集結科學結晶的生醫材料 將如何掀起下波醫學革命

作者:Bevis   |   2017 / 04 / 03

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Joseph Wang


生醫材料這名詞,雖然出現至今還不到 40 年,但它已著著實實地改寫當今醫學的面貌。其中最受歡迎的生醫材料,莫過於能讓原本鬆弛的皮膚,回到年輕時那般緊致而彈性的膠原蛋白;當人們為它趨之若鶩的同時,科學家也不斷思考,要如何才能發展出更多如此回春再生般的材料。

這概念即是科學家不斷努力想達到的醫學里程碑-再生醫療;對於不斷老化的世界來說,這猶如密布烏雲中綻露的曙光一樣,那麽的讓人感到希望。這股未來新希望的火炬,更也將從生醫材料開始燃起並綻亮。

橫跨 4,000 年的遠古技術

別懷疑,這技術指的就是生醫材料。早期的狩獵、乃至於現在依然存在的征伐殺戮,都導致了無法避免的身體損傷,這也讓生醫材料成為人類史上不可或缺的必需。

早在西元前 1800 至 1500 年間,那時古印度的吠陀時代,就已經有木製的義肢與假牙出現。緊接著,西元前 1000 年的古埃及,也發展出用以取代原本壞死患部的木製手指義肢。

由此可見,木質材料在遠古時期可說相當受到青睞。雖然當時冶金技術早已出現,利用金屬作成義肢也不無可能;但就單位重量來說,木質材料還是更容易方便行動。

時序再往前推,在西元開始記年的前後,羅馬、中國與阿茲特克開始發展出黃金製的假牙,這也開啟了生醫材料的金屬時代,讓無法耐久使用的木質材料得以就此揮別。不過這只是個開始,當時木製的假牙仍還沒有被取代;畢竟受限於黃金的稀少性,平民們仍得戴著我們現今無法想像的木製假牙。

雖然隨著日後工藝與冶金技術的演進,石膏與金屬等材料已日漸普及應用在身體修補上;但材料的應用仍侷限在身體表面,身體內部的修補仍還未成為可能。這等待被實現的理想,背後還需要一項技術才能成真,那就是遲到將近 3800 年的麻醉技術。

是麻醉,也是醫學時代的來臨

生醫材料雖然歷史悠久,但它真正發光發熱的年代,卻是 20 世紀的時候才開始。

等等,這是怎麼回事!?生醫材料如此傲人的歷史,久到埃及、印度與阿茲特克文明都隨時間而逝了,它卻都還存在。不過既然這麼久,怎麼感覺一點進展都沒有。如此附加之罪的問題,倒也只能由麻醉技術來解答。

在麻醉技術被發明之前,所有侵入性的手術幾乎都無法進行。每每遇到危急生命的情況時,只能先利用酒精將病人給灌醉,或者使用曾在哈利波特裡出現的曼德拉草來減輕疼痛,甚至透過電魚所產生的 400 伏特電壓來讓病人昏迷後,才進行手術。

這些方法怎麼看,都是些不怎麼吸引人的選項,更讓生醫材料蹉跎掉不少時光。

這個遲遲無法突破的醫學限制,終於在 14 世紀所興起的「文藝復興」與「啟蒙運動」的幫助下出現了轉機。這兩個文明運動帶來的不只是文化、藝術等人文素養的底蘊,更也助長了科學的發展。英國化學家 — 普利斯特(Joseph Priestley)就是在 1772 年發現吸入後讓人笑呵呵的氣體—一氧化二氮(Nitrous Oxide,N2O),故此症狀其又名為:笑氣。

當時,這個讓人做出不自覺動作與讓人一直傻笑的笑氣,不外乎成為派對上最佳的娛樂良伴。英國化學家—戴維(Humphry Davy)甚至也在嘗試吸入笑氣後,意外發現它居然擁有能讓人失去知覺的功效。

