[新科技速遞] [3D列印] [人造珊瑚Carol]
新科技速遞
3D 生物列印發展迅速，研究人員已可列印多種器官組織，開發列印人工肝臟、血管等。去年有醫學技術團隊宣佈以幹細胞3D打印心臟組織。
最近美國有團隊應用3D 生物列印在人造珊瑚上，模仿自然界高效的能源轉化，發展生物反應技術，種植藻類生質燃料（Algae fuel），以替代石化燃料，也為拯救垂死的海洋生態。藻類生質燃料經提煉後，可轉化成航空油、汽油或柴油等燃料。
珊瑚具商業潛力，皆因自然界各「共生」（Symbiosis）系統，珊瑚礁被公認為最具效率，造礁珊瑚與蟲黃藻的「共生」關係，以少量輸入轉化能源，過程神奇。
珊瑚為無脊椎動物珊瑚蟲 ，具中空底部密封的柱型身體，腸腔與四周珊瑚蟲連接，位於身體中央口部；長滿觸手捕食浮遊生物。蟲黃藻寄生於珊瑚蟲上，以極具效率光合作用，稀缺資源的極端環境，仍產出有機物，供宿主珊瑚蟲營養。宿主的氧化代謝過程，又提供共生蟲黃藻的營養材料，彼此相輔相成，合作無間。
造礁珊瑚以蟲黃藻所製造有機物，光合作用促進珊瑚鈣化達 2-3 倍，以形成礁石。碳酸鈣骨骼的生長速度，足以抵銷海浪及生物侵蝕，形成美麗壯觀的珊瑚礁，為浩瀚海洋生態提供了棲息地。珊瑚的生長形態，原來亦大有學問。
全球暖化，珊瑚礁大規模「漂白」死亡。科學家估計全球珊瑚礁，20年內消失殆盡；人造珊瑚的研究，可助扭轉海洋生態惡化。
3D 列印人造珊瑚
美國科學家試圖以3D 生物列印，模仿珊瑚的「共生」系統，研究結果發表在同業評論的《自然通訊》（Nature Communications）網站，引起關注，有機會是3D 生物列印最具商業潛力的應用場景之一。
英國劍橋大學海洋科學家Daniel Wangpraseurt，與美國加州大學聖地牙哥分校納米工程系陳紹琛教授團隊，合作開發3D列印的仿生珊瑚。陳紹琛實驗室專注於開發3D 生物列印，打印模仿活體組織結構和功能，包括人體肝臟、血管、脊髓神經等。
美國加州大學聖地牙哥分校生物工程之譽滿天下，該核總校教授錢煦奠下的基礎，功不可歿，早年建立加州生物工程研究院（BIC），成研究生物工程重鎮；陳紹琛實驗室開發的高速3D生物打印，短時間可打印「微米級」（Micrometer）結構，以高通量設計，避免打印時細胞大量死亡。
陳紹琛表示：3D 生物列印的過程，猶如將魚從水中取出，細胞脫離培養基（Culture media）愈久，就愈難以存活，傳統擠壓或噴墨式3D打印，難以應用於3D 生物列印。加大聖地牙哥分校3D 生物列印，可快速成形，故可打印人類和動物的細胞，甚至藻類細胞打印。
以活細胞或幹細胞複製結構，也是近年再生醫療移植器官的研究項目。較早前，陳紹琛實驗室曾以幹細胞，打印脊髓的植入物，試圖醫治脊髓的永久損傷。
但3D 生物列印的人工珊瑚礁，其結構還須促進光合作用的效率。
自然界鬼斧神工
多年來，Wangpraseurt一直在劍橋大學，研究珊瑚優化光合作用原理；原來珊瑚的演化，發展出特殊的功能；包括獨特形態和材料特徵，Wangpraseurt研究開發仿自然珊瑚人工材料，作為微藻的宿主，以大規模培植。
珊瑚礁為自然界中，產力最高的共生系統，珊瑚礁排出二氧化碳，蟲黃藻以光合作用，轉化為有機物和氧氣，回饋給珊瑚蟲。除了以陽光轉化能量，仍需氮和磷等配合；上述物質在珊瑚礁生存的熱帶海洋，存量稀少，珊瑚礁克服環境限制，循環利用，此共生系統巧妙之處，一直是科學家研究的課題。
珊瑚演化出不同的幾何體，以增加藻類份吸收的陽光，這些動物組織特徵，針對作為微藻宿主而演化，碳酸鈣底層建築的支撐，透過散發形態透光；避免了藻類生長時自我遮蔽，導致吸收光線不足夠。
藻類生長時自我的遮蔽，導致吸收光線大減，一直是限制了藻類大規模人工培殖。Wangpraseurt試圖模仿珊瑚形態，克服光線遮蔽的障礙，為實現藻類大規模養殖，邁出重要一步；仿生珊瑚能以高達109細胞 mL−1高空間細胞密度培養蟲黃藻。
破解珊瑚漂白
但珊瑚具備生物細胞及藻類細胞，迄今只能模仿生物的部分，以複合光合物以3D生物列印部分，仿照活珊瑚形態特徵，物理和化學的微生態環境，以配合藻類細胞活動。
Wangpraseurt表示，下一步是通過模仿共生的生化途徑，調節細胞的相互作用。研究目標不僅要優化光合作用，促進細胞的生長率，亦在瞭解共生的自然規律，理解珊瑚遭漂白的原因。
Wangpraseurt與加大的合作，克服了人工珊瑚最大技術難題。Wangpraseurt在劍橋大學研究，已留意到以細菌創造纖維素（Cellulose）作為生物打印材料，能具備光學反應特性，適合用於打印仿生的珊瑚。起初Wangpraseurt集中開發具珊瑚特性的生物材料，並模仿天然珊瑚的光學反應；從表面上或內部培養藻類，當時才發覺傳統的3D打印，重塑珊瑚的空間的解析度，並不容易。
加大聖地牙哥分校陳紹琛實驗室，則以3D生物打印而聞名於世。Wangpraseurt聯絡該校納米工程研究所，雙方一拍即合。加大聖地牙哥分校採用醫療用途3D生物打印，開發了專為珊瑚打印的生物墨水（Bioink），確保藻類細胞存活率。
最近Wangpraseurt亦成立了初創Mantaz，專門發展珊瑚保育技術。