3D 列印比你想得更好用！──HOW TO 簡單認識 3D 列印技術

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

以往病媒蚊研究中，人類志願者及受試動物，得犧牲小我以造福蒼生。活生生地，讓蚊子叮咬並吸食他們的血液。現在，美國科學家用充滿動物血液的水凝膠餵蚊子；將來或許還能改為填充蛋白質營養液。^[1]從此以後，科學家便能像主持以酒代血的天主教感恩祭，慷慨地對蚊子說：「你們大家拿去喝，這一杯就是我的血，新而永久的盟約之血，將為你們和眾人傾流，以赦免罪惡。」^[2]

餵食蚊子的水凝膠

194 4年科學家 Samuel Gertler 合成的化合物 DEET（中譯「待乙妥」或「敵避」），在二戰期間被美軍用來驅蚊。^[3]之後各種防蚊成份的研究過程，仍免不了仰賴人類和動物的活體貢獻。隨著近年 3D 列印與生物相容水凝膠的技術發展，開發替代品的時機逐漸成熟。理想上，餵食蚊子的水凝膠製品，要具備高解析度的 3D 列印血管、擴散於組織中的血液、對多種蚊子的吸引力、低廉的成本，以及較少的動物實驗倫理問題。此外，最好還能搭配一組攝影器材，與相應的數據運算模型。^[1]

2023 年 2 月，美國研究團隊於《前沿生物工程與生物科技》（Frontiers Bioengineering and Biotechnology）期刊上，介紹他們一體成形的嘗試成果。^[1]

水凝膠的「食譜」

類似於做捲心酥，要先調配麵糊，烘烤定型，才能在裡面填充內餡。此實驗的第一個步驟，是製作稍後能注入血液，或者其他液體的水凝膠。研究團隊先把適當比例的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、明膠甲基丙烯（GelMA）、甘油（glycerol）、LAP 光敏劑與檸檬黃食用色素（tartrazine），混合在一起。^[1]透過數位光源處理（digital light processing），使原料遇光固化，將內有曲折空管的水凝膠薄片，3D 列印出來。^{[1, 4]}每批產出3份水凝膠，費時約 23 分鐘。^[1]

接著，成形的水凝膠，被丟進磷酸鹽緩衝生理食鹽水（phosphate buffered saline），浸泡至少 2 天。這段期間內，多餘的色素會不斷流出，所以要勤換水，直到水質清淨。上述從頭到尾的程序，一旦商業量產，成本即可降低。如果在無菌環境中製造，還能冷藏儲存數月。^[1]

注入液體

再來，就要幫捲心酥灌多元口味的內餡了。科學家購買了雞、羊和牛，已經去除凝血功能的研究級脫纖血（defibrinated blood）。^{[1, 5]}依照要進行的實驗，將這些血液或是其他液體，裝進針筒。接著，用注射泵浦（syringe pump）和管路，將針筒裡的內容物以 100 μL/min的速率，推進水凝膠裡。此實驗過程中，一支針筒透過管路，最多連接 6 份水凝膠。^[1]

蚊子實驗

美國科學家將多塊水凝膠，分別放置於幾個玻璃罩內。每個罩子裡，引進 20 至 30 隻母蚊子，當作主要的觀察對象。^[1]由於母蚊子吸血是為了產卵，所以裏頭還加上幾隻公蚊子作陪，來促進其食慾。^{[1, 6]}攝影機全程對準水凝膠，記錄蚊子的活動，時間總長約 30 至 45 分鐘。^[1]基於個別實驗的目的，方法設計上稍有差別：

1. 餵食觀察：使用充滿血液的水凝膠餵食蚊子，調整溫度與設備，替換蚊子的品種，並優化攝影機的紀錄。簡單講，就是做不同的嘗試，為後面的實驗打好基礎。^[1]
2. 食物選擇：為蚊子奉上動物血液、紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水，三種「口味」的水凝膠，並貼心熱菜到37°C。後二者沒什麼營養價值，單純想看牠們好不好騙。^[1]
3. 防蚊成份：3個玻璃罩裡，血液飽滿的水凝膠，都溫熱至37°C，但分別為沒塗料、塗抹DEET，以及敷上一層檸檬尤加利油（lemon-eucalyptus oil）萃取物。測試蚊子會不會因為外層的化合物，放棄吸食水凝膠裡的血液。實驗重複5次，受試的蚊子也每次更換。^[1]

結果與展望

餵食觀察的錄像，歷經截圖、挑選、標註和校正等程序，成果被拿來訓練電腦找蚊子。於嘗試及調整後，此運算模型不僅能辨識影片中的蚊子，還會分別「未進食」與「進食中或吸飽血」的腹部形狀，平均準確率高達 92.5%。這個模型，馬上被運用在後面的實驗裡。^[1]

