仿生韌帶支架 與人體共生

【撰文／陳怡如】

集工研院生醫與材料領域，與紡織所三方之力開發的「仿生韌帶支架」，兼顧高強度和生物相容性，讓原先一條不到20元的鞋帶，加值為8萬元的人工韌帶，助攻臺灣紡織業跨足高值化醫材領域，獲得2025年全球百大科技研發獎肯定。

在運動醫學的世界裡，韌帶是最脆弱也最昂貴的「橡皮筋」。它連接著骨與骨，支撐每一次行走、跳躍與轉身，但當這條線斷裂，人幾乎無法正常行走，活動大幅受限。全球每年有超過100萬例的膝關節前十字韌帶斷裂手術，其中約有4%至6%的患者在5年內再度接受重建，原因之一是人工韌帶雖強，卻不「親」，容易產生相容性的問題。

「醫師聽到人工韌帶，通常會更審慎的評估，」工研院生醫與醫材研究所專案副組長蔡佩宜說。

蔡佩宜表示，韌帶需求很大，人體只要有關節的地方就有韌帶，其中又以位於膝蓋的前後十字韌帶市場最大，因為膝關節磨損機會最多，其他還有肩關節、脊椎、跟腱等部位，也有韌帶修復的需求，像阿基里斯腱就是運動員常發生斷裂的位置，醫界一直在尋找完美的人工韌帶，商機不小。

傳統人工韌帶大多採用聚丙烯（PP）或聚酯塑料（PET）等，支撐強度雖高，但生物相容性卻不夠，用久甚至還會產生斷裂或愈拉愈長的問題，造成關節發炎、紅腫疼痛，時間一長就要更換。因為這些問題，有些醫生偏好採用病人的自體韌帶，雖然解決生物相容性問題，但也會犧牲另一個部位的韌帶。

這是一道醫學界長達半世紀未解的題。現在，臺灣的紡織業可能改寫答案。

「紡織品同樣也有強度和力學需求，以及延展彈性，很適合拿來當作體內韌帶使用，」蔡佩宜說，臺灣有很強的紡織產業，正可以鏈結廠商能量，一起往高階醫材邁進，於是團隊決定投入人工韌帶研發。

三管齊下　兼顧強度與生物相容性

「基於過去臨床上人工韌帶的痛點，我們知道力學做得再強也沒用，細胞長不上去，就很難改善這個問題」。」蔡佩宜指出，以前人工韌帶的概念都是從力學角度思考，但團隊認為，人工韌帶還有細胞生長的重點，如果在PET材料上，可以順利生長韌帶細胞，「就可以變成一個仿生韌帶，更接近原生組織。」

為此，工研院從3個方向下手，首先在材料上，為了提高生物相容性，由PET改為複合材料。工研院生醫與醫材研究所專案經理黃志傑指出，由於韌帶兩端接在骨頭上，必須具備骨的親和性，於是團隊在PET中添加與骨頭成分相近的生物陶瓷，骨細胞自然就會靠近貼附生長，把整個韌帶包覆起來，更加穩固。

第二在編織結構上，早期人工韌帶為了追求強度，編織緊密，沒有留下孔隙讓細胞可以生長，因此團隊把孔洞變大，創造孔隙，但又怕孔洞一大強度變弱，因此團隊將PET原料抽成兩種不同纖維的紗線：高強力紗線維持強度，可承受300公斤以上的力道，一般紗線則製造孔洞結構，兩者彼此互相搭配，兼顧細胞親和性和強度。

最後還要做表面處理，在人工韌帶表面塗佈膠原蛋白，創造細胞更喜歡生長的環境。黃志傑比喻，多孔結構就像留了房間給細胞住，但細胞不喜歡住進去（指PET材質），這層膠原蛋白就好比「細胞的肥料」，讓新生細胞願意攀附、延展，最終在整條韌帶上形成穩定的生物層。

