5個應用3D列印技術的生物駭客實驗室

四月 11, 2017
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全球Maker與生物駭客之間最主要的橋樑,應該就是強大的3D印表機了。他們之間顯著的差別在於,生物駭客使用的並不是塑膠材料,而是使用生物材料來打造3D構造,並採用由活生生的細胞組成的特殊生物連結來列印訊息或圖案。
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人類細胞於去細胞的蘋果切片中培養(左),及一片蘋果削成耳朵形狀(右),Pelling實驗室製作。Bonnie Findley攝

BioCurious生物列印的起源

位於北美的BioCurious是生物駭客社群的必經站。這個先驅空間位於加州桑尼維爾,駐有多位優秀的人才一起合作進行DIY生物列印專題。他們的生物列印冒險始於2012年的第一場聚會。根據和Maria Chavez 共同領導此專題的Patrik D’haeseleer表示,他們希望能找到可吸引新人迅速加入並合作的社群專題。雖然沒有一位專題領導人有具體的生物列印應用想法,也沒有人有打造這類型印表機的先備知識。不過這樣的科技看起來仍然可行,有機會可以嘗試。
「你可以直接使用一般市售的噴墨印表機。將市售的墨水匣切除一部分,倒出墨水,並將別的東西裝進去,這樣就可以列印了。」D’haeseleer解釋。
BioCurious最初以天然的植物性阿拉伯糖取代墨水,列印出一張大咖啡濾紙。它們將濾紙放在培養皿中的大腸桿菌上,阿拉伯糖所在的地方會形成綠色的螢光蛋白。在列印阿拉伯糖之處,細胞就會發光。
將市售印表機做出這樣的改動具有很大的挑戰性。「你可能需要重設印表機的驅動程式,或拆掉處理紙張的機械部分,才能進行你想做的事情。」D’haeseleer表示。
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BioCurious首創佳績的150美元DIY生物印表機:能用噴射印表機噴頭將發光的大腸桿菌列印於洋菜上。Patrik Dʼhaeseleery攝

也因此團隊打算從無到有,打造自己的生物印表機。他們的第二代印表機使用的是CD驅動器的步進馬達,以墨水匣做為噴頭,並使用開源式Arduino控制板驅動──一臺DIY生物印表機,只要150美元,就在Instructables
接下來,也是目前的挑戰,便是要處理墨水的濃度問題。市售墨水匣適用於水性的墨水,但是生物墨水需要的是膠狀的高黏度材料。DIY生物印表機團隊嘗試了不同的注射幫浦設計,希望可以用「生物噴頭」來射出少量的黏性液體。
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BioCurious早期的印表機:將11美元的注射幫浦安裝在用DVD驅動器製作的平臺上。Patrik Dʼhaeseleery攝

邁向3D

從現有的3D平臺著手,似乎是將2D圖案帶往下一個階段最好的做法。這個團隊一開始先在現有的3D印表機上直接安裝生物噴頭。然而,他們若要設計出能夠販售的機型,則需要更複雜的工程,軟體也需要調整才能讓列印過程更加完美。經過了幾個月,他們來到了死胡同。
他們接下來的嘗試則是受到RepRap系列3D印表機的影響。此生物列印團隊購買了一臺開源的印表機套件後,得以將塑膠噴射噴頭換成可彎曲的管子,連接到一組注射幫浦。這個方法成功了。
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使用開源式注射幫浦,將RepRap改造成BioCurious最新3D生物列印平台。Maria Chavez攝

「RepRap社群使得整個3D列印革命變得可能。」D’haeseleer說道。
很快地,3D生物列印社群便出現了。他們在家中或是生物駭客空間進行實驗,如BioCurious、BUGSS、Hackteria等地,並將他們的實驗分享出去。

