組織工程支架為一多孔性支架，可提供很好的環境讓細胞貼附生長、分化和形成細胞外間質(Extracellular Matrix , ECM)，在傳統的支架製造方法上，普遍有著孔洞大小、分布不易控制、特定外形難以製作，以及冗長的製作時間等問題，皆造成支架製作使用上的不便利；然而以快速原型(Rapid Prototyping)技術應用在製作支架上，以層加工堆疊成型，可有效地解決傳統製作支架的問題。
本研究建構一套紫外光快速原型系統(UV Rapid Prototyping System)用於製作生物支架。選擇以紫外光代替昂貴的雷射光源當作系統照射光源。在經濟上的考量也更具效益。將UV光照射到光聚合生醫材料上，以伺服馬達自動控制每層圖案，如此一層一層的堆疊出每個切層平面。系統成功地製作出0/90度直交結構的多孔支架。經水沖洗後處理，孔洞其3D效果尤佳且具孔洞連通性。以此新光源系統製作支架條寬(Fiber width)約為600μm，可得兩種的孔洞尺寸約為150μm和200μm以供日後測試孔徑大小對細胞成長的影響。
聚乙二醇-丙烯酸酯(PEG-AC)型光交聯劑可受UV光激發而發生交聯反應，混入比例為85比15的聚乳酸-甘醇酸(85/15 PLGA)改善其親水性。針對所製作之組織工程支架PEG-AC，其整體具透光性，因此未來培養細胞後藉由顯微鏡可立即觀測細胞成長之情形。並對所使用的生醫高分子材料，PEG-AC型與PEG-AC/PLGA型，進行材料硬度測試。

關鍵詞：快速原型、組織工程、支架、紫外線固化、聚乙二醇-丙烯酸酯

Abstract
Tissue Engineering scaffold is a porous scaffold , it can offer cell an
excellent environment to adhesion, grow, differentiate and form Extracellular
Matrix (ECM). Traditional methods to generate tissue engineering scaffold have
encountered issues such as limited control of pore-size, restricted geometric
shapes, and long fabrication periods. Layered manufacturing techniques, also
known as Rapid Prototyping (RP) processes, provide a great opportunity for
fabricating scaffolds without above problems.
In this research, an UV Rapid Prototyping system was developed to cure
UV-curable biodegradable material to generate scaffold. Instead of using an
expensive laser light source in Stereo Lithography Apparatus (SLA), UV light
source was selected in the system. With this approach, the cost of the system
could be reduced. The UV light was focused to cure the biodegradable material.
The servomotors were used to control the x-axis and y-axis, the layer pattern,
automatically. Scaffolds with 0/90 square pores were ∘ fabricated successfully
by this system. The 3D interconnected pore network could be achieved after
flushing the fabricated scaffolds by water. The width of fiber is about 600μm.
The two pore size of scaffolds achieved by this system was about 150μm and
200μm for future testing that the influence of porosity size upon cell growth in
this range.
The biodegradable material exploited in this study is 85/15PLGA, and the
PEG-AC polymer, which can be excited by UV light to cause cross-linking
reaction, is added as the agent of cross-linking. PEG-AC polymer can also
improve the hydrophile of PLGA. Direct to the fabrication of PEG-AC scaffold
of Tissue Engineering, it appears transparent quality. Therefore, it can observethe cell growth immediately with the microscope after culture cell in the future.
Hardness tests of the fabricated scaffolds were conducted in order to compare
the two scaffold materials, PEG-AC type and PEG-AC/PLGA type, used in this
research.

