跳到主要內容
:::
登入
註冊
網站導覽
展開搜尋
全站搜尋
熱門關鍵字:
半導體
精準醫療
太空
煙火
關閉搜尋
您的瀏覽器不支援此script語法,請點選
搜尋
使用搜尋功能。
分類
分類項目
關閉分類項目
地理
天文
化學
醫學
科技
社會科學
人類文明
地科
心理
物理
數學
環境
生物
生活科學
醫療
地球科學
Menu
關於我們
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
科發月刊
影音
TechTalk
科普影片
活動
學生專區
夥伴
認證
公務人員
網站導覽
English
首長信箱
常見問答
雙語詞彙
關於我們
文章
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
科發月刊
影音
影音
TechTalk
科普影片
活動
學生專區
夥伴
認證
認證
公務人員
:::
首頁
文章
最新文章
Pleace Login!
×
請先登入
facebook
twitter
plurk
line
中
列印
書籤
:::
組織工程:源源不絕的骨骼銀行–談硬骨組織工程
91/09/05
瀏覽次數
12044
張至宏
|
亞東紀念醫院骨科
林峰輝
|
臺灣大學醫學工程研究所
骨科醫師在臨床上,經常碰到的問題,就是骨折的處理。一般人產生骨折之後,只要有適當的處理,例如石膏固定或鋼釘鋼板固定,大多會如期癒合。在一般癒合所需的時間後,如果尚未癒合的話,就是延遲癒合。其原因包括骨折碎片間的間隙過大、固定不足、骨折碎片的血液供應不足、開放性骨折合併廣泛軟組織傷害等等。傳統上是持續固定治療,但是處置後若仍無法癒合,就是不癒合了。
不癒合的原因,除了上述延遲癒合的原因之外,也可能是因為軟組織卡入骨折碎片之間,或是產生感染所造成。治療不癒合可用物理性的刺激,或是使用骨移植手術的方法。物理性的刺激,包含直流電、磁場、超音波、體外震波等方式,目前在國內的臨床醫師並未普遍使用。若骨折處存有金屬鋼板或鋼釘,也會影響電或磁的效果。因此臨床上,仍以骨移植術為常見的處理方式。
早在四百多年前,德國的外科醫師米克倫(Job Van Meekren)就開始嘗試骨移植手術。到了19世紀,許多醫師嘗試自體骨頭、骨膜、骨髓的移植,在治療骨折與骨缺損上皆獲得一定的成功。時至今日21世紀,自體骨移植術與兩百年前比起來,並沒有太大的改變。然而,隨著生物科技的進展、對成骨細胞生物學的了解、骨骼生長激素的發現、以及材料科學對骨植入材料學的新發現,一門新的學科隨之誕生,在傳統的骨移植術之外,終於有了新的突破,那就是:硬骨組織工程(bone tissue engineering)。
硬骨組織工程的核心概念
硬骨組織工程的終極目標,在能於解剖學所需之位置上,精確地產生骨骼癒合反應。在臨床上,必須能夠與四周原有的骨骼整合,並產生足夠的機械支撐性質。組織工程的核心概念中,有幾個基本要素:(1)
細胞
:即在硬骨組織工程上,必須找到能產生骨骼的細胞。(2)
支架
:意即能攜帶成骨細胞的材料。這些材料在填補骨缺損的位置之後,能使成骨細胞貼附、移行、分化與繁殖。具有這種性質的材料,稱之為具有「骨傳導」性質。(3)
生物性的刺激
:意即在植入含有骨細胞的支架外,再提供一些具生物活性的因子,如生長因子,來更進一步促進成骨細胞之繁殖、分化,並維持產生骨頭的顯型。具有這類性質的物質,稱之為具有「骨誘導」性質。(4)
生物反應器
