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重返青春 3D列印讓生命有更多可能

5/5/2015

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DIGITIMES企劃

3D列印在醫學領域的發展相當快速,尤其是不具生命的身體部件替代,至於器官列印,現在各學術機構也紛紛展開研究,並已獲致一定成果。

3D列印技術發明已久,近年來由於專利過期,加上電腦設計軟體技術的精進,其發展不斷加速,3D列印在發展初期,多以一般材質如金屬、塑膠所製成的產品為主,產品種類也多為一般生活用品,不過近年來其應用已大幅拓展,尤其在醫療生技方面,3D列印的發展速度完全不遜於工業產品。

3D列印在醫療生技的應用已有數年,同時部分歐美地區已有相當可觀的成績,在2011年的TED大會中,美國Wake Forest大學研究員Anthony Atala引起騷動,與會者都誤以為她要在會場中以3D列印製造出一顆真實的人類腎臟,雖然隨後證實3D列印的並非真實腎臟,而是具備過濾血液與稀釋尿液功能的類腎臟組織,不過Anthony Atala的展示,仍開啟與會者的視野,在此之後,醫學界發現以此技術列印人體各部位可能性不低,雖然與實用化仍有一段距離,但起碼已然開始。

放大

無生命的身體器官替代製作,是3D列印在醫療領域中進展較快者。DIGITIMES攝




替代性身體部件發展迅速

雖然身體的重要器官列印目前仍在起步階段,不過部分可替代性的身體部位如牙冠、關節、義肢、助聽器等,其商用模式已然開始,這些身體部位的再植入,在現今醫學領域履見不鮮,不過由於每位病患的身體形狀不同,因此往往其人工替代部件都以人工方式設計與磨整,以期能與其他身體部位完美嵌合,而全人工手作的價格也就理所當然的昂貴,3D列印的出現,就可解決此部分問題。

以價格較低的助聽器為例,助聽器的設計必須配合耳型調整,3D列印在此部分涉入已深,目前全球以此方式製造的助聽器已超過千萬,另一個獲得成功的則是牙齒矯正器,3D列印的透明拋棄式塑膠矯正器,已接近75萬個。

這些可以替代的身體部件有幾個共同特色,包括數量少、樣式多,因此無法使用大批量製造,也因此人工製造成為過去的唯一作法,3D列印的問世適時填補了此一需求,3D列印在部分的作業模式,是先掃描身體需要替代部件的部位,再將掃描數據連結到後端資料庫,在資料庫中比對出形狀最類似的部件,再隨之調整修正出完美形狀,最後再將完整的設計檔輸入3D列印機中,選擇橡膠、塑膠、陶瓷、金屬等材質進行列印。

目前身體部位的3D列印已單一材質為主,像是上述的金屬、塑膠等,複合是材質的製作仍未出現,主要原因在於目前3D列印的技術侷限,不過就應用現況來看,已足敷其使用。

就案例來說,3D列印在人體部位的最成功應用是2012年的手術,當年一隻外科醫療團隊為1位83歲患有口腔癌婦女進行手術,該團隊先掃描病患的下顎形狀,再由專注於醫療3D列印的比利時LayerWise公司,以雷射融化3千層精密排列的鈦粉,製作出形狀,最後在用另一工法在此一人工顎骨鍍上陶瓷,此一顎骨經由電腦演算法設計出數千個不規則凹槽與空洞,透過這些凹槽與空洞,該金屬顎骨可與病患口腔的肌肉、血管、神經完美貼合,完全融入身體,手術相當成功,在手術完成後,此一病患即可講話並且喝湯。


生物列印研究多元展開

替代性身體部位外,目前醫學領域的3D列印終極目標還是前面提到的現有器官取代,要進行這類「生物列印」,必須以先列印幹細胞,在經過精確的配置使其生成活體組織,由於幹細胞是人體的原始組成部分,是身體部位生長的主力,由於幹細胞具有非專屬性,不專屬於人體單一器官,因此作為人體器官的培植相當適合。

在這部分目前已有部分動物實驗的成功案例,像是Columbia大學Jeremy Mao教授以3D列印出實驗兔的臀骨並接種幹細胞,其作法是先分離出實驗兔的臀骨並掃描,再將掃描檔轉化為3D列印的設計檔,列印出臀骨後,將幹細胞植入骨中,再移植入實驗兔,4個月後,所有實驗兔都可行走自如,Columbia大學的研究團隊設計了帶有細小而彎曲的微通道置換骨,用以促使幹細胞延伸到植入物的表面,加速實驗兔的骨骼癒合。

另外Washington State大學也用了與Columbia大學團隊類似的作法,他們採用磷酸鈣、矽、鋅粉製成噴霧材質,再以3D列印骨骼,細微的霧滴形成約20微米後的薄層,研究人員在列印的骨頭噴上不成熟的人骨細胞,藉由此方式,不成熟的骨細胞得以在新環境中成長,最終長成成熟的活性骨骼組織。

雖然「生物列印」醫學領域的研究已快速展開,隨著日漸多元的發展,「生物列印」將有更多作法,目前較有代表性的是「活體墨水」,也就是使用內部懸浮著活細胞的可列印凝膠,當活細胞被推壓至列印噴射頭時,此一特殊水凝膠會成為保護活細胞的結構,一旦活體墨水被列印至合適處,活細胞會分泌出一種物質進入凝膠,從而形成一種支撐的母體,而隨著活細胞的持續成長,母體會發展為軟骨或類似的組織。

這種方式有點像把蔬菜種在菜園中合適的位置,使其得到最理想的光照,不過人類在這方面的研究仍未成熟,細胞的分布位置仍無法達到最適化,在這方面自然界的力量仍遠超過人類與電腦。

「活體墨水」3D列印軟組織的主要優點,是印表機可已將細胞噴射成精確的圖案與形狀,尤其採用多噴射頭的印表機,每個噴射頭都可填充不同類型的細胞,透過多材料的3D列印技術,讓實驗可更趨近於自然的複雜形狀、內部結構與細胞多樣性。

除了將細胞放在正確的位置外,活體墨水的另一個挑戰是確保細胞能長成正確的形狀,細胞位置與組織形狀是器官功能能否正常運作的關鍵,在生物列印中,兩者必須並重,而組織形狀的正確與否,必須仰賴生長因子,因此活體墨水也需加入生長因子,以確保列印後的組織形狀,以心臟為例,心臟組織要求高細胞密度以確保可有規律的跳動,但若植入人造心臟組織支架上的細胞沒有緊密相連,心跳將會不規則。器官運作仍有未解之謎

正確的位置與組織形狀是器官列印的2項要點,不過器官要正常運作還有一項最基本的要點-「啟動」,人類可將器官做成正確的樣子後再擺在對的位置,但是沒有人知道如何正確的啟動種子細胞,目前這部分仍只能靠天意,人類仍無能為力。

就目前發展來看,3D列印在醫學領域應用的速度相當兩極,不具生物功能的替代性人體部件,其進展相當快速,目前已有多起成功案例,放眼未來,普及已成必然,至於器官列印,雖也有進展,不過仍有長路要走,在人體器官領域,自然界仍有太多未解之謎,在未知之謎尚未盡解之前,器官列印普及仍然是長路漫漫。

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