Anonymous
Anonymous asked in 科學生物學 · 2 decades ago

人體骨骼若是損壞有替代品嗎?

人體骨骼若是損壞或是已經不能回覆...

有什麼方法可以挽救?有替代品之類的嗎?

請各位大大提供一下 ~

4 Answers

Rating
  • Dang
    Lv 7
    2 decades ago
    Favorite Answer

    骨科替代材料為目前發展最快速的生醫材料,應用亦最廣泛。本文就臨床上所遭遇的困難及需求探究一生醫骨科材料所應具備的基本條件,從而由生醫骨科材料的發展史推演現今最受矚目的生醫骨科陶瓷材料的演進過程及最新發展現況,並依其於生物體內之特性加以分門別類,探究其於生物體內的相關機制,並深入探討現今相關的生醫陶瓷材料製程,以期能對生醫骨科陶瓷材料有一通盤性的了解與認識。

    ◎一、緒言

    人體的組織可分為為軟組織(即臟器、血管、肌肉等)與硬組織(即骨骼、牙齒等)兩大部份。硬組織主要功能在於支撐及保護體內的軟組織,並擔負人體之運動機能。硬組織因意外傷害或疾病老化等因素遭受破壞而無法修復,往往造成病患肢體殘疾,並帶來生活行動上極大的不便,因此尋求一合適的修補替代材料,乃是生醫材料研究者所不斷努力的目標。

    以生物親和性的觀點來看,自體移植(autograft)乃是由患者自身骨骼來彌補骨骼缺陷,是最適當也是最理想的修補材料,不過由於所能採用的骨質數量相當有限,只能針對小部位的缺陷加以彌補,而無法進行大部位的移植替換,使其應用範圍受到侷限。

    至於採用異體移植(allograft)的方式,即是拮取移植骨或人工骨銀行的骨骼,以量的觀點是可以滿足人體各缺陷部位之所需。然而所遭遇到的最大困難,即是宿主(host)會對移植物產生免疫排斥的反應,而致手術失敗。況且國人現今對器官捐獻的風氣未開,骨骼銀行(bone bank)相關設備技術起步甚晚,及對移植骨帶原疾病的篩檢能力有限。因此,其來源及保存技術等相關問題,皆尚待突破。

    另外,利用異種移植(Xenograft)即為是以動物骨骼來作做骨骼的替代材料移,其來源及數量固然不受限制,然而其牽涉的免疫反應,卻又較異體移植骨來得更加複雜,雖一些相關的研究者企圖以藥物或高溫處理等不同的方式,來降低它的免疫反應所造成的問題,然而現今尚未有進一步突破性的材料開發出來[1]。

    因此,截至目前為止,以天然骨質做為骨骼替代材料(bone substitute)仍然無法滿足現今臨床應用之所需。所以,開發人工材料做為骨替代品來解除病患的痛苦,有著廣泛的研究開發空間及臨床迫切需求。

    ◎二、生醫骨科材料所需具備的條件

    生醫材料之狹義定義係指應用於人體內的材料,意即是能取代人體組織的材料;其廣義定義則是包括所有參與生物組織運作,同時與體液間斷或持續接觸的材料。因此生醫材料為品質成份要求十分嚴格,且附加價值極高的材料[2]。

    由於生醫材料使用時會接觸到活體組織或生物流體,所以其之製作首先要考慮到材料本身的生物相容性(biocompatibility)。生物相容性這個名詞乃屬於定性的概念,可用來描述生醫材料之特性,現今尚未有切確的定義。因此,現在通稱生物相容性良好的材料,即是指臨床應用時不會對病人生命產生不良影響的材料。

    就實際臨床的觀點而言,材料生物相容性的要求則包括不會引起血栓現象(thrombogenic)、無毒性(toxic)、無過敏(allergic)反應、無發炎(inflammatory)反應、不會破壞固形成份、血漿蛋白質與酵素不發生變化、無免疫(immunological)反應、無致癌(carcinogenic)性及鄰近組織不遭破壞等[3][4]。

