維持正常；但當 脂多醣內毒素處理細胞時間超過3小時或更久，則會導致細胞膜上 存儲調控性通道鈣離子內流 (SOCE) 下降。經由實時定量PCR分析，發現 脂多醣內毒素處理15小時後之內皮細胞，其 存儲調控性鈣離子通道上主要的兩個蛋白分子STIM1及Orai1，其基因表現並沒有減少，而且脂多醣內毒素引發之細胞存儲調控性通道鈣離子內流之下降，可以被 水楊酸鈉(sodium salicylate) 及 SB203580很明顯的減緩。水楊酸鈉是 核因子κB (nuclear factor-κB; NF-κB) 的抑制物，而 SB203580 是 p38絲裂原活化蛋白激酶( p38 mitogen-activated protein kinases ; p38 MAPK) 的抑制物，這表明了細胞存儲調控性通道鈣離子內流的抑制，是經由p38 MAPK–NF-κB 路徑。藉由此發現，讓我們更了解敗血症引發的機轉，有助於未來開發相關藥物與更有效的治療途徑。經由上述的研究，我嘗試使用另一個藥物歐苷菊來抑制 NF-κB 路徑，但是我卻觀察到引發鈣離子訊號大幅度更複雜的擾動，故我接著設計進一步實驗來研究此藥物的影響機制。歐苷菊（Parthenolide），又名小白菊内酯，是一種由天然植物萃取的物質，已知有抑制癌細胞的效果，且許多相關臨床試驗已在進行中。此外，在動物實驗中，歐苷菊藉由抑制細胞核因子NF-κB（nuclear factor-κB），可以減少心肌缺血再灌流後梗塞的面積大小、發炎細胞的浸潤與氧化傷害，對缺血再灌流損傷證實有保護作用，然而中高濃度的歐苷菊會釋放氧化活性物質（reactive oxygen species,ROS），卻會讓粒線體膜電位崩潰而對細胞產生毒性。至於對一般非腫瘤細胞，歐苷菊對離子信號傳導的影響所知有限。我的研究，測試經由歐苷菊處理15小時，存活的老鼠大腦皮質內皮細胞 (bEND.3 cell)，發現ATP活化鈣離子內流 (ATP-triggered Ca2+ signal) 信號被放大，且出現非常慢的衰減。此現象證實細胞內鈣離子排空受到抑制。證據顯示歐苷菊引發的鈣離子排空抑制，是經由抑制細胞膜上的鈣離子幫浦(plasmalemmal Ca2+ pump)，但西方點墨法分析顯示鈣離子幫浦上的蛋白表達總量並沒有減少；而此鈣離子排空的抑制現象，可被加入salubrinal而減輕，salubrinal 已知是一種內質網壓力保護劑 (ER stress protector) ，故此抑制現象，可能是經由內質網壓力(ER stress)路徑導致的結果。由於歐苷菊是進行中臨床研究的抗癌症藥物，且具有開發為心肌保護藥物的潛在潛力，故詳細了解歐苷菊對內皮細胞鈣離子恆定(Ca2+ homeostasis)及鄰近血管平滑肌細胞張力調控的影響是很重要的。藉由此研究，讓我們對歐苷菊的複雜機轉有更多了解，有助於未來進一步成功利用歐苷菊相關化合物開發治療性藥物。
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本研究結合OpenMRS與Android平台，以遠距醫療的概念，提供患者遠距三高照護服務。利用行動裝置的普及，選用佔有率及開放性高的Android平台開發應用程式，提供患者三高量測紀錄服務。患者在家自行量測血壓、血糖以及血脂後，以藍芽方式將量測資料儲存於行動裝置，並藉由無線網路將三高量測紀錄資料上傳至雲端。OpenMRS為現行且開發性高之電子病歷平台，本研究在OpenMRS上建立三高資訊管理模組，提供管理患者三高資料以及醫生撰寫三高報告的平台。患者將三高量測紀錄資料上傳至OpenMRS平台後，平台會記錄及彙整患者所上傳的三高量測結果，並定期通知專任醫生瀏覽、判讀及撰寫患者的三高追蹤報告。醫生撰寫三高報告後，平台將通知患者上線查看，協助患者自我照護。本研究結果可減少慢性三高疾病患者，因需長期觀察記錄並回覆醫生，須定期前往醫院回診所耗費之人力成本，達到遠距照護，並降低相關病症發生機率。