長庚化工與材料工程學系‧陳志平教授
| WeGenius第15刊‧2005年 |
 |
長庚化工與材料工程學系
陳志平教授 |
Q您在大學及研究所時學習的是化學工程，為什麼現在從事生化與生醫工程的研究工作？
Q化學工程、材料工程、生化工程及生醫工程各有何相同、相異點呢？同時想請您舉些例子為我們解說如何整合生命科學與工程技術來改善人類生活。
Q長庚大學為什麼要成立生化與生醫工程研究所？本所的特色及發展目標是什麼？
Q什麼是生物觸媒呢？什麼是固定化生物觸媒技術？應用固定化生物觸媒技術對於生物產業有什麼好處？
Q美容保健：玻尿酸、膠原蛋白是如何萃取或生產呢？生產過程中如何避免人畜共通疾病，例如狂牛症的發生？
Q什麼是界面活性劑？它可以應用在什麼地方？（因為有幾次使用保養品過敏的經驗，醫師說也許是個人體質對某些界面活性劑敏感）
Q最後想請教您如何讓自己時時學習新知識？您會建議青年學生要如何保持自我學習的動力呢？
Q您在大學及研究所時學習的是化學工程，為什麼現在從事生化與生醫工程的研究工作？
我1983年大學畢業到美國，生化工程叫做Biochemical Engineering ，基本上美國的生化工程大概是二十年前才起步的，以前只知道什麼是化學工程。生物技術的產業化需要一些工程人員，生物技術的工廠跟化工廠是類似的，只是它的製程不是化學製程而是用生物製程，工廠要生產就需要工程師，但是傳統的化學工程師沒有生物的背景，如果要叫學習生物的人員做生產也不妥當，因為他們沒有學過工程的東西。所以生化工程是從化工延伸出來的，為的是迎合二十幾年前生物技術進化到產業發展的時期，那時生化工程在美國剛剛起步，老師非常少，我覺得那是一個新興的領域，我那時剛到賓州州立大學，覺得這個應該很有發展。在美國，學習生化工程的人才是供不應求的，像我們所裡面或是一般化工系，要找從國外回來優秀的生化工程與生醫工程的老師幾乎沒有。我們當然希望找國外回來的老師，可是因為在美國太熱門了，所以回來的人很少，一方面出國的人少，另一方面是在美國的工作機會很多。其實十年後我們也看到了，生化工程已經在生物技術扮演了很重要的角色。
就是訓練一些具有工程背景的人去做製程的改良和製程的研究，在國外確實是如此，但在國內這些人並不能夠發揮所長，因為我們的工業尚未發展到那個地步，我們的生技產業能做的第一個是健康食品，第二個是化妝品，這也是生技產業最賺錢的東西。很多生物技術公司、生物產業公司全都是在做這些東西，只是做一些代工和包裝，就可稱為生物技術公司，真正能用到大學程度，碩士程度，甚至博士程度的生化工程人才的公司實際上不多，但國外卻有很多，所以我國跟國外還是有一段落差。
Q化學工程、材料工程、生化工程及生醫工程各有何相同、相異點呢？同時想請您舉些例子為我們解說如何整合生命科學與工程技術來改善人類生活。
名稱上都有工程，相同點就是他們都以工程為出發點。工程基本要學的科目是物理、數學。很多同學都誤認為念化學工程、材料工程，物理就不重要，其實不然。如果現在進入化學跟材料工程系，那這時化學就變的很重要了。材料工程是跟化學工程息息相關的，所以現在大多數的大學，如果只有化工系沒有材料系，他就會把名稱改成「化學與材料工程系」，例如我們學校及元智、中央。我們認為材料工程是從化學工程分出來的，比如說材料工程讀有機的材料如高分子，或是無機的材料如陶瓷，其實那些東西就包含在化工領域。化學工程跟材料工程除了基本的工程課程外，還需要補充一些化學方面的專長。生化與生醫工程要學的更多，除了物理、數學、化學還要學生物、生化甚至分子生物，所以要把生化與生醫工程學得好的話，要有化工和材料的基礎，再去學跟生物、生命科學相關的東西，最後再整合在一起。