114 高普考高考三級 醫學工程 生物材料學 考古題詳解
第 一 題30 分
常見的生醫材料有金屬、陶瓷、高分子三種。以人工髖關節為例，仿照人工髖關節結構，將人造股骨柄結構插入股骨髓腔內，人造臼杯當成人工髖關節在骨盆處的地基，股骨球頭接合在人造股骨柄上，和臼杯內的墊片相互運動對磨，實現股骨的活動。
請分別說明人造股骨柄、球頭、墊片、臼杯可以使用金屬、陶瓷或高分子中的何種材料，並說明理由。（20 分）
目前臨床使用人工髖關節置換效果良好，一般可維持 10 年以上的使用。請說明磨損量最大的零件是哪個零件？若是較年輕或活動量較大的病友，建議考慮該零件使用哪種材質，可以大幅降低磨損的情況。（10 分）
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核心觀念
人工髖關節各部件的材料選擇，須配合其功能與受力環境，主要考量包括承載強度、骨固定、生物相容性、耐磨性與摩擦特性。股骨柄負責把負荷傳至股骨，球頭與墊片構成主要滑動摩擦介面，臼杯則固定於骨盆並支撐關節面。
解題方法
依零件功能逐一配對材料特性：
- 承載及固定部件：須有足夠強度與疲勞耐久性；股骨柄常採用金屬。
- 關節摩擦面：須兼具耐磨與低摩擦；球頭可用陶瓷或金屬，墊片常用高分子，也可採陶瓷。
- 骨盆側臼杯：外殼需提供結構支撐與固定；內襯則形成關節摩擦面。題目所稱「臼杯」若指整個臼杯組件，應區分外殼與內襯說明。
各零件材料與理由
人造股骨柄：金屬
常用鈦合金或鈷鉻合金。股骨柄需承受行走時反覆傳來的彎曲與壓縮負荷，金屬具良好強度、韌性及疲勞耐久性。鈦合金亦常用於骨固定，部分柄體表面會經處理以促進骨整合。
球頭：陶瓷或金屬
球頭須承受負荷並與墊片反覆滑動。陶瓷硬度高、表面光滑且耐磨，常見材料包括氧化鋁與氧化鋯；金屬球頭則具有良好的強度與韌性，常見者為鈷鉻合金。若採金屬球頭搭配高分子墊片，須考量其磨耗及金屬磨屑相關風險。
墊片：高分子或陶瓷
高分子墊片常用超高分子量聚乙烯（UHMWPE），可提供低摩擦的承載滑動面，且具韌性；其磨耗是人工髖關節長期使用的重要考量。
第 二 題20 分
生醫高分子材料植入體內後，許多性質會隨植入時間進行變化，最後導致植入材料的失敗。
請說明高分子植入體內後，高分子的分子量、結晶度、密度、機械性質會隨時間如何變化，並說明其變化的原因。（20 分）
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核心觀念
本題考查可降解生醫高分子植入後，分子鏈斷裂、形態結構演變與材料功能衰退之間的關係。植入物接觸體液後，水解、酵素作用、氧化、吸水膨潤及生理負載等因素，會使材料的分子結構和整體性質隨時間改變。
典型可水解高分子包括聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）及其共聚物。其酯鍵斷裂會使分子鏈變短；結晶區與非晶區因排列緊密度不同，降解速率也不同。題目問的是一般趨勢，實際變化仍會受高分子種類、初始形態、植入部位與受力環境影響。
解題方法與各性質變化
1. 分子量：下降
植入後，水分進入高分子材料內部，使可水解鍵結（例如酯鍵）逐漸斷裂。長鏈因此切成較短的鏈段，平均分子量隨時間下降。酵素或氧化作用也可能促進鏈斷裂。
需區分鏈斷裂與材料失重：鏈斷裂初期，短鏈或寡聚物仍留在材料內，材料的總質量未必立即明顯下降；待小分子產物擴散到周圍組織或體液中，才會出現較明顯的質量流失。
2. 結晶度：常見情況下上升
半結晶高分子中，非晶區的分子鏈排列較鬆散，水分較容易進入，通常較容易先發生水解。非晶區受損或被移除後，殘留材料中的結晶區比例提高，因此表觀結晶度通常上升。
此外，鏈斷裂後形成的短鏈段較容易移動並重新排列，也可能產生二次結晶，進一步提高結晶度。
此處的「上升」主要指結晶區占殘留材料的比例增加，不代表晶體結構本身不會繼續受破壞。降解後期若結晶區也持續受侵蝕，或材料的形態與降解機制不同，結晶度可能趨於平緩或下降。
3. 密度：材料本體密度常呈上升趨勢
非晶區較疏鬆，結晶區的鏈排列較緊密；當非晶區優先降解、結晶比例增加時，殘留材料的表觀密度通常提高。鏈段重新排列與結晶也有助於提高局部堆積緊密度。
第 三 題20 分
臨床上，乳癌患者進行腫瘤切除手術前，醫生可以先使用一些植入物標記腫瘤的位置，方便手術時精準移除。