:提供一個讓組織生長的環境,同時提供必要的物理刺激,使組織能夠快速成長。這四個基本要素,其組合缺一不可。
就傳統的骨移植術而言,可分為自體骨移植與異體骨移植。自體骨移植,可取自海綿骨、皮質骨或是帶血管莖移植。在自體骨移植術中,其本身就具備成骨細胞、骨誘導與骨傳導性質。而異體骨移植,係將他人捐贈的骨骼加以處理後,再行移植。本身已不再具有成骨細胞,因此不會有排斥的問題,但是成骨的效果也較差。骨誘導性自然也比不上自體骨移植,而只有骨傳導性與自體骨移植尚可比擬。
因此,就組織工程的觀點而言,我們所製造出來的產品,就必須以自體移植骨為標準,甚至要更超越它。畢竟,從自己身體上能貢獻出來的自體移植骨,數量終究有限。挖東補西,總不能把東挖到倒塌吧?而組織工程不然,細胞可以在體外大量培養,骨誘導與骨傳導之物質可以在體外大量生產。可以預見在不久的將來,自體骨移植可能會走進歷史。甚至在基因工程或是生長因子的作用下,以往要好幾個月才能癒合的骨折也可以加速進行,請大家拭目以待。以下,就成骨細胞與支架方面,來做更進一步的探討。
成骨細胞可以在骨膜、海綿骨與骨髓等處發現。基本上它是一種先驅細胞,大致可分為兩類,一類已確定往骨母細胞的方向分化;另一類則較為多樣性,可以往骨骼、軟骨、脂肪等結締組織的方向分化,但是必須接受特定的誘導,此即目前極為熱門的間葉幹細胞。這些細胞自體內取得之後,可以在體外增殖培養,獲得大量的數目。數量大的成骨細胞可以促成較佳的骨生成,加速骨形成,產生較大量骨骼。更重要的是,在體外培養細胞的階段,這些細胞可以接受生長因子等生物活性因子的刺激,甚至可以接受基因的植入,為基因工程的介入開了一扇大門。
如前所述,支架的目的是攜帶成骨細胞填補骨缺損的位置,並使細胞貼附、移行、分化與繁殖。因此,骨傳導性為支架的最基本要求。將來,若能將生物活性因子,如生長因子,整合入支架內,則支架不但具有骨傳導性,還能具有骨誘導性,這也是目前世界上各研究單位致力的目標。
在這樣的產品成功之前,目前世界上同時具有這兩種性質的黃金標準物質,就只有自體海綿骨而已。當然,它還包含有成骨細胞,具備有組織工程的三基本要素,只是來源供應有限。理想的支架除了攜帶成骨細胞之外,在植入體內之後,也希望四周組織的細胞能夠長到支架之內,新的組織與血管也能長入,最後形成自己的骨骼。目前常用具有骨傳導性的物質,有異體移植骨、生醫陶瓷、膠原蛋白、以及化學合成之物質,如聚乳酸或聚甘醇酸。
異體移植骨本身即是一種具有多孔性的材質,也是一般骨傳導物質的原型。本身也含有一些生長因子,若將其去除礦物質之後,這些生長因子會更容易釋放出來。因此,異體移植骨也可說具有骨誘導的潛力。
異體移植骨通常必須加工處理,包括冷凍、冷凍乾燥、或放射線照射。目的在殺菌,減少免疫反應。然而,即使經過多重的加工處理,也沒有辦法保證百分之百絕對不會感染,過去就曾發生因異體骨移植而感染愛滋病的案例。
另外一類的骨傳導物質為生醫陶瓷,主要是磷酸鹽類的合成物,如氫氧基磷灰石及三鈣磷酸鹽。三鈣磷酸鹽在體內的溶解性雖然較氫氧基磷灰石高,但是製造成塊狀之後,它的孔隙分布並不平均也不相通,因此四周的骨細胞無法完全長大。α型三鈣磷酸鹽在體內溶解快,四周骨細胞尚未完全長入,就溶掉了。而β型三鈣磷酸鹽則是幾乎不溶解。這兩者作為移植骨之取代物均不甚理想。顆粒狀的三鈣磷酸鹽,具有較大之表面積與空隙,會有比較好之效果。
