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從胃氣球來談——創新醫療器材背後有看不見的炸彈?

活躍星系核_96
・2017/05/02 ・2551字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 491 ・五年級

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  • 文/ Wayne,FB粉絲頁-Medinno Catalyst 醫療器材催化器管理人,專注在醫材的尖端技術、市場動態與法規政策等資訊,不定期發佈評析專題,為醫材業界人士提供最新最完整的產業情報。

今年(2017年)二月底美國食品藥物管理局(FDA)發布公告,提醒國內所有健康照護供應商應當要去追蹤一種創新醫療器材——膠囊胃氣球(Bioenteric intragastric balloon)的使用情形,因為美國 FDA 已經接獲數十起關於該產品的不良事件通報。

膠囊胃氣球是一款用來幫助病人減肥的醫療器材,產品概念是膨脹的氣球會佔據胃的大部分的空間,且帶有一定重量,會使病人產生飽足感,有效的降低病人的進食慾望。圖/copyright by polygon

減肥市場的新寵兒——胃氣球

膠囊胃氣球是一款用來幫助病人減肥的醫療器材,他的產品概念是膨脹的氣球會佔據胃的大部分的空間,且帶有一定重量,會使病人產生飽足感,有效的降低病人的進食慾望。醫生可以透過內視鏡將帶有扁平氣球的膠囊送到病人的胃裡,再利用內視鏡注射 700 到 900 毫升的食鹽水到氣球內,讓氣球在胃裡膨脹到一定的程度。這個氣球可以在胃裡維持六個月,接著就會慢慢縮水,再用內視鏡取出胃氣球的殘骸。

https://vimeo.com/65140384

在膠囊胃氣球上市之前,並沒有類似的產品,胃氣球被認定為創新的醫療器材,美國 FDA 對於創新性醫材的審核極為嚴格,廠商需要舉行大量的臨床試驗,還有提出可靠的報告才能說服美國 FDA,因此目前有成功申請到美國上市許可的廠商只有 ReShape 跟 Apollo。

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意想不到的產品風險

然而,理想是美好的 現實是骨感的。這款創新產品從 2015 年推出後,便陸陸續續傳出產品使用不當或是病人植入胃氣球後出現不好的症狀等負面消息。

在產品使用不當的案例中,最常見的是醫師沒有依說明書上建議的食鹽水體積,自行決定注射更多的食鹽水到氣球內,使得氣球過度膨脹,導致病人有嘔吐或是呼吸困難的症狀。

為什麼醫生會注射過多的食鹽水呢?原因可能是醫師或是病人希望有更好的治療效果,所以想藉由增加氣球體積來降低食慾。不過廠商提供的說明書裡,沒有特別強調如果注射過量的食鹽水會發生什麼事情,也沒有禁止或是警告醫生進行這樣的行為。

在安裝胃氣球的時候,醫生會利用內視鏡注射食鹽水到氣球裡。圖/copyright by polygon

所有廠商提供的說明書都是有經過美國食品藥物管理局(FDA)審核,很顯然地,美國 FDA 官員們亦沒有想到會有這樣子的操作風險,所以他們沒有要求廠商特別加註。

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另外一種不良事件是,有些病人在植入胃氣球的三天內會有腹痛和背痛的症狀,經確診後,發現這些病人罹患了急性胰臟炎。目前初步推測原因可能是膨脹後的胃氣球帶有一定的重量(約 700 到 900 克),他會長時間的壓迫胃下方的胰臟;也有可能是膨脹的胃氣球會改變腸胃之間的結構,影響胰臟正常運作。

除了嘔吐或是呼吸困難的症狀,還有病人有腹痛和背痛的症狀,經確診後,發現這些病人罹患了急性胰臟炎。圖/By Holly Lay @ flickr, CC BY 2.0

像是急性胰臟炎這類型的不良事件就很有意思了,我們發現在廠商說明書中,有提到病人在植入後幾天內可能會發生腹痛,但是並沒有提到會發生急性胰臟炎。就因果順序來看,這些病人應該是先得了急性胰臟炎,才產生腹痛的現象,那麼廠商當初在說明書上寫道可能會發生腹痛的副作用時,是否有先去探討時什麼原因導致腹痛嗎?美國 FDA 在審查過程中,是否有從廠商提供的臨床報告裡看到發生腹痛的臨床案例呢?這些報告裡有沒有去分析腹痛的背後原因?由於這些都是非公開資料,我們也無從得知。

美國 FDA 的處理方式

FDA 在2017/2 發佈的公告,提到關於胃氣球的潛在風險。 圖/ 截圖自“The FDA alerts health care providers about potential risks with fluid-filled intragastric balloons

在接獲數十起不良事件通報後,美國 FDA 也在官方網站上發表聲明,提醒供應商們須注意植入膠囊胃氣球後可能會發生ㄧ些異常狀況,如果有發現異常狀時,請務必自主通報給 FDA,供應商可以利用手機上的 MedWatch APP 進行通報,也可以直接上美國 FDA 官網進行通報程序。美國 FDA 會與 ReShape、Apollo 這兩家廠商聯合調查不良事件的實際狀況,美國 FDA 亦會視情形嚴重程度發布產品召回的公告。

醫勞器材法規小學堂

不論是我國還是美國的藥事法裡,都有專屬的法規來規定醫材事故通報,裡面包含了發現不良醫材時我們該如何通報,還有通報給當地衛生主管機關時需要提供那些資訊。負責的主管機關會依據通報內容,將不良事件分類到「藥物不良反應」、「產品本身問題」、「產品操作錯誤」其中之一。

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「藥物不良反應」是泛指所有患者在使用醫療器材時產生任何的不舒適,像是頭痛,腹痛……等都會被記錄在內。但是,政府會特別注意是否有發生「嚴重不良反應」,嚴重不良反應的定義是患者在使用醫療器材時發生「死亡」、「危及生命」、「造成永久性殘疾」、「胎嬰兒先天性畸形」、「導致病人住院或是延長病人住院時間」和「其他可能導致永久性傷害」這六種情形其中之一,只要發現這上述情況,就需要在通報申請書裡特別加註 。

追求創新與安全的平衡

每項醫療器材需要先獲得當地衛生主管機關的核准,才能在市面上販售,在審核階段時,主管機關會要求廠商提供產品的相關資料,來證實醫療器材的安全性和有效性,另外,政府也能利用目前市面上相似的醫療器材,來訂定相關的規範。但是創新的醫療器材,往往是無例可循的,政府只能依據廠商宣稱的產品功能,用想像力去推測產品在使用的過程中可能會有哪些風險,或是產品會對人體造成那些傷害,但很遺憾的是,總是有無法預測的情況出現。

我們不能因為害怕創新產品帶有較多的未知風險,而捨棄追求更好的醫療器材。創新的醫療產品不是未爆彈,而是需要去思考,如何在創新與安全之間找出一個最佳平衡點。圖/By ArghMonkey @ flickr, CC BY-NC-ND 2.0

然而,無可否認的是,現在我們能享有先進的醫療,很大一部分是由於醫療器材的進步。我們不能因為害怕創新產品帶有較多的未知風險,而捨棄追求更好的醫療器材。我們應該要去思考,如何在創新與安全之間找出一個最佳平衡點。

參考資料:

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  • 1. The FDA alerts health care providers about potential risks with fluid-filled intragastric balloons
  • 2. 美國FDA網站
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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