生醫材料 擺脫生物自然凋零的宿命？

由於人口老化已成全球趨勢，加上醫材產品認證時間逐漸縮短、生醫材料應用領域持續擴展，使得生醫材料衍生產品市場逐年成長。依據Research and Markets市場報告顯示，2008年，全球生醫材料衍生產品市場約255億美元，未來5年，該市場的年複合成長率（CAGR）預估高達15％。



由於人口老化已成全球趨勢，加上醫材產品認證時間逐漸縮短、生醫材料應用領域持續擴展，使得生醫材料衍生產品市場逐年成長。

依據Research and Markets市場報告顯示，2008年，全球生醫材料衍生產品市場約255億美元，未來5年，該市場的年複合成長率（CAGR）預估高達15％。

生醫材料的來源為天然或人工合成的材料，因具有生物相容性，而可被植入或結合到活體系統中，用來取代或修補活體系統的一部分，或直接與活體接觸而執行其生命功能。

生醫材料廣泛地應用於所有醫療器材中，例如，注射針筒、血袋、引流插管及駐植體、人工臟器，以及保健營養品、化妝品與藥物釋放系統等。

依用途可分為：骨骼系統修復材料（骨骼、關節等）、齒科材料、軟組織材料（皮膚、食道、呼吸道、膀胱等）、心血管系統材料（人工心臟瓣膜、血管、心血管內插管等）、醫用膜材料（角膜接觸鏡、液血淨化膜等）、生物感測器材料、整型外科材料、傷口癒合材料等，其中，又以再生醫療外科及骨科相關生醫材料為最大宗。

生醫材料以組成與性質分成四類

一般將生醫材料略分為四大類：金屬與合金材料（metals and alloys）、陶瓷材料（ceramics）、高分子材料（polymers）與生物組織材料（biological materials）。前兩項用於硬組織，如骨科；後兩項則用於軟組織，如細胞，為再生醫學的研究基盤之一。

1. 金屬與合金材料
   
   大致分為三種：以鐵為基材的不銹鋼（stainless steel），應用於骨折固定、人工關節、人工骨骼與血管支架等；以鈷為基材的主要組成成份為：鈷（Co）-62.5％、鉻（Cr）-30％、鉬（Mo）-5％與碳（C）-0.5％，應用於假牙、骨折固定與人工關節等。以鈦為基材的氧化鈦（氧約佔0.9％）或Ti-6Al-4V鈦合金，應用於骨折固定、人工關節、人工心臟瓣膜的支架與心律調整器的外殼等。
   
   常見的金屬與合金，即是以不銹鋼、鈷鉻合金與鈦金屬為最重要三大類。其應用如下：
1. 以鐵為基材的合金材料（iron-based alloys）：主要為不銹鋼，在臨床上，主要的應用有：骨折固定、人工關節、人工骨骼與血管支架等。
2. 以鈷為基材的合金材料（cobalt-based alloys）：主要的應用有假牙、骨折固定與人工關節等。
3. 以鈦為基材的合金材料（titanium-based alloys）：鈦金屬很容易在其表面產生氧化，常以氧化鈦或Ti-6Al-4V鈦合金（主要的元素為鋁和釩）的方式，應用在生醫材料上。主要應用於骨折固定、人工關節、人工心臟瓣膜的支架與心律調整器的外殼等。
2. 陶瓷材料
   
   陶瓷材料成分為氧化鋁（alumina, Al2O3），β-磷酸三鈣（tricalcium phosphate, Ca3(PO4)2），氫氧基磷灰石（calcium hydroxyaptite）, Ca10(PO4)6(OH)2)與所謂的生醫玻璃（組成成份為SiO2、CaO、Na2O與P2O5等），應用於骨骼填充材料、人工骨骼表面修飾與假牙等。
3. 高分子材料
   
   高分子材料若依來源，可分類為天然高分子及人工合成高分子。天然高分子包括：纖維素（cellulose）、膠原蛋白（collagen）、幾丁質（chitin）、褐藻酸鹽（alginate）、透明質酸（hyaluronic acid）、明膠（gelatin）等。
   
   天然高分子材料，多由動植物、微生物源萃取純化而來，在人體內，較沒有毒性及慢性發炎等問題。具有生物可降解性，可自行分解或被酵素作用分解為小分子，經代謝過程排出體外。
   
