紡織醫學新火花：感測→投藥→抗菌→再生

2021/01/28

文=黃晟睿

自新冠肺炎（Covid-19）爆發以來，醫療口罩、防護衣、消毒酒精、額溫槍、體溫計、紅外線體溫儀、新冠肺炎測試試劑等各類型防疫物資需求不斷攀升，疫苗的研發與測試也不斷的進行中。但其實當全球都關注於Covid-19時，我們也看到多其他護理用品與智慧紡織品交會的新火花，包括：可預知傷口感染的鑽石傷口敷料，會變色與自行投藥的智慧繃帶，可預防感染促進癒合的蜘蛛絲蛋白生物材料，或是利用低強度電脈衝加速傷口癒合的新型敷料，以及香港科大以全球最堅固的奈米薄膜打造的透明抗病毒的口罩，以下，就讓我們帶您一探究竟。

鑽石粉末的高分子傷口敷料，及早預知傷口感染

由澳洲墨爾本皇家理工大學(Royal Melbourne Institute of Technology, RMIT)科學家Asma Khalid博士帶領的研究團隊，利用靜電紡絲工藝將嵌入奈米鑽石粉末的長纖絲堆疊成多孔膜，開發出一種可以感知測傷口溫度，及早發現感染跡象的新型天然傷口敷料。
資深研究員Brant Gibson教授表示，這項新技術可以透過溫度變化檢測傷口感染，並改善燒傷、皮膚移植和慢性傷口的癒合。“傳統的傷口處理對於臨床醫生也是一項挑戰，覆蓋傷口的敷料通常是紗布或是不透明的材質，臨床醫生必須定期掀開敷料觀察傷口，或是從傷口周遭皮膚觀察是否發紅、發熱和腫脹的跡象來檢查感染情況。可是一旦出現這些視覺病徵，發炎和感染早已發生較為嚴重的惡化，因而太晚實施干預措施變更治療方案，使得治療變得更加困難。這項新技術將可以幫助臨床醫生更早察覺傷口變化，檢測減少感染惡化的機率，而且不需要再為了觀看傷口狀況，屢次掀開敷料，因為傷口組織可能與敷料沾黏，如為了觀察傷口頻繁掀開觀看，也會增加患者的痛苦。”
鑽石的熱感測力與抗菌性
南澳大利亞衛生與醫學研究所(SAHMRI)的共同研究者和傷口專家Christina Bursill博士則說，智能傷口敷料可能改變遊戲規則。“與傳統主觀透過視覺評估方法相比，這項新技術提供了一種無創的傷口溫度測量方法，可以更精確的監測傷口狀況。”
為了整合熱感應功能，研究小組選擇以鑽石為媒介，使用靜電紡絲工藝將奈米金剛石(小於1微米的鑽石)嵌入纖維中，Asma Khalid博士解釋，“鑽石的熱感測能力可以為臨床醫生提供非接觸式傷口監測，讓他們能夠從奈米鑽石薄膜上讀取溫度，獲得有關傷口狀態的信息。”

利用靜電紡絲將奈米鑽石粉末嵌入纖維，堆疊成鑽石薄膜。source: RMIT

此外，在醫療院所中，導致傷口或手術感染的主要原因大多數是因為細菌對於抗生素的耐藥性越來越高。研究小組發現的發現表面有奈米金剛石的長纖敷料對革蘭氏陰性細菌(gram-negative)顯示出極高的抗菌性。”而皮膚傷口感染的主要就是革蘭氏陰性和革蘭氏陽性菌(gram-positive) 這兩種細菌所造成。
研究結果並顯示，該智能膜可以檢測出感染的早期跡象，並保護傷口免受某些細菌和感染的侵害，同時還能保持氧氣和營養物質向該區域的流動。

會變色智慧繃帶：從顏色得知細菌濃度，還能自行釋放抗生素殺菌

如同紅綠燈班警示作用的智慧繃帶，不僅會自動轉變色彩感應傷口，告知你現在的情況，還能夠消滅細菌。
這項新研究由中國生物及化學所的研究人員開發的智慧繃帶，最初繃帶是綠色，表示沒有細菌或細菌濃度較低。當它貼上傷口，偵測到細菌感染，繃帶就會變成黃色，同時釋放出繃帶內所含的抗生素治療傷口。如若偵測到傷口的細菌對抗生素有耐藥性，更會變成紅色，這時醫生可使用強光束，觸發繃帶內的藥劑釋放出活性氧(ROS)，這是內建於繃帶的光敏感材料，能殺死或削弱細菌，使它們更容易被抗生素影響。

