創新醫療科技 模仿自然肌肉 未來治療更精準｜STEM教室
2024-10-30 14:00 
早前我們接觸過浩瀚無邊但虛無縹緲的元宇宙，今期我們走回現實裏，但就進入一個小得不能看見的領域——分子世界。關於分子的研究，早於十七世紀就有相關論述，由人們最初猜測分子是甚麼，到其後推斷不同的分子結構及連結方法，再到現時科學家利用成像技術看到這些結構，甚至通過更改分子排列製造嶄新物料，我們看到與分子相關技術日益進步。理工大學（理大）應用生物及化學科技學系助理教授梁敬池博士於2021年12月獲頒以支持科研新星為宗旨的「裘槎前瞻科研大獎」，就讓我們看看其「光響應兩親分子的超分子機械人系統」，運用了甚麼最新分子科技吧！
拆解機械人系統 先了解物料應用
醫療科技的進步，令我們了解有關科技的物料應用同樣重要。例如一些人的髖關節受關節炎或骨折影響，走路或坐下都會感到痛楚，須要進行手術，換上人工髖關節。這些人工髖關節很多時候都是由金屬造成；金屬雖然堅固，可代替骨頭支撐身體，但金屬作為無機物料，與周圍有機細胞及組織並不太兼容，其中較常出現的併發症或風險包括金屬過敏、腐蝕、中毒等。而且，由於金屬比骨骼更堅固，我們活動時力量會聚焦在人工髖關節而非附近骨頭；久而久之，這些不常用到的骨頭會開始出現骨質疏鬆，因此人們須要在手術後接受適當的復康治療。
生物相容 親水+親脂
因此，現今愈來愈多研究都着重在手術或運送藥物時，如何利用或製作生物相容物料將之放進人體內。在梁博士的機械人系統中，用上了兩親分子（amphiphile），亦即是同時親水及親脂。我們知道水與油（或油脂）向來不能混合在一起，因此大部分分子通常只具有親水性或親脂性其中一項特性，而要同時兼有，則須要把與親水及親脂的相關結構連在一起。洗潔精正是一種兩親分子的應用，平日我們很難只用水就把碗碟清洗乾淨，這是因為那些污漬都是油脂；但加上洗潔精，其親脂部分能有效與油脂結合，我們再以水清洗時，洗潔精上的親水部分不會與水排斥，同時帶有極性，因此能令油滴與油滴之間排斥，從而更易被水沖走。
圖一：洗潔精／肥皂的分子結構
人體細胞 包含兩親分子
除了洗潔精，其實人體細胞結構裏也有這些兩親分子。一個細胞裏充滿不同細胞器，各自有不同功能，而外圍則包裹着一層細胞膜，稱為磷脂雙分子層。當中，磷脂的結構就與肥皂分子相若，同樣具備一個親水基團，不過就有兩條疏水性（即親油）的烴基尾。這次理大研究團隊利用兩親分子建立機械人系統，無疑增加其生物相容性。
圖二：細胞膜的結構
超分子研究 製作多元結構
當肥皂分子遇到油時，會自動以膠束形式排列；細胞膜的磷脂分子亦很有條理地並列一起，親水基團向外，疏水烴基尾向內。分子自組裝過程和原理正是超分子化學中一個熱門研究題目，科學家會分析各種因素，推斷分子如何結合成不同結構；而兩親分子具有與生物相容特性，因此更吸引人們探索。
通過計算 推斷物料結構
以色列物理學家及化學工程師Jacob Israelachvili於上世紀七十年代發現兩親分子在水裏的自組裝結構能以堆疊參數（packing parameter, P）預測，而這參數則有以下定義：
通過計算這些長度，我們就能得出一個堆疊參數，因而推斷物料的結構（見圖三）。
圖三：推斷物料結構
創新科研 建超分子結構
除了堆疊參數，分子如何排列還會受實驗環境影響，如溫度、光、酸鹼度等。理大團隊就是在兩親分子中加入光響應元素，當分子連結成超分子結構後，以紫外綫照射，分子就能同步移動。梁博士指出，要做到同步移動並不容易，因為首先須要令各個分子排列好，亦即要先建立好超分子結構，而團隊嘗試不使用聚合方式，亦屬全球首次。
