CN106318907A - 利用碳化材料促进细胞分化的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用碳化材料促进细胞分化的方法，包括以下步骤：A、提供一纤维织布，其中该纤维织布包含一聚丙烯腈纤维；B、高温碳化该纤维织布以产生一碳化材料；该碳化材料包含有多个碳纤维，各个碳纤维包含有一本体与多个碳柱，这些碳柱形成在该本体表面，且这些碳柱以各种方向相互堆叠；C、将一具有分化能力的细胞置于该碳化材料上。由此，该细胞在分化过程中通过依附这些碳柱，以促进其分化功能，加速该细胞分化为具有特定功能的分化细胞。

Description

利用碳化材料促进细胞分化的方法

技术领域

本发明涉及细胞分化，特别涉及一种碳化材料及利用碳化材料促进细胞分化的方法。

背景技术

在神经科学的医疗研究突飞猛进的现代，已发现有多种脑神经病变的原因。以帕金森氏症为例，其病因是由于人类中枢神经系统中本应释放神经传导物质——多巴胺的神经元受损或死亡；而多巴胺对于脑中基底核在运动功能的调控是不可或缺的，故多巴胺的数量减少会使得人类的运动协调功能受损。

患病初期可透过多巴胺药物弥补患者供应不足的多巴胺，而能有效控制运动功能受损的问题。但药物治疗无法控制严重病患的症状，甚至只会带来副作用，此时便需要外科手术的介入。其中，细胞替代疗法(cellreplacement therapy)是通过移植正常细胞来取代受损细胞，或借此为受损神经细胞的再生提供一个桥梁，使神经系统的传导通路完整或再生，以恢复神经传导功能。

而临床上常取得的正常神经细胞是由人类神经干细胞(human neuralstem cells，hNSC)分化而来。过去人类神经干细胞培养于平面培养皿上，其分化率仅约2％；即使在添加分化因子(differentiation factor，DF)后，其分化率最高也仅能提升至约18％，分化效率着实不高。是以，虽然细胞替代疗法避免了药物治疗带来的副作用，但细胞分化的效率确实有待提升。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳化材料及利用碳化材料促进细胞分化的方法，能通过该碳化材料的立体堆叠结构特性模拟生物体内的环境，即，形成一立体支架以促进细胞分化。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用碳化材料促进细胞分化的方法，包含以下步骤：A、提供一纤维织布，其中该纤维织布包含一聚丙烯腈纤维；B、高温碳化该纤维织布以产生一碳化材料；其中该纤维织布是在压力大于100托耳且小于一大气压，且温度介于500至1200℃的环境下被碳化；高温碳化的时间介于1至25分钟，且碳化过程中供应一惰性气体作为碳化气氛；该碳化材料包含有多个碳纤维，其中各个碳纤维包含有一本体与多个碳柱，这些碳柱形成在该本体表面，且这些碳柱以各种方向相互堆叠；以及C、将一细胞置于该碳化材料上，其中该细胞具有分化能力，可分化为具有一特定功能的一分化细胞；由此，该细胞在分化过程中通过依附这些碳柱，以促进其分化功能，加速该细胞分化为具有该特定功能的该分化细胞。

本发明另外提供了一种作为促进细胞分化的基质的碳化材料，是以以下步骤制成：A、提供一纤维织布，其中该纤维织布包含一聚丙烯腈纤维；B、高温碳化该纤维织布以产生一碳化材料；其中该纤维织布是在压力大于100托耳且小于一大气压，且温度介于500至1200℃的环境下被碳化；高温碳化的时间介于1至25分钟，且碳化过程中供应一惰性气体作为碳化气氛；其中，该碳化材料包含有多个碳纤维，且各个碳纤维包含有一本体与多个碳柱，这些碳柱形成在该本体表面，且这些碳柱以各种方向相互堆叠。

