奈米的世界

一.奈米的換算: 1奈米 (n m)=10-9m

二.奈米的技術:奈米的技術分為兩種,一種稱為Top Down,即由大型物體削滅變成奈米之小物體,例如半導體技術。另一種則稱為Bottom Up,由原子大小規模堆積成的奈米大小規模之技術,例如DNA之合成。

三.奈米的範圍:涉足了醫學電子學機械生物等等。就以醫學來說,有所謂的奈米給藥系統。

1.奈米給藥系統

基因工程配合奈米科技的發展,已經快要到達可以控制、甚至醫療重大疾病如癌症的境界。其中Antisense科技的研究,是目前全球最受矚目的生醫尖端領域之一。
  Antisense藥物配方的發展神速,藥效卓著,可惜的是,它一出了人體細胞膜,就失去效力。為了克服這個瓶頸,科學家們戮力研究藥物的“載體”,希望藉由Drug Targeting(導向式給藥)技術達到“專車接送”似地藥劑傳輸,而奈米技術在此就大大派上了用場。
  有鑒於Antisense藥物載體研究對未來人類健康的重要性,德國聯邦教育與研究部(BMBF)已撥放約三千兩百萬台幣給位在法蘭克福的研究聯盟,作為三年的研究基金。其實,利用載體輸送藥劑到患部以提高治療效率的想法,已有將近一百年的歷史了,只是奈米科技的蓬勃,把它又帶到了另一個高峰。

法蘭克福大學製藥技術研究所的Dr. Jorg Kreuter教授是研究聯盟的協調人,同時也是奈米微粒應用的藥學專家。他研究出一種以聚合物為原料的微小顆粒,顆粒上佈有小格網,可以嵌入抗癌藥品;這種小藥丸微小到可以通過各種粗細的血管,只有在遇到鎖定的癌細胞時,分布在這個微粒表面上的另一種特製小分子才會發出“進攻“的訊息,讓小顆粒散發出藥劑來。
不同的藥品需要不同的載體來運送,主要的材料是微脂粒和人造的保衛細胞膜,Kreuter教授目前專注在愛滋病、唇皰疹和幾種癌症治療藥物之奈米載體研究。
   Kreuter教授與化療中心Gerog-Speyer-Haus合作研究愛滋病療法的辦法已有一些時日。愛滋病毒利用人體專司保衛的巨噬細胞作為繁殖場所,如何善用奈米微粒來改變藥物載體的表面特性,使其能有效滲透到巨噬細胞內,就是研究的重點了。

Kreuter教授指出,奈米科技應用在培養皿和動物實驗中,都可明顯的提高效率;例如治療愛滋病常用的Saquinavir蛋白分解抑制劑,在奈米技術改良之後,在組織培養皿的殺菌力變成原來的20-30倍。至於如何選定“包裝”用的、和進入細胞後分解載體用的“清潔” 奈米粒子,和粒子的大小、質料與粒子的濃度有關,Kreuter教授至今應用於載體上的粒子濃度適合人體使用,沒有毒性反應。
這些成效優越的奈米載體技術如果能成功的應用到Antisense藥劑上,勢必改寫許多重大疾病治療的歷史! Antisense藥物進到人體細胞內,阻礙某些基因表現的轉錄或轉譯程序,抑制造成疾病的相關蛋白質合成,從而達到療效,專一性高,副作用少,但是過去欠缺合適的載體,即使使用的藥品劑量提高,成效依舊不彰,甚至帶來許多副作用。運用奈米技術來支援Antisense,必然可以縮短藥物到達目的組織的時間,並延遲藥劑分解、排泄出細胞的時間,因此大大提高藥效。
奈米導向給藥系統的遠景,毫無疑問勢將大好,但是在豐收之前還有得耕耘呢!

人體細胞最最根本的遺傳物質:DNA(去氧核醣核酸)為雙螺旋結構,每一股螺旋是由鹼基A、G、T、C氨基酸所構成,此雙股螺旋的氨基酸鹼基必須彼此以A-T、G-C的配對原理相對應,也就是說一股的鹼基序列必與另一股成互補關係(antisense為sense的互補)。RNA(核醣核酸)與DNA單股構造相似,亦由四種鹼基所構成,其中的A、G、C與DNA共通,T則被U所取代,在生命生長成熟的過程中,它是DNA上基因訊息的翻譯和傳播者。
基因的意義由蛋白質表現,基因蛋白質的合成途徑為:1.DNA雙股分離→2.單股DNA資訊轉錄成mRNA資訊→3.mRNA移出細胞核至核醣體→4.轉譯mRNA資訊,由tRNA帶來胺基酸並合成新的蛋白質。一些和遺傳物質有關的疾病,就是在這個轉譯的過程中有致病蛋白質的產生導致的。
Antisense 藥物為一鏈狀物質(如寡醣核甘酸),其上帶有鹼基可與相關DNA或mRNA的片段鹼基產生對應,並與之結合,以阻礙某些基因表現的轉錄或轉譯程序,抑制造成疾病的相關蛋白質合成,因而達到治療疾病的效果。相較於小分子藥物與蛋白質結合的治療方式有專一性高,副作用少等優點。
美國每年有20萬人因罹患「老人斑點變性」(senile macular degeneration)這種網膜(retina)疾病而失明,對於這種疾病,目前仍未找到有效的治療法。
將微矽晶片埋入眼球,使失明患者恢復視力的「人工網膜系統」技術。他們先利用內藏於眼鏡框的外部相機捕捉影像,將影像轉換成電信號。然後利用無線電,將電信號傳送到埋入網膜的晶片,讓晶片以電刺激神經節細胞以模擬真正的視覺。