繃帶顏色越重，表示細菌濃度越高。

研究人員解釋，繃帶顏色越重，表示細菌濃度越高。這種變色機制，就是源於內建的 pH 指示劑，能根據繃帶周圍的病原體改變顏色。一旦偵測到感染，或細菌有機會突變時，就能馬上進行治療。
根據世界衛生組織的說法，抗生素抗藥性上升是全球性的健康危機。細菌對傳統抗生素的耐藥性快速發展，要弄清特定感染是否有抗藥性，往往需要一段時間，加上昂貴儀器的限制，經常會拖延更換治療方案的時間，加速細菌產生抗藥性的機會。
這項新研究不僅可取代傳統傷口敷料，也無需任何特殊裝置和專業人員，就能自動攻擊細菌，節省抗生素，治療過程不必久等醫生診斷，就能直接根據顏色回饋，追蹤傷口情況獲得藥物，大大縮短感染形成和治療開始的時間。

研究團隊進行老鼠大腸桿菌感染實驗，成功治療「黃色階段」和「紅色階段」的感染老鼠。

蜘蛛絲生物材料，預防感染加速癒合

人們往往輕忽了存在於物體表面的細菌所造成的感染。很難避免微生物掉落在物體表面，一旦掉落，微生物會慢慢的緻密生長，形成肉眼所看不見的生物膜，即使使用清潔劑也無法輕易去除，並且通常對抗生素和抗真菌藥具有抵抗力。
拜羅伊特大學(University of Bayreuth)由Thomas Scheibel教授領導的研究團隊，以奈米結構的蜘蛛絲蛋白開發的新型生物材料，不但可以防止細菌和真菌在表面繁殖，降低傷口感染的風險，同時也可以主動協助人體組織的再生，促進癒合過程。
拜羅伊特大學的科學家們利用生物技術生產蜘蛛絲蛋白，開發的這種可防止病原微生物粘附的材料，甚至連對多種抗菌劑(MRSA)都具有抵抗力的鏈球菌也沒有機會沉澱在材料表面。
因此，它們非常適合製成醫療用途的植入物、傷口敷料、整形用的義肢、隱形眼鏡和其他日常用品。並預計用於各種生物醫學和技術應用的抗微生物塗料，也將在不久的將來面世。
到目前為止，Bayreuth的研究人員已經成功地測試了兩種蜘蛛絲材料的抑菌功能：一種是奈米等級的薄膜和塗層，另一種是可以促進組織再生的3D水凝膠支架。

掃描電子顯微鏡圖像提供了差異的壓倒性證據。左圖：在聚己內酯(polycaprolactone)表面形成細菌膜，聚己內酯是一種經常在醫學中使用的可生物降解的塑料。右圖：蜘蛛絲並無細菌膜產生。source: University of Bayreuth

新型敷料以低強度電脈衝，加速傷口癒合

美國威斯康辛大學麥迪遜分校(UW-Madison)工程師材料科學與工程學系王旭東(Xudong Wang)教授開發出一種新型低成本、可大幅的加快傷口癒合的敷料，在嚙齒類動物實驗，新型敷料可將傷口癒合時間從原本 2 週縮短至 3 天。
數十年來，研究人員已經知道適量的電流有益於傷口癒合，但大多數電療法需要龐大的電器設備與複雜的接線方式，因此使用電療加速傷口癒合並不常見。
共同研究作者、UW-Madison燒燙傷外科醫生Angela Gibson教授說，急性和慢性傷口是全球醫療保健的巨大負擔。與現有敷料相比，新型敷料更簡單且直接，這個裝置就像將繃帶纏在皮膚上一樣方便，利用患者身體動作產生的能量，在受傷部位施加柔和的電脈衝。
這個新型敷料是由許多微小的電極組成，這些電極與「奈米發電裝置」(nanogenerator)連接，環繞穿戴者的軀幹，收集動作產生的能量。穿戴者在呼吸過程中，胸腔自然產生的膨脹與收縮，就可以為奈米發電裝置提供能量，產生低強度的電脈衝，性質與人體產生電場的方式十分相似，而且這些低功率電脈衝不像傳統電療，高功率設備如果使用不當，容易使健康組織受損。
事實上，研究人員也同時發現了當細胞暴露在高電脈衝環境時，會使細胞製造出高於使用奈米發電機5倍的活性氧化物質，而這正是造成癌症和細胞衰老的危險因子，所以過高的電流並無助於傷口的復原。
研究人員已確定低功率電脈衝可提高纖維母細胞(fibroblasts)的存活率，當纖維母細胞暴露於奈米發電裝置產生的電脈衝時，會促使細胞整齊排列，這正是使傷口癒合的關鍵步驟，同時還能產生更多化學物質，促進細胞組織生長。目前研究人員正在豬隻上進行實驗(因為豬和人的皮膚組織十分相似)，以徹底理解低功率電脈衝如何幫助傷口癒合。
王旭東教授最後強調，這項奈米發電裝置是由相對常見的材料製成，因此價格不會太驚人，成本甚至不超過常用繃帶，設備本身也非常容易製造。這項研究已獲得美國國立衛生研究院(R01EB021336和P30CA014520)的資助。