    然而,若要應用於骨骼等硬組織的生醫材料,除了應具有良好的生物相容性外,由於材料將長期處於應力及應力循環(stress-cycle)的環境下,故尚須考慮材料所需具備的適當機械性質及物理特性,以符合人體之需求。此外,將原料加工成為特定尺寸或形狀的技術及滿足解剖結構之設計,亦須事先加以考慮。

    以下將生醫骨科材料所需具備的條件歸納如下列數點[5]:

    (1) 須具有良好的生物親相容性(無致癌性、無毒性、無血栓性等對人體有害之作用)。

    (2) 機械性質(如表一所示)須符合人體需求。

    (3) 須與人體解剖結構相配合。

    (4) 材料最好能參與骨骼成長,並能與骨骼產生良好的結合。

    (5) 長期植入不會發生老化,強度疲乏須小。

    (6) 手術植入及消毒程序要簡單。

    (7) 材料必須便宜,並容易製作及方便大量生產。

    ◎三、生醫骨科材料的發展

    人類使用外來材料做為硬組織替代品,已有相當久遠的歷史,在西元前古埃及人及中國人即有使用石頭或象牙做為牙齒置換的記錄。而醫學文獻對生醫骨科材料的正式記載,則始於十六世紀中葉,當時使用金與銀做為手術或牙科之修補,於1775年鐵線成功地運用於骨折的修復,1860年銀線用於長骨折裂之固定,1886年開始使用鋼板做為骨折固定之用。而十九世紀末期由於手術消毒技術及X光機的發展,使用金屬應用於生醫骨科材料的發展更為迅速,如1937年即引用具抗腐蝕性、高強度之鈷鉻合金,其後具更佳抗蝕性及高強度之302、316、316L超低碳不銹鋼,甚至鈦合金、鉭合金亦陸續被使用[6][7]。

    至於高分子材料則為二次大戰後石油化學工業興起所帶動發展,於生醫材料方面,大多應用於軟組織的替代,如心臟瓣膜、人工血管及血液透析薄膜等。而做為硬組織之替代材料,則由於彈性模數(modulus of elasticity)較低,而難以應用於需要承受較大應力負載的部位,故現今多用於金屬材料的固定或骨骼填充材料之用,如骨水泥(bone cement)之丙烯酸樹脂及超高密度聚乙烯等[8]。

    不過,由於金屬及高分子材料在生物組織內的親和性不佳,若長時間使用 金屬材料,會溶出有害的金屬離子,而高分子材料在聚合不完全的情況下,亦會溶釋出對生物組織有害的單體。相對地,陶瓷材料之最大優點,即是與生物體組織有著良好的生物親和性,可長期植入人體而不會產生不良反應。近年來所發展的一些生醫活性陶瓷(bioactive ceramics)甚至於體內會與骨骼產生各種不同程度的鍵結或反應,甚至可參與骨組織的生長,最終有可能成為人體的一部份。因此,近年來對於生醫活性陶瓷材料的研究,一直相當受到骨科材料界的重視。

    在近代較科學研究報告記載,生醫陶瓷材料始於1892年的Dressman[14]所進行以熟石膏(plaster of Paris)填入骨骼內缺陷的臨床實驗。以熟石膏做為骨骼替代品,對組織並不會產生不良反應,不過由於被降解的速度太快,往往未被新生的骨細胞所取代時,便被吸收代謝掉了,且其成形強度甚低,雖有許多相關研究進行更進一步的評估探討,然而始終未被深入應用。其後,1920年Albee和Morrison嘗試尋求一人工引導物來促進骨骼癒合速度,當時選用三鈣磷酸鹽注入骨折斷面,期使鈣磷鹽類於體液中釋出鈣磷離子來加速骨骼生長及癒合,這種類似藥物模式的成效,一直眾說紛云,未有定論[9][10]。

    於1950年代,由於精密陶瓷(fine ceramics)的快速發展,帶動了骨科陶瓷材料的迅速發展。1960年代Smith即發展出孔隙率達48vol%的氧化鋁燒結體做為骨骼替代品,從此開啟了陶瓷材料應用於臨床骨科的扉頁。