2.利用奈米技術的超金屬開發

鐵材料加熱至攝1000度熱間壓延後,鋼片成為微細粒結構,強度增加為2倍,只要超微細粒鋼大量生產技術實用化,可期待使用於大型結構物或汽車材料等。鋼材的超微細粒化已得知加stress使生成核的個數增加。
  鋁系材料的微細結晶粒化也開發成功。新材料是鋁母材中添加適量的鎂及錳,以鋁液壓延法製造,強度增加1.5倍。
  財團法人次世代金屬及複合材料研究開發協會所開發鋁合金結晶粒徑只有40 nm,其製程詳如附件。現在進行中的研究計畫是不銹鋼的結晶粒微細化至100 nm以下,使強度增加2倍、韌性增加7倍為目標。

3.生物化學領域

可應用於奈米或生物領域的纖維素 構成植物細胞壁主成份的Cellulose(纖維素)是自然界最大量存在的有機高分子物質,自古使用於紙張或纖維。現在受到矚目的是被稱為Nematic order cellulose(NOC)的具有特異性質的新素材。
Nematic是液晶領域的用語,表示分子向一方向排列卻排列不完全的狀態。即分子配向中仍有非結晶的準安定性。換言之天然纖維素分子間的結合力強,結晶性或配向性的改變很難。新素材則非固定結晶性也同於無秩序的不定形。
日本森林總合研究所注目於此非結晶而分子高配向的材料,希望利用此分子的不安定性容易的改變其結晶結構,開發新機能材料。
現在進行中的實驗為利用其乾燥後透明化的性質,試製相機鏡片或眼鏡;也可使用為培養有用微生物的Template等。

4.電子─碳微管

碳微管(carbon nanotube)自1991年被S.Iijima發現以來,已逐漸成為科學界的主流研究課題之一。碳微管主要是由一層或多層的未飽和石墨層所捲曲而成,在碳微管中間部分都是由六環碳所排列而成,但在末端或轉折處則有五環碳或七環碳所構成,每一個碳原子皆為SP2結構。
碳微管的直徑約為1~100nm之間,而長度卻可長至100μm。下圖為多層碳微管(MWNTs)之SEM 及TEM的影像。
研究至今,我們對碳微管許多特殊的性質,已逐漸了解。例如:

1.隨著直徑及石墨層捲曲的方向(或稱螺旋性,chirality)之不同而有非常明顯地導電性的改變(其導電性的變化範圍可由導體變化至半導體之間)。
2.由理論計算可預測碳微管的機械強度(mechanical strength)是同樣尺寸鋼的100倍,但是比重卻只有鋼的1/6。
3碳微管具有非常好的彈性,即使彎曲超過90°也不會變形或斷裂。

南緯開發「超臨界無水染色」,不是在水裡染色,而是在二氧化碳中染色,這種染整方式比以往縮短了三分之二的時間,並且更為環保,附加價值高達四百億元。
義美開發「氣體分子洗米」,由於氣體分子只有水分子的三百分之一,因此洗淨力可說是「無孔不入」可避免農藥和細菌的殘留。
中央研究院物理所結合瑞士、韓國等地的產學團隊,經過兩年多努力,開發出「次微米X光動態透視顯微技術」,並成功應用在基礎科學和生物科技上。這項技術可檢測出小於頭髮粗細的初期腫瘤,提高癌症診斷的靈敏度及準確度,同時降低一般X光照相時人體所接受的輻射劑量。

光觸媒和奈米科技結合之後,己被國內廠商開發出光觸媒塗料、噴劑和口罩等產品。光觸媒的主成分為二氧化鈦,二氧化鈦可利用光線來激發活性完成氧化作用,超強的氧化作用可破壞細胞的細胞膜,使細胞質流失而死亡,凝固病毒的蛋白質,抑制病毒的活性,並捕捉,殺除空氣中的浮游細菌,而產生下列的作用:「殺菌」有效除去大腸桿菌、黃葡萄球菌、白癬菌、黴菌、化膿菌、綠膿菌等細菌,抑制如腸病毒、流行性感冒、濾過性病毒等病原的傳播。「脫臭」比臭氧(O3)、負離子,有著更強的氧化能力,可強力分解臭源,脫臭能力相當於500個活性碳除臭劑。「自淨」因為光觸媒的超親水特性,讓污垢不易附著,因此口罩可重覆使用200次,建築體外觀施工後也能常保潔淨。「防霉」光觸媒本身殺菌的功能可輕易讓黴菌無繁殖的空間,不但解決了發霉的問題,也去除了討厭的霉味。「自然」是天然物質對人體無害,不會讓細菌產生抗藥性且殺菌、除臭能力不因時間而消耗或衰減。

四.對奈米科技的疑慮
事實上,奈米科技興起之初即引起激烈反對;有人懷疑,它可能醞釀一些前所未見的可怕風險甚至災難。最大的癥結是,誰也無法保證運用奈米科技製造的極細微產品會按照超現實的量子力學原理運作,而不是世人比較熟悉的牛頓力學原理運作。最終的夢魘是,體積和細菌相當的極微機器人萬一不斷自行複製,進而充斥全世界,會將人類消滅。

總部設在加拿大溫尼伯市的ETC組織聲稱,研究結果顯示,奈米碳管與其他類似的奈米粒子可將藥物導入大腦,或許也可以運送毒物。該組織引述萊斯大學教授韋斯納的談話指出,奈米碳管可能成為「另一種石棉」。此外,ETC也非常關切細菌吸收的奈米粒子可能循那些管道進入食物鏈的問題。
穆尼最近呼籲志同道合者聯名呼籲即將在南非約翰尼斯堡召開的第三屆地球永續發展高峰會的各國領袖宣布暫停奈米物質商業生產。他並寄望各國領袖建立一套透明化機制,藉以深入評估奈米科技隱含的社會、衛生、環境風險。