清華大學化學工程學系學位論文
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當胰小島受損時，其血管與神經網路的改變與重組，影響胰小島在糖尿病發病過程中的生理變化。然而，由於胰臟的不透明性，且胰小島位於胰臟的深處，這雙重的阻礙，使得光學顯微鏡在觀察胰小島血管與神經網路時受到限制。在另一方面，使用傳統切片機所獲得的二維光學顯微影像，只能將視野侷限在某一切面上，無法針對血管與神經網路的三維結構進行觀察。本實驗中我們使用三維影像技術，定性與定量分析神經組織之「膠質細胞網路」 (Schwann cell network)與「血管周細胞」 (pericytes) 在正常胰小島組織的型態，與其在糖尿病小鼠發病過程中的改變與重組。 在胰臟中，Schwann cells主要位於胰小島周邊，區隔內分泌與外分泌組織；pericytes則攀附於血管壁，並隨血管延伸。在中樞神經系統中，當腦與脊髓受損時，Schwann cells與pericytes同時啟動，形成glial scar控制受傷區域。但目前還不清楚在胰小島發炎時 -- 特別是在第1型糖尿病發病初期，當免疫系統開始破壞但未完全摧毀胰小島時 -- 是否有類似的細胞反應幫助胰小島賀爾蒙進入循環系統，維持生理機能運作。在本實驗中我們使用Schwann cells與pericytes的染色方法，並結合三維影像技術，觀察它們在胰小島發炎時於空間中的變化。我們並運用網路組織分析方法，進行第1型糖尿病小鼠模型，包括streptozotocin (STZ) 注射小鼠模型，與nonobese diabetic (NOD) 小鼠模型的胰臟組織影像分析。 從共軛焦顯微鏡的影像，我們觀察到正常小鼠中，膠質細胞網路會從蘭氏小島外圍往核心發展。施打STZ一周後的小鼠，蘭氏小島內微血管的周圍，膠質細胞會增生；同時血管周細胞的密度也會增加。NOD小鼠中，在早期與中期胰島炎，受損區域周圍以及微血管旁會有膠質細胞增生的情形；同時血管周細胞會聚集在受損區域中的喂養微動脈 (feeding arteriole) 上。 從蘭氏小島受損時，這些細胞的反應可以說明他們的可塑性，也說明當實驗性糖尿病對蘭氏小島造成損害時，膠質細胞與血管周細胞會對損傷進行立即性的補救。
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本研究以癌症治療為目的，研發一具有藥物控制釋放能力之傳遞系統。實驗設計是將具有產氣能力之碳酸氫銨（NH4HCO3）材料包覆進載體水相核層內，做為一穴蝕（caviation）化核心，藉由碳酸氫銨與碳酸氫鈉分別在高溫（40 50 °C）與酸性環境下具有能及時分解產生二氧化碳之特性。此系統不需經由外加超聲波，即能藉由局部環境變化的觸發，產生瞬間穴蝕效應，達到破壞腫瘤細胞，或輔助調控釋放藥物傳遞之目的。系統中，載體內氣泡的生成，除了可加速藥物的釋放，亦具有增強聲場散射信號的作用，因此，本系統同時也可做為一可應用在至醫學影像上之超聲波對比劑，為一相當具潛力之治療及追蹤癌症疾病的平台技術。
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細胞治療在組織工程與再生醫學的領域上，為一相當具有前瞻性的治療方法。我們先前與清華大學化工系宋信文教授的團隊合作，利用細胞不會貼附在甲基纖維素水膠的特性，開發出一能生產大小均一且可經針頭注射的3-D臍帶血間葉幹細胞/人類臍帶靜脈內皮細胞 (cbMSC/HUVEC) 均勻混合細胞球體生產系統。探討此均勻混合細胞球體的增生、分佈及最佳化等特性。體外實驗結果顯示，此cbMSC與HUVEC均勻混合於細胞球體內部並具有完整的細胞外間質及黏附性蛋白，可以形成穩定的類血管網狀結構，也找出促進此類血管網狀結構形成的相關機制。證實此均勻混合細胞球體確實有類血管形成的能力。在體內實驗，我們將此cbMSC/HUVEC均勻混合細胞球體利用針頭植入缺血肌肉組織進行血管新生的治療。實驗結果顯示此均勻混合細胞球體的確可以促進缺血性肌肉組織血管新生。
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銅銦銻為直接能隙的三元半導體材料，由於能隙約1.2eV，缺陷複合物有良好的導電性且在近紅外光區域有高敏感性。銅銦碲也有潛力用於鋰離子電池應用，其理論電容為515mAh/g，高於石墨的372mAh/g，可做為石墨的取代物。 本篇研究使用有機熱溶劑注射法(hot-injection)合成銅銦碲奈米顆粒與銅銦銻奈米線，其奈米線反應機制為溶液液體生長法(Solution-Liquid-Solid, SLS)，利用低熔點的鉍作為觸媒，當溶液到達適當溫度時，再將反應物注入反應器內形成奈米化合物，藉由改變反應物、反應溫度、反應時間、界面活性劑種類來合成奈米化合物，用SEM、HR-TEM、FFT、XRD、EDS-Mapping等儀器來觀察其奈米化合物形狀與分析其結構。利用鍛燒後銅銦銻奈米線作為鋰離子電池陽極材料，進行充放電循環測試，得到的電容量經過219個循環後仍有819mAh/g，並以不同的電流密度進行充放電測試，鍛燒處理後的銅銦碲奈米線在鋰離子電池應用上能有顯著的提升，證實銅銦碲奈米材料可做為鋰離子電池電極。
