GaN 目前用在許多技術中,從 LED 照明到光感應器,但其在生醫植入物中卻未被廣泛使用。然而,來自 NC State 與 Purdue 的新發現意味著 GaN 在一系列可移植技術中前途無量 — 從用於阿茲海默症神經刺激療法中的電極到用來監控血液化學物質的電晶體。
“第一項發現是,GaN,不像其它已被考慮用於生醫植入物的半導體材料,是無毒的。這把對於環境與病患的風險降到最低,” Dr. Albena Ivanisevic 說,他是一篇描述此研究之論文的共同作者。Ivanisevic 是 NC State 材料科學與工程副教授,以及 NC State 與北卡羅萊納大學 Chapel Hill 分校聯合生醫工程計畫的副教授。
研究者使用質譜儀技術來研究,當材料暴露在各種模擬人體內部條件的環境下時,有多少鎵會從 GaN 釋出。這很重要,因為鎵的氧化物有毒。不過研究者發現,GaN 在這些環境中非常穩定 — 由於釋出的鎵總量非常稀少,以至於它是無毒的。
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研究者也想測定 GaN 的潛在生物相容性。為了這麼做,他們將胜肽(peptides) — 構成蛋白質的基石 — 與 GaN 材料結合。研究者接著將塗佈胜肽的 GaN 與未塗佈的 GaN 放入細胞培養中,看看材料如何與細胞互動。
研究者發現,塗佈胜肽的 GaN 與細胞結合的效率更好。尤其是,當更多細胞結合到此材料時,這些細胞會擴散到一個更大的區域。
“眾多生醫植入物(例如感應器)所面臨的一個問題是,它們在體內會被生物材料包覆,我們已證明,我們能將 GaN 塗佈會吸引細胞並與之結合的胜肽。這指出,我們也能夠將 GaN 塗佈防止細胞生長的胜肽 — 使植入物保持「乾淨」。我們下一步將會是探索在 GaN 使用這種「抗污(anti-fouling)」胜肽。”
許多科學家指出,阿茲海默症患者在早期通常會表現出兩種顯著的特徵。首先,患者大腦中的某些區域,會減少對葡萄糖的吸收和代謝,因此有人將阿茲海默症稱為「大腦糖尿病」或「第三型糖尿病」。其次,大腦神經元內的能量工廠粒線體,不論是數量或功能都出現下滑,導致 ATP 產量減少。這兩項特徵都顯示生存開關可能涉入其中。
生存開關活化導致特定腦區的功能受到短期抑制,一開始的確能帶來生存優勢,但如果是反覆或慢性的刺激,反而可能導致腦部損傷。這些重要的神經元長期得不到足夠的葡萄糖,最終可能因為營養不良而功能受損。而且果糖代謝會對粒線體造成氧化壓力,使得 ATP 產量減少,更使狀況進一步惡化。一旦 ATP 濃度過低,神經元會死亡,最後的結果就是阿茲海默症。依此觀點來看,阿茲海默症患者大腦的後續變化,例如澱粉樣蛋白和濤蛋白的積累,都是次要的,而阿茲海默症的根本原因,主要是生存開關慢性活化。