登陸火星被認為是繼月球後,人類探索外太空世界的下一個偉大計劃。雖然近年 NASA 所開發的探測機、無人機早已成功運作,但要將「太空人」送上火星卻並非易事。
外太空中主要對人體造成影響的環境因子為高強度的輻射(radiation)以及重力的改變(altered gravity levels),可能導致骨質脫鈣、肌肉損傷、心血管功能下降及提高細胞癌化機率等[1,2],如圖一所示[2]。
除環境因子外,探勘過程中太空人亦有可能發生意外受傷,而太空艙能攜帶的醫療器材有限(圖二為阿波羅計畫所攜帶的簡易醫療器材之一)。雖然近年太空艙醫療器材規格已有所提升,但仍無法進行手術、處理重大傷害(例如:器官移植等),只能緊急返回地球治療及手術[1]。
然而,「緊急返回地球治療」在登陸火星計畫中幾乎不可能實現,從火星回到地球需要好幾個月的時間,更何況長期、遠距離的太空飛行對於人體傷害更大,因此完善的太空醫療是登陸火星計畫不可或缺的一部分。
近年來,3D 列印的分支之一,3D 生物列印(3D bioprinting)被認為是有潛力用於太空醫療的新技術[3]。3D 列印(3D printing,又稱為 additive manufacturing, AM)是近年崛起的新技術,其功能為列印 3D 物體,在各領域廣泛被運用。常見的 3D 列印技術為熔絲製造技術(FFF:fused filament fabrication),將線材加熱後從噴口擠出,利用層積製造法建構出所需要的立體結構,市面上常見的線材為聚乳酸(PLA:polylactic acid)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(簡稱 ABS 樹脂:acrylonitrile butadiene styrene)。
而 3D 生物列印主要的目的是製造仿組織、仿器官等,其列印原料稱作生物墨水(bioinks),由生物相容性物質(biocompatible materials)、細胞及養分所組成。其中生物相容性物質會形成微結構,幫助內部細胞的正常生長;換言之, 3D 生物列印是利用生物相容性物質替代組織、器官中的支撐性構造(細胞以外的結構),製造出功能相似的仿體[1,3]。
常見的 3D 生物列印技術主要有 3 種:擠出式(extrusion-based)、噴墨式(inkjet-based)及雷射式(laser-induced forward transfer, LIFT-based)。擠出式是利用針筒及推力將生物墨水擠出,此方式精度較低,且細胞受損率較高;噴墨式是利用加熱等方式,產生小墨點,精度較擠出式高;雷射式則是利用雷射能量產生墨點,精度最高[3]。可根據所要列印的組織或器官的精度、細胞需求,選擇不同的列印方式,亦可以在單一列印中同時使用兩種以上的方式[1]。
3D 生物列印在太空醫療中可能的應用十分廣泛,例如製造需要移植、替換的器官及組織,其優勢為可以「及時製造」及「量身訂做」,近年有學者提出可能的使用流程[1]:在太空人執行任務前,分離細胞並製作生物墨水,執行任務時若有醫療需求便可直接使用 3D 生物列印製造出需要的仿體。
除了列印器官、組織外,原位 3D 生物列印(in situ bioprinting)也是可能的應用之一,原位 3D 生物列印是一種將生物墨水直接印在活體上的方法[1,4],可以做組織、器官的保護及修復等。
此外,3D 生物列印亦可製造出組織、器官仿體,幫助科學家研究太空環境(例如:輻射)對人體的傷害,亦可進一步測試藥物、治療方式等。然而,現今的 3D 生物列印仍有一些待解決的問題,例如內部細胞的養分供應等[3],而要在太空中使用 3D 生物列印則還需要考慮到重力及其他環境因子對列印品質的影響。
總言之,3D 生物列印雖然具有潛力,但仍需要一些技術上的改進及其他科技的輔助,方能創造出完善的太空醫療,保障太空人的工作安全、增加人類對太空的了解。
參考文獻:
[1] Cubo-Mateo, N., Podhajsky, S., Knickmann, D., Slenzka, K., Ghidini, T., & Gelinsky, M. (2020). Can 3D bioprinting be a key for exploratory missions and human settlements on the Moon and Mars? Biofabrication, 12(4), 043001. doi:10.1088/1758-5090/abb53a
[2] Hodkinson, P. D., Anderton, R. A., Posselt, B. N., & Fong, K. J. (2017). An overview of space medicine. Br J Anaesth, 119(suppl_1), i143-i153. doi:10.1093/bja/aex336
[3] Ghidini, T. (2018). Regenerative medicine and 3D bioprinting for human space exploration and planet colonisation. J Thorac Dis, 10(Suppl 20), S2363-S2375. doi:10.21037/jtd.2018.03.19
[4] Ravnic, D. J., Leberfinger, A. N., Koduru, S. V., Hospodiuk, M., Moncal, K. K., Datta, P., . . . Ozbolat, I. T. (2017). Transplantation of Bioprinted Tissues and Organs: Technical and Clinical Challenges and Future Perspectives. Ann Surg, 266(1), 48-58. doi:10.1097/SLA.0000000000002141
撰文|解淮清
審稿|陳昱慈