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氧氣裂化吸收劑會增加化學吸收法之操作成本，文獻上多以Na2SO3做為氧氣抑制劑，然而，其具有需補充及清除副產物之問題。本研究以添加無機鹽類之方式，降低氧氣在吸收劑中之飽和溶解度，進而降低吸收劑之溶氧量。由於無機鹽類之添加屬於物理抑制，因此沒有補充鹽類或是去除副產物之必要。 由CO2捕獲實驗結果可知，本研究所添加的四種無機鹽類(KCl、NaCl、LiCl及LiBr)，在相同濃度下(1.5 m)因受到Salting-out Effect及Salt Effect之影響，使CO2 Capture Efficiency有0.29%-9.70%之降幅，其中以KCl影響最小。由溶氧量量測結果可知，添加1.5 m之KCl於15% PZ/15% DETA中可使吸收劑之飽和溶氧量降低32.2%。 以反應曲面法對氣體流率、溫度及KCl濃度等三個因子進行分析，結果顯示，氣體流率為影響CO2 Capture Efficiency之最顯著因子，其次為溫度及KCl濃度；而溫度為影響DO Value之最顯著因子，其次為氣體流率及KCl濃度。由Regression Model計算所得之最佳操作條件下，吸收劑DO Value較未添加鹽類之配方降低46.6%，較添加Na2SO3之配方降低10.1%。證明添加無機鹽類進行氧氣抑制具有其可行性，同時，RPB之HTU為0.02 (m)遠低於傳統填充塔之3.4 m，證明以化學吸收法搭配RPB進行CO2吸收，能有效縮減設備體積。 理論再生能耗計算之結果顯示，含鹽配方受到蒸氣壓及比熱下降之影響，在蒸發熱及顯熱部分較不含鹽配方降低5%，可視為此吸收劑配方額外之優點。
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本研究第一部份利用高壓二氧化碳水溶液(Compressed CO2/water)為綠色溶劑進行苯甲醇及其衍生物之觸媒氫解反應(Hydrogenolysis)，透過高壓二氧化碳水溶液的酸性特質來提升催化反應效果。研究中利用鈀/活性碳(Pd/C)觸媒於水為溶劑下進行反應，實驗結果發現通入10 bar CO2與10 bar H2時，在溫度為50 oC下，對比於10 bar H2的反應，苯甲醇氫解反應轉化率可從70%增加至92%。研究中亦對比高壓二氧化碳水溶液和二氧化碳膨脹甲醇(CO2-expanded Methanol)對氫解反應的差異，其實驗結果顯示甲醇亦具有酸性的催化效果。當水溶液或甲醇中存在高壓二氧化碳時，碳酸或甲基碳酸所形成的酸性環境容易使得苯甲醇上的OH官能基被質子化形成+OH2，進一步提升離去基的強度，導致斷鍵的反應速率增加。此外，研究中也探討1級、2級和3級苯甲基醇類對斷鍵反應的影響，透過實驗結果可得知，利用此兩種溶劑系統於苯甲基醇類氫解反應時皆有不錯的提升效果。未來可望將此高壓二氧化碳水溶液與二氧化碳膨脹甲醇系統運用於生質燃料的精煉製程，降低工業製程上之有機溶劑使用，並縮短反應時間。第二部分為對苯二甲酸(Terephthalic Acid, TPA)於水中進行苯環氫化反應之探討，由於對苯二甲酸的溶解度低，且活性碳觸媒在水中分散性差，因此一般製程之反應性皆不高。本研究挑選中孔洞矽材SBA-15 作為載體，配合超臨界流體沉積法將雙金屬Rh及Pt沉積於SBA-15上作為反應用之觸媒。由於矽基材料能有效分散於水中，因此在對苯二甲酸不完全溶解之情況下亦可進行氫化反應，其轉化率於兩小時內可達90%以上。此外，研究中亦發現Rh-Pt/SBA-15具有雙金屬效益，其轉化率較單金屬Rh/SBA-15 (84 %)與Pt/SBA-15 (1%)各別存在時來得高。若未來能善加運用此雙金屬觸媒與水溶劑系統配搭，將可望解決工業上難溶物質之苯環氫化難題。
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生質酒精為綠色能源發展的重點，利用纖維素作為生質酒精的原料來源是近年來的研究方向之一。由於生質物料的木質纖維素結構緻密、不易分解，間接阻礙了酵素對纖維素的水解效果及糖類發酵製程，利用有效的前處理方法可破壞生質物料結構並解決上述問題。本研究以狼尾草 (Napiergrass, Pennisetum purpureum)作為生質酒精製程的纖維素來源，以超臨界CO2前處理為主，另以超臨界CO2為介質配搭超聲波於高壓系統內進行物理性前處理，並嘗試利用超臨界CO2前處理再配搭過氧化氫進行化學性前處理。研究中首先利用美國國家再生能源實驗室 (National Renewable Energy Laboratory, NREL)標準方法水解未經處理之狼尾草，並將檢測值視為糖類總組成含量。經不同前處理後之狼尾草則透過酵素水解分析，將其值除以糖類總組成含量視為糖類糖化率，並利用糖類糖化率判定前處理效果。透過實驗設計可得狼尾草經超臨界CO2前處理之最佳操作條件，在溫度180 oC、壓力3500 psi、液固比為4以及處理時間為75分鐘時，可得葡聚糖糖化率為39%，並且可知溫度為最顯著影響因子。此外，研究中亦嘗試以超臨界CO2為介質配搭超聲波於高壓系統內進行物理性前處理，由於超聲波需要高密度之介質傳遞能量，因此實驗皆採低溫高壓之操作方式，然而其葡聚糖糖化率提升效果不明顯。另一方面，若以超臨界CO2前處理再配搭過氧化氫化學性前處理，其葡聚糖糖化率為未處理狼尾草原料的3倍，約46%。在表面結構分析方面，透過掃描式電子顯微鏡 (Scanning electron microscopy, SEM)可觀察出狼尾草表面經不同前處理後均有開放性破壞的現象。最後利用商業軟體Aspen Plus進行狼尾草經超臨界CO2前處理放大製程之穩態模擬，計算超臨界CO2前處理程序所需能源之消耗，可得總操作成本為26.4 $/tonne dry biomass及49.0 $/tonne dry biomass，與文獻中不同前處理總操作成本 (19~60 $/tonne dry biomass)相比較，超臨界CO2前處理程序是具競爭力。
