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中研院張煥正首創MIT螢光奈米鑽石  引領生物醫學大躍進
2022-03-30

中研院張煥正教授多年來致力於探究奈米鑽石在生物醫學方面的應用,多年來研究團隊已經證明奈米鑽石可以作為生物分子的載體,用於活體內外的標靶輸送、基因轉殖和基因療法等方面,並且在2013年應用螢光奈米鑽石來標記小鼠肺部幹細胞,追蹤幹細胞在體內的動向,該成果登上Nature Nanotechnology期刊...

奈米科技被譽為二十一世紀最重要的前瞻技術之一,它是否能於生命科學領域中作出重大的貢獻,一直是學界所關心的議題及努力的目標。在眾多的材料中,奈米鑽石鮮少受到注意,原因包括製備困難、非導體、光學特徴不明顯等。然而它有著優異的生物相容性,又能發出多彩的螢光,與以往材料截然不同。由於它的發展潛力,張煥正教授多年來致力於探究其在生物醫學方面的應用。這是跨領域的研究,結合化學家、物理學家、生物學家及材料學家的專長,通力合作才能獲得顯著的成果。

螢光奈米鑚石(fluorescent nanodiamond, FND)是一種100nm左右、能發出紅色螢光的鑚石顆粒,主要的成分是以sp3形式鍵結的碳原子及約100ppm的氮原子,它不僅有很好的生物相容性,再加上sp3-C的化學活性低,不會影響細胞的生長與功能。張煥正教授團隊曾將螢光奈米鑽石餵食給桿線蟲及注入至大、小鼠體內,發現該材料的生物毒性非常低,十分適合於長期活體觀察與細胞發育追蹤方面的應用。


※中研院特聘研究員張煥正教授多年來致力於探究奈米鑽石在生物醫學方面的應用,其研究成果也提升了台灣在國際上的知名度與學術地位。(照片來源:中研院張煥正團隊提供)

奈米鑽石之所以能發光,在於其製造方式特殊,首先須以高能量的電子束轟擊人工鑽石粉末,使結構中產生空缺,再以高溫加熱促進此空缺移動,與鑽石晶體中之氮原子結合後形成氮-空缺中心(nitrogen-vacancycolor center, NV),當含有NV的奈米鑽石受到黃綠色光(500-600nm)照射時,會發出波長為700nm左右的紅光。這些螢光非常穩定,很容易被光學顯微鏡偵測到。

氮-空缺中心的紅色螢光波長介於670-890nm,在生物組織內的穿透深度高、背景訊號弱,最適合活體成像。此外,由於NV的電子結構特殊,其螢光生命週期可長達20ns,其他生物體内化合物的發光時間則大約為1-4ns。透過此時間差,我們可以將背景訊號移除,便可以在活體內偵測到清楚的單一螢光奈米鑽石。

過去多年來,研究團隊已經證明奈米鑽石可以作為生物分子的載體,用於活體內外的標靶輸送、基因轉殖和基因療法等方面,並且在2013年應用螢光奈米鑽石來標記小鼠肺部幹細胞,追蹤幹細胞在體內的動向,該成果登上期刊,為奈米科學在生醫醫學的應用方面建立嶄新的里程碑。而張煥正教授的學生也以此項技術於2020年成立路明思生技公司,致力將螢光奈米鑽石用在細胞治療產業,進行細胞的追蹤、定位,協助細胞治療業者在開發前期掌握細胞動向,加速細胞藥物的開發。

張煥正教授團隊的研究成果提升了台灣在國際上的知名度與學術地位,也打造出一個理想的生物醫學工作平台,未來將繼續擴展螢光奈米鑽石在生物醫學方面的應用,提升其學術研究的能量與影響力。

※系列報導:

※本文整理、改寫自中央研究院張煥正博士之研究成果報導。如有引用,請確實註明出處來源為生策中心。

 

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