臺灣博碩士論文加值系統

熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling)技術是市售常見的3D列印方法，然而其高溫製程與材料類型限制是醫療應用上的大問題。
本研究主要開發柱塞擠出式3D列印機，馬達帶動螺桿使針筒內活塞擠出材料，機構特色具有快速置換針筒設計，減少列印材料汙染。列印使用材料為Dichloromethane(有機溶劑)、Polycaprolactone (生物可吸收材料)、Lidocaine、Vancomycin、Ceftazidime調配。機構與材料搭配解決無需高溫製程、材料種類形式不受限制問題。
實驗證明柱塞擠出式3D列印機能夠列印多孔結構之帶藥材料支架。帶藥支架具有長效強度、可降解特性、藥物釋放能力、抑菌效果。
根據以上實驗，選定支架網格尺寸為2 mm、高分子與藥物比例為4:1，使用老鼠大腿肌肉斷裂進行動物實驗支架應用。研究結果顯示支架能提高傷口的復原強度，若搭配攜帶藥物，將可提高動物活動力、減少傷口之感染。
展現本研究所開發之柱塞擠出式3D列印機，在未來應用上可搭配結構設計及使用不同材料，列印出更多元支架植入物。

The Fused Deposition Modeling technology is a common available method in most of the 3D printing process. The mandatory step of the high temperature process becomes a major limitation for its clinical practices, especially in the medical application. In this study, we designed and developed a new plunger-type 3D printer in order to solve the major deficit of the high temperature process in 3D printing process.
This main design of this plunger 3D printer included the usage of Dichloromethane as a solvent to solve the materials of Polycaprolactone (PCL), Lidocaine, Vancomycin, or Ceftazidime and built these materials into a mesh type structure for clinical applications. The in vitro study included the mechanical test by repeat stretched test for 10000 times in the Lloyd LRX machine, the biodegradable property by the HPLC assessment, and the drugs release capacity by the bioactivity test. The in vivo study included the comparison of the muscle healing conditions in a rat quadriceps muscle disruption model with or without mesh-type PCL augmentation. The results showed that PCL mesh / drugs can improve the rat activities in the first postoperative week recorded by a special animal activity cage. This PCL mesh/drugs improved muscle healing conditions without triggering tissue overreactions by the histological evaluations. In conclusion, the plunger-type 3D printer designed in this study was proved to be suitable in the medical application to print a bioabsorbable mesh implant for improving muscle healing without tissue overreactions.

