珊瑚是如何革新人類骨骼修復技術的？

　　Emily Anthes 發表於  2017-02-10 15:03

　　

　　（譯 / 紅豬）珊瑚是海洋里的魔法師。當這一群群微小的海洋有機體生長發育，它們也將海水中循環的鈣元素轉移到了巨大的石灰岩礁石中。這些珊瑚礁能延伸超過1000英里（約1600公里），為蟹、鰻魚、海馬和其他海洋生物提供了家園，它們堪稱是自然界的一大奇迹。   

　　20世紀60年代晚期，賓夕法尼亞州立大學的兩位科學家決定使用一種新型高性能顯微鏡來仔細觀察這些神奇的珊瑚結構。他倆看見的景象使一支跨學科團隊走上了一條漫長的研究道路，從南太平洋的熱帶淺水出發，最後抵達了現代醫學的手術室。目前，兩人的發現正在幫助外科醫生修復病人受損的骨骼。

　　

　　對濱珊瑚（上圖）的研究引發了牙齒種植、面貌復原、脊柱融合以及骨折修復領域的一場突破。（圖片來源: Wikipedia）

　　2012年，這支團隊的成員榮獲金鵝獎（Golden Goose awards），這個年度榮譽由一位美國國會議員發起，專門獎勵那些初看離奇，後來卻取得意外成果的研究。「現在看來，大多數科學研究都還是偶然事件，許多偉大發現都是計劃之外的」,領獎人羅德尼·懷特（Rodney White）這樣評價了團隊的意外收穫。

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　　這趟旅程始於喬恩·韋伯（Jon Weber），他是一名海洋地球化學家，專門研究海洋無脊椎動物的碳酸鹽棘刺、外殼和骨骼，例如海星、海膽和珊瑚。他在南太平洋潛水，親自收集了許多樣本並帶回他在賓州的實驗室中。然後他將樣本磨成細粉，分析它們的化學構成。他想知道各種海洋動物的骨骼成分是否不同，以及這些不同是否受到環境因素的影響，例如水溫、鹽度和深度等等。韋伯在60年代至70年代早期發表了一系列關於這些問題的論文，但是一種新型實驗設備的出現，又將他的研究送上了一個意料之外的方向。   

　　60年代中期，賓州州立大學成為了美國第一批獲得掃描電子顯微鏡的機構之一。傳統顯微鏡生成的往往是扁平的二維圖像，而掃描電子顯微鏡使科學家能以更大的景深拍攝顯微照片，並且更好地觀察樣本的三維結構。   

　　「許多問題，沒有那樣的設備是不可能回答的」，為賓州州立大學架設並運營這部顯微鏡的材料科學家尤金·懷特（Eugene White）在逝世前受訪時說道，「這是美國東部第一台以商業方式製造的電子顯微鏡，它當時很受歡迎，整個東岸的人都跑來想看它究竟有什麼能耐。」

　　懷特和這些來訪的研究者開始了合作，其中一些研究者來自大型公司，懷特和他們一起用這部顯微鏡觀察了許多人造材料。顯微鏡送抵校園之後沒過幾年，懷特的朋友喬恩·韋伯開始訪問材料研究實驗室，還帶上了他收集的那些海底骨骼。韋伯和懷特將樣本放到顯微鏡下，先是觀察海膽的棘刺，接著觀察珊瑚。眼前的景象令他們驚嘆：這些珊瑚骨骼上布滿密集的氣孔，這些小孔相互連接，構成了一張網路。它們就像一塊塊三維的漁網，又像是透氣極佳的瑞士乳酪。「我們對這些珊瑚的物理結構十分驚訝，」懷特說，「這結構獨一無二，和我們研究過的任何東西都不相同。」懷特此前觀察過許多合成材料，沒有一種能和這些珊瑚類比。但是兩人後來意識到：這些珊瑚倒是很像人類的骨骼。

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　　珊瑚就此走上了通往手術台的道路。（插圖：Jackie Ferrentino）   

　　骨骼雖然看起來又硬又脆，其實卻是活生生的組織，隨時都在重建自己。這是一件好事，因為這意味著它們即使受損也能再生。然而，小的骨折雖能自愈，但要是骨骼上出現了較大的缺口就無法長好了。當人體失去了一大塊骨骼，外科醫生就需要給傷者植入某種支架，好讓新的骨細胞能夠攀附生長。   

　　骨骼上天然就有小孔，醫生也已經知道，在骨骼的缺口或傷口上植入一小片真的人骨，就能修好傷口。移植進去的骨片上布滿細小的通道，新的骨組織就可以在其中生長。這種骨移植物已經成為了現代醫學的一大支柱，無論是修復戰場創傷，彌補出生缺陷，治療複合骨折，減輕關節炎疼痛，或者是穩固膝關節和髖關節替換物，都能用到它。   

