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奈米金&奈米銀

 

奈米的時代,這篇科學新知好文章,值得推介閱讀!
 奈米金與銀的妙用


作者:嚴鴻仁、徐善慧 中興大學化學工程學系
轉載自: http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=10205&ctNode=40&mp=1
系統圖片

金與銀是大家愛不釋手的金屬飾品,人們總覺得愈大愈多,愈能顯現出它們的貴重。但你可能不知道,當變得很微小時,其實更能顯現它們的真正價值!奈米金常用於生物醫學上的檢測、疾病診斷及基因偵測,奈米銀則有明顯的抗菌效果,且在利用上比銀離子更具潛力。

奈米金與銀的妙用


奈米是啥米

近來「奈米」這個名詞頻頻出現在日常生活中,市面上琳瑯滿目的產品,舉凡奈米啤酒、奈米馬桶、奈米冷氣,甚至奈米水,使得社會大眾一頭霧水!這些奈米產品是真的有特殊效用,抑或只是商人謀利的噱頭?

奈米是長度單位,1 奈米等於十億分之一公尺,約為人類頭髮直徑的十萬分之一!通常材料尺寸小於 100 奈米時,稱為「奈米材料」。但奈米有何魅力,能讓各個領域的科學家趨之若鶩地投入研究呢?科學家發現,當一種材料的尺寸微小化到奈米程度時,它的物理及化學性質都會有大幅度的變化。這一特性引起了人們極大的關注,而開始開發各種不同的奈米材料,例如奈米塑膠、奈米金屬、奈米陶瓷、奈米磁性材料等。這些材料的特殊性質主要源自於奈米化後產生的表面效應、尺寸效應和量子效應。

奈米材料目前已廣泛運用於很多領域,諸如醫藥、資訊、光電、化工、生物工程等。想想看,如果能利用奈米機械人在身體內來回穿梭,清除體內的癌細胞,或幫你疏通阻塞的血管;或能把一整個圖書館的書全塞進一個指甲大小的記憶體裡,以後學生上課只需要攜帶一個小小的記憶卡,就可以包含所有上課的教材,不必再背著厚重的書包上下學;或能發明出具有自潔及殺菌作用的衣服,可以永遠不用洗,那會是多美好的事。在未來,這些都可能因奈米科技的發展,而不再是天馬行空的神話!

有人說 21 世紀是一個沒有病痛的生物科技時代。生物科技正因奈米科技的發展而有了重大的突破,因此不少科學家覺得,人類接下來要迎接的是生物科技時代,更是一個奈米時代!

奈米科技中的黃金戰士

古今中外,黃金一直被認為是高貴的象徵,金光閃閃的外表總是吸引了眾人的目光。金是一種極為安定且具抗氧化功能的材料,因此除了裝飾的用途外,在日本,金也當作一種養生食品,添加在茶、酒及各種食材中;在歐美,金用在除皺、美白等化妝保養品中;又因金具有極佳的生物相容性,在醫學上也常製作成假牙、心血管支架。但是當金材料的尺寸縮小到奈米等級時,它的大小遠小於光的波長,由於「表面電漿共振」的效應,某些光波會被奈米金吸收,導致金不再金光閃閃,而是呈現紅寶石色。

很早以前,人們便懂得拿奈米金當作紅寶石色玻璃或陶瓷的原料,最有名的例子就是考古學家發現的在西元前 4 ~ 5 世紀的羅馬酒杯(Lycurgus cup),它的反射光是綠色,穿透光卻是紅寶石色。其他像許多歐洲古老教堂的彩繪玻璃,也都發現含有奈米金的成分。除了顏色外,奈米金的熔點、硬度等性質與黃金都有很大的不同。由於奈米金具有許多獨特的性質,近年來許多科學家紛紛投入研究,奈米黃金的技術及應用也以驚人的速度成長,舉凡電子、半導體、觸媒、染料、生醫等領域中,都可以發現它的蹤跡。

在醫學檢測上的應用 因為金有良好的生物相容性,而且奈米化的金表面具有特殊效應,容易與硫氫基結合,所以奈米金常用於生物醫學上的檢測、疾病診斷及基因偵測。

美國西北大學莫京(Mirkin)博士在 1996 年發現,奈米金可與 DNA 輕易結合,若先在奈米金表面接上單股的 DNA 做成試劑,當待測樣品中含有另一互補的 DNA 鏈段時,因為鹼基的配對,會使得含有 DNA 鏈段的奈米金聚集在一起,形成較大的團聚物,這時奈米金的顏色會由原本的紅寶石色變成藍色。利用這個現象,便可用奈米金製作能檢測許多遺傳疾病的 DNA 晶片。只要取一滴血滴在晶片上,送入電腦做分析,不一會兒便可知道基因可能帶有哪些潛在的遺傳疾病,有助於遺傳疾病的預防與治療。

奈米金也容易與蛋白質結合,如抗體、酵素或細胞激素,最普遍的例子就是在驗孕棒上的應用。懷孕的女性會分泌一種特殊的荷爾蒙 hCG(human Chorionic Gonadotropin,人絨毛膜促性腺激素),把懷孕女性的尿液滴在含有奈米金試劑的驗孕棒上,hCG 荷爾蒙便會與奈米金反應呈現紅寶石色,如此就可得知懷孕與否。此外,也有科學家利用奈米金結合特殊的抗體,用來做為標的癌細胞的工具。利用奈米金的方法,比傳統的方法靈敏且準確,未來在基因學、免疫學、臨床診斷等方面極具開發價值。

