奈米生物科技簡介

奈米生物科技簡介

„ 廖達珊

目 目 錄 錄

„ 源起

„ 奈米

„ 奈米科技

„ 生物體的奈米結構

„ 生物體的奈米技術

„ 奈米生物科技

„ 省思和隱憂

„ 結語

資料來源：圖台大醫工所林啟萬教授講義,2002.

源 源 起 起

Richard P. Feynman Richard P. Feynman

„ There is plenty of room at the bottom.1959

資料來源：http://www.nobel.se/physics/laureates/1965/feynman-bio.html 資料來源：http://archives.caltech.edu//photoNet.html?Feynman

費曼的設想 費曼的設想

是否可將24卷“大英百科全書”

抄寫到一枚針尖上？

25000

25000 倍 倍

„ 一枚大頭針的圓頭直徑約0.16cm

„ 將針頭放大25000倍後，其表面積約等於

“大英百科全書”頁面全部相加的總表面積

„ 將“大英百科全書”全部文圖縮小25000倍

„ 則1枚大頭針的針頭有足夠的空間可容納

“大英百科全書”全部文圖

„ 若將針頭再縮小25000倍，可以容納什麼？

費曼的預言 費曼的預言

„

操控微小物體是可能的，當物體縮小 後，在微小世界仍有許多空間

„

假如人類能用普通尺度的工具來製造 體積較小的工具，較小的工具又可以 製造更小的工具，一步步逐級的縮小 工具

„

最後將可得到直接操控 原子和分子的工具

資料來源：原子力顯微鏡針尖圗 台大醫工所林啟萬教授講義,2002.

奈米科技先驅 奈米科技先驅

„

對人類的科技與生活，將會創造 出新的奇蹟

„

如何製造原子、分子尺度的材料

與重複生產？

教育部顧問室奈米科技人才培育計畫

奈 奈 米 米

nanometer

nanometer

奈米是啥 奈米是啥 米 米

„ nanometer是長度單位

„ nanos在希臘文原意是「侏儒」

„ nano(十億分之一) + meter(公尺) 直譯就是「十億分之一公尺」

„ 奈米︰「奈」是nano第一音節的音譯

„ 1奈米 = 1nanometer = 1nm = 1×10^-9m

= 1×10^-6mm = 1×10^-3μm = 10Å

地球與彈珠 地球與彈珠

比例＝10

:1

From mm to nm From mm to nm

http://www.cellsalive.com/howbig.swf

多少奈米?

„ 水分子直徑約為0.3nm，三至四個水分子 連接約為1nm

„ NBA的籃球員姚明身高約230cm，多少 奈米？

姚明

23億nm

尺度的比較 尺度的比較

資料來源：龍騰文化,高中生命科學上冊,4,2003

奈米材料 奈米材料

„ 是指尺寸在1nm至100nm

之間，用電子顯微鏡才能

看得見的材料

奈米科技

Nanotechnology

奈米材料的特性 奈米材料的特性

„

當物體尺寸小到奈米的時候，物質所 表現出來的性質與數量極龐大的分子 所組成的一般物體(巨觀)的性質不同，

也與一個一個的原子或分子(微觀)的性

質不同

奈米材料的特性 奈米材料的特性

不同大小的奈米粒子會呈現不同的顏色

不同厚度的奈米金殼 (gold nanoshells)

http://www.ece.rice.edu/~halas/

奈米材料的特性 奈米材料的特性

„ 不同大小的奈米粒子會呈現不同的顏色形狀

銀

三稜鏡形 奈米粒

~100 nm

金

球形

~100 nm

金

~50 nm球形

銀

~90 nm球形

銀

~40 nm球形

http://www.ece.rice.edu/~halas/

奈米尺寸下的效應 奈米尺寸下的效應

„ 表面積對體積的比例大增

＊許多材料的性質與裸露在材料表面上的 原子數有直接的關係

„ 量子化效應的出現

＊當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個 原子或分子的大小時，其能量狀態的分布 由連續轉變為量化狀態，繼而明顯地影響 奈米材料的許多性質

