海外經驗學習

哈佛大學 (Harvard University)位於麻薩諸塞州(Massachusetts)劍橋市,為一所私立研究型大學。於 1636 年由當地的殖民地立法機關成立,為全美歷史最悠久的高等教育學府。其名稱是為了感謝一名年輕牧師約翰·哈佛的捐贈,在哈佛庭院中也可以看到哈佛的銅像,是許多觀光客拍照留念的景點之一。校園本部佔地 85 公頃,另外還有商學院、運動場及醫學院校區,範圍較廣,有巴士接駁學生通往各個校區。與多數大學不同的是哈佛沒有科系之分只有學院的區別,直至 2007 年最新成立的工程與應用科學院,目前共有十一所學術機構,包括著名的醫學院、法學院、商學院等。哈佛大學和鄰近的麻省理工學院也有許多學術合作,也建立了共同的研究中心。我實習的實驗室為 Experimental SoftCondensed Matter Group,指導教授是 DavidWeitz,帶領著大約七、八十人的大實驗室。實驗室的研究範圍很廣,如:膠體、多孔材料、生物性材料、微流控...等。實驗室非常自由,大家都用運用這些技術做不同的題目,從基礎科學的探討到生物檢測的應用都有,也有許多學生是與其他的實驗室合作,研究與光學或是醫學相關的題目。實驗室十分開放,大家是互助合作的關係而不是互相競爭的關係,因此只要願意開口跟大家交流,就能夠學習到不少新知。

心得報告

我這次主要是專注在微流控這方面,希望能夠運用這個技術在體外建立造血幹細胞的分化模型。幹細胞對環境十分敏感,周遭細胞與組織所分泌的化學物質或提供的環境可能都會影響幹細胞的分化,因此幹細胞周圍的微環境所造成的影響就十分重要,我們稱為這個微環境 Stem cell niche。運用微流控的技術,可以在短時間內製作出許多皮升尺度的水珠,而我希望能用這些水珠將單一細胞包覆在其中,並將其排列成各種陣列,來分析不同細胞與其分泌的化學物質對幹細胞的影響。這兩個月的實習,我把用水珠包覆細胞這項技術中的每個小環節都學習過一次,並且都能夠自己再完成。從最開頭自己用 AutoCAD 畫微流控裝置的管道圖,在學長的指導下設計了之後要用的三款新的管道。接著運用光刻的技術,在矽晶圓上做出畫好的管道模型,再用聚二甲基矽氧烷(簡稱:PDMS)覆蓋印出刻痕。最後用電漿激發PDMS 和玻璃表面將兩者鍵結,微流控裝置就完成了!雖然過程有些複雜,但有機會學習半導體常用的光刻技術,也能夠體驗在無塵室裡做實驗,對我來說是在清大不容易有的機會。剛到實驗室的兩周,主要在進行各種儀器訓練,包括顯微鏡、高速攝影機、幫浦等,都是之後做實驗需要用到的工具。我的第一個小實驗是製作出海藻酸水溶液的液滴。海藻酸在遇到鈣離子之後會互相交聯,並從液態轉為固態。利用這個特性,我們可以把細胞包覆在液態的海藻酸中,並將其交聯成為固態後把細胞固定在海藻酸小珠內。

上圖為用高速攝影機拍下的實驗照片,兩側水平的管道為油相,會將混了細胞的水相分成許多小水珠。紅色箭頭所指的就是有包覆單一細胞的水珠。但經過多天的觀察,我們發現雖然細胞可以在包覆的狀態下繼續生存,但卻無法分裂或成長,如此一來可能也會影響到幹細胞的分化。因此我們改利用另一種水溶液 dextran和海藻酸水溶液形成三明治一般的結構(如右圖所示),希望在形成液滴之後,海藻酸會在外層形成一層固體的殼,最後在中間的液體擴散出去後,形成一個中空的球殼。我們可以透過控制各個通道的液體流速來控制兩種液體的比例,希望藉此控制外殼的厚度。然而最後實驗的結果與我們所想的不太相同,形成了海藻酸在中心形成一個實心的核,外層由 dextran 包覆的液珠。即使我們直接在微流控裝置上加上一道即時交聯的步驟,也沒有辦法改變這個情況。