在選擇食物時，紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水，顯然騙不過受試的蚊子；牠們唯獨吸食有動物血液的水凝膠。未來研發蛋白質營養液時，也可以用雷同的方式，評估蚊子的接受程度。為了引誘牠們，以後也能加碼在水凝膠上，塗抹真實皮膚會有的化學物質，並且在附近散佈二氧化碳。若是成功了，成品就能在其他病媒蚊實驗中，替代動物血液。如此便減少血液傳播疾病的風險，^[1]以及使用動物血液的倫理問題。

另一個實驗的 DEET 和檸檬尤加利油萃取物，一如預期地令蚊子完全不想靠近。倒是沒塗料的對照組，卻意外只有 13.8% 的低餵食率。科學家覺得應該歸咎於水凝膠太小，有些蚊子擠不進去。將來製作時，得加大表面積。^[1]

整體而言，論文的第一作者 Kevin Janson 博士，很滿意這個自動分析功能，迅速又穩定的運算模型。在研究驅蚊效果方面，身為論文作者之一的 Omid Veiseh 教授，則認為他們的設計，未來也可以用於測試其他化合物。至於病媒蚊的品種，此實驗主要採用的，是會傳播黃熱病（yellow fever）、登革熱（dengue fever）和茲卡熱（Zika fever）的埃及斑蚊（Aedes aegypti）。另一位作者 Dawn Wesson 教授表示，假使想套用此模型跟設備，在習性迥異的野生品種上，就得再花時間研究。^[7]

參考資料

1. Janson KD, Carter BH, Jameson SB, et al. (2023) ‘Development of an automated biomaterial platform to study mosquito feeding behavior’. Frontiers Bioengineering and Biotechnology, 11:1103748.
2. 「教學方案」天主教台北總教區教理推廣中心（Accessed on 23 FEB 2023）
3. American Chemical Society. (20 JUN 2020) ‘N,N-Diethyl-m-toluamide (DEET)’. Chemistry for Life.
4. A Dowon, Stevens LM, Zhou K, et al. (2020) ‘Rapid High-Resolution Visible Light 3D Printing’. ACS Central Science, 6 (9), 1555-1563.
5. ‘Technical Support – FAQs’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 23 FEB 2023)
6. Harrison RE, Brown MR, Strand MR. (2021) ‘Whole blood and blood components from vertebrates differentially affect egg formation in three species of anautogenous mosquitoes’. Parasites Vectors 14, 119.
7. Gillham AB. (09 FEB 2023) ‘Human test subjects may no longer be needed for mosquito bite trials thanks to invention of new biomaterial’. Frontiers Science Communications.

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許多乳癌患者會在切除乳房後，選擇接受重建手術。常見的做法，包括：塞鹽水或矽膠囊袋的「人工乳房植入」、類似剪貼概念的「游離皮瓣重建」，以及猶如把奶油灌進泡芙的「自體脂肪移植」，都是採用填補替代物的手段，而非讓身體的組織重新生長出來。這些方法有時會出現囊袋收縮、組織捐贈部位併發症，或是不均勻的脂肪再吸收等問題，而且不是每個病患都適合。^[1] 為此科學家正在利用 3D 列印可生物降解的人工結構，加上病患的自體組織，企圖開發造型美觀，且觸感自然的重建乳房。

3D 列印乳房重建的步驟

目前不少研究團隊嘗試重建乳房的方向雷同，大致上得經過下列幾個步驟：首先，搶在乳癌病患尚未動手術之前，先做 3D 掃描，記錄先天乳房的樣貌。澳洲 Translational Research Institute （簡稱 TRI ）的團隊特別聲明，他們使用的技術沒有放射線，不會增加療程風險。接著，根據掃描的結果，在電腦裡客製化想要重建的乳房尺寸與形狀。然後將設計圖傳輸到 3D 印表機，準備列印。^[1]

塑造乳房形狀的彈性結構，講求可生物降解，例如：法國 Healshape 公司採用水凝膠；以色列 CollPlant 公司從菸葉中萃取膠原蛋白；^[2] 而澳洲 Metro North Health 和昆士蘭科技大學，則都偏好製做可吸收縫線的聚己內酯。^[3-5] 無論是什麼材質，目的都是建構讓組織順著長成後，能被身體吸收的模架（scaffolds）。法國 Lattice Medical 公司把造型設計得像個網面空心罩杯，方便盛裝填充物；^[2]澳洲的 TRI 和 Metro North Health 以及法國的 Healshape 等團隊，則把它印成網格層疊的實心半球，有助身體組織攀附。^[1-3] 模架做好之後，就可以開刀將它放進胸部，再放置或注入填充物，例如：帶血管的脂肪組織或自體脂肪幹細胞等。^{[1, 2]} 相較於傳統的自體脂肪移植，模架能夠防止脂肪再吸收，免得好不容易做好的新乳房又消下去。^[3]

