「多胺生物碳」是什麼?其實古老的草藥就有碳應用的雛形,讓我們更深入來了解一下「碳」吧!

2020/02/12
「多胺生物碳」是什麼?其實古老的草藥就有碳應用的雛形,讓我們更深入來了解一下「碳」吧!
「草本炭方」是一種專利技術,發想自中草藥炮製概念的科學加工方法。將天然草本原料經由草本炭方技術,製成多胺生物碳產品,作為抗菌抑制病毒新材料,經實驗證實具有更好的對抗與持續效果。

感染性細菌一直是人類健康最大的威脅。在抗生素發現之前,人類就嘗試從天然的草藥甚至是進一步的加工製作成一些對抗細菌的物質。例如古代中國人就發現艾草(Artemisia argyi) 灰可以殺菌,並且將之應用於傷口敷料。在抗生素發明之後,人類開始有很專一對抗感染性細菌的武器。但是這項優勢並沒有維持太久,因為抗生素濫用的原因,使得抗藥性細菌快速的出現,目前人類已經面臨無抗生素使用的困境,急需找尋新的武器。 

奈米科技的發展,為人類提供了一個新的希望。金屬氧化奈米粒子,例如銀(Silver∕Ag)、氧化鐵(Iron Oxide∕Fe3O4)、氧化鈦(Titanium Oxide∕TiO2)、氧化銅(Copper Oxide∕CuO)及氧化鋅(Zinc Oxide∕ZnO) 都具有很好的殺菌能力。這些奈米粒子的殺菌能力大多來自於能產生大量的活性氧(Reactive oxygen species (ROS)),能釋放出殺菌的金屬離子以及能破壞細胞膜的完整性等等。相較於抗生素對於細菌生理反應的專一性,奈米抗菌材料的殺菌機制從細胞外部開始作用,又同時針對細菌的多種生理機制進行抑制,因此具有高效率的殺菌效果,同時也比較不容易產生抗藥性。 

然而金屬與金屬氧化奈米粒子因為會釋放金屬離子,對於人類細胞具有一定的毒性,因此也限制了它們的應用範圍。近年來,科學家開始把焦點轉移至碳奈米材料上。碳奈米材料包括了富勒烯(Fullerene)、石墨烯(Graphene)及其衍伸物、量子生物碳(Carbon quantum dot)…等等,它們都具有高生物相容性、低細胞毒性以及低成本等優勢。 

單層奈米碳管與富勒烯(Fullerene)被發現可以用其疏水性的表面與細菌細胞膜脂質結合,破壞膜的完整性,阻斷呼吸鏈。也可以當成光敏感劑(photosensitizers)應用在光動力療法(Photodynamic Therapy∕PDT)).  

石墨烯(Graphene)及其衍伸物則被應用為抗菌材料。他們的抗菌機轉主要來自造成膜應力(membrane stress)以及產生活性氧(ROS)兩方面。由於石墨烯及其衍生物具有高特異表面區(high specific surface areas)、 大量的活性表面官能基(abundant reactive surface functionalities)以及很高的機械強度,因此也很常與其他奈米材料,例如奈米銀,形成複合材料。這些材料往往展現出「增效作用」(synergistic effects)而有更好的殺菌效果。這具有抗菌特性也已被實際應用在紙張、棉織紡織纖維…等生活應用。 

石墨烯量子點是經由石墨電極及沃-凱氏還原反應(WolffKishner Reduction)室溫下所製造出來,具有石墨烯晶格(Graphene lattices) 的奈米材料。石墨烯量子點本身不具有抗菌能力,但是經由光激發的石墨烯量子點可產生大量的活性氧來殺死細菌。 

與石墨烯量子點很像的量子生物碳,在製作方法上則更為多元,使用的原料以及之後的表面功能化(Surface functionalization),不同的製程都會使量子生物碳帶有各式各樣的特性,當然也包括對抗細菌的能力,目前已有學者將抗生素接在量子生物碳上增強了對抗細菌的能力。 

「Herbmedotcin 」是選用了多胺類,作為製作量子生物碳的原料,多胺類包含了 腐胺(Putrescine)、亞精胺(Spermidine)、以及精胺(Spermine)…等等,是每個細胞都有的天然代謝物質,具有調節細胞週期等重要生理功能。由於多胺類分子帶有正電荷,因此在細胞中會與細胞膜以及核酸等負電分子結合,可防止氧化自由基的攻擊。 

雖然多胺類對於細胞沒有明顯的毒性,但是高濃度的多胺類對於細菌的生長會有抑制的效果,尤其是精胺(Spermine)的效果最明顯。精胺(Spermine)被發現可以抑制某些細菌的生物膜形成,也可以增加抗生素的殺菌效果。 

使用專利的草本炭方技術,將多胺類連結到量子生物碳表面,或是直接以多胺類作為唯一碳源來製作多胺生物碳。都可以製作出表面帶有極高密度正電荷的多胺生物碳。以傅里葉轉換紅外光譜(FTIR)和 MALDI-TOF質譜儀證明,多胺生物碳的表面仍然具有多胺類的分子存在,也發現我們的材料對於大腸桿菌(E. coli)、金黃色葡萄球菌(S. aureus)、枯草芽孢桿菌(B. subtilis)、綠膿桿菌(P. aeruginosa及多重抗藥性細菌 methicillin-resistant S. aureus (MRSA)…等,都有很高的生長抑制能力。對於這些細菌的最小抑菌濃度(Minimum Inhibitory Concentration/MIC)都在 0.1-10 ug/mL 的範圍,比起天然的多胺類以及市面上的抗菌材料(例如:奈米銀)有更好的抑菌能力。 

進一步的研究發現多胺生物碳會造成細菌細胞破裂死亡,但是對動物細胞的毒性卻很低,也不會造成溶血的現象。實際將多胺生物碳應用於治療皮膚傷口以及細菌性角膜炎。結果都證實多胺生物碳可以有效的殺死組織中的病原菌。值得注意的是,多胺生物碳處理過的傷口會有較多的角質細胞的移動,顯示對於傷口癒合有好的效果。而在細菌性角膜炎的模式中,多胺生物碳可以突破角膜表皮細胞的緊密連接(Tight junction),進入組織深部消滅細菌。 

從古代以艾草灰製作抗菌材料,到以現代科學方法從定義的原料到精準的實驗控制所產生的量子生物碳,都顯示了碳奈米材料確實是有潛力的抗菌材料。尤其多胺生物碳更展現促進傷口癒合以及穿透細胞等超出其他奈米抗菌材料的特性。目前實驗檢測多胺生物碳的細胞毒性很低,應用於表面抗菌抑制病毒具有效果,但未來正式在臨床醫療上的使用,仍然需要進行更多的測試。包括更詳細的研究多胺生物碳的殺菌機制、是否能抑制細菌生物薄膜(Biofilm)形成、是否能與抗生素產生增效作用(synergistic effects),以及這些材料對於人類健康的長期影響…等等,有待研發團隊繼續努力。