    由於人體骨骼中有60wt%左右的無機鹽類,此無機鹽類主要以鈣磷系鹽類為主,因此1970年代即有許多研究者嘗試將鈣磷系鹽類加以燒結製成陶瓷材料。當時最主要的鈣磷系陶瓷即是骨骼中的主成分氫氧基磷灰石hydroxyapatite (HAP)及三鈣磷酸鹽tricalcium phosphate (TCP),經動物實驗發現,以鈣磷系陶瓷植入於生物體內後會參與骨骼的生長,這種類似活性的反應機制,乃是骨科材料的一大突破,從此植入材料將不是一塊死的異物,而是一塊能與骨組織交互作用的有機體。另一方面,1970年代末期Hench等有鑑於陶瓷體於人體內會發生強度衰變的現象,於是開發出生醫骨科玻璃陶瓷來提高機械性質及減少強度衰變,該材料與骨骼亦能產生活性鍵結反應,現今新的成份系統也不斷地被開發出來,已和鈣磷系陶瓷成為今後發展的主流[9][10]。

    ◎四、生醫骨科陶瓷材料的分類

    近二十年來,由於醫學及工程界不斷地開發研究,衍生出多種的生醫骨科材料,若以材料的來源區分,可分為自然材質及人工材料兩大類。自然材質包括自體移植、異體移植及異種移植三類,而人工材料則包括金屬、高分子及陶瓷材料三類。由於本文主要在探討生醫陶瓷材料,以下謹將生醫陶瓷材料的種類及特性做一簡單的說明。

    現今已臨床應用或正在開發階段的生醫骨科陶瓷材料不下數十種,若依1975年Hench和Ethridge等根據陶瓷材料在生物組織環境內的化學活性高低來分,主要有下列三種形式(見表二)[9][10][11]:

    (1) 生物惰性材料(Nearly inert ceramics)

    此種材料在生物組織內的性質相當穩定,材料在生物體內即使長時間接觸體液,亦幾乎不會產生反應,於體內往往只不過會被一薄層纖維組織(fiberous encapsule)所包圍,不過也由於其於體內的惰性特性,因此,長期植入,並不會有發炎或其它不良反應發生,若以生物親和性觀點而言,其可謂是一生物親和性相當良好的材料。

    生物惰性陶瓷材料自1960年代發展至今,已有相當多的材料被發展出來,代表性的材料如二氧化矽、氧化鋁、氧化鋯等材質。由於其具有高度生物親和性及安定性,且擁有結構陶瓷所具備的高強度、高硬度及耐磨耗等特性,因此其於生物體內的應用範圍亦相當廣泛。最主要的應用還是在於人工關節的關節球磨面,目前已有許多商品化的產品被開發出來,由於其高硬度且耐磨耗的特性,在人體內有著較長的使用壽命,及可減低以往以金屬為球磨面所產生金屬表面的磨耗和金屬離子釋出的相關問題[21]。

    (2) 表面活性材料(Surface re-active ceramics)

    此類材料與體液接觸後,其表面會與生理環境進行選擇性的化學變化,導致材料表面與附近的生理組織產生一層化學鍵結,如此將使植入材料和骨組織產生穩固的結合,其代表性的材料有氫氧基磷灰石(HAP)、生醫玻璃(bioglass)或生醫結晶化玻璃陶瓷( bioglass-ceramics)等。

    表面活性陶瓷於骨科臨床上的應用由於受限於陶瓷材料本身的脆性特性,尚無法單獨應用於承受應力的部位而多半應用在不承受應力的骨缺陷處,充當填充材料,或以鍍層被覆於金屬表面上,利用其與骨骼良好的鍵結特性,使植入的金屬替代物能與骨骼穩固結合。

