蹲下去，站不起來的退化性關節炎

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

退化性關節炎長久以來都被視為是一項由老化帶來的致命傷，對症治療方式僅有紓解疼痛而已。事實上，這是一種完整獨立的關節疾病，多種可能導致軟骨損壞的危險因子已獲確認。退化性關節炎的起因機制研究相當活絡，研究員應該可以在未來幾年內找到新的治療標靶，並研發出對抗退化性關節炎的專門藥物。

軟骨與關節的退化

退化性關節炎是最常見的關節疾病，特徵是軟骨損壞並擴散到所有的關節結構，尤其是骨頭與滑膜組織的部份。覆蓋在關節最外層骨質上且可互相滑動的軟骨會越來越薄、進而碎裂，最後完全消失，引發疼痛與喪失行動能力的嚴重殘障。

研究員目前仍不了解這個退化機制，該機制因而成為主要的研究目標。

多個危險因子已獲確認

軟骨損毀是一種與年齡、新陳代謝失調、壓力過大、某些關節疾病或軟骨天生脆弱有關的真實病理過程。遺傳是一項可能的危險因子，特別是手部退化性關節炎。

機械性壓迫如承載過重、常背載重物、過於激烈的身體活動，都會損毀軟骨。某些解剖性異常或創傷後遺症（關節骨折、被忽略的扭傷、脫臼、半月板剝落）也會導致軟骨損傷。其他影響關節的疾病如軟骨鈣化、骨頭壞死症與類風濕性關節炎，同樣也會引起軟骨損毀。因肥胖症而引起的新陳代謝失調似乎也會造成軟骨損毀，例如肥胖者得到手部退化性關節炎的比例是一般人的兩倍（註一）。

退化性關節炎的診斷方式是臨床檢查，醫生透過關節 X 光照射來觀察連結骨頭的關節空隙縮小情形。為了觀察病情的嚴重性與惡化速度，尤其是非脊柱部分的狀況，最好每一到兩年定期檢查一次。

65 歲以後常發生退化性關節炎

在法國，未滿 45 歲即罹患退化性關節炎者僅有 3%，65 歲以上的患者佔 65%，80 歲以上的患者則高達 80%。發病頻率隨部位而有所不同：

– 退化性脊椎關節炎：最常發生在 65 到 75 歲的人身上（70% 到 75%），但症狀最不明顯；
– 退化性手指關節炎：手指是第二常見的好發部位（60%），其結果是不可逆的變形；
– 退化性膝關節炎與退化性髖關節炎：分別佔 65 歲至 75 歲人口的 30% 與 10%，它們最易使人喪失活動能力，因為受到影響的是承載人體重量的大型關節。

其他關節也可能受影響，但肩膀、手肘、手腕、腳踝的退化性關節炎較為罕見。

無法預測的變化

軟骨病變不會隨時間減弱，其演進也是非線性的，有時速度非常快，例如可能不到五年就須安裝人工髖關節。但退化性關節炎也可能在許多年之內慢慢變化，而沒有引發嚴重的殘障。

兩個無法預期的階段會不斷交替：在慢性階段中，會有不同的日常性困擾，疼痛較為溫和，但不時有伴隨關節發炎的強烈疼痛發作，此時疼痛感強烈，從早上便出現，有時也會在夜間出現。在慢性階段中，醫生會建議病人保持規律的身體活動，但疼痛發作時，應讓關節休息。事實上，軟骨損毀就發生在此階段。

僅進行對症治療

目前只存在減緩疼痛的對症治療，尚無任何可保護軟骨的抗退化性關節炎療法。藥物治療始終必須配合非藥物性的治療。止痛藥可對抗疼痛。最主要的藥物是 Paracetamol，但也可使用其他適合不同疼痛程度的藥物。

若出現發炎情形，口服、凝膠或藥膏形式的非類固醇抗發炎藥物（AINS）都很有用。為了進入另一個治療階段，醫生也會將類固醇滲透劑這種強效抗發炎藥物直接注射到關節中。一般而言，同一關節每年的注射次數限於三次。

某些所謂的長效治療，在疼痛持續時，能較緩慢但持久地舒緩病人的疼痛，其效果可維持將近六個月，但多半十分微弱。這類藥物包括硫酸軟骨素、硫酸葡萄糖胺、酪梨與大豆的非皂化物或是 diacerhéine。

其他可維持六個月的鎮痛辦法包括被稱為粘稠補充療法的玻尿酸注射，就是注射一種成份近似生理滑膜液的粘稠物質。關節清洗則運用在膝蓋上，在局部麻醉的情況下，可使用生理食鹽水清除軟骨殘留物。科學文獻對這些技術效果的爭議性都有記錄。

