細胞外基質(Extracellular matrix, ECM)為一存在於許多種類的動 物組織之構造，其主要成分為蛋白質(主要為膠原蛋白)，為纖維所構 成之多孔洞結構，此一構造可提供細胞外基質內的細胞貼附與生長，
而這些纖維直徑大小約為 50-500nm。除此之外，細胞外基質對於細 胞形狀與活動方面扮演著主要的調節角色。這是由於在細胞外基質中 有許多蛋白質會與細胞膜外接受器產生鍵結，進而影響細胞的功能表 現(Karp, 2005)。
1-1-2 基材之化學、表面形貌及軟硬度對細胞生長之影響
在過去的研究中發現，在人工的基材上塗佈上某些種類的細胞外 基質蛋白質後，可以明顯增加細胞對基材的貼附與增生能力(Castner et al., 2002; Gaudet et al., 2003)。另外，若改變基材表面形貌的形狀 (topography)，生長於此基材上的細胞也會有排列及形狀上的改變，
甚至會影響細胞的功能表現(Curtis et al., 1997; Lee et al., 2005)。近年 來，開始有一些研究針對基材的軟硬度對於幹細胞分化之影響。結果 指出，幹細胞生長於不同軟硬度之基材後會分化成不同種類的細胞 (Engler et al., 2006)。而這些研究都證實了細胞外基質對於細胞功能表
現之重要性。
1-1-3 細胞支架之設計
因此，以人工方式所製作出的細胞支架必須以仿照細胞外基質構 造來設計。在材料選擇方面，可分為天然與人工材料，天然材料以膠 原蛋白(collagen)為主(Bellincampi et al., 1998; Dunn et al., 1995)，這是 由於膠原蛋白是細胞外基質內含量最多的蛋白質。而在人工材料方 面 ， 大 多 採 用 高 生 物 相 容 性(biocompatible)且具有生物可降解性 (biodegradable)的高分子聚合物，如：聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、
左旋型聚乳酸(PLLA)、聚己內酯(PCL)等(J. A. Cooper et al., 2005; Lin et al., 1999; Lu et al., 2005; Middleton et al., 2000)。而在細胞支架結構 方面，主要可分為四種類型。第一種類型為微米級多孔型細胞支架，
製 作 的 方 式 主 要 為 溶 劑 鑄 造/ 鹽 析 法 (solvent casting / particulate leaching)、相分離法(phase separation)及冷凍乾燥法(freeze drying)，孔 洞大小約為數十至數百微米(Karageorgiou et al., 2005)。第二種為水膠 型細胞支架，以化學或是溫度改變的方式使聚合物溶液凝膠，為一無 孔洞之構造(Elisseeff et al., 2005; Noth et al., 2005)。第三種為微米纖維 細胞支架，製作方式為傳統的紡織技術，纖維直徑大小約為數十微 米，以編織或是交聯 (cross-linking)的方式製作出所需要的形狀及大
小的細胞支架(Altman et al., 2002; J. A. Cooper, Jr. et al., 2006)。第四種 為 本 研 究 所 要 採 用 的 奈 米 纖 維 細 胞 支 架 ， 製 作 的 方 式 有 自 組 裝 (self-assemble)、相分離法(phase separation)及電紡(electrospinning)，
所製作出之纖維直徑大小約為數十到數百奈米(Barnes et al., 2007)。而 奈米纖維細胞支架相較於其他兩者更近似於細胞外基質內纖維直徑 的大小。
1-1-4 奈米纖維細胞支架對細胞反應之影響
由於奈米纖維細胞支架具有高孔洞率及高表面積對體積的比例 的特性，且擁有與細胞外基質相似的纖維直徑大小(Lee et al., 2005)，
因此許多研究便針對奈米纖維細胞支架對細胞反應影響去做探討，結 果顯示奈米纖維細胞支架對於細胞的功能表現確實優於其他種類的 細胞支架。Sahoo 等人之研究指出，骨髓幹細胞生長於聚乳酸-甘醇酸 (PLGA)奈米纖維細胞支架上之增生及產生細胞外基質表現明顯比聚 乳酸-甘醇酸微米纖維細胞支架好(Sahoo et al., 2006)。而在 Lee 等人 的研究中，發現纖維母細胞生長於平行排列的奈米纖維比亂數排列的 奈米纖維產生出更多與韌帶相關的細胞外基質(Lee et al., 2005)。
