澳洲實驗室成功列印會跳動的心臟細胞,離3D列印整顆心臟的夢想更進一步!
澳洲實驗室成功列印會跳動的心臟細胞,離3D列印整顆心臟的夢想更進一步!
2017.01.02 | 產品開發

3D列印人類器官的目標雖然還很遙遠,但是每前進一步這個夢想就會更靠近現實一點。在澳洲,雪梨心臟研究所( Sydney-based Heart Research Institute ,HRI)開發了一種可以列印人類細胞的生物列印機,可以用來修復受損的心臟組織。研究的效果也很神奇,這些心臟細胞可以跳動,就像一顆真正的心臟一樣。

HRI的一位科學家Carmine Gentile博士介紹說,患者只需要給醫務人員提供他們的表皮細胞,用它們生成乾細胞,再進一步生成心臟細胞。醫生利用這台列印機可以列印患者所需的特定的心臟細胞,然後生成可以植入心臟的組織,來修復受損的器官。

這種方法對飽受痛苦的心臟病患者裨益頗多,尤其是傳統的治療手段不奏效的時候。典型的心臟病治療過程,包括血管成形術,在這個過程中讓氣球膨化來擴大被阻塞的冠狀動脈,以及再灌注治療,包括植入支架和實施大量藥物。在這個過程中,3D列印組織可以提供急需的替代品。

科林學院的一位心臟病科醫師和副教授Gemma Figtree解釋道,透過用一個有效的「補丁」來替換壞死的心臟肌肉,可以極大地解決他們呼吸短促的問題,提高生活質量。 「僅僅在澳大利亞,就有35萬人受到心臟病的侵害,每天會有24人死於心臟病,因此這項3D列印的突破非常有意義。」

除了創建可植入的心臟細胞,3D生物列印機還可以創建特定器官用於藥物測試。也就是說,可以用病人自身的細胞創建一個迷你的心臟器官,在給病人使用藥物之前,在這個迷你的心臟器官上先測驗一下效果。 Gentile博士也稱之為驚人的發現,因為這可以讓我們在短時間發現藥物在病患身上的副作用。

當然,這項技術不會馬上引入澳大利亞各地的醫院,HRI的研究人員認為這項技術在未來五到十年內才能用於病人的治療。

雖然,3D生物列印可植入人體組織,仍然處於實驗室階段目前,但是3D列印已經開始應用於一些心臟手術的實踐。

據報導,香港醫生曾透過3D列印的模擬器官來進行術前的準備,提高手術的成功率。香港中文大學及香港大學聯手開發了一種技術,透過經病人食道超聲波造影所收集的數據進行3D重建,塑造出高仿真的複雜心臟結構3D矽膠軟件模型,協助術前規劃,為病人制訂個人化的介入治療方案。

心臟結構複雜且因人而異,進行心臟介入手術的難度因而十分高。醫護人員可能需要在手術進行期間嘗試多於一次,才能確認放置治療儀器的最佳位置,導致出現心臟手術並發症甚至手術失敗的機率增加。醫護人員可能需要在手術進行期間嘗試多於一次,才能確認放置治療儀器的最佳位置,導致出現心臟手術並發症甚至手術失敗的機率增加。這項技術有助於醫護人員於手術進行時更準確地將儀器放入最佳位置,減低出現並發症或手術失敗的風險。

這項技術源於2015年的一宗複雜左心耳封堵術個案。去年,一名於香港威爾斯親王醫院接受左心耳封堵術的78歲女病人,術前經食道超聲波發現其左心耳呈雙葉狀,這種結構增加了封堵術的難度,醫護人員必須有相當周詳的術前規劃,以求更準確地將封堵器放入病人左心耳的兩端。

因此,團隊創新地利用3D列印技術來協助手術的計劃,並利用塑造出的3D軟件模型在術前模擬相關治療程序。術後跟進及評估顯示患者情況良好。

本文授權轉載自:36 氪

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2025年總統科學獎〉沒有前人就自己開路!「高熵合金之父」葉均蔚院士,引領全球材料新革命
2025年總統科學獎〉沒有前人就自己開路!「高熵合金之父」葉均蔚院士,引領全球材料新革命

想像一下,人類數千年來對物質世界的理解,突然被一個大膽構想徹底顛覆,會是什麼樣子?

