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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

研之有物│中央研究院_96
・2017/11/16 ・3664字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

「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


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今年夏天絕不能錯過——「搞笑諾貝爾獎世界展」首度登台!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/05/17 ・1966字 ・閱讀時間約 4 分鐘

你一定知道諾貝爾獎,但你知道世界上竟然還有搞笑諾貝爾獎(Ig Nobel Prize)嗎?搞笑諾貝爾獎是對諾貝爾獎的有趣模仿,甚至還會邀請真正的諾貝爾獎得主來參加!

搞笑諾貝爾獎由美國的科學雜誌《不可思議研究年報》的主編馬克·亞伯拉罕斯發起,每一屆都號稱「第一屆」,每次都會頒發十座獎盃給各領域中「無法被複製」或「荒唐到不應該再來一次」的研究者,頒獎要旨是希望讓大家能夠"先大笑,再思考"。臺灣也有多位學者共襄盛舉,並曾六度獲獎,臺灣立法院更曾拿下和平獎,其中原因竟然是因為他們以打架替代戰爭!典禮現場更是充滿歡笑,讓人佩服科學家怎麼一本搞笑做研究!

搞笑諾貝爾獎頒獎現場超搞怪!

  • 量身打造獎盃,每年都以當年獲獎的研究為靈感,製作不同主題的獎盃!
  • 不值錢獎金,得獎者會獲得比壁紙還不值錢的高額辛巴威幣作為獎金。
  • 甜便便小姐,得獎者只有 60 秒的時間能發表感言,只要一超時,年幼的「甜便便小姐」就會大叫:「請停下來吧!煩死人了!」直到得獎者下台。
  • 全場亂飛的紙飛機,頒獎典禮中會安排一名背著一個紅色靶心的人,讓台下觀眾將手中紙飛機射向台上的靶心。
2009 年的得獎者們。

今年夏天搞笑諾貝爾獎世界展將首次登台!廢到笑的研究與發人省思的成果,一次集結歷屆讓人目瞪口呆的得獎研究及五大互動體驗,讓你一本正經的捧腹大笑!展區內充滿更多腦洞無極限的幽默科學得獎,一定要揪朋友一起來漲知識。

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ㄎㄧㄤ到爆獎項搶先看

搞笑諾貝爾獎世界展將集結眾多搞笑諾貝爾獎的獲獎研究,其中有許多讓人會心一笑的內容,像是鴿子也懂藝術?日本學者就曾做過實驗,證明鴿子可以分得出畢卡索和莫內的畫;在野外遇到熊怎麼辦?只要穿上防熊裝就不用怕;指甲刮黑板的聲音經研究證實為世界上最讓人痛苦的聲音!

曾有科學家發明出可迅速變身防毒口罩的胸罩,並成功獲得搞笑諾貝爾獎的公共衛生獎,其發明聽起來很荒謬,但背後原因是胸罩是會隨身穿戴的物品,能夠在緊急時刻變成防毒口罩保護他人,符合了搞笑諾貝爾獎頒獎要旨「先大笑,再思考」,另外還曾有一年的「獸醫學獎」頒給發現幫乳牛取名字,就能夠增加產乳量的專家學者!以及最經典的貓貓是液體嗎?也都存在於搞笑諾貝爾獎的得獎研究裡!

  1. 鴿子也懂藝術?|連鴿子都分得出畢卡索和莫內的畫!
  2. 野外遇到熊了怎麼辦?|穿上防熊裝,再也不怕!
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  4. 用「屁」交流!|看看鲱魚怎麼用放「屁」溝通!
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  6. 最討厭的聲音!|指甲刮黑板太邪惡了!
  7. 如何增加乳牛的產乳量?|不妨給牠取個名字吧!
  8. 胸罩變口罩|在突發的緊急狀況時胸罩變防護口罩!?  
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五大互動體驗,只有實驗了才知道

展區現場將規劃五種關於搞笑諾貝爾獎得獎研究的實際互動體驗,讓你能夠化身為小小研究學者,一起來實際試試看、探討世界上經典的搞笑研究!

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 圖/歷屆得獎者授獎畫面
圖/日本展出現場照

展覽資訊

  • 展覽名稱:搞笑諾貝爾獎世界展
  • 展覽日期:2022 年 6 月 25 日(六)至 2022 年 9 月 11 日(日)
  • 展覽地點:國立臺灣科學教育館 七樓南側特展區(臺北市士林區士商路 189 號)
  • 展覽時間:平日9:00-17:00/週末、國定假日、暑假 9:00-18:00
    (閉展前 30 分鐘停止售票及入場)
  • 休展日:6/27(一)、9/5(一)
  • 主辦單位:寬宏藝術經紀股份有限公司、三貝多股份有限公司
  • 企劃單位:株式会社ドリームスタジオ(Dream Studio Company)
  • 授權單位:IMPROBABLE RESEARCH, INC.

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