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生醫材料:導言

疾病與老化是人一生所無法避免的過程,而過程中造成的器官受損與功能喪失,都會影響一個人的生活品質,過去人們嘗試利用已知生物相容性較佳的材料用於醫學目的,但作為失能器官或受損組織替代物的需求與日俱增,因此隨著材料科學的進步與醫學技術的發展,已有越來越多的生醫材料被開發出來
 
 
 
疾病與老化是人一生所無法避免的過程,而過程中造成的器官受損與功能喪失,都會影響一個人的生活品質,過去人們嘗試利用已知生物相容性較佳的材料用於醫學目的,但作為失能器官或受損組織替代物的需求與日俱增,因此隨著材料科學的進步與醫學技術的發展,已有越來越多的生醫材料被開發出來。
 
生醫材料是一門橫跨多種領域的科學,例如材料、分子生物、奈米科學。在西元1986年,歐洲生醫材料學會則將生醫材料定義為非生命性材料運用於醫療器材,並參與生物系統的作用,其概念可延伸至藥物傳輸系統、生物感應器,甚至支持身體功能的體外醫療器材所用的材料等等。目前一般將生醫材料劃分為四個種類,分別是金屬、陶瓷、高分子材料、與生物來源材料,前三個種類的材料發展其實與人類工業技術的進步息息相關。
 
金屬醫材在工業革命後有快速的進展,無論是鍛造技術的進步或是合金的開發都促使金屬材料成為二十世紀以前主要的生醫材料,高機械強度及適度的加工性是金屬材料的優點,例如不銹鋼,而鈷鉻合金與鈦系合金的生物相容性佳,金、鉑等貴金屬甚至具備更好的耐高溫與抗腐蝕能力。目前金屬醫材主要是作為手術器械、人工關節、心臟瓣膜座、血管支架、骨科固定器、牙科補綴材料等等。
 
在二十世紀初期,許多傷患因為缺乏金屬材料而無法救護。以骨缺損為例,病患只能選擇自體或同種異體移植手術,但自體移植會面臨來源缺乏的問題,甚至是再次造成身體其他部位的缺損,而同種異體移植則會引發排斥反應或是遭遇病原汙染等後遺症。基於上述需求,陶瓷材料因為具備高機械強度且在體液環境中相對穩定,且與骨或牙齒的結構成分相近,主要被開發作為硬骨替代物並一直沿用至今。生醫陶瓷可依其反應性再細分為1)生物惰性型,不會與骨組織形成鍵結者;2)生物活性型,會與骨組織產生鍵結者;3)生物可分解型,可被生物體分解吸收者。常見的陶瓷醫材有人工骨及牙科填充物等等。
 
石油工業的發展則促使高分子材料成為近代的醫材焦點。高分子材料具備質輕但強度高且易於加工優點,是金屬與陶瓷材料所無法達成的,例如壓克力骨水泥、隱形眼鏡、人工水晶體、人造血管、人工皮、縫線、人工關節等等。二十世紀後期,則有可在體內分解的生物可降解高分子材料被開發出來,例如作為可吸收式縫線及骨釘骨板,能免除二次手術的困擾,或是作為腹腔手術的抗沾粘膜能配合受損組織自我修補的時程逐步降解消失。高分子材料的另外一個優點是可以製成各式各樣的多孔結構,能複合藥物也能讓再生組織與材料結合更加緊密。位於美國波士頓的哈佛器官再生技術中心,利用多孔性的高分子材料為需要氣管移植的病患量身訂做適合的外型尺寸,並取用患者自身的骨隨幹細胞貼附在材料表面後進行移植,可以避免捐贈來源不足、免疫排斥反應、病原體汙染與無法自體移植的問題。
 
第四類生物來源材料,是由生物體細胞外基質萃取純化出的蛋白質與多醣類,比較常見的有膠原蛋白、玻尿酸、甲殼素、褐藻酸、纖維素等等。此類材料具備生物活性以及生物可降解性,可用於誘發接觸的組織進行再生,或是輔助其他材料提高人體的相容性,也可作為美容醫學的填充物或是人工皮膚,缺點是較缺乏機械強度。另外目前也有利用魚鱗膠原蛋白製作成的眼角膜,希望能解決捐贈眼角膜不足的問題。上述四類醫材也可相互配合成為複合材料,例如在金屬人工關節表面塗佈陶瓷材料增強與硬骨組織的密合度,或是以高分子或生物來源材料包覆其他兩類材料增加與人體的相容性。
 
從材料製備的角度來看,將生醫材料透過奈米化技術製成奈米醫材或奈米藥物,很可能成為二十一世紀生物醫學材料的核心材料,有廣泛的應用前景。舉例來說,生物體的骨骼、牙齒等都具備奈米等級的結構,讓組織具備優異的力學性能。奈米陶瓷的問世,將會使材料的強度、硬度、韌性和塑性都大幅提高,甚至讓活細胞對材料的貼附能力上升。奈米材料也適合作為疑難病的診斷工具或藥物定向載體,具備磁性的奈米材料可被導航到病變部增強療效,特殊的奈米粒子還可以進入細胞內部達到基因治療的目的。奈米材料的比表面積大,適合攜帶大量藥物並具備緩釋效果,又較大顆粒藥物容易被控制溶解速率。目前奈米生醫材料的製備、結構與特性分析已有大量研究,但理論基礎與應用開發仍然需要進一步探索。
 
生醫材料的發展中存在的最大問題,就是材料與人體長期接觸後所造成的血液凝固、免疫排斥性、致癌性等組織反應,以及材質的老化與磨耗所造成的機械強度下降和細胞毒性物質的釋放。若從法規的觀點分析,要依據與身體接觸的性質、程度、頻率及時間長短來評估材料的安全性,亦即評估材料的生物相容性,目的在於將宿主反應抑制到最小,這也是生醫材料在開發過程中首要注重的部分。未來生醫材料發展的趨勢將會是利用不同特性的材料之間互相組合達到「截長補短」的效果,開發出更有效替代人體組織、甚至是器官的終極材料。(本文由科技部補助「健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

責任編輯:林永昇|弘光科技大學化妝品應用系暨化妝品科技研究所
 
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