生化與生醫工程是跨領域的，把化工、材料、生物甚至醫學放進來，目前國內生醫工程系只有中原、義守有，台大只有醫工所，醫工和生醫包含的領域非常廣，有學化工的，也有學機械、電機的。學化工主要是做材料方面的東西，應用在生醫方面；學電機則是作影像處理，例如電腦模擬開刀系統；而學機械就做流體力學、生物力學，所以醫工包含的領域又更廣了。以我為例，以前的化工系完全沒有跟生化、生物有關的課程，現在幾乎所有的化工系都會開跟生化有關的課，以長庚化工系來講，生物技術是一門兩學分的必修課，而國外麻省理工學院工程學系的學生必修生物，所以現在生物對工程也很重要。目前國內的生物產業基本上都是學生物技術或生命科學的，國內最大的問題是量產問題。生技產業沒辦法推動的原因是，我們大部分都是在做代工的工作，在做上游或是中游的工作。所以訓練出很多研究基因的人，像分子生物之類的，但真正能做生產的公司不多。台灣沒有大藥廠，我們都是拿別人已經過期的專利藥來做，派一批人去學習工程技術的東西，接著照原本公司的製程繼續做下去，所以很難做到製程改良，或研發新的製程方法。
Q長庚大學為什麼要成立生化與生醫工程研究所？本所的特色及發展目標是什麼？
這個所是我在2002年創辦的，台灣原本沒有任何一個研究所為「生化與生醫工程」（Biochemical and Biomedical Engineering），在世界上可能也是第一個。實際上全名應該叫生化工程與生醫工程，有人會誤會我們是生物化學，因為前面兩個字是生化（Biochemistry），事實上我們是生化工程加上生醫工程。我們不只是生化工程，也延伸到生醫工程，目前幾乎有三分之二是在做生醫工程。有很多人將此領域稱為「生物工程」（Bioengineering），我們偏向稱為「生化與生醫工程」（Biochemical and Biomedical Engineering）。生醫工程是配合長庚醫院的，生化工程是配合台塑企業。我們學校很多系所的成立是要配合整個台塑企業的發展，任何新的系所成立皆需要通過董事會的同意。第一個要探討的是符不符合時代的潮流、世界的趨勢，也要符合將來台塑企業能不能用到這些人才，生醫工程有長庚醫院這樣的一個醫療體系可以有所應用。台塑算是台灣一個很大的化工產業，在美國，很多傳統的化工業像杜邦、 Monsanto等前幾名的化工公司，幾乎有一半都是在做跟生化有關的東西，杜邦是美國最大的化工產業，現在有二分之一到三分之二是在做有關生化的東西。所以他們的製程已經開始轉為用生物製程來做，這將是未來的趨勢。我們發展的目標：生化工程基本上是配合國內的生技產業，用生物轉換的方式做一些產品，包括醫藥、環保都可以用，所以生化工程的範圍很廣。生醫工程可以配合一些醫學上的應用，來解救病人的生命，使病人受益，讓病人的生活更便利，比如說人工肝臟、人工胰臟。糖尿病的病患必須施打胰島素來維持胰臟正常運作，假如有人工胰臟，把這個胰島細胞移植到病人身上，因為移植過去的胰島細胞會定時分泌胰島素，病人就不需要再打胰島素了。另外，在生醫工程裡面有很大的領域叫檢驗跟診斷，比如說SARS爆發時，是不是能快速做出晶片或者檢驗試劑，基本上強調的是預防並非治療，比如說生物感測方面，能迅速而且正確的檢驗出來你有哪些疾病，再進一步治療。
我們的學生有醫學院、工學院、理學院、生命科學院的，是跨領域的，如果他是醫學背景的，進來後要增強他工程的背景；那如果是工程方面的，就要增加一些醫學方面的知識。大學學什麼並不是很重要，因為我們很多課程是基礎課程，把知識補強了再做進一步研究。我們錄取率只有6%，但報名的人很多，因為考的科目很多系都有念過，我們分兩部分來考試，理工背景是考化學、數學，醫學背景是考生化、分子生物，所以考進來的同學各式各樣都有。另外，我們已經有一屆的畢業生，有人到私人生技公司，有人到財團法人的研究機構，比如工研院，也有人到遠東紡織，裡面有一個部門專門研發生醫材料。就業是沒有問題的，現在一畢業就可以找到工作。
