http://technews.tw/2013/05/23/3d-organ-printer/ 3D列印專題（二）-從幹細胞到頭蓋骨，3D列印的器官製造奇想 作者 Lien Eden 2008年賈伯斯在蘋果發表大會上，從牛皮紙袋抽出薄如一本書的MacBook Air，全場倒抽一口氣，接著掌聲如雷不絕於耳。對生技領域而言，近年來能媲美賈伯斯的人或許就是外科醫生安東尼阿塔拉（Anthony Atala），他在2011年Ted年度大會上，手捧著一顆當場「列印」好的腎臟，直白的告訴觀眾3D列印是再生醫學新趨勢，在場的人無不瞠目結舌，久久才從這場生技秀中醒過來。 3D生物列印的概念源自於器官培養，主要是要為了解決器官捐贈不足的問題，其中又以腎臟最為缺乏。根據統計，台灣等待腎臟移植的人數約6,000人，遠高於其他器官（肝臟約1,000人、心臟約150人），而美國雖然器官捐贈風氣較盛，但仍面臨僧多粥少的問題，每年光是因為等不到腎臟而死的人就有4,500人 3D生物列印材料與原理 但或許有人會質疑，3D列印真的比其它再生醫學的方法來得管用嗎？能夠分化成各式細胞的幹細胞，不也能發展成不同的器官嗎？雖然人體胚胎幹細胞的研究不斷推陳出新1，但它最主要的問題在於分化後，無法保證是否能形成器官該有的形狀與結構2，不確定性太大，而3D列印技術能夠解決這問題。 ▲2011年Ted年度大會上，3D印表機正在列印腎臟的情況。 3D生物印表機與一般3D印表機構造相似，只是墨水不一樣，它使用「生物墨水」，也就是病人自己的幹細胞、或是各式各樣從病人身上取得再培養的細胞，作用與普通墨水無異。在列印前，先用電腦斷層掃描真的器官，之後轉換為3D模板，輸入電腦，然後再驅動「印表機」將墨水噴在一張張可被生物降解的材料上，這個材料等同於普通印表機的紙。接著利用水膠或黏著劑使細胞附著在特定位置，再將許多張平面材料堆疊起來，待這些平面材料分解後，所留下的細胞就能形成具有立體結構的器官。 3D organ printing from Jeremie Gay on Vimeo. 原理說起來簡單，但其實背後隱藏三大難題。第一是材料的設計，需要一個能夠進入人體且長時間穩定無害的材料。第二是細胞來源，研究員無法取得足夠的病人細胞，特別是某些特定的細胞，如肝細胞、神經細胞和胰臟細胞。第三是血管結構，能將血液供給這些器官或組織，讓它們再生後得以存活。這些難題由以第三項最為艱鉅，也是臨床應用目前還不多的原因。 ▲3D器官列印未來想像。 3D生物列印的濫觴與近期發展 3D生物列印的先驅者除了阿塔拉醫生外，日本中村誠（Makoto Nakamura）教授也曾在2002年提出相似概念，他在研究時發現一個標準噴墨列印機的墨滴大小，與人類細胞的尺寸差不多，於是他改良機器，在2008年創造出可以列印類血管的生物印表機。如同阿塔拉醫生一樣，中村教授也希望在不久的將來3D列印能真實的應用在人體器官的培養上。 而位於美國聖地牙哥的Organovo，則是第一家開發出商用3D器官印表機的公司。它在2009年推出的NovoGen 3D，有二個自動雷射校正噴頭，其中一個噴頭會噴出從病患身上直接取得少量細胞後大量培養出的「細胞液」，另一個噴頭則噴出「水凝膠」（hydrogel），當成細胞的支架，讓細胞能依附生長。這兩個噴頭在一張有機、可生物分解的紙上一點一滴地噴出第一層後，再鋪上一層紙，繼續噴上另外一層，約莫一小時的層層堆疊後，一個組織或血管及成型，隨後這些紙便自動溶解，所有的細胞會在24小時內自行融合。接著再送到培養室，讓這些細胞在生物反應槽中成長繁殖。在NovoGen 3D剛推出時，可成功列印出皮膚、肌肉、血管等簡單的組織，如今印表機的技術突飛猛進，目前已能列印出縮小版的肝臟3。 ▲由Organovo所推出的NovoGen 3D，有兩個自動雷射校正噴頭，其中一個噴頭會噴出從病患身上直接取得少量細胞後大量培養出的“細胞液”，另一個噴頭則噴出hydrogel，當成細胞的支架，讓細胞能依附生長。。 除了Organovo將3D列印做了跨時代的推進外，英國學者最近也公布以3D技術列印出人體胚胎幹細胞4，研究成果與近日美國成功複製人類胚胎幹細胞的新聞遙遙相望，頗有一點競爭的意思。而以3D列印出的胚胎幹細胞，由於不會觸及到「人命」的問題，爭議相對較小，是未來業界與學界關注的重點。 ▲英國學者以3D技術列印人體胚胎幹細胞。（photo credit:courtesy-watt university) 3D大型器官的列印難題 除了列印這些細胞、組織和縮小的器官外，到底什麼時候3D生物列印才能印出一顆真正有用的大器官呢？這就要談到大型器官的瓶頸，也是上述提到的第三個難題：複雜的血管結構。