蔡佩宜、黃志傑、楊國義、溫奕泓、范瑋倫、林詩萍 / 工研院生醫所
由於全球經濟持續成長，對健康及運動的重視日益提升，相對也使運動傷害的盛行率持續成長。運動傷害牽涉到骨骼肌肉韌帶等軟硬組織的傷害，尤其是韌帶的傷害不但嚴重影響病患活動度，更會摧毀運動員的職業生涯，傷害了運動產業的發展。目前的骨科醫材多為實心材料，只能發揮物理性的固定或重建功能。本研究團隊針對缺少軟硬組織修復功能之醫材的缺口，導入同時考量力學與組織生長概念的仿生多孔結構設計，研發可以促進韌帶/骨骼界面整合的骨釘醫材結構，使病患更早開始復健，避免韌帶因長久休息導致萎縮而衍生後續復健效果不佳、韌帶無法恢復原有強度的問題，大幅提升癒後恢復運動功能的機會。
【內文精選】
軟硬組織整合修復應用於運動醫學
3D列印技術及功能性材料的發展，為醫材帶來革命性的改變。傳統骨釘為實心、缺乏孔洞，其力學強度與骨骼等人體組織並不匹配，植入體內容易產生「應力遮蔽效應」，即骨頭與醫材的密合度不佳，易導致發炎感染。本團隊開發之軟硬組織固定裝置，布滿細小孔洞，不但利於骨頭等硬組織長入，也能降低植體剛性，吸收多餘應力，降低對周圍組織造成之傷害，使軟硬組織可良好整合。
為了確認韌帶和骨頭隧道癒合能力，本團隊使用兔子模型建立活體實驗模式，以兔子長趾伸肌腱進行韌帶重建，將傳統實心骨釘以及新設計的仿生骨釘分別以手術方式植入體內，並於適當時間取樣進行組織學、免疫組織學與生物力學的分析，藉此瞭解韌帶骨骼交界面的修復情形。為評估植入後各階段骨釘之穩定性，本研究藉由Micro-CT及生物力學試驗評估其恢復程度，其中力學測試結果顯示，本研究開發之多孔骨釘具有促進軟硬組織整合能力，術後1個月的固定強度即高於市售實心產品術後3個月的強度，表示軟硬組織的快速融合，也意味著縮短冗長的復原休養期，可以更早開始復健活動，避免肌腱韌帶萎縮，也會有更好的恢復效果。
兼顧生物與力學性質的結構設計
現今多數骨科植入物的設計多以力學性質及手術適用需求為主要考量，且以實心鈦合金材料為主流。但是實心的鈦合金植體因其剛性遠超過骨骼(楊氏係數：鈦合金113,000 MPa、Cortical Bone 20,000 MPa、Cancellous Bone 6,000 MPa)，因此會衍生應力遮蔽效應，造成植體週遭骨骼組織因未承受適當負荷而逐漸萎縮。根據Wolff’s Law描述，骨骼必須承受一個適當的力量區間，超過此一區間，骨骼會因過高的負荷損傷甚至斷裂；低於此一區間，則骨骼會逐漸弱化與結構萎縮。因此，可以知道骨骼的生長和成熟強壯與骨組織所受到的力量息息相關。而當植體存在時，週遭組織的受力會藉由植體傳導，植體的結構會同時影響力學性質與組織生長。
因此，本團隊導入有關力學調節組織分化及細胞擴散的關係模式，成功預測了動物試驗中骨組織生長進入骨釘孔洞的情形。團隊設計了兩種不同多孔結構的骨釘，Type I採用了孔徑50~200 μm的多孔結構，而Type II採用了仿骨小樑的孔徑300~500μm多孔結構(如圖七所示)，兩者的孔隙率均為60~70%。而後進行動物試驗植入，分別在6周與12周後犧牲取樣以微電腦斷層分析骨組織生長，並以數學模式模擬骨生長狀況與動物試驗微電腦斷層分析骨組織生長結果進行比對。
圖七、(a)~(c)為Type I、Type II及控制組(實心的結構)，(d)~(f)及(g)~(i)分別為各結構100X、250X的SEM圖，所有樣品均以鈦合金積層製造技術製作
在動物試驗犧牲後第6與12周進行微電腦斷層掃描分析骨生長時，可以發現Type I在第6周時，孔洞內僅有少數骨長入，到了第12周才有比較多的骨組織生長。而模擬預測結果也呈現一樣的趨勢(如圖八所示)，甚至模擬預測結果中也預測到了沒有骨組織生長的位置，這和植體受力傳導至周邊組織結果有關，可能因為組織為承受合適的力量，導致骨吸收的情況發生。在比對Type II骨釘動物試驗和模擬預測結果也能發現兩者間的一致性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、Type I骨釘動物試驗的微電腦斷層結果(a)、(c)與模擬預測結果(b)、(d)，在術後6周及12周的比較圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》433期，更多資料請見下方附檔。