跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

奈米科技與生物醫學:奈米表面–促進細胞生長的因子

97/11/10 瀏覽次數 17222
自然界中的奈米表面

奈米表面,聽起來似乎是實驗室中的名詞。其實,在日常生活中,奈米表面一直是與我們息息相關的。例如,昆蟲大都體積小、重量輕,如果翅膀上沾有一點點的灰塵或水珠,就會造成左右兩邊重量的不平均,而影響到飛行。然而,很多昆蟲的翅膀都具有奈米表面構造,假使有灰塵或小水滴落在翅膀上,也能輕易地把它抖落,不會影響飛行。

還有一些夜行性的飛蛾,在眼睛的角膜表面上演化出奈米級的細小凸起,形成奈米表面。這些奈米表面可以吸收光線,並且降低反光性,使飛蛾在夜間飛行時能夠避免被敵人發現。

大家都聽過「蓮花出淤泥而不染」,看過荷葉上一顆顆圓滾滾的水珠嗎?它的形成原因就在於荷葉的奈米表面結構。荷葉表面有許多凸起的表皮細胞,表皮細胞上又覆蓋著疏水性的纖毛,就是這些凸起的表皮細胞使水珠在葉面上能自由地滾動。

奈米表面的檢測

過去僅能用一般光學顯微鏡探察物質的表面,近年來顯微觀察技術的進步,已能藉由精良的電子顯微技術觀察或偵測奈米表面的形態。這些常見的電子顯微觀察技術,包括掃描式電子顯微鏡、穿透式電子顯微鏡、掃描穿隧顯微鏡、表面電位顯微鏡、原子力顯微鏡等技術。

不過,由於顯像的方便性、迅速性、靈敏性與解析度的需求,比較常用的是原子力顯微鏡。當黏附在懸臂式彈簧片上的顯微掃描探針尖端與樣品表面接近時,因力場而產生作用力,造成懸臂簧片的微小偏折。利用這個簧片的彈性變形量,轉換成電子訊號,便可以把樣品的表面形態以圖像的方式展現出來。

奈米表面的製備

在生醫科技領域中,奈米表面的製備方法主要有下列幾種。

把高分子接枝在材料表面 這是一種簡便易行的方法。把不同分子量或鏈長的高分子接枝在材料表面上,以形成奈米表面結構。例如,把不同分子量的聚乙二醇接枝在聚胺酯表面上,便可以形成奈米表面。

半導體微加工 以半導體微加工技術,利用光蝕刻、化學蝕刻等方式,製作微細的立體結構,以形成整齊的奈米表面。蝕刻通常是指利用化學反應或物理撞擊作用把材料移除。

噴霧造粒 利用噴霧方式把奈米粒子均勻噴灑在材料表面上,以形成具有均勻分布的奈米粒子的表面。這一種方法可以應用在金屬材料表面上。

電化學沉積 利用電化學沉積的方式製作出奈米金屬表面。

奈米表面與細胞生長

在生物醫學材料的研發中,為了修補體內組織而製造與組織相似或有利於組織細胞生長的環境,是目前的研究主題之一。在各種生醫材料中,首先必須考慮的是生物相容性、生物可吸收性,以及促進組織再生的功能性。

奈米材料大多以金屬、陶瓷和高分子聚合物為主要的組成物質。經過證實,材料的物理特性,像是分子量、結晶性、粗糙度及孔隙度,以及包括材料與細胞的交互作用、降解程度等的化學特性,都會影響到細胞的貼附、生長行為,以及組織的正常功能。

不同的細胞對材料有不同的適應性,其中,細胞在材料表面上的貼附及生長情形是研究的主要重點之一。因為讓培養的細胞能充分貼附在材料表面上,才能促進細胞後續的生長。因此,許多生醫材料或組織工程的研究學者會專門針對材料表面的性質,做更深入的探討。

細胞貼附及生長在材料上的情形,會受到材料的親疏水性、表面電荷,以及表面粗糙或多孔性質的影響。視細胞的不同,改變材料表面的各種性質,例如製造奈米表面,能有效地增進細胞的貼附與生長。

關於生醫材料奈米表面的製備,有兩種簡便又容易製造的方法。

化學接枝表面改質 化學接枝表面改質就是把不同分子量或鏈長的高分子接枝在材料表面上,形成奈米級的表面結構。當聚胺酯材料表面接枝不同分子量的聚乙二醇,而形成有粗糙度的奈米表面時,表面的奈米粗糙度會大於接枝單一分子量的聚乙二醇。使用原子力顯微鏡觀察後發現,利用不同分子量的聚乙二醇接枝的表面的平均粗糙度,比接枝單一分子量的聚乙二醇的平均粗糙度,要多出 19.7 奈米。

