3D列印為醫師助攻

由工研院研發的「促進組織整合仿生3D列印技術」，製造出有細微孔隙且穩定度高的類骨骼結構，血管與細胞能生長於其間，成為身體的一部分。這項技術的衍生產品已經獲得衛福部上市許可，並獲得2021年美國R&D 100大獎的肯定。除了骨材之外，成分更複雜的人造皮膚組織，工研院只要六天就能列印，並培養分化完成，是全球完成皮膚分化速度最快的系統。台灣期待未來與更多外國的研究團隊交流，運用3D列印提供醫師、實驗人員更有效率、更精準的組織修復再生技術。

3D列印骨材與血肉相連

3D列印是將產品的立體設計匯入電腦，分析每層的整體結構後，再將粉末噴出堆疊融合而成。粉末凝聚的方式依粉末性質而異，生醫類常用的鈦金屬粉末會用雷射光燒熔，製作人工皮膚的膠原蛋白則在溫度調節下擠壓成型。

看似簡單的原理，其實有許多細節需注意。以人工骨材為例，歐洲國家也有技術團隊，但工研院勝出點在於「力學結構設計、製程品質與穩定度。」工研院生醫所副所長沈欣欣表示，3D列印時需精準控制溫度，燒熔的粉末才能形成穩定的結構。

雛型品完成後，需要經過數百萬次動態與靜態疲勞測試，不同結構骨材有不同測試法規要求。例如：頸椎要轉動、點頭，腰椎要負重。工研院目前已有五、六種人工骨材，符合美國FDA對不同部位骨材的力學要求。

人工骨材研發，醫師的臨床操作經驗導入更是不可或缺。工研院南分院執行長曹芳海總是在產品進行動物與人體試驗時，跟著醫師進手術房全程觀察，有時長達12小時，他發現：「過程中會有許多難以預料的事情發生，醫師常需臨時調整醫學材料。」雙方經過多次討論，了解肌肉細胞與骨骼細胞的習慣與傾向後，工研院設計出更適應周邊生理結構的醫材，以降低對周圍組織的傷害，使人體組織不再排斥這些「異物」。

「過去使用實心的骨材，放入人體後，細胞只能在表面生長，但使用有孔洞的骨材，組織細胞能長進去，骨材成為組織的一部分，不會滑脫。」沈欣欣表示，除了骨材本身的結構設計，還有搭配生醫陶瓷或添加骨誘導藥物，促進新骨長入而提高整合度。她也回憶，當初擔心3D列印的成本過高或產品結構不穩定，但是經過多次跨單位討論與驗證，現在的產品成本與傳統製造的骨材差不多，未來有很高的機會取代傳統骨材。

工研院利用3D列印技術，客製化打造高強度、高孔隙、細胞易進入的多元應用骨材。

客製化，超舒適

提到比人工骨材發展更早的「3D列印金屬假牙床」，曹芳海興奮地說，傳統假牙床使用鈷鉻合金，跟口腔結構無法百分百相同，戴上難免會造成不適，因此有些人選擇只在吃飯時配戴，「但3D列印會先做口腔掃描，做出來的假牙床是屬於你個人的！連舌頭碰到金屬的感受都不同於以往。」

用如此精密的科技做出來的假牙床，民眾是否負擔得起？曹芳海笑著說：「機器可以同時製作20個不同患者的的專屬產品，成本跟傳統的差不多。」病患現在到南部的醫學中心看診，即可訂製3D列印的假牙床加上民間牙技所製作的牙冠。為了在此領域不斷精進，工研院也在院區附近的路竹科學園區，建置一個符合醫材法規的環境，培養新一代的牙技師使用3D列印。

成分遠比骨材複雜的人工皮膚，列印用的粉末不是金屬，而是細胞與膠原蛋白，列印所需的細胞數量龐大，因此生醫所的第一步是找出培養細胞分化所需成分，接著「選對」材料讓真皮層與表皮層印在一起時能完美結合，再經過約六天就會成熟。

