重返青春 3D列印讓生命有更多可能
- 魏淑芳
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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。
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。
