奈米科技在近十年有長足的進展，例如大家最常聯想到的半導體科技。日新月異的半導體科技得以將半導體元件縮小在更小的表面積上，使得手機也能擁有電腦的運算能力。在生醫研究領域上，奈米材料也有許多意想不到的應用。
在生物系統中，奈米尺度大概是蛋白質、 DNA 的大小，細胞和組織則是數十至數百微米，這樣的尺度差異，也帶來嶄新應用的可能。去年八月，特斯拉創辦人伊隆．馬斯克（Elon Musk）首次展示了旗下公司開發的 Neuralink 晶片，就是利用接近奈米等級的電極陣列讀取豬的腦神經訊號，並將神經訊號轉換成音樂。所以，這個月就由 Investigator TW 來帶領大家了解奈米科技在生醫領域有什麼有趣的新研究吧！
奈米尺度的材料，與細胞、組織的微米尺度比起來小了很多，這使得人們得以使用非侵入方法將材料與細胞組織接合，成為調控細胞功能的新管道。舉例來說，奈米柱陣列（nanoneedle）每根寬度約 100 奈米寬，約為細胞尺度的 1/400 倍，並不會破壞細胞膜的完整性，反而可以局部誘發胞飲作用 [1, 2] ，以用來精準的傳遞物質到細胞內 [2] 。也有研究團隊製作金奈米柱，以雷射激發光電效應，與神經細胞接觸之後可以刺激細胞產生動作電位 [3] 。奈米柱接上電極之後，可以用來量測細胞的電生理訊號，例如動作電位，與神經細胞結合更可以直接操控神經電訊號，或許有朝一日馬斯克的腦機介面的夢想得以實現。
生物系統也有許多奈米結構，其交互作用甚至可以影響細胞生理。研究顯示，細胞的環境會影響細胞的生理，並因此影響細胞在基質的貼附及移動。舉例來說，膠原蛋白為常見的細胞外間質蛋白，在體內常形成數百奈米寬的纖維狀構造，我們就可以用各種奈米結構模擬不同細胞外間質的幾何形狀來研究細胞如何移動。研究發現，細胞會沿著奈米線的方向移動，如果奈米結構有方向，細胞移動也會有方向性 [4] ，這提供了一種長距離操控細胞現象的方式。
這個月我們將會介紹近三年來奈米材料在生醫領域的研究與應用，包含如何調控細胞移動、物質傳輸、量測及調控電生理等主題，請大家不要錯過本月的文章。
奈米材料提供調控細胞功能的新管道。
圖片來源：DOI: 10.1021/nn103618d
參考資料：
[1] Zhao, W., Hanson, L., Lou, H. Y., Akamatsu, M., Chowdary, P. D., Santoro, F., … & Cui, B. (2017). Nanoscale manipulation of membrane curvature for probing endocytosis in live cells. Nature nanotechnology, 12(8), 750-756. DOI: 10.1038/nnano.2017.98
[2] Gopal, S., Chiappini, C., Penders, J., Leonardo, V., Seong, H., Rothery, S., … & Stevens, M. M. (2019). Porous silicon nanoneedles modulate endocytosis to deliver biological payloads. Advanced Materials, 31(12), 1806788. DOI: 10.1002/adma.201806788
[3] Parameswaran, R., Carvalho-de-Souza, J. L., Jiang, Y., Burke, M. J., Zimmerman, J. F., Koehler, K., … & Tian, B. (2018). Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with free-standing coaxial silicon nanowires. Nature nanotechnology, 13(3), 260-266. DOI: 10.1038/s41565-017-0041-7
[4] Sun, X., Driscoll, M. K., Guven, C., Das, S., Parent, C. A., Fourkas, J. T., & Losert, W. (2015). Asymmetric nanotopography biases cytoskeletal dynamics and promotes unidirectional cell guidance. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(41), 12557-12562. DOI: 10.1073/pnas.1502970112
撰文｜周文鴻
審稿｜蔡京庭
