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1 奈米生物科技簡介 廖達珊

2 目 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 錄 資料來源 : 圖台大醫工所林啟萬教授講義,2002.

3 源 起

4 Richard P. Feynman There is plenty of room at the bottom.1959 資料來源 : 資料來源 :

5 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?

6 25000 倍 一枚大頭針的圓頭直徑約 0.16cm 將針頭放大 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 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 倍, 可以容納什麼?

7 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.

8 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?

9 奈 米 nanometer 教育部顧問室奈米科技人才培育計畫

10 奈米是啥米 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 = m = mm = μm = 10Å

11 地球與彈珠 比例 =10 9 :1

12 From mm to nm

13 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?

14 姚明 23 億 nm

15 資料來源 : 龍騰文化, 高中生命科學上冊,4,2003 尺度的比較

16 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

17 奈米科技 Nanotechnology

18 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

19 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)

20 奈米材料的特性 銀三稜鏡形奈米粒 ~100 nm 金球形 ~100 nm 金球形 ~50 nm 銀球形 ~90 nm 銀球形 ~40 nm 不同大小的奈米粒子會呈現不同的顏色形狀

21 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

22 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

23 巨觀物質 奈大 由大而小 奈 100 nm 介觀 1 nm 原子 分子 奈奈米科技 奈小 由小而大 圖片來源 : 工研院化工所陳重裕

24 奈米尺寸 奈米科技的特性 新的特性被發現 新的契機 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 可作為觸媒 * 導電性奈米級 TiO 2 60 倍於微米級 TiO 2 * 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 75% 光穿透力 40% 90% 資料來源 : 工研院化工所 陳重裕

25 生物體的奈米結構

26 奈米級生命體 - 病毒 病毒是自然界最精緻的奈米構造

27 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

28 腺病毒 資料來源 : 南一書局, 高中生物下冊,90, 2003

29 流感病毒 資料來源 : 南一書局, 高中生物下冊,90, 2003

30 病毒的形態 - 複合對稱 (complex symmestry) 噬菌體 (phage):t4 長約 200nm 寬 nm 蝌蚪狀,DNA 核心 資料來源 : 資料來源 : 龍騰文化, 高中生物下冊,105, 2003 資料來源 : 資料來源 :

31 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

32 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

33 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

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

35 Actin & myosin

36 血紅素 資料來源 : 直徑約 5.5nm

37

38 ATP synthase F 0 : 埋入膜內長約 4.2nm 直徑 5.3nm H + 通道 F 1 : 突出膜外長約 10.8nm 直徑約 11nm 合成 ATP 資料來源 : H. Wang and G. Oster Nature 396:279~282.

39 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 :

40 脂質 元件 : 脂肪酸 資料來源 : 南一書局, 高中生物上冊,32, 2002 功能 : 貯藏能量 隔間, 形成膜

41 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.

42 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

43 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

44 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

45 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 :

46 生物體的奈米技術 生命世界充滿不可思議 的奈米技術

47 資料來源 : 出淤泥而不染

48 蓮花效應 (Lotus effect) 自潔作用 資料來源 :

49 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

50 蓮葉表面構造 bar=20nm bar=50nm( 圖 7) 資料來源 :

51 資料來源 : 自潔作用

52 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

53 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 :

54 奈米生物科技 Nano-biotechnology 師法自然

55 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

56 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 : 資料來源 : 資料來源 : 龍騰文化, 高中生命科學下冊,ch8,2002.

57 生物晶片技術 生物電腦 分子馬達 奈米探針 奈米生物技術 資料來源 : 202_035d_01.jpg

58 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

59 蛋白質電腦 DNA 電腦 生物電腦 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 /mm 2 ) 運轉速度快 (10-11 sec) 耗能低自我組織和自我修復生物相容性

60 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 : 資料來源 :

61 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 : 資料來源 : Scientific American 1999 Sep. Molecular Model-T By Alan Hall 資料來源 :

62 奈米探針 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

63 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 :

64 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 : 資料來源 : 資料來源 :Scientific American 1999 Apr., 10-15

65 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

66 疾病新解 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 :

67 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

68 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

69 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

70 資料來源 : 資料來源 :

71 生物晶片技術應用展望

72 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

73 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

74 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

75 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.,

76 人造紅血球 醫用奈米機械及材料 直徑約為 1μm 的 圓球型構造, 內含多種奈米元件 具有由葡萄糖驅動的馬達, 可將球內的氧氣送出 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

77 省思和隱憂

78 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

79 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?

80 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?

81 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?

82 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

83 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

84 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

85 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

86 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

87 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

88 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!

89 奈米夢幻 築夢踏實

90 謝謝 我們一起加油

6 2012 8476你猜得到它是什麼嗎 它就是 高分子! 生活中的高分子 有種物質的重要性不亞於我們所呼吸的空氣, 不管身在何處, 都有它的存在, 它甚至就隱藏在人體裡面! 人類若失去了它, 就得回到遠古時代, 甚至可能終止生命 高分子是什麼 高分子是由千個 甚至萬個以上的原子所組成, 呈現柔軟的特性 日常生活中使用的塑膠袋就是由高分子製造的, 人體組成中的 DNA 也是一種高分子 2012 8476

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