石墨烯距離生醫商品化的時間還有多久？(3╱5) – 藥物載體篇

01-27

2016-03-15

你踏入石墨烯研究越深，越是不能停止學習，因為從我整理石墨烯的八大物性來看，每個物性都涵蓋多種機理，與其說石墨烯是「材料」，我們倒不如認為石墨烯是個「觸媒」。透過石墨烯各種優異的特性，讓我們實現過去未曾想像的材料革命已經悄然啟動了。

這篇我們繼續談到生醫領域。生醫材料係指天然來源或人工合成材料，其具有生物相容性而可被植入或結合入活體系統中，以用來取代或修補活體系統的一部分，或者直接與活體接觸而執行其生命功能，因此目前生醫材料的概念可延伸而包括藥物傳輸系統所用的材料，生物感應器的材料，或甚至支持身體功能的體外醫療器材之材料。

生醫材料及組件項目包括：硬組織（人工關節、骨骼及股骨等）、軟組織（人工韌帶、血管、皮膚等）、液態組織（人工血液及脂肪液等）、人工器官（人工胰臟、人工心臟、人造血管等）、抗組織沾粘材料、生物感測器、細胞治療之細胞工程材料及組件、鎮痛輸液泵。如果我跟大家保證這些產品都可以用石墨烯實現，你一定會覺得我瘋了，但事實就跟我一直跟各位談的，只要你轉念用物性去思考石墨烯的用途，總有石墨烯可以派上用途的地方。

我們這篇就來討論藥物載體及組織工程吧。

藥物載體

近幾年來，石墨烯和氧化石墨烯在藥物釋放領域被廣泛研究。可生物降解的殼聚糖／氧化石墨烯納米複合材料具有優良的力學性能和藥物釋放性能，能用於藥物遞送。此複合材料提供了比殼聚糖更快、幅度更大的釋放藥物以及較慢的生物降解速率。Goenka 等 (2014) 對各種類型石墨烯基納米複合材料的屬性進行了全面的研究，進一步強調這些屬性是如何用於藥物輸送和組織工程的應用。Chen 等 (2012) 對殼聚糖／氧化石墨烯納米複合材料的藥物傳輸進行了研究，結果表明 CS／GO 納米複合材料由於豐富的含氧官能團、親水性和大的比表面積，具有比殼聚糖更快和更實質性的釋放藥物以及較慢的生物降解速率。相關藥物釋放研究見表 1。

Wang 等 (2013) 研究了殼聚糖改性石墨烯納米凝膠 (CRGO) 在近紅外光譜輻射下負載抗癌藥物和藥物釋放的能力，結果表明nCRGO 在近紅外光譜輻照下 (808 nm)，可以快速從阿黴素╱熱敏納米凝膠 (DOX-CGN) 中重複釋放阿黴素。(見圖 1，LLC1 (A)、 TRC1 (B) 細胞、LLC1 細胞的細胞毒性 (C) andnTRAMP-C1 細胞 (D) 的細胞毒性)

利用石墨烯的高比表面積、π-π 堆積、靜電作用以及疏水作用來實現難溶性藥物的高負載量，Liu 等 (2012) 是最早在這領域進行研究的研究者之一，他們合成負載了喜樹鹼n(CPT) 衍生物 SN38 的聚乙二醇 (PEG)╱功能化的納米石墨烯氧化物 (NGO)，NGO╱EG╱SN38 複合物既保持了 SN38 優良性能也表現出了良好的水溶性。在 HCT—116 細胞中，該複合物也具有較高的細胞毒性，比 CPT 強 1000 倍，這導致了許多研究組對石墨烯基複合材料在藥物傳遞中的應用展開了一系列的研究 (見圖 2)。

n一般情況下，納米載體是與細胞膜相互作用以及通過內吞作用進入細胞內。石墨烯功能化已成功地用於開發釋放藥物在細胞質內的刺激響應性納米載體。例如 Kim 等 (2013) 利用谷胱甘肽 (GSH) 的近紅外 (NIR)、酸性pH值和高細胞內水平來進行 DOX 中的包質交付。經 PEG 和支鏈聚乙烯亞胺 (BPEI) 功能化的還原氧化石墨烯n(PEG╱BPEI╱rGO) 納米載體處理後的細胞暴露於近紅外中輻射，以便誘導內涵體破裂以及 DOX 釋放。在經近紅外輻射後的 PEG╱BPEI╱rGO╱DOX 複合物處理過的細胞中，谷胱甘肽胞質存在所導致的癌細胞死亡率要比在沒經過輻射的細胞中的高 (見圖 3)。

Dembereldor 等 (2012) 開發了 D0X 負載的 PEG╱GO 納米複合材料，並且利用無標記熒光技術實時監測活細胞體內以及體外 DOX 釋放所引起的微量變化 (見圖 4)。

