撐起希望的重生醫材 — 人工關節

作者:Bevis    |   2017 / 04 / 06

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Joseph Wang


關節扮演著連接骨骼的角色,是人體之所以能靈活行動的基礎。然而並非所有關節都做得出旋轉或軸向運動,依造各關節所在的位置而各有不同的運動程度。若以解剖學的角度,關節可以分成「不動關節」、「微動關節」與「動關節」。

「不動關節」的最佳例子,當屬於位在上半身正前方的胸骨,其左右兩旁各與肋骨連結並構成胸腔,形成保護心臟、肺與肝的重要腔體。「微動關節」就如脊椎一樣,主要功能為扮演平衡的角色,當人體行動時才被動地調整角度,讓人體維持一定的重心穩定性。

相比之下,「動關節」才是真正我們之所以能跑、跳、走的關鍵。不管是此起彼落的鍵盤敲擊,還是萬人驚呼的精彩滑壘,都需依靠各個關節相互位移的搭配,才能形成如此精巧的動作。

重中之重的負荷

如此好用的關節,負擔自然也不在話下。在所有「動關節」中負荷量最大的關節,莫過於「髖關節」與「膝關節」。

「髖關節」位於腰部位置,是以骨盆的髖臼來與股骨 (大腿骨) 做結合。形態上,「髖關節」是為球窩結構,股骨尾端呈球狀嵌入在髖臼的凹槽中,讓大腿幾乎可以不受限地朝任何方向移動。

看起來似乎很厲害,但感覺上好像有些模糊。簡言之,「髖關節」的型態就好比科學玩具 – Tedco 陀螺儀一樣,其底部圓球置放在載台上就能自由地 360 度轉動。當然,360 度的動作對我們來說還是很遙遠的,頂多劈個腿做到 170 度就很厲害了。

骨盆可謂是協同上半身重量、支配下半身力量最主要的支點,因此可知「髖關節」是所有關節中承受重量最大的地方。在我們下樓梯時,「髖關節」莫約承受身體重量的 2.6 倍;跑步時,則約負荷身體重量的 5.2 倍,可謂是人體中最勞力的部位。

另外,負擔也不小的「膝關節」,則是人體行動上最主要的樞紐,平時更也承擔著幾乎人體全部的重量。人在下樓梯時由於不需要出力,肌肉是處於收縮狀態、加上重心向下,「膝關節」承受的壓力約身體重量的 7 倍;相較之下,跑步時雖然負擔較小,但負荷量卻也高達 4 倍之多。

如此靈活的「髖關節」與「膝關節」,其好用的關鍵在於兩個互相承接的骨骼,其末端有著軟骨避免骨骼互相摩擦損耗;此外,軟骨更也被關節囊所包覆,並由其中玻尿酸、葡萄糖胺所組成的滑液,讓關節在運動時能有著潤滑保護的作用。

然而,隨著年齡的增加,軟骨破損的程度將逐漸無法跟上修復的速度,骨骼之間更也因為直接的摩擦而損耗。這些因為摩擦而掉落在關節囊裡的碎屑,更是繼摩擦之外最為疼痛的來源。這些因為磨耗所導致的症狀,即是讓人最為畏懼的「退化性關節炎」。

關節炎所帶來的疼痛感,可能會讓人連動的意願都沒有,連帶的整個活動力大幅下降。雖然可以用抗發炎止痛藥來稍微緩解,但這卻也顯得治標不治本;另外,注射玻尿酸或是服用葡萄糖胺,對於骨頭已遭受磨損、甚至還長出骨刺的人們來說,則又顯得為時已晚。

因此若關節炎的症狀若已相當嚴重的話,置換人工關節還是最好的選擇。別想說這可能還離自己很遠,過重的體重或是超乎負荷的運動量,都可能讓關節炎提早過來糾纏你。所以,平時還是先留意自己的體量,可別讓自己被未來的你給埋怨。

