2014年9月30日

2014年9月號537期 目錄



641 【編輯室手記】 科學品味---編輯部
644 【評論】 從國際奧林匹亞說中學科學教育---劉源俊
646 【一月紀聞】---編輯部
650 【數.生活與學習】 十二年國教數學課綱之芻議---單維彰
652 【言之有物】 牛頓不變的G---曾耀寰
654 【話中有化】 能夠自我修復的材料—自癒性高分子---高憲章 (全文刊載)
658 【新聞裡的生物醫學】 靈長類動物的研究---江建勳

662 【封面故事】 張昭鼎紀念研討會專輯
664 教育的新舞台—資訊科技融入物理教學---黃福坤 演講∕林靜英 整理
666 以週日閱讀科學大師的網站經營為例---李旺龍
670 Make a CASE!臺大科教中心 陳竹亭---演講∕趙軒翎 採訪、整理
675 以「臺灣蛛式會社」為例—網路上的公民科學家---羅英元
680 在家尋找外星人—SETI@Home計畫---曾耀寰 (全文刊載)
682 搖滾吧!科學—科技部「科技大觀園」---洪美慧 演講∕文詠萱 整理
684 科技部在推廣新媒體科普傳播的角色---羅時成 演講∕文詠萱 整理
686 網路科普教學的虛與實---邱韻如
690 生活中的科學─泛科學PanSci---陸子鈞

694 蚊子還是打個不停?生活中的捕蚊妙招---夏維泰、林秀品、簡瑜君、徐歆亞 (全文刊載)
699 天上掉下來的粒子—從包利到希格斯---張峻輔

706 【大家談科學】 從陳震遠事件看學術界---賴昭正
707 【大家談科學】 上帝創造了何等的奇蹟!---松 鷹
708 【大家談科學】 從化驗談起---何子樂
709 【大家談科學】 金鼎獎揭曉有感---張之傑

710 【青年尬科學】 「人、魚、海」的兩種未來─導讀---蔡佳諭、杜昀融、柯重光
712 【科學教育,我有話說】 十二年國教高中數學課綱中的統計課程要多深---葉裕益
714 【科學教育,我有話說】 談理工科系學生的數理程度---邱韻如 (全文刊載)

2014年9月29日

2014年8月號536期 目錄



561 【編輯室手記】越小,越不簡單。---編輯部
564 【評論】食品安全的把關者—公、民營檢驗實驗室---何國榮
566 一月紀聞---編輯部
570 【游理數.數裡遊】Lissajous曲線---游森棚
572 【生生不息】會變形的蛋白質---陳妙嫻
574 【談天說地】臺灣北方三島附近海域的冷水渦---楊穎堅
576 【科學史話】我國古代的物候知識---劉昭民

578 【封面故事】微機電系統的應用
580 微機電系統的發展與應用---曲建仲 (全文刊載)
589 微機電技術於氣體分析的趨勢---簡日昇、呂家榮、田維誠
594 微機電系統於居家健康檢測的趨勢---陳柏翰、薛孝庭、林致廷

600 解開果蠅雙胸突變之謎---葉筱凡
607 數學二項式展開的一次近似及其物理應用---張仁壽、單維彰
610 微藻與其防線突破---陳綺慧、洪俊宏、郭子禎、陳慶能

615 【大家談科學】給錯的諾貝爾獎---程樹德

中國古代對遺傳和變異的認識

作者/馮永康(科學史研究者)

在大量的、悠久的中國史書和文獻中,早就出現了各種對遺傳和變異現象的描述與記載。距今大約7000~8000 年前,長江、黃河流域的各氏族部落,在長期的採集、種植植物和漁獵、馴養動物等實踐活動中,就開始對原型植物加以選育、對野生動物進行馴化,逐漸培育成栽培植物和家養動物,並且給它們取了專門的名稱。殷墟甲骨文中的黍、稷、麥、禾、牛、羊、豕、犬等字,就是對不同原始栽培作物和家養動物最早的稱呼。經由史料的分析和研究,認為栽培植物和家養動物的品種及變種名稱之出現,就是古代先民意識到生物遺傳和變異現象的具體標誌。