血管內皮細胞實驗也顯示,細胞生長在接枝不同分子量的聚乙二醇的聚胺酯表面上,數量會比在接枝單一分子量的聚乙二醇的聚胺酯表面上多出35%。如果在奈米表面上接枝一個可以促進細胞貼附的胺基酸序列,像是甘胺酸-精胺酸-甘胺酸-天門冬胺酸,相較於接枝在未經改質的表面上,細胞的生長可以增加大約 30%。不過,不論在材料表面是否有接枝胺基酸序列,奈米表面都對細胞的生長有正面的影響。

化學蝕刻表面加工 除了以接枝方法製造奈米表面外,也可以利用簡易的蝕刻方式,藉由控制蝕刻溶劑的揮發速率,製造不同的奈米表面。例如,使用丙酮把一種高生物相容性、生物可吸收性,稱作聚己內醯胺的生物醫學材料,蝕刻形成奈米表面鑄模,再利用這一個鑄模拓印出需要的奈米表面。如果再加入一種由蝦蟹殼經酸鹼處理加工後得到的多醣類-幾丁聚醣溶液,便可以得到具有奈米表面的幾丁聚醣薄膜。

成人的皮膚細胞實驗顯示,把細胞培養在材料上,經過 7 天以後,細胞生長在幾丁聚醣薄膜的奈米表面上的細胞數目及活性,比在沒有奈米表面加工的幾丁聚醣薄膜上增加了 25%。

經由上述簡單方法製作的奈米材料表面,都可以增進細胞在材料表面上的生長。但如果想要奈米表面具有高度的均勻性,還可以援引半導體微加工技術加以改進。除了可以增進細胞在材料上的貼附外,更可以使細胞的貼附具有特定的方向性,方便在生物晶片、神經導管等組織工程領域中的應用。此外,不同粗糙度的奈米表面可能對不同的細胞有不同的效益,因此,值得更進一步研究奈米表面對不同細胞的效應,以及生物訊號傳遞的機制。

目前,器官捐贈與移植的速度總是趕不上須接受移植治療的病患需求。未來期望能利用各種組織工程技術,像是現在很熱門的奈米電紡絲立體支架技術,來量身訂做需要的器官。例如,藉由這些組織工程的技術,把細胞移植在具有奈米表面的立體生醫材料支架上,以增進細胞的生長,加快形成病患所需要移植的組織及器官,而不再受限於捐贈者的不足。

把奈米表面的製造方法建構在奈米電紡絲纖維的支架表面上,可製成人工神經導管、人工血管,甚至人工肝臟等人工器官,並且可以快速地培養含有適量細胞的人工器官,再藉由外科手術植回病患體內,以取代受損的器官。相信在不久的將來,人們就可以利用組織工程技術治療受損傷的組織,增進生活的品質。

深度閱讀
  1. 南區奈米科技 K-12 教育發展中心–丁志明、方冠榮、吳季珍、周維揚、胡裕民、翁鴻山、陳東煌、傅昭銘、馮榮豐、黃榮俊、黃耀輝、張鼎張、劉全璞、蔡振章、蕭璦莉、謝達斌(民 94)奈米科技:基礎、應用與實作,高立出版社,臺北縣。
  2. 黃德歡(民 91)改變世界的奈米技術,瀛舟出版社,臺北縣。
  3. 鍾竺均,陳偉(民 96)生物技術概論,新文京開發,臺北縣。
  4. Li, C., C. Vepari, H.J. Jin, H.J. Kim and D.L. Kaplan (2006) Electrospun silk-BMP-2 scaffolds for bone tissue engineering, Biomaterials, 27, 3115-3124.
  5. Unger, R.E., K. Peters, M. Wolf, A. Motta, C. Migliaresi and C.J. Kirkpatrick (2004) Endothelialization of a non-woven silk fibroin net for use in tissue engineering: growth and gene regulation of human endothelial cells, Biomaterials, 25, 5137-5146。
  6. Chung, T.W., D.Z. Liu, S.Y. Wang and S.S. Wang (2003) Enhancement of the growth of human endothelial cells by surface roughness at nanometer scale, Biomaterials, 24, 4655-4661。
OPEN
回頂部