促進組織整合仿生3D列印技術

撰文/林玉圓

工研院研發「促進組織整合仿生3D列印技術」,打造出「仿生中空骨釘」,由於布滿細小孔洞,不但有利骨頭等硬組織長入,也能帶動韌帶肌腱快速融合修復。

人體骨骼有細微孔隙,提供組織細胞、血管傳輸或儲存養分,工研院首創「促進組織整合仿生3D列印技術」,整合3D列印、力學結構、生物相容性等優勢,能快速修復骨骼及肌腱韌帶軟組織,勇奪2021年「全球百大科技研發獎」,助臺灣醫材在運動醫學領域中更上層樓。

今年10月,工研院的「促進組織整合仿生3D列印技術」,率先為臺灣奪下「全球百大科技研發獎」。歷經8年研發,研究團隊成功以積層製造(3D列印)技術,打造出「仿生中空骨釘」,因與人體組織的密合度高、生物相容性佳,經實驗證實,可大幅縮短患者復原時間,目前已技轉產業,並取得醫療器材製造許可。

仿生中空與孔洞結構 有助組織修復

職業運動員如美國NBA職籃或職棒大聯盟球星,一旦受傷就會影響團隊表現和個人生涯,尤其是韌帶受傷的復原更為費時,幾乎前3個月都無法運動,即使3個月後,動作也必須小幅漸進。然而運動員只要短暫休息,體能下降速度比一般人更快,以知名球星大谷翔平為例,受傷後花了2年,才在今年重返美國職棒大聯盟,重新締造佳績。

工研院生醫與醫材研究所再生醫學技術組副組長蔡佩宜表示,傳統骨釘是實心、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,導致發炎感染。這次榮獲R&D 100殊榮的主力產品「仿生中空骨釘」,布滿細小孔洞,不但利於骨頭等硬組織長入;經動物測試結果,也能帶動韌帶肌腱快速融合修復,尤以肩關節的肩旋轉軸肌,以及膝關節前後十字韌帶的修復效果最佳,是全世界唯一能修復軟組織的創新醫材。

力學結構高門檻 積層製造反覆測試

「仿生中空骨釘」的優勢歸因於三大核心設計:力學結構、積層製造技術、生物相容性。首先在力學結構方面,為促進人體組織長入,骨釘本體布滿許多細小孔洞,研發初期便迎來「力學強度不足」的考驗。由於骨釘植入人體後,每一次走動或運動時都須承受力量,「第一次開發出雛型時,就因力學強度不足,骨釘一經壓力測試就碎成粉狀,」蔡佩宜說,經團隊反覆進行疲勞測試,最終才設計出能滿足力學結構要求的理想原型。

第二項技術挑戰便是「積層製造」。積層製造是藉由攝氏1,500度高溫的雷射來燒融粉體,透過冷熱交替成型,過程中會因熱應力殘留,造成骨釘翹曲度不均;尤其體積愈大的醫材,如人工踝關節等,翹曲度更為明顯。為解決此技術瓶頸,研發團隊投入極大心力,與工研院雷射與積層製造科技中心攜手,這才開發出最適當的積層製造雷射掃瞄策略。

本土製鈦合金粉體 創新鐵基可降解

此技術獨特的生物相容性,則與積層製造所選用的粉體材質高度相關。蔡佩宜表示,目前仿生中空骨釘有2種材質,一是「鈦合金」。在積層製造的過程中,團隊必須嚴格控制鈦合金的氧含量,才能避免因延展性不佳而變得硬脆,植入後容易斷裂。早期鈦合金粉體必須外購,如今研發團隊已扶植本土相關廠商的產製能量,邁向醫材國產化。

另一材質則是由工研院一手打造的「可降解金屬」。由於鈦合金無法降解,若不經過二次手術,骨釘只能一輩子放在體內。為解決這項痛點,團隊研發「鐵基粉體」,能以適當的速度在人體中降解,被人體吸收,「控制降解速度牽涉合金的特殊配方,其開發的複雜度遠比鈦合金高出許多,」蔡佩宜說。

運動醫學應用夯 銀髮傷患一大福音

綜觀目前國際上積層製造醫材,大多會考慮骨骼的再生回復,但工研院率先投入韌帶肌腱及運動醫學;經過動物實驗後,初期固定效果好、韌帶快速長入,頭1個月的修復狀況已能趕上市售產品6個月的進度。

「這都要感謝與我們合作的醫療團隊,在研發過程中不斷給予反饋,」蔡佩宜也透露,團隊投入仿生孔洞技術多年,原先只聚焦骨骼復原,後來也是經由醫師建議,「既然有這麼好的力學結構,應該挑戰更難復原的韌帶軟組織!」這才刺激研發團隊投入相關研究。

仿生中空骨釘因與韌帶肌腱等軟組織密合度高、可促進快速生長,未來市場潛力大,不僅能造福職業運動員,也可有效縮短一般傷患的復原速度。疫後全球掀起運動風潮,有了這項優異生物相容性的醫材,能讓民眾享受運動樂趣而無後顧之憂;尤其在高齡化社會的今天,銀髮族常見肌肉骨骼問題,若採可降解材質的仿生中空骨釘,便無須進行二次手術取出,對銀髮族來說將是一大福音。

 

文章轉載自工業技術研究院工業技術與資訊月刊