器官移植者福音?一窺矽谷人體合成技術,量產皮膚超乎你的想像
器官移植者福音?一窺矽谷人體合成技術,量產皮膚超乎你的想像

《明鏡週刊》駐矽谷特派員湯瑪斯.舒茲(Thomas Schulz),以獨家管道深入矽谷祕密研究實驗室與工作現場,匯集超過150次以上的訪談內容,以觀察入微的細膩筆觸帶領讀者由淺入深,一窺這個當紅產業的獨家內幕。

編按:取其他生物可用之處,為人類截長補短,以及生物3D列印技術,生物合成科技用在醫療領域上將會呈現何種光景?無論你能否接受?是否有道德倫理的疑慮?從皮膚、大腦、心臟、肝臟、骨頭...良好運作的人體器官與組織陸續出現,未來的生命很可能完全於實驗室中誕生。

合成生物學,多方應用創意無限

種種以人工重現自然的嘗試,其實是某個研究領域的一部分,而且日趨重要,這個領域就是合成生物學。在這個領域中,醫學專家與生物學家彷彿化身為工程師:他們設計與建構新的人造生物系統、器官與儀器。

蛋白質基因
控制基因、人造器官、合成生物,造物主不再是傳統宗教中的神話,人類正不斷驗證自身、挑戰成為這個代稱的可能性。
圖/ Shutterstock

他們也研發人造蛋白質,用細菌或奈米粒子製造生物偵測器,只要把它吞下肚,就能對人體內的毒素或重金屬提出警示。研究人員正努力製出合成精子、卵子,甚至人造基因組:生命,就要自實驗室誕生了。

而合成生物學,尤其更是「匯聚」這一概念的產物,因其集化學、物理、生物、資訊工程、機械與電子工程之大成於一身。一個涵蓋範圍寬廣,因此,對於該如何為它下定義也意見分歧的領域。

不過,若要如以下說明來理解該領域,應該也相去不遠:一種被醫學界與生物界愈來愈視為科技手工業的各種嘗試,一個與傳統醫學天差地遠、專供巧手工程師以新概念發揮創意的空間。

光合細菌為心臟供氧
科學家為動脈堵塞的實驗鼠注入細長聚球藍細菌,當燈光照射時,細菌產生氧氣供老鼠缺氧的心肌細胞使用,從而改善了心臟的整體功能。

其中,還包括以下這種方法:將光合細菌急速送入心臟裡,用以阻止心肌梗塞病情惡化。心肌梗塞是因動脈堵塞而致使心臟組織壞死,是個可用手術停止其病程的症狀,但手術產生效用通常已在發作一兩個小時之後。這時,心臟多半已受到損害。

因此一直以來,醫學專家不斷嘗試另闢途徑以改善心肌供氧狀態。有種存在淡水中的細長聚球藍細菌(cyanobacterium Synechococcus elongatus),向來以光合作用產生氧氣,研究人員將其注射入動脈堵塞的實驗鼠體內,並施以大量的光照⸺結果實驗鼠的心臟功能立刻明顯改善,比起那些梗塞發作後沒有加以治療的實驗鼠,狀況好很多。

各種合成生物學結合聰明電腦的創意應用範圍,可說自具體實用至天方夜譚,從已實際採用,到僅停留在未來夢想階段的都有。但這一切都已不是遙不可及。

除了Organovo之外,許多新創公司、實驗室及愈來愈多大集團,也已陸續加入3D列印人類身體部位的行列。而目前已可成熟推出的產品,則是人造皮膚。

與其他部位相較之下,皮膚的生理構造是比較簡單的,因此也較容易在體外仿製。2017年初,西班牙科學家發表了一種可在35分鐘內印製出100平方公分皮膚的生物列印機。該機器按照皮膚的構造,從真皮到表皮層層堆疊,內含細胞的血漿在模型裡一層一層壓製,最後並融合一起生長。目前這種合成皮膚已成功移植到小鼠身上。

「這個成果顯示,3D生物列印技術所製出的生物結構皮膚,很適合作為治療或工業用途之用,並且可自動化生產。」馬德里大學(Universidad Complutense de Madrid,簡稱UCM)的科學家發表其皮膚列印機時這麼說。

皮膚近照圖
由3D列印機製造出的人類皮膚是否還有一般人肌膚的紋理呢?

