石墨烯距離生醫商品化的時間還有多久？(4╱5) – 光熱篇

2016-03-17

家裡最近買了台遠紅外線治療機，因為太太有類風濕性關節炎，聽說低能量遠紅外線有不錯的療效。太太念我說書讀那麼多，還只是聽信網路的信息就隨便亂買，但說也奇怪，我照了幾天後，原先我左膝蓋十字韌帶斷裂有積水，最近卻發現不見了。

我不是在推銷這台機器，而是這幾年我一直關注「遠紅外線」這個議題。遠紅外線是太陽光譜中波長較長的一種紅外熱射線，這種射線照射到人體表面，具有很好的組織穿透力。人體組織 70~80% 是水分子組成的，在遠紅外線照射下，引起分子共振，激發細胞代謝功能，進而導致血管擴張，組織微循環改善，這讓我想到近日山東某石墨烯概念股公司發表石墨烯遠紅外線智能內衣的新聞，據該公司產品信息顯示系後處理方式，即通過石墨烯與再生纖維素溶液利用濕法紡絲工藝進行物理結合，自然耐用性不若以塑料母粒抽紗方式采氫鍵結合的牢靠。

其實，我好奇的是他們稱：常溫下遠紅外發射率達 92%，內暖絨發射的 4~14 μm 波段遠紅外波與人體組織中水分子振動波長相同。這裡涉及兩個迷思，第一，石墨烯纖維吸收太陽光產生共振，在常溫下是否可以達到遠紅外線發射率為92%？第二，經過共振發射出來的波段是否恰好為 4~14 μm？我只能說即使上述數據經紅外線光譜儀 (FTIR)測試是正確的，但穿在身上的結果是忽悠大眾的。這裡先賣個關子，我們留待最後再來揭曉。

這篇我們聚焦在光熱這個區塊，並分節說明發熱纖維及光熱療法二部分。

發熱纖維 (還不能稱做遠紅外線纖維)

這裡先來解釋遠紅外線原理。電子從基態（ground state）獲得足夠的能量，可躍遷到較高能量的激發態，而位於激發態的電子並不穩定，隨即釋放能量並回到較低能態。此種高能量電子放出能量的過程，稱為「緩解」(relaxation)。電子從激發態返回基態的緩解過程有兩種，一種是「輻射緩解」(radiation relaxation) ，另一種則是「非輻射緩解」(non-radiation relaxation)；前者放出的能量是以「電磁輻射」的方式呈現，至於後者則以「熱」的形式消耗掉 (例如：晶格振動)，而不放出電磁幅射。

分子吸收紅外線，一般不會發生電子的躍遷現象，但可能發生兩種「量子化躍遷」現象，分別為「振動躍遷」(vibrational transition) 及「轉動躍遷」(rotational transition)，此兩種的能級差一般分別為 0.05~1 eV 以及小於 0.05 eV。分子之振動方式，可分為分子內化學鍵之伸展 (stretching)、交剪 (scissoring)、搖擺 (wagging)、搖動 (rocking)、彎曲 (bending) 或扭轉 (twisting) ，這些振動方式則為遠紅外線療法與人體最主要作用機制，當分子吸收遠紅外線能量後可導致振動躍遷，由低能階 (基態) 躍遷到高能階 (激發態)，提高其振動頻率，隨後以輻射緩解的方式釋出能量，或以非幅射緩解的方式降到低能階而釋出熱。

此外，欲使分子吸收紅外線而產生「振動躍遷」必須符合兩項原則：其一為紅外線能量必須等於分子振動躍遷的能階差，換句話說，入射紅外線頻率須等於振動頻率才能引起分子吸收能量而產生振動，其二為分子振動必須伴隨偶極矩（dipole moment）產生變化，亦即分子之凈偶極矩不能為零。

皮膚的基本構造可以分為三層，從外到內，依次是表皮、真皮、皮下組織。近紅外線可以穿透到皮下組織，而遠紅外線幾乎在表皮都被吸收了，但它卻可以在深部組織產生溫熱效果，其原因就在於遠紅外線釋出的波長大部分的能量都被淺層皮膚的組織分子以及水分子有效吸收，進而產生振動躍遷，而自低能階 (基態) 躍遷到高能階 (激發態)，隨後以「非幅射緩解」的方式釋出熱，或伴隨「轉動躍遷」而導致摩擦產生熱。產生的熱能可以透過傳導的方式，傳送到更深的組織，或者透過促進血液循環的方式，使得熱能能傳到深部組織或更遠的地方，而令深部組織達到產生溫熱效果以及引發一連串有益的生物效應。

廠商通常會在纖維中加入遠紅外線陶瓷成分，能夠反射人體發出的遠紅外線，且將可見光轉成遠紅外線並釋放熱能。穿上這種添加遠紅外線陶瓷粉的衣物，大約可以讓體表溫度上升 2～3℃。以往利用石墨烯摻入纖維的相關研究比較缺乏。李昌壘 (2015) 利用石墨烯與再生纖維素纖維複合，石墨烯與再生纖維素複合纖維比普通纖維素纖維具有更好的熱穩定性能。由圖1 可知，隨著石墨烯含量的增加，複合纖維的防紫外線性能逐漸增強。