重拾動力的機械裝置

倘若關節壽命已然來到,那麼該如何是好呢?其實也不用擔心,1958 年英國骨科醫師 John Charnley 就發明利用金屬製的骨頭與聚乙烯 (即生活中常見的塑膠) 仿製的軟骨,來取代已無法再使用的髖關節。至此,屬於人工關節的新時代已然展開,人工關節置換術更也與植牙列為 20 世紀最偉大的手術之一。

「人工髖關節」在製造上並非一體成型,而是以股骨柄、球頭與襯墊來分別仿製大腿骨、大腿骨末端與軟骨,而髖臼杯則作為骨盆髖臼的取代物。而「人工膝關節」也一樣,是由股骨組件 (大腿) 、關節墊片與脛骨組件 (小腿) 所組成。

此後,人工關節更也隨材料科學的發展,不斷地在材料應用上獲得革新,進而也篩選出最適合人體使用的生醫材料。

撐起希望的重生醫材 - 人工關節-01

 人工關節之組成元件

  • 高分子量聚乙烯正當道

不耐磨的聚乙烯過往常被用來製造襯墊與關節墊片,但由於每年都會被磨損 0.01 至 0.02 公分,其產生的粒子在被免疫細胞吞噬之後,更會因此分泌出侵蝕骨骼的激素使得人工關節不易穩定而脫落;不僅讓人工關節的使用年限降低,病患的疼痛感更也日益上升,形成所謂的顆粒性疾病 (Particle Disease) 。

因此傳統的聚乙烯便被「高分子量聚乙烯」所取代,其除了具有高密度的優點能讓每年磨損降至 0.001 至 0.002 公分外,更能藉由高能量的伽瑪射線 (Gamma Ray) 讓原子重新排列,大幅提升材料本身的硬度。

然而即使「高分子量聚乙烯」有多麽地強硬,塑膠終究還是屬於容易磨耗的材質。也因此「高分子量聚乙烯」仿製的軟骨,只適合應用在平時活動量少、年紀大的病患身上。

  • 與骨骼相仿的合金材質

鈦合金與鈷鉻鉬合金是兩種最常用來仿造骨骼的金屬材料。其中,鈦合金的優點在於質量輕、生物相容佳,其硬度更是骨骼的 5 倍之多。

而鈷鉻鉬合金的生物相容性雖然稍微遜色了點,但由於其硬度是骨骼的 10 倍;因此鈷鉻鉬合金更也適合用來仿製軟骨,形成一體成型的關節架構;不僅結構堅固、耐磨性更也大幅上升,適合平時活動量大、希望能跑跳碰的年輕人。

  • 陶瓷的再強化

易碎的陶瓷居然可以應用在醫療上,這點可能會超乎許多人的想像。但硬度超過不鏽鋼且耐磨性極佳的陶瓷,還是相當受到醫學界的垂涎,期望有一天陶瓷也能成為生醫材料的骨幹之一。

隨著燒結技術的進展,陶瓷的製造開始獲得重大突破;陶瓷在與金屬共同燒結後,能有效提升陶瓷的耐磨性,更讓原本就覬覦已久的醫學應用成為可能。其中,醫學上最常用的「金屬陶瓷」,莫過於氧化鋁陶瓷。

由陶瓷仿製軟骨而製造形成的襯墊,能使耐磨程度大幅提升至傳統聚乙烯材料的 200 倍,人工關節的使用年限更能因此長達 20 至 30 年。更好的是,金屬陶瓷更也適合應用在活動量大的人身上;但若特別喜歡跑跳碰的話,金屬合金還是最好的選擇。畢竟陶瓷雖然耐磨,但隨意碰撞的後果還是很危險的。

集結工藝的製造過程

  • 最傳統的技術製程 – 鍛造

相較於聚乙烯與陶瓷,金屬合金的製造方法顯得更加困難許多;就如國內知名的人工關節大廠 – 聯合骨科一開始只做產品設計,製造部分則委外由國外製造廠負責。即使後來,聯合與相當具有製造經驗的金屬中心合作,但仍有長達 10 年的時製造是交由金屬中心來完成。