西元前6 世紀,簡單的遺傳概念即已形成。東漢《越絕書》中記載,範蠡與越王勾踐對策時,總結當地農業生產的經驗說到「桂實生桂,桐實生桐」。西元前329 年,《呂氏春秋》中記載,「夫種麥而得麥,種稷而得稷,人不怪也」。這些簡單的認識表明,當時的人們已把物種性狀的遺傳看成是一般的自然現象。

《東周列國志》在評論〈春秋韓原之戰〉中提到:「種瓜得瓜,種豆得豆。……」這類一直流傳於民間的口頭語,即為古人對生物遺傳現象的一種簡單描述。到了東漢時期,人們對遺傳有了進一步的認識。王充在《論衡.奇怪篇》中說:「萬物生於土,各似本種」。在《論衡.講瑞》篇中又說:「……龜生龜,龍生龍。形、色、大小不異於前者也,見之父,察其子孫,何為不可知?」這些敘述表示,生物親代的遺傳特性(如顏色、形狀、大小等)都能穩定地傳給子代。得知某種生物,即可推知該生物的後代模樣。

《齊民要術》是中國現存最早、最完整的一部農書,作者賈思勰曾多次以「性」或「天性」來表示動、植物間的某些性狀,以及其由上一代傳給下一代的遺傳特性。他認識到桃、李結實的遲早、樹齡的短長,均由各自不同的內在本性所致。粱、粟等作物的子實是否容易脫落,也是緣於世代相傳的不同本性。

西元1378 年,明洪武戊午年,浙江龍泉的葉子奇,在《草木子》中寫道:「草木一荄(根)之細,一核之微,其色香葩葉相傳而生也。」「草木一核之微,而色香臭味,花實枝葉,無不具於一仁之中。及其再生,一一相肖。」

清代初期,戴震也指出:「如飛潛動植,舉凡品物之性,皆就其氣類別之。……桃與杏,取其核而種之,萌芽甲坼,根幹枝葉,為花為實,桃非杏也,杏非桃也,無一不可區別,由性之不同,是以然也。其性存乎核中之白,形色臭味,無一或闕也。」這些古書中的記載說明,約從2000 多年前開始,中國古代的先民們即已逐步形成了類似近代西方所謂「類生類」的遺傳概念。......【更詳細的內容,請參閱第538期科學月刊】

三維列印組織及器官

作者/程樹德(任教陽明大學微免所)

所謂三維列印(3D printing),學術一點的稱呼,是累加式製造(additive manufacturing),即將立體模型的空間資訊,用電腦輸給一架印刷機器,這機器有點像現今常用的噴墨印表機,可先印出一個二維的圖像,然後以噴墨嘴吐出可凝結的材料,逐步創造出與原模型一樣的三維實體。

我們知道畢昇的活字印刷術傳到歐洲後,促進了西方的文藝復興,及以後的科學革命,甚至工業革命,故爾是極緊要的技術,現在若能擴充至三維印刷,進而複製出一個三維實體,該是多麼重大的技術突破啊!

在1984年,個人電腦、文字處理機開始普及,用電腦控制的印表機也出現,這週邊技術的出現,讓三維列印這概念有了萌芽的契機。賀爾(Charles W.Hull)這人於1939年出生於美國克羅拉多州,畢業於該州州立大學的應用物理學專業;在1983年,由於他知道能用紫外光來催化塑膠單元分子的聚合(photopolymer),故想出這累加性製造的主意,稱之為立體石畫(stereolithography,也譯作光固化成形法)技術,並於1986年得到一個專利權許可。

他的想法,是讓噴墨頭輸出塑膠單元分子,此時用強的紫外光雷射照耀,使它立即固化,不再流動;噴頭則由電腦輔助設計程式(CAD/CAM/CAE)來控制,讓它依照既定的二維圖像來移動,待累加這諸多二維圖像後,就塑造出一個實體。

賀爾所發明的這初始技術,只能用塑膠來製造模型,而那時金屬燒結技術(metal sintering)也大有發展,能利用強雷射光,將噴頭釋出的金屬粉末或小顆粒,直接燒結在下層已冷卻的固體表面,讓金屬也能當模型的材料,於是三維列印技術,也能用以鑄造金屬的零件。

圍繞這主要創意的附屬技術不斷被發明出來,例如塑膠擠出技術在1990年出現,噴出膠結劑於粉末(inkjet deposition of liquid binder on powder)之技術於1993年在麻省理工學院被發明出,1995年即上市。