　　然而這種手術也有缺陷。一般來說，醫生通過兩種途徑尋找可以植入的骨骼：他們可以在病人自身的骨骼上取一小片（通常是在髖部），或者取屍體的骨骼。但這兩種途徑都不理想：屍體上的組織可能傳播疾病；而取病人自身的骨骼很痛，還可能引起嚴重的併發症。   

　　因此，科學家早就開始探索用別的材料來做骨移植了。工程師們在實驗室里做出了幾種頗有希望的材料，比如多孔陶瓷，然而要重構出人類骨骼上的那些大小相同、徹底連通的小孔，卻實在是一項艱巨的任務。就像賓州州立大學的斯里達爾·考馬耐尼（Sridhar Komarneni）所說，「要複製自然的產物是很難的」。 考馬耐尼是一位材料學家，也是《多孔材料雜誌》（Journal of Porous Materials）的主編。   

　　但現在看來，自然本身或許已經提供了一種方案。

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　　1971年，尤金·懷特請他的侄子羅德尼·懷特（ Rodney White）暑假到自己的實驗室打工。當時的羅德尼還在紐約州立大學上州醫科大學念書，他和叔叔及韋伯一起拍攝照片、製作珊瑚骨骼的模具。三個人對珊瑚結構觀察得越久，就越是疑心這一大群渺小的海洋無脊椎動物完成了工程師無法完成的任務：它們創造出了人類骨骼的理想替代材料。

　　珊瑚骨骼上的氣孔大小一致、分佈均勻、且徹底貫通，用它們做移植物，骨細胞和血細胞就能在其中暢快地流動，新的血管和骨組織也就能順利生長了。1972年，韋伯和懷特叔侄在《科學》雜誌上撰文介紹了珊瑚的這些優點。他們還指出，濱珊瑚（Porites coral）可能尤其適合用作植入材料。   

　　羅德尼·懷特回憶道：「居然有一種骨骼替代物能裝在瓶子里，然後取出來直接移植，這一點在當時引起了人們很大的興趣。」現在的羅德尼已經是長灘紀念心血管研究所的血管外科主任了。   

　　不過這裡頭還有一個重大問題：珊瑚骨骼是由碳酸鈣構成的，而碳酸鈣會被人體迅速吸收。尤金·懷特於是指出：「碳酸鈣作為材料是毫無價值的。」他們要研究的是如何將珊瑚骨轉化成一種更穩定的材料，同時又不能更改它的複雜結構。     

　　三人找來了黛拉·羅伊（Della Roy）幫忙，羅伊是一位化學家，也在材料研究實驗室工作。她準備了一隻盛著磷酸鹽溶液的試管，將濱珊瑚的切片放入，然後將試管在高壓下加熱。溶液中的磷酸鹽漸漸替換了珊瑚骨骼中的碳酸鹽。

　　幾小時后，當羅伊將樣本從試管中取出，那已經是一種叫做「羥基磷灰石」（hydroxyapatite）的磷酸鈣了。這正是人類骨骼中的主要礦物質，而且這個過程並沒有改變珊瑚的結構。只用一台漂亮的高壓鍋，羅伊就把熱帶珊瑚變成了人造骨骼。

　　

　　掃描電鏡下的羥基磷灰石，可以看到其多孔結構。（圖片來源：mo-sci.com）   

　　「將碳酸鹽轉變成羥基磷灰石，這是關鍵的一步。羥基磷灰石和人體相容，也保留了多孔的結構。」考馬耐尼說道，「這個想法很妙。」   

　　羅德尼·懷特從紐約州立大學招募了幾位外科醫生來開展動物實驗，並將這種新材料命名為「珊瑚羥基磷灰石」（coralline hydroxyapatite）。醫生們將它植入了幾條成年狗的腿上，得到了很好的效果：植入物上慢慢長出了新的骨骼，而且沒有排異或是感染的跡象。   

　　在這之後，又有幾家不同機構的團隊各自開展了研究，對象有狗，有兔，有猴子，最後還有人類，得出的結果都很樂觀。到今天，珊瑚羥基磷灰石已經在外科醫生的重建手段中贏得了一席之地，在牙齒種植、面貌復原、脊柱融合以及骨折修復領域都有建樹。成千上萬名患者因為它而獲益。   

　　2016年過世的羅伯特·布霍爾茨（Robert Bucholz）生前是得克薩斯大學西南醫學中心的整形外科醫生，曾對珊瑚羥基磷灰石開展過幾項早期人體研究。「這是一種神奇的材料，」他說，「它是最早的合成骨骼替代材料之一，已經經受住了時間的檢驗。」 （編輯：游識猷）