臺灣化學教育

奈米課程：治療燒燙傷的魚皮敷料

盧秀琴

國立臺北教育大學
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奈米化學是化學和奈米科學的交叉學科，科學家證實奈米化學材料具有尺寸依賴性，可以結合生物奈米等概念來描述。治療燒燙傷的魚皮敷料是一種新興的醫療產業，從奈米化學尺度結合生物奈米概念去說明魚皮敷料的科學原理。魚皮富含Omega-3多元不飽和脂肪酸，含有二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），能減少人體內細胞激素（cytokine）發炎分子的產生和基因的表現，故能有效達到抗發炎的作用。其次，魚皮主要是由膠原蛋白（Collagen）所組成的，膠原蛋白的分子結構呈現三股螺旋，最後聚合成膠原蛋白纖維，以共價鍵、氫鍵維持特定的三維空間結構，可以提供組織一定的機械強度，能促進人體的細胞增生，緊密附著魚皮的膠原蛋白上生長，最後長成健康的皮膚器官。整片魚皮敷料形成天然屏障，有效防止病原菌入侵，並減少患者的傷口處體液、血漿和蛋白質的流失。

■簡介

皮膚是人體最外層的保護器官，一旦遭受燒燙傷的傷害，可能會失去保護功能，壞死的組織將是病原菌繁殖的溫床。醫護人員替病患處理深度燒燙傷時，除了使用植皮修復法外，也會使用生物敷料如豬皮，但是價格昂貴(見附錄)。美國Kerecis公司使用鱈魚皮（cod fish skins）開發傷口敷料，魚皮含有Omega–3多元不飽和脂肪酸，具有抗發炎的特性，使用這種敷料治癒一隻遭受火災燒傷的羅威納犬，能減少鎮定劑的用量，更有效縮短傷口癒合時間（農業科技決策資訊平台，2019）。巴西科學家發現，使用吳郭魚的魚皮開發深度燒燙傷的敷料，能夠減少傳統療程的75％成本，治癒56位巴西深度燒燙傷的病患；因為吳郭魚皮的水分、膠原蛋白與人體皮膚相類似，能加速療程、減少病患對止痛藥的依賴（自由電子報，2017）。魚皮和人類皮膚相當，保有多孔性支架及皮膚的元素（蛋白質、脂質），豐富的Omega3與天然的微生物屏障，比起傳統豬皮的人工真皮，能更快加速傷口的癒合，形成健康的皮膚組織，讓傷口更快閉合（農業科技決策資訊平台，2019）。

臺灣中南部是養殖吳郭魚的大戶，對於吳郭魚的魚皮應用價值不高，製作吳郭魚切片時經常丟棄魚皮；假如吳郭魚皮敷料上市後價格便宜，則適合治療需要大量敷料的深度燒燙傷病患，尤其是貧困家庭。因此，中小學教師若能教導K-12的學生，從微小尺度的奈米化學材料結合生物奈米概念，去認識治療燒燙傷的魚皮敷料，如何能加速療程，降低成本，對K-12的學生將有很大的啟發性，也許將來能創造更多的奇蹟，造福人群。

■魚皮富含Omega-3多元不飽和脂肪酸，具有抗發炎特性

魚皮的成分內富含天然的Omega-3多元不飽和脂肪酸，Omega-3成分中含有兩種最重要的必需脂肪酸就是二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid, C₂₀H₃₀O₂, EPA）和二十二碳六烯酸 （docosahexaenoic acid, C₂₂H₃₂O₂, DHA）。醫生臨床實驗發現在高壓力和肥胖患者中，Omega-3可以減少人體內細胞激素（cytokine）發炎分子的產生和基因的表現，能有效達到抗發炎的作用（Goldberg & Katz, 2007;Kiecolt-Glaseret al., 2011）；故深度燒燙傷患者使用魚皮敷料不會造成身體的發炎紅腫反應，能幫助細胞增生。雖然魚皮內含有豐富的 Omega-3，但是魚類本身無法自己製造Omega-3，魚類攝食微藻類浮游生物中獲得Omega-3，再經過生物濃縮效應，儲存在魚類的身體中（Yvonne, 2007）。在我們身體內，細胞激素是由一組蛋白質所組成的，當作一種信號蛋白（signal protein），作用在鄰近細胞或整個有機體，能參與免疫系統反應，結合某些化學因子會引起身體的發炎反應，造成紅腫現象（Lackie, 2010）。