1-1-5 電紡技術 電紡技術簡史
等
電紡是一種紡織技術，有別於傳統的紡織技術，可製作出直徑大 小為數十至數百奈米的纖維。而電紡的原始構想始於 1930 年代早期 發展出來，之後由Formhals 在 1934 年申請第一個美國專利(Formhals, 1934)。在之後的數十年，也有許多不同型式的電紡技術發展出來，
也陸續的申請專利，但當時由於電紡並無實質上的應用價值，所以並 沒有受到重視。近年來，由於電子顯微鏡的發明與奈米科技的進步，
研究學者開始將電紡技術應用於醫學工程的領域之中。
電紡構造及基本原理
電紡主要構造包含有三個部份：注射器、高電壓電源供應器及金 屬收集器(圖 1 - 1)(Teo et al., 2006)。電紡抽絲主要是以靜電力的概 念，利用高壓電源供應在溶液表面施以高電壓(15~25kV)，而與金屬 接收器(0V或帶負電)之間形成一電場，所產生之靜電力將奈米纖維從 溶液表面抽出(Subbiah et al., 2005)。而奈米纖維絲成形主要分為兩個 階段：第一個階段為噴發起始期(jet initiation)，主要是由於高壓電場 所產生的靜電力大於溶液末端的表面張力時，纖維絲從溶液表面抽出 (Taylor, 1969)。第二階段為彎曲不穩定期(bending instability)，當纖維 絲從溶液抽出後，在纖維絲落在金屬收集器之前會呈現彎曲且方向不 穩定的狀態，Yarin 人認為是由於充滿電荷的纖維絲所產生的排斥
力所導致(Yarin et al., 2001)。因此，金屬收集器上的奈米纖維是以亂 數排列的方式呈現。
Solution
High Voltage power supply
Electrospinning jet Solution
High Voltage power supply
Electrospinning jet
圖 1 - 1：電紡基本配置圖(Teo et al., 2006)
電紡參數對於奈米纖維形態學之影響
影響奈米纖維形態的參數可分為三大類：第一類為溶液的特性，
包括有黏性(viscosity)、聚合物濃度(polymer concentration)、聚合物的 分子量(molecular weight of polymer)、導電性(electrical conductivity)、
彈性(elasticity)及表面張力(surface tension)。第二類為儀器設置狀態，
包 括 有 施 加 電 壓 大 小(applied voltage) 、 針 與 金 屬 收 集 器 之 距 離 (distance from needle to collector)、注射器流速(volume of feed rate)及 針的直徑(needle diameter)。第三類為大氣狀態，包括有溫度、溼度及 大氣壓力(Tan et al., 2005)。在過去的研究中已成功製作出直徑大小為
5 奈米的電紡奈米纖維(Hou et al., 2002)。因此，若能有效的控制以上 的參數，便可以製作出穩定的奈米纖維形態。
一般而言，電紡奈米纖維形態可分為兩種：一致性(uniform)和非 一致性(non-uniform)。一致性為正常形態的電紡纖維，也就是所有的 纖維都呈現絲狀且有相近的直徑大小，而非一致性又分為兩種類型：
第一種為小珠(bead)形態，在纖維絲的周圍有小珠狀的形態，一般都 是在製作比較細的纖維時出現，主要是在彎曲不穩定期形成。第二種 為纖維直徑呈現雙峰分佈(bimodal)，所製作出的纖維有粗細不均的現 象，一般都是在製作比較粗的纖維時出現，主要是在噴發起始期形 成。過去研究中指出小珠形態的纖維絲會使細胞增生的態力下降，因 此，在製作電紡絲時應儘量避免小珠形態的產生(Chen et al., 2007)。
1-1-6 電紡技術在組織工程上之應用
由於電紡可製作出直徑為數十到數百奈米之纖維，且為多孔洞之 構造，由於近似於體內細胞外基質之構造，因此近年來許多學者開始 將電紡奈米纖維應用於細胞支架之組織工程研究，目前所已應用之領 域包括有硬骨、軟骨、韌帶、肌腱、血管、神經及皮膚組織工程。
