Biohacking:利用活細胞製作原型 

十月 26, 2016
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這是Biohacking的第二回相關報導。第一回報導可以在〈Biohacking:生物駭客的冒險〉上看到。另外,我們也希望各位關注以後的報導。
 
生物列印是新的列印技術
 
聯繫Maker與生物駭客之間最大的橋樑,相信就是強大的3D印表機了。假如用生物材料代替塑膠製作三次元結構體,以特殊墨水(生物墨水)和活細胞繪製訊息和圖案,那會怎麼樣呢?
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BioCurious開始研究生物列印
 
2014年在Paris Biohackerspace贊助的Safari當中,我們遇見了BioCurious。這是在尋找北美生物駭客社群時,第一個發現的地點。這裡設有生物駭客空間,許多人齊聚一堂,推動DIY生物列印專題。他們從2012年開始研究,同年召開第一場創業聚會。現在與Maria Chavez一起帶領專題製作的Patrick D’haeseller,跟我們談到了他們研究的詳細情形。
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當時他們招募新人,尋找現在馬上就能開始做的社群導向專題。雖然他們對生物列印格外感興趣,卻沒有這類印表機的相關知識。不過,這種技術顯然還在他們能力範圍之內,許多人可以拿來玩。剛開始時無須生物學專用的實驗室。這個專題人人都可以參與,能夠從3D列印、噴墨列印、3D設計、電子製作、Arduino、細胞培養,以及其他所有的領域中切入。所有人都可以現學現教。
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從嘗試和犯錯中列印(另談表明實驗進展不順的重要性)
 
「一般市售的印表機就很好用了。將市售的料匣切掉一部分,倒出墨水,把別的東西裝進去,這樣就可以列印了。」Patrick說明道。
 
BioCurious就是這樣開始的。他們在生物學實驗室中會用到一種常用的細菌叫「大腸桿菌」(E. Coli),再改造其基因製造綠色螢光蛋白。這會變成墨水。由於印表機的規格限制,只能夠印在紙上。他們使用大張的咖啡濾紙,將列印好的紙張放進覆上一層寒天的培養皿內培養。儘管這項技術不完美,卻蘊含了可能性。經紫外線照射後,就會浮現「I♥BIOCURIOUS」的訊息。
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然而,市售印表機的限制太多了。「你必須替印表機驅動程式做逆向工程,要是沒有拆解送紙機,就達不到目的。」Patrick說。因此BioCurious決定從頭開始製造生物印表機。第二版可以在Instructables上看到。
 
多虧Hackteria collective和GaudiLabs,我們得到了一個點子,那就是從製作2D平臺用的光碟機當中取出步進馬達。市售的料匣當中裝了噴頭和介面,要連接到開源的Arduino擴充板上。透過這個,就可以用區區150美元做出DIY生物印表機。
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下一個挑戰是墨水的保存期限,現在也正拚命研究當中。市售的墨水匣會使用近似水狀的墨水,但生物墨水的黏性更強。DIY生物印表機小組開發的東西則與這不同,是從噴頭擠出少量液體的針筒式幫浦。
而後邁向3D
 
目前已經知道從現有的3D平臺起步,是脫離2D模式最好的方法。DIY小組起先把生物列印用噴頭裝在既有的3D印表機當中,試圖改造成生物印表機。然而,市售的3D印表機必須要經過困難的逆向工程和軟體改造等措施。於是在幾個月後,這個點子就觸礁了。
 
RepRap原本就是大宗的3D印表機開源系列產品,買到最為可行且價格適中的套件時,只需將塑膠用的擠壓機換成針頭就行了。生物列印噴頭要以能夠保持固定的針筒式幫浦和軟管連接。
 
「RepRap社群團體可能會掀起3D列印的革命。」Patrick說。
 
結果,家中和BioCurious、BUGSS、Hackteria這些生物駭客空間,隨即就冒出與3D生物列印有關的社群,互相交流各自的研究結果。
掌控生命
 
生物列印的終極目標是要3D列印出移植用的器官(關於這一點將會在下一回的報導中說明)。人類和哺乳類的細胞相當複雜,必須派人常駐實驗室,盡量將細胞保持在無菌狀態。因此,現在研究小組投入的長期專題,是要證明植物的組織可以列印和進行光合作用。這會變成人工樹葉。
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植物細胞方面的進展還沒有那麼快。因此,從開放科學的角度來看,就會冒出很多問題。像是該使用哪種細胞,該怎麼結合,三次元樹葉的構造會變成怎樣等等。根據Patrick的說法,使用植物細胞的3D列印研究,比人工器官的研究更適合DIY社群實驗室。
 