上圖是由共聚焦顯微鏡拍攝出來的圖片。綠色螢光是 dextran,紅色是海藻酸。兩張圖的差異在於交聯的時間點,圓形的核是收集後再進行交聯,而右圖皺縮的核是直接在微流控管道上進行交聯所得到的結果(原本我們預期的結果應該是外圍有一層紅色的螢光)。為了做出我們想要的結構,我們調整了流速與 dextran 的濃度,希望透過改變 dextran 的黏度減緩其外流的速度,但依然無法製造出我們想要的空殼狀液滴。而且會造成這樣的結果的因素我們也尚未有一定論,還需要後續更多的研究數據來支持我們的猜測。除了專注在自己的研究上,我也常在實驗室觀摩其他人的實驗,了解大家希望用這樣的技術做出什麼樣的應用。實驗室大大小小的會議就是一個很好的機會,尤其是實驗室的大會議,七十幾人會全數到場,有的報告者會上台提出自己近期遇到的問題,而台下的人便集思廣益提出看法與可能的解決方案。雖然我只是剛來的小實習生,對於這項技術的了解與流體方面的知識不如大多數的人豐富,但這也是我最好的學習時機。許多他們提到的方法可能成為我日後作實驗時可以注意的小技巧。隨著作實驗的時間越來越長,我也越來越能夠自己根據實驗結果做出推論。剛進實驗室時,我幾乎是每次做完實驗都拿結果給學長看,並等他跟我解釋圖片的意涵與下次的實驗設計;但經過幾次的實驗過後,我開始能夠自己分析結果,找出可能造成問題的因素,並設計新的實驗後再把整理好的資訊跟學長討論。這兩個月的時間學到的不止是新的實驗技術,在遇到問題時,學長常常會交給我自己去找答案,兩個月的期間也看了不少篇論文,從文獻中找出可能的原因,再自己設計新的實驗來解決問題,過程中也增強了我做研究的實驗設計能力。

暑假兩個月的時間,我不僅專注於自己的研究,藉著短暫擁有哈佛學生身份的時間,好好利用資源,拓展自己身為一個工程師的視野。在實驗安排較少的日子,我抽空去聽研討會、參觀其他教授的實驗室、聽演講等。再到波士頓的第一周我去了 Wyss Institute的仿生研討會,內容有各種仿生的研究與應用,從超疏水表面、軟體機器人、結構性光學...各種我平常在清大仿生實驗室所學的都可以看到,更藉著這次機會認識了更多在這個領域研究的教授。在這次的研討會之後,我和其中兩位我特別有興趣的教授聊天,分別是著重光學與疏水表面研究的 Joanna Aizenberg 與擁有先進 3D 列印技術的 Jennifer Lewis。隨後我也去參觀了兩位教授的實驗室,了解他們實驗室所運用的技術與目前著重的研究方向,不止能夠認識仿生這個領域不同的面相,也讓我知道現代科技的發達,尤其在 3D 列印出現之後,許多以前我們難以製造的結構,現在都能夠精確地控制並做出各種尺度的模型以提供研究。在出國之前,我原本只期待能在實驗室裡努力的作實驗並與其他學長姐學習;來到了哈佛大學之後,我的收獲遠遠超出了我所預期的。光是在學術的領域上,我有機會到更多頂尖的研究實驗室參觀,並接觸許多貴重的研究器材,學習新的技術與研究方法。而我相信這兩個月的經歷,開拓了我對材料與生物結合的研究領域的見識。在此特別感謝實驗室教授 David Weitz 給我這個機會,與花了兩個月時間指導我的學長 Liheng Cai,還有實驗室的所有夥伴們提供了許多寶貴的建議。

其他

在哈佛食物滿容易找的,每棟大樓的一樓都設有簡餐區,附近也有學生餐廳提供自助餐給學生挑選;和台灣比較不同的,大概是餐車吧!以前看旅遊頻道介紹,美國常有各種餐車,而來到這裡當然要體驗一下。種類有很多種,從中餐、捲餅、速食到甜點、冰淇淋通通都有,每到了中午休息時間,停餐車的廣場就會聚集很多人在這裡用餐,或是在一旁的大棋盤下棋。來到波士頓這個充滿歷史文化的城市,當然要趁這個機會好好認識美國的歷史。我去了茶葉事件博物館、走了自由之路,了解美國獨立的艱辛歷程,以及之後不同的移民來到波士頓這塊土地,重新建立自己的家園,追逐自己的美國夢。許多在歷史上擁有重要地位的建築都還保存原樣,或改裝成博物館供民眾參觀。就連當初跟英國打海戰的戰艦也都保存下來,讓我們可以到艦艇上走走。而沿著自由之路走,會從波士頓的繁華地段,一路走到各種移民聚集的地區,可以感受到大城市的忙碌,也能看到不同國家與文化交融出來的景象。這一次來到美國也很幸運的遇到了美國的國慶日,跟朋友一起欣賞美麗的煙火,一起為美國慶生。而喜歡運動的我當然不會錯過這個寶貴的機會,到美國職棒最老的芬威球場看場紅襪隊的比賽。在台灣就從來沒去棒球場看過比賽的我,也不知道該抱著什麼樣的期待,但這次的球賽初體驗超乎我的想像。除了感受到比賽刺激,也能夠跟身旁的球迷有些交流與互動,而這座百年的球場一直都保持原有的活力。