■魚皮的多孔性生物支架，能和人體細胞緊密結合

做出一張魚皮敷料需要經過很多道手續，魚皮去除所有魚鱗片後需要放進特殊的清潔溶劑中，去除所有的魚肉組織；才能進入無菌室加工去除魚皮水分，保留魚皮的多孔性生物支架（porous biological scaffold）–膠原蛋白（Collagen），其能和人體細胞緊密結合，比豬皮敷料更快加速傷口的癒合（農業科技決策資訊平台，2019）。魚皮主要是由膠原蛋白所組成的，可作為覆蓋傷口表面的天然生物材料，膠原蛋白是一種非常重要的蛋白質，對於人體皮膚的形成具有重要的支架作用，膠原蛋白支架技術是一種仿生學應用，膠原蛋白具有很強的伸張能力，可做為臨床醫學組織再生的重要材料；多孔結構的膠原蛋白可作為「生物支架」，使依附在生物支架的細胞和組織得以一種預定的形式來生長，最終長成和人體組織極為相似的組織，這即是所謂的膠原蛋白支架技術（劉海英，2014）。膠原蛋白的分子結構呈現三股螺旋，是由三條多胜肽（polypeptide）相互纏繞所組成的，三條胜肽鏈會相互纏繞成三股螺旋的膠原蛋白分子，膠原蛋白分子透過分子間的交聯（cross-linking），聚合形成纖維狀的膠原蛋白微纖維，膠原蛋白微纖維彼此間再進一步聚合成為膠原蛋白細纖維，最後聚合成膠原蛋白纖維（楊嘉慧，2019）。膠原蛋白纖維在各個階段都能發揮聚合作用，以共價鍵、氫鍵作為三條胜肽鏈形成螺旋的主要作用力，以維持特定的三維空間結構，可以提供組織一定的機械強度，也能使細胞附著生長於其間（楊嘉慧，2019）。因為魚皮的膠原蛋白和人體的膠原蛋白極為相似，所以能促進人體的細胞緊密地附著魚皮的膠原蛋白上生長與分化，最後長成健康的皮膚器官。

多孔性生物支架的物理特性是構成細胞微環境的重要特性，對於細胞表型和功能（如粘附、增殖、遷移、分化等）的調控扮演著重要的角色。目前，對於人工多孔性生物支架的研究仍局限於2D平面材料或具有奈米孔隙的3D水凝膠（林慧宣，2016）。吳郭魚皮敷料保留3D多孔性生物支架，能夠和人體細胞緊密結合促進增生、遷移與分化，含有豐富的Omega3，具有抗發炎及促進傷口癒合的特性，加上整片魚皮的天然微生物屏障，有效防止病原菌入侵。

■結語

很多國家的研究團隊發現，魚皮敷料不僅可以降低患者的傷口感染風險，而且成本相對低廉。在燒燙傷皮膚愈合的過程中，魚皮能舒緩燒燙傷所引發的劇烈疼痛，並能減少患者的傷口處體液、血漿和蛋白質的流失。但這是一種醫療行為，不能自行隨便處理魚皮就貼在傷口處，可能造成嚴重感染。魚皮需要專業的特殊處理才能臨床使用敷在患者的傷口處，例如：去除魚鱗、肌肉組織、毒素、潛在病源以及魚腥味後，魚皮再經過拉伸疊合後，以10厘米×20厘米的長條狀存儲在冷藏庫中，儲存時間可達兩年。這種魚皮敷料的拉伸強度與人類皮膚類似，具有柔韌性，敷貼時容易與傷口緊密貼合，治癒傷口大約需要14天。

目前在臺灣，吳郭魚的魚皮應用價值不高，但自然科教師若能對於K-12的學生教導治療燒燙傷的魚皮敷料，簡單的解釋奈米化學尺度（膠原蛋白的分子結構），如何結合生物奈米概念（Omega-3），就能做出治療燒燙傷的魚皮敷料，造福人類。相信能引導K-12學生對於跨領域的學習興趣，激發更多的想像和創造力。

■參考資料

林慧宣（2016）。以3D列印製作海藻酸鈉水凝膠和幾丁聚醣/聚乙烯醇奈米纖維雙層複合支架用於組織修復。臺北科技大學化學工程研究所碩士論文。

農業科技決策資訊平台（2019，7月）。。鱈魚皮敷料可促進動物傷口癒合。https://agritech-foresight.atri.org.tw/article/contents/1812

自由電子報（2017，7月）。吳郭魚是寶！巴西研究：魚皮可做嚴重燒傷敷料。https://today.line.me/tw/v2/article/452deb91efcc25d014dfd228beb39abf8fa1f1d4cc341a9cb25afdb7b045e77a

楊嘉慧（2019）。細胞的支架：膠原蛋白。科學人雜誌，12。http://dgnet.com.tw/articleview.php?article_id=18635&issue_id=3629

劉海英（2014，6月）。生命的支架–膠原蛋白支架技術應用。https://kknews.cc/zh-tw/other/k6arxq.html

Goldberg,R. J., & Katz, J. (2007). A meta-analysis of the analgesic effects of omega-3 polyunsaturated fatty acid supplementation for inflammatory joint pain. Pain, 129(2), 210-223.

Kiecolt-Glaser, J. K., Belury, M. A., Andridge, R., Malarkey, W. B., & Glasera, R. (2011). Omega-3 supplementation lowers
inflammation and anxiety in medical students: a randomized controlled trial. Brain Behavior Immunity, 25(8), 1725-1734.

Lackie, J. (2010). Cytokine. A Dictionary of Biomedicine. Oxford. ISBN 978-0-19-172794-8.

Yvonne, B. W. (2007). Plant based sources of vegan & vegetarian Docosahexaenoic acid-DHA and Eicosapentaenoic acid-EPA &
Essential Fats. Retrieved from http://www.foodsforlife.co.uk/nutrition/vegetarian-DHA-EPA.html

■附錄

根據臺灣全民健保局資料庫顯示，一般燒燙傷病患平均住院日數長達14天，平均每人醫療費用新臺幣9萬6,000元，若是非單一燒傷處病患，治療費用更高達新臺幣29萬元。巴西醫院使用吳郭魚皮敷料治療燒燙傷病患，平均每人醫療費用折合新臺幣3萬5,000元。