植入式生物感測器
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鑽石本身已被證實具備生物相容性，因此我們進一步探討超奈米微晶鑽石(UNCD)在生物方面應用的可行性。

(1) UNCD薄膜作為植入式生物感測器的披覆層具有極佳的化學穩定性與生物惰性

    植入式生物感測器(人工耳蝸、心臟起搏器…等等)對生物本體來說屬於外來物質，而植入過程與植入後無法避免一些併發症的產生，例如腫瘤形成、感染等等病症)以及植入式材料與宿主間相互作用(蛋白質的貼附、急性/慢性炎症反應、異物反應與纖維化組織包覆)，進而影響了植入元件的功用及效能。有鑒於UNCD的生物相容性以及化學惰性，本實驗以UNCD作為植入式微晶片的披覆層以改善/降低植入式材料與宿主間相互作用。利用微波電漿增強化學氣相沉積法(MPECVD)方式在1%H2/98%Ar/1%CH4電漿環境下成長薄膜，評估在體外液體與動物體內薄膜的漏電流表現與元件被纖維化組織包覆的厚度，結果顯示氧氣電漿處理後的僅約300 nm 的UNCD薄膜最適合作為披覆層，此外，深入探討不同奈米碳材料對於引發炎症反應或纖維化組織厚度的機制，將石墨與鑽石薄膜等數種碳材料植入小白鼠皮下數月，分析奈米碳材料表面物理化學特性與所引發動物體內免疫反應，統整後建立材料–免疫反應的交互作用的模型，闡述奈米碳材料如何調控動物體內免疫反應，即當碳材料表面越平坦，總表面積越小，材料表面對水的吸附能越低時，纖維蛋白吸附量即越少，進而抑制急性炎症反應中嗜中性粒細胞與巨噬細胞的作用，即有效降低生物體對材料的免疫反應。

    研究成果不僅發現UNCD薄膜極為適合植入式元件披覆層，材料如何調控生物體內免疫機制也「首次」被探討與建立，我們的研究是國際首次原創性的研究，此項研究被知名期刊Acta Biomaterialia (SCI, IF=6.319, Ranking: 3/77 in Engineering, Biomedical) 與Journal of Materials Chemistry B (SCI, IF=4.543, Ranking: 6/33 in Materials Science, Biomaterials)兩度直接被接受。

 

(2) UNCD薄膜作為植入式生物感測器的工作電極，具有極佳的專一性、靈敏度與可靠度:以偵測多巴胺為例 

    多巴胺(dopamine, DA)屬於兒茶酚胺類，為一種神經傳導物質，控制調節如心情、行為、動作等生理活動，維持著腎臟、賀爾蒙、心血管系統及中樞神經系統的運作。在人類的體液(血液、胞外基質)中，多巴胺的含量約為0.01-1 μM，不正常的多巴胺濃度與許多疾病相關，如過少的多巴胺含量與帕金氏症、阿茲海默症、癲癇、注意力不足過動症、腿部不安症候群有關，而過多的多巴胺含量則跟亨丁頓舞蹈症、神經母細胞瘤及思覺失調症相關，因此多巴胺可以做為這些疾病的生物標記。多巴胺具有電化學活性，很容易被氧化，因此可以使用電化學的方式偵測之，電化學感測有快速、簡單操作、價格低、高靈敏度等優點，然而在體液中的其它分子可能會對偵測造成干擾，尤其抗壞血酸(ascorbic acid, AA)與尿酸(uric acid, UA)的氧化電位與多巴胺(DA)非常相近，易與多巴胺的感測訊號重疊，因此要如何提高電極對多巴胺的選擇性為一大課題。鑽石薄膜擁有良好抗化學腐蝕性、抗磨耗性，並且有寬廣的工作電位窗口、低背景電流及電催化活性本研究以偏壓輔助化學氣相沉積法製備導電性超奈米微晶鑽石(nitrogen-incorporated ultrananocrystalline diamond, NUNCD)薄膜，在氮氣電漿下(94%N2/6%CH4)並在基板施加偏壓的條件成長，薄膜表面形貌為針狀結構，晶界的石墨層包覆住鑽石奈米線，由拉曼光譜與XPS確認C-C sp2鍵結含量的增加，並且發現氮原子也與碳原子形成CN鍵結，這些鍵結提供許多離域化的電子，使得NUNCD相較於在氬氣電漿下成長的NUNCD薄膜具有極佳的導電性(電阻率約為63.15 μΩ·cm)。接著我們使用此NUNCD做為工作電極，以電化學的方式對多巴胺(DA)進行感測，發現存在兩個線性區間，這是多層吸附的機制所導致，偵測極限可以達到0.32 μM。在具有抗壞血酸(AA)和尿酸(UA)干擾物環境下，NUNCD對於多巴胺的感測幾乎不受影響，基於分子間pKa值不同，當環境為中性時，多巴胺帶正電，而抗壞血酸和尿酸帶負電，使得多巴胺較易吸附至表面帶負電的NUNCD，因此偵測極限仍可維持0.32 μM。另外，我們在每次掃描後，皆對試片以KOH、乙醇及去離子水進行清洗，在清洗過程中製造鹼性環境，使得分子的負電荷密度增加，利用靜電斥力使之脫離試片表面，降低生物分子黏附對試片造成的影響，由實驗結果發現，經由此種方式清潔後，回收率(recovery) 約90-120 %，NUNCD電極具有良好的「可重複使用性」。最後，實際利用胎牛血清樣本做測試，成功在血清的樣品中量測到多巴胺，偵測極限仍能維持在0.32 μM，未來可望實際應用在人類血清中，用以監控血液中的多巴胺含量，輔助判斷、控制亨丁頓舞蹈症、神經母細胞瘤及思覺失調症等疾病的病況。

