開發具備優化機械性能的多孔明膠/海藻酸鹽支架以應用於骨組織工程

組織工程為近年來快速發展之跨領域研究方向，整合材料科學、細胞生物學與臨床醫學，目標在於重建、修復或替代受損之組織與器官。其中，支架材料（scaffold）作為細胞與生長因子之外的關鍵要素，不僅需提供穩定的三維結構以支撐細胞附著與存活，亦須模擬天然細胞外基質的物理與生物特性，進而調控細胞行為，包括增殖、分化、基質沉積及新生血管形成。特別是在骨與牙周組織工程應用中，支架必須同時承受一定程度的機械負荷，並維持良好的營養傳輸與代謝交換能力，因此材料的結構設計與力學特性成為影響再生效果的關鍵因素。
在眾多生物材料中，天然高分子水凝膠因其高含水性、生物相容性與可設計性，被廣泛應用於組織工程支架的開發。其中，海藻酸鈉為一種來源於褐藻的天然多醣，具有良好的凝膠化能力與低免疫原性，能在溫和條件下形成穩定結構，適合作為支架之結構基礎；而明膠則為膠原蛋白的水解產物，保留多種細胞黏附相關序列，能有效促進細胞附著、遷移與增殖。將兩者結合形成明膠/海藻酸鈉（gelatin/alginate）複合水凝膠，被認為能同時兼顧機械支撐性與生物活性，並提供更接近天然組織微環境的三維培養平台。
儘管gelatin/alginate複合水凝膠已被廣泛研究並應用於骨與軟組織工程中，現有文獻多著重於單一材料濃度或特定交鏈條件對水凝膠性質的影響，對於不同明膠與海藻酸鈉配比所造成的微觀結構差異，如孔隙大小、孔隙均勻性、孔壁厚度與網絡穩定性，仍缺乏系統性的比較與整合分析。此外，交鏈方式（特別是Ca²⁺離子交鏈）雖被證實可顯著改變水凝膠的機械與黏彈性行為，但其與材料組成比例之交互作用，及其對支架整體功能的影響，仍有待進一步釐清。
在細胞應用層面，間葉幹細胞因其具備多向分化潛能，被廣泛應用於骨組織工程研究中。其中，牙髓間充質幹細胞（DPSCs）具有來源取得相對容易、增殖能力佳及良好骨向分化潛能等優勢，特別適合應用於牙周與顎骨相關再生研究。然而，多數現有研究仍以二維培養或單一力學條件下之三維支架為主，對於不同機械強度與微結構特性之水凝膠，如何影響DPSCs在三維環境中的附著行為、存活狀態與長期培養適應性，相關系統性研究仍然有限。
值得注意的是，近年研究逐漸指出，支架材料的力學性質與微結構特徵不僅影響細胞的物理附著，更可透過力學傳導（mechanotransduction）機制調控細胞命運，包括細胞骨架重組、基因表現與分化路徑選擇。然而，針對gelatin/alginate複合水凝膠而言，不同配比與交鏈密度所形成的微環境力學差異，如何進一步影響間葉幹細胞的生物行為與潛在骨生成反應，目前仍缺乏清楚的研究架構與實驗證據，成為限制其臨床轉譯的重要瓶頸之一。
因此，本研究旨在透過系統性調整明膠與海藻酸鈉之配比，並結合有無CaCl₂交鏈處理的設計策略，建立一系列具不同微結構與物理性質之gelatin/alginate複合水凝膠模型，作為三維細胞培養與組織工程支架之研究平台。藉由整合材料性質分析與細胞生物學評估，本研究期望釐清材料設計參數與細胞行為之間的關聯性，並為未來骨與牙周組織工程支架之最佳化設計提供理論基礎與實驗依據，進一步促進gelatin/alginate複合水凝膠於再生醫療與臨床應用上的發展潛力。