奈米科學和技術

„

奈米科學：

針對奈米材料結構的物理、化學 性質之研究

„

奈米技術：

針對奈米材料結構的製造、操控

和量測等技術和儀器之研發

奈 奈

大 大

巨觀物質巨觀物質 ^由大由大

而小而小

小 小

原子、分子

原子、分子 由小由小 而大而大

介觀介觀 奈米奈米科技科技

1 nm 100 nm

奈 奈 奈 奈 奈 奈

圖片來源 ：工研院化工所 陳重裕

奈米科技的特性 奈米科技的特性

奈米尺寸

新的特性被發現Ö新的契機Ö將導致產業技術革命性的改變

＊化學活性

金塊熔點1063℃，惰性 → 5nm，熔點730℃，高活性 Ö 可作為觸媒

＊導電性

奈米級TiO₂ 60倍於微米級TiO₂

＊絕熱性

porous silica，pore＜10nm，熱傳導係數~65% air 隔熱效果佳

＊光學性質

彩色濾光片色料顆粒100nm →25nm，顯色強度Ç75%

光穿透力40%Æ90%

資料來源 ：工研院化工所 陳重裕

生物體的奈米結構

奈米級生命體-病毒

„ 病毒是自然界最精緻的奈米構造

病毒的構造

„

最微小的生命體，直徑約20~300nm

„

核酸核心(core)：

DNA or RNA

„

蛋白質外殼(capsid)：

蛋白質殼粒組成

„

膜套(envelope)：

來自宿主的質膜，由脂質和病毒的

醣蛋白組成

腺病毒

資料來源：南一書局,高中生物下冊,90, 2003

流感病毒

資料來源：南一書局,高中生物下冊,90, 2003

病毒的形態 -

„ 噬菌體(phage)：T4長約200nm寬80-100nm 蝌蚪狀，DNA核心

資料來源：http://www.mansfield.ohio-state.edu/~sabedon/index.html 資料來源：龍騰文化,高中生物下冊,105, 2003

資料來源：http://www.mansfield.ohio-state.edu/~sabedon/phagedna.gif 資料來源：http://www.mansfield.ohio-state.edu/~sabedon/t4anim.gif

構成生命的大分子 構成生命的大分子

„

核酸：自行重組、複製的能力

„

蛋白質：專一性，可對環境感應

„

脂質：自組裝的能力

核酸

„ 元件：

骨幹-五碳糖、磷酸 階梯-含氮鹼基(A、

T、C、G)

„ 功能：

複製以傳遞遺傳訊息 轉錄、轉譯蛋白質

資料來源：南一書局,高中生物下冊,90, 2003

蛋白質

„ 元件：20種胺基酸

„ 組合：胺基酸以不同的種類、數目、排列 方式組合成不同的蛋白質

„ 構造蛋白：如細胞骨架

„ 功能蛋白：如血紅素、酵素、抗體

細 胞 骨 架

資料來源：Campbell & Reece,2002.Biology 6th .Benjamin Cummings.127.

Actin & myosin

血紅素

„ 直徑約5.5nm

資料來源： http://www.ags.uci.edu/~bcrourke/Blood_Fluids/sld016.htm

ATP synthase

„ F₀：埋入膜內 長約4.2nm 直徑5.3nm

H⁺通道

„ F₁：突出膜外

長約10.8nm 直徑約11nm 合成ATP

資料來源：H. Wang and G. Oster 1998. Nature 396:279~282.

抗體-免疫球蛋白

„ 組成：

4條多肽鏈以雙硫鍵 結合為一Ｙ形構造

資料來源：龍騰文化,高中生物下冊,121, 2002

資料來源： http://www.antibodyresource.com/rot.html

脂質

„

元件：脂肪酸

功能：貯藏能量

隔間，形成膜

資料來源：南一書局,高中生物上冊,32, 2002

膜的形成

„

磷脂＝親水性頭(1膽鹼＋1磷酸)＋

疏水性尾(1甘油＋2脂肪酸)

資料來源：南一書局,高中生物上冊,33, 2002

資料來源： Campbell & Reece,2002.Biology 6th .Benjamin Cummings.127.

期望的奈米元件特性

„

工業上有用的奈米元件取決於元件成分 的本質，所期望的奈米成分特性為：

„

可複製

„

可重組

„

可感應環境

„

可辨認、有功能、活性的本質

病毒及生物大分子的優點

„

符合期望的奈米元件特性

„

是大自然早已存在的物質

„

有很大的差異性可供選擇

都是奈米機器

„ DNA是核酸複製機，也是RNA製造機

„ 酵素是奈米級催化劑

ATPase即是奈米級動力生產器(分子馬達)

„ 血紅素是奈米運氧機

„ 抗體是奈米追蹤器

„ 磷脂質是奈米隔間牆及包裝器

奈米元件組合體-細胞

„ 細胞的構造

„ 細胞核：染色體的 構造

„ 細胞質：內質網及 核糖體

„ 細胞膜：膜蛋白的 構造及功能

資料來源： http://www.ilanaschwartz.com/projects/cell.htm

生物體的奈米技術

„

生命世界充滿不可思議

的奈米技術

出淤泥而不染

資料來源： http://www.protec-maschinen.de/lotus_effect-E.htm

蓮花效應(Lotus effect)