Q什麼是生物觸媒呢？什麼是固定化生物觸媒技術？應用固定化生物觸媒技術對於生物產業有什麼好處？
生物觸媒包括酵素、細胞。所以生物觸媒的定義是細胞或細胞的一部分，細胞的一部分裡面有蛋白質，其實酵素現在多是蛋白質，只要是細胞或細胞的一部分可以當作生物觸媒。他可以生產一些東西，比如說酵素可以生產一些藥、食品，假如酵素不能做的事情常常是要用細胞取而代之，細胞也可以生產藥、食品，像健康食品，現在的健康食品多是由發酵而來，如牛樟芝、靈芝，都是一些蕈類發酵而來的，所以這些東西都可以歸類為生物觸媒。化學觸媒是生產一些產品，觸媒的功用是增加反應速率，以前是化學的物質，現在是生物的物質。固定化生物觸媒是比較專門的的技術，生物觸媒可以用來生產東西，但用完後就要被丟棄，成本高，用固定化生物觸媒的話可重複使用之，因而降低生產成本。
用一些菌類發酵，能產生沼氣、酒精。如果他的原料是生質（biomass），例如纖維素、澱粉，則產生的能源即為生質能源。纖維素是地球上含量最多的聚合物，因為地球上存在大量的樹木而有豐富的纖維素。纖維素現在是被浪費掉的，假如能使用它，會是非常好的原料。纖維素可以提供葡萄糖，葡萄糖可以利用在很多地方，可以發酵成酒精等等。現在不能利用它的原因是，很少菌種能把纖維素分解成葡萄糖。而現在利用比較多的是澱粉類的物質，像一些植物的根部或玉米，澱粉可以用生物的方式轉換，進而發酵成酒精，這個東西就是生質能源，因為它的來源是澱粉不是原油。生質能源的好處是可以再生，玉米可以再種植，原油用完就沒了。現在政府一直在推動再生能源，其實再生能源有一部分就是生質能源，另外一部分是風力，太陽能，這是取之不盡，用之不竭的，生質能也是，但原油採完就沒了，這是很大的差異。而且很多生質能源做出來的產品燃燒後不會有污染，不像石油燃燒的廢氣中會含二氧化硫等污染物質。生質能源如酒精燃燒完就是二氧化碳和水，是無污染的。我們現在在做生質柴油。生質柴油是用大豆油、沙拉油做的，柴油沒了可以用沙拉油來開車，但沙拉油又比柴油貴，柴油一公升十三塊，沙拉油一公升二十幾塊，理論上用沙拉油開車是不符合經濟效益的，但我們現在想到的是用廢棄的沙拉油，像炸雞排的油。第一可以解決廢物的問題，如果這些油能加工變成柴油，也就是廢物利用，這樣成本也會比較低。不只是大豆油、沙拉油，在國外很多是用葵花油、棕櫚油，哪個油便宜就用那個油，例如馬來西亞用棕櫚油，歐洲用葵花油，美國用大豆油，因為美國大豆很多，沙拉油就是大豆做的。國內有花生油，但它不便宜，競爭力不大。不管什麼油，我們都能用生物的方式把他轉換成類似柴油性質的東西，這東西就叫生質柴油。目前量產的成本，如果用化學的方式來做，現在已經做到實驗工廠，在工研院能質所有合作，目前有一個示範工廠在嘉義已經成立，準備要推廣，他們用的是化學方式：以傳統的方式，把鹼加到廢棄的大豆油、沙拉油中，轉換成生質柴油。現在垃圾車有在試運轉當中。但用生物的方式來做基本上成本還是比化學高，所以目前還沒大規模生產。政府也很鼓勵並推動，因為生質柴油污染性很低，不會像汽油產生有毒或致癌的氣體，但生質柴油需要政府的鼓勵、補貼，否則他的經濟效益不高，如果政府強迫柴油一定要十分之一用生質柴油，就會因為有市場而有業界投入。它的成本比柴油貴一點，但因為可以降低環境污染，因此政府目前正在立法當中。假如你把環境污染的成本也考慮進來，實際上它並不比石化柴油貴，只是污染對人體的傷害很難去量化。