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Study I: Studies of the potential use of chitosan (CS) as a non-viral carrier for gene delivery have shown that transfection is relatively low. To address this concern, this study developed a ternary system comprising the core of the CS/DNA complex and the outer coating of an anionic polymer, poly(γ-glutamic acid) (γ-PGA). Molecular dynamic (MD) simulations showed that γ-PGA was compacted by its entanglement with excess CS emanating from the surfaces of test complexes. The γ-PGA coating apparently internalized the test complexes and enhanced their transfection efficiency.] Trypsin treatment induced a concentration-dependent decrease in internalization of the γ-PGA-coated complexes, suggesting which suggested the occurrence of a specific protein-mediated endocytosis. Analysis of endocytosis inhibition showed that uptake of test complexes resulted from the effects of γ-glutamyl transpeptidase (GGT) on cell membranes. The amine group in the N-terminal γ-glutamyl unit of γ-PGA revealed an important role in the interaction with GGT. Since the free N-terminal γ-glutamyl unit of γ-PGA in the test complexes became exposed when entangled with CS, it may be possible to accommodate γ-PGA within the γ-glutamyl binding pocket of the membrane GGT. The above experimental results suggest that the γ-PGA coating on CS/DNA complexes substantially enhances their cellular uptake via a specific GGT-mediated pathway. Improved knowledge of the uptake mechanism is needed to develop an efficient vector for gene transfection. Study II: Many human diseases carry at least two independent gene clinical disorders. Synthesized disulfide bond-conjugated dual PEGylated siRNAs were capable of specifically targeting and silencing two genes simultaneously. For efficient delivery, a ternary complex was formed from the conjugated siRNAs, the cationic CS, and an anionic polymer, γ-PGA. Experimental results indicate that the incorporated γ-PGA significantly increased the efficiency of intracellular delivery and reduced the disulfide bond-conjugated PEGylated siRNAs delivered to the PEGylated siRNAs in the reductive cytoplasmic environment. Compared