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2014-10-01三維列印組織及器官
538 期
Author 作者
程樹德／任教陽明大學微免所。
所謂三維列印（3D printing），學術一點的稱呼，是累加式製造（additive manufacturing），即將立體模型的空間資訊，用電腦輸給一架印刷機器，這機器有點像現今常用的噴墨印表機，可先印出一個二維的圖像，然後以噴墨嘴吐出可凝結的材料，逐步創造出與原模型一樣的三維實體。
我們知道畢昇的活字印刷術傳到歐洲後，促進了西方的文藝復興，及以後的科學革命，甚至工業革命，故爾是極緊要的技術，現在若能擴充至三維印刷，進而複製出一個三維實體，該是多麼重大的技術突破啊！
在1984年，個人電腦、文字處理機開始普及，用電腦控制的印表機也出現，這週邊技術的出現，讓三維列印這概念有了萌芽的契機。賀爾（Charles W．Hull）這人於1939年出生於美國克羅拉多州，畢業於該州州立大學的應用物理學專業；在1983年，由於他知道能用紫外光來催化塑膠單元分子的聚合（photopolymer），故想出這累加性製造的主意，稱之為立體石畫（stereolithography，也譯作光固化成形法）技術，並於1986年得到一個專利權許可。
他的想法，是讓噴墨頭輸出塑膠單元分子，此時用強的紫外光雷射照耀，使它立即固化，不再流動；噴頭則由電腦輔助設計程式（CAD/CAM/CAE）來控制，讓它依照既定的二維圖像來移動，待累加這諸多二維圖像後，就塑造出一個實體。
賀爾所發明的這初始技術，只能用塑膠來製造模型，而那時金屬燒結技術（metal sintering）也大有發展，能利用強雷射光，將噴頭釋出的金屬粉末或小顆粒，直接燒結在下層已冷卻的固體表面，讓金屬也能當模型的材料，於是三維列印技術，也能用以鑄造金屬的零件。
圍繞這主要創意的附屬技術不斷被發明出來，例如塑膠擠出技術在1990年出現，噴出膠結劑於粉末（inkjet deposition of liquid binder on powder）之技術於1993年在麻省理工學院被發明出，1995年即上市。
早期三維列印技術能應用在新產品開發的階段，也即能從電腦中的設計圖，很快地製造出一個實體，可觸摸也可觀看，以資評估其是否美觀、可用或可否暢銷。到了21世紀第二個10年，更有了爆炸性發展，不但能大規模生產零件，也能跳過翻砂鑄造的麻煩，直接生產精細的引擎或其他零件；在中國工業化的過程中，技術之獲得恆受到西方列強帝國主義的防範及禁售，聞這種技術在大陸有超越性的突破，真讓我額手稱慶。
據市場調查公司的統計，西元2012年，全世界三維列印機的銷售金額達到22億美元，比前一年金額高29％；購買者將他們應用於建築設計、營造商、工業設計、軍工製造、汽車製造、航空太空、教育、珠寶設計、玩具設計、生物科技、時裝設計、食品業等諸多行業。
自從2005年以來，個人玩家買部三維列印機在家中遊戲，成了一個急速擴充的市場，這得利於公開免費程式（RepRap）的流通，讓玩家能隨意印出個東西來使用，例如缺個臉盆或梳子，可以隨手印出來，有日本人印出一把手槍來，據說還真能發射子彈。
2007年發布的RepRap：達爾文﹙ Darwin ﹚
圖片來源：維基百科
RepRap
replicating rapid prototyper
是3D立體印表機的原型機，具有一定程度的自我複製能力，能夠列印出大部分其自身的塑料組件。個人玩家們能夠製造出複雜的產品，不需要昂貴的工業設施。
這原型機從軟體到硬體各項資料都是免費且透過網路公開流通的，可以透過玩家們分享以及自行修改後再分享，使得機器變化出更多的可能。
至目前為止，已發布了4個版本的3D立體印表機。
三維生物列印是很自然的延伸，依病人的需要，印出一片冠狀動脈支架，或固定斷骨的夾板，是業已成功的產物；現在的理想，想用噴嘴吐出細胞及胞外介質，以製造組織，或是藉由小塊組織，列印出整個器官，屆時糖尿病人，可以換個人造胰臟，尿毒病人可以換上新腎臟。這種再生醫學所描繪的願景，其實現或許得有三維列印的幫忙吧！
這三維生物列印已蔚為一大研究洪流，論文大量出現，綜合其創造組織或器官的策略，可有三個方向。其一即是仿生（biomimicry）策略，即儘量模仿生物組織的原有結構，來複製這一片組織，例如一片胰臟組織上有一團蘭氏小島細胞，附近有血管，再遠有一條外分泌的管道，而各種細胞間又有不同的胞外介質（extracellular matrix）；在進行生物列印時，先要有這片組織的三維結構，再有不同的細胞源及胞外介質，然後逐層噴出不同細胞或介質，讓他們膠結成有韌性的一片組織，最後測試這片組織有無設計時所盼望的功能，例如分泌胰島素。
第二種策略，可稱「自發組合（autonomous self-assembly）」，若能明白一個器官從最早期的發育過程，那麼，用少量未分化的多潛能幹細胞（pluripotent stem cell），先列印出小型的器官雛型，然後在小容器內，適時補充各種營養及生長因子，讓它發育成大而有功能的器官。
第三種策略，叫做「微組織（mini-tissue）」，即如腎臟由腎元、尿管和血管所組合而成，若先用生物材料建構微小組織，再讓各微小組織結合為大些的組織，最終形成正確尺寸的器官，像模組式公寓的建造，進展就較快。
這三種策略都依賴各種造影技術（medical imaging technology），對組織及器官的三維結構，有精細的知曉；目前有兩大技術能造影，其一是電腦斷層掃描（computed tomography imaging），用X光旋轉照射生物體，再收集穿透過的X光之量及角度，將之轉變成像素（pixel，成像的最小單元）或體素（voxel，所涵體積之最小單元），再用電腦整合，就能創造生物體的精細空間構造。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第538期】