奈米生醫材料

1. 奈米生醫材料 材料三A 4980G007 林聿甄

2. 生醫材料定義 • 生醫材料基本的定義，為用於製造體內或體外使用的醫學器材材料，這些醫學器材基本上直接或間接的會與人體的組織、體液或血液等接觸。因此在製造這些醫學器材時除了一般材料的物理、化學性質外，還需考量其與人體組織、體液或血液等接觸時的生物相容性質(biocompatibility)。所謂的生物相容性質涵蓋了當材料與人體組織、體液或血液等接觸時，其界面或各自所發生的一切現象，例如：蛋白質的吸附、血栓的產生、免疫反應、材料的分解速率等。

3. 理想生醫材料要件 • 良好的生物相容性質： 也就是材料本身與人體組織、體液或血液接觸後，其發生的一切現象必須符合臨床使用的情況。例如：植入的人工血管，希望它不會產生血栓的現象；相反的止血棉(hemostat)反而是希望它立即產生栓塞的現象，以利傷口的立即止血。

4. 惰性(inert)： 傳統的概念是期望材料與人體的組織、體液或血液接觸後，彼此皆不發生任何變化。然而這項概念在過去三、四十年臨床所累積的經驗發現，由於人體免疫反應與排斥現象的發生，是不可能實現的。最近幾年取而代之的為『組織工程』的概念，期望植入的材料，能促使週遭宿主的細胞能遷徙並增生於材料之上，隨著材料的慢慢分解，與組織的再生，來重建病變的組織。如此宿主免疫系統看到的將是自己的細胞與組織，而不再有強烈的免疫反應與排斥現象發生。

5. 無毒性(non-toxic)： 很自然的聯想，一個有毒性的材料，當然會不利於與其接觸的人體組織、體液或血液。 • 不產生過敏(non-allergic response)： 過敏現象基本上就是材料本身會不斷的引起宿主的免疫反應，使得週遭組織發生紅腫、發膿甚至潰爛的現象。 • 不致癌(non-carcinogenic)： 材料本身可能由於物理刺激或化學或生物的反應，導致宿主周遭組織細胞的突變，進而產生癌化的現象。

6. 適當的機械性質： 使用材料的機械性質應與其替代宿主組織所擔任的工作儘可能匹配。 • 容易獲得且便宜： 在經濟的考量上，當然希望所使用的材料，是各國健保制度願意給付也負擔得起的。一項健保制度不願意給付的醫學器材，在醫療市場上是不可能會有競爭力的。

7. 生醫材料的分類 • 臨床上使用的生醫材料可以分為四大類，分別為：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)。

8. 金屬與合金材料 • 臨床上常用的金屬與合金材料又可以分為三類： 1. 以鐵為基材的合金材料 (iron-based alloys) 以鐵為基材的合金生醫材料，主要為不銹鋼( stainless steel )。不銹鋼材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) 應用在臨床上的鈷合金材料組成成份為：鈷(Co)-62.5%、鉻(Cr)-30%、鉬(Mo)-5%與碳(C)-0.5%，主要的應用有假牙、骨折固定與人工關節等。

9. 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(氧約佔0.9%)或Ti-6Al-4V鈦合金的方式應用在生醫材料上。主要的應用有骨折固定、人工關節、人工心臟瓣膜的支架與心律調整器的外殼等。 碟籠式人工心臟瓣膜其支架為鈦合金所製成

10. 陶瓷材料 • 應用於醫學上的陶瓷材料有氧化鋁(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)等，其主要應用有骨骼填充材料、人工骨骼表面修飾與假牙等。

11. 高分子材料 • 高分子材料依其來源又可分類為，合成高分子材料(synthetic polymers)與天然高分子材料(naturally occurring polymers)。常用的合成高分子生醫材料有聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)、聚乙烯(polyethylene, PE)、矽膠(silicone rubber or polydimethylsiloxane)、聚酯類高分子(polyester)、四氟化聚乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)與聚胺基甲酸酯(polyurethane, PU)等。

12. 合成高分子材料 1. 聚甲基丙烯酸甲酯 聚甲基丙烯酸甲酯是以甲基丙烯酸甲酯(MMA)為單體，經自由基(free radical, R‧)起始反應後，形成聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯在生醫材料主要的應用有假牙、骨水泥(bone cement)與隱形眼鏡( contact lens )等。

