細胞~ 24小時預測改善退化性關節炎模型

    

圖片來源：

A novel cell source for therapy of knee osteoarthritis using atelocollagen microsphere-adhered adipose-derived stem cells: Impact of synovial fluid exposure on cell activity

精准力學模擬，為「行難一族」搶回行動力

    膝關節健康關鍵在於軟骨細胞的正常結構。健康的軟骨細胞多為圓形或橢圓形，規則地分佈于由膠原與聚糖組成的基質網路中，協同維持關節的運動功能。而在退化性關節炎（OA）中，軟骨細胞出現形態異常、數量減少，基質代謝失衡，導致軟骨功能逐步喪失。

24小時內重現關節退化進程的革命性平臺

  傳統OA動物模型需要數百隻大鼠、長達4～6周的誘導與觀察期。ATMs的拉伸力學實驗以MPS（微生理系統）技術，透過模擬滑液流動與力學刺激（形變15%、頻率1Hz），可於24小時內精准重現軟骨退變過程，與傳統模型相符率達92%，大幅縮短時程與成本。 

傳統與創新模型比較一覽

精准醫學與動物替代的雙重突破

    此技術已於2025年發表於《細胞生理學雜誌》（Cell Physiology Journal），該期刊在領域排名中位居第31/285，影響因數達5.3。更重要的是，這項技術回應FDA推動的「非動物方法」（NAMs）戰略，不僅減少動物使用，也大幅提升研究效率，已獲得納入FDA認可的技術路徑，未來可作為藥物開發中合規的替代方式。

    ATMs動態培養平臺所模擬的體外機械病理環境，不僅加速細胞反應，更讓藥物開發與病理預測向「高通量、低成本、高精度」邁進，開啟關節退化研究與藥物篩選的新時代。

ATMs動態平臺的應用不僅限於骨科領域

    凡是與過度機械力刺激相關的疾病機轉研究，如肺纖維化、COPD、心臟纖維化、心衰竭、心肥大、膽管阻塞、蟹足腫、口腔纖維化、青光眼、毛髮再生障礙、肌少症、腸躁症、子宮過度收縮導致早產、性功能障礙、膀胱與腎臟疾病等，皆可透過此體外模型進行高效整合的藥物篩選與機制驗證。

    這項技術不僅是力學儀器的創新突破，更是推動跨領域疾病研究與精准醫療發展的關鍵工具。

    現在，就是與全球科研單位一同引領未來生醫研究的最佳時機。

   

3D列印與生活結合 可以這樣做

從工具到材料的研發之路

    曾幾何時，3D列印還只是實驗室中的原型製作工具，而今天，它已經從“造型”走向“造材”。從教育模型、食品加工、功能性夾具，到高端生物材料的列印應用，3D列印正逐步滲透至醫療、食品、材料科學等多個領域，成為推動科研與產業革新的關鍵力量。

在這個轉變中，一個顯著趨勢正在浮現：**3D列印不僅改變了工具製造的方式，更在“材料本身的研發”中扮演了核心角色。**它讓材料科學家能夠跳脫傳統加工的限制，自訂微觀結構、混合成分甚至生物活性，從而開發出更智慧、更個性化的解決方案。

3D列印引領材料科學革新隨

    隨著3D列印技術的日益成熟，它已不再局限于原型開發和創意製作，在材料科學研究中扮演著越來越關鍵的角色。其高精度、可定制、可控結構的特點，使研究人員能夠列印出微觀結構複雜、物理性能穩定的新型材料模型，乃至用於生物醫學中的高端植入物開發。

一個具有代表性的突破案例來自美國西北大學（Northwestern University）。該校材料科學助理教授 Ramille Shah 領導的研究團隊，成功開發出一種**“超彈性骨”材料**，作為人類骨骼再生的潛在植入解決方案。

這種材料主要由人體骨骼中天然存在的礦物質——羥磷灰石（Hydroxyapatite）構成，並與特定聚合物混合，通過3D列印製造而成。它不僅可塑性強，且具備生物活性，細胞能“識別”羥磷灰石並與之互動，有利於新骨細胞的生長與整合。這種材料在重建手術中展示出良好的適配性和生物相容性，儘管尚未廣泛應用於臨床，但已被視為再生醫學的重大突破。

參考資料：NewScientist   https://www.newscientist.com/

質構與3D列印的協同效應

    將3D列印與質構儀結合，為科研與產業帶來了前所未有的可能性：

• 🔬 個性化夾具定制：通過3D列印快速製作適配不同樣品形態的夾具，實現更精准的力學測試。

• 🧠 機器學習預測結構口感關係：結合食品工程與材料力學，類比不同3D結構對咀嚼感、流動性等感官指標的影響。

在食品行業，這種融合已逐步實現商業化應用；在醫用材料領域，它更被看作是下一代生物工程的核心平臺。

應用案例：定制專用的寵物護理

    在寵物營養與健康研究中，跨領域技術同樣展現出驚人潛力。瑪氏寵物護理公司（Mars Petcare）就研發了一種“咀嚼機器人”，用於測試犬類牙科產品對牙菌斑的清除效果。

這款機器人是通過真實犬類口腔與頜骨的掃描資料構建出的3D模型，能類比犬類自然的咀嚼動作與咬合壓力，再結合質構儀進行牙科零食或咬膠的結構測試。這種方法不僅提升了測試的可重複性和客觀性，也加速了寵物口腔產品的開發效率。

    從寵物食品到骨骼植入物，從流質食品結構分析到人類口感優化，質構儀與3D列印的結合正推動材料研究邁向更靈活、智慧、精准的方向。隨著人工智慧、材料科學、生物工程的持續融合，我們正處於一個跨界創新的新時代，未來材料不僅能被“設計”，更能被“列印、測試並智慧優化”。這正是科學與工程共同塑造的明日之境。