早期三維列印技術能應用在新產品開發的階段,也即能從電腦中的設計圖,很快地製造出一個實體,可觸摸也可觀看,以資評估其是否美觀、可用或可否暢銷。到了21 世紀第二個10 年,更有了爆炸性發展,不但能大規模生產零件,也能跳過翻砂鑄造的麻煩,直接生產精細的引擎或其他零件;在中國工業化的過程中,技術之獲得恆受到西方列強帝國主義的防範及禁售,聞這種技術在大陸有超越性的突破,真讓我額手稱慶。

據市場調查公司的統計,西元2012年,全世界三維列印機的銷售金額達到22億美元,比前一年金額高29%;購買者將他們應用於建築設計、營造商、工業設計、軍工製造、汽車製造、航空太空、教育、珠寶設計、玩具設計、生物科技、時裝設計、食品業等諸多行業。

自從2005年以來,個人玩家買部三維列印機在家中遊戲,成了一個急速擴充的市場,這得利於公開免費程式(RepRap)的流通,讓玩家能隨意印出個東西來使用,例如缺個臉盆或梳子,可以隨手印出來,有日本人印出一把手槍來,據說還真能發射子彈。

2007年發布的RepRap:達爾文﹙ Darwin ﹚
圖片來源:維基百科

RepRap
replicating rapid prototyper

是3D立體印表機的原型機,具有一定程度的
自我複製能力,能夠列印出大部分其自身的塑
料組件。個人玩家們能夠製造出複雜的產品,
不需要昂貴的工業設施。

這原型機從軟體到硬體各項資料都是免費且
透過網路公開流通的,可以透過玩家們分享
以及自行修改後再分享,使得機器變化出更
多的可能。

至目前為止,已發布了4個版本的3D立體印表機。



三維生物列印是很自然的延伸,依病人的需要,印出一片冠狀動脈支架,或固定斷骨的夾板,是業已成功的產物;現在的理想,想用噴嘴吐出細胞及胞外介質,以製造組織,或是藉由小塊組織,列印出整個器官,屆時糖尿病人,可以換個人造胰臟,尿毒病人可以換上新腎臟。這種再生醫學所描繪的願景,其實現或許得有三維列印的幫忙吧!

這三維生物列印已蔚為一大研究洪流,論文大量出現,綜合其創造組織或器官的策略,可有三個方向。其一即是仿生(biomimicry)策略,即儘量模仿生物組織的原有結構,來複製這一片組織,例如一片胰臟組織上有一團蘭氏小島細胞,附近有血管,再遠有一條外分泌的管道,而各種細胞間又有不同的胞外介質(extracellular matrix);在進行生物列印時,先要有這片組織的三維結構,再有不同的細胞源及胞外介質,然後逐層噴出不同細胞或介質,讓他們膠結成有韌性的一片組織,最後測試這片組織有無設計時所盼望的功能,例如分泌胰島素。

第二種策略,可稱「自發組合(autonomous self-assembly)」,若能明白一個器官從最早期的發育過程,那麼,用少量未分化的多潛能幹細胞(pluripotent stem cell),先列印出小型的器官雛型,然後在小容器內,適時補充各種營養及生長因子,讓它發育成大而有功能的器官。

第三種策略, 叫做「微組織(mini-tissue)」,即如腎臟由腎元、尿管和血管所組合而成,若先用生物材料建構微小組織,再讓各微小組織結合為大些的組織,最終形成正確尺寸的器官,像模組式公寓的建造,進展就較快。

這三種策略都依賴各種造影技術(medical imaging technology),對組織及器官的三維結構,有精細的知曉;目前有兩大技術能造影,其一是電腦斷層掃描(computed tomography imaging),用X 光旋轉照射生物體,再收集穿透過的X 光之量及角度,將之轉變成像素(pixel,成像的最小單元)或體素(voxel,所涵體積之最小單元),再用電腦整合,就能創造生物體的精細空間構造。

另一造影技術,叫磁共振造影(magnetic resonance imaging),以前叫核磁共振,就因怕一般人聞「核」色變,於是刪去核字。原子核之種類不同,則它們在不同強磁場中的共振不同,所發出的電磁波也不同,予以收集後,就能因組織成份不同,而造出三維影像。