目錄
摘要 I
Abstract III
謝誌 V
目錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XV

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的和方法 2
1-3 論文撰寫架構 3
第二章 文獻探討 4
2-1 組織工程(Tissue Engineering)簡介 4
2-1-1支架材料之特性 5
2-1-2高分子生醫材料 7
2-1-2-1 天然高分子生醫材料 7
2-1-2-2 合成高分子生醫材料 10
2-1-3一般支架製備方法 13
2-2快速原型的意義 17
2-2-1快速原型技術流程 18
2-2-2快速原型技術之發展 19
2-2-3 商業化快速原型系統簡介 21
2-2-3-1 固態類 22
2-2-3-1-1 薄材疊層製造(LOM) 22
2-2-3-1-2 熔解層積造形（FDM） 24
2-2-3-2 液態類 25
2-2-3-2-1 立體快速成型裝置（SLA） 25
2-2-3-2-2 實體固化成形（SGC） 26
2-2-3-3 粉末類 28
2-2-3-3-1 局部雷射燒結（SLS） 28
2-2-3-3-2 3D 列印(3DP) 30
2-2-4應用快速原型技術製造組織工程之支架 31
2-2-5光成型微快速原型技術 37
2-2-5-1 掃描式微快速原型技術 38
2-2-5-2 投射式微快速原型技術 39
2-2-5-2-1 實體光罩之投射式微快速原型系統 40
2-2-5-2-2 動態光罩之投射式微快速原型系統 40
2-3紫外光硬化樹脂 41
2-3-1光硬化樹脂的理論 43
2-3-2光硬化的反應機制 43
第三章 紫外光快速成型系統架構 46
3-1線性XY平台 48
3-2成型平台 53
3-3紫外線點光源機 54
3-4 Z軸驅動機構 57
3-5光遮斷器 58
3-6 PC-Based 控制器 59
3-6-1 PC-Based 控制器簡介 59
3-6-2 PC-Based 控制器架構 60
3-6-3 運動控制單元 61
3-6-4人機介面 64
第四章 實驗方法與結果 65
4-1 實驗藥品與設備 65
4-2 材料系統介紹 66
4-2-1 光起始劑 66
4-2-2 光交聯劑 68
4-2-3 添加劑 70
4-2-4 光聚合生醫材料 71
4-3 加工系統流程與支架製作 72
4-3-1 加工參數 72
4-3-2 多孔性支架製作 75
4-3-2-1加工路徑規劃 75
4-3-2-2單層支架製作 77
4-3-2-2-1單層支架路徑規劃 77
4-3-2-2-2單層支架製作之結果 80
4-3-2-3雙層支架製作 83
4-3-2-3-1雙層支架路徑規劃 83
4-3-2-3-2雙層支架製作結果 84
4-4 材料性質測試-硬度測試 92
4-4-1硬度測試理論 92
4-4-2硬度測試實驗 93
4-4-2-1鑲埋製作 93
4-4-3硬度測試結果 93
第五章 結論與建議 95
5-1 結論 95
5-2 建議 96
參考文獻 98

