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磁性奈米載體之生物醫學應用

磁性奈米載體之生物醫學應用

生化暨生醫工程所 劉繼賢副教授

磁性奈米載體因具有超順磁性、低毒、生物相容與可修飾等特性,所以被應用於生物醫學領域,如影像感測、生物分離、螢光標記、臨床診斷和藥物傳遞。為了提升磁性載體之應用,而發展出具多功能之複合奈米載體;同時具備標定、影像與載藥功能之複合載體,正蓬勃發展且備受注目;然而為了成功製造具生物醫學應用的奈米載體,必須考慮廣泛的物理、化學、材料和生理因素,藉由調整載體核心、殼體和配體等性質,可以製造出同時符合生物安全和功能化之載體,以下簡介複合奈米載體之製造與應用。

一、磁性奈米載體之製造與修飾

奈米磁性載體的磁性金屬通常為鐵、鈷、鎳等,但是以四氧化三鐵最為多數,其製備方法多數以化學共沉澱法,具有製備大、生物毒性低及化學穩定性高等優點。如何用配體進行表面修飾,增加磁性奈米粒子的功能是關鍵技術,一般有二種做法:1、使用交聯劑分子 ( crosslinker ) 或間隔分子 ( spacer ) 形成共價連接,將螢光配體修飾在磁性奈米粒子表面,形成鐵奈米粒子為核心和配體作為外殼。奈米粒子與螢光配體之親和性,取決於奈米粒子表面的配位體種類與數量,所以如何製作與選擇鏈接用的表面配位體非常重要。常用的配位體有 amines、carboxylates、hydroxyl group、thiol group 等,在某些情況下,還需要額外間隔分子或交聯劑,以幫助奈米複合材料之鍵結。2、逐層塗佈 ( layer-by-layer ):以磁性奈米粒子為核心,將螢光配體利用相反電荷的靜電吸引力,逐層塗佈在奈米粒子周圍的技術。它的優點包括:可以製作單層螢光層和調整功能殼層的厚度。

二、磁性奈米載體之安全性

奈米氧化鐵具生物相容與低毒性,可被組織自然攝取與代謝,藉由人體組織蛋白質如 ferritin 等形成複合物後,被人體運輸與儲存到組織中,再進行代謝或利用,所以磁性奈米載體在囓齒動物模式 100 毫克鐵/公斤的注射量,不會有副作用,當增加劑量至 600 毫克鐵/公斤,亦不會引起死亡。

三、磁性奈米載體之磁共振成像

超順磁性之功能化奈米載體,可以標定特殊細胞類型或特定細胞成分,配合放射性元素 F18 Cu64 修飾與磁共振成像 ( MRI ),螢光光學,和正電子發射斷層掃描 ( PET ) 等儀器,可以應用於診斷成像。配合配體庫之系統性篩選,可以進一步找到對於細胞或癌症標記物具有高親和力與特異選擇性的功能化奈米載體。磁性奈米載體平台,也有利於病灶之磁共振和雙模態成像 ( 如 MR/ PET /螢光 ),以使多重影像協助早期診斷和疾病分類。最後,奈米顆粒之靶向遞送光動力藥物有機會提高局部的癌細胞毒性和最小化全身性副作用。由於多種螢光染料,可以在近紅外光照射下產生螢光,螢光配體塗佈或修飾在磁性奈米粒子表面形成核/殼結構,可以製造出磁性螢光複合奈米粒子,此複合奈米粒子,可作為新的雙功能造影劑,配合共軛焦螢光顯微鏡和磁振成的影像技術,可提供彼此互補的活體內外生物體的清晰攝像,加上其超順磁特性,可以在外部磁場下控制奈米粒子之位置,待其進入特定細胞後,進而標定細胞。

四、磁性奈米載體之分離純化應用

純化是進行多數生化產品出廠前的必經程序,但也常是整個生產過程中的瓶頸。傳統純化方法,如:液相-液相萃取,不但速度慢,步驟繁雜,且常需使用大量有機溶劑。開發環保的精製程序是近年來一項熱門的研究主題。在各種分離技術發展當中,使用表面修飾具特定選擇性基團的磁性奈米顆粒當作吸附劑,近年受到廣泛重視,其最大優點是操作步驟非常簡單。將磁性顆粒與樣品溶液混合後,分離表面吸附有目標分析物的磁性顆粒與溶液基質,通常只需藉助一塊磁鐵,不需要複雜的分離裝置與過濾、離心等處理手續。其他優點包括:奈米顆粒表面積大,萃取效率高;原料價格便宜,顆粒製備程序簡單;可依需求彈性修飾顆粒表面基團。此外,奈米磁性載體具備大表面積、分散性好且沒有孔內擴散阻力之問題存在,相當適合作為酵素固定化之材料。使用共價鍵或親合性鍵結,可以將酶固定在磁性奈米載體上,固定化之酵素具獨特性質,例如:易分散之特性可以使酵素順利接觸基質,減輕傳質限制,可以加速酵素作用。相對於微米的顆粒,奈米載體有高度比表面積,有助於固定較多的酵素,並增加酵素的活性。固定化在磁性顆粒之酵素,普遍有較高的熱穩定性、貯存方便性、回收性與重複使用性。

五、結論

複合磁性奈米載體同時具有低毒性、順磁性和高表面/體積比之特性;此外,載體之奈米尺度,使它們能夠穿過細胞膜,避免被網狀內皮系統吞噬和允許加載藥物與表面修飾之優勢,非常具有開發潛力,特別是其超順磁特性,可以在外部磁場控制奈米載體之移動:所以,奈米磁性載體在生化與生醫應用方面,已經有許多學者利用不同功能化磁性奈米載體進,行檢測分析、溫熱療法、藥物傳遞、酵素純化、生物影像、腫瘤標定及基因治療等研究。本實驗室使用特定螢光配體製作,同時具有螢光與磁性之雙重功能複合奈米載體,具備螢光、磁性和奈米尺寸之特性,可應用於去氧核醣核酸之分離和偵測、細胞之標定等用途。初步結果顯示:複合奈米載體細胞毒性低,由細胞吞噬實驗,發現螢光強度和帶螢光細胞百分比之結果,可證實複合奈米載體可進入細胞,隨著濃度之增加其螢光強度有上升之趨勢。功能化磁性奈米載體已發展成一個強有力的奈米技術,用於分離、MRI 診斷、細胞標定及藥物輸送等系統,預期功能化磁性奈米載體在生物醫學之應用,將繼續成長茁壯。

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