硬骨组织工程
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硬骨组织工程的终极目标，在能于解剖学所需之位置上，精确地产生骨胳愈合反应。在临床上，必须能够与四周原有的骨胳整合，并产生足够的机械支撑性质。组织工程的核心概念中，有几个基本要素：（1）细胞：即在硬骨组织工程上，必须找到能产生骨胳的细胞。（2）支架：意即能携带成骨细胞的材料。这些材料在填补骨缺损的位置之后，能使成骨细胞贴附、移行、分化与繁殖。具有这种性质的材料，称之为具有「骨传导」性质。（3）生物性的刺激：意即在植入含有骨细胞的支架外，再提供一些具生物活性的因子，如生长因子，来更进一步促进成骨细胞之繁殖、分化，并维持产生骨头的显型。具有这类性质的物质，称之为具有「骨诱导」性质。（4）生物反应器，提供一个让组织生长的环境，同时提供必要的物理刺激，使组织能够快速成长。这四个基本要素缺一不可。
就传统的骨移植术而言，可分为自体骨移植与异体骨移植。自体骨移植，可取自海绵骨、皮质骨或是带血管茎移植。在自体骨移植术中，其本身就具备成骨细胞、骨诱导与骨传导性质。而异体骨移植，系将他人捐赠的骨胳加以处理后，再行移植。本身已不再具有成骨细胞，因此不会有排斥的问题，但是成骨的效果也较差。骨诱导性自然也比不上自体骨移植，而只有骨传导性与自体骨移植尚可比拟。
因此，就组织工程的观点而言，我们所制造出来的产品，就必须以自体移植骨为标准，甚至要更超越它。毕竟，从自己身体上能贡献出来的自体移植骨，数量终究有限。挖东补西，总不能把东挖到倒塌吧？而组织工程不然，细胞可以在体外大量培养，骨诱导与骨传导之物质可以在体外大量生产。可以预见在不久的将来，自体骨移植可能会走进历史。甚至在基因工程或是生长因子的作用下，以往要好几个月才能愈合的骨折也可以加速进行，请大家拭目以待。以下，就成骨细胞与支架方面，来做更进一步的探讨。
成骨细胞可以在骨膜、海绵骨与骨髓等处发现。基本上它是一种先驱细胞，大致可分为两类，一类已确定往骨母细胞的方向分化；另一类则较为多样性，可以往骨胳、软骨、脂肪等结缔组织的方向分化，但是必须接受特定的诱导，此即目前极为热门的间叶干细胞。这些细胞自体内取得之后，可以在体外增殖培养，获得大量的数目。数量大的成骨细胞可以促成较佳的骨生成，加速骨形成，产生较大量骨胳。更重要的是，在体外培养细胞的阶段，这些细胞可以接受生长因子等生物活性因子的刺激，甚至可以接受基因的植入，为基因工程的介入开了一扇大门。
如前所述，支架的目的是携带成府茩M填补骨缺损的位置，并使细胞贴附、移行、分化与繁殖。因此，骨传导性为支架的最基本要求。将来，若能将生物活性因子，如生长因子，整合入支架内，则支架不但具有骨传导性，还能具有骨诱导性，这也是目前世界上各研究单位致力的目标。
在这样的产品成功之前，目前世界上同时具有这两种性质的黄金标准物质，就只有自体海绵骨而已。当然，它还包含有成骨细胞，具备有组织工程的三基本要素，只是来源供应有限。理想的支架除了携带成骨细胞之外，在植入体内之后，也希望四周组织的细胞能够长到支架之内，新的组织与血管也能长入，最后形成自己的骨胳。目前常用具有骨传导性的物质，有异体移植骨、生医陶瓷、胶原蛋白、以及化学合成之物质，如聚乳酸或聚甘醇酸。
异体移植骨本身即是一种具有多孔性的材质，也是一般骨传导物质的原型。本身也含有一些生长因子，若将其去除矿物质之后，这些生长因子会更容易释放出来。因此，异体移植骨也可说具有骨诱导的潜力。
异体移植骨通常必须加工处理，包括冷冻、冷冻干燥、或放射线照射。目的在杀菌，减少免疫反应。然而，即使经过多重的加工处理，也没有办法保证百分之百绝对不会感染，过去就曾发生因异体骨移植而感染爱滋病的案例。