   膠原蛋白、明膠、透明質酸、幾丁質等，多用於製作人工軟骨、人工真皮，傷口敷料或藥物控制釋放載體，以及美容保養品、健康食品上。
   
   而人工合成高分子，則包括：聚甘酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乙烯（PE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚胺基甲酸酯（PU）等。
   
   聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚乳酸、聚胺基甲酸酯等，多應用於隱形眼鏡、人工水晶體、心導管、人工關節、手術縫線、藥物控制釋放載體、整形移植材料、組織工程支架、人工血管與手術用手套等。
   
   天然高分子材料大致分為6種：
   
   
   1. 膠原蛋白:主要成份為膠原蛋白（collagen）、黏聚醣（mucopolysaccharides）以及彈性蛋白（elastin）等。適用於做為細胞培養的基材、暫時的組織填充材料以及製做各式人工器官的基材等。
   2. 明膠：明膠為變性的膠原蛋白分子，經交聯修飾後可以用來做為生物膠（biological glue）)、傷口敷料（wound dressing）或藥物制放載體（drug carrier）。
   3. 透明質酸：為一帶許多負電荷的重複性雙醣單元天然高分子，將透明質酸注入關節中，增加關節部位的潤滑作用以減輕疼痛；眼科應用將透明質酸注入病患眼睛前房鞏固形狀，避免角膜在白內障手術時受到傷害。
   4. 幾丁質與幾丁聚醣：是一種從甲殼類動物的外殼中萃取分離而得之多醣類聚合體。有良好的生物相容性、無毒性、可生物體內分解、價格便宜以及生產原料充足等優點，使得幾丁聚醣的身價水漲船高。
   5. 褐藻酸鹽：為一帶許多負電荷的多醣類高分子，可以做為醫藥或化妝品的乳化劑或增稠劑。
   6. 纖維素及其衍生物：為構成植物體木質部與其表皮細胞的主要成分，做成的薄膜或中空纖維，可使用在血液透析洗腎機。
   合成高分子材料大致分為6種：
1. 聚甲基丙烯酸甲酯：以甲基丙烯酸甲酯（MMA）為單體，經自由基（free radical, R‧）起始反應，應用於假牙、骨水泥與隱形眼鏡等。
2. 聚乙烯：依密度分為：低密度聚乙烯（low density polyethylene, LDPE）、高密度聚乙烯（high density polyethylene, HDPE）與超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE）。低密度應用於心導管，超高分子量應用於骨折固定與人工關節等。
3. 矽膠：應用於人工心臟瓣膜的球閥、人工血管、心導管以及用來隆乳、隆鼻與隆下巴等美容手術的填充材料等。
4. 聚酯類高分子：由具有羧基（carboxyl group）與羥基（hydroxyl group）的單體，經polycondensation共聚合所得到的共聚物，如：達克隆（Dacron），與聚乳酸（polylactic acid, PLA）及聚甘醇酸（polyglycolic acid, PGA）或其共聚物等。應用主要有：大口徑人工血管，人工心臟瓣膜的縫合布圈以及人工韌帶等。
5. 四氟化聚乙烯：應用有中口徑人工血管。
6. 聚胺基甲酸酯：應用於人工血管與人工心臟的心室袋狀物等。
4.  生物組織材料分為三類
   
   生物組織材料在臨床上的應用，如：傷口敷料、人工心臟瓣膜、人工血管、人工肌腱和人工韌帶等。目前，常使用的生物組織材料可分為三類：自體移植材料（autograft）、同種移植材料（homograft）和異種移植材料（heterograft）。
   
   
   1. 自體移植材料（autograft）：就是從病人自己身上所取下的組織，因取自於病患本身，因此，沒有免疫排斥的問題。
      
      科學家從病人本身取下的健康生物組織，用以修補病變的生物組織，由於沒有免疫排斥的問題，相容性最好，壽命也最長。缺點就是來源有限，病人得多挨上一刀，以取下健康的生物組織。
      
