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【納米生物科技系列】光控「森林」「圍攻」腫瘤

2017-12-06
唐晉堯研發出大小僅為頭髮直徑五十分之一的光控納米樹狀機械人。 香港文匯報記者彭子文  攝唐晉堯研發出大小僅為頭髮直徑五十分之一的光控納米樹狀機械人。 香港文匯報記者彭子文 攝

唐晉堯研微型樹狀機械人 遊走血管送標靶藥

科學家「駕駛」虓L型的納米潛艇,深入人體,治療受損的器官組織,這科幻電影情節或許在不久將來成為現實。香港大學化學系助理教授唐晉堯的團隊,利用感光材料的光電化學特性,研發出全球首創、大小僅為頭髮直徑五十分之一的光控納米樹狀機械人,更成功對其實現極精準操控,「寫」出肉眼亦看不到的超小字體。有關研究突破過往納米機器主要以磁力操控的局限,為相關生物醫學應用帶來新方向,如將之注入人體,以光引導其移動,可望更有效去除癌細胞或輸送標靶藥。■香港文匯報記者 高鈺

專門研究納米材料、納米引擎等的唐晉堯,其團隊以3年多時間研發了全球第一個以光能作為驅動力的納米機械人。

該機械人大小不足10微米(μm),只比頭髮直徑五十分之一略大,並以硅(Si)納米線作骨幹,二氧化鈦(TiO2)納米線作枝葉,形成納米樹狀結構,這兩種半導體材料理論上無害,成本便宜又感光,故可用光來控制機械人活動。

紫外光發電移動

科學家曾就能進入人體的微型或納米機械人技術進行研究 ,主要是透過注入磁性材料,用外部磁場控制納米機器運動,但卻難以做到多元及精準操控(見另稿)。

唐晉堯團隊則利用感光材料的光電化學反應(photoelectrochemical reactions),當納米機械人感測到紫外光後,就能透過化學反應產生電場及動力,令機械人活動。團隊並利用「化學修飾」作用,讓納米機械人能作趨光(phototropic)或避光(photophobic)移動,再配合電腦編程修訂其活動範圍及方向,成功作出精準操控,包括在肉眼難見的微米級尺度讓其迴旋「跳舞」、「寫」出單詞等。

唐晉堯解釋,相比其他納米機械人多為圓球或棒狀,其納米樹狀機械人擁有現時最複雜的3D異質結構,當中「掃把」般的納米線,每條納米線都是一個光感受器,可以作出反應產生動力。

他補充指,基本上有兩三條納米線就可驅動機械人,但最理想的是有上百個光感受器,以感測到不同方向的光線,增加準確性。

他並提到,團隊是受到自然界綠藻所啟發,因綠藻可感受光線的射入方向和強度變化,朝茈源運動以便進行光合作用;透過上述的納米樹狀設計,其機械人就如有很多眼睛的昆蟲,可具備分辨光方向的功能。

體積接近紅血球

由於納米機械人與人體紅血球細胞大小相若,故適合於血液和淋巴液中遊走,具輸送標靶藥物等醫療應用潛力。

唐晉堯坦言,目前還未做到以單個機械人去除腫瘤細胞,但利用一群機械人卻有機會是有效方案,例如當識別出腫瘤細胞後,多個機械人可以包裹方式,斷絕腫瘤進一步吸收養分,或是以尖銳納米線破壞有害細胞;而最理想的是,納米機械人可成為納米醫生,自主識別癌細胞發出的特別訊號,及尋找已經擴散的癌細胞,以進行治療。

唐晉堯表示,上述方案暫時仍屬於理論層面,以現有實驗來說,與納米機械人配合的液體對人體有害,首先要解決生物及細胞兼容的問題,預計需時三四年,再下一步則仍要研發更高效的納米機械人系統,所以討論如何實際應用在醫療或其他用途上仍言之過早,預計最快在10年後才可落實。

他並提到,去年獲得諾貝爾化學獎的「分子機器設計和合成」研究,是只得分子尺度、比其納米機械人還小得多的人造機器,項目早在上世紀80年代開始,雖然為往後的相關技術奠基及帶來大突破,但其實現時仍未發展到實際應用層面,認為「科學研究是要慢慢、慢慢進行的」,毋須急於求成。

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