    研究成果不僅發現NUNCD薄膜極為適合植入式元件工作電極，對於感測物多巴胺具有「專一性」、「靈敏度」、「可靠性」與電極本身具有「可重複使用性」等優點，相關薄膜的偵測機制也被建立，此研究是國際首次原創性的研究外，此項研究被知名期刊Journal of Biomedical Nanotechnology (SCI, IF=4.521, Ranking: 7/33 in Materials Science, Biomaterials)直接接受。

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流動中石墨烯的生物毒性探討並評估其應用於腫瘤標靶藥物治療的可行性

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         目前的生醫研究成功利用石墨烯當作抗癌藥物載體，當石墨烯-藥物從靜脈注射入人體後，石墨烯將依血液循環路徑行走，由特定抗體接合癌細胞成標靶，藉由照射近紅外光使承載於石墨烯上的藥物釋出而達到療效，然而，當石墨烯進入血液中做體循環時，其循環路徑需通過大小血管與許多器官組織，石墨烯長時間在血管內循環是否可能造成血管內皮細胞的毒性，抑或是石墨烯是否會累積於臟器中，造成組織毒性，對於將石墨烯作為藥物載體的應用上將會是個亟需探討重要議題。

         本研究首先評估石墨烯在靜態與動態血液流動環境下對血管內皮細胞的毒性，因此我們設計微流道晶片達到仿血管內血液流動的環境。為了改善石墨烯的疏水特性，在利用電解剝離法製備石墨烯的電解液中，加入聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)而得到在水溶液中分散效果極佳的石墨烯-PSS複合材料。接著，使用微流道晶片測試石墨烯在流動狀態下對細胞的毒性，在不同石墨烯濃度、剪切力、暴露時間等不同的測試條件下，研究發現無論在哪些條件下，相較於靜態培養，石墨烯於動態流動的培養液中不會對人類微血管內皮細胞的存活率有影響，推測在動態流動下，貼附細胞表面機會相對於靜態培養為少，所以吞噬作用較少發生。為了進一步了解不同維度奈米碳材料在動態流動環境下對於細胞毒性，我們將多壁奈米碳管、碳球與石墨烯進行PSS包裹與修飾後，混入動態流動的培養基與內皮細胞共同培養，研究結果發現，流動的二維的石墨烯-PSS對細胞沒有毒性，然而流動的ㄧ維多壁奈米碳管與零維碳球動態與細胞共同培養後，隨著時間增加卻讓細胞的死亡數顯著增加，推測跟奈米碳材料的側向效應與在液態中的分散性有關。

        接著，研究石墨烯-PSS作為藥物載體時對於動物體內臟器的生物毒性做評估，將石墨烯-PSS藉由靜脈注射入小鼠體內，觀察其在體內的分佈，與是否累積於組織器官中而造成生物毒性，在長期的血液監測檢測中，並無異常發炎反應，然而在組織病理切片中卻顯示，石墨烯-PSS主要累積聚集於肝、腎與脾臟中並引發中度的發炎反應，在六個月後，部分小尺寸的石墨烯已被代謝掉，然而仍有許多大尺寸的石墨烯聚集於肝與腎中，吸引許多巨噬細胞包圍，然而仍無法被代謝掉，因此石墨烯-PSS的尺寸與在生物體內的聚集影響了生物體的代謝機制，進而影響石墨烯-PSS的對生物體的毒性。

         研究成果發現分散性較好的石墨烯-PSS對於血管細胞的傷害十分低，且也相對容易被臟器所代謝掉，不易引發生物毒性，此外，本研究也將其他奈米碳材料(碳球與碳管)一併討論，成功建立奈米碳材料對於細胞毒性的模型，此研究是國際首次原創性的研究，此項研究被RSC advances (SCI, IF=3.108, Ranking: 59/166 in Chemistry, Multidisciplinary)與 Journal of Applied Toxicology (IF=3.159, Ranking: 26/92 in Toxicology)知名期刊發表。