奈米生物科技 (nanobiotechnology)

 

By Antony "Tony" Chen, BMnews Academia Executive

奈米材料 (nanomaterials) 是具有奈米尺度 (10-9 m) 的物質. 當金屬或非金屬物質被加工到奈米尺度時, 實驗證實其物理和化學性能將隨之改變. 此變化反應在導熱性, 導電性, 強度, 韌性, 電磁性等. 將原子構成, 具有奈米尺度的分子個體, 添加於現有的產品或物質中, 使其功能改變, 並提高其使用性 (例: 奈米碳管 (Nano carbon tubes). 奈米材料的應用, 在通信, 電子, 環保, 化工等領域, 皆可印證. 目前, 奈米研究在生技領域包含了組織工程 (Tissue Engineering), 藥學工程 (Pharmacological Engineering), 生物機械 (biomechanics) 等.

圖1: 奈米分子齒輪

目前奈米技術在組織工程的領域, 主要是在人造骨骼 (bone implant) 方面研究. 科學家將奈米材料與現有的材料合成加工後, 初步實驗顯示其合成品的物理性質包括耐壓性, 耐震性, 強度, 及韌性都有所改變. 而其他研究例如肝臟, 心血管, 軟骨(cartilage) 等, 奈米合成物 ( nano-composites) 的角色主要在培養使其細胞生成的生長支架 (tissue engineering scafford) 的設計與製造.主要議題乃如何能控制及調節其生長因素 (growth factor)和營養素的釋出,進而克服因為流阻 (Diffusion limitation) 所造成養份分配的不均及其連帶造成的細胞減緩生成或死亡 (Cell growth retardation and death).

在藥品製造相關的研究中, 以藥劑載具(drug delivery vehicle) 以及分子控制 (Molecular Control) 兩項最被廣泛研究. 以藥劑載具來說, 根據美國萊斯大學奈米科技中心 (Rice Center of Nanotechnology) 的初步研究, 某些物質在加工到奈米尺度後, 能具備有感熱性 (thermally sensitive) 和感光性( optically active). 如果能利用其物質而製造出奈米複合殼體 (Nanoshell polymer composite)作為藥丸, 在體外控制紅外線熱源的強度 (infrared), 藥劑在體內的釋放量便能受體外控制 (non-invasive control). 使得藥劑能被有效的釋放於只有需要的部位. 在分子控制研究上, 美國佛羅里達州大學 (University of Florida)科學家利用奈米矽管 (silica nano-tube) 和能夠區別並分類藥物分子左旋和右旋 (chiral molecules) 的人工抗體(engineered antibody)融合, 製造出所謂的奈米過濾器 (nano-filter). 由於通常只有單一藥物的左旋或右旋體對人體有益, 此產品的應用將提高醫療效率並減低醫療成本.

圖2: 微生物的奈米推進纖毛

時下與奈米材料和生物機械的相關研究中, 最熱門的研究非分子生物機械學 (molecular biomechanics)莫屬. 美國康乃爾大學 (Cornell University) 的奈米生物科技學家成功的將有機和無機分子合成, 研發出號稱全世界最小的功能機械(hybridal fuctional unit): 微生物分子機械. 此發明是由三個部份組成: 奈米鉻體螺旋槳 (nano-Nickel propeller) , F1腺三磷酸 (F1-ATPase biomolecular motor), 以及其奈米鉻體支幹 (nano-Nickel post). 此發明的革命性來自於其螺旋槳則是依靠ATP 來運轉, 與一般機械有極大的不同.

在生物科技日新月異的今天, 應用奈米科技 (nanotechnology) 製造生物材料 (biomaterials) 的研究與已開始受到重視. 相較於光電等其他領域. 奈米材料的醫學應用仍屬初步階段. 其主要研究方針在於能否有效掌握並控制奈米材料或複合物 (nanocomposites) 本身的多變性以及與生物系統 (biological systems) 的互動反應 (biocompatibility). 理論上, 如果能掌握上述的兩項要題, 奈米科技在醫學應用上將能有極大的供獻.

 

參考資料: Soong RK, Bachand GD, Neves HP, Olkhovets AG, Craighead HG, Montemagno CD. 2000. Powering an Inorganic Nanodevice with a Biomolecular Motor. Science 290: 1555-1558. Nanotech Tubes Could Form Basis of New Drug Purification Techniques

http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=00051DCC-5639-1D12-8B07809EC588EEDF&catID=1 Growing Replacement Blood Vessels

http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000F0017-876B-1C61-B8828-0EC588ED9F&catID=7 Center of Biological and Environmental Nanotechnology

http://www.ruf.rice.edu/~cben/

 

www.bmnews.com


2000-2002 BMnews.com, All Rights Reserved