相較之下，「國外大廠會先養真皮幾個星期，再鋪上表皮，最快21～28天才完工。」沈欣欣認為，工研院效率大勝的關鍵，就在於選材料時夠精準，例如：膠原蛋白的種類與來源，以及結合不同力學強度的真皮與表皮時所用的材料。沈欣欣比喻：「想像兩種彈性不同的軟糖要連接，用什麼材料適合呢？」

工研院製作的人工皮膚用途廣泛，尤其歐盟與台灣近十年來陸續實施動物實驗禁令，人工皮膚正可作為化妝品、保養品測試材料。藥廠也用來進行各式體外皮膚組織試驗如：紫外線暴露傷害、抗老化、傷口癒合等等。在醫療方面，人工皮膚加入幹細胞後亦可做成燒燙傷人工皮。

外國廠商已經與工研院接洽購買，而捷克國家科學院也於2019年來台，花一個多月的時間參觀製作過程，思考如何用捷克的細胞庫結合台灣的材料與技術，製作出具捷克人體質的人工皮膚。

人工皮膚在化妝品界已成趨勢，許多知名品牌如L'Oréal（巴黎萊雅）都設有研發中心，沈欣欣表示，未來非常期待與大廠合作，將台灣高效率、高品質的技術，推銷給更多國家。

工研院南分院執行長曹芳海（左4）帶領團隊在3D列印醫材智慧製造示範場域，進行設計、試製到商品化製作的一站式服務。

「3D列印不NG製造技術」讓使用者快速得到預測結果並改善設計，大幅節省時間與材料。

3D列印不NG

台灣3D列印技術在全球名列前茅，關鍵是什麼？沈欣欣分析：「工研院擁有不同領域的單位，能有效率合作與溝通。」加上多次嘗試，累積豐富經驗，工研院研發出一套內建軟體與資料庫，系統可以自動化找出成功列印產品的因素，曹芳海說：「大眾都以為3D列印很容易，機器會依照輸入的設計圖列印出成品。但是，實際上要去了解材料的特性、列印時需要的能量、從液體變固體時的變化等等。」

有了這套「不NG」軟體，生手摸索3D列印的時間可從二～三個月，大幅縮短至一～二個星期，國內生醫、航太、製鞋產業都已經在使用，也有外國廠商正在洽談購買。因此，工研院研發、製造產品的速度遠超越許多外國廠商，3D列印的皮膚只要六天，假牙床一天內就可拿到，骨材八小時就能完成。

除了技術創新，有一群年輕醫師，願意運用這個技術，給予使用回饋，也是3D列印順利進入醫療領域的關鍵。未來，手術房內也將派駐3D列印的戰力，「我們正在開發一台可隨時列印組織層片供手術使用的機台，大小像咖啡機一樣。」沈欣欣表示，這款機台雛型機已經完成，未來將供手術急用。如科幻電影般的情景即將實現，沈欣欣笑著說：「我常跟團隊許願，他們都會實現我的夢想。」

所有技術創新都是為了提供人類更好的生活，曹芳海提起有位接受3D列印口顎彌補物的病患，手術成功後，感動地看著鏡內的自己，而這個畫面一直刻劃在他腦海。他有信心地推算，再經過30～40例人體試驗成功，這項技術將可幫助每年近8,000名的台灣口腔癌患者。在3D列印應用於醫材的領域，工研院已經取得亮眼成績，也歡迎各國學術單位與大廠來交流，再次展現「Taiwan can help」的精神。

「促進組織整合仿生3D列印技術」獲得2021年「全球百大科技研發獎」（R&D 100 Awards）。

工研院利用3D列印作成符合不同人體部位需求的仿生結構。

工研院生醫所擁有醫學、生化、材料、醫工、資訊等領域的人才，跨領域激盪出創意。