TWI555841B - Carbonized materials and methods of promoting cell differentiation using carbonized materials - Google Patents
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Description
本發明係與細胞分化有關；特別是指一種碳化材料及利用碳化材料促進細胞分化之方法。
在神經科學的醫療研究突飛猛進的現代，已發現有多種腦神經病變的原因。以帕金森氏症為例，其病因是由於人類中樞神經系統中本應釋放神經傳導物質-多巴胺的神經元受損或死亡；而多巴胺對於腦中基底核在運動功能的調控是不可或缺的，故多巴胺的數量減少會使得人類的運動協調功能受損。
罹病初期可透過多巴胺藥物彌補患者供應不足的多巴胺，而能有效控制用運動功能受損的問題。但藥物治療無法控制嚴重病患之症狀，甚至僅會帶來副作用，此時便需要外科手術的介入。其中，細胞替代療法(cell replacement therapy)是通過移植正常細胞來取代受損細胞，或藉此為受損神經細胞的再生提供一個橋樑，使神經系統的傳導通路完整或再生，以恢復神經傳導功能。
而臨床上常取得的正常神經細胞係由人類神經幹細胞(human neural stem cells；hNSC)分化而來。在過去，人類神經幹細胞係培養於平面的培養皿上，其分化率僅約2%；即使在添加分化因子(differentiation factor；DF)後，其分化率最高也僅能提升至約18%，分化效率著實不高。是以，雖然細胞替代療法避免了藥物治療帶來的副作用，但細胞分化的效率確實有待提升。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種碳化材料及利用碳化材料促進細胞分化之方法，能藉由該碳化材料的立體堆疊結構特性模擬生物體內的環境，即，形成一立體支架以促進細胞分化。
緣以達成上述目的，本發明所提供利用碳化材料促進細胞分化之方法包含以下步驟：A、提供一纖維織布，其中該該纖維織布包含一聚丙烯腈纖維；B、高溫碳化該纖維織布以產生一碳化材料；其中該纖維織布係在壓力大於100托耳且小於一大氣壓，且溫度介於500至1200℃的環境下被碳化；高溫碳化的時間介於1至25分鐘，且碳化過程中供應一惰性氣體於碳化環境；該碳化材料包含有複數個碳纖維，其中各該碳纖維包含有一本體與複數個碳柱，該些碳柱係形成於該本體表面，且該些碳柱以各種方向相互堆疊；以及C、將一細胞置於該碳化材料上，其中該細胞具有分化能力，可分化為具有一特定功能之一分化細胞；藉此，該細胞於分化過程中透過依附該些碳柱，以促進其分化功能，加速該細胞分化為具有該特定功能之該分化細胞。
本發明另提供一種作為促進細胞分化之基質的碳化材料，係以以下步驟所製成：A、提供一纖維織布，其中該該纖維織布包含一聚丙烯腈纖維；B、高溫碳化該纖維織布以產生一碳化材料；其中該纖維織布係在壓力大於100托耳且小於一大氣壓，且溫度介於500至1200℃的環境下被碳化；高溫碳化的時間介於1至25分鐘，且碳化過程中供應一惰性氣體於碳化環境；其中，該碳化材料包含有複數個碳纖維，且各該碳纖維包含有一本體與複數個碳柱，該些碳柱係形成於該本體表面，且該些碳柱以各種方向相互堆疊。
本發明之效果在於，該纖維織布碳化所形成之碳化材料提供了醫療方面的新用途，且能有效提升細胞分化的效率。
100‧‧‧碳化材料
10‧‧‧碳纖維
12‧‧‧本體
14‧‧‧碳柱
20‧‧‧細胞
22‧‧‧軸突
24‧‧‧多巴胺
D1‧‧‧高度
D2‧‧‧直徑
θ‧‧‧接觸角
圖1係本發明一較佳實施例利用碳化材料促進細胞分化之方法之流程圖。
圖2係本發明上述較佳實施例之碳化材料之立體圖，揭示碳化材料於電子顯微鏡下的成像。
圖3係本發明上述較佳實施例之碳化材料之立體圖，揭示碳柱於電子顯微鏡下的成像。
圖4係本發明上述較佳實施例之碳化材料之示意圖。
圖5係神經幹細胞附著於習用之細胞培養基質上進行分化之立體圖。
圖6係本發明上述較佳實施例之碳化材料之示意圖，揭示其碳柱之立體結構可促進神經幹細胞的分化。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後，請參圖1所示，為本發明一較佳實施例利用一碳化材料100促進細胞分化之方法的流程圖。
該碳化材料100係一碳纖維織物(carbon fiber fabric)，本案申請人已於中華民國專利公告號第I445661公開其碳化方法及使用之碳化裝置，製程約略如下：首先，提供一纖維織布，其中該該纖維織布包含一聚丙烯腈纖維；接著，高溫碳化該纖維織布以產生該碳化材料100。其中該纖維織布係在壓力大於100托耳且小於一大氣壓，且溫度介於500至1200℃的環境下被碳化；高溫碳化的時間介於1至25
分鐘。此外，碳化過程中供應一惰性氣體(如氮氣)於碳化環境中，以避免該纖維織布與空氣中的氧氣接觸而產生氧化反應。其他詳細製程容此不加贅述。