這對於燒燙傷患者與罹患嚴重皮膚疾病的人來說,不啻為一大福音。除此之外,化學與化妝品集團也斥重金投資生物列印,因為人造皮膚可用於產品測試。

例如萊雅(L'Oreal),它已可自行在實驗室製造合成皮膚,不過還未達到完全仿真的程度。因此,該集團便於2015年與Organovo結盟。另外,它還與法國新創公司Poitis合作研發人工髮根⸺這可比印製合成皮膚複雜得多,因為毛囊是由至少十五種細胞類型組成。

還有寶鹼(Procter & Gamble),無數清潔用品的生產廠商,旗下產品包括Ariel 洗衣粉與Meister Proper清潔劑等等,以及德國化學公司巴斯夫(BASF)集團,也紛紛投資3D列印皮膚,用來測試產品的副作用。

許多新創公司正在進行的下一步,則是在所需的身體部位直接印製合成皮膚,進而取代原本繁複麻煩的移植手術。美國新創公司RenovaCare進行中的實驗,是一種傷口治療噴槍,皮膚幹細胞可經由這種噴槍直接噴在燒燙傷口上。

目前市場上約有100種以上的醫療用3D列印機,並陸續有新的生物列印應用項目推出。幾乎所有大型製藥公司與醫療設備廠商,都有自家的合成生物學計畫。

瑞士羅氏大藥廠與兩家生技公司合作研發人工胰臟;西門子(Siemens)則致力於研究「在生物反應器中製造器官的作業系統」,不僅提供各種不同的新式實驗技術,也與符茲堡大學(Universität Würzburg)的組織工程與再生醫學系合作。

合作案中的研究人員已合成出一小段人類氣管,並成功移植至重症病人體內。此外,他們也在研發人造皮膚的自動化生產線。

有鑑於生物列印領域眼前所創出的榮景,美國官方機構於2017年末首度發布一份指南,用以規範這些新技術的發展,並促進這些技術的進步。

「 3D 列印醫療設備、藥物與人造生理組織,這些在不久前還屬於未來想像的技術,感覺那麼遙不可及的東西,如今已迅速成為可滿足多方需求的事實。」前食品與藥物管理局局長史考特.高特里布如此說。生物列印產品的研發與許可,想必將因而更加快腳步。歐洲相關機構也有類似的計畫。

從合成肝臟開始,終結器官捐贈的漫長等待

不過,生理組織與皮膚只是第一步。最終目標,其實是為了在實驗室再造人類身體的重要部位:我們的器官。全球每年約有十三萬個器官移植病例。這數量不算多,但並不是飽受心臟、腎臟、肝臟或其他器官衰竭而有生命危險的患者不多,而是因為缺乏足夠又適合的捐贈器官可移植。

器官移植
世界各地的人體器官交易黑市一直是人道團體所關注、抨擊的,等到人造器官普及後,這個問題能終結嗎?目前技術上還有很長的一段路要走。

等待器官捐贈的名單是很綿長的,許多人等不到適合的器官就已先離世。德國2016年接受心臟移植的病患,還不及名單人數的一半;在英國,等待一顆可移植的腎臟需時3年半;而美國的情形則是,據專家估計,若有足夠的器官與生理組織可供移植,每年將有上千上萬人可免於死亡。

由此看來,人工器官的優點已不言而喻:有了人工器官,無人再須寄望善心人士捐贈器官,或等待某個捐贈者死亡以得到適合的器官。

有些專家很確信:幾年之內,或至少在2020年代中,第一個可供移植的人體部位3D生物列印技術便可臻成熟。因為其相關技術,其實跟列印生理組織所用的技術沒什麼兩樣:在實驗室製作準備器官所需的特定細胞,以凝膠或高分子聚合物傳送,再根據電腦鉅細靡遺的編程內容,印製出一個三度空間的結構體。然後,細胞就會在此成長為一個有生命的器官。

依目前Organovo實驗室確實可運作的肝臟組織看來,首先可行的必然是合成肝臟。不過在人工腎臟方面的研究也大有斬獲。20年來,許多醫師嘗試以人工方式重建腎臟功能的運作,為的就是讓數百萬人免除洗腎透析治療的痛苦,因為那是一個既耗時又累人的療程,而且效果還遠不如人類自己的腎臟。

哈佛研究人員日前以改良過的生物列印方法,成功生仿出腎臟繁複構造中的基本功能單位:即所謂的腎元(nephron),在腎臟中負責過濾血液。若能仿造出這個功能,理論上就有辦法再造出整個腎臟。

3D列印心臟
世上首顆3D列印心臟具備人類真實心臟的功能,它還能跳動呢!

