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精準醫學的智能材料發展

精準醫學的智能材料(如,3D列印材料、環境敏感性材料、形狀記憶材料、自癒合材料)除了本身要有很好的智能性與生物相容性外,還要能親近組織細胞,更要參與人體正常的代謝與自然人體的修復,是一門大學問喔!
 
 
精準醫療的主要目的在於提高治療的準確性,以減少不必要的副作用。(圖 / 種子發)
▲精準醫療的主要目的在於提高治療的準確性,以減少不必要的副作用。(圖 / 種子發)
 
精準醫療的發展——形狀記憶材料
 
5月的某一天,徐博士正在品嘗綠茶時,之前的學生大雄帶著A夢一同來探望。徐博士喜出望外,小時候成績不怎麼好的大雄卻很窩心。
 
「老師最近在忙什麼?」大雄恭敬地說。徐博士不直接回答,卻盯著A夢的口袋不慌不忙地說:「A夢,你的口袋(百寶袋)和內容物都是『智能材料』做的吧?」A夢大吃一驚:「這是…未來…未來普遍使用的智能材料,老師怎麼突然問起來?」徐博士莞爾一笑:「能從一個小口袋拿出來,卻又變成可用的道具,這不是具有『形狀記憶』又怎麼做到?」「未來,希望病人的傷口只有小口袋這麼大,把修復組織的道具塞進去,而且引導到特定部位進行『精準醫療』。」
 
天時地利人和的精準醫療
 
是的,現在已經進入精準醫療的時代。精準醫療是針對不同病人做客製化的醫療方式,比方說根據患者的基因從人體基因體資料庫中比對出適合的治療策略,篩選出最佳的治療方式與用藥建議,在適當的時機做出適合的治療。由於每個人的遺傳及生理條件不同,導致每位患者在治療上會產生差異,且對於藥物的反應也有所不同。因此精準醫療的主要目的在於提高治療的準確性,以減少不必要的副作用。 
 
精準醫療有兩個重要的精神,一是「客製化」(量身訂做),一是針對精確的時間與空間(部位)做醫療。換句話說,就是天時地利人和都符合。若以智能材料來說,客製化的精神可利用3D列印材料等技術,精準的時間與部位則可利用各種材料結合「隨時間分解性」、「隨時間放出特定藥物或活性因子」來達成(註1
 
智能材料
 
精準醫療的智能材料包括3D列印材料、環境敏感性材料、形狀記憶材料、自癒合材料等,且儘量結合微創手術。
 
3D列印材料
3D列印是一種製造技術,先由三維模型數據取得資料,然後客製化成各種結構和複雜幾何形狀。3D列印材料是3D列印技術發展的重要基礎,這些原材料都是專門針對3D列印設備和製造技術研發的,其形態可以是粉末狀、膠體狀、液體狀等。
 
現有的3D列印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、陶瓷材料等。此外,3D列印也可以發展成為生物製造的技術,包括列印出皮膚、血管移植物、氣管植入物、心臟組織、腎臟、骨骼、軟骨結構等。通常是把細胞與材料同時列印,這時材料稱為「生物墨水」,是目前科學家正積極研究的。
 
大部分的生物墨水是水膠或水凝膠材料,具有優異的含水量和良好的生物相容性,而成為生物列印中包裹細胞的常用材料。然而,印刷過程中水壓力和噴嘴的小直徑會導致細胞死亡和細胞活力降低。此外,細胞相容性高的水凝膠通常缺乏適合印刷的機械性能,在連續3D逐層沉積期間也不容易維持形狀保真度,因此生物3D列印的材料還面臨很多挑戰。
 
透過3D列印機把生物墨水列印成為客製化的組織或器官,稱為生物3D列印。
▲透過3D列印機把生物墨水列印成為客製化的組織或器官,稱為生物3D列印。
 
環境敏感性材料
環境刺激響應型材料能夠對外界環境因素的變化,如溫度、酸鹼度、添加物濃度、電位、壓力及光線的影響,產生顯著的體積或其他特性的變化而被廣泛研究。常見的做法是把對環境響應的基團引入材料中,賦予其特定的響應能力。如醛官能基與胺官能基反應形成席夫鹼(Schiff base),這是個動態平衡的化學反應,在酸性環境下會破壞平衡導致材料產生液化現象。另外,光作為觸發器的光響應聚合物具有低成本、清潔性等特性,也被廣泛研究。
 
藉由這類材料對各種外在環境敏感的特質,可以應用在許多領域。例如置入人體內當作藥物的釋放控制系統,或當作感測器,或作為機器人的擬肌肉行動器等。
 
環境敏感性材料能因環境變化而產生智能性,用於可注射材料或移入人體後產生變化而達到治療效果。
▲環境敏感性材料能因環境變化而產生智能性,用於可注射材料或移入人體後產生變化而達到治療效果。
 
形狀記憶材料
如果一種材料可以在變形後固定成臨時形狀,並且之後在僅暴露於外部刺激如熱或光等時恢復其原始的形狀,則稱這種材料具有形狀記憶效應,最廣泛使用的形狀記憶材料是鎳鈦合金。形狀記憶合金顯示出高機械強度,並已發展出廣泛的應用技術。然而,它們有明顯的缺點,如高的製造成本、有限的形狀回復能力和毒性。
 