本发明的效果在于，该纤维织布碳化所形成的碳化材料提供了医疗方面的新用途，且能有效提升细胞分化的效率。

附图说明

图1是作为本发明一优选实施例的利用碳化材料促进细胞分化的方法的流程图；

图2是本发明的上述优选实施例中碳化材料的立体图，揭示碳化材料在电子显微镜下的成像；

图3是本发明上述优选实施例中碳化材料的立体图，揭示碳柱在电子显微镜下的成像；

图4是本发明上述优选实施例中碳化材料的示意图；

图5是神经干细胞附着于常用的细胞培养基质上进行分化的立体图；

图6是本发明上述优选实施例中碳化材料的示意图，揭示其碳柱的立体结构可促进神经干细胞的分化。

【符号说明】

100 碳化材料

10 碳纤维

12 本体 14 碳柱

20 细胞

22 轴突 24 多巴胺

D1 高度

D2 直径

θ 接触角

具体实施方式

为能更清楚地说明本发明，现举优选实施例并配合附图详细说明如后，请参见图1所示，为本发明一优选实施例的利用一碳化材料100促进细胞分化的方法的流程图。

该碳化材料100是一碳纤维织物(carbon fiber fabric)，本案申请人已于台湾第I445661号专利公告中公开了其碳化方法及使用的碳化装置，工艺约略如下：首先，提供一纤维织布，其中该纤维织布包含一聚丙烯腈纤维；接着，高温碳化该纤维织布以产生该碳化材料100。其中该纤维织布是在压力大于100托耳(Torr)且小于一大气压，且温度介于500至1200℃的环境下被碳化；高温碳化的时间介于1至25分钟。此外，碳化过程中供应一惰性气体(如氮气)在该碳化环境中作为碳化气氛，以避免该纤维织布与空气中的氧气接触而产生氧化反应。其他详细工艺在此不再赘述。

请配合图2所示，该碳化材料100包含有多个纵横交错的碳纤维束，各碳纤维束又由多个线状的碳纤维10集合而成。其特征在于，若透过电子显微镜并以高倍数观察各碳纤维10，可观察到各碳纤维10除包含有一线状的本体12之外，还包含有多个碳柱14；这些碳柱14位于该本体12表面，并以各种方向堆叠(参见图3)。

请配合图4所示，为了更清楚定义这些碳柱14的尺寸，以及这些碳柱14与细胞的相对关系，图中的这些碳柱14以轴向垂直表面的矩阵排列表示。其中，各碳柱14的高度D1约为0.001至5mm；且各碳柱14的直径D2约为1至4μm。

最后，将一具有分化能力的细胞20置于该碳化材料100上，在此实施例中，该细胞20为神经干细胞，但并不以神经干细胞为限制，而也可以为类神经细胞等同样可以分化为一神经细胞的前驱细胞。神经细胞的特定功能是长出至少一轴突，并透过该轴突末稍释放多巴胺，以将讯息从该细胞传递至其他细胞。

请配合图5所示，神经干细胞在过去都是培养在平面的细胞培养基质1上以进行分化，但分化率低。换句话说，该细胞20长出轴突22的速度较慢，且释放多巴胺24以传递讯息的功能较低。此外，由于该细胞20是整体贴附于基质1上，故该细胞20所贴附的基质1的表面与该细胞20最高点所构成的接触角θ小，并不利于细胞的生长、移动及分化。

请配合图6所示，相较于过去将细胞20置于基质1，本实施例中碳化材料100的该碳柱14供该细胞20在分化过程中附着，而能有利于该细胞20的轴突22的形成，同时促进轴突22末端释出多巴胺24。此外，本发明的该碳化材料100具有导电的特性，具体来说，该碳化材料100中的碳原子是以sp²杂化轨道相互键合，因此具有容易吸引电子的特性。由于多巴胺24释放电子，故释出多巴胺24的轴突22末稍能被该碳柱14吸引，而能牢固的附着在该碳柱14上。该细胞20通过轴突22攀附在这些碳柱14上，使得细胞不单只是贴附于该本体12表面，而能使该接触角θ增大，有利于细胞的生长、移动及分化。

