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奈米科普系列演講-奈米科技在生物醫學上的應用

新店高中生物科教師柯如營
2005/04/08北區奈米科技K-12人才培育科普系列演講

科技的發展一日千里,而人類度量世界的尺度也隨之擴大與縮小中,過去在物理化學上得到的規則,卻在奈米化的物質呈現截然不同的結果,使得科學人在對於奈米科技探索的狂熱,如火如荼的蔓延至世界每個角落。生物與醫學界也不落人後,結合材料的研發,開發奈米載體,進行奈米感測與診斷技術的研究,希望能夠應用於醫療上,為人類的福祉謀幸福,工研院提出的「奈米生物技術發展規畫」(圖一)中,結合研究機構,有次序的發展奈米科技在生醫的應用。以下就目前的發展方向以及現有的例子向大家說明:

圖一:奈米生物技術發展規畫
資料來源:工業技術研究院

(一) 奈米生物學的研究
  >細胞內各胞器的構造與功能:使用AFM結合抗體了解膜蛋白的構造,奈米圓盤
>細胞內外生物物質、能量與訊息傳導途徑
>生物反應機制
>奈米級生物分子工程:RNA奈米馬達
   
(二) 生物標記與生物感測
 
1. 磁性奈米顆粒的應用
(1)檢測病毒存在
(2)分離生物細胞
2. 以MRI觀察活體內的基因表現:將MRI--reporter gene與治療基因合成重組DNA,一同送到目標細胞內,目標細胞合成MRI-reporter gene的產物(ex.儲鐵蛋白),便可由MRI觀察活體細胞內治療基因的表現。
3. 量子點的應用
(1)細胞螢光染色
(2)觀測活體細胞內蛋白質活動
(3)偵測早期癌症
4. 奈米鼻子:利用奈米碳管製成高靈敏度氣體偵測器,可偵測對人體有害的氣體(NO2、NH3)
5. 炭疽偵測器:將炭疽桿菌或其孢子打破,以PCR技術放大特有的基因片段,透過螢光呈色確認炭疽桿菌的濃度。
   
(三) 醫學診斷與監測
 
1. 生物晶片
(1) DNA晶片:DNA晶片表面連接特定的DNA片段,將測定對象的核酸序列經過處理與標定,再與生物晶片混合,若兩者序列互補,晶片表現會發出螢光,故晶片表面呈色深淺,代表基因表現強度
(2) 蛋白質晶片:晶片表面連接結合特定抗原(蛋白質)的抗體,利用抗原-抗體專一性結合的特性,分析基因於蛋白質階段表現的差異性;可應用於癌症檢測
2. 先進無限生醫保健系統:將體內生醫資訊(脈搏、心電圖、體溫)以無線電波傳送至資訊中心進行彙整,應用於遠端的醫療監測
   
(四) 有機奈米生醫材料
 
1. 藥物
(1) 巴克球(C60)可抑制HIV的複製
(2) 台大抗煞一號:SARS病毒接觸抗煞一號(8-氫氧基辛烷酸)後,套膜會崩解,失去致病力
(3) 奈米中藥噴劑:治療鼻部不適的中藥經奈米化後,可提高吸收力
2.

生物導彈-藥物釋放系統

(1) 金奈米殼:以磁場引導金奈米殼至特定位置,可利用紅外線加溫直接殺死腫瘤細胞,或間接透過加溫使金奈米殼解體,定點釋放藥物
(2) 微脂體:由磷脂質組裝成具雙層膜的空心微粒,內部可裝載藥物
(3) 有機樹狀體:人造聚合物構成外殼,內部空腔可填充藥物
(4) 智慧奈米載體:利用溫度與酸鹼度控制載體釋放藥物
(5) 人工胰島膠囊:以矽薄膜製成膠囊外殼,內含β細胞可持續分泌胰島素
3. 有機奈米生醫材料
(1) 人工髖關節表面的奈米塗料
(2) 奈米纖維繃帶:血纖維蛋白原之奈米化
   
(五) 自體組合系統
 
1. 核酸分子自體組合系統:應用於多維的構造控制、拓樸學、分子光電元件、電子傳遞、電子通道、奈米級感測陣列晶片
2. 蛋白質分子自體組合系統:應用於電腦及光學辨識記憶之分析應用、電子通道
3. 脂質分子自體組合系統:應用於人造細胞膜、微脂粒應用於藥物傳遞
   
(六) 仿生物感測元件
 
1. 人工視網膜:人工突觸晶片
2. 人工味蕾
3. 人工嗅覺:電子鼻
   
當我們持續研究奈米科技在生物醫學上的應用,但是這些奈米材料進入人體後,生物相容性的問題卻受到大家質疑,再者,奈米顆粒殘留人體內,會不會持續堆積成團,造成發炎反應,如同我們對基因改造作物的憂慮,許多科學家努力探討奈米材料對人體的影響。當科技的巨輪向前滾動,我們能以更高的智慧,面對奈米時代的來臨。
 
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