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「燙死」癌細胞的新武器——銅鐵硫奈米材料

每年殺死地球900多萬人口的癌症,是人體健康的頭等心腹大患。藉由將光能轉換為熱能的奈米材料,以熱能製造高溫燒死癌細胞的光熱療法,是廣受矚目的癌症醫療研究新方向。臺灣科技大學化學工程學系張家耀教授率領團隊研發出新型的銅鐵硫奈米材料,比起一般的奈米材料,在紅外光下可吸收更多光能、製造更高溫度,為台灣癌症醫療研究寫下新頁。
 
 

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。



 
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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