研究領域

陳賢燁教授的研究團隊致力於研究生醫材料表面各種生物功能的操控,期望能創造新一代的生醫材料以及生醫裝置。其研究重點包括:

一、開創新製程利用氣相高分子聚合技術創造多功能以及
模組化組織工程支架:

   
  組織工程支架材料提供了再造或者修復器官及組織等再生醫學技術之發展。近代先進工程支架的發展也成功開發更複雜的分子與支架結構靈活性,允許在物理和化學方面進行多功能組裝組織工程支架,並模擬天然細胞外基質(ECM)。然而目前面臨之挑戰仍然包括細胞-細胞聚集、多種類型細胞的分佈和定位、細胞類型的共培養、生物分子的分佈和定位、潛在的免疫反應、細胞-材料之間相互作用的操控等限制。本人的研究在組織工程支架材料的探索中,以突破技術在氣體的環境之下可藉由操控氣體分子的熱力學性質,使氣體分子進行昇華(sublimation)以及沉積(deposition)的途徑來製造並模組化組織工程支架。在同一個支架中由特定功能模塊的空間排列組成,在不同細胞類型和生物微環境之間建立了重要的生物界限。此創新的製程,無須先進的設備,步驟簡單不耗時,並具備大量生產的潛力。在材料製造的過程中,可以輕易調控支架材料的幾何形狀,調控各種重要的材料物理機械特性例如,材料軟硬度,孔洞大小,孔隙率,以及調控化學生物特性,例如選擇性分佈生物分子以及活細胞的種類及組成比例來構成細胞組織生長所需的精密環境。 本人利用這個先進組織工程支架展示了高度生物相容性,成功引導支架内細胞進行細胞增生,骨分化,以及神經分化,甚至可同時進行多重細胞生長分化達到複雜的骨組織血管新生(angiogenesis)。成果刊載於Nature Communications, Applied Materials Today ,技術獲得科技部以及台灣大學亮點成果各國專利申請中

二、開創綠色氣相新製程技術製造
奈米級孔洞材料以及内部多層級孔洞結構操控:
       人類在探索奈米尺度的科學世界從未停止腳步。在這個尺度下被創造出來的的材料包括無機材料,有機材料,磁性材料,孔洞材料等,並可具備特殊的表面界面現象、物理化學特性、以及生物功能性。奈米材料的應用也無遠弗屆,在生物醫學,光學,電機電子,能源科技,材料科學等等重要領域都有重要的應用。本人的研究在奈米材料的探索中發現,在氣體的環境之下可藉由操控氣相分子的熱力學性質,使氣相分子昇華(sublimation)以及沉積(deposition)的途徑可被操控,並且創造奈米尺度的材料。此創新的製程,無須先進的設備,步驟簡單不耗時,並具備大量生產的潛力。最重要的,可以輕易調控所需奈米材料大小。在此新製程中,利用水/冰分子在真空狀態下昇華的原理使其昇華(氣體昇華),在此同時將單體的氣體分子(對二甲苯)導入系統中,同樣的熱力學條件下,氣體單體分子傾向於沈積在物體表面(氣體沈積)。此二動態且連續的昇華” , “沈積過程最終造成冰珠昇華消失,而氣體單體聚合形成高分子(聚對二甲苯分子)並取代了冰珠原有的空間,也就是說形成了高分子粒子的生成。粒子大小在10 nm – 1000 mm都可透過時間參數來輕易調控。此新製程技術的更大亮點,是在 水溶液/冰 分子的製備過程中,可以添加任何比例以及多重溶質分子” (磁性鐵,金,銀,….; 藥物分子1, 藥物分子2, 藥物分子3, …; siRNA, DNA,…等等)在水溶液中,而最終造就了內含溶質的高分子複合物;意即上述任何(多重)溶質以及比例皆可輕易形成在此內含溶質的複合物產物之上。研究成果中,利用這個新製程展示了特殊高分子奈米顆粒的生成(過去技術無法達成),以及使用磁性物質,金屬物質可輕易在此製程下與高分子物質形成完美形成複合物,創造了同時具備磁性功能、金屬特性以及高分子化學反應性的多功能奈米材料。成果刊載於Nature Communications, Chemistry of Materials, Applied Materials Today, Nanoscale等等知名國際期刊。技術獲得美國日本南韓中華民國中國大陸專利