氧化鐵納米顆粒共軛的石墨烯納米材料具有超順磁性，也可以用於藥物傳遞的應用中。Yang 等 (2009) 採用濕化學法製備了氧化鐵 (Fe3O4) 納米粒子共軛的 GO 複合材料，並負載了 DOX。負載 DOX 之前或之後，均勻分散在水溶液中的磁性混合物在酸性介質中會團聚，而在鹼性介質中仍是分散的。GO╱Fe3O4 複合材料的pH值觸發性磁性行為可以用來控制藥物傳遞。也報道了類似的pH 值依賴性藥物釋，即 5－FU 負載納米雜化系統，該雜化系統包括石墨烯片(GNS)、碳納米管 (CNT)、Fe3O4，甚至是在高濃度 80 ttg╱mL的情況下，GNS╱CNT╱Fe3O4 複合材料也能夠內吞 HepG2 細胞，仍沒有顯示毒性，而 5-FU 負載的複合物對 HepG2 細胞有著顯著的細胞毒性。Li 等 (2011) 製備了負載羅丹明 B 的 Fe3O4／石墨烯複合材料，除了能夠高效的負載羅丹明B以外，這種材料也具有良好的電化學性能，那是由於石墨烯的導電性能增加，以及nFe3O4 包裹的石墨烯片比表面積增加。在酸性 pH 值下，pH 值依賴型羅丹明 B 的釋放是最快的 (見圖 5)。

接著，就來討論我們在藥物載體進行的研究。

我們在 2009 年就發表 Biomedical nanoparticle carriers with combined thermal and magneticnresponses 及 Temperature-Sensitive Nanocapsules for Controlled Drug Release Causednby Magnetically Triggered Structural Disruption 二篇文章，就通過磁性納米材料與藥物結合成載體 (見圖 6)。

n接著，我們又在 2014 年發表 Magnetic liposomes for colorectal cancer cellsntherapy by high-frequency magnetic field treatment，希望透過高週波磁場處理 Fe3O4 納米顆粒，作為結直腸癌細胞療法的磁性脂質體 (見圖 7)。

n最近成果是在 2015 年發表 Magnetically triggered nanovehicles for controlled drug release asnacolorectal cancer therapy，利用磁性載體摻入抗癌藥物阿黴素（直徑約 50 納米）折迭，釋放藥物的有效載荷約 80％時，由於 Fe3O4納米顆粒高速旋轉的熱量產生，從而實現快速、準確的藥物釋放。同時，Fe3O4 納米顆粒本身也可以透過熱療效應（感應加熱）殺死腫瘤細胞。有關熱療效應我們在光熱篇再說明機理 (見圖 8)。

組織工程

n組織工程也有人稱其為「再生醫學」，是指利用生物活性物質，通過體外培養或構建的方法，再造或者修復器官及組織的技術。組織工程學涉及到生物學，材料學和工程學等多學科；目前已經能夠再造骨、軟骨、皮膚、腎、肝、消化道及角膜、肌肉、乳房等組織器官。

支架、細胞及訊息因子，是構成組織工程不可或缺的三大要素。適合作為組織工程的支架材料，基本上必須符合幾個條件：在人體內可以被降解，因為支架結構在體內存在時間過久，反而會有礙組織的再生，也就是說器官長成後所使用的支架材料必須會消失且可被人體吸收；良好的生物兼容性，即沒有嚴重的免疫排斥問題；材料表面適合細胞的生長；以及具備相當的物理強度。不過，無論所使用的材料為何，它們皆具有兩個共通的特性。首先是可塑性，可按照不同的組織器官構造，塑造出我們所想要的形態；其次是支架內部的孔洞結構，它就像是一間間的小房間，細胞植入後，如同攀岩一般先貼附在房間的牆壁上，然後慢慢地往房間中央伸展，最後細胞及其製造出的細胞外基質形成組織而佔滿了整個房間，細胞彼此間穿牆而過形成聯合的整體，長成我們所要的器官。

常用的合成高分子生醫材料，有聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、硅膠、聚酯類高分子、四氟化聚乙烯、聚胺基甲酸酯等。聚甲基丙烯酸甲酯的應用主要有假牙、骨水泥、隱形眼鏡、人工水晶體等。低密度聚乙烯的應用主要是心導管，而超高分子量聚乙烯的應用是骨折固定板、人工關節等。硅膠的應用主要有人工心臟瓣膜的球閥、人工血管、心導管，以及隆乳、隆鼻、隆下巴等美容手術的填充材料。

n較知名的聚酯類高分子材料有達克隆、聚乳酸和聚甘醇酸或其共聚物等。達克隆的應用主要有大口徑人工血管（內徑大於10 mm）、人工心臟瓣膜的縫合布圈、人工氣管、手術縫線、人工韌帶等。聚乳酸和聚甘醇酸具有較高的使用強度，良好的生物兼容性、降解性與生物吸收性，應用主要有手術縫線、藥物控制釋放載體、整形移植材料、組織工程支架等。四氟化聚乙烯應用有中口徑人工血管（內徑約4～10 mm）、人工韌帶、用於胸腔或腹腔手術的補綴片等。聚胺基甲酸酯的應用主要有人工血管、人工心臟的心室袋狀物與手術用手套等。