2016 年《科學報告》期刊上，有個動物實驗的照片和圖說，把上述的程序介紹得一目瞭然。當時研究團隊抓了兩隻母的迷你豬，來頂替女性人類。想看看在牠們身上，建立人工乳房的效果。^[6]

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a. 從乳房模架的局部放大圖，可見網狀結構盤根錯節，但中間留有孔洞。^[6]

b. 從迷你豬的腹部抽脂。^[6]

（c. 和 d. 展示該結構有無灌入填充物的差別，^[6] 但在實際手術中，應該是發生於病患體內，不可能看得到。）

e. 正在將迷你豬的自體脂肪，灌進早已植入牠體內的模架。^[6]

f. 研究團隊自認傷口縫合後，照片中的成品像個相當自然的乳房。^[6]

_{圖／參考資料6，Figure 2（CC BY）}

手術完成 24 週後，研究團隊又把該模架拔出來觀察。^[6] 由於畫面更加血腥，這裡便不再分享了。當然若是在人體裡的可生物降解模架，植入後是不用取出來檢查的。依照使用的技術不同，快則 6 到 9 個月，慢則 1.5 至 2 年，理論上模架結構便會完全消失，體內徒存新長出來的組織。^{[2, 3]}

3D 列印乳房重建的發展進度

2016 年的時候，就已經有科學家嘗試植入模架，引導乳房組織重生。不過，當時的材質無法生物降解，而且成功率僅五分之一。現在這種可以被身體吸收的模架，算是重大進展，雖然還不清楚患者實際的感受如何。^[2] 從媒體報導和政府發佈的新聞稿來看，不少相關研究計劃都在 2022 年 7 月，剛進入人體試驗階段。^[2-4] 澳洲 Metro North Health 的團隊，號稱全球第一個完成此手術，但目前也只有 1 名受試者。假使一切順利，他們期望未來能招募 15 至 20 名女性，參與正式的第一期臨床試驗。^[3]

參考資料

1. Advancing Breast Tissue Engineering into Clinical Practice Utilising 3-Dimensional Scanning And Bioprinting Techniques (Translational Research Institute, accessed on 04 AUG 2022)
2. Goodbye silicone? A new era of breast reconstruction is on the horizon (The Guardian, 03 JUL 2022)
3. World-first breast implant trial in Australia aims to provide safer alternative to silicone (ABC News, 04 AUG 2022)
4. Metro North Health delivers world-first breast scaffold surgery (Queensland Government, 04 AUG 2022)
5. Cometta S, Bock N, Suresh S, et al. (2021) ‘Antibacterial Albumin-Tannic Acid Coatings for Scaffold-Guided Breast Reconstruction’. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9, 638577.
6. Chhaya, M., Balmayor, E., Hutmacher, D. et al. (2016) ‘Transformation of Breast Reconstruction via Additive Biomanufacturing’. Scientific Reports, 6, 28030.

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

• 文／蔡宜欣｜雅文基金會聽語科學研究中心

從「我的眼鏡是依照我的臉型 3D 列印的」的流行話題到「3D 列印房子熱潮席捲全球，讓大家都買得起房」的居住議題，不難發現 3D 列印（3D Printing）技術不再只侷限於玩具模型，而是能應用在任何可以想像得到的地方。現在甚至還能重新建構聽力組織器官，幫助聽力受損者重拾聽力。

從二維走向三維的印刷技術

在 3D 列印出現以前，工業生產往往需要開發模具才能進行製造，這對於時常推陳出新的產業而言，耗費了許多時間與生產成本。1980 年代，以快速原型（Rapid Prototyping）為概念的機器被發明， 而 3D 列印便是其中一種技術，能快速製造產品。

3D 列印技術又稱為積層製造（Additive Manufacturing），生產過程先於電腦中描繪和設計物品的 3D 樣貌，再劃分成無數個 2D 平面，最後印製每層 2D 平面，慢慢堆疊累積後完成物品。常見的 3D 列印方法大致有三種：表面常有一層層堆疊紋理的熱融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）、成品表面呈現霧化、細緻磨砂質感，較少堆積紋理的選擇性雷射燒結（Selective Laser Sintering, SLS），以及光固化成型（Stereo Lithography Apparatus, SLA），其成品表面光滑、精細，但製作成本相對較高 ^[1-4]。3D 列印集結了節省人力、製作時間、客製化等優點於一身，因此也被運用於需要依據聽損者耳型個別化打造的助聽器上。