請配合圖2所示，該碳化材料100包含有複數個縱橫交錯的碳纖維束，各該碳纖維束又以複數個線狀的碳纖維10集合而成。其特徵在於，若透過電子顯微鏡並以高倍數觀察各該碳纖維10，可觀察到各該碳纖維10除包含有一線狀的本體12，尚包含有複數個碳柱14；該些碳柱14位於該本體12表面，並以各種方向堆疊(圖3參照)。
請配合圖4所示，為了更清楚定義該些碳柱14的尺寸，以及該些碳柱14與細胞的相對關係，圖中的該些碳柱14以軸向垂直表面的矩陣排列表示。其中，各該碳柱14的高度D1約為0.001至5mm；且各該碳柱14的直徑D2約為1至4μm。
最後，將一具有分化能力的細胞20置於該碳化材料100上，於此實施例中，該細胞20為神經幹細胞，但並不以神經幹細胞為限制，而亦可以為類神經細胞等同樣可以分化為一神經細胞的前驅細胞。神經細胞的特定功能係長出至少一軸突，並透過該軸突末稍釋放多巴胺，以將訊息自該細胞傳遞至其他細胞。
請配合圖5所示，神經幹細胞在過去都是培養於平面的細胞培養基質1上以進行分化，但分化率低。換言之，該細胞20長出軸突22的速度較慢，且釋放多巴胺24以傳遞訊息的功能較低。此外，由於該細胞20係整體貼附於基質1上，故該細胞20所貼附之基質1的表面與該細胞20最高點所構成的接觸角θ小，並不利於細胞的生長、移動及分化。
請配合圖6所示，相較於過去將細胞20置於
基質1，本實施例碳化材料100之該碳柱14供該細胞20於分化過程中附著，而能有利於該細胞20之軸突22的形成，同時促進軸突22末端釋出多巴胺24。此外，本發明之該碳化材料100具有導電的特性，詳而言之，該碳化材料100中的碳原子是以sp2混成軌域相互鍵結，故具有容易吸引電子的特性。由於多巴胺24釋放電子，故釋出多巴胺24的軸突22末稍能被該碳柱14吸引，而能牢固的附著於該碳柱14上。該細胞20藉由軸突22攀附於該些碳柱14上，使得細胞不單只是貼附於該本體12表面，而能使該接觸角θ增大，有利於細胞的生長、移動及分化。
此外，該細胞20在分化過程中除了型態上的改變及多巴胺的釋放外，其細胞20內的酪氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase)濃度亦會提升。酪氨酸羥化酶是將細胞20內之酪氨酸轉變為多巴胺24的重要酵素，故酪氨酸羥化酶在細胞內的濃度及活性可作為神經幹細胞分化的指標。和貼附在基質1的細胞20相比，附著於該碳化材料100進行分化的細胞20具有較高的酪氨酸羥化酶濃度及活性。由此可知，該碳化材料100確實促進了細胞20的型態改變以及與分化相關的細胞內訊息傳遞，而有利於細胞20的分化。
綜上所述，本發明利用碳化材料作為促進細胞分化之基質，係利用該碳化材料100的立體結構及導電的特性，促進該細胞20於其上的生長及分化。
本實施例碳化材料100可進一步應用於一培養皿上，其中該培養皿具有一底板與一內部空間，且該底板具有一上表面面對該內部空間。該碳化材料100係結合於該上表面，故當細胞20種於該培養皿之底板的上表面時，便可附著於該碳化材料100上生長，藉此促進該細胞20的分化。
上述包含該碳化材料100之亦可用於重建因疾病或受傷所造成的神經缺損。傷口處的組織和血液中存在組織再生所需的幹細胞，故若要修復神經缺損，需要在神經缺損處搭建生物支架，以供細胞附著、增殖及分化。然而，利用習用的生物支架僅能支持一定程度的組織再生，且該生物支架本身並不具有誘導組織再生及分化的能力。若以本發明碳化材料100做為搭建於神經缺損處的生物支架，即可加速傷口處幹細胞的生長及分化，而能達到更佳的神經重建效果。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
Claims (5)
- 一種利用碳化材料促進細胞分化之方法，包括以下步驟：A、提供一纖維織布，其中該該纖維織布包含一聚丙烯腈纖維；B、高溫碳化該纖維織布以產生一碳化材料；其中該纖維織布係在壓力大於100托耳且小於一大氣壓，且溫度介於500至1200℃的環境下被碳化；高溫碳化的時間介於1至25分鐘，且碳化過程中供應一惰性氣體於碳化環境；該碳化材料包含有複數個碳纖維，其中各該碳纖維包含有一本體與複數個碳柱，該些碳柱係形成於該本體表面，且以各種方向堆疊；以及C、將一細胞置於該碳化材料上，其中該細胞具有分化能力，可分化為具有一特定功能之一分化細胞；藉此，該細胞於分化過程中透過依附該些碳柱，以促進其分化功能，加速該細胞分化為具有該特定功能之該分化細胞。
- 如請求項1所述利用碳化材料促進細胞分化之方法，其中各該碳柱的直徑約為1至4μm。
- 如請求項1所述利用碳化材料促進細胞分化之方法，其中各該碳柱的高度約為0.001至5mm。
- 如請求項1所述利用碳化材料促進細胞分化之方法，其中該步驟C之該細胞包含一神經幹細胞。
- 如請求項1所述利用碳化材料促進細胞分化之方法，其中步驟C之該分化細胞包含一神經細胞，其中該神經細胞之該特定功能包含釋放多巴胺。
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