磁性奈米於生醫之應用發展與趨勢

 

刊登日期:2018/1/5
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磁性材料被廣泛地運用在生醫領域,是極具潛力的一種功能性材料。其特殊的磁訊號能用於影像醫學;能作為感測地磁的感測器;也能作非接觸式的磁場發熱治療。而其中奈米磁性顆粒甚至可以整合所有條件,作為顯影劑和標靶藥物載體,以及控制集中治療的多功能磁性生醫材料。

本文將從以下大綱,從自然界中的磁性奈米顆粒到其功能性的應用,將其發展及趨勢做完整介紹。
‧自然界的磁性顆粒
‧磁性藥物傳輸載體運用
‧如何利用磁場操控奈米磁性顆粒
‧奈米磁性顆粒應用於磁熱治療
‧核磁共振的技術發展
‧磁粒子成像發展

【內文精選】
自然界的磁性顆粒
磁性材料在自然界是一個相當特殊的功能性材料。其存在於生物體內,舉凡候鳥遷徙、海龜洄游、蜜蜂和蝴蝶對地磁的感應等,磁性顆粒導航就是一個重要機制。科學家發現造成這些導航機制,大部分都是因為生物體內存在,若奈米粒子具有磁性,就會受到地球磁場的引力作用,地球引力與磁粒子引力間的變化差異,能作為動物的生物羅盤(Biocompass),讓動物們辨別回家的路。

2009年科學家發現鳥的眼睛視網膜裡有種特殊的隱花色素(Cryptochrome; CRY),是種蛋白質複合體,屬於光敏分子;鳥眼睛內的Cryptochrome接受光刺激後形成的自由基對,作為磁感受器 (Magnetoreceptor)。這種生物羅盤的機制目前尚未清楚,科學家也發現哺乳動物的視網膜中也有Cryptochrom,他們也嘗試製作人工磁性蛋白質結構之生物羅盤,來進行各種磁場導引測試。

磁性藥物傳輸載體運用
奈米磁性顆粒可以作為生物體的導航,自然在運用上也可以是一個導引藥物釋放的方法,成為藥物載體傳輸。利用直流磁場可將奈米磁性顆粒吸引集中,而使用高頻交流磁場則有助於斷開顆粒與藥物之間之鍵結,讓其釋放到患部位置,目前已進行臨床三期的Magnetic Targeted Carriers-Doxorubicin(MTC-DOX)就是一個最好磁性藥物載體的例子,如圖二所示。

圖二、MTC-DOX之臨床應用MRI影像觀察以及於標靶與藥物傳輸示意
圖二、MTC-DOX之臨床應用MRI影像觀察以及於標靶與藥物傳輸示意

磁粒子成像發展
關於奈米磁性顆粒的偵測,除了MRI之顯影技術已發展多年,磁粒子成像(Magnetic Particle Image; MPI)系統是另一類臨床前成像的嶄新技術。作為適用於疾病研究、移植研究和藥物研製的配套臨床前成像技術,新增的磁粒子成像很有可能幫助研究人員從器官、細胞和分子層面,對病程產生新的深刻認識。布魯克(Bruker)公司全新臨床前MPI掃描儀是與飛利浦公司合作開發的。磁粒子成像是一項由飛利浦公司科學家發明並發展的新型醫療成像技術,其可行性論證於2005年首次在Nature雜誌上發表,MPI偵測原理如圖六所示。MPI斷層掃描成像技術通過探測注入血液循環中的磁性氧化鐵奈米顆粒,來生成三維圖像。這項技術用於醫療和工業研究以及最終用於治療患者的潛力,業已在若干研究中得到證明。事實上,這種在短短數毫秒之內採集高時間分辨率圖像的能力,對現今許多希望利用時間分辨率來解決成像技術卻束手無策的問題,奠定了創新應用的基礎。3D MPI成像重疊在MRI基準成像上,以每秒46幀的採集速度提供實時三維磁粒子成像,具有相當高的...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖六、磁粒子成像之偵測原理
圖六、磁粒子成像之偵測原理

作者:楊明達/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」373期,更多資料請見下方附檔。


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