無論有沒有可能成功,在這裡嘗試做些什麼,觀察其如何成長,都是件有趣的事。這項研究在部分研究者看來具有相當大的潛力,但生物駭客的目標並不在於將研究成果推出為產品。
 
「我們認為目標並不重要。研究生物列印不是為了創業,販賣產品,賺取大筆財富。植物不需要緊急移植葉片。我們參加專題是基於樂趣。每個星期研究都會取得一些進展。」Patrick說。
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植物細胞的3D生物列印所引發的挑戰
 
第一步是要找出讓細胞重新懸浮的材料。基質材料可以當場保存細胞,直到細胞成長及結合為止。BioCurious最近的實驗當中,就用了海藻酸這種凝膠狀材料。這種材料具有相當有趣的特性。海藻酸鈉易溶於水,海藻酸鈣卻會立刻凝固。這讓人聯想到食品科學的球狀化技術,能夠製造蘊含液體的球體。
 
雖然現在正在測試幾個針筒式幫浦,但都要分別以同樣的材料做比較。一個幫浦要裝海藻酸鈉和細胞的混合物,另一個則要裝次氯酸鈣。當這2種材料接觸後,結構就會凝固。這樣就能列印蘊含細胞的結構體。現在正在尋找最佳的處理方式當中。
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第二項挑戰則是關於所需的細胞類型。「應該要一開始就分化細胞,分別列印在適當的地方,還是要不分化就列印,之後再透過細胞的成長,讓細胞自己在原本就很適當的地方分化?」這個問題至今依然糾纏著Patrick。雖然DIY小組使用各式各樣的細胞做實驗,但不建議使用常用的胡蘿蔔細胞。胡蘿蔔的幹細胞尚未分化,儘管在適當的條件下會分化成不同的細胞,卻往往會遭到污染。
 
讓我們看看實驗的方法。「準備樹葉,搗爛到細胞四散為止。然後放進海藻酸鈉當中重新懸浮,再將這個溶液與植物所需的介質萃取到次氯酸鈣當中。剛開始的幾個星期細胞會漂白,最後會變成綠色。原因可以解釋為細胞暫時去分化,最後回歸到葉片的狀態。」菸草的葉片堅韌,再生速度快,適合拿來研究。
BioCurious以外的研究:其他的創意
 
BUGSS——巴爾的摩
 
巴爾的摩地下科學空間(Baltimore Underground Science Space)現在正在開發3DP.BIO這項平臺。藉此可以讓科學家、工程師和設計師聯合起來,加速研究開發。他們使用樹脂印表機,開發控制程式和生物相容性樹脂,意圖製造能讓細胞成長的三次元支架。
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MIT Media Lab的介質實驗室
 
MIT Media Lab也在研究生物材料和列印技術。介質實驗室(Mediated Matter’s lab)的Markus Kayser用海洋生物進行銲補。他將乾燥的蟹殼除去薄薄一層,再與海洋生物混合,以生物材料製作結構體。
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 此外,他的實驗室還用蠶進行結構體的3D列印。
以下的影片是Neri Oxman執導的Sunanda Sharma專訪,由介質實驗室的成員解說將甲殼素當作生物材料的專題及其方向性。
 
London Biohackspace的JUICY PRINT
 
這也是使用生物材料列印的例子,但列印用材料是由基因改造而成。「JuicyPrint是用果汁列印的3D印表機。列印時要利用細菌纖維素這種堅固且相當萬能的生物聚合物所塑造的形狀。」漢氏葡糖酸醋酸桿菌以果汁為食物,經基因改造後就無法在明亮的地方形成纖維素,所以只能在光線遮蔽的地方製造纖維素。結構體照射到光線後就能調整形狀。
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製造組織和器官的新方法,是將細胞列印成既有的三次元形狀支架。
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PELLING Lab:從蘋果長出耳朵
 
這是Andrew Pelling傳授的方法。「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。」
 
Counter Culture實驗室
 
明明已經成形了,為什麼必須使用3D列印?以下的照片是奧克蘭的生物駭客空間Counter Culture實驗室製造的豬心​。
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這項研究概念是從器官捐贈者(豬)的臟器剔除所有的細胞,只留下結締組織製造幽靈組織,再將人類的細胞注入其中。
 
下一回將會說明更符合生物設計的材料和結構。
 
另一個3D生物列印和製作生物材料的方法是任其自然成長。你知道以下的照片是什麼,是在哪裡進行的研究嗎?
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(譯:李友君)
[原文]
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