指導教授推薦書
口試委員會審定書
致謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 xi
表目錄 xvi
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 熔融沉積成形(Fused Deposition Manufacturing) 2
1.3 現有生醫工程之列印技術 3
1.3.1 噴墨列印(Inkjet) 4
1.3.2 微擠壓列印(Microextrusion) 4
1.3.3 雷射輔助列印(Laser-assisted) 5
1.3.4 選擇擠出方法於開發機台 6
1.4 生物可降解材料 7
1.4.1 可降解高分子簡介 7
1.4.2 可降解高分子種類 7
1.5 研究動機與目的 8
第二章 文獻回顧 9
2.1 人造肝細胞組織擠出列印 9
2.2 軟組織再生擠出列印 10
2.3 神經幹細胞擠出列印 11
2.4 仿生骨頭微孔結構生物擠出 12
2.5 藥片擠出列印 13
2.6 文獻總結 13
第三章 材料設備與實驗方法 14
3.1 實驗流程 14
3.2 柱塞擠出式3D列印機之開發 15
3.2.1 零件設計與功能介紹 16
3.2.2 零件組裝與機構設計 23
3.3 切層軟體-Cura 15.02.版 25
3.4 材料之使用 26
3.5 支架製備 28
3.6 柱塞擠出式3D列印機測試檔案 30
3.7 體外降解測試 31
3.7.1 PCL網格拉伸測試 31
3.7.2 凝膠滲透層析儀(GPC)定量分析 32
3.8 表面型態觀察 33
3.9 機械性質測試 35
3.10 水接觸角量測 37
3.11 傅立葉轉換紅外光譜 (FTIR)分析 38
3.12 高效能液相層析儀(HPLC) 40
3.13 細胞存活率分析 42
3.14 抑菌測試 44
3.15 動物實驗 46
3.15.1 動物行為模式觀察 48
3.15.2 傷口觀察 48
3.15.3 拉伸測試 48
3.15.4 組織切片 48
第四章 結果與討論 49
4.1 柱塞擠出式3D列印機測試結果 49
4.1.1 機構測試 49
4.1.2 列印測試 50
4.1.3 列印成果 53
4.2 體外降解測試結果 55
4.2.1 PCL 網格降解拉伸測試 55
4.2.2 凝膠滲透層析儀(GPC)定量分析 56
4.3 表面型態觀察結果 57
4.3.1 表面型態比較 57
4.3.2 PCL帶藥結構觀察 59
4.4 機械性質測試結果 62
4.4.1 不同網格尺寸拉伸測試 62
4.4.2 不同網格尺寸疲勞測試 64
4.4.3 帶藥網格支架拉伸測試 67
4.5 水接觸角量測結果 69
4.6 傅立葉轉換紅外光譜 (FTIR)分析結果 70
4.7 高效能液相層析儀(HPLC)結果 72
4.7.1 體外HPLC基本設定參數 72
4.7.2 體外藥物濃度 74
4.8 細胞存活率分析 76
4.9 抑菌測試結果 77
4.10 動物實驗結果 79
4.10.1 術後傷口癒合觀察 79
4.10.2 動物活力測試結果 80
4.10.3 動物拉伸測試結果 82
4.10.4 組織切片結果 84
第五章 結論與未來展望 86
5.1 結論 86
5.2 未來展望 88
參考文獻 89
(附錄) 93