n傳統的生醫材料研發概念，認為適用在人體內的理想生醫材料必須符合以下的條件。

n1. n良好的生物兼容性—也就是材料本身和人體組織、體液或血液接觸後，發生的一切現象必須符合臨床使用的情況。例如植入的人工血管不會產生血栓；相反地，止血棉反而要立即產生栓塞的現象，以利傷口迅速止血。

n2. n惰性—傳統的概念是期望材料和人體的組織、體液或血液接觸後，彼此都不會發生任何變化。

然而，在過去三、四十年臨床所累積的經驗發現，由於人體免疫反應和排斥現象，這項期望是不可能實現的。最近幾年取而代之的是「組織工程」的概念，期望植入的材料能促使周遭宿主的細胞遷徙並增生於材料上，隨著材料的慢慢分解和組織的再生來重建病變的組織。如此宿主免疫系統看到的是自己的細胞和組織，而不再有強烈的免疫反應和排斥現象發生。

nFaria 等 (2014) 對GO／Ag納米複合材料的抗菌活性進行了研究。GO／Ag 納米複合材料對綠膿桿菌具有最低抑菌濃度為 2.5~5.0 Fg／mL 的高殺生物活性。他們對綠膿桿菌附著在不鏽鋼表面的抗生物膜活性也進行了研究。結果表明 GO／Ag 納米複合材料對附著細胞的抑制率為 100 ，直接證明 GO／Ag 納米複合材料能抑制微生物粘附細胞的生長，從而防止生物膜形成，說明 GO／Ag 納米複合材料可作為醫療設備抗菌塗層材料。石墨烯／殼聚糖複合材料具有良好的生物相容性，L929 細胞可以附著於其複合膜上生長 (見圖 9)；另外，石墨烯的原料中無金屬雜質，這就省去了純化過程，因此，Sharma 等 (2009) 使用石墨烯／殼聚糖複合材料可用於製備生物醫學材料，如在組織工程中作為人體支架。

nLee (2014) 利用石墨烯╱奈米顆粒複合結構數組是在單層的 300nm 的硅顆粒上覆蓋氧化石墨烯製備而成。該材料與玻璃、硅奈米顆粒、氧化石墨烯等其他三種襯底材料一起，通過 14 天的神經幹細胞培養後發現，僅在氧化石墨烯和石墨烯—奈米顆粒複合結構兩種材料上分化的神經幹細胞顯示出了很好的準直性和延展的軸突。所以，氧化石墨烯膜的存在對軸突的準直生長至關重要。另外，長在石墨烯╱奈米顆粒複合結構上的分化神經幹細胞軸突的平均長度比在玻璃上的長 20.76%，比在氧化石墨烯上的長 11.3%。這兩種對神經幹細胞生長的改進，使石墨烯╱奈米顆粒複合結構數組最有希望作為修復神經元生長的支架。在實驗中作者還發現在石墨烯╱奈米顆粒複合結構中分化的神經幹細胞表達量最高，並且，細胞培養三周後的存活率很高。說明該材料有很好的生物兼容性 (見圖 10)。

n骨頭是由多孔的羥磷石灰 (hydroxyapatite) 及膠原n(collagen) 所形成，由於後者極昂貴，研究人員捨棄直接複製天然骨頭的想法，轉而嘗試人造的明膠 (gelatin) 作為替代品。Nair 等 (2015) 最近研究了石墨烯氧化物奈米片對骨骼的影響，以了解它們是否能強化用於骨骼移植的羥磷石灰╱明膠奈米複合物。石墨烯氧化物具有有利於細胞健康的化學性質，同時保有石墨烯傑出的機械特性。當骨頭癒合時，幹細胞會分化成骨細胞n(osteoblast) 並修補破損處。不過幹細胞由患部附近遷徙來需要花時間，而年長者還有幹細胞數量較少的問題。該團隊培育能分化成各種組織的間充質細胞n(mesenchymal cell)，並監測它們在骨頭內的分化情形。結果發現石墨烯氧化物奈米片大幅促進幹細胞的多樣化，似乎能助長其分化成骨骼組織細胞。雖然初步的研究成果令人充滿希望，但仍需更多實驗確定此石墨烯氧化物強化羥磷石灰╱明膠的毒性，因為羥磷石灰╱明膠的成份本來即存在於人體，石墨烯氧化物則不然，而且它還不溶於水。約六成的石墨烯氧化物在八週內脫離複合物框架，其濃度已接近毒性極限。

n我們積累在氧化石墨烯抗菌的經驗發現，抗菌的同時可以做到抗沾黏，原因在組織來自於細胞，如果細胞不貼附在材料上，就不會有組織沾粘的問題。幾乎每個細胞的內部都比外部帶有較多的負電荷，膜內外的電位差約為n-70 mV。石墨烯氧化物亦為負電荷，所以產生同性相斥現象。

n其實，石墨烯已經逐漸進入我們生活的每一個角落，只是我們還沒有感覺到它的巨大影響力罷了。