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2021-01-01蓋一棟細胞的房子 天然水凝膠材料
613 期
Author 作者
陳盈潔／清華大學材料科學工程學系副教授。蔡旻均／清華大學材料科學工程學系碩士二年級。
近年來生物醫學材料的潛在應用市場龐大，有越來越多種材料被研發出來，而天然水凝膠材料就是其中之一。水凝膠的製作方法，可分為物理交聯與化學交聯兩種：物理交聯是指透過氫鍵、凡德瓦力或親疏水力等鍵結方式，產生半永久性的水凝膠；而化學交聯則是透過酵素、光引發或交聯劑相互作用產生的共價鍵交聯，進而形成網狀結構。透過材料科學與細胞結合，水凝膠能有效修復組織並創建組織再生的可能性。
疾病與老化是人一生必經的過程，當人體組織器官出現衰竭或損壞的情形時，病患往往只能無止境地等待器官捐贈。然而隨著醫學技術發展逐漸純熟，有越來越多學者選用不同生醫材料、細胞與藥物組合，開發以生物工程為主的人工器官或組織作為替代的治療方法，目前也有許多產品進入臨床試驗。
舉例來說，美國的細胞移植組織工程公司（Cytogra Tissue Engineering） 從病患皮膚細胞分離出人類的血管內皮細胞（endothelial cells）與存在於結締組織（connective tissue）中的纖維母細胞（fibroblasts），透過體外培養生成工程血管移植進人體，並在臨床實驗中成功於體內進行血管新生。
什麼是生醫材料？
生醫材料是指在人體內或體外醫療裝置上，能與生物體互相作用的材料。由於生醫材料大多需要與人體組織、細胞或體液接觸，因此在選用材料時需要活用物理、化學及生物等跨領域專業知識，並經過謹慎評估後才可使用。
一般來說，生醫材料在上市之前必須經過一系列醫療器材生物相容性試驗，如ISO 10993，以確保產品的安全性，不會對人體造成危害，此試驗會將生醫材料分為三個類別：僅接觸體表、與體外連通或植入型的生醫材料。基本上這三個類別的材料都需要通過物理性、化學性、細胞毒性、敏感與刺激性的共同評估試驗，再視材料與人體接觸的程度增添額外的評估項目，例如血液相容性、致癌性、慢性毒性與植入試驗等。
水凝膠如何擁有細胞相容性？
天然水凝膠（hydrogel）材料是生醫材料的一種，由於水凝膠內保有大量水分能維持其膨潤狀態，感覺就像是一顆果凍。水凝膠主要由細胞外間質（extracelluler matrix,ECM）萃取出的蛋白質組成，因為擁有與生物體內相似或相同的分子結構與組成，因此其具有高生物相容性，較不易引起發炎（inflammation）反應。
此外，因為水凝膠擁有部分與細胞外間質相同的胺基酸序列，如精甘天冬胺酸肽（arginine-glycine-aspartic acid,RGD）和基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）的目標序列能促進細胞附著，因此具有優異的細胞相容性且有助於細胞重塑。天然水凝膠材料的分子間靠著不同鍵結種類，緊緊抓住彼此而形成多孔與纖維狀結構，而這樣的微結構能決定水凝膠材料的機械強度與吸取水份的多寡，進而影響其硬度與膨潤的特性。
這種細胞專屬的水凝膠房子又該如何製作呢？根據其成膠機制來分類，可分為物理交聯（physical crosslinking）與化學膠聯（chemical crosslinking）兩種。
物理交聯的水凝膠
在不需使用交聯劑（crosslinking agent）的情況下，分子與分子間即可透過氫鍵（hydrogen bond,h-bond）、凡德瓦力（Van der Waals force）或親疏水力（hydrophile/hydophobe）等鍵結方式形成網狀結構，產生半永久性的連結交聯形成水凝膠，其機械性質多與分子的濃度成正比，多為可逆反應，也就是物理交聯水凝膠可以在膠態與預聚物溶液態間轉換。
例如能讓軟糖、吉利丁與優酪乳等食品有QQ口感的明膠（gelatin）是膠原蛋白（collagen）水解後的產物，具有熱可逆性，在溫度低於35 ～ 37℃時明膠分子間會生成氫鍵，形成透明的水凝膠；但在當溫度高於35～37℃時，氫鍵將被破壞，明膠便會逐漸融化變回預聚物溶液態。
廣泛應用於生醫材料中的聚異丙基丙烯醯胺（Poly(N-isopropylacrylamide),PNIPAAm）是一種對溫度敏感的水凝膠。PNIPAAm含有C=O及N-H兩種親水官能基，與異丙基長鏈的疏水官能基，當溫度低時，水分子與C=O及N-H間形成氫鍵，使得高分子鏈能溶解於水中，形成高分子預聚物溶液；但當溫度超過32℃時，水分子與親水官能基間的氫鍵因熱能過大而斷裂，疏水基在水中聚集纏繞，高分子溶液開始形成凝膠態。……【更多內容請閱讀科學月刊第613期】
圖為明膠水凝膠，是一種生醫材料，水凝膠內保有大量水分能維持其膨潤狀態，看起來就像顆果凍，小心別吃下肚！（作者提供）