高度結晶化的氫氧基磷灰石,在體內非常的穩定,每年大約只有百分之五到十五會被吸收,目前最具代表性的產品來自珊瑚的衍生物。珊瑚本身的結構具有孔洞,與人體的海綿骨構造相似。珊瑚本身的成分是碳酸鈣,經過適當的熱處理後,可轉變為機械性質較強的氫氧基磷灰石,而其孔隙結構並不會被破壞。在動物實驗上,植入此種產品可以很順利地與原有的骨骼產生癒合。然而,因為本身是非常穩定而不易吸收,最後這些植入物並不能完全轉化成自己的骨骼。因此,只適合於骨骼端的小缺損填補。若在骨幹缺損處加以填補的話,因為它終究無法轉化成為骨骼,長期負重後會產生疲勞性斷裂。
為了克服氫氧基磷灰石無法被吸收之缺點,許多改進的方法應運而生。主要在改變其組成之成分。除了包含不易溶解吸收之氫氧基磷灰石外,還包含一些易溶的碳酸鈣或三鈣磷酸鹽。這些部分溶解後,有 助於骨細胞及周圍組織長大,將其轉化為自我的骨骼組織。
另外一種極為迷人的方式,就是注射式的陶瓷,用打針的方式就可以填補骨缺損。這類的陶瓷為多種磷酸鹽類的混合物,注射入體內之後會慢慢固化,而且不會發熱。這類物質也有助於對於骨質疏鬆病人的骨釘固定的加強。
第一型膠原蛋白本身就是骨骼中含量最高的蛋白,因此考慮利用膠原蛋白來作為支架也是一種合理的想法。膠原蛋白可以提供礦化以及成骨細胞貼附的表面。透過不同的化學交聯處理,可以將膠原蛋白製成粉狀、膠狀或海綿狀。但是,這些形狀的膠原蛋白尚不足以作為移植骨的取代物,通常必須加入成骨細胞、生物活性因子或陶瓷顆粒,才能有比較好的效果。
化學合成的物質如聚乳酸與聚甘醇酸,早已廣泛使用於人體中,例如外科縫線。它們的性質有利於加工與製造,加上長久以來使用於人體,因此許多人想利用它們製成支架。這類物質本身並沒有骨傳導作用,所以,還必須植入成骨細胞或加上生物活性因子。單純使用這類物質的話,其水解反應會使附近組織呈現酸性,而引發發炎反應,對組織有一定之毒性。
三缺一不可
綜合言之,單純利用支架作為骨傳導物質以填補骨缺損,有其局限性。不同的物質有其優點,也有其缺點。我們還是要去思考骨移植的黃金標準:自體移植海綿骨。它已經成功地應用了數百年。它本身含有成骨細胞、骨誘導與骨傳導物質,三者缺一不可。
因此,硬骨組織工程的概念,也必須具備這三種基本成分,在現有的生物技術與材料科學的基礎上更加發揚光大,以期製造出超越自體移植海綿骨的產品。以目前組織工程進展的速度,相信在不久的將來,組織量販店的概念,將不再是夢想。取之不盡用之不竭的骨骼組織銀行,可以造福更多的人,我們期待這一天的到來!
資料來源
《科學發展》2002年8月,356期,18 ~ 21頁
骨骼(16)
骨髓(3)
科發月刊(5221)
推薦文章
114/03/24
讓每個家庭成員都安全 行動不便者的防災關鍵策略
艾登
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
114/01/06
及早發現,及早治療什麼?
王秀雲
|
成功大學醫學系及醫學、科技與社會研究中心
儲存書籤
113/11/29
必須持續開著警示燈 提醒大眾關注科學領域中的偏見問題
單文婷
|
國立臺灣藝術大學影音創作與數位媒體產業研究所
儲存書籤
113/11/29
重建部落認同,從原住民視角探索地理與環境教育的未來
歐柏昇
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
OPEN
關於我們
關於我們
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
影音
科普影片
TechTalk
活動
活動
學生專區
學生專區
回頂部