13. 2. 聚乙烯 聚乙烯的化學結構式如下： 依其密度可分為低密度聚乙烯(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)。低密度聚乙烯的主要應用為心導管(catheter)，而超高分子量聚乙烯的應用為骨折固定與人工關節等。

14. 3. 矽膠 矽膠的化學結構式如下: 其在生醫材料上的應用有: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。

15. 4. 聚酯類高分子 聚酯類高分子是由具有羧基(carboxyl group)與羥基(hydroxyl group)的單體，經polycondensation共聚合所得到的共聚物。在生醫材料裡較知名的聚酯類高分子材料有達克隆(Dacron)，與聚乳酸(polylactic acid, PLA)及聚甘醇酸(polyglycolic acid, PGA)或其共聚物等。達克隆為1960∼1970年常用的織衣高分子材料，其結構式如下： 達克隆在生醫材料上的應用主要有：大口徑人工血管(內徑大於10 mm)，人工心臟瓣膜的縫合布圈(sewing ring)以及人工韌帶等。

16. 以達克隆所製做的大口徑人工血管 人工心臟瓣膜的縫合布圈是以達克隆所製成的

17. 聚乳酸與聚甘醇酸的化學結構式如圖所示，這兩種聚酯類高分子在生醫材料上主要的應用有：手術縫線、藥物控制釋放載體、整形移植材料與組織工程支架等。聚乳酸與聚甘醇酸的化學結構式如圖所示，這兩種聚酯類高分子在生醫材料上主要的應用有：手術縫線、藥物控制釋放載體、整形移植材料與組織工程支架等。 聚乳酸與聚甘醇酸的化學結構式

18. 5. 四氟化聚乙烯 四氟化聚乙烯的化學結構式如下： 其化性相當惰性，在生醫材料上的應用有中口徑人工血管(內徑約4∼10mm)、人工韌帶與用於胸腔或腹腔手術的補綴片(patch)等。 以四氟化聚乙烯所製成的中口徑人工血管

19. 6. 聚胺基甲酸酯 聚胺基甲酸酯的化學結構式如下： 其在生醫材料上的應用有：人工血管與人工心臟的心室袋狀物等。

20. 天然高分子材料 • 常用的天然生醫高分子材料有來自動物的膠原蛋白(collagen)、明膠(gelatin)、透明質酸(hyaluronic acid)、幾丁質(chitin)與幾丁聚醣(chitosan)及其衍生物等，與來自植物的褐藻酸(alginate)與纖維素(cellulose)及其衍生物等。

21. 1. 膠原蛋白 生物組織除了含60~70 % 的水份之外，主要的成份為膠原蛋白（collagen）、黏聚醣（mucopolysaccharides）以及彈性蛋白（elastin）等。其中又以膠原蛋白的含量最高，其乾重約佔生物組織的70 %，濕重約佔生物組織的30 %。膠原蛋白可以從生物組織裡萃取純化出來之後，直接或再經過重組做為生物組織材料。由於免疫排斥的問題，這些膠原蛋白生醫材料必須先經過交聯劑的交聯處理(cross-linking)後，才能植入人體。由於膠原蛋白具有良好的生物相容性、機械強度以及可製做成多孔性的結構，因此非常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。

22. 2. 明膠 明膠基本上為變性(denature)之膠原蛋白分子，通常以熱水長時間處理豬或牛的皮膚、韌帶、肌腱或骨頭，所得到的水溶性蛋白質總稱為明膠。明膠的水溶液在低溫時(~ 4℃)成膠，高溫時成水溶液狀態，為一生物可分解的材料。明膠在生醫材料上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)。

23. 3. 透明質酸 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，分佈於動物體結締組織的細胞外間質內，其水溶液為具黏彈性的水膠，有潤滑、吸震、保護細胞等功能。 透明質酸可以從雞冠或牛的關節液或水晶體等生物組織裡，萃取純化出來，其分子量約為 2 ×106 ~ 6 ×106。臨床上，醫生將高分子量的透明質酸直接注入關節中，來增加病患關節部位的潤滑作用以減輕疼痛。在眼科的應用上，醫生將透明質酸注入病患眼睛前房鞏固其形狀，以避免角膜在白內障手術時受到機械性傷害。在傷口癒合的應用上，透明質酸扮演著相當重要的角色。

