組織工程：源源不絕的骨骼銀行–談硬骨組織工程
91/09/05
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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！