當傳統材料學界仍謹守1~2種主元素為基底的定律時,2025年總統科學獎得主,國立清華大學材料科學工程學系特聘研究講座教授、中央研究院院士葉均蔚院士,卻逆向思考,開創能讓數十種元素混合的「高熵合金」領域,不僅為元素週期表注入嶄新生命力,更點燃全球半導體、智慧機械、綠能科技、國防與生醫等領域的無限創新火花。

「潛水」8年,釀出材料革命

葉院士透露,自古以來,要想構成「合金」,都由單一或少量元素構成,但1995年,他在驅車前往臺北的路上,腦中靈光乍現,迸發出讓多種元素混合成合金的想法。

有意思的是,葉院士很清楚,「高熵合金」這項突破性構想,將會徹底顛覆材料學的根基。因此,為了鞏固臺灣的領導地位,1995至2003年間,他刻意沉潛、默默研究,不發表任何相關論文,「這是我的經營管理策略!」他認真道。

葉院士於頒獎典禮發表研究之路的心聲點滴。
葉院士於頒獎典禮發表研究之路的心聲點滴。
圖/ 數位時代

因此儘管8年寒窗苦讀無人知,甚至曾有計畫審查委員直言,若讓高熵合金的計畫通過,會鬧出「國際笑話」,葉院士仍憑藉著對高熵效應的堅定信念,逐步累積實驗數據與理論心得,最終於2004年,一口氣發表5篇高熵材料論文,為高熵合金新材料命名、定義和建立理論基礎,之後平均每年發表10篇研究,並陸續提出高熵效應、晶格扭曲效應、緩慢擴散效應、雞尾酒效應等核心效應,對材料科學理論做出重大貢獻。

這股「論文風暴」,不僅讓《Nature》在2016年發布專題報導,確立了高熵合金領域的價值,以及確認臺灣做為發源地的地位,還成功引發全球專家學者的重視與跟進,也讓葉院士成為「高熵合金之父」。

在為臺灣奠定高熵合金領導地位之餘,葉院士還期望將這股力量向下傳承,因此在清華大學成立全球首個高熵材料研發中心,由他擔任主任。中心匯集了來自全臺各大學逾60位跨校、跨領域的頂尖教授,組成材料界的「夢幻隊」,一同探討高熵學理,開發高功能材料,每年還開設相關課程,培育近百名具備傳統與高熵「全材料」研發能力的專業人才,為學界、業界提供源源不絕的活水。

更重要的是,葉院士很早就知道,學術研究的價值不應只停留在論文發表。事實上,他在從事教職之初,便開始擔任業界顧問,深入現場解決問題,這反過來讓他的研究,更加貼近現場。

2021年,他透過清大授權高熵材料科技的3千萬元授權金,如今,在資本市場已增值8倍,達到2.4億元;他也擁有逾50項專利,其中,超過22項為高熵材料發明專利授權,「學者不能只在『象牙塔』中做研究,要積極與產業互動,將所學貢獻於實用,尤其現今臺灣製造業面臨轉型挑戰,學術界的創新非常關鍵。」

看著葉院士現今擁有的非凡成就,多數人可能以為他背景優渥,其實,他出生偏鄉、從未出國留學、進修。來自宜蘭南澳的他,成長過程中資源相對匱乏,但這反而養成他從小「凡事自己動手做」的習慣,「這種獨立解決問題、親身實踐的精神,就是我在科學研究上,不斷突破的基石。」

葉院士全家於2025總統科學獎頒獎現場溫馨合影。
葉院士全家於頒獎現場溫馨合影。
圖/ 數位時代

不曾出國留學、進修,也能做出世界級的突破

葉院士從學士、碩士一路念到博士,是標準的「清華大學材料科學工程寶寶」。在那個「去去去去國外」、留學盛行的年代,他選擇做個異類,深耕臺灣,「對國家做出貢獻比個人發展更重要!而且我相信,就算在臺灣,也能憑藉我們的智慧、能力,做出世界級創新。」

葉院士建議,年輕學者、莘莘學子們應心存善念,並秉持著求甚解、動手做的態度,多元、快樂學習,「強大的企圖心,能創造價值;與人為善,則能聚集眾力,共同實現宏大目標。」

臺灣「高熵合金之父」葉院士,賴總統親自頒發「2025年總統科學獎」 殊榮。
臺灣「高熵合金之父」葉院士,賴總統親自頒發「2025年總統科學獎」 殊榮。
圖/ 數位時代

問「高熵合金之父」接下來還有什麼目標?他笑稱,自己自大學二年級起,便懷抱著「飛碟夢」,而要實現夢想,需要室溫超導、極耐高溫等前所未有的材料,他仍在兢兢業業努力中。飛碟夢看似遙遠,卻是前進的燃料,向來「說到做到」的葉院士,用對未來的無限想像,持續為材料科學鋪設一條通往新世界的道路,也為臺灣留下珍貴的創新資產。

葉均蔚 院士
專長:高熵合金及相關材料、製造工程等
現職:國立清華大學材料科學工程學系特聘研究講座教授
成就:開創「高熵合金」領域,徹底顛覆傳統金屬材料設計思維,為臺灣在高階製造、綠能技術及核融合能源領域奠下堅實根基

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