材料、紡織與生醫三方聯手　跨領域整合

這項技術集合了工研院生醫與材化領域，以及紡織所的專長，先研究材料，再發展編織結構，最後做膠原蛋白的塗佈。黃志傑認為，研發最大挑戰在於，「這是一個跨領域整合的技術！」從材料、編織到最後的生醫塗佈，全都要配合在一起，才有最終成果。

「但整個過程牽一髮動全身，所有變因都相互混雜在一起。」黃志傑透露，第一關在材料上，光是PET混合生物陶瓷的黃金配方比例，團隊就卡關了一整年。「最痛苦的是，每當材料改變，就會連帶影響後續的編織結構，」黃志傑說，像是改變了纖維直徑，孔洞大小和強度馬上跟著變動，於是團隊又要重新研究編織，又花了整整一年時間。

4年的實驗、無數次的配方調整、編織與塗佈後，團隊終於成功做出一條能與細胞共生的人工韌帶。其強度可承受300公斤以上拉力，足以支撐一般運動所需，同時具備高親合性與抗發炎特性。「這條韌帶背後的真正創新，不只在於科學，更在於跨域，單一領域都無法達到這樣好的效果，」黃志傑說。

跨入高階醫材　助攻傳統紡織業轉型

臺灣的紡織業曾是出口創匯的驕傲，從運動服飾到機能布料，是國際運動與戶外品牌的有力後援。但面對國際市場的競爭與低價壓力，業者必須不斷求新求變，朝高值產品邁進，而人工韌帶正為紡織產業開啟嶄新的發展之路。

工研院合作夥伴新光合纖技術長鄒國台表示，「新光一直以來都想轉型！」因此當初一聽到人工韌帶便很有興趣，連董事長都大力支持，這也是新光第一次跨入生醫領域。

「早在10幾年前，新光便研發出穩定性高、韌性好的高強度纖維，」鄒國台充滿自信的說，就連一般PET最廣泛使用的銻觸媒，由於在高溫下會融出重金屬「銻」，新光也研發出獨家的鈦觸媒取代。因此工研院人工韌帶技術，從研發之初就與新光合纖合作PET材料。

鄒國台解釋，新光在PET材料上技術純熟，也早已商業化應用在市場其他產品上，這次只須根據工研院需求，調整製程參數條件，提供不同規格的高強度PET紗線即可，「不需大幅改變，就能從傳產跨入高值的生醫領域，以後不用再拚量拚低價，」鄒國台有感而發。

蔡佩宜認為，新光不只技術專業，配合度也高，對於團隊提出的需求，都能盡快滿足；更重要的一點是，紡織原料動輒以噸計算，但人工韌帶卻是以公斤計，恰好新光本身就有實驗用的小型設備，這在國內紡織業中相當少見，是研發團隊很好的後盾。

事實上，目前國外產學研雖不乏人工韌帶的嘗試，但仍未見到堪與工研院相比的方式和成效，黃志傑認為，這需要專業的化纖和編織技術，才有可能辦到，若只有生醫背景難以達成，剛好紡織是臺灣強項，「強強聯手，才讓我們有更好的成果。」

這場跨領域合作現在已形成一條完整的「生醫產業鏈」，除新光外，鞋材大廠台灣百和負責編織，把一條不到20元的鞋帶，化身為8萬元的人工韌帶；睿邑生技負責塗佈膠原蛋白，合碩生技負責後續取證，目前已拿到醫療器材製造業者品質管理系統（QMS）審核，預計明年產品上市。初步先鎖定需求最大的膝關節韌帶，未來也可擴展到身體其他部位。

根據統計，全球人工韌帶市場2025年產值估計為5億美元，隨著高齡化與運動習慣的普及，預測至2033年可達10億美元，年均複合成長率約8%。這代表的不僅是商機，更是讓臺灣紡織業躍上醫材舞台的機會。

「我們希望創造的不光是一條韌帶，而是為紡織業搭建跨向精密醫材的一座橋。」蔡佩宜說。這條小小的人工韌帶承載了病患靈活行動的希望，也象徵臺灣紡織業高值轉型的契機。