蹲下去，站不起來的退化性關節炎

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

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。

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 奈米或 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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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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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]