钻石不只能求婚，还能用于生物医学

首先我们从钻石的结构谈起，钻石为sp 3结构，也就是碳原子以四面体的方式架构，每个碳原子都与另外四个碳原子相接。这种坚固严密的四面体，让钻石成为自然界中最坚硬的物质。

因为钻石碳原子的结构紧密、形成的晶格很小，其它较大的原子不易参杂；自然界中最常见的杂质是和碳原子大小相近的氮原子、硼原子，这些杂质也是彩钻形成颜色的原因之一。奈米钻石的结构和一般钻石相似，但透过一些加工方法，可以让奈米钻石发出具有利用价值的光芒。

首先，我们用高温高压将碳元素合成奈米钻石粉末，接着利用高能量的电子束或离子束轰击，让结构中产生空缺。再高温加热，促使空缺移动到参杂的氮原子旁，形成「氮-空缺颜色中心」(nitrogen-vacancy color center, NV)，就成为会发光的「萤光奈米钻石」。我们把它的英文命名为Fluorescent Nanodiamond，缩写FND。

奈米钻石可以发光，关键是因为有上图中的「氮-空缺颜色中心」。当含有「氮-空缺颜色中心」的奈米钻石受到黄绿色光(波长500-600 nm) 照射，会发出波长大约是700 nm 的红光，这红光可以透过光学显微镜侦测到。

萤光奈米钻石所含的碳和氮，都是生物体内最常见的元素，因此与生物体具有高度的相容性，经检测也发现这种材料的生物毒性非常低。所以我们可以把萤光奈米钻石放到生物体内，藉由它所发出的红光，来追踪想追踪的标的，例如干细胞、免疫细胞等等。

现今的生物医学研究中，「细胞疗法」相当热门，也就是取用自身的免疫细胞、干细胞，先在体外培养好，再打回体内进行治疗。但是这些免疫细胞、干细胞打回体内后，如何知道它们往哪跑？有没有真的修复受伤的组织？这种情况萤光奈米钻石就可以帮忙追踪。

举例来说，我们团队和中研院细胞与个体生物学研究所的游正博教授合作，将萤光奈米钻石放到老鼠肺部的干细胞内，并观察确认不会影响到干细胞的生长及功能，之后再将这些干细胞打回肺部已经受伤的老鼠体内，让干细胞去修复受伤的肺部。

一周后，我们取出这只老鼠的肺部组织，用共轭焦萤光学显微镜来观察，寻找萤光奈米钻石释放的红光，结果真的可以追踪到干细胞，也能看出打入的干细胞跑到肺的哪个部位。这样就能协助提供资讯，证明干细胞的疗效，或是优化之后的干细胞治疗方法。(注一)

因为萤光奈米钻石和生物体高度相容，还能设计萤光奈米钻石的尺寸大小，所以也能用来携带药物分子，目前实验测试在生物体内不会引起免疫和发炎反应。

例如，我们和中研院生物医学科学研究所谢清河研究员、暨南大学应用化学系吴志哲教授合作，实验用萤光奈米钻石携带一种称为肝素 (heparin)的药物。

很多血栓病患需要服用肝素，这种药物有抗凝血作用，能够把血栓分解掉；但肝素是小分子药物，很容易穿过血管壁、跑到组织液中被代谢，造成病患必须持续服药。因此我们把肝素接到大小30 奈米左右的萤光奈米钻石上，肝素药物整体体积变大后就不会那么容易穿过血管壁，透过小鼠模型实验，可以在血液中停留较长时间，药物作用时间拉长，也就可以降低服用的剂量。

萤光奈米钻石未来的发展？

萤光奈米钻石可以应用于生物医学，但其实生物学家做实验有自己的标准流程，因此我们主要是用萤光奈米钻石来解决过去不能解决的问题，补足现有生物技术做不到的功能。

以前面介绍的老鼠肺部干细胞标记为例，生物学家较习惯使用「萤光蛋白」来标示生物分子，运用萤光蛋白需对干细胞做基因修改，但基因修改可能会影响干细胞的功能。因此这方面的实验其实很适合改用萤光奈米钻石，因为不会对干细胞的功能产生影响。

至于其他热门的生物应用奈米材料，例如奈米金、奈米碳管、石墨烯等，都被认为很可能对人体有毒。像是奈米金，金原子本身可能没有毒性，但在制作奈米金的过程需要加入界面活性剂，界面活性剂则被认为可能有毒；但若不加入界面活性剂，奈米金原子又很容易聚在一起，而无法达到使用目的。

另外，奈米碳管和钻石虽然都是由碳原子组成，但奈米碳管在制作过程中，需加入很多对人体有毒的金属催化剂；加上奈米碳管的碳原子排列是sp 2结构，也就是呈现三角形的平面结构，应用时若进行酸洗等表面加工修饰，很容易破坏sp 2结构，所以也不太适合生物医学实验。

在未来发展上，萤光奈米钻石受限的关键，在于目前美国食品药品监督管理局(FDA) 还没核可进行人体实验，因为FDA 倾向核可生物可分解材料(Biodegradable)。萤光奈米钻石虽然对生物体内的细胞功能没有影响，但不会被生物降解，所以目前萤光奈米钻石的研究集中在小鼠、大鼠和迷你猪(注三)的临床前实验。

十多年来持续研究萤光奈米钻石的动力？

1997 年我想出「萤光奈米钻石」这个点子，但那时还没有适合的技术，经历一段空窗期做不出来。直到2005 年有了Google ，我搜寻到其实中研院物理所就有加速器，可以用来轰击奈米钻石，就从那时开始研究萤光奈米钻石，至今已经13 年。

萤光奈米钻石的制程条件很严苛，要说是什么因素支持我持续研究，第一当然是，我觉得这真的很有趣（笑）。而这十多年来我们研究团队也累积了许多世界领先的研究成果。像是最开始制作萤光奈米钻石的材料，为了产生钻石的「氮-空缺颜色中心」空缺，我们在实验室建造了一台四万电子伏特的离子加速器来进行量产，是全世界首次证明萤光奈米钻石可以量产，国内外许多实验室也来跟我们索取萤光奈米钻石进行合作。

由于萤光奈米钻石是我们第一个制造，算是MIT (Made in Taiwan) 的产品，因此我们也坚守这个材料的命名权，将它正名为FND (Fluorescent Nanodiamond)。我们实验室自己量产100 公克的萤光奈米钻石也用不完，所以很欢迎提供给全世界有需要的团队使用。各国团队和我们合作索取、或购买萤光奈米钻石的材料做研究都可以，但发论文时提到这个材料，我们会要求对方称呼我们定订的“FND” 这个名字。

目前全球使用萤光奈米钻石的研究团队超过100个，来自20个以上的国家。这些国外研究团队的论文，除了发表于国际期刊如Nature及Science，论文里都会注明萤光奈米钻石的材料产地是来自中研院，并引用我们团队的研究成果，算是一种让台湾在国际间被看见的方式。

基于对萤光奈米钻石的热爱，我们研究团队也花了三年的时间写了一本《Fluorescent Nanodiamonds》英文专书，有系统地介绍萤光奈米钻石的原理、应用和发展等等。这是我这几年最得意的一件事，不为了论文数量、升等压力，纯粹就只是想将喜爱的知识传播出去。因为我们收到很多人邀稿，想说就自己写一本书，没想到写了三年才完成了三百页。过程要和学生讨论，要找漂亮图片，还要写得有趣，真是不容易。