防止惡化的方法

以下是遏止病情惡化的必要方法，必須依病況與退化性關節炎發生的部位進行個人化的調整。建議採用的方法如下：

– 若體重過重，需減重；
– 在未出現發炎狀況時，規律從事和緩的身體活動，例如每週三次去散步一小時；
– 避免擔載重物；
– 依自身健康狀況調整周圍環境，例如藉助浴缸中的扶手，或者將廚房中的廚具放在伸手可及的範圍內；
– 當症狀加劇時，準備一根拐杖；
– 罹患退化性膝關節炎者，應穿著矯正型鞋墊等等。

安裝人工關節

用以取代病變關節的人工關節需透過外科關節置換手術來安裝。當髖關節和膝蓋病變過於嚴重時，可換裝人工關節。雖然它通常能明顯改善生活品質，但平均效能僅約十五年左右。

邁向抗退化性關節炎的標靶治療

辨識退化性關節炎的機制

長久以來，退化性關節炎都被視為是軟骨損壞，但它實際上卻是一種破壞性與發炎性的症候群，與多種風險因子相關。科學家不再討論普遍性的退化性關節炎，而是依病人的狀況來討論「各種退化性關節炎」，例如年紀引發的退化性關節炎、過度肥胖造成的退化性關節炎、關節疾病帶來的退化性關節炎等等。這些情形會導致各種不同的病理機制，造成關節組織如骨頭、軟骨與滑膜組織之間有不同的分子信號介入。對這些機制的瞭解，可讓醫生在未來幾年內，在診斷時擁有病情進展的預測性生物指標，同時可讓醫界找到新的治療標靶，以期根據病人的狀況，將照護與治療個人化。

抗發炎、刺激軟骨或骨頭的製造

在等待新治療標靶的同時，醫藥界也在評估多種抗發炎分子藥物。區域性發炎似乎確實與軟骨退化有關。因此，當發炎因子如第一介白素（interleukine 1）或腫瘤壞死因子 -α（TNF-alpha）等細胞激素（Cytokines）在特定區域出現時，便成為潛在的治療標靶。研究員已經做過抗發炎因子的單株抗體測試。第一介白素的測試結果令人失望；目前正在進行對抗腫瘤壞死因子 -α 的測試，尤其是針對退化性膝關節炎與手關節炎的藥物 adalimumab。

其它分子藥物則以刺激軟骨的製造為目標，例如生長因子 FGF18 可刺激 chondrocyte（一種會生產軟骨的細胞）製造軟骨基質（matrice cartilagineuse），或是刺激似乎也在進行同樣活動的蛋白多醣（lubricine），方法是將這些重組分子注射到關節腔內。研究員目前已在進行人體試驗，希望能獲得結構性的成果，達到修復軟骨或使軟骨穩定的目的。

其他對骨頭有特定療效的分子也用於退化性關節炎的測試中，例如已上市的 Zoledronic acid 或 strontium ranelate 是用來治療因骨質脆弱而造成的骨質疏鬆症。研究員目前正在評估這些藥物對人類退化性膝關節炎的療效。

替代變質的軟骨

研究人員的另一項目標是修復病變的軟骨，甚至利用直接注射到關節中的細胞移植來替換軟骨。目前正在進行軟骨細胞與生物材料結合的試驗，希望能製造出半人工軟骨或幹細胞。

第一種情況是設計能與人體相容的支架材料，讓移植的軟骨細胞可圍繞此支架增生、製造新的軟骨基質。初期動物實驗的結果令人振奮，尤其是健康軟骨受創後的治療。可惜的是，當發炎情況嚴重時，再加上骨頭與滑膜組織有問題，就不易進行移植。

其他團隊則針對脂肪幹細胞進行研究。這些從脂肪組織中取出且尚未分化的細胞，能在關節環境與其它不同生長因子的影響下，變成軟骨細胞。由法國蒙貝利耶（Montpellier）大學醫學中心統籌的歐洲抗退化性關節炎合作計劃（ADIPOA），正依此方向進行初期退化性關節炎治療效果的研究。初步結果令人鼓舞，但也証實幹細胞對軟骨的主要效果在於其強大的抗發炎能力，而非分化成軟骨細胞的能力。但要証實這些治療策略對人體的功效，並使之合法化，尚需多年時間。

＊註一：參見 Yusuf E, Nelissen RG, Ioan-Facsinay A, Stojanovic-Susulic V, DeGroot J, van Osch G, Middeldorp S, Huizinga TW, Kloppenburg M Ann Rheum Dis. 2010 Apr;69 (4) :761-5

作者：駐法國代表處科技組
資料來源：L’arthrose, une maladie à part entière—法國國家衛生暨醫學研究院（INSERM）線上資訊 [2012-04]

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-07-02]