但反之,在實驗室中製造出人工心臟就困難多了,因為這個器官的內部結構複雜得不得了。(延伸閱讀:世界上首顆3D列印心臟問世!有血有肉會跳動

不過材料科學方面的進步又為人類帶來了希望:蘇黎世聯邦理工學院的研究人員研發出一種矽膠做的心臟,外觀上與人類心臟非常接近,跳動起來也宛如人類心臟⸺至少可持續一小陣子。其心室收縮則交由外部連接的唧筒負責,用以取代心肌的功能。

不過跳動約3,000下後,矽膠就會開始欲振乏力:這種心臟還沒有辦法運作超過45分鐘,研究人員在科學期刊《人工器官》(Artificial Organs)上如此報導。是的,連器官工程領域的專業刊物都有了。

責任編輯:張庭銉

本文整理、摘錄自:《明日醫學:終結絕症×訂製基因×永生不死,迎接無病新世紀

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補齊未來電子業版的關鍵拼圖!矽眾科技以高階溫度補償驅動晶片IP,助攻高階AI與車用市場
補齊未來電子業版的關鍵拼圖!矽眾科技以高階溫度補償驅動晶片IP,助攻高階AI與車用市場

你是否曾好奇,為何今日的手機能在艷陽下持續運作,而電動車也能從零下的極地順利駛出,精準感測周遭環境?

看似尋常的應用場景背後,其實隱藏著一顆默默進行的「溫度偏移校正」關鍵晶片。這類負責環境感知、並能進行溫度補償的「驅動晶片」,是電子元件穩定運作不可或缺的一環 。然而,這塊高階驅動IC的研發,長期以來卻是臺灣在全球半導體供應鏈中相對薄弱的環節,使得臺灣眾多在零組件領域傲視全球的廠商,在高階應用市場中受制於人。

矽眾科技鎖定高階溫度補償驅動晶片IP,要替臺灣補足產業鏈缺口

「我們臺灣在零組件領域,其實有很多世界第一,例如在全球市佔率領先的振盪器,但始終難以打進高階產品線,就是因為缺少能驅動這些零組件的高階晶片。」矽眾科技創辦人陳世綸開宗明義地指出產業痛點。他解釋,許多臺灣零組件廠商雖擁有卓越的製造能力,但在高階驅動晶片上卻高度仰賴美日大廠,而國際大廠往往不願開放最先進技術,臺灣廠商因此缺乏在價值鏈高附加價值鏈段的話語權,只能在低利潤的紅海市場中競爭。如何打破技術封鎖、強化自主關鍵技術,成為臺灣電子產業邁向國際高端市場的關鍵課題。

而矽眾科技的成立,正是為了補上這道斷鏈而生。作為少數專注零組件驅動晶片矽智財(Silicon Intellectual Property , IP)開發的企業,當AI運算與電動車市場爆發性成長,矽眾科技以可重複授權、穩定可靠的矽智財解決方案,成為產業鏈中不可或缺的關鍵推手。陳世綸說當高階電子產品對穩定性的要求日益嚴苛,就更考驗元件必須能在高溫、低溫甚至劇烈溫度變化下維持效能。這正是「溫度補償」(Temperature Compensation)技術的關鍵價值所在。

「矽眾科技的IP 就像貼心的助理,提醒元件「冷了多穿衣服、熱了脫下外套」,透過溫度補償即時調整參數,即使處於零下 40 度的嚴寒或高達 140 度的酷熱環境,訊號依然能保持精準一致。」陳世綸生動地形容 。

透過開發板進行晶片溫度感測與數位校準測試,確保 MEMS 感測器在不同溫度下依然能維持精準運作。
透過開發板進行晶片溫度感測與數位校準測試,確保 MEMS 感測器在不同溫度下依然能維持精準運作。
圖/ 數位時代

他進一步解釋,晶片內整合了類比的溫度感測器來偵測環境溫度,並將數據傳送給數位電路進行判斷與分析,數位電路再發出指令,精準校準MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 感測器的參數,確保其在不同溫度下都能提供正確值,避免因溫度變化導致的誤差和功能喪失,例如手機熱當或汽車失靈 。這種「類比感知+數位判斷校準」的整合能力,正是矽眾科技在高階驅動晶片領域所構築的技術壁壘。

