生物醫學工程是唸什麼?

自1997年3月10號美國彭博商業週刊以生技世紀的開始為標題,宣揚生物醫學將會是21世紀的主要科技發展的主軸,而生物醫學工程(Biomedical Engineering)就開始變成一個熱門的科系,甚至許多傳統科系,比如:化學工程學系,更名為化學暨生物工程學系,並且在新冠肺炎大流行之後,由於mRNA疫苗的發展與應用,生物醫學工程再度變成一個主流的科系之一,可是到底生物醫學工程在唸什麼呢?以臺灣分類來講,到底是二類組(工程),還是三類組(醫學,生物)呢?應該大學部就念生物醫學工程嗎?還是需要留到研究所在唸呢?就讓我來好好解釋給大家知道.

首先,我想先簡單介紹我的學經歷,我大學在臺灣大學唸化學工程並且雙修土木工程學系,輔系經濟,取得學士學位之後,來到美國康乃爾大學取得生物醫學工程的工程碩士,和生物工程的博士學位,並在畢業後來到波士頓兒童醫院和麻省理工以研究員的身份進行生醫工程相關研究,由於我的多元化背景,我想來好好跟大家分享一下生物醫學工程的領域,其實生物醫學工程光從字面上來看就了解,是充滿著多種不同學科的一個新領域,基本上就包含著生物,醫學和工程,而工程又可以細分為電子工程,材料工程,化學工程和機械工程的部分,比如說醫療電子儀器就需要生物,醫學,電子工程和材料工程的專家一起完成,或者是mRNA的疫苗就是由材料工程,化學工程,生物和醫學一起完成,因此以實際層面來講,生物醫學工程通常是一個團隊在進行研發和操作,若是我們用現在最熱門的mRNA疫苗,就是用脂質奈米粒子(lipid nanoparticle)進行mRNA的輸送,第一重要的事情是材料,我們要找到適合輸送mRNA的類脂質分子以正負電相吸的方式組成脂質奈米粒子,這個材料可以協助輸送mRNA到我們指定到的器官或細胞,而接下來脂質奈米粒子的組成配方就很重要了,以化學工程的專業,可以利用實驗設計的計算,以最少的實驗方式,取得最好的組成配方,在脂質奈米粒子中,除了帶正電的類脂質材料外,還需要許多其他輔助的配方,比如膽固醇(cholesterol),聚乙二醇脂肪(PEG-lipid),磷脂類相關材料,可想而知若再加上mRNA本身,總共就有至少五種材料比例需要測試,接著還有針對mRNA本身也有很大學問,需要有生物學家進行,模板的設計,利用大腸桿菌做DNA模板的複製,並且進行體外轉錄將DNA轉變成RNA,並且RNA上面的前後序列都有所謂的不轉譯區間(untranslated region),這也會大大影響mRNA的效果,而RNA製造的核酸,是天然核酸或是人工化學修正的核酸也是一個重要的關鍵,這部分就需要有有機化學家來協助處理,接著也是有機化學家可以幫忙的就是RNA的5’端帽 (cap)的部分,5’端帽的好壞可以改變mRNA本身所引起的免疫反應,進而提升其效果,之後再進行動物實驗,人體試驗等等才能正式給我們施打疫苗,而確認可以施打後,又需要化學工程的專家進行大量生產的部分,由此可知生物醫學工程是一個需要不同領域的專家一起合作來解決現在的醫學問題.

再來,我們就來聊一下,到底生物醫學工程在學什麼?通常生物醫學工程可以細分成幾個領域:生物材料,生醫電子儀器,藥物輸送,細胞工程/組織工程,機械生物學…等等,其實每個領域都有至少一個傳統學科的支持,比如生物材料的領域就是對材料性質的了解很熟悉,並且能夠了解材料與細胞之間的交互作用和關係,而許多生物材料的開發又需要有機化學家協助合成,因此雖然生物材料只是生物醫學工程中的其中一個領域,但是其相關聯的專業就包含生物,材料工程和化學,以我個人而言,由於我化學工程和生物相關的了解,因此我主要做的領域是生物材料,藥物輸送,組織工程和一部分機械生物學,而在我求學和工作的過程中,碰到許多不同專業的專家和大學部的學生,這時候我就發現由於我多元化的背景,我非常適合跟不同專業的人進行溝通,因為常常化學家,工程師,生物學家和醫師的思維邏輯並不一樣,針對許多專業用語的定義也不盡相同,因此身為一個生物醫學科學家我可以在團隊中變成溝通的橋樑,協助不同專業的人再一起合作,然而當我碰到美國許多大學生時,他們都是大學就開始唸生物醫學工程,由上一段可知,生物醫學工程包含的專業非常多,每一個專業都可以讓我們念3-4年才取得學士學位,因此在同樣的4年內為了要在每個專業中都了解,往往係上安排的課程都只能是該專業最入門的課程,要不然光生物醫學工程的學士學位可能都需要至少6-8年才能完成(因為等於要修完其他不同學系的科目),因此不管我是擔任助教的課,或是帶大學生做專題都會發現,如果是唸生物醫學工程的學生,往往都是什麼都學一點,但是都沒有一個專精的科目,可能我在聊怎麼計算做物質輸送,這在化學工程中可能可以學1-2個學期,但是這些學生都表示他們會,也懂怎麼計算,然而細談下去則會發現,他們其實只把化學工程中輸送現象的第一章學完而已,因此不管在康乃爾大學或是在麻省理工,若是碰到唸生物醫學工程的學生,我都會跟他們細聊,了解他們的興趣,舉例來說,如果有學生想做癌症相關的藥物治療,我第一件事會叫他們先把生物相關科系的課程都好好上完,再來就是有機化學,接著需要找一個做癌症生物學相關的實驗室,把所有實驗技術都學會,接著我們再來談已生物工程的角度來開發癌症相關治療藥物.其實以我的經驗和了解,我會建議將來想以生物醫學工程為職業的人,先從上述的傳統科系中取得一個學士學位,等到研究所再來唸生物醫學工程,如此一來,你也有一個專業來與同學進行交流和學習.

總結上述,其實跨領域的項目是現在最熱門,但也是最辛苦的學科,因為我們需要比其他多花更多的時間,學習不同領域的知識,並且學習跟完全不同領域的人溝通合作,以我而言,我在大學時候學會化工和土木工程相關的知識,並在研究所的時候,獨自把生物,甚至癌症生物學都學會,並成為其專家,如此一來,才能夠在身為研究員的工作中,與不同的專家溝通,合作並完成不同的挑戰,這中間的辛苦大概只能靠毅力和決心才能堅持下去,也希望如果有年輕學生想往這個方面發展,可以努力堅持下去,如果有任何相關問題,都歡迎留言讓我知道!

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