另外一类的骨传导物质为生医陶瓷，主要是磷酸盐类的合成物，如氢氧基磷灰石及三钙磷酸盐。三钙磷酸盐在体内的溶解性虽然较氢氧基磷灰石高，但是制造成块状之后，它的孔隙分布并不平均也不相通，因此四周的骨细胞无法完全长大。α 型三钙磷酸盐在体内溶解快，四周骨细胞尚未完全长入，就溶掉了。而 β 型三钙磷酸盐则是几乎不溶解。这两者作为移植骨之取代物均不甚理想。颗粒状的三钙磷酸盐，具有较大之表面积与空隙，会有比较好之效果。
高度结晶化的氢氧基磷灰石，在体内非常的稳定，每年大约只有百分之五到十五会被吸收，目前最具代表性的产品来自珊瑚的衍生物。珊瑚本身的结构具有孔洞，与人体的海绵骨构造相似。珊瑚本身的成分是碳酸钙，经过适当的热处理后，可转变为机械性质较强的氢氧基磷灰石，而其孔隙结构并不会被破坏。在动物实验上，植入此种产品可以很顺利地与原有的骨胳产生愈合。然而，因为本身是非常稳定而不易吸收，最后这些植入物并不能完全转化成自己的骨胳。因此，只适合于骨胳端的小缺损填补。若在骨干缺损处加以填补的话，因为它终究无法转化成为骨胳，长期负重后会产生疲劳性断裂。
为了克服氢氧基磷灰石无法被吸收之缺点，许多改进的方法应运而生。主要在改变其组成之成分。除了包含不易溶解吸收之氢氧基磷灰石外，还包含一些易溶的碳酸钙或三钙磷酸盐。这些部分溶解后，有助于骨细胞及周围组织长大，将其转化为自我的骨胳组织。
另外一种极为迷人的方式，就是注射式的陶瓷，用打针的方式就可以填补骨缺损。这类的陶瓷为多种磷酸盐类的混合物，注射入体内之后会慢慢固化，而且不会发热。这类物质也有助于对于骨质疏松病人的骨钉固定的加强。
胶原蛋白：第一型胶原蛋白本身就是骨胳中含量最高的蛋白，因此考虑利用胶原蛋白来作为支架也是一种合理的想法。胶原蛋白可以提供矿化以及成骨细胞贴附的表面。透过不同的化学交联处理，可以将胶原蛋白制成粉状、胶状或海绵状。但是，这些形状的胶原蛋白尚不足以作为移植骨的取代物，通常必须加入成骨细胞、生物活性因子或陶瓷颗粒，才能有比较好的效果。
化学合成的物质如聚乳酸与聚甘醇酸，早已广泛使用于人体中，例如外科缝线。它们的性质有利于加工与制造，加上长久以来使用于人体，因此许多人想利用它们制成支架。这类物质本身并没有骨传导作用，所以，还必须植入成骨细胞或加上生物活性因子。单纯使用这类物质的话，其水解反应会使附近组织呈现酸性，而引发发炎反应，对组织有一定之毒性。
就传统的骨移植术而言，可分为自体骨移植与异体骨移植。自体骨移植，可取自海绵骨、皮质骨或是带血管茎移植。在自体骨移植术中，其本身就具备成骨细胞、骨诱导与骨传导性质。而异体骨移植，系将他人捐赠的骨胳加以处理后，再行移植。本身已不再具有成骨细胞，因此不会有排斥的问题，但是成骨的效果也较差。骨诱导性自然也比不上自体骨移植，而只有骨传导性与自体骨移植尚可比拟。
因此，就组织工程的观点而言，我们所制造出来的产品，就必须以自体移植骨为标准，甚至要更超越它。毕竟，从自己身体上能贡献出来的自体移植骨，数量终究有限。挖东补西，总不能把东挖到倒塌吧？而组织工程不然，细胞可以在体外大量培养，骨诱导与骨传导之物质可以在体外大量生产。可以预见在不久的将来，自体骨移植可能会走进历史。甚至在基因工程或是生长因子的作用下，以往要好几个月才能愈合的骨折也可以加速进行，请大家拭目以待。以下，就成骨细胞与支架方面，来做更进一步的探讨。
成骨细胞可以在骨膜、海绵骨与骨髓等处发现。基本上它是一种先驱细胞，大致可分为两类，一类已确定往骨母细胞的方向分化；另一类则较为多样性，可以往骨胳、软骨、脂肪等结缔组织的方向分化，但是必须接受特定的诱导，此即目前极为热门的间叶干细胞。这些细胞自体内取得之后，可以在体外增殖培养，获得大量的数目。数量大的成骨细胞可以促成较佳的骨生成，加速骨形成，产生较大量骨胳。更重要的是，在体外培养细胞的阶段，这些细胞可以接受生长因子等生物活性因子的刺激，甚至可以接受基因的植入，为基因工程的介入开了一扇大门。
