​NSYSU NanoForce Lab ​

Research in our group at NSYSU is focused on controlling nanoscale forces through surface design. Our approach is to develop a thorough fundamental understanding of nanoscale physical and chemical surface processes so that this knowledge can be used for future applications and devices. Currently, we are focusing on these topics of research: self-assembled monolayers on silicon, nanoparticle alignment, cell mechanics and magnetic nanoparticle formation and applications.

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過去五年的研究成果

​過去五年的研究內容，我們主要利用原子力顯微鏡的探針，研究自組裝薄膜分子的排列緊密度、抗腐蝕性、及其形成奈米點的發光特性；胜肽的分子表面的化學結構變化及抑制其聚集；使用多孔性蛋膜材料作為生物膜，控制生物過濾選擇性；整合在高分子圖案化的方式；成功區分單顆鐵血蛋白，利用磁力顯微技術，分析單顆鐵血蛋白的有效磁矩。並且，發明簡便大量合成便宜且生物相容的磁性奈米粒子。

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整合高分子圖案化  利用電漿局部區域破壞高分子膜，改變高分子膜表面的化學性質與材料特性，如polydimethylsiloxane (PDMS) 高分子膜表面的CH3 官能基被改變為COOH 官能基。此結果已於2013年獲中華民國專利 (TW Patent I 402300) 與2014年獲美國專利 (US Patent US 8,728,584 B2) ，並發表於Materials Science and Engineering B, Vol 156, p 18-23 (2009) 中。此圖案化技術也成功結合磁力顯微鏡技術來研究鐵血蛋白選擇性固定於圖案化的PDMS，同時可避免非磁性的影響，檢測出單顆的鐵血蛋白磁性特性。這些結果表明，磁力顯微鏡可用於檢測和具磁信號特徵的蛋白質進行鑑定與應用在生醫領域。此結果亦於2013年獲美國專利 (US Patent US 8,575,925 B2) 和2014年獲中華民國專利 (TW Patent I 421490) ，並發表在Chemical Communications, Vol 46, p 1655-1657 (2010)中。

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胜肽分子於表面的排列方向與控制  在矽晶圓上作表面薄膜修飾，增加其與生物氨基酸和蛋白質的鍵結，以增加其用於 AP-MALDI 偵測訊號的增加及其靈敏度的改善。AP-silatrane 提供更優於APTES的吸附能力，且其溶於水中具有良好的穩定性，可應用在以奈米金粒子為基礎的裝置或傳感技術上。此結果發表於Journal of Mass Spectrometry, Vol 42, p 1628-1636 (2007) 與Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol 9, p 2894-2901 (2009)。表面官能基與粗糙度會改變表面能，此對於蛋白質表面的影響甚大，因此我們用離子通道上的 protein-gramicidin 當作模板探討表面對其排列的影響，控制蛋白質表面的排列。此結果發表於Journal of Colloid and Interface Science, Vol 345, p 524-527 (2010)。我們也利用此修飾的表面提供一個於無標記生物感測應用的技術，其將APS作為連接器，把金奈米粒子連接在玻璃片或光纖上。而APS薄膜的製備，同時也提供了生物相容性敏感的生物傳感器。此結果已發表在 Sensors and Actuators : B Chemical, Vol 163, p 207-215 (2012)。

 

分子排列緊密度對自組裝薄膜之影響  以原子力顯微鏡對分子薄膜表面摩擦力作楊氏模量性能量測與建立一模型系統以利後續研究。我們確定了一個強烈的溶劑效應影響分子排列特性，以施加偏壓的方式，對自組裝單層薄膜作局部的氧化，利用探針施加偏壓在矽表面上的自組裝薄膜後，可以在表面獲得化學圖案，而不會造成劇烈的形貌起伏。而我們利用這樣的表面可以進行不同負載以及不同探針掃描速度下的摩擦力量測。此結果發表於Langmuir, Vol 26, p 8256-8261 (2010)。此外，我們進一步的研究自組裝薄膜的抗腐蝕特性，發現抗腐蝕的效果與薄膜形成的時間以及分子排列的緊密度有關，而此薄膜形成一個天然的保護層對抗強氧化劑的侵蝕。此結果已發表於 Corrosion Science, Vol 80, p 427-433 (2014)。

 

多孔性材料研究  近年來，多孔材料備受關注，由於其獨特的結構，化學特性，選擇性，使其在化學、材料科學、生物學上有廣泛的應用。蛋殼膜 (ESM) 是一種天然的生物相容性材料被用於染料或重金屬的吸附，和作為半透膜控制顆粒輸送。在這項研究中，ESM 的結構與通透性可以經由浸泡不同時間的過氧化氫來控制。此方法可控制蛋殼膜的孔徑，以製備生物相容膜選擇性的過濾細胞，顆粒，細菌，可以提供替代膜，提高等離子交換技術。我們在此研究中使用紅血球當作生物樣品展示了 ESM 通透效應。此結果已發表在 Food chemistry , Vol 141, p 2117–2121 (2013)，並於2015年獲中華民國專利 (TW Patent I 468218) 與美國專利 (US Patent Application US 20,140,374,261 A1) 申請中。此蛋殼膜也提供了一個3D SERS的模板，對於ATP與MBA皆有很好的增強效果，此結果已發表於ChemPhysChem, Vol 15, p 1577–1580, Cover, (2014)。

