创新医疗科技 模仿自然肌肉 未来治疗更精准｜STEM教室
2024-10-30 14:00 
早前我们接触过浩瀚无边但虚无缥缈的元宇宙，今期我们走回现实里，但就进入一个小得不能看见的领域——分子世界。关于分子的研究，早于十七世纪就有相关论述，由人们最初猜测分子是甚么，到其后推断不同的分子结构及连结方法，再到现时科学家利用成像技术看到这些结构，甚至通过更改分子排列制造崭新物料，我们看到与分子相关技术日益进步。理工大学（理大）应用生物及化学科技学系助理教授梁敬池博士于2021年12月获颁以支持科研新星为宗旨的「裘槎前瞻科研大奖」，就让我们看看其「光响应两亲分子的超分子机械人系统」，运用了甚么最新分子科技吧！
拆解机械人系统 先了解物料应用
医疗科技的进步，令我们了解有关科技的物料应用同样重要。例如一些人的髋关节受关节炎或骨折影响，走路或坐下都会感到痛楚，须要进行手术，换上人工髋关节。这些人工髋关节很多时候都是由金属造成；金属虽然坚固，可代替骨头支撑身体，但金属作为无机物料，与周围有机细胞及组织并不太兼容，其中较常出现的并发症或风险包括金属过敏、腐蚀、中毒等。而且，由于金属比骨骼更坚固，我们活动时力量会聚焦在人工髋关节而非附近骨头；久而久之，这些不常用到的骨头会开始出现骨质疏松，因此人们须要在手术后接受适当的复康治疗。
生物相容 亲水+亲脂
因此，现今愈来愈多研究都着重在手术或运送药物时，如何利用或制作生物相容物料将之放进人体内。在梁博士的机械人系统中，用上了两亲分子（amphiphile），亦即是同时亲水及亲脂。我们知道水与油（或油脂）向来不能混合在一起，因此大部分分子通常只具有亲水性或亲脂性其中一项特性，而要同时兼有，则须要把与亲水及亲脂的相关结构连在一起。洗洁精正是一种两亲分子的应用，平日我们很难只用水就把碗碟清洗乾净，这是因为那些污渍都是油脂；但加上洗洁精，其亲脂部分能有效与油脂结合，我们再以水清洗时，洗洁精上的亲水部分不会与水排斥，同时带有极性，因此能令油滴与油滴之间排斥，从而更易被水冲走。
图一：洗洁精／肥皂的分子结构
人体细胞 包含两亲分子
除了洗洁精，其实人体细胞结构里也有这些两亲分子。一个细胞里充满不同细胞器，各自有不同功能，而外围则包裹着一层细胞膜，称为磷脂双分子层。当中，磷脂的结构就与肥皂分子相若，同样具备一个亲水基团，不过就有两条疏水性（即亲油）的烃基尾。这次理大研究团队利用两亲分子建立机械人系统，无疑增加其生物相容性。
图二：细胞膜的结构
超分子研究 制作多元结构
当肥皂分子遇到油时，会自动以胶束形式排列；细胞膜的磷脂分子亦很有条理地并列一起，亲水基团向外，疏水烃基尾向内。分子自组装过程和原理正是超分子化学中一个热门研究题目，科学家会分析各种因素，推断分子如何结合成不同结构；而两亲分子具有与生物相容特性，因此更吸引人们探索。
通过计算 推断物料结构
以色列物理学家及化学工程师Jacob Israelachvili于上世纪七十年代发现两亲分子在水里的自组装结构能以堆叠参数（packing parameter, P）预测，而这参数则有以下定义：
通过计算这些长度，我们就能得出一个堆叠参数，因而推断物料的结构（见图三）。
图三：推断物料结构
创新科研 建超分子结构
除了堆叠参数，分子如何排列还会受实验环境影响，如温度、光、酸硷度等。理大团队就是在两亲分子中加入光响应元素，当分子连结成超分子结构后，以紫外綫照射，分子就能同步移动。梁博士指出，要做到同步移动并不容易，因为首先须要令各个分子排列好，亦即要先建立好超分子结构，而团队尝试不使用聚合方式，亦属全球首次。
