十億分之一公尺驚異世界

奈米技術 NanoTechnology (6)

「人工網膜系統」

到了2010年,連完全失明的人也能看到

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。

  但是,患者即使因為網膜疾病幾乎失去光受體 (photoreceptor),只要神經節細胞(ganglion cell)還完整保留,便可利用人為電刺激恢復視力,美國北卡羅萊納州立大學的劉博士和約翰霍普金斯大學的修馬雲博士注意到這點,而開發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。

劉博土表示:「利用手術將設計出來的專用晶片埋入網膜,再利用有線電將來自外部電腦的電信號傳送到晶片,透過這種基礎實驗,已成功使失明患者認識大字、單純圖形。」劉博士接著說︰「今後,我們預定開發利用微相機的受像系統、利用無線電傳送信號的系統。」

最困難的地方在於融台電子工程學與醫學在技術開發上,哪一點最困難?修馬雲博士表示︰「如何製造出可保存在生物學環境中的裝置,反過來說就是如何確保不傷害人體,這一點最困難。例如,刺激網膜最好的參數(parameter)是什麼?如何才能提高氣密(airtight),使水分不致滲入裝置?如何抑制晶片發熱到最小限度?如何確實將晶片埋入網膜這種複雜的神經組織?這些必須克服的難題堆積如山。」

  那麼,最終目標何時可以達成?修馬雲博士說出他們的抱負:「希望到了2010年,可使解析度至少提高到能讓失明患者讀出以大字寫成的文章。」

奈米技術與其他領域融合

東京工業大學青柳克信教授提議,今後奈米技術應如發展人工網膜系統般,朝與醫療等領域融合的方向發展。他說:「不要將奈米技術單純看成只是把尺度縮小而已,應如人工網膜系統利用奈米技術般,將它看成可以重新達到以前無法達到的切入口。我想,當奈米技術開始與其他領域融合,奈米技術將變得更新鮮、有趣。」

 

「超分子」

2~3年後可以合成以癌細胞為靶的「飛彈分子」

具功能的「超分子」人體內具各種功能的蛋白質,為由許多胺基酸結合成的天然聚合物,這種聚合物經由胺基酸這種有機物零件妥善結合而具有各種功能。

讓若干有機物分子結合可以發現原來分子單獨存在時未具備的功能。例如苯(benzene)不具任何功能,苯、苯胺 (aniline) 等分子妥善組合即具功能。

像這樣,由若干分子組合成具功能的分子稱為「超分子」,蛋白質等也可以說是一種超分子。最近有人進行以人為式合成超分子的研究,實際開發出具各種功能的超分子。大阪大學產業科學研究所川含知二教授表示:「以前的有機化學,如同合成苯、苯胺,受限於分子。最近的有機化學,則如同生物體在合成般,根據某程式自我組織化組合有機物零件,合成各種超分子。」

目前合成的超分子,包括具捕捉離子功能的「冕醚」(crown ether)、「隱配位子冕醚」 (cryptand) ;具納入其他分子功能,可望應用在後面將提到的「藥物遞送系統」(drug delivery system)等方面的「分子膠囊」(molecular capsule);以及下一節將會介紹的「樹狀聚合物」(dendrimer)。

  大阪大學產業科學研究所扳田祥光教授的研究小組也成功合成名為「墊分子」(cusion molecule)的超分子,這種墊分子具有「受光後會吸收光,將光聚到中央」的功能,合成這種超分子後可以製造出各種高功能有機雲件、系統。

只使癌細胞染上顏色

川合教授表示:「蛋白質在我們體內會產生抗原抗體反應 (antigen-antibody reaction) 等作用。合成可作血液、尿膽固醇值、脈搏數等感知器用的超分子,將超分子載於半導體製微晶片上,如果超分子與尿中所含物質反應時能夠導電,便可用電信號的形式掌握身體的異常,這種超分子晶片可作健診晶片使用。」

  目前幾乎所有開發出來的藥都有副作用,這是因為藥無適量、會作用在不必作用的臟器上。僅讓適量藥作用在適當部位的系統稱作「藥物遞送系統」,有人即進行將超分子作為遞藥工具的研究。

  目前治療癌症的藥無法只殺死癌細胞,而會嚴重影響正常細胞,因此在美國有人考慮使用名為「飛彈分子」(missile molecule)的超分子。這個方法主要是將飛彈分子送入體內,先使癌細胞染上顏色,以區別正常細胞與癌細胞,然後再利用雷射等,選擇性地殺死染上顏色的癌細胞。如此即可以不影響到正常細胞,僅以癌細胞為靶。

  川合教授表示:「飛彈分子或許2~3年後可以合成。美國甚至有人考慮把奈米機器送入體內,讓它修復發生障礙的部位,然後返回體外。這或許要花費相當長的時間,但絕非癡人說夢,因為合成超分子的奈米技術正穩步前進。」

利用光合作用的系統

超分子的研究不限於醫療、健康等相關領域,如果能應用光台作用(photosynthesis)原理,也可生成極淨能(very clean energy)。植物透過光合作用,利用光、水和二氧化碳製造出糖等能量和氧。植物的光合作用為奈米尺度的極精密系統,如果可以模仿這個系統,以人為方式製造出「將電子授與水,釋出氫」的系統,「這個系統對人類而言,大概是最理想的能量循環(energy cycle)系統。」川合教授如此表示。如同本氫被視作終極能源。

  另外,植物利用光合作用生成的能量,以細胞膜運輸離子。如果能以人為方式製造出這種運輸系統,將可製造出去除大氣中等處有害物質的系統。這種系統可納入有害物質,將有害物質轉換成無害物質後釋出。

與其說動植物等生物體是各種人造系統的最佳範本,不如說生物本身就是蛋白質等超分子的集合體。超分子不只開啟了人工模仍光合作用系統的可能,也開啟了人工模仿神經傳導 (neuroconduction)機制、抗原抗體反應等種種可能。