若這兩種影像所造出的空間結構,被電腦輔助設計程式(CAD/CAM)所處理後,即能輸出為數以百計的二維切片,以這資訊命令給列印機的噴頭,就能讓它噴出不同的生物材料,以資組建三維結構。

生物材料比金屬或塑膠脆弱,它們如何通過噴頭,而不致被燒死呢?又如何凝結於指定位置呢?我們先看三種噴頭策略。

第一種是噴墨列印(inkjet bioprinting),即將生物材料從儲藏槽中,用熱或聲波產生壓力,將一滴液體從噴口推出,下落至預定表面;熱來自電流,讓噴頭熱到兩三百攝氏度後,其產生的熱脹壓力,可擠出液體,但只讓噴頭升溫4~10度,不至於殺死液體內的細胞。

噴墨頭也可用壓電晶體(piezoelectric crystal)來產生壓力。所謂壓電晶體,即對它施壓,可產生電流,反之加以電流,可使晶體變形,這種機制不至於熱死細胞。

由於噴墨技術用在印表機上較為成熟,故改用在生物列印機上,就較廉價,但用在噴頭的材料必須是不黏滯的液體,它噴出去後,如何立刻固結在預定的表面上,仍是未解決的問題呢!目前噴墨技術已應用於原位之皮膚或軟骨再生,其凝固方式,是化學反應或紫外光催化的聚合反應。

第二種方法叫微擠出法(microextrusion),即用氣體、唧筒或旋轉的螺絲,輸送定量材料到印刷板上,因是較大的壓力,故能輸送黏滯度高的液體,例如水膠(hydrogel)、聚合物或細胞小球。

這方法的好處,在於研究者能操控液體內成份,使它在高剪力時,流動性高,但停滯時,又能不流動,且變溫時,能交叉連結成固體狀態。

第三種方法,是雷射輔助列印(laser-assisted printing),即生物材料可塗在一條薄帶上,當雷射光照射後,生物材料就能脫離薄帶,進而沾附在預定位置上。由於使用光線,故沒有噴出口或擠出口,不怕堵塞。目前曾試用於修補老鼠頂蓋骨的小洞,這是以磷酸鈣薄片,用雷射光轉移到破洞上;另外也曾以之製造支氣管夾板,以支撐氣管軟化症病人的支氣管。

三維生物列印雖只是個新觀念,但其爆發性的研究活力,已有些試驗產品出現,如皮膚及軟骨,這是以噴墨法印出的,另有大動脈瓣膜及血管,是以微擠出法製造的。

對於這剛萌芽的技術,尚須研發極多的週邊技術予以支持,方能逐漸實現它的願景,即首先製造二維的皮膚,其次是空的管子(如血管),再來則是空的器官(如腸子),最後能製造實心器官,如胰臟及腎臟、心臟等。

要想達到遠程目標,除了生物列印機機械部份的改進,還需五大方面的知識及技術。

首先是與細胞相容的材料,能在未射出時保護細胞,但射出後即凝固,並且植入人體後,能漸漸被降解,以容納細胞新生的胞外介質。

其次是細胞的來源。如何能穩定生產大量細胞,並控制其分化過程?如何混合不同作用細胞於同一組織裡面,並發揮功能?

第三是血管問題。如何在製造小塊組織時,能預先置入血管?如何串連這些血管,使它能輸送營養?

第四是神經問題。如何讓神經纖維深入人造組織,使身體得以控制這人造器官?

第五是成熟問題。列印之後到移植前,如何讓內部細胞生存及發揮其功能?如何在體外測試它是否合用?

面對新出現的技術,我們要採何種態度?是要迎頭趕上呢?還是漠然視之?據說史達林及毛澤東二位巨人皆說過:「落後就要挨打」,這該是極符合全世界五百年以來現實的觀察,當然三維生物列印不能當武器來打人,但它對生物技術及醫療,會有巨大衝擊,所造成財富轉移及健康的種種後果,當不亞於殺人利器呢!

所以我主張積極加入競爭,佔據領先地位!



延伸閱讀
Murphy, S. V. and Atala, A., 3D bioprinting of tissues and organs, Nature Biotechnology, Vol. 32: 773-785, 2014.