與生命共事

生物列印最令人夢寐以求的,便是生產可供移植的3D器官。要改造人類或哺乳動物的細胞是非常複雜的一件事,必須要有人每天待在實驗室裡照顧細胞,並盡可能地維持無菌的狀態。由於種種阻礙,生物列印團隊目前的長期專題,便是打造一個用來驗證概念的機能性植物器官,讓其能進行光合作用。也就是一片人工葉子!
目前尚未有太多和植物細胞相關的專題,仍有許多研究的空間。你必須先知道你需要使用何種細胞類型、如何讓細胞連結、3D結構的葉子會長什麼樣子等。D’haeseleer表示,3D列印植物細胞比起哺乳類動物細胞,更適合DIY社群實驗室。
不管成功與否,這件事最有趣的部分在於測試以及觀察實驗對象如何生長。即使生物駭客對研究的潛力大感吃驚,但對他們來說,商業上的應用並非唯一目的。
「我們並非以目的為取向,並非想要以生物列印創業、販售商品、賺百萬把銀子……因為並沒有太多植物急需進行葉子移植!我們參與這項專題是因為很有趣。我們每一週都有進展。」D’haeseleer說。

用植物細胞進行3D生物列印

列印植物細胞的第一步,便是研究要使用何種材料,才能支撐細胞直到它發展完全並產生連結。BioCurious現有的一些實驗,是利用一種名為海藻酸的凝膠狀材料,這種材料具有相當有趣的特性。海藻酸鈉易溶於水,但有黏性的海藻酸鈣卻會立刻凝固。這與食品科學的晶球化技術十分類似,能夠製造含有液體的球體。(點這裡看義式普切塔配料的冷油晶球化技術
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於BioCurious測試海藻酸DIY的可能性及可使用的生物墨水。Maria Chavez攝

目前,他們正在測試許多注射幫浦設計,使用的都是一樣的對應方式:一個注射幫浦內含有海藻酸溶劑與細胞,另外一個則含有氯化鈣。當兩種材料相遇,結構就會固化,然後便可以印出內嵌細胞的固體。目前正在進行優化中。
另一項挑戰是選擇使用何種細胞類型。「我們應該要分類所有的細胞,然後列印細胞到我們認為它們所屬的地方嗎?還是要印出沒有分類的細胞,並同時列印生長因子,讓他們在原本的位置進行分類和重組?」對D’haeseleer來說,這個問題依然沒有答案。DIY團隊對各種不同的細胞進行了實驗,並不建議使用人們常用的蘿蔔細胞。這類幹細胞沒有分類,也就是說,他們有可能在良好的環境下,生長出不同的細胞類型,但通常都受到汙染。
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於BioCurious手動噴射生產的海藻酸凝膠。Maria Chavez攝

其他進行生物列印的團隊

BUGSS──巴爾的摩

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BUGGS用生物相容性樹脂製作的生物光聚合列印成品。BUGGS提供

巴爾的摩地下科學空間(Baltimore Underground Science Space)現在正在開發3DP.BIO這個平臺,集結科學家、工程師和設計師加速研究開發。他們使用樹脂印表機,致力開發控制程式和可製作細胞3D支架的生物相容性樹脂。

倫敦生物駭客空間

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JuicyPrint使用漢氏葡糖酸醋酸桿菌(G. hansenii)和果汁,由細菌纖維素製造出可用的形狀。Alasdair Allan攝

倫敦生物駭客空間的JuicyPrint,使用以果汁做為食物來源的細菌「漢氏葡糖酸醋酸桿菌」當作列印材料。漢氏葡糖酸醋酸桿菌會產生一層細菌纖維素,一種強壯又格外多樣化的生物聚合物。然而,桿菌經過基因改造後,無法在明亮的地方形成纖維素。經由照射不同圖形的光,可以操控最終產物的結構,生產出以纖維素構成的有用形狀。

Pelling實驗室

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Pelling實驗室的「蘋果耳朵」正在進行去細胞程序。Andrew Pelling攝

另外一種生長組織或是器官的方法,便是用現有的3D結構當作細胞的支架。Andrew Pelling解釋了製作過程:「將蘋果切成薄片,用肥皂和水清洗和​​消毒。這樣就會留下纖細的網眼狀纖維素,然後將人類的細胞注入其中,讓細胞成長。」他的實驗室目前正在製作長成人類耳朵形狀的原型。

Counter Culture實驗室

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Counter Culture實驗室的幽靈心贓(ghost heart)只剩結締組織,其他細胞都被移除。Patrik D’haeseleer攝

明明已經成形了,為什麼還要使用3D列印?照片是奧克蘭的生物駭客空間加州Counter Culture實驗室製造的豬心專題​。
他們剔除器官捐贈者(豬)臟器的所有細胞,只留下結締組織以製造「幽靈」器官,希望可以填入他們想要生長的細胞。
(譯:呂紹柔)
原文
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