不過,歸功於前期設計開發的經驗,聯合在獲得金屬中心的製造支援後,很快地就於 2000 年開發出「人工髖關節骨股柄」,更也在 2001 年通過美國食品藥品管理局 (FDA) 的認證。

所謂的「人工髖關節骨股柄」,即是指插入骨髓用以固定人工關節的元件;雖然看起來有點駭人,但骨骼除了支撐人體的重量外,更也必須承擔行動時所產生的壓力;因此若不透過骨柄來加以固定,可能就會讓人工關節產生脫落的危機。

除了骨柄外,「人工髖關節」更還包含髖臼杯、襯墊與球頭之元件。另外,由於結構與功能上的差異,「人工膝關節」的元件則是以股骨組件 (大腿) 、關節墊片與脛骨組件 (小腿) 組成。

由此可知,人工關節其實是由各種相異的元件所構成;其備受考驗的地方,不僅在於需要由各種客製化元件來組合,更必須製造出只有幾十公分大小的各式型態元件,這對「鍛造」製程來說可謂一大考驗。

所謂的「鍛造」,即是透過加熱讓金屬有著固態的流動狀態,此時的溫度並沒有高到能讓金屬熔化成液態,而是讓金屬有著有如黏土般的可塑性質;此時,再施加壓力讓金屬型變出預設的樣貌。施加力道的大小,則取決於金屬本身的性質與當時的溫度。

此外,當產品越小就越不容易透過鍛造來塑型,這對於有精確尺寸要求的人工關節來說,可謂一大挑戰。

雖然依靠技術終究還能克服一切,不過「鍛造」可是一門精細複雜的製造過程,成本更也是高居不下。相反的,早在 6000 年前就出現的「鑄造」技術,其只要將金屬融熔就能塑造成型的工藝,反而是成本更低的迷人選擇。

這時問題又來了,即使「鑄造」的技術門檻看似很低,但由於人工關節所使用的鈦合金熔點高達 1,725℃,遠遠比傳統模具材料的灰口鐵 (含碳量:2.7~4%,熔點:1145 ~ 1250℃) 、鋼 (含碳量:0.2~2.1%,熔點:1370 ~ 1450℃) 或青銅 (熔點:800℃)來得高出許多。若採用「鑄造」 技術,反而會出現模具反而被溶解的慘況。

  • 結合才能發揮更大的效用

不過由於「鑄造」不需要像「鍛造」一樣,需經歷敲敲打打的繁瑣過程,且透過模具更能加速整體的生產速度。如此若能應用在人工關節上將會讓製程省力許多。那麼,該如何解決鈦合金熔點高的問題呢?

方法當然就是拿比鈦合金熔點還高的材料 – 陶瓷 (熔點:2000 度左右) ,來當作鑄造的材料。「精密鑄造」就是先以蠟製造出元件的仿製品,接著再將蠟製品浸至在陶瓷溶液中形成一層陶瓷模,加熱將蠟融解後就可以得到陶瓷模具。

雖然「精密鑄造」看似簡單,但由於蠟製品在冷卻時會產生收縮現象,事先預留比原本元件大一點的尺寸來製造蠟製品,就顯得相當必要。不過人工關節的結構偏屬於多角度的型態,不像正方形或圓形那麼容易預估收縮後的尺寸。

折衷的方法就是製程前段先以「精密鑄造」生產接近成品的原型產品,接著再以「鍛造」技術進行細微的加工。這個同時結合「鑄造」與「鍛造」的方法,除了能享有成本降低的優點外,更能有效縮短製造時間,大幅提升整體的生產速度。

剛剛提到的聯合,就是與金屬中心一同努力下,才能在 2014 年順利掌握「精密鑄造」的自製能力,成為產官合作的最佳典範。

「精密鑄造」當然也非全然完美,金屬液體注入時產生的流痕,仍得經由加工來加以修補。即使如此,亦可先藉由「精密鑄造」產生與目標元件相當的構型,接著再經由「鍛造」打造出精細的尺寸要求;如此「鍛造」與「精密鑄造」結合的方式,不僅能使成本有效降低,更也讓整體製造過程更加快速。