人工肝臟是一個體外裝置，目的是延長病人的生命。它不是一個永久的裝置，只是暫時性的。醫學上的名字叫bridge，橋，這是一個換肝之前的橋樑，假如沒有這個橋，摔到山谷底下就死掉了，如果他能走過這個橋度過七天的難關或換肝，他就過了這個山谷活下來了。如果病人急需換肝不然就會死掉，但目前捐贈者有限，這時人工肝臟便能維持生命一段時間，等待找到適合的捐贈者或讓肝功能再生。有時肝是部份壞死，肝細胞還是可以在體內生長，若是扣掉壞死的部分仍無法提供所需，那病人可能就會死亡。如果能用一個體外裝置維持生命，例如五到七天，讓他的肝功能再生，那就可以救活。肝的基本功能是排毒，現在是用洗肝機，把血液抽出，用一些東西把毒吸附掉、除掉，再讓血液回到病人體內，這是一個機械式的人工肝臟。我們現在開發的是生物式的，去毒的物質是真正的肝細胞,，真正動物的肝細胞，它可以暫時取代病人的肝細胞，優點是它具有所有肝細胞有的功能，除了解毒也分泌一些蛋白質，這是機械式做不到的。目前生物式人工肝臟還有很多要研究，人工肝臟在美國FDA已經核准進入第三期人體實驗，但尚未正式核准上市。此外，肝細胞在體外很難存活，細胞能不能撐過七天，能不能培養那麼長時間，都是要克服的困難。現在用胚胎幹細胞是一個很好的來源，不過得在對的時機誘導它形成肝細胞。我們現在用的細胞大部分是動物的，像是用豬的細胞，人的正常肝細胞都不夠做換肝用，當然不會有正常的肝細胞可以用。使用豬的肝細胞實際上還有很多問題，免疫、病毒的問題。豬的肝細胞有很多病毒，現在是把病人的血液抽到一個反應器中，反應器中放豬的肝細胞，處理完後再把血液回到人體中。假如豬的肝細胞有病毒，病人可能也會有感染的危險。免疫問題則是當病人的血液流到反應器中時，它感覺到這個肝細胞不是自己的，血液會產生免疫反應想把豬的肝細胞摧毀掉。就連用別人的肝細胞都會有問題，所以這個問題是急需克服的。
如果你有輕微的創傷，可以貼OK繃。不過貼OK繃傷口不容易好，貼創傷敷材的話可以幫助癒合傷口，現在最好的創傷敷材原料是用膠原蛋白。膠原蛋白可以促進皮膚細胞的再生。除了膠原蛋白之外，葡聚糖（beta-glucan，碳水化合物的一種）、幾丁聚合物（甲殼素）都可以做創傷敷材。除了做創傷敷材之外，他們也有生醫方面的用途，例如用來培養細胞，組織工程常要用這些東西來作一個骨架，把細胞放進去。膠原蛋白還可以做止血材，那是用於大傷口的。開刀的時候病人會出血，把膠原蛋白做成的海綿在傷口上可以止血。因為膠原蛋白可以促進凝血，這種膠原蛋白是醫療級的，剛所提到做創傷敷材的，用化妝品級的就可以了，其差別是純度的不同。醫療級的需要經過各式各樣的認証，因為它要用到體內，發生任何問題會造成很嚴重的後果，但化妝品級的根本進不去體內，因為有表皮保護著。
Q美容保健：玻尿酸、膠原蛋白是如何萃取或生產呢？生產過程中如何避免人畜共通疾病，例如狂牛症的發生？
膠原蛋白以前是從牛、豬的肌腱萃取或皮膚來的，膠原蛋白有很多型，從肌腱得來的是第二型膠原蛋白，從皮膚來的是第一型膠原蛋白，現在很多是從雞（雞皮），魚（魚皮）得來，各式各樣的皮都可以提煉出膠原蛋白。現在市面上的膠原蛋白，強調的是它沒有傳染病，因為大家擔心狂牛病、口蹄疫等。但是魚的膠原蛋白含量很少，也很難萃取，業者可能魚目混珠，以產品的噱頭出售較高的價錢，要檢驗是不是來自魚的身上也很困難。玻尿酸是碳水化合物，功能是保濕，現在我們台塑生醫做出來新的頂級化妝品有添加膠原蛋白、玻尿酸和RSV。RSV主要是用來抗自由基的物質。化妝品業是最好賺的產業，一瓶三千多塊的保養品，也會有愛美的女性購買。