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高分子學習加油站---生醫高分子材料
前言
1. 生醫材料之活體外實驗：首創以角膜上皮細胞遷移覆植、細胞附著及細胞生 長等三種方式，詳細探討改質高分子薄膜表面性質（如化學結構及組成、表
面型態及親疏水性等）對生物分子適應性的影響，建立優良的評估方法。
2. 生醫材料之活體內實驗：在世界上首先建立兔子全層性角膜移植手術，詳細 探討薄膜材料與活體組織接觸之免疫反應，並解決或降低免疫反應的發生。
完整發現影響改質薄膜生物適應性之因素包括薄膜曲度、上皮細胞覆植生長 情形及前房深度等，進一步成功地解決上述因素所造成的問題，使角膜上皮
細胞可完全覆植於改質高分子薄膜上，並維持眼睛前房深度，避免炎性反應 及不正常分泌物的發生，維持透明度達95%以上及完整的眼球結構，建立人
工角膜研究上之一大進步。
生醫工程
一、目的
生醫工程為新世紀的尖端科技之一。目前我國亦將醫藥工業列為重要發展工業，旨在提高國內醫藥治療品質，加強醫藥科技研究水準，期能在邁入二十一世紀之際，能於生物醫學工程的研究上，趕上已開發國家之水準。有鑑於此，本系特規劃成立生醫工程實驗室，期能提高生醫工程之研究能力。
1. 生醫材料
A. 定義：
生醫材料之研發以體外之醫療器材及植入體內之高分子材料為主。醫療器材，諸如血袋、導管、縫合線及生物感測器等之研發，特著重於高分子材料之表面改質，具抗血栓性結構與特殊功能研究。除醫療器材外，植入體內之生醫高分子材料之製備，研究重點為生體適應性、生物分解性或生體可吸收性之高分子材料。此應用範圍涵蓋軟質組織，諸如人工血管、人造皮膚、人工眼角膜等材料之研發，硬質組織的人工牙齒與人工骨骼的研發，以期開發出生體適應性良好之人造器官材料。並配合醫療界需求，與教學醫院合作（已與台中榮總合作），研發各種醫療器材，提高醫療水準，促進社會福祉。
B. 理想生醫材料要件
傳統的生醫材料研發概念認為，適用在人體內理想的生醫材料必須符合以下的條件：
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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。
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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。 |
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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。
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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。
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不致癌(non-carcinogenic)： 材料本身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。
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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。
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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。
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C. 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)。基本上前兩項用來替代人體的硬組織，後兩項則常用來做人體軟組織上的生醫材料。
I. 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：
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。
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。
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。
II. 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。
III. 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乙烯(polyethylene,PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚酯類高分子(polyester)、聚胺基甲酸酯(polyurethane,
PU)、氟化聚乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)與矽膠(silicone rubber
or polydimethylsiloxane)等。常用天然生醫高分子材料有來自動物的膠原蛋白(collagen)、明膠(gelatin)、幾丁質(chitin)與幾丁聚醣(chitosan)及其衍生物、透明質酸(hyaluronic
acid)等，與來自植物的褐藻酸(alginate)與纖維素(cellulose)及其衍生物等。
IV. 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)。
自體移植材料是從病人自己本身取下來的健康生物組織，用來修補或替代病變的生物組織，例如臨床上在矯治冠狀動脈血管硬化的繞道(bypass)手術時，常用病人自己胸內的內胸動脈(internal
thoracic artery)或者是腿上的隱靜脈(saphenous vein)。這種自體移植的生物組織材料由於沒有免疫排斥的問題，且其生物相容性最好壽命也最長。它的主要缺點是來源有限，以及病人得多挨上一刀以取下健康的生物組織，來替代病變的生物組織。
同種移植材料是從捐器官者身上取下來的生物組織，經過抗生素等的滅菌手續處理後再種回病人的身上，它的保存通常是在液態氮裡(-196℃)。這
種同種移植材料在植入人體之後，當然會受到病人體內免疫系統的攻擊，因此在臨床上的壽命比不上自體移植的生物組織材料。此外由於愛滋病和肝炎等病毒傳染的顧慮，使得有些醫生不太敢使用這種同種移植的生物組織材料。
異種移植材料是從動物體上取下來的生物組織材料，一般來說，這些動物器官組織含有豐富的膠原蛋白。同樣的，這些動物器官組織也必須先經過交聯劑的交聯處理後才能植入人體，因為人體的免疫系統與酵素會攻任何外來的物質，使得植入的器官細胞死亡以及組織退化，進而導致植入器官的衰死。交聯處理能夠穩定器官的組織，增強器官組織對抗人體免疫系統與酵素的攻擊能力。
異種生物組織材料在植入人體之後，面臨的第一個問題就是體內免疫系統及酵素的攻擊，免疫系統及酵素的攻擊往往會造成材料被分解而無法發揮其功能。為了使材料在植入人體之後，具有抵抗體內的免疫系統及酵素攻擊的能力，增加本身的機械強度，以及延長材料在體內的壽命，這些異種生物組織材料在植入人體之前，皆必須先經過交聯劑的化學交聯修飾。
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。
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。
2. 藥物製劑
為大幅提昇我國之製藥工業水準，本實驗室亦將藥物製劑之研究列為重點項目，並以生物製劑、原料藥、藥物中間體之合成設計與性質分析研究為主要課題。期能發展特殊功能及高藥效之產品。並因發展新藥所需時間往返甚長，研究經費較為龐大，故在短程之研究策略上，亦採取"舊藥新用"為研究之導向，此範圍亦涵蓋藥物新劑型之最佳控制釋放設計及標的功能性藥物之研究，與高分子應用於藥物結合之性質及合成的研究發展。綜而言之，藥物製劑研發之目標為理論與實用並重，配合產業需求，追求新技術。並將研究領域延伸利用基因藥物的疾病治療及醫藥檢驗試劑的開發。
3. 生物晶片
生物晶片是結合電子半導體精密製程技術與生物醫學科技，產製微小化、快速、平行處理之生物及醫療用元件、軟體及系統的新技術，其應用領域極廣，包括新藥開發、血液與疾病檢測、警檢法醫鑑定、國防軍事偵防、環境監測、工業食品檢驗等。
工研院以開發感染性疾病之臨床快速檢驗生物晶片為重點，含DNA晶片、前處理晶片、系統設計製作、基因資訊及感測等技術開發。
第一年除完成發燒DNA晶片雛型設計製作，可同時檢測四種臨床上常見的發燒病原細菌之外，還與成功大學合作研發肝炎病毒檢測用之毛細管電泳微型晶片，委託三軍總醫院蒐集25種臨床常見的發燒病原菌，完成16s
rRNA基因定序，並蒐集各種多重抗藥性結核桿菌以進行抗藥基因定序分析。經由上述合作計畫，建立台灣地區感染細菌基因序列資料庫，應用於檢驗晶片探計之設計。
在前處理晶片元件設計開發上，完成氣動式微流體驅動元件之設計製作，並提出專利申請。亦建立晶片製作及單股寡核甘酸與玻璃晶片共價結合技術，使晶片表面處理之再現性可達九成以上。有關基因晶片檢測技術開發，完成共軛聚焦雷射掃描器(confocal
laser scanner)系統評估及單點生物晶片檢測系統架設。
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