  • 最後一道完美手續 – 表面處理

人工關節不只是植入而已,還得想辦法讓其能穩定固著。過往常使用聚甲基丙烯酸甲酯,簡單來說就是利用骨水泥來穩定固著人工關節。然而骨水泥在凝固時,卻也同時會產生聚合熱,溫度可能會高達 66℃ 至 82.5℃,很容易會導致周圍組織壞死,影響人工關節的穩定性。

所以近來的潮流是使用無水泥固定 (Cementless Fixation) 技術,來避免骨水泥的負面影響。方法就是將要插入骨髓的骨柄,將其表面進行表面處理,營造出適合成骨細胞成長的環境。接著,成骨細胞就能分泌骨基質、進而礦化形成新生骨質。

那麼,什麼是適合骨細胞生長的環境呢?除了金屬本身需具有生物相容性外,表面更得製造出粗糙的微結構,才能讓成骨細胞有抓力點、進而穩定地貼附成長。

就如聯合即採取電漿噴塗的方式,將極其微小的鈦珠粉末噴塗在骨柄表面上;接著,再透過「真空燒結」的方法讓鈦珠能融熔地緊密結合在一起,讓元件形成具有孔隙的微結構表面。

「真空燒結」能有效利用真空環境,來排除水、氧、氮等外在氣體的污染;此外,真空環境更可以讓燒結溫度有效將低,除了能降低能源成本外、更能提升燒結爐使用期限。這也是聯合即使已取得鍛造與鑄造技術,但仍積極於 2014 年與 2015 年掌握「真空鈦珠燒結」與「電漿噴塗」的原因 。

撐起希望的重生醫材 - 人工關節-02

逐漸上升的需求趨勢

美國人口調查與統計局 (US Census Bureau) 即預估全球老年人口將從 2016 年的 6 億人口,大幅提到 2050 年的 16 億人之多。

可預期年齡越大,關節磨耗的情況將日益嚴重,得到關節炎的比例也將無法避免地上升;以台灣的情況為例,60 歲以上的男、女生罹患關節炎的比例就分別高達 65% 與 83%。

2009 至 2016 年全球人工關節市場即以 7.4% 的年複合成長率急速成長,2016 年整體產業規模亦高達 229 億美元。在可預期的未來,需置換人工關節的人數亦將持續呈不可逆的上升趨勢;這也是許多醫療大廠看好,並大舉投入在人工關節市場的原因。

就以聯合來說,其毛利率高達 70%,說明醫療產業的獲利前景不錯;但相對的,醫療產業其實相當封閉,即使已成功取得美國 FDA 認證,但品牌本身的信任價值仍遠低於國際大廠,新創公司一開始仍無法順利進入醫療產業之中。

這也是聯合即使早在 2000 年就取得 FDA 認證,但限於行銷通路,仍無法有效提升營收成長的原因。此外,生醫材料的高技術門檻,更也是許多新創公司不得其入的原因。也因此,聯合又耗費 10 幾年的時間從技術開始奠定基礎,爾後才得利於長時間的通路經營,成功晉身為台灣第一間進入國際的醫材品牌廠。

撐起希望的重生醫材 - 人工關節-03

整體來說,由於醫療產業對於安全的要求所形塑出的跨越阻礙,無形中也成為那些已深耕許久的公司的堅固護城河;高毛利與產品需求鏈的穩定性,亦是這些醫療廠之所以大者恆大的原因。這也醫療產業營造出相對封閉、門檻又高,但卻讓人嚮往的產業特性。

資料來源:

  • 《人體下肢的生物力學》
  • 長庚醫訊
  • 高醫醫訊

【延伸閱讀】

喜歡這篇文章?加入你的S夾!

Bevis
相信文字的力量,不僅在於彙整個人觀點,更可以帶來人與人之間思考的激盪。
Bevis的最新文章
More

社群熱門分享排行榜
本週
本月
追蹤股感的社群