      可應用於傷口敷料、人工心臟瓣膜、人工補綴片、人工血管、人工肌腱和人工韌帶等。
   2. 同種移植材料（homograft）：從捐器官者身上取下來的健康生物組織，經滅菌手續處理後再植回病人的身上，但由於病毒傳染的顧慮，目前不太普遍使用。此材料的保存大都需要保存在極低溫的環境，如液態氮裡，且由於並非患者本體的組織，容易產生排斥反應性，與易受免疫系統的攻擊。
   3. 異種移植材料（heterograft）：從動物體上取下來的健康生物組織，經過交聯劑的交聯處理後才能植入人體，以穩定人體器官組織，增強對抗人體免疫系統與酵素的攻擊能力。由於，來自非同種生物，身體的免疫系統會視其為外來物質而攻擊，因此，異種移植材料必須經過一些處理過程，才可以植入人體。

生醫材料要具備的條件

由於，生醫材料會與人體或組織接觸，因此，需要具備下列特性：被分解的速率可以控制；良好的生物相容性；不會產生免疫排斥反應；能提供適當的機械強度；可以促進組織的再生；可滅菌性（環氧乙烯、γ-照射、電子束等）。

1. 相容性/惰性/可分解性：生物材料本身與人體組織、體液或血液接觸後，必須符合臨床使用的情況，植入的材料能促使週遭細胞能遷徙並增生於材料上，隨著材料的分解與組織的再生，重建病變的組織，不再有強烈的免疫反應與排斥現象發生。
2. 無毒性/無過敏性/無致癌性/可消毒性：生物材料不容許對人體來說有任何的毒性，不會引起宿主的免疫反應以及細胞病變，可使用壓力鍋、E.O.、電漿、臭氧、γ射線等技術進行消毒，必須是完全可以讓人體接受的標準。
3. 數量充足穩定/價格合理：取得方便及數量平穩，並且是各國健保制度願意給付也負擔得起的。

奈米生醫材料市場潛力無窮

奈米生醫材料為近幾年的發展趨勢，研究發現，在奈米的尺度下，生醫材料有時能表現出較傳統材料更佳的效果。將植入物以奈米級的材料加以包覆，創造出細胞及組織能夠生長的環境，且不排斥，並具有長期取代的功能。

奈米規格的聚合物製成的骨釘板，可以減少傷口癒合的時間，以及減少疤痕與感染的發生。

以奈米技術製備的奈米粒材料，多採用聚乳酸、聚乳酸共聚、聚幾內酯、幾丁聚醣等高分子。

高分子奈米粒子在藥物控制釋放的應用，不僅能提高藥效、簡化給藥方式，且降低藥物的毒副作用，其中，以標靶治療最具代表性，用於癌症的治療功效顯著。奈米技術對生醫材料應用的幫助極大，未來市場潛力值得期待。

台灣生醫材料產業研發重點

在我國投入生醫材料的研發與廠商也有不少，例如，上游部份，中研院生醫所致力於組織工程、幹細胞及生長因子上的研究，包括：台大、陽明、清大、成大、長庚等醫療院所，在生醫材料的分子改良、特性分析及動物實驗上，均有從事研究。

中游部分，國家衛生研究院、台灣動物科技研究所及工研院為研發主體。下游部分，許多廠商引進國外相關生醫材料技術，並與國內研究單位合作，尤其對組織工程應用領域有濃厚的興趣。

從業界及研發領域的觀點來看，生醫材料用途多樣性，開發風險較新藥開發小，是生技領域中，類似關鍵零組件的概念產品。

以製造為導向，開發成果及技術可應用至不同領域，甚至跨入組織工程領域發展，開拓不同型式的產品，生醫材料之潛在應用市場龐大，值得我國生技廠商密切專注。

何謂生醫材料？

所謂的生醫材料就是用於生物體內或體外使用的醫學器材材料，包含：天然來源或人工合成材料，可被植入或結合入生物體系統內，直接或間接的接觸生物體的組織、體液或血液等，以取代或修補生物體系統的一部分，繼續執行生物體的生命功能。

參考資料：

1.生醫材料之發展與應用(上)-IT IS/金屬中心產業研究組 蔡潔娃/2010年

2.高分子材料與醫療器材-科學發展/2010，455期 黃世偉

3. 奈米生醫材料技術發展趨勢與商機探討-IT IS/黃博偉 2004年



生技與醫療器材報導月刊 2011/09/27  曹智菀、陳宜君