硬骨組織工程：Tuzlakoglu 等人混合使用微米纖維與奈米纖維並利用 纖維交聯的方式製作出立體澱粉/聚己內酯(starch/PCL) (30:70) 細胞
支架。結果顯示，有混合電紡奈米纖維的細胞支架對於 SaOs-2 細胞 株及骨髓幹細胞的貼附與鹼性磷酸脢(alkaline phosphatase)活性表現 都比沒有混合電紡奈米纖維的細胞支架還要好(Tuzlakoglu et al., 2005)。Yoshimoto 等人將新生鼠之間葉幹細胞培養於聚己內酯(PCL) 奈米纖維細胞支架4 週。培養第一週時，細胞穿過細胞支架生長並產 生大量的細胞外基質；於第四週時觀察到多層細胞生長於表面、礦化 作用(mineralization)及第一型膠原蛋白的生成。顯示出聚己內酯奈米 纖維細胞支架在骨組織工程之應用有發展之潛力(Yoshimoto et al., 2003)。
軟骨組織工程：Li 等人使用老鼠纖維母細胞及間葉幹細胞研究電紡聚 乳酸-甘醇酸(PLGA)細胞支架，作者認為聚乳酸-甘醇酸細胞支架所提 供的力學特性適合做為軟骨組織工程之應用(W. J. Li et al., 2002)。
Shields 等人研究電紡第二型膠原蛋白(type II collagen)奈米纖維細胞 支架(分為有交聯處理及無交聯處理)。在培養人類骨節軟骨細胞(T/C 28a2)7 天後，在有交聯處理的細胞支架上顯示出較好的細胞貼附、增 生及移動能力，利用免疫組織化學的分析也發現較多細胞外基質的分 泌(Shields et al., 2004)。將 TGF-β1 加入培養於聚己內酯(PCL)奈米纖 維的成人間葉幹細胞的培養基中後，可以促進間葉幹細胞分化為軟骨 細胞，並顯示出特定的軟骨基因表現及分泌出與軟骨相關的細胞外基
質(M. Y. Li et al., 2005)。
韌帶/肌腱組織工程：將人類韌帶纖維母細胞培養於平行排列的聚氨 酯(PU)奈米纖維上 3 天後，發現細胞呈現紡錘形狀且順著奈米纖維的 方向生長排列。將細胞培養於亂數排列的奈米纖維上則無此特性。培 養於平行排列的細胞在 7 日後呈現類似組織成束的構造且高密度細 胞生長於纖維表面，而此現象並沒有出現在亂數排列的奈米纖維之 中。細胞膠原蛋白的分泌在平行排列的奈米纖維上也顯著較多。平行 排列的奈米纖維對於長軸方向的力學剌激也有較敏感的現象。根據此 研究，平行排列的奈米纖維具有發展韌帶組織工程應用的潛力(Lee et al., 2005)。
由於奈米纖維基材缺乏足夠的力學強度，對於韌帶及肌鍵組織工 程的應用會造成限制。因此，若能將電紡奈米纖維與力學強度高的細 胞支架結合，也許可以達到足夠的強度提供肌鍵/韌帶組織工程使 用。Sahoo 等人將聚乳酸-甘醇酸(PLGA)奈米纖維覆蓋在聚乳酸-甘醇 酸針織細胞支架的表面(Sahoo et al., 2006)，將豬骨髓幹細胞培養於有 聚乳酸-甘醇酸奈米纖維覆蓋及無覆蓋的聚乳酸-甘醇酸針織細胞支 架中。 經過 36 小時培養後，細胞貼附性在兩組之間並無差異；在培 養 1 週後，培養在有聚乳酸-甘醇酸奈米纖維的細胞支架細胞貼附及 細胞增生情形比無奈米纖維的細胞支架還要好，而在與韌帶組織有關
的基因表現，如第一型膠原蛋白(type I collagen)、膠原沉積抑制因子 (decorin)及雙醣(biglycan)，也在有聚乳酸-甘醇酸奈米纖維這一組有較 好的表現。
血管組織工程：He 等人使用膠原蛋白/PLLA-CL 混合物做為奈米纖維 備製之材料，在培養人類冠狀動脈內皮細胞後，發現在細胞活性、貼 附性、及基因表現都有所提升。 (He, Yong et al., 2005) He 等人提出 在 有 塗 佈 膠 原 蛋 白 (collagen-coated) 的 結 構 可 以 增 進
血管組織工程：He 等人使用膠原蛋白/PLLA-CL 混合物做為奈米纖維 備製之材料，在培養人類冠狀動脈內皮細胞後，發現在細胞活性、貼 附性、及基因表現都有所提升。 (He, Yong et al., 2005) He 等人提出 在 有 塗 佈 膠 原 蛋 白 (collagen-coated) 的 結 構 可 以 增 進