奈米課程:治療燒燙傷的魚皮敷料 /盧秀琴

星期二 , 8, 6 月 2021 Leave a comment

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
luchowch@tea.ntue.edu.tw

奈米化學是化學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Omega3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)。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(20197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20177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,12http://dgnet.com.tw/articleview.php?article_id=18635&issue_id=3629

劉海英(20146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96,000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35,000元。

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