光控机械人 医疗应用广泛
梁博士亦提到研究项目的未来路向，首先，配合物料的生物相容性，团队发现能够加入干细胞。人类每个身体部位都由不同细胞组成，在这些细胞有如此模样和功能之 前，其实原型都是干细胞，只是干细胞走到身体不同位置，受周围环境因素影响而展现不同生长与分化。因此，干细胞对于修复身体受损部分的应用十分广泛，而理大团队亦希望把干细胞加入超分子系统，治疗神经綫折断、肌肉损失等问题。
其次，由于现时所用的光响应物料只对紫外綫有效，但人们不宜接收过量紫外綫，因此团队目标在数年内把驱动系统的光源改为可见光。展望未来，机械人能因应光綫控制改变结构及移动方向，在实际医疗过程中完成手术及释放药物等任务，而且能被人类吸收，做到真正的生物相容。
补充资料
更多与光有关的分子应用
分子技术并不止于手术用途，在引言中就提到，现时我们能够看到微小结构，甚至改变分子排列方式。以下就让我们来看看。
1. 原子力显微镜
大家都知道显微镜能够让我们看到细小的物件，但一般光学显微镜并不足以让我们窥探到小至分子大小的结构。原子力显微镜并不如一般显微镜利用透镜把物件放大，而是利用机械／力学方式。
如图四所示，绿色为所量度的物件表面（sample surface），先把连着悬臂 （cantilever）的尖细探针（tip）放在物件上，然后前后左右移动，探针会根据物件表面的高低上下移动，这亦使悬臂上下移动。同时，我们把雷射（laser）射在悬臂之上，透过反射把光射进光感探测器（photodiode），悬臂的移动会使光綫反射到探测器的不同位置，这样我们就能从光綫的位置推算悬臂所承受的力，以及物件表面最精细的轮廓。这有点类此我们用手指扫过物件表面去感受它是粗糙还是光滑，不过原子力显微镜就准确得多。
可量度细胞组织特性
另外，我们的手指能按在物件上去感知其硬度，原子力显微镜也能做到。先把针头放在物件上，并垂直向下施力，使物件形成凹陷，我们能够通过凹陷处的大小推算物件的一些物理数值。由于这个垂直力度约为nN至μN（即10-9至10-6N，1N为把一公斤物件以每平方秒一米的加速度向前推进所需的力），因此可以利用原子力显微镜量度细胞、组织等特性。
图四：原子力显微镜的内部结构
2. 光镊
原子力显微镜并不像普通显微镜单纯利用光学来看物件，反而主要利用力学原理；光镊则刚好相反，不像普通镊子以力夹着物件，反而利用光来「夹」。我们知道光由一个介质穿过另一个介质的时候会进行折射，而且速度会减慢。光所减少的能量，会以力的形式传递至物件。牛顿第三定律提到，作用力与反作用力是相等但反方向的，因此当光被折射向右时，物件就会感受到一股向左的力，反之亦然，如此类推。
可控极细物件
因此，我们可以利用光镊控制物件位置，可以是令其固定，又或是把物件推至其他位置。不过这种来自光的力量只提供约1至10pN（10-12N）， 因此所控制的物件也是极细小的，如DNA分子、蛋白质等。不过，小有小的好处，就是我们能够从分子层面精准设计一种物料的结构，例如碳纳米管（carbon nanotube），一种具有电导能力、高强度，但是极为轻巧的物料，于电子、光学，甚至汽车或飞机应用都能大派用场。
图五：光镊的运作原理
文：刘心 图片：星岛图片库、理大@Youtube、维基百科、Khan Acdemy、Wiley Online Library、Molecular Machines & Industries、网上图片
延伸阅读：
近年「裘槎前瞻科研大奖」得奖学者：
港大电机工程教授李灿 研「忆阻器」夺裘槎前瞻科研奖 获500万元奖金
最新回应