分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

有機生物電子材料:連結細胞與元件,實現《攻殼機動隊》科幻未來的鑰匙

「有機生物電子材料」是什麼?

尤嘯華常跟學生說:「左手掌握分子,右手掌握奈米,就可以做很多事!」在中研院化學所尤嘯華副研究員的實驗室中,藉由模仿生物體結構,設計不同的有機導電高分子化合物。目前已合成許多仿生材料,將能因應不同領域的需求,開發出各種生物電子元件。

有機生物電子:「電子元件」結合「生物醫學」

「生物電子」技術不只存在於《攻殼機動隊》的草薙素子、《海賊王》的佛朗基體內,現今許多醫療發展,也在研究如何將電子元件植入生物體內,藉此了解神經退化疾病,或是篩選、純化癌細胞等等。 圖片來源/iStock

我們很常遇到的問題是,別人認為電子元件與生物體接觸的「介面材料」不重要,有些只專注於優秀的電子元件,但若沒有良好的接觸介面,遲早會有問題。

尤嘯華點出這個容易被忽略的問題,將電子元件放入生物體內時,大多只在意電子元件本身的功能,卻鮮少留意生物體的細胞是否會接受這個電子元件、是否會產生危險的異物反應。

生物體由有機分子組成,尤嘯華團隊開發的生物電子材料也由有機分子構成。在團隊的「有機智慧材料實驗室」中,開發出各種有機導電高分子化合物,可運用於生物醫學領域,做為人機裝置的介面材料——也就是「電子元件」與「生物體」接觸的那一層「薄膜」。不但有助電子元件完成任務,也提升電子元件與細胞接觸的相容性。

一般對「材料」的理解可能是:一塊石頭就是一塊石頭、一塊鋼鐵就是一塊鋼鐵。但「有機生物電子」所運用的「有機智慧材料」,取師於大自然中常見的含羞草,若用指尖給予含羞草壓力,植物細胞結構變化會帶動開闔反應。

記憶金屬、熱反應及光反應等智慧材料,就好比含羞草,若遇到環境中的觸發機制,會隨之產生響應式的分子結構變化。

尤嘯華仔細尋找著電腦中密密麻麻的資料夾,找出常用來向大家介紹的兩個有機生物電子研究:「仿生細胞薄膜」與「奈米晶片追蹤癌細胞轉移」。 攝影/張語辰

仿生細胞薄膜:讓電子元件與細胞順利互動

雖然生物體的中樞神經、腦細胞對「電流」訊號有反應,但若直接將電子元件植入體內,例如心臟血管支架或是矽晶片,可能會被細胞排斥、產生異物反應。因此,需要一個「模仿生物細胞結構」的「薄膜介面」,鋪設在植入生物體內的電子元件上,讓電子元件得以穩定地和生物細胞互動。

若將「目標細胞」比喻為「鎖」,則「仿生細胞薄膜」的分子結構就像一把「鑰匙」,要能與鎖的洞口相容,並開啟生物反應機制。

「仿生細胞薄膜」的原理,就是藉由了解細胞膜如何辨識體外的組織,來模仿細胞膜的成分與結構。

雖然過去的研究中,有些認為直接以「高分子」作為介面材料即可,但尤嘯華認為「有機導電高分子材料 (PEDOT) 」打造的「仿生細胞薄膜」是更好的選擇,因為本身可以導電傳輸訊號、又帶有模擬生物分子機制的特性,可以作為電子元件和細胞的黏著劑,或成為傳遞生物訊號的通道,也有助延長電子元件的壽命。

(1)細胞膜上的特定受器 (integrin) 會辨識「仿生細胞薄膜」上的特定胜肽 (peptide),宛如鎖孔與鑰匙結合。(2)為了避免細胞非特異性的沾黏,「仿生細胞薄膜」還需加上模仿細胞膜的親水性結構。 資料來源/尤嘯華提供。圖說重製/王怡蓁、張語辰

奈米偵測晶片:追蹤癌細胞數量與特性

由於某些癌症不容易切片檢驗,例如腦癌或肺癌,因此將「奈米偵測晶片」放入抽血得到的血液中,可以偵測到從原生腫瘤或轉移性腫瘤脫離出來、透過循環系統轉移的癌細胞,更準確且更方便地取得癌症資訊。

「奈米偵測晶片」加上特別設計的有機奈米結構,可用來辨識血液中的癌細胞、計算數量變化、或抓取純化癌細胞,提供數據給醫生參考。

尤嘯華團隊研發的另一個仿生細胞薄膜應用,就是透過「奈米偵測晶片」抓取血液中的「循環癌細胞」,以利後續純化出癌細胞,分析其數量變化及基因資訊。 資料來源/尤嘯華提供 圖說重製/王怡蓁、張語辰。

這項技術主要是利用有機導電高分子的奈米結構,裝上硼酸分子的官能基團,會跟癌細胞抗體上醣尾端的寡醣產生鍵結,奈米偵測晶片就能把循環癌細胞抓取下來,並進一步純化細胞。

