生物技術 科學報導 跨領域生物科技

可穿戴式 OLED 光生物調節貼片
應用於皮膚傷口癒合

光生物調節(photobiomodulation, PBM)是一種利用低能量的紅光或近紅外光照射在人體進行治療的技術,其優點為因為不具侵入性,目前已被應用在皮膚疾病或是醫美的療程,現今光生物調節所使用的光源多為發光二極體(light-emitting diodes,LEDs),發光二極體是由砷化鎵(GaAs)或是氮化鎵(GaN)等半導體材料製成的發光元件,但由於砷化鎵、氮化鎵等發光材料硬度較高且通常較不具彈性,因此先前光生物調節的裝置多為中大型儀器,病患須要定期回到醫院才能進行治療,若能有穿戴式的光生物調節醫療裝置,則光生物調節療程可不受時間和地點的限制,並減少醫療照護的費用。

韓國科學技術院與韓國首爾國立大學盆唐醫院團隊合作,開發出一種新穎的有機發光二極體(organic light-emitting diodes,OLEDs)可穿戴式光生物調節貼片(圖一),具有輕(0.82 克)、薄(676 微米)的特性,且電池可持續運作 300 小時以上,貼片也具有很好的彎曲特性,彎曲半徑可達到 20 毫米,且裝置運作時溫度可維持在攝氏 40 度以下 [1]。

圖一、穿戴式生物調節貼片的使用
左圖為穿戴式光生物調節貼片應用於人類皮膚的示意圖;右圖為實際貼附在受試者的情形,並預期可以用在粉刺治療(acne treatment)、護膚(skin rejuvenation)、光照保護(photoprotection)、
傷口癒合(wound healing)及抗炎作用(anti-inflammation)。
圖片來源:https://doi.org/10.1002/admt.201700391

該團隊所開發的 OLEDs 使用 tris[1-phenylisoquinoline-C2,N]iridium(III)(Ir(piq)3)作為有機發光材料,相較於 LEDs 所使用的發光材料,Ir(piq)3 較有彈性,利用薄膜製程(film process),可製造出具有大面積的發光面、輕薄且有彈性的 OLEDs 。除此之外,此  OLEDs 可藉由改變N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenyl-(1,1′- biphenyl)-4,4′-diamine (NPB) 所構成之電洞傳輸層(hole transport layer, HTL)的厚度,達到較 LEDs 還精準的峰值波長(peak wavelength)控制(圖二)。

圖二、OLEDs的結構與波長控制
左圖為該團隊研發的 OLEDs 的結構;右圖為調整不同 HTL 的 NPB 厚度之OLEDs 放光光譜圖,
可看到 NPB 厚度越厚時,放光的峰值波長越長。
圖片來源:https://doi.org/10.1002/admt.201700391

此穿戴式光生物調節貼片目的是可以即時使用在人體,在實際使用上貼片通常會貼在彎曲的皮膚表面,故此團隊使用呈薄膜狀的零件,將電路配置最小化,使其容易貼附於人體表面且易於製造。此裝置包含薄膜狀且具有彈性的 OLEDs 、封裝層(encapsulation layer)、散熱層(heatsink)、薄膜狀電池(flexible battery)和可黏貼的貼布(patch)(圖三)。 OLEDs  在空氣中易受潮和氧化,因此需要 PET 材質的封裝層來避免 OLEDs 與空氣的接觸;而裝置中的散熱層則可讓 OLEDs 使用時達到最佳的熱穩定度。

圖三、OLEDs 穿戴式光生物調節貼片裝置
圖片來源:https://doi.org/10.1002/admt.201700391

當皮膚受傷後,傷口癒合(wound healing)的過程分為發炎(inflammation)、增生(proliferation)及組織重塑(tissue remodeling)三個階段 [2],受損的真皮組織會在組織重塑的階段進行修復。纖維母細胞是真皮組織中常見的細胞,會合成並分泌纖維以及結締組織需要的膠原蛋白(collagen)、彈性蛋白(elastin)和蛋白多醣(proteoglycans),在傷口癒合的過程非常重要。在傷口癒合過程中,細胞增生(proliferation)和細胞遷徙(migration)扮演關鍵的因素,因此團隊研究了 OLEDs 對纖維母細胞的增生和遷徙效果,細胞試驗的結果指出在使用 650-670 nm 的光源具有最強的促進細胞增生效果,使用 650 nm 的波長在 12 小時內可以使纖維母細胞相對於控制組,較快速的遷徙到刮傷位置(wound  scratch),進而達到癒合的效果,此結果亦顯示精確選擇波長對於光生物調節的重要性。

此研究中作者研發出可用於光生物調節治療的穿戴式 OLEDs 貼片,而該團隊後續也利用此 OLEDs ,進一步證實在人造皮膚可以增加表皮層的厚度,且對於模擬傷口亦具有良好的癒傷效果,期望未來此 OLEDs 光生物調節貼布能有效地應用在表皮傷口的癒合 [3]。

Main Article: Jeon, Y., Choi, H.-R., Lim, M., Choi, S., Kim, H., Kwon, J. H., Park, K.-C., Choi, K. C. (2018). A Wearable Photobiomodulation Patch Using a Flexible Red-Wavelength OLED and Its In Vitro Differential Cell Proliferation Effects. Advanced Materials Technologies, 3, 1700391. https://doi.org/10.1002/admt.201700391

參考文獻:

1. Jeon, Y., Choi, H.-R., Lim, M., Choi, S., Kim, H., Kwon, J. H., Park, K.-C., Choi, K. C. (2018). A Wearable Photobiomodulation Patch Using a Flexible Red-Wavelength OLED and Its In Vitro Differential Cell Proliferation Effects. Advanced Materials Technologies, 3, 1700391. https://doi.org/10.1002/admt.201700391

2. Guo, S., & Dipietro, L. A. (2010). Factors Affecting Wound Healing. Journal of dental research, 89(3), 219–229. https://doi.org/10.1177/0022034509359125

3. Jeon, Y., Choi, H. R., Park, K. C., & Choi, K. C. (2020). Flexible Organic Light-Emitting-Diode-Based Photonic Skin for Attachable Phototherapeutics. Journal of the Society for Information Display, 28(4), 324-332. https://doi.org/10.1002/jsid.882

4. Cho, D.-H., Je, M.-K. (2022). An Energy Efficient OLED Lamp Driver for Wearable Light Therapy Device. Journal of Integrated Circuits and Systems, 8(1).

撰文|張智婷
審稿|解淮清

About the author

張智婷

張智婷

畢業於台灣大學生化科技學系,研究專長為人類皮膚相關疾病及中草藥天然物分析,期望透過Investigator認識更多生醫領域愛好者並推廣生物科學。

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