如前所述，支架的目的是携带成府茩M填补骨缺损的位置，并使细胞贴附、移行、分化与繁殖。因此，骨传导性为支架的最基本要求。将来，若能将生物活性因子，如生长因子，整合入支架内，则支架不但具有骨传导性，还能具有骨诱导性，这也是目前世界上各研究单位致力的目标。
在这样的产品成功之前，目前世界上同时具有这两种性质的黄金标准物质，就只有自体海绵骨而已。当然，它还包含有成骨细胞，具备有组织工程的三基本要素，只是来源供应有限。理想的支架除了携带成骨细胞之外，在植入体内之后，也希望四周组织的细胞能够长到支架之内，新的组织与血管也能长入，最后形成自己的骨胳。目前常用具有骨传导性的物质，有异体移植骨、生医陶瓷、胶原蛋白、以及化学合成之物质，如聚乳酸或聚甘醇酸。
异体移植骨本身即是一种具有多孔性的材质，也是一般骨传导物质的原型。本身也含有一些生长因子，若将其去除矿物质之后，这些生长因子会更容易释放出来。因此，异体移植骨也可说具有骨诱导的潜力。
异体移植骨通常必须加工处理，包括冷冻、冷冻干燥、或放射线照射。目的在杀菌，减少免疫反应。然而，即使经过多重的加工处理，也没有办法保证百分之百绝对不会感染，过去就曾发生因异体骨移植而感染爱滋病的案例。
另外一类的骨传导物质为生医陶瓷，主要是磷酸盐类的合成物，如氢氧基磷灰石及三钙磷酸盐。三钙磷酸盐在体内的溶解性虽然较氢氧基磷灰石高，但是制造成块状之后，它的孔隙分布并不平均也不相通，因此四周的骨细胞无法完全长大。α 型三钙磷酸盐在体内溶解快，四周骨细胞尚未完全长入，就溶掉了。而 β 型三钙磷酸盐则是几乎不溶解。这两者作为移植骨之取代物均不甚理想。颗粒状的三钙磷酸盐，具有较大之表面积与空隙，会有比较好之效果。
高度结晶化的氢氧基磷灰石，在体内非常的稳定，每年大约只有百分之五到十五会被吸收，目前最具代表性的产品来自珊瑚的衍生物。珊瑚本身的结构具有孔洞，与人体的海绵骨构造相似。珊瑚本身的成分是碳酸钙，经过适当的热处理后，可转变为机械性质较强的氢氧基磷灰石，而其孔隙结构并不会被破坏。在动物实验上，植入此种产品可以很顺利地与原有的骨胳产生愈合。然而，因为本身是非常稳定而不易吸收，最后这些植入物并不能完全转化成自己的骨胳。因此，只适合于骨胳端的小缺损填补。若在骨干缺损处加以填补的话，因为它终究无法转化成为骨胳，长期负重后会产生疲劳性断裂。
为了克服氢氧基磷灰石无法被吸收之缺点，许多改进的方法应运而生。主要在改变其组成之成分。除了包含不易溶解吸收之氢氧基磷灰石外，还包含一些易溶的碳酸钙或三钙磷酸盐。这些部分溶解后，有助于骨细胞及周围组织长大，将其转化为自我的骨胳组织。
另外一种极为迷人的方式，就是注射式的陶瓷，用打针的方式就可以填补骨缺损。这类的陶瓷为多种磷酸盐类的混合物，注射入体内之后会慢慢固化，而且不会发热。这类物质也有助于对于骨质疏松病人的骨钉固定的加强。
胶原蛋白：第一型胶原蛋白本身就是骨胳中含量最高的蛋白，因此考虑利用胶原蛋白来作为支架也是一种合理的想法。胶原蛋白可以提供矿化以及成骨细胞贴附的表面。透过不同的化学交联处理，可以将胶原蛋白制成粉状、胶状或海绵状。但是，这些形状的胶原蛋白尚不足以作为移植骨的取代物，通常必须加入成骨细胞、生物活性因子或陶瓷颗粒，才能有比较好的效果。
化学合成的物质如聚乳酸与聚甘醇酸，早已广泛使用于人体中，例如外科缝线。它们的性质有利于加工与制造，加上长久以来使用于人体，因此许多人想利用它们制成支架。这类物质本身并没有骨传导作用，所以，还必须植入成骨细胞或加上生物活性因子。单纯使用这类物质的话，其水解反应会使附近组织呈现酸性，而引发发炎反应，对组织有一定之毒性。