在藥物釋放上的應用 金在生物醫學上的另一個妙用,是在「藥物釋放晶片」上的應用。美國麻省理工學院以設計好的矽晶片做為基材容器,把要傳送的藥物填充在容器中,再鍍上奈米金薄膜覆蓋於容器上,薄膜只有 300 奈米厚。然後把晶片植入或吞入體內,醫生或病人只要經由微處理器控制晶片釋放微弱的電壓,便可使金薄膜溶解,把一定量的藥物釋放出來,也可控制每一藥劑釋放的時間及地點。此外,因為金具有良好的生物相容性,所以金薄膜在體內溶解出來的金,並不會在體內引起毒性或發炎反應。

在關節炎治療上的應用 金的複合物長久以來便被當作一種調節關節炎的藥物,但部分病人在使用這類藥物時,會引起有害的副作用。成功大學基礎醫學研究所吳昭良博士實驗室發現,把奈米金施打入患有類風濕性關節炎老鼠的關節中,奈米金會與誘發類風濕性關節炎的內皮細胞生長因子結合,並抑制血管新生,達到抗關節炎的效果。

其他應用 黃金是種非常安定的材料,奈米金卻可以當作觸媒使用。日本的科學家發現,奈米金是能把一氧化碳氧化成二氧化碳的觸媒,因此可利用於口罩、防毒面具、熱水器等,防止一氧化碳中毒。與工業上常用的白金觸媒相比,白金觸媒需要在高溫下進行反應,且不能有水汽,而奈米金觸媒在室溫下就能進行反應,且不受水汽影響。另有研究指出,奈米金具有抗自由基的能力,是維生素C的 80 倍,因此奈米金也可添加在生醫材料中,增加材料在體內的安定性。

殺菌高手奈米銀

銀是生活中常見的一種亮白色金屬,性質安定,很早以前人們便懂得把銀拿來製造貨幣、器皿或銀飾,而目前在電子工業及底片的製造上,也有相當大的用量。銀也具有非常良好的導電性及導熱性,但因單價較高,所以在導電導熱材料上的使用遠不及銅普遍。

市面上已有許多琳瑯滿目的奈米銀抗菌產品,但到目前為止,奈米銀的抗菌機制仍有許多不同的說法。一般認為銀經奈米化後,表面裸露出的銀原子急遽增加,在溶液中能解離出許多銀離子,而這些銀離子便是抗菌的主要功臣。此外,奈米銀粒子在溶液中可持續釋放出銀離子,長期保有抗菌功效,因此被喻為「永久性的殺菌劑」。

奈米銀的應用 奈米銀的抗菌應用已經充斥在我們的周遭,舉凡日常生活用品、紡織衣物、化妝品的抗菌,到冷氣機、洗衣機等家電的抗菌功能,都可見到奈米銀的身影。

在醫療上也開發出多種奈米銀的應用,例如在床單被套、止血紗布或導管中添加奈米銀,可防止細菌的滋生及疾病的傳染,也可降低病人在手術時被病菌感染的機率。另外,把奈米銀混入人工皮膚敷料中,使用在需要長期利用敷料保護傷口的燒燙傷病患身上,可有效地避免細菌感染的問題。

近年來,奈米銀的研究更發展至運用於人體的植入材料方面。例如,添加在固定人工關節的骨水泥中取代傳統的抗生素,可抑制細菌的滋生,避免術後造成的組織感染。此外,研究也指出奈米銀可以殺菌,但不會對骨細胞產生毒性。

與其他抗菌劑的比較 抗生素是目前使用最廣泛的醫療抗感染藥物,但也由於使用的氾濫,導致細菌產生抗藥性,使得有些病症面臨無藥可用的地步。奈米銀因為其特殊的殺菌機制,不會有細菌產生抗藥性的問題。與直接利用銀離子殺菌比較,銀離子容易與體內的氯離子結合,產生氯化銀沉澱,進而誘發體內的免疫反應。而以奈米銀當作抗菌劑,不僅對細胞的刺激性及毒性都較低,抗菌時效也比較久。

與幾年前因為 SARS 而火紅的殺菌劑光觸媒二氧化鈦相較,利用二氧化鈦殺菌,需要足夠的紫外光光源來產生氧化作用殺死細菌,在光源較不足的室內,殺菌能力便大打折扣,且氧化作用產生的自由基可能對細胞也有傷害。而奈米銀不需仰賴其他物質的激發,本身就可產生殺菌作用。但奈米銀因為顆粒小,安定性不佳,彼此間容易聚集成大顆粒,而降低抗菌效果。因此如何把奈米銀均勻地分散在材料中,是製作奈米銀產品的最大課題。

奈米材料的隱憂

奈米科技顛覆了人們傳統的思維,為人類帶來了科技上重大的革命。目前各國都積極投入奈米相關的研究,美國、日本及中國每年花費數十億美金在奈米科技的研究上,國內近幾年也積極地推動奈米科技與相關產業,甚至成立了國家級的研究中心。但在享受奈米科技為我們帶來便利的同時,是否也帶來了意想不到的隱憂呢?

當我們使用奈米顆粒來運輸藥物或殺菌時,這些奈米顆粒小至可以輕易地進入細胞,而細胞並無法代謝掉這些金屬顆粒,久之是否會對細胞造成影響?這些奈米顆粒會不會與體內的蛋白質或 DNA 發生作用,而改變了蛋白質的功能或 DNA 的遺傳訊號呢?有科學家直言,奈米科技就如同基因改造技術一樣,在短時間內可能還無法發現它帶來的害處,長時間的廣泛使用後,對於環境與生物體的衝擊是無法預料的。因此在推動奈米科技的同時,它可能帶來的負面影響是需要重視的。

 

相關附件:《科學發展》2008年11月,431期,28 ~ 32頁
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