現若以金屬、陶瓷、高分子三種材料製作標記植入物，手術前若用 X 光和超音波尋找標記植入物，請問金屬、陶瓷、高分子三種材料之清晰度如何？（15 分）
臨床上，若一植入物材質無法在 X 光下成像，不確定在體內的位置，但又一定需要使用此材料之植入物，可用什麼方法進行改良，使其在 X 光下成像？（5 分）
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核心觀念
本題考兩種影像的成像原理，以及材料本身如何影響影像對比：
- X 光影像：材料對 X 光的衰減愈強，愈容易與周圍軟組織形成對比。衰減與材料密度、有效原子序及厚度有關。一般而言，含高原子序元素、密度較高的金屬較顯影；多數陶瓷次之；多數高分子與軟組織的 X 光衰減相近，顯影較弱。
- 超音波影像：回音來自聲波在不同聲阻抗介面上的反射。聲阻抗為 ，其中 是密度、 是聲速。介面反射率會隨兩側聲阻抗差增加而上升，因此材料可能呈現強回音；但材料本身、表面形狀、植入方向與影像伪影也會影響判讀。
題目未指定金屬、陶瓷、高分子的具體成分、密度、尺寸與表面狀態，因此以下採一般植入材料的典型性質比較；各類材料內部仍有差異。
解題方法
先分開判斷兩種影像：
- X 光看材料相對於軟組織的衰減能力。一般排序為金屬最清楚、陶瓷居中、高分子較不清楚。
- 超音波看植入物與組織交界的聲阻抗差及回音表現。金屬通常形成強烈回音，並常伴隨後方聲影或混響；陶瓷通常也有明顯界面回音；高分子若聲阻抗接近組織，回音可能較弱，但不同高分子與結構差異很大。
因此，不能只以材料名稱推定絕對的超音波清晰度；較穩妥的答法是描述典型相對表現，並指出超音波成像會受介面與伪影影響。
金屬、陶瓷、高分子的影像清晰度
| 材料 | X 光下的典型清晰度 | 超音波下的典型表現 |
|---|---|---|
| 金屬 | 高。多數金屬密度及 X 光衰減較大，通常容易辨認；常見伪影可能遮蔽鄰近組織。 | 高回音。金屬與軟組織的聲阻抗差大，界面反射強；常見後方聲影、混響等伪影，可能使植入物後方不易觀察。 |
| 陶瓷 | 中至高，依成分而異。 |
第 四 題30 分
將骨水泥用注射的方式注射到脊椎骨骨折空洞處，是治療脊椎壓迫性骨折的一種治療方式，稱之為脊椎成型術。但是壓迫性骨折除了疼痛外，還會合併許多問題，例如因骨折造成的脊椎變形，就無法單靠脊椎成型術改善。
因此，新一代的灌骨水泥方式稱為氣球撐開術，是先將一個特製的氣球置入脊椎骨折空洞處，將氣球撐開以恢復壓扁的脊椎，改善變形後，再灌入骨水泥。
請說明最常用之骨水泥主要高分子材料為何？（5 分）
相較於脊椎成型術，請舉出兩個氣球撐開術的優點。（10 分）
請問氣球材料的玻璃轉移溫度要選擇較高的或較低的溫度，並說明理由。（5 分）
氣球材料的特性是耐酸或耐高溫？並說明理由。（5 分）
若脊椎有感染發生時，如何進行氣球撐開術？（5 分）
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核心觀念
本題考查椎體成形術（vertebroplasty）與氣球撐開術（balloon kyphoplasty）的差異，以及骨水泥與球囊高分子材料的基本性質。骨水泥負責在椎體內提供支撐；球囊則先撐開塌陷椎體、形成空腔，之後取出，再將骨水泥注入空腔。
解題方法與配分要點
一、最常用骨水泥的主要高分子材料（5 分）
最常用者為聚甲基丙烯酸甲酯，即 PMMA（poly(methyl methacrylate)）。其骨水泥由 MMA 單體與含 PMMA 的粉末等組成，混合後聚合硬化，提供椎體支撐。
二、氣球撐開術相較於脊椎成型術的兩項優點（10 分）
- **可恢復椎體高度、改善後凸變形：**球囊先撐開壓扁的椎體，部分恢復椎體高度與排列；單純注入骨水泥主要在於穩定椎體，較難矯正既有變形。
- **降低骨水泥滲漏風險：**球囊撐開後形成空腔，骨水泥填入空腔，較能控制其分布；相較於直接注入骨水泥，可降低向椎體外滲漏的機會。
三、球囊材料的玻璃轉移溫度（）應較高或較低？（5 分）
應選擇較高的玻璃轉移溫度。球囊在體溫下需要保持足夠的剛性與形狀穩定性，才能承受充填壓力並撐開椎體。若材料的 低於或接近體溫，材料在體內較易進入柔軟、橡膠態，支撐與尺寸穩定性會下降。