    有關表面活性材料與骨骼的鍵結機制,至今尚未有確切的定論,而根據相關的研究推論,表面活性陶瓷材料在體液環境下,由於材料表面的降解或溶釋作用,造成局部酸鹼質的改變,使鈣磷離子自材料表面溶釋出來,材料表面因而形成一富矽(Si-rich)層,所溶釋出的鈣磷離子與體液中的鈣磷離子因局部的高濃度,會在材料表面沿著結晶方向偏析(reprecipitation)出磷灰石apatite的結晶,伴隨著接觸面骨骼的再生作用,表面的磷灰石將與骨缺陷處所新生的膠原纖維(collagen)交連,其後新生骨又延著膠原纖維的生長方向生長,並進行礦化作用,從而與材料表面的偏析層產生強固的鍵結。

    (3) 可吸收性材料(Resorbale bio-ceramic)

    可吸收性材料的化學組成元素和人體之硬組織相當接近,在體液中會產生離子性的溶解及性質改變(solution-mediated processes)等化學反應。配合體內的細胞吞噬或吸收作用(cell-mediated processes)而產生材料溶釋崩解的現象,植入物的體積將會隨之減小,其降解的速率與骨組織的生長速度若控制得當,骨骼有可能漸次取代材料。其組織作用的反應速度及強度均較其它二種陶瓷材料來得強。可收性材料代表性材料有三鈣磷酸鹽(TCP)、碳酸鈣等材料[15][25],美國Wright公司開發一以CaSO4為材質的產品Osteoset,其臨床結果顯示材料可被骨組織所吸收取代,目前以510(k)的方式申請上市,主要應用於非承受應力之長骨骨缺陷部位。

    -----------------------------------------------------------------------------------

    現今臨床中所使用的骨缺陷填補材料,常見到所謂以天然小牛骨加工製成的多孔隙材料,已商品化之產如Pyrost即是其中的代表材料,此種材料的製作方式乃取材於動物骨骼內部的一些較為疏鬆的海棉骨(Cancellous bone),利用加熱的方式將其中的有機成份除去,並以更進一步的高溫(約1,300℃)將原來即以氫氧基磷灰石為主成份的骨骼予以燒結,而成一主成分為HAP(約佔93%)副成份為TCP(約佔7%)又兼具天然骨骼之孔隙(其孔隙率可高達70Vol%)結構,且材料亦有相當的機械強度(抗壓強度4.95N/mm2)可供臨床應用。現今多使用於一些小部位的骨骼缺陷,效果尚稱良好,若使用於密質骨缺陷或較大部位的缺陷,則多將材料浸於自患者本身所抽取之骨髓,而得除骨引導外兼具骨誘導(osteoinduction)之作用,以促進療效[14][16]。類似Pyrost的製程尚有以全骨即包含海棉骨及密質骨(Cortical bone)為原料,以相同的加熱方式予以燒結,其製品如所謂的ture bone ceramics即是[14]。

    此外,目前有些研究者嘗試開發一全為無機鈣磷鹽類而不含高分子的骨水泥材料。這些鈣磷鹽類骨水泥在體內體液的環境中,由於不同的鈣磷鹽類於水溶液環境中會產生溶解作用及偏析磷灰石的反應,這些在材料中所形成的偏析的磷灰石結晶會使材料凝聚而產生如同水泥凝結的作用。因此,其於體外環境操作時,為一可塑性的材料,當植入缺陷部位後將可凝聚而達到填補的作用。目前已有相當多的鈣磷鹽類骨水泥(calcium phosphate cement, CPC)系統正在研究開發中,包括Ca4P2O9(tetracalcium phosphate, TTCP)、CaHPO4 (dicalcium phosphate, DCP)、Ca8H2(PO4)6(5H2O (octacalcium phosphate, OCP)、(TCP、(TCP及HAP等不同的鈣磷鹽類系統。

  • Anonymous
    6 years ago

    到下面的網址看看吧

    ▶▶http://qaz331.pixnet.net/blog

  • ?
    Lv 6
    2 decades ago

    鐵架或是強化塑膠

    人工關節

    現在有新的方法是用生物療法

    用骨頭的幹細胞再造骨頭 [受損不是很嚴重的話]

  • Anonymous
    2 decades ago

    裝置人工關節

    開刀將骨頭重建

    吃鯊魚軟骨、維骨利等骨頭保健食品

Still have questions? Get your answers by asking now.