24. 4. 幾丁質與幾丁聚醣 幾丁質[poly(β-1,4- N-acetyl-D-glucosamine)]又稱為殼質素，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。幾丁質在自然界中之分佈很廣，除了存在於甲殼類動物(如蝦、蟹、昆蟲的外殼)之外，還包括了微生物界(細菌的細胞壁或菇類)及植物界的藻類等。 幾丁質的化學結構

25. 幾丁聚醣 [ poly(β-1,4- glucosamine)]又稱殼醣素，是由幾丁質經由不同程度的脫乙醯基反應而得的非均一性聚合體。幾丁聚醣為N-乙醯葡萄糖胺與N-葡萄糖胺為結構單元之共聚合體，而N-葡萄糖胺結構單元在聚合體中之含量通常高於60%以上。幾丁聚醣可溶解於稀有機酸中，因此提昇了幾丁聚醣的利用價值。由於幾丁聚醣良好的生物相容性、無毒性、可生物體內分解(溶菌酶)、價格便宜以及生產原料不虞匱乏等優點，使得幾丁聚醣成為近年來高分子生醫材料中頗受重視的材料。 幾丁聚醣的化學結構

26. 5. 褐藻酸鹽 褐藻酸鹽為一帶許多負電荷的多醣類高分子，以鈣鹽或鎂鹽存在於褐藻類植物中。可以稀鹼萃取褐藻類後，再用鹽酸（HCl）、氯化鈣（CaCl2）使之沈澱再精製而得，分子量約為240,000。褐藻酸鹽於室溫下可溶於水或鹼性溶液中，配製成黏稠之溶液，可以做為醫藥或化妝品的乳化劑或增稠劑。另外，褐藻酸鹽可與二價陽離子如鈣或鎂等，形成網狀結構之膠體離子錯化合物，做為包覆動物細胞或藥物的載體。 褐藻酸鹽的化學結構

27. 6. 纖維素及其衍生物 纖維素為構成植物體木質部與其表皮細胞的主要成分，為天然界存在最豐富的有機高分子。由於纖維素不易被溶劑溶解，因此必須經過高溫酯化等化學反應後溶製成薄膜，例如Cellophane, Curophane與cellulose acetate等。以這些材料做成的薄膜或中空纖維，已在血液透析洗腎機上使用了相當長的一段時間。 纖維素的化學結構

28. 生物組織材料 • 生物組織材料在臨床上的應用非常的廣泛，例如傷口敷料、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。目前臨床上常使用的生物組織材料大致可分為三類：自體移植材料(autograft)、同種移植材料(homograft)和異種移植材料(heterograft)。 • 臨床上最常使用的生物組織交聯劑為戊二醛，但是以戊二醛交聯處理的生物組織材料在臨床應用方面，會發生組織硬化、鈣化及纖維化等問題。根據文獻上的記載，這些問題可能與戊二醛的毒性過高有關。

29. 近年來本實驗室著手使用一種從中藥梔子果實裡，萃取純化出來的天然交聯劑-京尼平來交聯處理生物組織。在傳統中藥上京尼平及其衍生物常被用做來治療各種免疫性疾病及肝病等。另外，京尼平也常被用來當做天然食用色素。由以上的兩種應用，可推測由梔子的果實萃取出來的京尼平其毒性應相當的低。而我們早期的實驗結果，亦證實了天然交聯劑京尼平的毒性，比目前常使用的幾種化學交聯劑（戊二醛與環氧化物等）要來得低很多。 梔子的果實及花

30. 結語 由以上的介紹可知傳統的工業材料包括金屬與合金、陶瓷材料與高分子材料等，皆被嘗試著用來做生醫材料。在1976年以前，只要醫生敢用，任何材料皆可被用在人體上，但過去臨床的經驗告訴我們，適合用在人體的生醫材料，不像一般工業上的應用，還得考慮人體複雜的免疫系統反應。因此在1976年美國國會通過食品藥物法規之後，生醫材料就如同藥物一般，必須通過相當嚴謹的體外及動物實驗，進而臨床測試後方可上市。而現今生醫材料的研究已不再是一個單獨領域的知識即可勝任，跨化學、化工、生物、生理、免疫及醫學等不同知識領域，已是研究生醫材料所必須具備有的基礎。

31. 引用 • 生醫材料簡介〔宋信文(教授) 陳松青(博士生)〕 http://www.plas2006.com/UploadFile/TopicFile/2007615165921.pdf

32. 報告完畢..