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胰島素纖維在光電與臨床之應用  我們以胰島素纖維作為一個有利於金奈米粒子排列成有次序之奈米鏈的生物基板，此結果發表在Chemical Communications, Vol 46, p 7355-7357 (2010) and Journal of Materials Chemistry, Vol 21, p 16900-16904 (2011)，並於2014年獲美國專利 (US Patent US 8,808,558 B2) ，與2014年及2015年獲中華民國專利 (TW Patent I 455868 & I 468335) 。此胰島素纖維模板連接金奈米粒子也成功的作為表面增強拉曼散射的基材，此結果發表於 Journal of Nanophotonics, Vol 6, p 063501 (2012)。此外，許多的文獻指出金奈米粒子可通過血腦屏障 (BBB) 選擇性地與腦中的 Aβ 蛋白質結合，使其成為一個有潛力治療阿茲海默症的療法。因此，在後續的研究中，我們進一步證實了金奈米粒子的確可以成功的抑制類澱粉樣纖維的形成。胰島素纖維對金奈米粒子有強的親和力，可與其鍵結並發生蛋白質結構的轉變，進而影響 Aβ 蛋白質沉積的生長與穩定性，有效地延遲類澱粉樣纖維的形成約一周的時間，其可被發展為治療澱粉樣蛋白相關疾病的新策略。此成果發表於Journal of Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Vol 112, p 525-529 (2013)。研究指出含β-折疊的澱粉樣纖維其聚集速率與其相對疏水性有高度相關性，因此我們進一步探討培養時間對纖維表面結構變化與分析其聚集速率。結果顯示胰島素纖維的二級結構從富含 α 螺旋變為富含 β 摺疊聚集速率會大幅增加，並伴隨著表面官能基從親水變為疏水的特性，證實在澱粉樣病變的過程中，胰島素纖維表面的疏水性與其聚集速率有極大相關性。此結果已發表於 ChemPhysChem, Vol 15, p 76-79 (2014)。最近，我們也進一步研究磁性奈米粒子對胰島素纖維結構的影響，希望將來可用於磁性顯影。此結果已發表於 Nanotechnology, Vol 27(41), p 415702 (2016)。

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生物相容性奈米粒子與其生醫應用  磁性奈米粒子（Magnetic nanoparticles, MNPs）應用在生物醫學領域的磁共振成像和腫瘤熱療治上越來越重要。我們提供一種簡單、低成本以及可大量合成的方法來合成奈米級的磁性鐵，有產業利用的潛力。利用具有多孔基質和凝膠性質的瓊脂包覆材料來合成磁性奈米粒子，該瓊脂包覆材料不會降低磁性奈米粒子的磁性，此外在細胞存活率試驗亦顯示瓊脂包覆磁性奈米粒子具有生物相容性。此結果發表於Nanotechnology, Vol 21, p 445601 (2010)。此工作被邀請分享至technical news on nanotech web (http://nanotechweb.org/cws/article/lab/44572)，也於2011年被奈米科學網邀稿 (http://nano.nchc.org.tw/)。這個結果已於2014年獲中華民國專利 (TW Patent I 445548) 與美國專利 (US Patent Application US 20,120,128,731 A1)。此外，我們以自組裝單分子層（SAM）的材料輔以簡單的加熱，製作出SiOx芯自組裝奈米點，其具有多光性，且調控他們的大小與表面的化學性質，就可應用在光電、傳感器裝置和臨床研究上。研究結果顯示從烷基烷氧基矽烷自組裝而成奈米點，具高量子效率(46%)，同時具有生物相容性，可應用在生物分子標記以及藥物追蹤之應用上，此結果發表於Scientific Reports, vol 3, p 1703 (2013)。我們進一步的研究表面官能基為胺基的奈米點其與生物分子有良好的鍵結，可以做in vivo的生物標記與追蹤，此成果發表於Nano Research Vol 7, p 1164-1176 (2014)，並於2015年獲美國專利 (US patent US 9,303,049 B2) ，與中華民國專利申請中。在最近的研究中，我們更經由簡易的一步熱處理方法，成功地製備了含有SiOx芯自組裝奈米點的環氧化物，並將葡萄糖氧化酶與其結合，利用螢光光譜法檢測葡萄糖。結果顯示此方法偵測葡萄糖的偵測極限為100μM，可作為高靈敏度葡萄糖檢測的光學生物傳感器的設計。此研究成果已在2016年被接受，已發表於Sensors and Actuators B: Chemical, Vol 240, p 674–680 (2017)。

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