三、氣相新製程技術開發
新一代人工水晶體:
        過去數十年,由於全球白內障患者的需求逐年增加(全球每年約一千萬個人工水晶體用於白內障手術的治療),人工水晶體(Intraocular lenses, IOLs)在研究領域及臨床產品上已有許多的創新及開發。在找尋製備材料及改良人工水晶體的研究中,於現有人工水晶體產品上進行表面改質是目前常使用的方式之一,儘管已有眾多的研究致力於改良人工水晶體的效用,由裝置引起的問題包含手術後鈣化 (postoperative calcification)、裝置錯位 (dislocation)以及由人類晶體上皮細胞(human lens epithelial cells)的增生及遷移所引起的囊袋後囊纖維化細胞增生(posterior capsular opacification)或稱二次白內障(secondary cataracts )等,皆是開發人工水晶體產品時有待解決的挑戰,有些改良方式雖可解決現存的單一問題,卻無法兼顧其他的效能,也因此現今由合成材料所製備的人工水晶體裝置仍具很多需要改善的空間。未來新型人工水晶體的設計開發中,必須具有以下幾種特性: (i) 植入後於人類晶體的環境及其生物化學特性擁有更佳的相容性,(ii) 處於體內的生物環境中,經長時間仍不會釋出有害物質之穩定性及耐久性,(iii) 針對不同病患需求,客製化設計人工水晶體裝置的光學及生物特性,(iv) 有效且簡單的的輸送及植入程序,以及(v) 主動功能:藥物控制釋放以及檢測/監測功能。基於同時需要此多重功能的人工水晶體,本人近年的研究大膽創新使用氣體CVD製程技術以及創新的材料來製作新型人工水晶體;其結構內部具有完美光學曲度的液珠,並利用獨特的氣體CVD技術利用鍍膜將此液珠完美包覆封裝。鍍膜的材料選取為一種高度生物相容之聚對二甲苯高分子(poly-papa-xylylene),是FDA認可之Class VI最高度生物相容材料。鍍膜上具備的獨特功能性官能基並可後續使用來進行生物功能的控制,例如對細胞操控以及主動控制藥物釋放。此新型水晶體同時具備多功能性可同時調控光學性質,以及可操控/主動控制生物功能特性。此創新研究的立基點在於開創新一世代的人工水晶體,不是從過去嘗試錯誤的方法中找尋材料,亦或是尋求功能;而是從最根本的思維邏輯:生物醫學上究竟需要怎樣的一個人工水晶體呢? 研究中產出的新一代人工水晶體除了期望解決目前白內障/水晶體手術面臨的各種問題,也期望如此的研究方法以及技術設計思維能夠引領新一代生醫元件的誕生於其他生醫材料領域。成果刊載於Chemistry of Materials, 並獲得第十三屆國家新創獎。技術獲得美國日本南韓中華民國中國大陸專利

四、氣相新製程技術開發
多功能生醫鍍膜:
        表面改質技術在生物科技的發展上佔有舉足輕重的地位,細微的表面特性差異(物理上或是化學上)通常造成生物界面甚至整個生物系統的巨大改變,例如,表面瑕疵常常造成整個生物元件失去功能。根據不同的生物環境進行量身訂製(仿生)的改質,已經是現階段技術發展的重點,也是未來研究進化的方向。目前的改質技術大多侷限於液相的方法;然而,衍生的相關問題,如副產物,有害的化學溶劑、催化劑,塑化劑(plasticizers)、起始劑(initiators),等等,都是危害生物系統的重大隱憂。當科學家致力於研究更複雜化,更微型化的生物技術的同時,勢必要尋求一個替代的途徑,可以提供更具生物相容性,潔淨的表面改質技術來面對上述的挑戰。有鑑於此,我的研究在過去的幾年當中,致力研究利用化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)製備多功能性高分子鍍膜,藉由化學氣相沈積製程控制技術,可製備出無針孔之奈米級薄膜,並可蒸鍍在不同的基材上,使基材表面具備多種反應性官能基。此外CVD化學氣相沉積技術可避免如:溶劑、塑化劑、起始劑及其他低分子量物質(low-molecular-weight traces)之添加,因此合成之高分子鍍膜具極高的生物相容性。此外,CVD技術擁有更清淨之反應途徑(cleaner reaction pathways),能降低副產物生成之可能性。更重要的是,此功能性高分子鍍膜具有多功能,意味著此一鍍膜將具備兩種或多種以上的官能基,並利用氣相沈積共聚法(CVD co-polymerization)來控制不同官能基之間的比例,進而能夠在對等的比例下來固定多種不同的生物分子,例如:藥物分子、胜肽分子、抗原抗體等等,賦予鍍膜生物多功能性,可廣泛的應用於生物材料改質以及生醫裝置表面機能性加工技術之中。成果刊載於JACS, Advanced Functional Materials, ChemComm., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chemistry of Materials等等知名國際期刊。技術獲得美國中華民國專利