光控機械人 醫療應用廣泛
梁博士亦提到研究項目的未來路向，首先，配合物料的生物相容性，團隊發現能夠加入幹細胞。人類每個身體部位都由不同細胞組成，在這些細胞有如此模樣和功能之 前，其實原型都是幹細胞，只是幹細胞走到身體不同位置，受周圍環境因素影響而展現不同生長與分化。因此，幹細胞對於修復身體受損部分的應用十分廣泛，而理大團隊亦希望把幹細胞加入超分子系統，治療神經綫折斷、肌肉損失等問題。
其次，由於現時所用的光響應物料只對紫外綫有效，但人們不宜接收過量紫外綫，因此團隊目標在數年內把驅動系統的光源改為可見光。展望未來，機械人能因應光綫控制改變結構及移動方向，在實際醫療過程中完成手術及釋放藥物等任務，而且能被人類吸收，做到真正的生物相容。
補充資料
更多與光有關的分子應用
分子技術並不止於手術用途，在引言中就提到，現時我們能夠看到微小結構，甚至改變分子排列方式。以下就讓我們來看看。
1. 原子力顯微鏡
大家都知道顯微鏡能夠讓我們看到細小的物件，但一般光學顯微鏡並不足以讓我們窺探到小至分子大小的結構。原子力顯微鏡並不如一般顯微鏡利用透鏡把物件放大，而是利用機械／力學方式。
如圖四所示，綠色為所量度的物件表面（sample surface），先把連着懸臂 （cantilever）的尖細探針（tip）放在物件上，然後前後左右移動，探針會根據物件表面的高低上下移動，這亦使懸臂上下移動。同時，我們把雷射（laser）射在懸臂之上，透過反射把光射進光感探測器（photodiode），懸臂的移動會使光綫反射到探測器的不同位置，這樣我們就能從光綫的位置推算懸臂所承受的力，以及物件表面最精細的輪廓。這有點類此我們用手指掃過物件表面去感受它是粗糙還是光滑，不過原子力顯微鏡就準確得多。
可量度細胞組織特性
另外，我們的手指能按在物件上去感知其硬度，原子力顯微鏡也能做到。先把針頭放在物件上，並垂直向下施力，使物件形成凹陷，我們能夠通過凹陷處的大小推算物件的一些物理數值。由於這個垂直力度約為nN至μN（即10-9至10-6N，1N為把一公斤物件以每平方秒一米的加速度向前推進所需的力），因此可以利用原子力顯微鏡量度細胞、組織等特性。
圖四：原子力顯微鏡的內部結構
2. 光鑷
原子力顯微鏡並不像普通顯微鏡單純利用光學來看物件，反而主要利用力學原理；光鑷則剛好相反，不像普通鑷子以力夾着物件，反而利用光來「夾」。我們知道光由一個介質穿過另一個介質的時候會進行折射，而且速度會減慢。光所減少的能量，會以力的形式傳遞至物件。牛頓第三定律提到，作用力與反作用力是相等但反方向的，因此當光被折射向右時，物件就會感受到一股向左的力，反之亦然，如此類推。
可控極細物件
因此，我們可以利用光鑷控制物件位置，可以是令其固定，又或是把物件推至其他位置。不過這種來自光的力量只提供約1至10pN（10-12N）， 因此所控制的物件也是極細小的，如DNA分子、蛋白質等。不過，小有小的好處，就是我們能夠從分子層面精準設計一種物料的結構，例如碳納米管（carbon nanotube），一種具有電導能力、高強度，但是極為輕巧的物料，於電子、光學，甚至汽車或飛機應用都能大派用場。
圖五：光鑷的運作原理
文：劉心 圖片：星島圖片庫、理大@Youtube、維基百科、Khan Acdemy、Wiley Online Library、Molecular Machines & Industries、網上圖片
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