3D列印與質構的研究進展

3D列印與質構儀的結合應用日益增加，更多相關文獻請上網搜尋

Creation of internal structure of mashed potato construct by 3D printing and its textural properties

Improving drug release rate, drug-polymer miscibility, printability and processability of FDM 3D-printed tablets by weak acid-base interaction

The Use of Micro-Ribbons and Micro-Fibres in the Formulation of 3D Printed Fast Dissolving Oral Films

Design and optimization of ciprofloxacin hydrochloride biodegradable 3D printed ocular inserts: Full factorial design and in-vitro and ex-vivo evaluations: Part II

3D Printable One‐Part Carbon Nanotube‐Elastomer Ink for Health Monitoring Applications

Biphasic burst and sustained transdermal delivery in vivo using an AI-optimized 3D-printed MN patch

In-situ ionic crosslinking of 3D bioprinted cell-hydrogel constructs for mechanical reinforcement and improved cell growth

Development of 3D printable bioresorbable drug eluting coronary stents: An experimental and computational investigation

A critical review of traditional and advanced characterisation tools to drive formulators towards the rational development of 3D printed oral dosage forms

探索食品新質界 可以這樣做

打破傳統的料理方式

    你有沒有想過，有一天我們的廚房不再需要鍋碗瓢盆，而是多了一台3D印表機，直接「列印」出美味的晚餐？聽起來像科幻電影，但這正是3D列印食品的魅力！不過，問題來了，這些看起來像藝術品的食物，吃起來真的好吃嗎？

    3D列印食品最大的優勢就是可以精准控制形狀和材料比例，但這也帶來了一個挑戰：如何讓食物在外型和口感之間找到平衡？例如，列印一個超精緻的巧克力球，如果太硬咬不動，或者太軟一碰就塌，那就尷尬了。這時候，質構儀就像一位嚴格的「品管老師」，幫助我們調整配方，確保列印出來的食物既有藝術感，又有美味的靈魂。

引用自Kozu, H., Umeda, T., & Kobayashi, I. (2024).  Production and characterization of 3D-printed foods with hybrid layered structures consisting of agricultural product-derived inks.
    隨著技術進步，3D列印食品已經不再只是概念，而是逐漸走進現實生活。從個性化定制蛋糕，到為老人和病患設計易於咀嚼的營養餐，這項技術正在改變我們對食物的想像。除了測試產品與口感的差異外，製備原料的擠出工藝也是領域研究中重要的一環。

不僅新奇，更要安全

    為了讓3D列印的軟質食品真正走進養老照護和醫療營養的實際場景，還需要借助一套清晰的評估標準。目前，國際上廣泛使用的就是 IDDSI（國際吞咽障礙飲食標準），它將食物從液體到固體分為八個等級，確保不同吞咽能力的人都能安全進食。而像日本推出的 UDF 微笑標章則結合質地檢測，為軟食設立了品質規範。這些標準就像是一把把“安全尺”，協助食品開發者用科學方式測試每一道料理的軟硬度、黏稠度和入口即化的程度。通過這些分級測試，3D列印出的老齡食品不僅能讓長輩吃得開心，更吃得安心。

濃稠但不糊口 可以這樣做

真正好的優酪乳，就像一段恰到好處的關係——濃但不糊

    濃稠 代表有質感的厚度，入口時綿密溫柔的流動感，口腔包覆的輕盈感是自然發酵與時間的饋贈；糊口 滯澀、黏膩，時重時輕的堆積讓人喘不過氣的口腔包袱感。

優酪乳的成分決定口感

  優酪乳飲用時在口腔中的附著與停留感形成的口腔塗層感(mouth coating)，來自酪蛋白、脂肪與增稠劑的協同作用。這些結構特性不僅決定流動性與稠度，也定義了口感的舒適度。

量化「濃稠但不糊口」的理想狀態，不是單一數值或厚度外觀可以決定的，而是入口到吞咽之間整體動態口感的呈現，包含比重、屈服應力、流動性、黏聚性與黏附性等關鍵物性指標的綜合性指標。

定性濃稠與糊口時的誤區

    通常流動性樣品在質構測試最常使用擠壓測試，最常用的資料解析是最大峰值或面積表徵濃稠度、負峰說明粘度，但是口感的豐富體驗豈能如此簡單粗暴?!

為更精准描述飲用體驗，可以考慮以下測量重點：

 平板壓縮初接觸時的表面張力：模擬舌尖初感。

 進入液面的瞬間屈服應力：展現口腔啟動動作的阻力感。

 流動斜率：斜率愈小流動相對好，對應出吞咽速度

 正峰面積：流體內部黏聚能力表示吞咽能量。

 負峰滴落的順暢度與位移波動：可量化吞後回黏與回味感的殘留程度。

不同品牌的量化的結果

  通過多功能物性分析儀的多指標可以明顯觀察三種品牌呈現出在口腔中的不同的飲用動態變化如下

 屈服應力愈高，表示產品更具結構性，也更黏聚。

 質地圖形的流動曲線的平順度與跌宕幅度，可反映口感是否均勻、自然。

 其中蒙牛與味全從正峰看似濃稠度差異不大，但從屈服應力與壓縮後的擠壓應力表現出不同流動特徵，斜率較大表示較為緩慢的吞咽流動性，斜率趨近1較易流動。

 負峰滴落狀態 則對應到飲後在口腔內的黏附殘留感，其曲線面積越大，代表黏附感越明顯，平順度或跌宕的線性位移可以關聯滯澀感。