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]。
圖一、太空環境對人體造成的影響及傷害。 圖片說明：太空環境可能造成骨質脫鈣、肌肉損傷、心血管功能下降等。 （圖片來源：doi: 10.1093/bja/aex336）
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。
圖二、阿波羅計畫所攜帶的簡易醫療器材之一。 圖片說明：可看出其醫療器材十分簡易 （圖片來源：https://airandspace.si.edu/exhibitions/apollo-to-the-moon/online/astronaut-life/medical-survival.cfm）
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）。
圖三、3D 列印機。 圖片說明：可看出其利用將線材層層堆疊製造出立體結構。 （圖片來源：自行拍攝）
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]。
圖四、常見的 3D 生物列印方式及生物墨水成分。 圖片說明：生物墨水主要成分有細胞及支撐性的構造，例如聚合物等，而常見的 3 種 3D 生物列印方式為擠出式、噴墨式及雷射式。 （圖片來源：https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/materials-science/3d-bioprinting-bioinks.html）
圖五、由 3D 生物列印所製造的器官。 圖片說明：3D 生物列印製造的腎臟、耳朵及軟骨。 （圖片來源：doi: 10.21037/jtd.2018.03.19）
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。
圖六、 原位 3D 生物列印。 圖片說明：此為在老鼠身上使用原位 3D 生物列印的示意圖。 （圖片來源：doi: 10.1097/SLA.0000000000002141）
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。
圖七、太空醫療中使用 3D 生物列印的流程。 （圖片來源：doi: 10.1088/1758-5090/abb53a）
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
