開發含有醫療級硫酸鈣之可注射式聚電解質錯合體支架應用於骨組織再生

本研究目的在於開發含有醫療級硫酸鈣之可注射式聚電解質錯合體支架 (Injectable polyelectrolyte complex scaffold, IPS)，結合人類牙髓幹細胞 (Human dental pulp stem cell, hDPSC)於所設計之IPS，並以動物模型評估其於下顎骨組織再生能力。
　　在此醫療級硫酸鈣的合成中，利用硝酸鈣及硫酸鉀以濕式合成的方式生產各種類型的醫療級硫酸鈣，並藉由氯化鈣 (CaCl2)濃度與溫度的調控合成不同結晶類型的硫酸鈣水合物 (二水硫酸鈣 (CSD)、β-半水硫酸鈣 (β-CSH)、α-半水硫酸鈣 (α-CSH))。而由時間的測試結果得知，反應初期所析出的硫酸鈣水合物為CSD，隨著反應時間增加，生成物會轉化成β-CSH，最後再轉變成α-CSH。當反應溫度在80oC以下時，樣品大多為CSD；若將反應溫度控制在90oC時，硫酸鈣水合物的晶型會隨著氯化鈣濃度的增加而改變，其轉化路徑為: CSD → CSD + β-CSH → CSD + β-CSH + α-CSH → α-CSH。同時本研究更發現藉由反應時間及CaCl2濃度的變化，可以控制α-CSH的結晶尺寸，進而提升α-CSH水合後樣品的抗壓強度。由耦合電漿質譜儀及體內生物相容性測試證實，所生產的硫酸鈣水合物皆符合ASTM重金屬含量與生物相容性規範。實驗也成功建構硫酸鈣水合物的processing window，可做為後續生產不同硫酸鈣水合物之參數設定依據。
　　在IPS的設計中，乃利用靜態混鍊注射器來混合帶正電的幾丁聚醣 (Chitosan, CS)與帶負電的γ-聚麩胺酸 (γ-polyglutamic acid, γ-PGA) + 羧甲基纖維素納 (Carboxymethyl cellulose, CMC)，以形成的聚電解質錯合體來製作可注射式支架。實驗所設計的IPS固化時間小於1分鐘，凝膠率最高可達75%，並且具有連通多孔的構型，此結構在PBS中經過26週的降解實驗，依然具有相當良好的穩定性，且進一步證實具細胞相容性。
　　於米格魯犬齒槽骨缺損測試中發現，樣品植入後3週，IPS的新骨再生率為20.7%，而IPS/CSD則為50.1%，此結果皆比空白控制組高(0.5%, p < 0.05)；而植入後6週，IPS及IPS/CSD兩組的新骨再生率皆約為70%無統計上差異，但IPS/CSD組別的變異係數遠比IPS組來得低，亦即IPS/CSD, 在不同動物個體上所呈現的結果比較專一，骨組織再生性能的再現性比較高。以上結果得知，IPS中添加硫酸鈣，於植入骨缺損的初期能有效的促進骨組織的再生，並具有較高的實驗結果再現率。
　　本研究也藉由蘭嶼豬的下顎骨缺損模型來評估添加hDPSC於IPS/CSD對於骨組織再生之助益。由結果得知，空白控制組於術後8週的新骨再生率只有27%，與直接在缺損部位植入hDPSC的數值24.3%無統計上差異，IPS/CSD植入後兩個月其促進骨組織癒合的效果非常顯著，新骨再生率約為79%，而在加入hDPSC後提升至91.8%，顯示hDPSC能有效提升骨移植材對骨組織的修復能力。