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奈米再生醫療 II–奈米壓印技術

不同技術領域的橫向相結合,一直是科技創新的最好方法;將光電半導體領域中的奈米壓印技術應用在再生醫療就是1個很好的案例。藉由奈米壓印出微細流道元件,為細胞構築1個完善的居住基質(scaffold),將組織與細胞放在此奈米結構體內,進行培養與分離,使細胞分裂、成長、及分化的成功機率變高,同時也利用壓印的可快速複印與大量製造的優點,大大降低再生醫療的成本
 
 
 
2014年5月國立科學工藝博物館和科技部合作,舉辦為期8天的「2014奈米科技教育研究成果推廣嘉年華會」,會中除展示2013年第1期展品外,也將近年奈米科技領域重要研發亮點-「奈米壓印技術」,以淺顯易懂手法呈現,讓觀眾輕鬆學習奈米科技的神奇奧秘。

不同技術領域的橫向相結合,一直是科技創新的最好方法;將光電半導體領域中的奈米壓印技術應用在再生醫療就是1個很好的案例。藉由奈米壓印出微細流道元件,為細胞構築1個完善的居住基質(scaffold),將組織與細胞放在此奈米結構體內,進行培養與分離,使細胞分裂、成長、及分化的成功機率變高,同時也利用壓印的可快速複印與大量製造的優點,大大降低再生醫療的成本。

在生醫領域常用的微細流道元件,是細胞培養的重要元件,早期都是用塑膠射出成型或是玻璃基板蝕刻加工的方式製造出微細流道;然而微流道體的結構通常為十幾μm到小於1μm的直徑結構。以射出成型的微流道體有精度不足的問題,而使用蝕刻方式卻讓再生醫療的成本居高不下;然而再生醫療已越來越趨細微化與奈米化,此時若又要同時兼顧低成本的考量,奈米壓印技術勢必成為不二人選。

近幾年日立製作所更開發出以奈米壓印技術,低成本大量複製出直徑1μm左右,高度數十μm的微小柱狀結構體,形成陣列狀的細胞培養板(Nanopillar)。利用奈米級結構陣列進行細胞培養,大大改善培養後細胞之離型性,抑制離型時細胞活性降低的問題。

如何構築1個細胞喜歡居住的基質,使這些細胞分裂、成長、及分化成具有特定功能的細胞,進而繁衍成特定的組織與器官?這些就是再生醫學的關鍵,其中最重要的幾個條件就是:(一)堅固的奈米結構,讓再生過程中不會有坍塌崩化的形況。(二)良好的生物相容性防止細胞凋零死亡。(三)加工出來的居住基質,表面需具有適合組織與細胞貼附成長的開放性孔洞結構以利養分供給。

這些關鍵性的因素成敗著細胞再生與否,這也是再生醫療成本居高不下的原因;然藉由引進奈米壓印技術後,讓再生醫療技術這些嚴苛的要求,變得輕而易舉達成。

奈米壓印主要是將立體微細流道,利用雷射雕刻在石英玻璃上成為母模(master stamp),在轉印構形的過程中,以矽膠聚二甲基矽氧烷(PDMS, polydimethylsiloxane)當作介質,將微流道壓印在軟性的PDMS矽膠材質上形成工作模(working master),後續將可以多次翻印子模的微結構在高分子基材上,此翻印方式不僅成本低廉,也可以保護母模不直接翻印在高分子材料上而讓沾粘問題損傷母模的精細結構。

生物組織再生工程與半導體的奈米壓印,兩者是相差甚遠的技術,彼此交集更是有限,但是跨領域的橫向整合,卻讓奈米壓印技術解決了基質結構體的製造問題,讓再生醫療的細胞培養,可用更低成本與大量生產方式達成。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿/103年/06月)

責任編輯:楊谷洋|國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊
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