即使已知道這麼多,還是沒有人想到笑氣可以被應用在麻醉上。大家都沈浸在笑氣的娛樂效果時,美國牙科醫師—魏爾斯(Horace Wells)也好奇地跟朋友一起嘗試這有著神奇效果的笑氣。是的,笑氣所帶來的娛樂風氣,已經從英國傳到美國。不過這時候,也已經是 1844 年了。

魏爾斯發現朋友在吸入笑氣後,雖然因為無法控制的動作而挫傷,但卻沒有感到任何痛覺。於是乎魏爾斯就想到,也許笑氣可以應用在拔牙上,實驗結果更也證實了他的猜想。最後,終於在 1845 年,屬於麻醉的時代正式展開;醫學在邁入外科領域之際,生醫材料也正逐漸實現出更多可能。

體表下的關卡 — 生物相容性問題

不過,當生醫材料從體表走到體內應用時,卻也將不可避免地遇到人體對外來物質的排斥、抵抗,即所謂的免疫反應。

免疫反應所構成的三道防線,能有效並即時偵測所有外來的微生物與物質,進而引發體內的防禦機制,這對於生醫材料的應用上可說相當不利。就如,嵌入在組織並被體液所包覆的生醫材料,如此巨大的外來物質不外乎成為免疫反應首要的對抗目標;隨之組織胺、前列腺素等血管活化素的釋放,更引發紅、腫、熱、痛等發炎反應的產生。

如此嚴密防衛的免疫系統,幾乎讓當時金屬類的生醫材料難以突破;這情況要一直等到二次大戰爆發時,才露出曙光。雖然很矛盾,但二次大戰不可否認地推展了科學的發展,不管是雷達、還是各種機械裝置,都讓技術得以大幅邁進;其中對醫學最重要的部分,莫過於壓克力的發明。

壓克力是由許多分子集結而成的聚合物,隸屬於高分子材料的一種。1920 年代,能實現大規模製造的聚合反應已被發展出來,高分子材料相關的科學知識也開始大量累積;並也在 1939 年二次大戰發生時,讓高分子材料很快地從科學研究邁入工業大規模生產的階段。

質量輕、透光度高達 92% 的壓克力,這些讓不外乎讓它成為當時戰機座艙最受歡迎的高分子材料。而戰機格鬥中,免不了座艙被擊中而產生的壓克力碎片,也就這麼意外插進飛行員的眼睛;但卻也因此意外發現,該飛行員並沒有產生任何免疫反應。

醫學界朝思暮想的目標,就在如此意料之外的狀況下被發現。體表下的關卡,終於也在最後順利找到過關的鑰匙;屬於生醫材料的時代,也即將就此展開。

集結科學結晶的生醫材料 將如何掀起下波醫學革命-01

集結各家優點的複合材料

擁有良好生物相容性的壓克力,也讓科學家開始注意到,這種成型容易且加工方便的高分子材料。經過包含二次大戰在內的 20 年發展下,高分子材料逐步從規模生產走向特製化、功能化的階段。

就以製造層面來說,高分子材料能依造人體各組織,做出相對應且細緻化的結構,這是過往金屬材料無法比擬的。此外,高分子材料穩定的化學性質與具有一定韌度的特性,也相當適合發展成有一定張力與彈性要求的血管、心臟瓣膜、水晶體或韌帶等仿生產品。

看起來金屬材料的地位,似乎相當岌岌可危。但實際上,金屬材料所擁有的機械強度,卻也是高分子材料所無法比擬的。於是此刻,對於材料的概念已有更細微的劃分。科學家發現,根據各組織的生理特性選擇相似性質的材料來應用,就能發展出更符合需求的產品。這即是根據不同生理環境,所發展出來的「適應性應用」。

到這裡,可以感覺到整體生醫材料的發展,似乎還不錯。但事情可沒那麼簡單,生理系統可是很複雜的。當中面臨到的挑戰,就以人工髖關節最能感同身受。位於腰部左右位置的髖關節,是連接骨盆與大腿股之間重要的轉軸;想當然爾,這也是最容易受到損傷的地方,跟膝蓋一樣承受著相當程度的活動負擔。

