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「燙死」癌細胞的新武器——銅鐵硫奈米材料

109/06/15 瀏覽次數 2233

如何將癌細胞燙死?

 

你是否曾經納悶,為何站在太陽下時,身體會流汗並覺得皮膚燙燙的呢?原因就在身體吸收太陽光的能量,並將太陽能轉換成熱能所導致。近年來,醫療界援用光熱轉換機制,人工製造出類似性能的奈米材料——「光熱敏感材料」,當這種材料被特定光源照射後,能夠有效率地將光能轉換成熱能,造成局部溫度上升。

 

藉由光熱敏感材料的光熱轉換特性,使用紅外光照射後,吸附於癌細胞表面的光熱敏感材料會產生局部高溫燙死癌細胞,提升癌症治療的效果,被稱為「光熱療法」。而台科大化工系張家耀教授團隊所合成的銅鐵硫奈米材料,升溫效果優於現有奈米材料,可望提升光熱療法的療效。

 

圖一:銅鐵硫奈米晶體應用於光熱療法的示意圖(圖/彰師大林泱蔚教授提供)圖一:銅鐵硫奈米晶體應用於光熱療法的示意圖(圖/彰師大林泱蔚教授提供)

 

「銅鐵硫奈米材料」的優勢

 

張家耀團隊所合成的銅鐵硫奈米材料,在紅外光(波長808nm)的照射下,能有效吸收紅外光轉換成熱能。跟其他研究常利用的金奈米粒子相比,銅鐵硫材料對紅外光的吸收度更高,成為光熱敏感試劑的良好選擇。

 

圖二:銅鐵硫奈米材料(黑色)與金奈米粒子(紅色)的吸收光譜圖,箭頭顯示銅鐵硫奈米材料對808nm波長的光的吸收度,比金奈米粒子還要高(圖/彰師大林泱蔚教授提供)圖二:銅鐵硫奈米材料(黑色)與金奈米粒子(紅色)的吸收光譜圖,箭頭顯示銅鐵硫奈米材料對808nm波長的光的吸收度,比金奈米粒子還要高(圖/彰師大林泱蔚教授提供)

 

然而,吸收越多光能,並不代表將光能轉換成熱能的效果越好,因此,研究團隊也測試了銅鐵硫奈米材料的「光熱轉換效率」,架設簡易的光熱轉換實驗裝置,看看在不同的光照時間下,銅鐵硫奈米材料是否會比金奈米粒子上升更多的溫度。實驗結果如圖三,隨著紅外光的光照時間拉長,金奈米粒子的溫度上升1.8℃(黑色),而銅鐵硫奈米材料的溫度則上升達4.0℃(紅色),顯示銅鐵硫奈米材料具有較高的光熱轉換效率。

 

圖三:銅鐵硫奈米材料(紅色)與金奈米粒子(黑色)加熱十分鐘內溫度變化圖(圖/彰師大林泱蔚教授提供)圖三:銅鐵硫奈米材料(紅色)與金奈米粒子(黑色)加熱十分鐘內溫度變化圖(圖/彰師大林泱蔚教授提供)

 

為何研究團隊要比較兩種材料對「紅外光」的吸收度與轉換效率呢?因為相較於其他波長的光源,紅外線光源對人體傷害較低,且具有較深層的穿透性。

 

以紫外線(短波長<300nm)為例,紫外線對人體的傷害比起紅外線(長波長>700nm)要強,所以氣象局每天公布紫外線指數提醒民眾避免過度曝曬;藍光對眼睛的傷害更是人盡皆知,平日觀看手機及電視設備時,都最好選擇能過濾藍光的產品以降低眼睛危害,而在遙控器和耳溫槍等生活用品廣泛應用的紅外光就相對安全。


從肉眼可見的光熱轉換,看見治癒癌症的曙光

 

圖四是以肉眼可見的實驗來顯示,當溫度達31℃時,感溫粉溶液會從紅色轉變為白色,從圖四(A)的左右比較,可以看到混進感溫粉溶液的銅鐵硫奈米材料被紅外光照射10分鐘後,從紅色轉變為白色,圖四(B)為金奈米粒子與感溫粉溶液的混合溶液,無論有無照射紅外光,溶液顏色都沒有變化。證實銅鐵硫奈米材料的光熱轉換效率可以使溫度上升到超過31℃,金奈米粒子則無法達成。

 

圖四:(A) 銅鐵硫奈米材料與感溫粉溶液混合,有/無照射近紅外光10分鐘顏色變化。(B) 金奈米粒子與感溫粉溶液混合,有/無照射近紅外光10分鐘顏色變化。(圖/彰師大林泱蔚教授提供)圖四:(A) 銅鐵硫奈米材料與感溫粉溶液混合,有/無照射近紅外光10分鐘顏色變化。(B) 金奈米粒子與感溫粉溶液混合,有/無照射近紅外光10分鐘顏色變化。(圖/彰師大林泱蔚教授提供)

 

張家耀團隊所研發的銅鐵硫奈米材料,不僅對於紅外光有良好的吸收度,也擁有高光熱轉換效率,加上紅外光對人體傷害較低,可謂具備三重優勢的光熱敏感材料。即使目前光熱療法僅限於表層腫瘤細胞試驗,尚未進入真正的臨床應用,張家耀團隊所製備的新型奈米材料,仍是光熱療法以及癌症治療的重要進展,讓人類在戰勝癌症的道路上,又再次跨出了關鍵的一步。



資料來源
  • 科技部107年度「科轉計畫:前沿科技轉化暨教育應用推廣」專案計畫
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