生醫工程實際應用：工程師如何改變現代醫學 — 以 MIT 與 Robert Langer 為例

工程師在生醫領域能夠做什麼？

前言

工程師受過以科學與數學為基礎的訓練，擅長將複雜問題拆解、建模，並找到可行的解決方案。在我們的日常生活中，土木工程師、化學工程師、電機工程師與軟體工程師無所不在，持續改善交通、能源、通訊與科技系統。

那麼，工程師能為醫學帶來什麼樣的改變？

答案就在於 生醫工程實際應用。而談到這個領域，幾乎不可能不提到一位關鍵人物——麻省理工學院（MIT）教授 Robert Langer。他是當代最具影響力的生醫工程師之一，也完美詮釋了工程思維如何真正改變醫療與人類健康。

Robert Langer 教授現任 MIT David H. Koch Institute Professor，同時也是 哈佛醫學院外科系資深講師。在 MIT，「Institute Professor」是授予教師的最高榮譽，象徵其對學術與社會的深遠貢獻。至今，Langer 教授已發表超過 1,500 篇學術論文，並擁有 1,400 項以上已核准或申請中的專利，是全球被引用次數最高的研究學者之一。

他的研究核心在於：用工程的方法，解決真正的醫療問題，涵蓋藥物傳遞、生醫材料、細胞與組織工程，以及近年廣為人知的 mRNA 技術。以下三個案例，正是生醫工程如何從實驗室走向臨床、影響全球的代表性成果。

什麼是生醫工程實際應用？

所謂生醫工程的實際應用，是指將工程學的原理——例如材料科學、化學工程、機械設計與系統分析——應用於醫學與生物問題的解決方案中。其範圍涵蓋藥物傳遞系統、醫療器材、組織工程、診斷技術，以及新世代的 mRNA 與基因療法。

與傳統僅著重生物機制探索的研究不同，生醫工程強調的是可轉譯性（translation）：

能否被放大製造？

能否穩定、安全地應用於臨床？

能否真正改善病人的治療結果？

正是這樣的工程導向思維，使生醫工程成為推動現代醫療進步的關鍵力量。

為何 Robert Langer 定義了現代生醫工程？

談到生醫工程的實際應用，Robert Langer 幾乎是一個無法被繞過的名字。他的職涯橫跨學術研究、產業創新與創業實踐，示範了工程師如何將研究成果轉化為對世界產生實質影響的技術。

Langer 教授在控制型藥物傳遞、生醫材料與核酸療法等領域奠定了基礎性成果，更直接促成了數十家生技公司的誕生，其中最廣為人知的便是 Moderna——他也是 Moderna 的共同創辦人之一。

這些成就不僅改變了疫苗與藥物開發的速度，也重新定義了生醫工程師在學術、產業與創業之間所能扮演的角色。

案例一：單次注射疫苗與脈衝式 PLGA 微粒

Fig. 1, Using different molecular weight of PLGA to control degradation time to release the therapeutics to evoke immune response. (modified from McHugh, K. J. et al.Science, 2017).

在 Bill & Melinda Gates Foundation 的支持下，Langer 教授與團隊開發了一項極具代表性的生醫工程應用：脈衝式釋放的 PLGA 微粒，用於單次注射疫苗。

PLGA（聚乳酸-羥基乙酸共聚物）是一種 FDA 核准、可生物降解的材料。研究團隊透過名為 SEAL（StampEd Assembly of polymer Layers） 的微製程技術，製造出能在不同時間點釋放疫苗的核心–殼層微粒。

即使全球疫苗覆蓋率在過去數十年大幅提升，疫苗可預防的傳染病仍每年奪走約 150 萬名兒童的生命，主要原因之一正是多劑施打與物流困難。透過單次注射即可完成多次免疫刺激的設計，這項生醫工程解決方案有潛力大幅改善開發中國家的疫苗施打率。

案例二：抗纖維化生醫材料與第一型糖尿病治療

Fig. 2, Three chemical materials can suppress foreign body response to minimize fibrosis in rodents and non-human primates. Encapsulated by these materials, the therapeutic cells can be protected from host immune system and also suppress its immune system to reduce foreign body response.