 
圖目錄
圖1-1生醫工程列印技術。 5
圖2-1人造肝組織細胞製程設備與成品[23]。 9
圖2-2軟組織再生擠出列印設備與成品[24]。 10
圖2-3神經幹細胞擠出列印設備與成品[25]。 11
圖2-4仿生骨頭微孔結構生物擠出設備與成品[26]。 12
圖2-5仿生骨頭微孔結構生物擠出設備與成品[27]。 12
圖2-6藥片擠出列印設備與成品[28]。 13
圖3-1實驗流程圖。 14
圖3-2 U-Maker列印機介紹，(A)列印機(B)進料機構(C)噴頭座。 15
圖3-3機台改良使用零件。 16
圖3-4推針塊，(A)成品圖(B)設計圖。 17
圖3-5底座，(A)成品圖(B)設計圖。 18
圖3-6聯軸器，(A)成品圖(B)設計圖。 18
圖3-7骨架，(A)成品圖 (B)設計圖。 19
圖3-8風扇固定架，(A)成品圖 (B)設計圖。 20
圖3-9針頭罩，(A)成品圖 (B)設計圖。 20
圖3-10零組件購買，(A)連座軸承(B)塑膠錐形針頭(C)螺桿(D)頂針(E)基板(F)針筒。 22
圖3-11機構示意圖，(A)爆炸圖(B)組合圖。 23
圖3-12實體組裝，(A)鎖點、裝配位置(B)針筒裝配(C)完整組裝。 24
圖3-13切層軟體介面。 25
圖3-14支架材料，(A)二氯甲烷(B)聚己內酯(C)頭孢他啶(D)萬古黴素(E)利多卡因。 27
圖3-15參數設定。 29
圖3-16 3D列印設備架設。 29
圖3-17測試圖，(A)正方形輪廓(B)圓柱網格。 30
圖3-18拉伸測試機與待測支架。 31
圖3-19 GPC。 32
圖3-20鍍金機(Hitachi E-1010)。 34
圖3-21表面觀察設備。 34
圖3-22拉伸測試，(A)對照組拉伸(B)支架拉伸。 36
圖3-23 PSC-1000B。 37
圖3-24傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)分析設備，(A) FTIR(B)打錠器具。 39
圖3-25 高分子官能基，(A)利多卡因(B)聚己內酯(C)頭孢他啶(D萬古黴素)。 39
圖3-26 HPLC。 41
圖3-27 MTT染料。 42
圖3-28分光光度計。 43
圖3-29動物實驗流程圖，(A)藥物調配(B)支架列印(C)支架成品(D)支架修復實驗。 47
圖3-30活力測試平台，(A)平台示意圖(B)感測器與食物擺放。 48
圖4-1機構測試。 49
圖4-2參數設定。 51
圖4-3方形輪廓列印測試，(A)輪廓量測(B)線徑量測。 52
圖4-4網格圓柱列印測試，(A)前視角列印過程(B)俯視角列印過程(C) 圓柱網格量測。 52
圖4-5列印成品，(A)骨頭模型(B)血管模型(C)牙齒模型(D)耳朵模型。 53
圖4-6網格列印，(A)圓柱網格(B)圓柱網格列印(C)平面網格。 54
圖4-7 PCL支架降解拉伸測試。 55
圖4-8 PCL支架降解曲線。 56
圖4-9列印機表面型態比較。 58
圖4-10帶藥網格支架。 60
圖4-11微觀結構觀察150倍，(A)PCL(B)6:1(C)4:1(D)1:1。 60
圖4-12微觀結構觀察1500倍，(A)PCL(B)6:1(C)4:1(D)1:1。 61
圖4-13微觀結構觀察6000倍，(A)PCL(B)6:1(C)4:1(D)1:1。 61
圖4-14拉伸後的網格支架。 63
圖4-15不同網格尺寸拉伸測試。 63
圖4-16疲勞測試結果20%。 65
圖4-17疲勞測試結果50%。 65
圖4-18不同網格大小疲勞測試。 66
圖4-19拉伸後的帶藥網格支架。 67
圖4-20帶藥支架拉伸測試。 68
圖4-21水接觸角量測，(A)PCL(B)6:1(C)4:1(D)1:1。 69
圖4-22 FTIR分析結果。 71
圖4-23 Lidocaine濃度釋放情形，(A)每日釋放量(B)累積釋放百分比。 74
圖4-24 Vancomycin濃度釋放情形，(A)每日釋放量(B)累積釋放百分比。 75
圖4-25 Ceftazidime濃度釋放情形，(A)每日釋放量(B)累積釋放百分比。 75
圖4-26 MTT量測結果。 76
圖4-27抑菌圈結果。 77
圖4-28兩種藥物的體外藥物釋放與抑菌測試對比圖，(A)Vancomycin抑菌活性效果(B)Ceftazidime抑菌活性效果。 78
圖4-29傷口癒合觀察。 79
圖4-30活力測試感測器結果。 81
圖4-31活力測試總次數結果。 81
圖4-32動物拉伸測試結果。 82
圖4-33強度恢復率。 83
圖4-34組織切片結果，(A)對照組(B)未縫合(C)支架縫合(D)帶藥支架縫合。 85


表目錄
表1-1擠出方法比較[14]。 6
表3-1溶膠調配比例。 28
表4-1 PCL支架降解拉伸最大強度。 55
表4-2 PCL支架降解量對照表。 56
表4-3不同網格尺寸最大強度。 63
表4-4不同網格大小伸長率。 66
表4-5帶藥支架最大強度。 68
表4-6 Lidocaine之高效能液相層析儀設定參數。 72
表4-7 Vancomycin之高效能液相層析儀設定參數。 72
表4-8 Ceftazidime 之高效能液相層析儀設定參數。 73
表4-9動物拉伸結果。 83

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