全球百大科技研發獎/全球首創6天長出仿生皮膚 全皮膚組織列印技術

工研院只需短短6天就能完成全皮層的細胞培養分化,關鍵就在於團隊卯足全力,找出細胞分化所需的「黃金比例」配方。
工研院只需短短6天就能完成全皮層的細胞培養分化,關鍵就在於團隊卯足全力,找出細胞分化所需的「黃金比例」配方。

【撰文/陳怡如】

一張薄薄的皮膚,整合了「生物墨水材料」、「皮膚細胞培養分化」與「自動化細胞3D列印機台」等三大領域技術。這是工研院耗時7年,以「全皮膚組織列印技術」,首創華人仿生皮膚組織EPiTRI,不僅能用於化妝品測試,更能造福許多燒燙傷與皮膚整型病人。

工研院生醫與醫材研究所組長沈欣欣指出,要讓皮膚從表皮長到皮下的基底層、棘層、顆粒層及角質層等組織,目前國際上普遍要花3到4周,工研院這項技術卻只需短短6天,就能完成全皮層的細胞培養分化,關鍵就在於團隊卯足全力,找出細胞分化所需的「黃金比例」配方。

調配細胞生長的黃金比例

沈欣欣表示,皮膚分化的關鍵細胞,包含真皮層的纖維母細胞,和表皮層的角質細胞。在人體中,纖維母細胞是真皮層中的主要細胞,能夠合成膠原蛋白,因此團隊先模擬生理情況,以膠原蛋白為基底,打造出像果凍般的「膠體」,讓纖維母細胞先和膠體混合。

由於纖維母細胞喜歡拉扯,當細胞數量一多,拉力變大,膠體就會愈養愈小,難以進行後續的商業化應用,因此團隊得先讓膠體變得「抗收縮」,讓纖維母細胞可以穩穩的懸浮於膠體上,後續當角質細胞加入時,才能釋放出所需成分,加快表皮細胞的生長速度。

除了抗收縮,膠體的軟硬度也是關鍵。纖維母細胞喜歡柔軟的環境,角質細胞則需要有點強度,才能讓細胞直挺挺站立。為了讓膠體既柔軟又強韌,團隊不停調整膠體配方,膠原蛋白濃度太高,細胞培養液會無法通透與交換,纖維母細胞就會得不到養分死掉;太稀的話,細胞又容易皺縮,著實考驗團隊的配方比例。

要讓細胞長得好,光有適合生長的環境還不夠,在分化過程中,還需要提供「培養基」,也就是細胞所需的生長養分。但不同細胞,喜歡的營養成分南轅北轍,「如果某一種營養多放了,另一種細胞就會死掉,非常難共存。」比如纖維母細胞喜歡有血清的環境,但角質細胞碰到血清就會很快老化,於是團隊捨棄血清,轉而加入纖維母細胞生長因子(FGF)替代。

光是摸索膠體和培養基的黃金比例,團隊就花了1年半的時間不斷嘗試,但這也成就了縮短細胞分化時間的關鍵。沈欣欣指出,目前國際上培育纖維母細胞,確定不會收縮後,才能繼續培育角質細胞,這一輪至少要7天,等角質細胞再生出完整的屏蔽功能還需要12天。但因為工研院的膠體夠穩固,因此團隊可以同步讓纖維母細胞和角質細胞一起分化培養,大幅縮短時間。

工研院研發全皮膚組織列印技術,首創華人仿生皮膚組織EPiTRI,不僅能用於化妝品測試,更能造福許多燒燙傷與皮膚整型病人。
工研院研發全皮膚組織列印技術,首創華人仿生皮膚組織EPiTRI,不僅能用於化妝品測試,更能造福許多燒燙傷與皮膚整型病人。

用3D列印加速細胞產出

在確認細胞可以順利培育生長後,接著就邁入大量生產的階段。一開始團隊用手工方式培養細胞,不僅耗時費力,也容易因為人為操作產生誤差性。4年前,團隊和工研院雷射與積層製造科技中心合作,共同客製化產出符合全皮膚組織的3D列印機台,可大量印製纖維母細胞和角質細胞,良率大於85%,加快皮膚培養過程。

由於一開始的細胞材料是和農業科技研究院動物科技研究所,以及臺大醫院合作取得組織,因此工研院培育的細胞具有華人皮膚特性,未來團隊也想開發色素較深的細胞,更適合測試化妝品的美白功能。目前工研院產製的皮膚,已提供給臺灣的藥廠和化妝品廠測試,也通過跨國多實驗室的皮膚刺激性與腐蝕性測試驗證,未來能應用在燒燙燒病患與皮膚整型患者身上。

沈欣欣表示,由於工研院培育細胞的時間需求短、列印良率高,因而能大幅壓低成本。目前國外一片1公分見方大小的人工皮膚,售價就高達250美元,工研院只需約一半左右。因技術門檻高,現今海外做仿生皮膚的廠商,只有美國和德國的2家公司。工研院的「全皮膚組織列印技術」今年入圍全球百大科技研發獎,顯示工研院的技術極具競爭力。

目前捷克國家科學院生理所技轉中心、捷克PrimeCell Bioscience已和工研院、臺灣生命之星公司在2020年中正式合作,未來會將此技術行銷歐盟,鏈結國際市場,讓這個來自臺灣的仿生皮膚技術,在全球舞台發光。

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