Synthesis of Antibacterial TiO2/PLGA Composite Biofilms

本研究結合具光觸媒效應之奈米TiO2與具生物可降解性之PLGA高分子生醫材料，製作出具主動抗菌性與生物相容性之複合薄膜，期望能做為皮膚傷口之敷料。由於TiO2能分解附近之有機物，因此有抗菌之效用，但細胞體積較細菌大十倍以上，藉由調控TiO2的濃度，可使薄膜具有足夠抗菌效果，但卻不會產生細胞毒性，達到傷口敷料之主動抗菌效用並促進傷口之快速癒合，進而降低傷口敷料之更換頻率。本研究以水熱法及溶膠-凝膠法製備具銳鈦礦晶格相之TiO2，再將TiO2奈米顆粒與PLGA溶液混合，待溶液揮發後，形成抗菌複合薄膜，以大腸桿菌與金黃色葡萄球菌進行抗菌試驗，以人類角質細胞、牛頸動脈內皮細胞與老鼠纖維母細胞進行材料對細胞毒性測試，更進一步以老鼠皮下埋入測試其生物相容性。結果顯示以溶膠-凝膠法製備之TiO2具有銳鈦礦晶格相，且薄膜表面TiO2顆粒會隨濃度增加而有聚集現象，此複合薄膜在TiO2濃度10%時具有良好的的抗菌力，但對角質細胞及纖維母細胞不具有細胞毒性，對皮下組織也無不良之組織反應，為適合用於傷口敷料之TiO2濃度。但當TiO2濃度為10%時，對內皮細胞之細胞毒性較大，故此濃度之薄膜較不適合應用於深層傷口之修復。The main purpose of this study was to develop a TiO2/PLGA composite biomaterial for artificial dressing applications. Hydrothermal method and Sol-gel method were used for the preparation of anatase phase of nano TiO2 powder. E. coli and S. aureus were used as biological indicators for the disinfection efficiency of the proposed TiO2/PLGA composite. Various concentration ratios of TiO2 verse PLGA were implemented to optimize the disinfection efficiency of the composite biomaterial. Cell seedings of HaCaTs, L929s, and BECs on the TiO2/PLGA composite biofilms were conducted to evaluate the feasibility of the TiO2/PLGA composite biomaterial on wound healing applications in vitro. The feasibility biocompatible biofilm was further assessed by rat subcutaneous implantation to investigate the histological effect in vivo. The results illustrated that Sol-gel method could prepare anatase phase of nano TiO2 powder. TiO2/PLGA composite biofilms containing 10% of TiO2 nanoparticles revealed an effective antibacterial property, kept well survival rate on HaCaTs and L929s growth, and showed relative safe stability on tissue implantation. Although the biofilms containing 10% TiO2 nanoparticles illustrated good biocompatibility on HaCaTs and L929s, it also expressed certain cytotoxicity on BECs. Therefore, TiO2/PLGA composite biofilms containing 10% of TiO2 nanoparticles was more suitable on less-endothelial cells tissue, such as epidermis of skin.誌謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 IX 第 1 章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 第 2 章 文獻回顧與探討 4 2.1 皮膚組織與創傷修復 4 2.1.1 皮膚構造 4 2.1.2 皮膚創傷修復過程 6 2.2 二氧化鈦 8 2.2.1 簡介 8 2.2.2 奈米二氧化鈦顆粒製備方式 11 2.2.3 奈米二氧化鈦於主動抗菌之應用 13 2.3 聚乳酸-甘醇酸簡介 14 2.4 奈米粒子對生物活性之影響 16 2.5 奈米結構對細胞生長影響 17 第 3 章 研究方法與材料 19 3.1 本研究之實驗流程如下： 19 3.2 TiO2/PLGA複合薄膜製作與分析 20 3.2.1 奈米銳鈦礦TiO2製備 20 3.2.2 薄膜製作 21 3.2.3 薄膜表面結構分析 21 3.2.4 薄膜表面粗糙度量測 21 3.3 抗菌力測試 21 3.3.1. 試驗前菌株與藥品器材準備 21 3.3.2 試驗前樣品製備 23 3.3.3 試驗操作 23 3.3.4 抗菌力計算 23 3.4 細胞毒性測試 23 3.4.1 試驗前細胞與藥品器材準備 23 3.4.2 試驗前樣品製備 25 3.4.3 細胞植覆 25 3.4.4 細胞存活率量測 26 3.4.5 細胞型態觀察 26 3.5 生物相容性測試 27 3.5.1 試驗動物與樣品製備 27 3.5.2 皮下埋入 28 3.5.3 石蠟包埋切片 28 3.5.4 Hematoxylin & Eosin (HE) 染色觀察 29 第 4 章 研究結果與討論 30 4.1 TiO2/PLGA複合薄膜製作與分析 30 4.1.1 奈米銳鈦礦TiO2分析 30 4.1.2 薄膜表面結構分析 32 4.1.3 薄膜表面粗糙度測試 33 4.2 抗菌力測試 34 4.3 細胞毒性測試 36 4.3.1 細胞存活率測試 36 4.3.2 細胞型態觀察 38 4.4 生物相容性測試 40 第 5 章 結論與未來展望 43 參考文獻 4