這能用來偵測前列腺癌的癌細胞 RNA 訊號變化,幫助醫生從血液中的資訊判斷哪個病人是前列腺癌的高危險群。另一個可能性,也有機會運用於孕檢,孕婦只需抽血檢查,就能透過「奈米偵測晶片」偵測胚胎中紅血球的特性。

這項從 2008 年左右開始與 UCLA 的曾憲榮教授合作進行的「奈米偵測晶片」研究,尚有一些挑戰待優化。首先,癌細胞的量非常稀少,如何抓到取出體外,這過程很困難;其次,要確保取出的癌細胞,在離開存活環境後的生物訊號不會變質。

「我希望跟合作夥伴可以有正向循環,而不是做好一個東西讓你直接用。」尤嘯華期待能與更多醫療和生物團隊合作、討論,優化材料和元件的設計。 圖說設計/王怡蓁、張語辰。

問:科幻電影有人體植入晶片的情節,這有可能嗎?

答:科幻電影其實是很有啟發性的,對科學家來說,沒有什麼事是不可能的。只要是可以幫助人們的技術,我都願意嘗試發展。

例如,最近我們實驗室有個技術,可能有機會應用於研究神經退化疾病。透過設計生物電子元件的官能基團分子結構,可以培養取出體外的「神經細胞」,並在體外給予電流刺激、培養神經細胞。當神經細胞長好後,可以再透過生物電子元件,將它放回生物體內,確保神經細胞不會被破壞。

透過會沾黏、不沾黏的導電高分子材料 (PEDOT) 介面設計,讓有些地方跟神經細胞產生鍵接,控制神經細胞在介面上產生格狀排列。 資料來源/尤嘯華提供。

問:為何會想把「電子元件」跟「生物體」結合?

答:台灣的強項是電子產業,但我想做些不一樣的事,我喜歡原創性、概念性的研究項目。

我在美國麻省理工學院有機化學博士班時,原本研究的是「化學偵測器」,後來對「生物偵測器」也產生興趣。這兩者的設計原理相近,但偵測的對象不同。化學偵測器用於偵測炸藥或是環境中的污染物,而生物偵測器用來偵測生物體內物質的改變,像是蛋白質、醣類或 DNA 的變化。這些生物電子的開發都相當有趣,有許多醫生或是電機專業的研究人員投入研發,卻缺乏更多「材料」的開發。

現在我們實驗室的成果是從 2004 年就開始研發的,當時單純只是想知道電子元件如何進入生物體內,是否能以「有機分子化合物」的材料來協助。例如,蛋白質的胺基酸都是一樣的醯胺鍵鏈結,但在分子結構中不同的地方裝上不同的官能基,會創造出各式各樣的用途。我們的研究目標不只著重於應用層面,也希望能開發出更多有機智慧材料。

問:研究過程中,遇到的困難?

答:

最大的挑戰是與不同領域的人溝通,還有找到願意理解不同領域語言的夥伴。

在有機生物電子元件的研究過程中,需要各種合作夥伴。在前端可能要有生物學家,而且是研究分子基理的專家,而應用端則需要醫生,這樣才能知道醫界的需求是什麼。剛開始還沒有研究成果時,很難說服其他領域的人合作,所以我試著到不同領域的研討會演講,主動尋找更多合作機會。

問:研發這些生物電子材料,都能派上用場嗎?

答:(思考了幾秒後說)我們實驗室已經研發出很多介面材料,但是到底有什麼可以真正拿來應用?從科學、到科技、到應用、再到產品,這個過程非常困難,而走上市場的這條路更是艱辛。

以我博士班的指導教授 Timothy M. Swager 為例,他應用先進的科學原理,花了十幾年研發,開發出偵測 TNT(三硝基甲苯)氣體的機器,現在已經應用於阿富汗及伊拉克戰區,用來偵測炸藥及詭雷 。這是我研究生涯中,最受到啟發的事。這也不能只靠一己之力,未來我希望可以跟更多團隊合作,開發出可以改變人類生活的應用。

就算開發了 100 個材料都沒用,但第 101 個可以進入市場、幫助到別人,那就很好了。

延伸閱讀

 

CC 4.0

 

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

你的行動知識好友泛讀已全面上線

每天有成千上百則內容透過社群與通訊軟體朝你湧來,要從混雜著偽科學、假消息、純八卦的資訊中過濾出一瓢知識解渴,在這時代似乎變得越來越難?

為了滿足更多跟我們一樣熱愛知識與學習的夥伴,現在我們很害羞也很驕傲地宣布,手機閱讀平台——泛讀 PanRead iOS 版和「泛讀」Android 版都上架啦!使用後有任何心得或建議,都歡迎與我們分享喔

立即下載 優質知識不漏接

 

 

 

關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。
網頁:研之有物
臉書:研之有物@Facebook