圖目錄
圖2-1 組織工程的方法 4
圖2-2 組織工程三要素 5
圖2-3 PLGA化學式 11
圖2-4 PLGA原料及各式製品 12
圖2-5 鹽析法所製成之支架 13
圖2-6 Si-Nae Park等人在不同冷凍溫度下所製作之多孔支架 14
圖2-7 擠製成型法的架構 15
圖2-8 Markus S. Widmer等人所擠製之中空支架 15
圖2-9 纖維鍵結法所製成之網狀結構 16
圖2-10 Guobao Wei.等人所製作之NHAP/PLLA (50:50)支架 16
圖2-11 快速原型加工原理 18
圖2-12快速原型製造流程 19
圖2-13 依材料成形方式分類之快速原型製程 21
圖2-14 LOM 快速原形系統 23
圖2-15 FDM 快速原形系統 24
圖2-16 SLA 快速原型系統 26
圖2-17 SGC 快速成型加工示意圖 27
圖2-18 SLS 快速原形系統 29
圖2-19 3DP 快速原型系統 30
圖2-20 FDM系統工作原理 31
圖2-21 Iwan Zein等人所製作之PCL 支架 32
圖2-22 Samar Jyoti Kalita等人所製作之複合支架 33
圖2-23 3DP系統工作原理 34
圖2-24 3DP所製作之彩色工件 34
圖2-25 C.X.F. Lam等人所製作之半月板支架 35
圖2-26 Zhuo Xiong等人所製作之PLLA支架 35
圖2-27 Rapid prototyping robotic dispensing system 36
圖2-28 掃描式微快速原型系統 38
圖2-29 投射式微快速原型系統 38
圖2-30 掃描式快速成形之代表機構 39
圖2-31 使用實體光罩之投射式微快速原型系統 40
圖2-32 動態光罩之投射式微快速原型系統 41
圖2-33 傳統樹脂與光硬化樹脂收縮比較圖 42
圖2-34 光硬化樹脂之聚合反應程序 45
圖3-1 系統架構 47
圖3-2 線性XY平台 48
圖3-3滾珠螺桿與伺服馬達模組 50
圖3-4線性滑軌示意圖 50
圖3-5 伺服馬達迴路控制 51
圖3-6 配線台示意圖 53
圖3-7成型平台 54
圖3-8紫外線點光源機 54
圖3-9光源聚焦夾治具 55
圖3-10 光導向纖維裝置 56
圖3-11 光纖點光源機外型尺寸圖 56
圖3-12 龍門裝置組裝完成示意 57
圖3-13 Z軸驅動機構 58
圖3-14 光遮斷器 （(左)實體圖 (右)配線圖） 58
圖3-15 PC-Based 的控制架構 60
圖3-16 PCI-8164軸向控制卡與轉接板 62
圖3-17控制系統示意圖 63
圖3-18 RP系統人機介面 64
圖4-1 光起始劑 TPO 之光吸收曲線圖 67
圖4-2聚乙二醇的化學結構 69
圖4-3 PEG-AC 之化學結構式 69
圖4-4 PLA、PGA共聚物成分與降解半衰期關係 71
圖4-5 伺服馬達的控制介面 73
圖4-6 特徵發生偏移的現象 73
圖4-7 加工成型支架之層厚 75
圖4-8 支架內部結構方向0/90度 75
圖4-9 堆疊結構名詞 76
圖4-10 Zigzag加工路徑示意圖 76
圖4-11 紫外光源單點照射固化成品 77
圖4-12長 × 寬為5mm×5mm單層支架模型圖 78
圖4-13 紫外光以Zigzag 路徑來回加工 80
圖4-14單層支架製作結果 82
圖4-15單層支架之實際條寬與間距大小 83
圖4-16 網狀偏移結構 83
圖4-17 沖洗後之條寬600μm，間距400μm雙層支架結構圖 85
圖4-18 沖洗後之條寬600μm，間距400μm雙層支架孔洞大小 85
圖4-19變更尺寸之單層支架模型圖 86
圖4-20變更尺寸之單層支架結構圖 87
圖4-21變更尺寸單層支架之實際條寬與間距大小 88
圖4-22變更尺寸支架之第二層支架模型圖 89
圖4-23沖洗後之變更支架尺寸的雙層支架結構圖 90
圖4-24沖洗後之變更支架尺寸的雙層支架孔洞大小 90
圖4-25雙層支架放大25倍的剖面圖 91
圖4-26 Durometer Hardness儀器圖 92
圖4-27箱埋成品 93
圖4-28硬度測試 94
圖4-29硬度對應表 94

表目錄
表2-1 天然高分子材料的醫療用途 9
表3-1 伺服馬達與伺服馬達驅動器規格 51
表3-2 ANUP 5204產品規格表 55
表4-1 光起始劑TPO 之基本資料 67
表4-2 光聚合生醫材料之調配比例 71
表4-3 製作單層支架尺寸表 78
表4-4 單層支架的設計尺寸與實際尺寸比較 81
表4-5 變更單層支架之間距尺寸 86
表4-6 變更尺寸支架的設計尺寸與實際尺寸比較 87
表4-7 不同路徑規劃之雙層支架孔洞大小比較 91
表4-8 生醫材質物理性質觀察結果 92
表4-9硬度測試結果 93

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