原子力顯微鏡量測多孔性牙支架材料及細菌機械性質之技術建立

Translated title of the thesis: Establishment of AFM measurement protocol for biomechanical properties of porous dental scaffold and bacteria
  • 林 虹君

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

生物力學性質日漸倍受關注,近年來發現無論細胞自身或是細胞外環境的力學性質皆會對細胞的表現產生影響,細胞內的相關蛋白會因外界環境的力學性質而改變並調控細胞本身的型態,包含了細胞分化、運動方向、活性甚至細胞凋亡。已有?多團隊致力於探討細胞及其生長環境的機械性質,大多數研究結果皆以定性的方式呈現,且尚未有一量測的標準,本研究目的在於利用原子力顯微鏡以及自製膠體球形探針量測定量的生物機械性質。 本團隊將Polycaprolactone (PCL) /Silk fibroin (SF) /Cellulose nanocrystals (CNCs) 依不同比例混合溶液透過靜電紡絲製造五種不同成分之人造支架材料 (PCL、PCL/SF、PCL/SF/1%CNC、PCL/SF/3%CNC、PCL/SF/5%CNC),此材料被應用於使牙胚幹細胞再生,其異質性會隨著CNCs比例的增加而上升,先前文獻指出細胞的表現與基底的機械性質有密切的關係,本研究分別使用了傳統的拉伸試驗以及原子力顯微鏡來量測基板材料微區內的材料剛度,我們將此材料微米範圍的機械性質稱為局部剛度,因此將得到材料巨觀以及微觀的力學性質。在拉伸試驗的結果我們發現支架材料剛度與CNCs添加的比例呈現正相關,然而在原子力顯微鏡局部剛度量測的結果顯示了支架材料的剛度隨著CNCs的比例增加而下降,透過原子力顯微鏡所測得最低局部剛度的材料 PSC5 (PCL/SF/5%CNC) 與牙胚幹細胞之剛度最為匹配,且經過生物實驗也發現此材料對於骨組織的再生效果最佳,因此我們認為利用原子力顯微鏡搭配膠體探針對生物基底材料的量測能真正模擬出細胞所感測到基底材料的機械性質,研究中也指出當基底材料的局部剛度與生物體本身越相近越有利於細胞之分化及生長。 另外我們再進一步將自製膠體球形探針應用於量測生物體本身之機械性質。生物膜是造成?多疾病的主因之一,先前已有?多研究量測生物膜之機械性質,細菌黏附於基板是形成生物膜的關鍵要素之一,因此本團隊將量測細菌對基板的初始黏附力,先前有團隊對初始黏附力作了定性的量測,然而我們將透過原子力顯微鏡對變異鏈球菌初始黏附力作定量的量測,並探討在不同酸鹼值的口腔環境下細菌的機械性質將有何變化。量測的結果顯示出,細菌在弱酸性的環境下有最大的初始黏附力,推測是由於在酸性環境中,變異鏈球菌將排出更多的氫離子使環境pH值持續降低,且水合氫離子容易與磷酸鹽結合形成磷酸鹽陽離子,這些陽離子可以形成鈣酸螯合物 (Chelation),使周圍晶格中的礦物離子脫離,從而導致大量的脫鹽,牙釉質在酸性環境下將進行脫礦反應使牙釉質表面粗糙度提高,此結果造成變異鏈球菌對基板的黏附力增加,因此我們得知將口腔保持在中性及弱鹼性的環境將有利於預防生物膜的產生而避免齲齒的發生。 綜合以上觀點,本研究在於利用自製之球形探針量測纖維材料以及單細胞細菌之機械性質,期望未來能夠提供檢測人造纖維材料以及單細胞細菌機械性質的標準。
Date of Award2018 Feb 12
Original languageChinese
SupervisorBernard Haochih Liu (Supervisor)

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