to unmodified siRNAs, the PEGylated siRNAs showed significantly higher enzymatic tolerability, more effective silencing in multiple genes, and longer duration of gene silencing capability. Silencing different genes simultaneously can substantially improve the effectiveness of treatment for multiple gene disorders, and prolonged gene silencing can reduce the frequency of administrations . Study III: The PDT has been studied intensively as a therapeutic treatment for cancer and other diseases; however, it is often accompanied by prolonged phototoxic reactions in the skin owing to the slow clearance of externally administered synthetic photosensitizers (PSs). This study investigated the genetic use of pKillerRed-dmem, delivered by complexes of CS and γ-PGA, for intracellular expression of a membrane-targeted KillerRed protein that has potential use as a PS for PDT. After transfection with CS/pKillerRed/γ-PGA complexes, a red fluorescence protein of KillerRed was clearly visible at the cellular membranes. Upon exposure to green-light irradiation, the KillerRed-positive cells produced excessive reactive oxygen species (ROS) in a time-dependent manner. Viability assays indicated that ROS have important mediating roles in KillerRed-induced cytotoxicity, apoptosis, and anti-proliferation, which suggests that KillerRed has potential use as an intrinsically generated PS for PDT treatments. Notably, the phototoxic reaction induced by KillerRed in the cells became negligible over time, presumably because of its intracellular degradability. The above experimental results demonstrate that genetically-encoded KillerRed is biodegradable and has potential use for PDT-induced destruction of diseased cells.
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本篇研究使用超臨界熱裂解法(Supercritical thermal decomposition method)，透過調整不同的反應溫度和界面活性劑，合成出非晶和多晶鍺微米粒子並加以比較兩種鍺微米粒子於鋰電池上的表現。第一步藉由掃描式電子顯微鏡、穿透式電子顯微鏡、X 光繞射儀及高解析TEM 分析鍺微米粒子，判斷微米粒子是非晶或多晶，從而組成鋰電池再以電化學儀器測試，其實驗內容共使用兩種方法:第一種為恆電流法；第二種為循環伏安法。 在室溫下，以恆電流法進行0.1C(=139mAg-1)及1C(=1384mAg-1)的充放電， 用以比較經多次充放電循環後，兩者的電容量穩定性、充放電循環的微分電容圖。 接著，利用不同充放電速率進行測試，分析不同速率的電容量以比較非晶和多晶 鍺微米粒子的不同處。最後則利用循環伏安法比較兩者在前幾個循環的電化學反 應電位不同處。實驗結果顯示於充放電速率於1C 充放100 次後，多晶鍺微米粒 子的電容穩定性(96%)優於非晶鍺微米粒子(55%)。此外，多晶鍺微米粒子在第一 次循環充電的微分電容圖比非晶鍺於0.35V 附近多一個反應訊號此為結晶鍺轉 非晶鍺的特徵。從循環伏安法得知，兩者間的不同在於多晶鍺第一個循環的還原 電位多了一個0.3V 的反應訊號外，而非晶鍺在氧化電位比多了0.36V 的反應訊 號。