自動化生物組織3D 列印技術

作者:

李昌周、林央正、林東穎、徐新怡、駱婉珣、廖智菁、王羽淇

刊登日期:2022/01/27

摘要:歐盟2013年化粧品實施動物試驗禁令,臺灣也在2016年立法禁止。工研院研發自動化生物組織3D列印設備應用於全皮層皮膚組織,提供精準的材料與細胞布置能力及列印環境的控制,並保持細胞之活性及克服各列印階段所存在的培養與分化問題,成功建構出自動化3D列印之皮膚組織,並完成產品功能驗證及動物實驗。未來可作為化粧品、保養品的測試材料,亦可加入幹細胞發展成燒燙傷人工皮,以3D列印大量生產。
Abstract:In 2013, the EU announced ban on animal testing for cosmetics, and Taiwan as a member of global society also announced legislation to ban the aforesaid testing in 2016. ITRI develops automated 3D bio-printing equipment, which can be applied to produce full-thickness skin tissues, with capabilities to provide precise material and cell layout; precise printing environment control; maintain cell viability; overcome the cultivation and differentiation problems during each printing stage. By using this technology, we can successfully complete the skin tissue automated 3D printing, function verification, and animal experiments of the product. This technology can be used as testing material for cosmetics and skin-care products in the future; it can also be added with stem cells to develop the artificial skin for burned wounds and massive production with 3D printing to provide industrial benefits.

關鍵詞:積層製造、生物列印、皮膚組織
Keywords:Additive manufacturing, Bio printing, Skin tissue

前言
全球化妝品市場呈現一種持續而穩定的成長,從未出現過停滯或負增長情形,由於化妝品直接與人體接觸,因此相關產品上市前都必須進行一系列安全測試檢驗,以保護使用者不受微生物學和化學污染以及其他可能出現的毒性作用影響。此外,產品在生產完成後,還需評估化妝品的穩定性,其中包括防腐劑效用等。傳統化妝品檢測大都採用動物試驗方式進行,但歐盟已於2013年通過禁用經動物測試之化妝品上市,台灣也在2016年跟進實施,致使體外檢測用的仿生皮膚需求驟增,供不應求,3D列印仿生皮膚可採依照產品用途採用自體或異體細胞,因可經由特殊調配內含生長因子之生物墨水進行客製化組織列印,目前已經成為國際趨勢。
在生醫領域,人工組織的建構方式可歸納為噴墨(inkjet)、微擠出(micro-extrusion)與雷射輔助(laser-assisted)列印三種形式[1]。研究調查指出,噴墨方式可以控制液滴的微細吐出量,有利於精細結構的成型,但此方法只能使用低黏度材料才不會阻塞噴嘴,僅限於溶液黏度30 mPa‧s以下的列印。雷射輔助噴墨列印可以略微提高材料黏滯性,但此方式需要將生物列印的材料塗佈在特殊的能量吸收層,再透過雷射將材料推出,製程過於困難。微擠出成型可以成形300 mPa‧s以上的高黏性材料,利於處理組織工程常用的高黏度生醫材料如:膠原蛋白(collagen)、褐藻酸(Alginate)、透明質酸(Hyaluronic acid)、幾丁質(Chitin)、幾丁聚醣(Chitosan)、聚乳酸(PLA)、聚甘醇酸(PGA)、聚己內酯(PCL)等,非常適合組織工程常用的支架(scaffold)製作,因此產業技術以此發展為主流。
目前國際上已有幾種採用微擠出技術之生物列印,例如德國EnvisionTEC公司的3D-Bioplotter及瑞士RegenHU 公司的3D Discovery等,其針對高黏滯係數材料大多採用高溫熔融擠出法,材料溫度須加熱至攝氏兩百度以上,將其熔融成半液態狀再擠出堆疊形成支架,若以此方式同時列印支架與細胞,會因溫度過高導致細胞死亡,因此目前列印出來之產品,大多為只具備組織外型但無生物功能之高分子組織彌補物[2-9]。
工研院生醫所開發出溫控型生醫材料,以膠原蛋白作為組織建構支架,將可於室溫提供細胞良好生長環境。此特性為在低溫時呈現液態,在接近人體體溫約37 ℃時固化,因此適合仿生皮膚用細胞生長。搭配此材料特性及細胞列印之需求,透過雷射中心發展的自動化生物組織3D列印設備,除了提供精準的材料與細胞布置能力及列印環境的控制,並保持細胞之活性及克服各列印階段所存在的培養與分化問題。
列印設備簡介
工研院建立的自動化生物組織3D列印設備規格如表1。本設備是生醫所與雷射中心透過跨單位技術合作的研發成果,由生醫所開發特殊的材料與製程、雷射中心開發設備,其主要功能是將膠原蛋白溶液和細胞培養溶液由設定的噴頭進行定量精密擠出,並在培養皿裡面列印出仿生皮膚結構。設備具有環境溫度控制功能,可以讓生醫所開發的反向溫度反應型生物材料在列印前保持最佳特性、列印後在極短時間內定型,而且讓細胞在列印後保持活性,其列印路徑有點(滴注)、線(弓字形)及面(圓形)的不同設定方式,可作生醫組織的堆疊。


設備外觀如圖1,生物列印機本體置放在標準生物櫃裡面,機台旁邊為電控箱,包含操作螢幕、工業電腦和內部的電器元件,下方設置有水循環控制主機。生物列印機以擠料頭在上方、列印的培養皿放置在下方的配置,透過程式控制移動路徑進行多樣化的列印。

圖1 自動化生物組織3D列印機外觀圖


1.功能模組介紹
圖2的生物列印機為整個系統之核心,包含三組可以對材料溫控的擠料頭、一組可以進行成形溫控的載板、以及構成擠料頭與載板之間相對空間運動的XYZ方向驅動軸。列印機上方的三組擠料頭可分別充填不同的組織成分或細胞液,每個擠料頭在電腦程式控制之下,可以進行不同的列印參數、圖形、以及路徑設定,並且能夠依照設定自動轉換列印條件。透過這種多樣化的複合列印組合,可以依照生物列印需求完成複雜的組織結構。

圖2 生物列印機配置圖


列印區域如圖3,使用時,針筒放置在上方三組擠料頭裡面,培養皿放在下方的承載台,彼此之間透過X、Y、Z三個軸向的相互運動來達到列印的目的。

圖3 列印區示意圖

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