自潔作用

資料來源：http://www.protec-maschinen.de/lotus_effect-E.htm

蓮葉表面構造

„ 化學組成：葉表面有蠟，為飽和碳氫化合物，

極性較低。水在石蠟上的接觸角 約110度，但在蓮葉上的接觸角 達160度

„ 物理結構：葉表面有約100～200nm左右的 微毛構造

„ 蓮葉表面同時擁有奈米 尺寸的物理結構與疏水性 的化學組成，因此具有 自潔功能

蓮葉表面構造

„ bar=20nm „ bar=50nm^(圖7)

資料來源： http://www.botanik.uni-bonn.de/system/planta.htm

自潔作用

資料來源： http://www.protec-maschinen.de/lotus_effect-E.htm

活生生的奈米技術

„

維持生命運作的主角是兩種大分子：

DNA專門攜帶訊息，蛋白質專門執行 任務

„

生命是DNA和蛋白質這兩種奈米尺寸

的玩家，所聯手演出的傑作

活生生的奈米技術

„ 龍蝦腦中的奈米感磁羅盤

„ 感磁細菌

(magnetotactic bacteria) 體內有一串約20個磁性晶 體形成的鏈狀構造，晶體 大小約35~120nm，可以 根據磁場的方向到達適合 的生存環境

資料來源:http://www.biophysics.uwa.edu.au/STAWA/scans/40540a.jpg

奈米生物科技

Nano-biotechnology

„ 師法自然

奈米生物學 奈米生物學

„ 細胞生物學

„ 分子生物學

„ 微生物學

„ 生物化學

„ 免疫學

都屬於奈米生物學 的研究範疇

奈米生物工程 奈米生物工程

„ 奈米生物技術

„ 奈米生物材料

„ 奈米醫學

資料來源： http://www.cellsalive.com/hiv4.htm

資料來源： http://www.casnano.net.cn/gb/kepu/shengwu/sw002.html 資料來源：龍騰文化,高中生命科學下冊,ch8,2002.

奈米生物技術 奈米生物技術

„

生物晶片技術

„

生物電腦

„

分子馬達

„

奈米探針

資料來源： www.infineon.com/news/highres/ 202_035d_01.jpg

生物晶片技術 生物晶片技術

„ 科學家將大量特定的生物材料，利用精密 的微機電技術放置在一片非常微小，用矽 晶片、玻璃或塑膠製造的載體上，這種微 型裝置即生物晶片

„ 可分為樣品前處理、化學反應與檢測三個 主要步驟

„ 優點：分析速度快，所使用的樣品及試劑 少，可同時獲得大量的實驗數據

生物電腦 生物電腦

„ 蛋白質電腦、DNA電腦

„ 電腦性能是由元件與元件之間電流的 開/關速度決定

„ 蛋白質有開關特性，用蛋白質分子製成 的積體電路稱為蛋白質晶片

„ 使用蛋白質晶片的電腦稱為蛋白質電腦

„ 優點：

存儲容量大(數億個電路/mm²) 運轉速度快(10^-11sec)、耗能低 自我組織和自我修復

生物相容性

分子馬達 分子馬達

„ 由生物大分子構成，利用化學能進行機械 作功的奈米系統

„ 天然的分子馬達主要包括ATPase 、actin myosin、kinesin、DNA helicase和RNA polymerase

„ ATPase與奈米機電系統 組合成爲新型分子馬達

資料來源：http://bio.winona.msus.edu/berg/ANIMTNS/ACT-ATP.htm 資料來源：http://bio.winona.msus.edu/berg/ANIMTNS/Kinesin.htm

分子馬達 分子馬達

„ 康乃爾大學的科學家利用ATP合成酶

(ATPase)，研製出一種可進入人體細胞的奈米 級機電設備“分子馬達”

„ 此設備包括三個元件：金屬推進器(鎳螺旋槳)、

鍍鎳基座及與其相連的生物分子元件(ATPase)

„ ATPase將ATP轉化爲機械能，使金屬推進器的 速率可達到每分鐘8圈，旋轉2.5小時

資料來源： http://www.casnano.net.cn/gb/kepu/shengwu/sw002.html 資料來源： Scientific American 1999 Sep. Molecular Model-T By Alan Hall 資料來源： http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000988D5-647B-1C75- 9B81809EC588EF21&pageNumber=1&catID=6