當石墨烯含量達到 3％ 時，複合纖維的 UPF 值已經達到 50+，且T(UVA) 小於 5％，已達到 GB／T18830-2002 《紡織品防紫外線性能的評定》中「防紫外線產品」的要求。如表 1。

類似的研究我們在 2014 年使用染整助劑方式完成抗靜電、抗菌、保溫、涼感及抗紫外線的測試，細節我們將在最後一篇–紡織篇來討論。我們都已經發展到母粒抽紗，原因是塑料包覆石墨烯的困難度極高，所以整個技術高度已經超越他們至少三年啰。

不過，最近有關石墨烯纖維最大的亮點是 Craciun (2015) 利用在銅箔中培養石墨烯，然後將其轉移到聚丙烯纖維的方法，首創把紡織電極被真正嵌入紗線的首例，其使用的可能性是無止境的，包括紡織 GPS 系統、生物醫學監測、人身安全或甚至做為感官知覺障礙的溝通工具。所有的電子設備都需要配接線路，因此，這項策略首要解決的問題在於開發導電紡織纖維，同時保持相同的形貌、舒適性和光澤亮度。如圖 2。

光動力療法／光熱療法

惡性腫瘤作為致死率極高的疾病之一，已成為人類最可怕的殺手。腫瘤的早期診斷及治療對人類的健康以及可持續發展極為重要。近年來, 隨著納米科技、納米醫藥、生命科學等領域的飛速發展，基於納米而發展起來的分子診斷學以及分子成像技術被越來越多地用於腫瘤早期診斷，其中，分子可以是生物大分子、有機物及功能納米材料等。

張達等 (2013) 以人惡性膠質瘤細胞 (U87-MG) 為治療模型，利用靶向配體—整合素 αvβ3 單克隆抗體 (integrin αvβ3monoclonal antibody)，偶聯新型納米材料—氧化石墨烯 (nano-graphene oxide, NGO)，構建成一種新型納米探針 (NGO-mAb-FITC) 用於靶向成像及光熱治療。這種納米探針具有主動靶向功能，可識別 αvβ3 陽性表達細胞 U87-MG，但不被 αvβ3 陰性表達的人乳腺癌細胞 (MCF-7) 攝取。通過異硫氰酸熒光素 (FITC) 共價修飾靶向配體，使納米探針 (NGO-mAb-FITC) 獲得對腫瘤細胞的靶向成像作用。同時，利用氧化石墨烯在 808 nm 近紅外激光照射下的光熱轉化性能，使得特異性攝取 NGO-mAb-FITC納米探針的腫瘤細胞內部產生過高熱(hyperthermia)，從而誘導腫瘤細胞熱損傷及細胞凋亡。實驗結果表明，NGO-mAb-FITC能有效識別靶細胞，為腫瘤診斷提供依據，而利用氧化石墨烯的高光熱轉換性能，為腫瘤治療提供新途徑。如圖 3。

Yang 等 (2013) 選用低頻安全的聚焦超音波及新穎石墨烯奈米粒子進行研究，成功開發高效能腦瘤聲熱治療法。在這個系統中有二大重要組成，首先為應用聚焦超音波開啟血腦障壁並進行化學治療，其次為利用奈米石墨烯以加強超音波之熱治療效果。目前已成功利用聚焦超音波開啟血腦障壁，促進藥物進入腦組織以治療腦瘤。由於聚焦超音波在臨床醫療也被大量應用於非侵入式的熱治療，利用此作用可以強化腫瘤治療效果。

但要利用聚焦超音波對腦組織進行熱治療，會因為頭骨的保護作用使得進入腦組織的能力遽減，無法提供足夠的能量加熱。為了克服這個問題，醫療團隊利用石墨烯奈米粒子作為產熱媒介，即可利用低能量超音波產生震蕩在腦瘤產生熱能。事實上，奈米石墨烯具有極佳的導熱性，外加的超音波能量可以有效率的提升目標區域的溫度，加熱效率比傳統光熱治療高 3 倍以上，可治療的目標深度也比傳統技術深至 10 倍以上，能有效通過腦部「血腦障壁」阻隔，達到深層化療與熱療效果。如圖 4。

Vila 等 (2014) 發現奈米石墨烯氧化物有助於提升化學治療、放射治療以及雷射治療等癌症治療方法的效果。相較於正常細胞，癌細胞對熱更為敏感，因此局部熱療 (localizedhyperthermia) 在臨床上是使用超過 43℃ 的溫度治療實質固態腫瘤，此舉能提高化學或放射治療的細胞毒性效應，並且促進藥物對於腫瘤細胞的滲透性。石墨烯氧化物由於能吸收近紅外波段的光，因此在抗癌療法中可作為高熱劑 (hyperthermia agent) 使用。他們以雷射光照射吸收了石墨烯氧化物的細胞，研究體外雷射劑量及細胞曝光時間的影響，發現細胞培養溫度隨雷射功率上升的程度高於曝光時間，此外，當雷射功率增加時，細胞壞死 (cell necrosis) 會導致周遭環境中的細胞激素增加。上述現象意味著研究人員可以利用石墨烯氧化物奈米片來控制受損細胞的種類及熱療溫度，能減少對周圍健康細胞造成的傷害，同時或許還能選擇細胞死亡的方式，譬如凋亡或壞死，因此能改變細胞可能的免疫反應。然而，目前關於石墨烯氧化物對腫瘤細胞是否會造成不良副作用仍未清楚，在進行人體實驗前需有更多的實驗。如圖 5。

