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跨入醫材領域的仿生功能性高分子
 
 

物理交聯型超分子薄膜應用於組織工程支架:新型生物可降解性超分子薄膜已成功開發,藉由多重氫鍵作用力的誘導建構非共價鍵結的網絡結構,不僅能有效調控材料的結晶性能、補強組織基材的機械強度、提高基材的親水性及生物相容性,在超分子基團的支配下,還可大幅提升細胞的活性及增殖能力。
▲物理交聯型超分子薄膜應用於組織工程支架:新型生物可降解性超分子薄膜已成功開發,藉由多重氫鍵作用力的誘導建構非共價鍵結的網絡結構,不僅能有效調控材料的結晶性能、補強組織基材的機械強度、提高基材的親水性及生物相容性,在超分子基團的支配下,還可大幅提升細胞的活性及增殖能力。

臺灣科技大學應用科技研究所鄭智嘉副教授從事高分子領域研發多年,以仿生性高分子材料開發出可針對癌症治療的藥物載體,跨入生醫材料領域。

 

超分子應用於醫材領域

 

鄭老師說,超分子化學是化學的一門分支,1987年諾貝爾獎得主Jean-Marie Lehn把它定義為「研究分子組合與分子間鍵結的化學」。超分子化學著重分子間一些較弱且具可恢復性的非共價鍵結,隨著這門學問的迅速發展,在生物醫學與材料科學的應用越來越廣泛。

 

近數十年來,有機合成技術愈來愈成熟,化學家開始把超分子的概念應用到傳統的有機合成中。簡單來說,超分子化學就是探討分子之間的非共價性作用力,泛指兩個以上的化學物質或單元經由分子間特殊的吸引力結合成新的化學結構。透過這種特別的作用力,會產生與原來單元不同的化學與物理特性。這種超分子行為在生物體中一直都廣泛存在,因此在仿生材料的應用頗具潛力。

 

仿生性高分子材料與互補性分子進行氫鍵的自組裝後,可以有效操控高分子結構的排列,這是一種藉由生物官能基控制高分子奈米型態的技術。目前已成功延伸至類高分子(polymer-like)的超分子薄膜開發、藥物釋放微胞及組織工程支架的製備,也持續應用於有機發光元件及DNA 萃取分離的應用。

 
物理交聯型單鏈高分子微胞:新一世代的藥物釋放材料製備容易且有很高的藥物負載量、釋放選擇性及穩定性。在體外細胞癌細胞株實驗中,不僅能精準控制藥物釋放的速率,更能觀測到藥物胞吞作用(endocytosis)的過程,證實這材料能有效提升藥物釋放的療效,且有拓展至人體抗癌治療的發展潛力。
▲物理交聯型單鏈高分子微胞:新一世代的藥物釋放材料製備容易且有很高的藥物負載量、釋放選擇性及穩定性。在體外細胞癌細胞株實驗中,不僅能精準控制藥物釋放的速率,更能觀測到藥物胞吞作用(endocytosis)的過程,證實這材料能有效提升藥物釋放的療效,且有拓展至人體抗癌治療的發展潛力。

研發獲台灣專利

 

在臺灣科技大學及有關單位的協助下,鄭老師的研究開發已順利申請到專利。他進一步說明,高分子微胞可作為藥物傳遞的途徑,而這次的專利內容著重在超分子微胞的開發及其活性物質傳遞的特性探索。

 

一般而言,癌症治療時用藥安全與藥效間有個最佳的平衡,但實務上卻有包覆穩定性不佳、細胞內藥物釋放速率太低等問題。對於癌症細胞,這兩項缺點容易導致藥物毒性不足,且併發其他病理症狀。因此需要一種有效、穩定的藥物傳遞媒介,以免藥物在癌細胞外就被釋放,並確保藥物進入目標細胞後可以在短時間內完全釋放。

 

應用在癌症治療領域

 

鄭老師說,一般癌症治療時,不論離患部多遠或多近,都是透過靜脈注射對病兆細胞進行注射治療。在這過程沒有人敢打包票載體在運送中途不會釋放藥物,尤其是這些藥物都有很高的毒性,因此化療常會產生很多的副作用。

 

為了解決現時材料所存在的物質包覆穩定度不佳以及釋放速率過慢的缺點,鄭老師嘗試利用功能性高分子作為藥物的載體,再透過特定的條件設定其使用安全的模式,把藥物傳載至患部進行有效的治療。

 

藥物傳遞系統的效率與穩定性,可藉由外在環境的刺激來控制。據研究,在各種刺激的因素中,溫度對腫瘤的效應特別突出。在人體中,腫瘤通常具較高的溫度,比如正常的細胞是攝氏37度,腫瘤區塊的溫度則介於攝氏39~44度之間。因此藉由溫感性超分子微胞對環境溫度的敏感特性,在正常的人體溫度下其會安定地傳輸藥物至腫瘤內部,隨後在遭遇高溫的腫瘤環境時迅速釋放藥物,以降低腫瘤的活性,有效提升整體抗癌治療的效益。

 

鄭老師說,這項研發接下來需解決的問題包括:生物降解性、體內代謝性、標靶傳輸的特性等。而下一個目標會放在人體實驗的階段,希望能對國內生醫研究及相關產業帶來助益。

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