此外，该细胞20在分化过程中除了型态上的改变及多巴胺的释放外，其细胞20内的酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase)浓度也会提升。酪氨酸羟化酶是将细胞20内的酪氨酸转变为多巴胺24的重要酶，故酪氨酸羟化酶在细胞内的浓度及活性可作为神经干细胞分化的指标。和贴附在基质1的细胞20相比，附着于该碳化材料100进行分化的细胞20具有较高的酪氨酸羟化酶浓度及活性。由此可知，该碳化材料100确实促进了细胞20的型态改变以及与分化相关的细胞内讯息传递，而有利于细胞20的分化。

综上所述，本发明利用碳化材料作为促进细胞分化的基质，是利用该碳化材料100的立体结构及导电的特性，促进该细胞20在其上的生长及分化。

本实施例碳化材料100可进一步应用于一培养皿上，其中该培养皿具有一底板与一内部空间，且该底板具有一上表面面对该内部空间。该碳化材料100结合于该上表面，故当细胞20种于该培养皿的底板的上表面时，便可附着于该碳化材料100上生长，由此促进该细胞20的分化。

上述的碳化材料100也可以用于重建因疾病或受伤所造成的神经缺损。伤口处的组织和血液中存在组织再生所需的干细胞，故若要修复神经缺损，需要在神经缺损处搭建生物支架，以供细胞附着、增殖及分化。然而，利用现在所用的生物支架仅能支持一定程度的组织再生，且该生物支架本身并不具有诱导组织再生及分化的能力。若以本发明碳化材料100做为搭建于神经缺损处的生物支架，即可加速伤口处干细胞的生长及分化，而能达到更佳的神经重建效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用碳化材料促进細胞分化的方法，包括以下步骤：

A、提供一纤维织布，其中该纤维织布包含一聚丙烯腈纤维；

B、高温碳化该纤维织布以产生一碳化材料；其中该纤维织布是在压力大于100托耳且小于一大气压，且温度介于500至1200℃的环境下被碳化；高温碳化的时间介于1至25分钟，且碳化过程中供应一惰性气体作为碳化气氛；该碳化材料包含有多个碳纤维，其中各个碳纤维包含有一本体与多个碳柱，这些碳柱形成在该本体表面，且以各种方向堆叠；以及

C、将一细胞置于该碳化材料上，其中该细胞具有分化能力，可分化为具有一特定功能的一分化细胞；

由此，该细胞在分化过程中通过依附这些碳柱，以促进其分化功能，加速该细胞分化为具有该特定功能的分化细胞。

2.如权利要求1所述的利用碳化材料促进細胞分化的方法，其中各个碳柱的直径约为1至4μm。

3.如权利要求1所述的利用碳化材料促进細胞分化的方法，其中各个碳柱的高度约为0.001至5mm。

4.如权利要求1所述的利用碳化材料促进細胞分化的方法，其中步骤C中的该细胞包含一神经干细胞。

5.如权利要求1所述的利用碳化材料促进細胞分化的方法，其中步驟C中的该分化细胞包含一神经细胞，其中该神经细胞的该特定功能包含释放多巴胺。

6.如权利要求1所述的利用碳化材料促进細胞分化的方法，是用于重建因疾病或受伤所造成的神经缺损。

7.一种作为促进细胞分化的基质的碳化材料，通过以下步骤制成：

A、提供一纤维织布，其中该纤维织布包含一聚丙烯腈纤维；

B、高温碳化该纤维织布以产生一碳化材料；其中该纤维织布是在压力大于100托耳且小于一大气压，且温度介于500至1200℃的环境下被碳化；高温碳化的时间介于1至25分钟，且碳化过程中供应一惰性气体作为碳化气氛；

其中，该碳化材料包含有多个碳纤维，且各个碳纤维包含有一本体与多个碳柱；这些碳柱形成在该本体表面，且以各种方向相互堆叠。