量身訂製耳模，跟悶塞感說掰掰

常見的助聽器可以分為耳掛型助聽器、耳內型、耳道型助聽器等。耳掛型助聽器的組成首先需要一塊貼合耳道的耳模（earmold），幫助助聽器固定在耳朵上，聲音處理裝置會將接收到的聲音進行處理，並通過一根小管，將聲音傳送到聽損者的耳中；耳內型的助聽器則是直接將聲音處理裝置放在一個貼合耳道的機殼中。不論是耳模或機殼，若與耳道不夠貼合，就容易出現尖銳刺耳的回饋音，也容易鬆脫掉落 ^[5-8]。

由於每個人的耳型不同，上述提到幾種常見助聽器的耳模和機殼，皆需依每位聽損者量身訂做。

一般傳統的熔模鑄造（Investment casting）方法，是將黏性大的材料（如 AB 黏土）擠入耳中，等待固化後取出，也就是耳樣（下圖左）；再透過翻模技術製作耳樣熔模，並於完成後，將矽膠或壓克力等液態材料倒入用耳樣熔模，等待固化後才能完成耳模（下圖右）。而機殼則是在內部固化前會將材料倒出，僅留下外殼，最後再將電子組件放入其中^[8]。

近幾年出現 3D 列印耳模的方法，只要透過雷射掃描耳朵或耳樣的方式，取得耳型的數據資料，並透過電腦確認細節或電子組件擺放的位置，即可印製。由於助聽器需要長時間配戴，因此 3D 列印方式是採取表面相對光滑、配戴舒適感較高的 SLA 或 SLS。

相較於熔模鑄造，3D 列印取代傳統翻模製程，減少造成的誤差；此外，3D 列印方式不僅耗費較少的人力成本和製作時間，甚至可以依據自己喜歡的顏色、圖案進行外觀客製化。預先從電腦中確認成品的樣貌後再製作，也能使成品更為精準，減少手工製作的誤差。再者，數據化的資料還可以存放在電腦中，便於日後再製^[8-15]。

重建聽小骨，讓聲音傳遞不斷線

此外，有一種類型的聽損者是由於外耳或中耳構造受傷、缺陷，造成聲音受阻，無法正常傳遞至耳中，這類型聽損者有一部分無法透過助聽器改善聽力，甚至需要進行耳部手術。

在南非，有專家針對這樣的聽損者，研發以生物相容性材料製作的中耳聽小骨，透過 3D 列印，順利移植到患者身上，幫助他們重拾聽力。3D 列印技術不僅能確保聽小骨尺寸吻合患者耳形，增加重建手術的成功率，也減少了傳統手術花費的時間與風險^[16-18]。

從客製化製作助聽器耳模、機殼到聽小骨義肢，3D 列印幫助聽損者們更快速找回聽力。或許 3D 列印技術不會完全取代現有的生產和製造方法，但無疑為我們創造了新的可能與選擇。期望未來能發展更多新的醫療技術，讓所有聽損者都能聽見世界的聲音！

參考文獻

1. 【3D列印知識】新手入門：五種常見3D列印技術比較及原理​
2. 3D Printing Technology Comparison: FDM vs. SLA vs. SLS
3. 3D Printed Glasses: Trends in the eyewear industry in 2021
4. Formlabs
5. Hearing aid types and styles
6. 助聽器是尊貴的象徵？從聲學椅到聲學拐杖，為了聽清楚的怪招式還真多
7. 注意！原來「耳模」這麼重要
8. Harvey Dillon（2019）. 助听器：第二版（胡向阳）。北京：华夏出版社（原著於2012出版）
9. Chung, K. (2004). Challenges and recent developments in hearing aids: Part II. Feedback and occlusion effect reduction strategies, laser shell manufacturing processes, and other signal processing technologies. Trends in Amplification, 8(4), 125-164.
10. 3D列印技術在醫療輔具的應用與挑戰
11. How 3D Printed Hearing Aids Silently Took Over The World
12. How Personalization Has Changed the Hearing Aid Industry for the Better
13. 3D printing technology for improved hearing
14. Morear
15. 助聽器展現酷炫動漫風　3D列印多彩耳模讓聽損兒自由配
16. 3D Medical Printing Can Help Correct Hearing Loss
17. A Life Changing Procedure for Those with Conductive Hearing Loss
18. University of Pretoria prof performs first 3D printed ear bone transplant