video: Self-fitting shape memory bone scaffold developed by PolyU. view more
Credit: The Hong Kong Polytechnic University
香港理工大學（理大）的研究團隊結合形狀記憶發泡材料及羥基磷灰石（骨骼組織的主要礦物成分），設計及製造出一種具自行填補高效能的骨骼支架，能安全及方便地植入骨骼缺損位置，令骨骼再生，有助骨傷及骨折病人康復。目前市面有售的骨骼支架仍未有具備形狀記憶、自行填補效能。
骨骼可以自行再生，但因切除骨腫瘤及嚴重骨折所導致的大面積缺損，則需要接受自體或異體骨骼移植手術，導引骨骼再生。骨折乃全球愈益關注的健康問題，在人口老化的社會尤甚，如何改善移植手術或有效導引骨骼再生，藉以舒緩病者痛苦兼減輕社會醫療開支，成為科學家應對的一大挑戰。以骨質疏鬆引致的髖骨骨折為例，今年香港有9,590宗新病例，一項最新研究預測 ，到了2050年，每年新症數目將是現時的三倍；馬來西亞及新加坡同期的數目更會跳至三倍半。
組織工程學科學家近年有關骨支架的研究，為這領域帶來新希望，其中一個方向乃研發可導引組織快速再生、兼能以微創手術植入的骨支架，從而減少病人住院日數及感染風險。理大團隊新近研發的自行填補支架，乃此領域的突破。團隊由紡織及服裝學系教授胡金蓮教授（研究項目首席研究員）和博士後研究員謝瑞琪博士，以及康復治療科學系副教授郭霞博士帶領；團隊亦與四川大學緊密合作，就此項目進行細胞培植及動物建模實驗。
理大嶄新骨支架的特點
理大研發的骨支架 結合形狀記憶聚氨酯泡沫（polyurethane foam，一種塑膠材料）及羥基磷灰石（hydroxyapatite / HA）納米粒子製成，具有顯著的自行填補功能。支架由形狀記憶材料製成，可在0度（攝氏度°C）將其壓縮，在室溫下進行移植，並在40度完全回復原來的形狀，因而可自行全然填補形狀不規則的骨缺損。過程中的過渡溫度接近人體的生理溫度，因而大幅提高其應用於微創手術的可行性。
這自行填補支架擁有多孔結構及互相連結的孔洞，以供細胞遷移及形成新組織。支架孔洞的大小平均為670微米（頭髮的直徑約為100微米），即接近人體的鬆質骨（人骨的內層）孔洞的大小，以模擬人體內的實際微小環境。理大研發的支架大約60%為空隙，此乃支架最佳結構。
支架的機械強度不能太低，否則會變形或遇撞斷裂；也不能太高，否則周遭骨組織的密度會降低。理大研發的支架抗壓強度設為13.6兆帕（MPa / Megapascal），即相當於人體的鬆質骨的抗壓強度。實驗室測試又顯示，該支架具生物相容性、不會引起排斥，亦不具細胞毒性。
骨骼再生的動物實驗
胡教授表示：「通過兔股骨缺損研究，我們進一步檢驗自行填補支架促進骨骼再生的成效，結果顯示支架能克服傳統聚合物支架的缺點，有很大潛力應用於骨骼再生。」
在動物實驗中，18隻白兔每條腿的股骨於膝關節位置都有缺損，即一共有36處缺損。牠們一半被分為實驗組，另一半則為對照組。
實驗組白兔骨缺損的位置被植入大小壓縮至原來一半的支架（支架壓縮前的尺寸比骨缺損大大概5%）。在加入40度（攝氏度°C）的鹽水後，被壓縮的支架在60秒內膨脹，把骨缺損全然填滿。對照組的骨缺損並無植入支架。
手術後12周，實驗組的骨內骨組織生長較快，有46%骨內生長，代表有46%骨缺損被修復；對照組則只有24%骨內生長。
實驗亦證實自行填補支架能導引成骨細胞及血管的形成，這些都是合成骨組織的要素。在手術後12周，實驗組在支架上生長的血管數量，是對照組的四倍。此外，實驗組5%的骨表面被成骨細胞覆蓋，但在對照組幾乎找不到成骨細胞。
總括而言，理大研發的嶄新形狀記憶支架有以下優點：
- 能以微創手術植入；
- 自行調節和自行填補；
- 擁有重塑骨骼的最佳結構；
- 具生物相容性、不會引起排斥；
- 具良好機械性特質。
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