形狀記憶聚合物已經引起越來越多的關注,因為與形狀記憶合金相比,它們提供更高程度的變形能力和更大範圍的不同機械性能,還具有廉價、重量輕和易加工性的優點。它們也可以是生物相容的、無毒的,且可生物分解的。
 
熱致形狀記憶效應是較為常見的方式。熱誘導的形狀記憶聚合物基於不同的切換點可以分為兩類,其中一個轉換點是熔化溫度(Tm),通過在低於Tm的溫度下形成晶體結構,可以把基於Tm的形狀記憶聚合物固定在臨時形狀。一旦加熱超過Tm,結晶區域會緩慢熔化,形狀記憶聚合物變得足夠柔軟以恢復到原本的狀態。
 
另一個切換點是玻璃化轉變溫度(Tg)。基於Tg的形狀記憶聚合物依賴無定形區段進行固定和回收,當形狀記憶聚合物加熱超過Tg時,會從玻璃態(剛性但易脆)轉變為橡膠狀態(柔軟可撓曲),並獲得更多的自由體積以支持形狀回復。形狀記憶材料在生物醫學領域有潛在的應用,如骨科手術、血栓清除、手術縫合等,尤其是結合微創手術(註2
 
熱致形狀記憶材料或其他形狀記憶材料可以因為環境條件而回復到原先設計的形狀,因此可應用於微創手術。
▲熱致形狀記憶材料或其他形狀記憶材料可以因為環境條件而回復到原先設計的形狀,因此可應用於微創手術。
 
自癒合材料
自癒合的概念源於生物學中的自癒合能力,科學家希望做出有這特性的材料,材料受到外力產生裂痕,之後再因本身性質而能夠自我修復。高分子材料自癒合的過程可分為四個步驟,材料受損產生損傷->材料自身或受外界環境刺激在損傷處產生流動相->流動相在損傷處擴散融合後發生物理化學反應->癒合反應後流動相最終填平修復損傷。在損傷處產生流動相是材料具有自癒合性能的前提。
 
自癒合材料可分為兩大類,非自主性與自主性自癒合材料。非自主性自癒合材料需適當外部刺激如熱、光等才能自癒合,自主性自癒合材料則不需外加條件就可實現自癒合。
 
 
高分子自癒合材料的自癒合過程,這些自癒合作用具仿生性,可發展成為可注射材料,在組織受傷處參與組織重塑的過程。
▲高分子自癒合材料的自癒合過程,這些自癒合作用具仿生性,可發展成為可注射材料,在組織受傷處參與組織重塑的過程。
 
依照設計和修復方式也可分為兩種類型,一類是透過非共價鍵交聯的物理型動態自癒合材料,它們是由小分子或低分子量的大分子依靠氫鍵、靜電吸引力等分子間作用力形成的網絡體系,這些小分子可在損傷處自由流動、相互融合產生流動相。另一類是通過可逆動態共價鍵如醯腙鍵、亞胺鍵等鍵結交聯的化學型動態自癒合材料,鍵的斷裂和形成能達到可逆的動態平衡,因此交聯網絡中始終存在著未交聯的反應物,可以作為流動相在損傷處再次反應交聯。
 
自修復材料這種防微杜漸的運作機制,使得材料在受到微小的損壞時就可修補破損,使損害不至於再擴大,材料進入更嚴酷的環境也可以降低設備維護及更換的成本。
 
智能材料的發展——用最符合自然的方式
 
徐博士娓娓道來,大雄頻頻點頭。徐博士好奇:「大雄,你聽得很入神,你也懂智能材料嗎?」大雄笑著說:「老師您忘了網路版漫畫完結篇,是我後來專攻『電池科技』把A夢從休眠狀態救回來,而電池科技中也用到很多智能材料,原理是相通的啊!」A夢大吃一驚:「有這回事嗎?大雄有把我救回來?那不是網路謠言……」大雄說:「抱歉,純屬虛構,但智能材料真的能用在很多科技領域中。」
 
徐博士又莞爾一笑:「我同意大雄的說法,也要補充說明精準醫學的智能材料除了本身要有很好的智能性與生物相容性(明明德)外,還要能親近組織細胞(親民),更要參與人體正常的代謝與自然人體的修復現象(止於至善),是一門大學問喔!(註3)」
 
致謝:感謝研究生林子為與助理張如慧在資料蒐集與編排的協助。
 
註1:「3D列印」請參考科學發展月刊前面幾期的「3D科技」專輯。「隨時間放出特定藥物或活性因子」請參考這期專題報導的另一篇文章。
 
註2:病人的傷口可以非常小,治療用的材料到了特定部位再展開,可減少開刀傷口的大小,病人就會比較快恢復,這就是微創手術。
 
註3:這邊借用「大學之道,在明明德,在親民,在止於至善」提醒讀者,這個領域還在發展中,目的是能以最符合自然的方式發展材料來嘉惠民生醫療。
 
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