我們也做了類似研究，其實是為了涵蓋「SERS 感測–磁性載體–光熱治療–基因」整體解決方案做準備。我們使用 808 nm 雷射光照射氧化石墨烯溶液發現，對照組為水，經 4 watt 照射後升高 12℃，而照射 5 wt% 氧化石墨烯溶液後竟升高 41℃，如圖 6。

最後，我當然沒有忘記要來討論石墨烯遠紅外線的疑惑。

由維恩位移定律 (Wiens displacement law) λmax = b╱T。(λmax 指的是具有最大能量的波長，而 T 表示物體的絕對溫度，b 代表比例常數)。

可求知在人體體溫 37℃ 時，最主要的幅射波長約為 9.35μm，恰好落在生育光波長範圍內，人體約有 60 兆個細胞，細胞中占最大部分的是水分，由圖 7 可知水分子的最有效吸收頻率約為 6.27μm 恰好在生育之光的 4~14μm 區域內，另外在細胞膜上有許多的磷脂質、蛋白質及醣類，它們的平均波長也介於 4~14 μm 生育之光範圍內。人體在吸收遠紅外線後可產生兩個主要的生物效應，即「熱效應」以及「非熱效應」。其中，熱效應是組織中分子的振動或轉動能階躍遷之能量差與紅外線光子能量發生「共振」(resonance)，使得分子振動或轉動，隨後以「非幅射緩解」的方式釋出熱而回到較低能階。醫療上的遠紅外線療法以「振動躍遷」產熱為主要作用機制，此溫熱效應可以達到人體血管擴張的效果，造成血流量增加、促進新陳代謝等。

此外，遠紅外線之「非熱效應」主要是生物體內之細胞或組織吸收後產生之生物化學反應 (如：紅血球膜電位、膜流動性與細胞變形能力)，例如：造成人體內參與生化反應之分子的濃度提高或活性改變，如：改變 NO 濃度或刺激自律神經系統，亦可造成皮膚血管擴張之效果。再者，人體約有 70% 是水分，血液的水分比率更高達 80%，遠紅外線之「非熱效應」可促使大水分子團產生共振，進而導致水分子與水分子之間的氫鍵斷裂，使大水分子團變成獨立細小水分子，使得小水分子容易進入細胞內，促進生物化學反應之進行。

遠紅外線是一種低能量的不可見光，它對於各種物質的穿透能力（穿透率）其實是極低的。由物理實驗得知，遠紅外線對於1mm的玻璃，其穿透率約為 8％，而單層棉質布料也僅有 5％ 的穿透率，所以遠紅外線幾乎不能穿透我們的日常衣著，也無法穿透床單巾被等等。

所以，與其說石墨烯遠紅外線內衣是遠紅外線產品，我們倒不如說是「發熱衣」，因為通過自然光照射的紅外線能量很小，根本達不到分子振動躍遷的能階差。事實上，IBM 的研究人員 2013 年業已發現，石墨烯能吸收高達於 40% 遠紅外線及微波頻率範圍的光。而如果是遠紅外線紡織品，則需要貼身使用。遠紅外線紡織品的能量來源於人體。其作用機製為：人體肌膚散發熱能，能量經紡織品內的遠紅外線材料（如石墨烯）吸收後，轉化並釋出遠紅外線，再回補至人體肌膚。不過，如果不是貼身使用，遠紅外線紡織品雖仍有可能吸收少量的體熱，但轉化釋放出的遠紅外線卻會受到阻隔，無法回補到人體。所以遠紅外線紡織品一定要貼身使用，人體才能吸收。

至於前面為何說 FTIR 的數據會騙人，這點我們要回到 FTIR 的操作方式是打出低功率氦氖雷射 (He-NeLASER，632.99 nm) 光束到受測物，再收集偵測各角度的光來獲得樣品的光譜，問題是大自然光線沒有這麼大的能量，那來達到遠紅外線發射率為 92%？不是該因為穿上衣服而減少大自然紅外線吸收嗎？其實，遠紅外線雖有「溫升」效果，即有保暖作用，但生物活體在環境中，原本就會產生 75％ 的遠紅外線放射率，因而石墨烯內衣的遠紅外線放射率若未達 80％ 以上，「穿了等於沒穿」，沒有太大幫助。

利用儀器測試遠紅外線發射率跟石墨烯纖維利用吸收再釋出遠紅外線的環境截然不同，鬧這個笑話最早是深圳某科學院院長發表石墨烯紅外線智能理療護腰就開始了，身為學者還是投資者，我也搞不清楚他究竟有沒有用心呢！

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