另一項關鍵成果，是 Langer 教授團隊發現了可抑制異物反應（foreign body response）的化學材料，在小鼠與非人靈長類中可維持超過六個月不產生嚴重纖維化。

這些材料被接合到藻酸鹽水膠微粒中，為細胞治療打開新的可能性，特別是 第一型糖尿病。目前患者需終生施打胰島素，但這並無法根治疾病，也無法避免長期併發症。

胰島細胞移植理論上可恢復正常血糖調控，但最大的挑戰正是異物反應導致移植細胞失去功能。透過這些抗纖維化材料，移植裝置能長期維持功能，展現生醫工程在材料科學與免疫調控上的關鍵角色。

案例三：mRNA 與脂質奈米粒的傳遞技術

Fig. 3, Illustration for the formulation of lipid nanoparticles in mRNA delivery

近年最廣為人知的生醫工程應用，莫過於 mRNA 藥物與脂質奈米粒（LNP）傳遞系統。

Langer 教授的研究團隊建立了大量可離子化脂質材料的組合庫，能有效包覆 mRNA 並在體內傳遞。相較於 DNA 療法，mRNA 只會造成暫時性蛋白表現，安全性更高。

包括 Moderna（Langer 為共同創辦人）與 Pfizer 的 COVID-19 疫苗，皆仰賴這類 LNP 技術。Moderna 也已將多項 mRNA 癌症疫苗推進臨床試驗，顯示生醫工程如何加速分子生物學成果走向臨床。

為何 MIT 是生醫工程創新的核心基地？

MIT 之所以在生醫工程領域扮演關鍵角色，來自其高度整合的研究生態系。透過 Koch Institute 等跨領域研究機構，以及與哈佛醫學院的密切合作，工程師能直接面對臨床問題。

這種文化鼓勵快速迭代、跨領域溝通與實際應用導向，正是多項突破性生醫工程技術誕生的土壤。

作者視角：我為何選擇生醫工程、MIT 與 Robert Langer

我選擇生醫工程，是因為這是一個能將工程嚴謹性與真實醫療影響結合的領域。我希望自己的訓練，不只是停留在理論或論文，而是真正轉化為能改善人類健康的技術。

MIT 的文化，以及 Robert Langer 教授所代表的研究路徑，深刻影響了我對科學、創新與職涯的理解。在他的工作中，我看到生醫工程並不是在學術、產業與創業之間做選擇，而是能同時橫跨三者，創造最大影響力。

給立志投入生醫工程者的職涯啟示

生醫工程的實際應用，也帶來重要的職涯啟示。成功的生醫工程師，不只需要深厚的技術能力，更需要能與生物學家、臨床醫師、製造與商業團隊溝通。

在快速變動的產業環境中，如何將研究經驗轉化為產業可理解、可用的價值敘事，往往與技術本身同樣重要。

總結

生醫工程結合了工程、生命科學、化學與醫學，透過材料創新、製程設計與傳遞系統，持續改變疾病的治療方式。

從單次注射疫苗、細胞治療，到 mRNA 平台，生醫工程的實際應用證明：工程不只是建構系統，而是真正推動醫療進步、改善人類生活的力量。

延伸閱讀與資源

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文獻

1. Guarecuco, R. et al. Immunogenicity of pulsatile-release PLGA microspheres for single-injection vaccination.Vaccine 36, 3161–3168 (2018).

2. McHugh, K. J. et al. Fabrication of fillable microparticles and other complex 3D microstructures. Science 357, 1138–1142 (2017).

3. Vegas, A. J. et al. Combinatorial hydrogel library enables identification of materials that mitigate the foreign body response in primates. Nat. Biotechnol. 34, 345 (2016).

4. Miao, L. et al. Delivery of mRNA vaccines with heterocyclic lipids increases anti-tumor efficacy by STING-mediated immune cell activation. Nat. Biotechnol. 37, 1174–1185 (2019).