奈米探 奈米探 針 針

„ 直徑50nm，外面包銀的光纖，傳導一束 氦-鎘雷射。尖端貼有可識別和結合特定 分子的單株抗體。325nm波長的雷射將 激發抗體和特定分子形成的複合物産生 螢光，此螢光進入探針光纖後，由光探 測器接收

„ 高選擇和高靈敏的奈米感測器，可用於 探測許多細胞化學物質，如監控活細胞 內的蛋白質

奈米探針 奈米探針

„ 奈米探針可以探測基因 表現和目標細胞的蛋白 合成，用於篩選微量藥 物，以確定那種藥物最 能有效阻止細胞內致病 蛋白的活動

„ 隨著奈米技術的進步，

最終實現評定單個細胞 的健康狀况

載有藍色雷射光束 的奈米探針穿過活 細胞，以檢測其是 否曾置於致癌物質

資料來源：http://www.casnano.net.cn/gb/kepu/shengwu/sw002.html

奈米生物材料

„ 組織工程中的奈米生物材料

„ 應用細胞生物學和工程學的原理和方法，用 少量組織細胞作體外培養擴增，構建新的組 織和器官，最終在人體實現無損傷修復和真 正有意義的功能重建

„ 不是“挖肉補瘡”的修復，也不是移植式手

術，而是利用人體自身細胞及組織工程的理 論和方法，使原先缺損的組織和器官，沿著 設計好的支架、模型，再順其自然長出來

資料來源：www.bjkp.gov.cn/gkjqy/smkx/k040901.htm

資料來源：www.alpha.qmul.ac.uk/~ugez641/mainpages/polymersncomp.htm 資料來源：Scientific American 1999 Apr., 10-15

裸鼠背上的人耳 裸鼠背上的人耳

„ 材料支架在組織工程中相當重要，因爲細胞 只有在材料上黏附後，才能生長和分化

„ 模仿細胞外基質-膠原的結構，製成生物可 降解吸收的奈米生物材料，已應用於組織工 程的體外及動物實驗，具良好的應用前景

„ 實例：上海人民醫院整形外科曹誼林教授 1995年在美國哈佛大學醫學院組織工程學 實驗室做博士後研究時，於裸鼠背上做了一 隻惟妙惟肖的“人耳”

疾病新 疾病新 解 解

„ 人體是由分子所構成，所有疾病包括衰老 在內，皆可歸因於人體內分子的變化

„ 當人體的分子機器，如合成蛋白質的核糖 體、DNA複製所需的酵素等，出現故障或 工作失常時，就會導致細胞死亡或異常

„ 從微觀的分子角度來看，目前的醫療技術 尚無法達到分子修復的水平

資料來源：http://www.casnano.net.cn/gb/kepu/shengwu/sw002.html

奈米醫學 奈米醫學

„ 根據對人體的分子知識，利用分子工具所 從事的診斷、醫療、預防疾病、修復組織 器官和保健照護等的醫學技術

„ 人們從分子水平上認識自己，創造並利用 奈米結構和裝置來防治疾病，改善人類的 整個生命系統

研究方向 研究方向

„

醫療診斷用的生物晶片

„

奈米藥物輸送

„

智慧藥物

„

基因治療

„

醫用奈米機械及材料

醫療診斷用的生物晶片

„

將一滴血滴在一片大小如同信用卡的 晶片上，然後插入電腦內，半個小時 就可完成血液的檢驗，知道身體那一 部位出了問題，或者自己的基因潛伏 了什麼疾病

„

主要可用於感染性疾病的診斷、癌症

的分類、遺傳疾病的篩檢

資料來源：http://biotech.life.nctu.edu.tw/modules.php?name=News&new_topic=33 資料來源：http://dirac.bri.nrc.ca/microarraylab/flash/menu/pcr.html