圖a上方為實驗組電療繃帶，下方為對照組是普通的繃帶。從圖e實驗組中能明顯的看出與對照組f的差異性，此新型敷料可以有效的提高傷口癒合的速度。source: UW-Madison

透明口罩來了，香港科大以奈米薄膜達陣

香港科技大學近日公布，研究團隊研發一種極薄的聚合物奈米薄膜。這塊薄膜不僅較相同質量(指材料的密度和重量相同)的不鏽鋼堅固25倍，同時亦具備透明、透氣及防水特質，更可調校氣孔大小，可用於製造透明、透氣及隔絕病毒和細菌的口罩，也適用於穿戴式裝置、醫療防護產品、海水淡化濾膜、太陽能電池與其他創新科技。
香港科大表示，自新型冠狀病毒病疫情以來，香港科大化學及生物工程學系，及科大(廣州)先進材料學域署理主任高平教授所組成的團隊，
由科大化學及生物工程學系教授及科大(廣州)先進材料學域署理主任高平教授所帶領的團隊，即積極研究如何利用高性能新物料，製造既透明亦透氣的口罩。經過數月努力，研究團隊終於製成一個原模，並透過進行與NIOSH NaCI (N95呼吸器測試標準) 同等水平的測試，證明口罩對病毒、細菌以及其他粒子的過濾效率高達99%。
高平教授表示，這種奈米材料擁有龐大的潛力，「近月我們集中研究將奈米薄膜應用到製作一款不僅透氣度高、且有高效隔菌功能的透明口罩。雖然市面流行的不透明口罩能保護配戴者減低感染機會，但對透過讀唇或面部表情溝通的聽障人士，以及依賴面部表情輔助教學的老師、照料小朋友的保育員或演藝人員等，卻造成不便和影響。」
除口罩以外，研究團隊亦已就奈米薄膜在其他範疇的應用申請了六項專利，當中包括用於海水化淡的納米濾膜。
此外，奈米薄膜貼服、防菌、透明而堅韌的特質，也令其成為不同生物醫學應用的理想材料。例如用作製造無需每天替換、並可在傷口上直接塗藥的新一代傷口敷料。醫生可於敷料上直接塗藥，藥物便會滲透至傷口底層。加上敷料具備良好防水性能，病人貼上敷料後即使洗澡亦無須擔心傷口會碰到水。
而且奈米薄膜也可成為更佳的感應器(motion sensor)，用作感測人體動作或設計機械人動作等。
團隊研發的奈米薄膜，厚度只有20奈米(較千分之一根頭髮還要薄)，是由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)所製成。UHMWPE是一種可用於製作避彈衣的輕型材料，但傳統難以改變其内部無序和纏結的高分子鏈的固有取向，很容易在反向拉伸時令材料斷裂。然而這次香港科大找到了鬆解糾纏分子鏈的方法。正如使用護髮素令頭髮順滑一樣，研究團隊把UHMWPE放入一種潤滑劑中，將之變成凝膠狀，結果不但提升了物料的可拉性(drawability)，亦有效防止其分子鏈「打結」。團隊隨即重新調整分子鏈，將它們排序成一個堅固物料獨有的三角形結構。