陳世綸表示,矽眾科技之所以選擇IP這條賽道,正是看準了其在產業中的獨特價值。作為IP公司,其設計模組能適用於從0.18微米的成熟製程到小於10奈米的先進製程,客戶可根據自身產品需求快速整合,大幅縮短開發週期。這種靈活性,不僅讓矽眾能服務更廣泛的客戶群,也賦予了臺灣零組件廠商快速切入高階市場的機會。

晶創IC補助計畫奧援,矽眾科技以IP挺進高階市場布局全球

然而,IP的研發是條燒錢的漫漫長路。陳世綸坦言,由於IP的價值在於其穩定性與可重複使用性,但要達到這個門檻需反覆測試與驗證 。他透露,矽眾科技的IP中,每個驅動電路區塊都必須經過數次的設計定案(tape-out)與實體測試,而每次的成本都高達數萬至數十萬美金不等。「沒有政府的計畫支持我們根本做不到,」陳世綸感念地表示,而他口中的計畫正是由經濟部產業發展署所推動的「驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫」(以下簡稱晶創IC補助計畫),讓團隊得以持續突破與精進,追求每個電路區塊的極致穩定性與精準度。

晶創IC補助計畫的資金補助,不僅加速矽眾科技的測試進程,也成功讓這個具備溫補能力的高階驅動晶片IP跨入車用與AI市場 。陳世綸說明,此IP主要針對高階MEMS零組件,特別是應用於5G手機、低軌道衛星、AI伺服器中需要高頻率、高準確度且耐溫的振盪器 。同時,它也符合嚴苛的車用認證,確保車載系統在極端溫度下的穩定性 。此外,此IP亦可支援手機中的胎壓偵測、高度偵測等MEMS感測器,因未來的電子產品將大量使用這類元件,且需具備溫度補償能力以維持精準度 。

如今,矽眾科技已與美加、日本、歐洲及臺灣等國內外大廠展開合作。陳世綸欣喜地表示,許多客戶原本因買不到關鍵驅動晶片而受限於低階市場,現在矽眾科技的IP補上了這一塊,他們也終於能進軍高毛利產品線。目前,已有合作夥伴將矽眾的高階驅動晶片IP導入車用認證流程,未來甚至可望進一步進入低軌道衛星與醫療穿戴市場。

矽眾科技站穩利基市場,與全球MEMS企業共舞

有了晶創IC補助計畫的挹注,矽眾科技更能以關鍵 IP 、溫度補償技術,帶領團隊協助臺灣半導體產業鏈從
有了晶創IC補助計畫的挹注,矽眾科技更能以關鍵 IP 、溫度補償技術,帶領團隊協助臺灣半導體產業鏈從「代工製造」轉向「設計賦能」。
圖/ 數位時代

比起一家公司從頭到尾包辦整顆IC的傳統模式,IP公司更像是站在舞臺後方的設計者,協助每一位客戶量身打造表演服、背景道具與燈光效果,讓他們能快速踏上國際舞臺。「我們不做整套產品,但我們讓臺灣的零組件有機會躋身高階應用,不再只是代工。」陳世綸堅定地說,矽眾科技的策略,是站在面對未來5到10年需求的位置上,看見即將來臨的市場缺口,然後在它出現前就先把技術準備好 。

「我們希望矽眾科技未來是跟著全球 MEMS 企業一起共舞,」陳世綸生動的描繪出公司的願景,矽眾科技透過獨特的IP商業模式、關鍵的溫度補償技術以及晶創IC補助計畫的強力奧援,不僅成功在利基市場中站穩腳步,更為臺灣半導體產業開闢了一條高值化的新路徑。這項成果不僅是矽眾科技自身的里程碑,也證明臺灣的IC設計實力,已在全球高階半導體供應鏈中找到了新的戰略位置,從過去的「代工製造」轉向「設計賦能」,引領臺灣零組件產業邁向更高層次的全球市場競爭力。

|企業小檔案|
- 企業名稱:矽眾科技
- 創辦人:陳世綸
- 核心技術:5G通信、人工智慧、物聯網、車用電子矽智財(IP)設計服務
- 資本額:新臺幣1仟700萬元
- 員工數:6人

|驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫簡介|
在行政院「晶片驅動臺灣產業創新方案」政策架構下,經濟部產業發展署透過推動「驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫」,以實質政策補助,引導業者往AI、高效能運算、車用或新興應用等高值化領域之「16奈米以下先進製程」或「具國際高度信任之優勢、特殊領域」布局,以避開中國大陸在成熟製程之低價競爭,並提升我國IC設計產業價值與國際競爭力。

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