防黏抗污的仿生豬籠草聚合物微球陣列表面

 
2017/02/23 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
仿生豬籠草的聚合物微球陣列表面能防黏附抗污和抵制灰塵,可應用於汽車煞車系統和鈔票觸覺安全標識(繪製者:王美乃)。 翼狀豬籠草(Nepenthes alata)捕蟲籠蠟質區的三種分層排列結構,讓昆蟲只能向下走或滑落(圖片來源:林士傑)
  • 仿生豬籠草的聚合物微球陣列表面能防黏附抗污和抵制灰塵,可應用於汽車煞車系統和鈔票觸覺安全標識(繪製者:王美乃)。
  • 翼狀豬籠草(Nepenthes alata)捕蟲籠蠟質區的三種分層排列結構,讓昆蟲只能向下走或滑落(圖片來源:林士傑)
 
食蟲植物豬籠草的科學研究非常多,其中仿生的重點多針對捕蟲籠籠口唇部,並得到許多重要的成果,但緊鄰唇部且影響捕蟲機制的「蠟質區」(waxy zone),也是非常重要的仿生對象。德國歐斯納布魯克大學(University of Osnabrüeck)史坦哈特(Martin Steinhart)教授所領導的跨校研究團隊,2016年3月在《生物靈感與仿生學》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊發表一款仿生翼狀豬籠草(Nepenthes alata)蠟質區的單片聚合物微球陣列(monolithic polymer microsphere)表面,可用於防黏附抗污、抵制灰塵、污垢、及昆蟲,甚至應用於汽車的煞車系統和鈔票的觸覺安全標識等。

翼狀豬籠草的蠟質區又名「溜滑區」(slippery zone),位於捕蟲籠的上半部,包括三種不同的水平分層排列結構,具不同的物理機制,可降低昆蟲的黏附。底層是較大且突起的非等向性(anisotropic)「半月細胞」(lunate cells),長、寬、高為35.5x7.21x9.41微米(=10-6m,μm),以每平方公釐約480個細胞密度規則散佈在扁平的上皮細胞間,半月細胞彎月形開口排列向下,即籠底方向;兩種類型細胞上面覆蓋的是第二層由縝密蠟晶體組成的「下層蠟」,類似屋瓦排列的固態泡沫,由互連的膜狀片晶(platelets)以某些銳角從表面突出,高度0.81微米,機械性相當穩定;第三層是密集的板狀(plate-like)蠟晶體所構成高度3.03微米的「上層蠟」,含有分開的不規則片晶,透過細長柄晶(stalks,直徑0.12微米,長0.80微米)連接到下層蠟,極易斷裂。

兩層蠟以相同化合物組成,但下層蠟較硬、較黏,上層蠟較脆、較易破碎剝離,兩者均具超疏水性,幾乎不會被水和乙二醇(ethylene glycol)等極性液體(親水的)弄濕,但對非極性(疏水的)液態二碘甲烷(diiodomethane)的接觸角卻有顯著差異;蠟質區因被微小蠟晶體連續覆蓋,故產生2微米的附加粗糙度(平均粗糙度Ra=1.909微米,均方根粗糙度rms=2.378微米)。

研究團隊使用半球形有黏性的聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)作為探針,測試二星瓢蟲(Adalia bipunctata)和七星瓢蟲(Coccinella septempunctata)在蠟質區的黏附力量,發現昆蟲在蠟質區的黏附力、較去除兩層蠟的無蠟質表面明顯降低,兩層蠟層對昆蟲的拉脫力量(pull-off forces)則相近。昆蟲行走時通常以足爪和表面互鎖並用黏附足墊接觸,有些物種的足墊還會分泌液體黏附表面,由於瓢蟲足最先接觸的捕蟲籠蠟質區上層蠟易碎,造成其黏附足墊被蠟晶體沾黏污染,踏到下層蠟的粗糙度又使足墊實際接觸面積減少、無法固定,若想以足爪下錨鎖住表面,卻因方向倒置且具突出邊緣的半月細胞讓牠們只能向下定向移動,無法朝上逃出捕蟲籠,導致牠們只能掉落或走向籠底消化液中,成為豬籠草的食物。