在Ted大會上，阿塔拉醫生手捧的腎臟，雖然外型相似，但它缺少運送血液的血管和收集尿液的腎小管，這會讓腎臟這類大型器官的細胞無法獲得重要的養份和氧氣，也不能移除代謝廢物，很快就會死亡。 (photo credit: courtesy wake forest institute) 目前科學家想出了幾個解決方法，一是他們不同時列印腎臟和內部血管，而是先用可溶解的糖列印出血管和腎小管模型，再讓細胞附著其上，接著洗去這個糖製的模型，留下足以承受身體不同血壓的堅固管路。5 另外來自德國的科學家提出其它的解決方法，他們結合高分子材料與能夠有效抵抗排斥反應的生物分子，以3D列印技術和雙光子聚合技術（multiphoton polymerisation），列印出一個富有彈性、可植入人體的人工血管。雙光子聚合技術是在列印機發出兩束強激光，焦點對準在原料上，促使原料分子集中在非常小的焦點上，當原料變成有彈性的固體後，就可以塑造出和人類自體組織能夠互動的高度精密且有彈性的結構，也就是血管。此技術目前正在做進一步的測試。 ▲德國科學家列印出一個富有彈性、可植入人體的人工血管。 根據Organovo預測，未來第一個成功列印的器官將是腎臟，除了因需求大，再加上腎臟是人體中最「簡單」的器官，由無數篩子功能的腎元所組成，因此只要能解決目前最棘手的血管結構問題，或許不久將來，3D腎臟成品將率先出現於大眾的眼前。 3D生物列印應用層面廣 雖然大型器官真正要列印出來還要好一陣子，但其他部分都有很大進展，像是以3D列印修復傷口，整合電子材料與生物材料的電子耳，裡面包覆小型線圈天線，可聽見遠超出人類可聽範圍之無線電頻率。另外最近轟動一時的新聞，一位男性因臉部腫瘤而切除一部分的臉，也因3D列印技術重建了面貌。 ▲3D生物列印為面部殘缺者重建面貌。 而在硬質骨頭的打造上，3D列印也不惶多讓。2012年2月，比利時LayerWise公司以鈦金屬粉3D列印，為一位下巴骨損壞的老婦人，量身打造專屬的下巴骨。這下巴骨每一公厘都要鋪33層粉末，整個模骨則需要鋪上千層。另外美國Oxford Performance Materials（OPM）公司所推出以PEKK為主的3D人工骨骼列印材質，也通過FDA的審核，2013年3月OPM為一位病人量身打造顱骨，取代原本頭上75%的骨頭。6 ▲比利時LayerWise公司以鈦金屬粉3D列印出下巴骨。（photo credit: LayerWise） ▲OPM公司用3D人工骨骼列印材質，為一位病人量身打造顱骨，取代原本頭上75%的骨頭。 （photo credit: OPM） 3D生物列印的應用無遠弗屆，商機更是無限，但因入門門檻高、取材不易，目前仍算是起步階段，許多研究雖然有初步的結果，但真正到實際應用仍有很長一段路。而相較於其他產業對3D列印的投入，台灣生醫產業則處於觀望階段，雖然已有幾家教學醫院購買3D儀器與軟體，但應用只侷限於疾病診斷或是牙醫治療。工研院有鑑於此，與幾家生技廠商組成聯盟，希望讓3D列印技術在台灣生醫產業能有更多應用 註1：可參考【醫療快訊】美成功複製人類胚胎幹細胞後再掀複製人話題 註2：在Science期刊中有一篇文章"Mending the Youngest Hearts"，就指出被視為再生醫學明日之星的幹細胞，其實作用不如預期的高。 註3：Organovo用3D印表機列印出小一號的肝臟細胞，厚度0.5毫米、長4毫米，麻雀雖小但卻能執行肝大部分的功能。主要是由兩種主要肝細胞組成，另外也加入血管細胞，提供肝養分和血液。 註4：英國愛丁堡赫洛特─瓦特大學WenMiao Shu博士，使用一種裝載控制閥的細胞印表機（valve-based cell printer），成功製造可存活72小時的幹細胞。此細胞印表機的容量以奈米公升來計算，印表機的噴嘴約0.005公分。 註5：引用自《科學人》135期〈醫學大未來：幹細胞當家〉。 註6：取材自《健康世界》449期〈3D列印，量身打造你的下巴與天靈蓋〉。 相關連結： •3D列印專題（一）-3D列印概觀與前瞻 •3D列印專題（二）-從幹細胞到頭蓋骨，3D列印的器官製造奇想 •3D列印專題（三）-從3D列印手槍，看美國層疊製造技術創新 •舊器官再利用？再生醫學新突破 •【醫療科技】缺腎臟，3D 印表機印一顆出來如何？ •NASA也愛3D列印，獎助開發食物複製 關鍵字: 3D生物列印 , 胚胎幹細胞 , 腎臟 , 骨頭 回 · [信件轉記收藏盒] 好文章跟你一同來分享，一起來學習 這一篇文章封面 |
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