美國外科醫師 — Smith Petersen 就率先挑戰人工髖關節這個難題,他於 1925 年利用玻璃,做為大腿股前緣與盆股髖臼之間銜接的材料;但玻璃易脆的特性,馬上就讓 Petersen 遭受到挫折。鍥而不捨的 Petersen 又接連嘗試塑膠與不鏽鋼,但這些硬質材料所導致的磨擦問題,卻讓患者感受到相當大的痛楚。

雖然 Petersen 接連的挫敗,但卻也給了後進者一個重要的參考,那就是材料與骨頭之間的磨擦問題。兩個硬度都在一定程度以上的材料,勢必會在運動的過程中互相磨擦,但如果再加上如軟骨一樣有彈性的軟質材料,是否情況就能改善了呢!?

這個結合各材料優點的想法,接著就被英國醫師 — John Charnley 所想到;他採用將壓克力置入在髖臼的方法,避免讓大腿骨前緣的鈷鉻鉬合金材料與盆骨做直接的接觸與磨耗;在實際應用下,亦證明這方法是有效避免產生痛楚的有效方式。這時已是 1962 年,生醫材料已開始邁入下一個新階段,即複合材料應用的新時代。

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生醫材料的再進化,組織再生的新里程

發展到這時候,鈷鉻鉬合金的金屬類、壓克力的高分子類、玻璃的陶瓷類、綜合應用的複合材料類,所有的生醫材料都已集結。充滿光芒的前景,似乎就如童話般那麽的完美。

但這還不是結尾,醫學的目標應該再更高更遠;畢竟我們都會想對這些可能植入你我體內的材料,再多點嚴謹、多點要求。

作為修復而讓人更完美的生醫材料,單就不會引起免疫反應,是還不夠的。材料仍可能因為生物相容性不夠好,導致周圍的組織退化。想想也知道,這怎麼可以。要解決這問題,可以從「生物可降解性」與「組織工程」這兩點來著手。

「生物可降解性」可以讓材料從「取代」組織特定功能的定位,轉變成「修補」的角色。在骨科臨床上,結構強度與骨骼相仿的陶瓷材料,即常被應用在骨缺陷的修補與固定上。

骨骼是由有機物的蛋白質、無機物的磷質和鈣質所組成;陶瓷材料裡的碳酸鈣與三鈣磷酸鹽,恰好就與骨骼的組成分子一樣。這些生物可降解的陶瓷材料,其結構會隨著時間逐步分解,進而被人體吸收成為骨骼生成的原料。

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如此植入後不必再取出的材料,聽起來相當不錯。但我們不是說,要再多點嚴謹、多點要求嗎!?雖然這過程看起來似乎完美,但從材料分解到吸收,卻顯得太被動了點。看來這些舊把戲已使不出新花樣,生醫材料還需要更多外援,這後半場的救援主角,就是近年來的新興科學—組織工程。

「組織工程」是一門結合細胞與材料的科學。例如在關節的修補上,除了運用到複合材料的特點,更還可以在材料表面上修飾細胞,來加速組織缺損部位的癒合。這裡的細胞即使用來自於骨髓的骨髓間質幹細胞,透過生長因子的刺激,能夠使幹細胞分化成軟骨細胞,如此就能達到修補軟骨的功效。

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透過材料與細胞的結合應用,除了讓生醫材料能有效修補損傷的組織外,更也能從中達到功能重建的目的。在組織工程的協助之下,生醫材料幾乎能更有希望實現所有可能的應用。不過這門集結細胞生物學、力學、材料學、生物化學與臨床醫學的技術,目前仍還正努力朝向組織、甚至器官再生的終極目標邁進。

不過這也讓我們深感好奇,集結如此眾多技術結晶的生醫材料,將在未來實現出哪些我們夢想中的可能與期待。

參考資料:科技大觀園、台灣麻醉醫學會、骨科專業服務平台、《科學發展》、《再生醫學》、BIOMATERIALS SCIENCE、Bioceramics: From Concept to Clinic、Biomedical Materials and Implants

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