史坦哈特教授從這種機制設計仿生表面,特別著重粗糙度效應,採用雙重複製程序,首先準備微球主模具,再翻模製造機械性穩定且近似半月細胞直徑和規則排列的單片聚苯乙烯(polystyrene,簡稱PS)微球單層表面(直徑幾十微米),以浮花壓製法(embossing)將單片PS微球表面緊密連接到20×20公釐的底層基板上,並在PS微球表面壓出微形似圓球的凹凸花紋,產生大面積的仿生抗黏附表面。
他們製備半徑12.5、22.5、37.5、45.0微米的不同量級仿生表面,再以蝕刻法製出直徑幾百奈米的PS奈米棒陣列,在表面上產生第二層分層結構層。實驗得知當微球直徑為20-80微米範圍時,皆能防止黏附行為,表面黏附力(Fad)會隨PS微球陣列級別的表面形貌(topography)減少實際接觸面積、造成黏性降低。當進一步試驗表面對細胞的抗黏附性,將生長迅速的表皮癌細胞-海拉細胞(Hela cell)分別在PS薄膜、未改性(即平滑微球表面)、和半徑12.5微米經熱浮花壓製單片PS微球陣列表面上培養48小時,結果細胞以每平方公分將近8x105個密度長滿PS薄膜,而經壓製處理過的PS微球陣列表面則因微球上壓出的凹凸花紋產生物理障礙,干擾蛋白質吸附或黏附點形成,顯著減少細胞的生長密度及厚度,展現抗污染性質。

這款仿生單片聚合物微球陣列表面乾濕皆宜,能防止黏附及抵抗污染,未來希望能放大尺度,以大面積量產,可預見將能減少手術後沾黏和微生物感染等,也可應用於汽車的鼓式或碟式煞車系統,減少冬季或惡劣路況下,因為水、灰塵、泥沙等污染造成腐蝕或鏽蝕卡澀等使汽車滑動困難或卡死,提高行車安全性。此外,澳大利亞儲備銀行2016年9月在新版澳洲紙幣加入一種憑觸覺即可辨識的有效和耐用標記,除了防偽作用外,還能幫助視障者識別不同面額的鈔票,因此日後運用這種仿生微球的陣列排列方式和微粗糙度特性可作為鈔票的觸覺標識。

(以上新聞編譯自2016年3月17日發行之Bioinspiration & Biomimetics期刊等)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 
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  • 延伸閱讀:
     
    • Erichler-Volf, A., A. Kovalev, T. Wedeking, E. V. Gorb, L. Xue, C. You, J. Piehler, S. N. Gorb, and M. Steinhart. 2016. Bioinspired monolithic polymer microsphere arrays as generically anti-adhesive surfaces. Bioinspiration & Biomimetics, 11(2): 025002-1-11.
    • Gorb, E. V., M. Baum, J. Purtov, N. Jacky, S. N. Gorb, G. T. Rengarajan, A. Volf,and M. Steinhart. 2014. Tropical pitcher plant and biomimetics. Lab & More, 3: 22-26.
    • Gorb, E. V. and S. N. Gorb. 2011. The effect of surface anisotropy in the slippery zone of Nepenthes alata pitchers on beetle attachment. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2: 302-310.
    • Gorb, E. V., J. Purtov, and S. N. Gorb. 2014. Adhesion force measurements on the two wax layers of the waxy xone in Nepenthes alata pitchers. Scientific Reports, 4: 5154-1-7.
    • Gorb, E. V., M. J. Baum, and S. N. Gorb. 2013. Development and regeneration ability of the wax coverage in Nepenthes alata pitchers: a cryo-SEM approach. Scientific Reports, 3: 3078-1-6.
     
 
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