生醫高分子複合材料於人工韌帶之應用：材料世界網

馬俊賢、徐麗道、蔡佩宜、黃蕙婷、黃志傑、吳貞儀、楊國義、林孟雪、黃馨怡 / 工研院生醫所

聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，屬於熱塑性聚酯，具有韌性佳、質量輕、抗拉伸、耐磨、耐酸鹼等特點，在人體中穩定性、機械強度與耐久性良好，為目前使用最廣泛的人工韌帶高分子材料。然而PET材料的低表面能、缺乏極性基團及親水性較差，致使細胞難以貼附與生長。為了改善PET與生物組織之間的親和性，藉由膠原蛋白的表面改質及生物陶瓷混摻PET等技術，使新生組織(包含新生韌帶組織及新生骨組織)與人工韌帶材料融合，不僅可保留PET人工韌帶的高抗張強度優點，同時亦可促進韌帶組織再生與植體骨隧道間之骨整合能力，以解決因磨損所引起的使用年限問題，進而提升人工韌帶在臨床使用上之需求。

【內文精選】

人工韌帶簡介

人工韌帶移植具有穩定的來源，患者不需承擔供給區併發症、免疫排斥與疾病傳染的風險，恢復期較短，經短期復健後可快速回到日常生活或運動場上。然而，人工韌帶會在長時間使用後出現材質老化或疲乏，以及材料磨耗碎片誘發關節囊發炎反應，進而導致退化性膝關節炎的產生。另外，在韌帶與骨頭附著點處，人工韌帶在兩端骨隧道部分依靠骨釘擠壓固定，材料上亦有骨整合(Osseointegration)不足的問題。此外，在韌帶的關節內部分，目前臨床使用的人工韌帶雖然可允許自體組織長入，但通常僅能生長在人工韌帶外圍，難以深入，且新生的纖維組織亦難以形成完整結構，即韌帶化過程未完成，重建塑形困難，且長期植入常見有磨損並衍生局部發炎、關節積水，甚或人工韌帶斷裂等問題。綜合上述問題分析，如何改良現有材料特性，使新生組織(包含新生韌帶組織及新生骨組織)與人工韌帶材料結合，藉以保留人工韌帶的高抗張強度，並促進韌帶組織再生(Tissue Regeneration)與植體骨隧道間之骨整合，延長人工韌帶使用年限，成為目前相當重要的課題。

生物陶瓷混摻型PET

調控人工韌帶在關節外的兩端骨隧道部分的間質幹細胞之骨分化，進而促進骨整合，亦是人工韌帶成功與否的關鍵因素之一。目前市售人工韌帶材料為疏水性，與骨隧道周圍的骨整合性較差，在韌帶重建手術後，移植物和骨隧道之間的界面處會出現纖維瘢痕組織層，而非纖維軟骨過渡層，長期使用可能導致移植物鬆弛和失敗。常見的生物陶瓷(Bioceramics)材料—氫氧基磷灰石(Hydroxyapatite; HAp)是人體骨骼組織的主要成分，約占骨質量的65%至70%，具有良好的生物相容性與骨傳導性，經常用於植入物表面修飾，促進骨質新生，植入體內後，鈣和磷會游離出材料表面被身體組織吸收，提供骨細胞礦化所需營養，進而逐步生成骨組織，以強化骨整合。文獻研究結果顯示HAp塗層可有效促進骨整合，改善人工韌帶移植物於骨隧道中骨癒合的問題，但研究發現HAp粉末在PET人工韌帶材料表面有凝集現象，影響HAp的作用效果，因此改以生物陶瓷(HAp)與PET聚酯混摻技術克服，並應用於人工韌帶的骨隧道區之PET纖維。

圖四、以人類間質幹細胞種植在生物陶瓷混摻型PET表面，測試其骨分化能力：(a)細胞培養21天之蛋白質濃度測試結果；(b)細胞培養7天及21天之鹼性磷酸活性測試結果；(c)細胞培養21天之鈣沉積量；(d) Alizarin Red S染色影像

膠原蛋白表面改質與生物陶瓷混摻之生醫高分子複合材料

工研院團隊結合膠原蛋白表面改質與生物陶瓷混摻技術等優勢，建構成組織可再生之人工韌帶(簡稱ITRI人工韌帶)，並以紐西蘭白兔進行功效性驗證，評估ITRI人工韌帶在兔子膝關節的內側副韌帶強化重建模型中的效果。實驗分為兩組：①對照組(CTL)：ORTHOMED市售人工韌帶；②實驗組(ITRI)：ITRI人工韌帶。如圖五所示，手術將人工韌帶由脛骨端骨隧道穿入，再穿入股骨端骨隧道，並與自體的內側副韌帶縫在一起，脛骨端以金屬固定鈕固定，股骨端以介面骨釘固定。手術完成後，將撥開的各層組織及皮膚縫合，術後再進行動物照護與復健動作。在手術植入6個月後犧牲動物，並取下人工韌帶及相連之組織，進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察，結果發現實驗組(ITRI人工韌帶)表面可觀察到星狀纖維母細胞貼附並橫跨於ITRI人工韌帶纖維之間(圖六(a))，同時亦發現類似膠原纖維所形成的辮子狀網絡結構，其結構和排列均非常接近兔子原生的內側副韌帶的膠原纖維…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。