生物晶片技術應用展望

奈米藥物輸送

„ 微型藥房的雛型：

一種具有上千個小藥庫的微型晶片，

每一個小藥庫裏可以容納25奈升(nl)的 任何藥物，例如止痛劑或抗生素等

„ 目前這個晶片的尺寸相當於一個小硬 幣，可以做得更小，並裝上一個智慧 感測器，使它可以適時和適量地釋放 藥物

捕捉病毒的奈米陷阱

„ 樹形聚合物(dendrimers)：人造球狀 聚合物分子，具許多分支，有很大的 表面積，內部可形成各種大小的空腔

„ 樹形聚合物可發展為能捕獲病毒的奈 米陷阱

„ 將能夠與病毒結合的受體物質覆蓋在 陷阱細胞(glycodendrimers)表面，當 病毒結合到陷阱細胞表面，就無法再 感染人體細胞

資料來源：Scientific American 2001, Sep., 66-73

智慧藥物 智慧藥物

„ 藥物+可分解的磁性奈米粒 →輸入人體→

以磁場導向→標的物→釋放藥物

„ 具保護層不受免疫系統攻擊

„ 可識別癌細胞

„ 不損傷健康組織

„ 可分解並自然排泄

„ 定向精確

„ 無副作用

基因治療

„ 利用載體將一段有治療功能的基因，直 接或間接植入病人細胞中，利用此特定 基因的表現，產生療效

„ 自病人體內取出細胞→加入帶有治療功 能的載體→載體中的基因插入病人細胞 的DNA中→改造妥的細胞再植回病人 體內

„ 載體為生物工程病毒，如HIV或腺病毒 (DNA病毒)等

資料來源： Scientific American 1997 Jun., 96-121

醫用奈米機械及材料 醫用奈米機械及材料

„ 人造紅血球

․直徑約為1μm的

․具有由葡萄糖驅動

․氧氣攜帶量可為紅

血球的二百倍以上 資料來源： Freites R. A., Nanotechnology 2(8): 8-15, 1996

省思和隱憂

省思和隱憂

奈米科技帶來的影響

„

滿足人類對大自然的好奇心

„

滿足人類對微小化器件的需求

„

滿足人類對資源更有效利用的要求

„

滿足人類對社會經濟發展的願景

生態層面

„ 1.當可溶性的奈米顆粒用來運送藥物或作 其它醫學應用時，是否會透過廢水處理 場的過濾材料，進入地下水中活動？

„ 2.奈米材料是否會與其他常見的污染物如 殺蟲劑或多氯聯苯混合？污染物被奈米 材料吸附後，是否會增強其化學活性，

造成更大危害？

„ 3.細菌是否會吞食奈米材料，以至讓奈米 顆粒進入自然界的食物鏈？

生態層面

„ 4.奈米材料如何與蛋白質互動？當蛋白質 依附在奈米材料表面時，其形狀與功能 是否改變？

„ 5.奈米機器人是否會像細菌一樣自行複製 進而充斥全世界，終將消滅人類？

„ 6.奈米粒子是否可能會造成更嚴重的粉塵 公害？

人文層面

„

1.奈米醫學的進展使得人類壽命延長 對社會結構的衝擊？

„

2.人類是否可以任意改變人體結構及 組織？

„

3.「生命意義」的重新思考？

未來二十年科技創新的趨勢

„

奈米科技充斥在所有的製造業中，並且 實現許多個革命性的願景

„

一台notebook PC在2020到2025年間達 到一個人腦的計算能力，「人機結合」

將成為遠超過科技發展的重大「演化」

議題

資料來源 ：工研院 楊日昌副院長

未來二十年科技創新的趨勢

„

科技的決勝點益發走向—

基礎科學：物理、化學、生物為本 工程為輔

資料來源 ：工研院 楊日昌副院長

奈米科技與人才培育

„

奈米科技是涵蓋面極廣，而且是 高度整合的科技—

是由物理、化學、生命科學三大 基礎科學共同促成

„

培養好的電機資訊、工程人才…

未見得是好的「奈米科技人才」

資料來源 ：工研院 楊日昌副院長

奈米科技與人才培育

„

在快速變遷的時代裡，培養

「人」也許比培養「人才」

更重要

資料來源 ：工研院 楊日昌副院長

什麼是一個「健全的人」？

„

擁有足夠的謀生技能

„

有興趣不斷的累積常識與知識

„

從關懷與求知慾養成社會觀與國際觀

„

從付出與貢獻裡，產生對自我價值的 自信與心靈的自由

資料來源 ：工研院 楊日昌副院長

最基本也是最重要的K-12教育

„

閱讀

常識與知識的來源，與世界接軌的主 要工具，取之不盡、用之不竭的終生 愛好，自由本能的來源

„

英文

知識時代的世界語，一切新知識的主 要傳輸管道，英文不好是巨大的缺陷

資料來源 ：工研院 楊日昌副院長

結 語

„ 奈米技術開啟了最尖端科技的發展，也啟動了 最創新的思考。當我們可以操控原子、分子 時，理論上就能做出任何東西，甚至是生命！

操控生命按照人類的意旨來運轉。

„ 奈米世紀來臨，這是一個目前人類無法想像的 世紀。沒有人能預測，這種科技將如何改變人 類對生命、生物的認知。也沒有人知道，這種 科技將如何超乎人類目前能力的發展，把世界 推向何種境地？但這巨變已開了頭，而且不會 停止！

奈米夢幻

築夢踏實

謝謝

我們一起加油