化妝品最貴的是廣告費和包裝，這裡面成分可能不到一百元，自己都可以DIY製成，化妝品公司只是在幫你做混合，然後包裝的很漂亮。現在幾乎各大百貨公司都有設台塑生醫的專櫃，除了銷售之外也有專業人員為你做膚質檢測。他們是學過護理的，也上過皮膚科醫師的課，再配合一些科學儀器，為你解說。現在在發展一套軟體，以後把你的檢測結果輸入電腦，它就會告訴你要用哪一套產品。我是負責幫忙生產玻尿酸，玻尿酸是從雞冠來的。有一家公司生產雞塊的公司叫「卜峰」，他們蓋一個廠轉投資生物產業來萃取玻尿酸，可以說是廢物利用。玻尿酸可以吸收它自己1000倍的水分，可以讓水份在皮膚上停留時間很久，所以化妝品都會添加。現在我是用微生物發酵來製作，其實這將是未來的趨勢。第一是雞冠有限，第二還是擔心會有傳染病，微生物沒有這方面的問題，而且成本比較低。這是化妝品級的玻尿酸，醫療級的玻尿酸可以當關節注射液、醫療美容、手術用。老年人關節炎可以打關節注射液，它是一個潤滑液，分子量很大。以前是打在賽馬的關節，因為潤滑越多跑得越快。現在人也開始施打但很貴，除非關節出現病變，不然醫師是不會幫你施打的。現在還有第二代、第三代新的玻尿酸。另外現在有豐唇美容（小針美容），可以注射玻尿酸或膠原蛋白，一般來說是玻尿酸比較適合。因為很多人會對膠原蛋白過敏，玻尿酸是碳水化合物所以不會引起過敏。也可以利用玻尿酸除皺，同樣的原理也可用在手術上。
Q什麼是界面活性劑？它可以應用在什麼地方？（因為有幾次使用保養品過敏的經驗，醫師說也許是個人體質對某些界面活性劑敏感）
界面活性劑可以存在水象和油象的界面，化妝品都會有，有些比較低階的界面活性劑，可能會產生過敏。不管乳液、洗面乳都會有界面活性劑存在，因為這些東西裡面一定會有油性物質跟水性物質混起來，如果沒有界面活性劑便不能混合得很均勻，如果沒有用界面活性劑混合後會分相，它並沒有一些實際上功效，只是一個必須的混合助劑，它是化學合成的，也可用生物方式製作，是長鏈碳的分子，有的人會對這個過敏。大部分的界面活性劑都是那幾種，那些也是經過測試比較不容易引起過敏的。現在會引起過敏的也不多，除非買到劣質的化妝品，要不然業者所用的界面活性劑一定是經過測試的那幾種，價格並沒有差多少，除非你買很便宜的化妝品，才可能用很差的界面活性劑。有時候過敏不一定是界面活性劑的原因，有時候是太油，經測試顯示，歐美國家的化妝品對東方人而言都太油，因為我們是亞熱帶的氣候，歐美國家比較冷，而且他們膚質比較乾燥，所以實際上沒有必要去買歐美的化妝品。
Q最後想請教您如何讓自己時時學習新知識？您會建議青年學生要如何保持自我學習的動力呢？
我以前是做生化方面的，對醫學根本不懂，後來接觸之後我覺得我應該去當醫生，因為我很喜歡，也接觸了很多醫生。我當初沒有選擇醫學，是因為不知道是什麼會怕，所以我覺得學士後醫學系是有必要性的，像我很多化工的學弟都去唸學士後醫學系，也許他們一開始只是想賺錢，但是對我而言，我是在研究所接觸到之後才發現我對生物比對物理還有興趣。學士後醫學系對還沒決定志願的人,唸了大學後再唸醫學的可能性是有幫助的。因為我喜歡接觸新事物，可能因此我的研究領域比較廣，也許跟個人的興趣有關。我覺得要自動自發，要自己鞭策自己。現在小孩子都欠缺自動自發的精神，需要父母鞭策，有時候父母鞭策還是沒有用，父母只是在旁協助。但也不是只有唸書一條路，像現在很有成就的人，不一定是書唸的最好的人，像郭台銘等。我覺得行行出狀元，一定要在自己的領域中往上求上進，要有上進心，無時無刻接受新知。這是很重要的，因為現在世界變動的太快了，資訊流通也很快。現在不是你只要專研這個領域就好了，像目前唸法律最賺錢的是做生物科技專利的律師。現在是要跨領域的，法、商、工都要懂。
訂閱
