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 | 發布日期 2013 年 05 月 23 日 15:34 | 分類 3D列印 , 生物科技
tn05210112

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。

tn05210108

▲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。

tn05210114

▲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

tn05210113

▲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。

tn05210104 3D printed embryonic stem cells courtesy-watt university

▲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。

tn05210103 image courtesy wake forest institute

(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。

tn05210105 ▲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。

tn05210101

▲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

tn05210106LayerWise

▲比利時LayerWise公司以鈦金屬粉3D列印出下巴骨。(photo credit: LayerWise)

tn05210109

▲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: 

發表迴響