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生物活性及仿生物材料設計

人類仿蠶絲而研發出尼龍,仿羊毛觸感而研製出壓克力纖維。由模仿生物機能的設計,可解決許多人類無法突破的技術瓶頸。
 
 
 
最近在自然科學領域中,掀起了「仿生物學」的一股風潮。從某一角度來看,生物體的確具有非常理想的機能。例如,自然界中蠶和蜘蛛等動物的紡絲現象、生物皮膚功能、荷葉撥水性、人體數十年來跳動不息的心臟、幾乎不發熱的螢火蟲發光系統、超微細草履蟲的鞭毛運動等,都是周遭所見易於了解的實例。「生物科技」、「生化科技」等名詞,也是近年來在報章雜誌中經常見到的熱門詞彙。這些科技與人類模仿生物結構、機能所做的材料設計息息相關。

生物體中所發生的化學反應經常是在常溫、常壓下完成的,具有觸媒催化的高立體選擇性,如核酸化合物,亦具有傳遞遺傳資訊的優異反應性。「生物有機化學」即是探討如何將這些化學反應在實驗室中完成。此一課題已日益受到重視,而且目前也有相當的成果。「生物材料學」則是由植物及動物體中所使用的材料來探討材料進化與機能間的相關性,並進而研發出具有「新機能性」的材料。

與生物技術相關的產業正在蓬勃發展中。即使是生物科技以外的領域,大家也都憧憬著在相關生物技術的導引下,能有意想不到的技術突破。由材料學觀點來看,如今的材料研發已無法用完即丟棄,而應朝向可分解、再生的方向發展,亦即使用時需具有優越的物性,使用後卻又可簡單地分解,再回歸到土壤和大氣中。

以生物材料或天然高分子來說,使用後幾乎可完全回歸到土壤及大氣。亦即經由自然分解,可回歸到分子及原子層級再循環使用。因為生物體中存有蛋白質系高分子「酵素」,可將生物體中使用後的物質及材料作高效率的分解。

反觀由石油化學所研發的合成高分子材料,除少數外,大都無法被大自然分解。人工合成材料大多是經過精密技術與設計所合成出來的,這些反應大都屬於「單行道」,並未考慮到使用後的分解設計。目前雖已有生物分解性高分子材料的研發,但若加上可分解的要求,則合成反應的設計將較往常困難。而且,即使研發出某些可分解性高分子材料,也無法立即取代目前所有的工業化產品。雖然如此,在研發新世代高分子時,環保材料的重要性是絕對必須重視的。

以下針對生物材料的活性與機能性高分子設計的相關性,以及仿生物技術的可行性,以纖維為例作一簡單描述。

仿天然纖維及仿皮膚觸感纖維的研發

人類一向對自然界中蠶和蜘蛛等動物的紡絲現象有深厚的興趣,也一直研究如何模仿其紡絲製程及功能。這些生物所紡織的絲線,均由單純的蛋白質所構成,亦即由蛋白質的氨基酸聚合而形成高分子。其中由蠶所紡製的絹絲,因具有保暖、柔軟及美麗光澤等優點,早在絲路時期以前就已是人類廣泛使用的一種纖維。

另外,隨著高分子合成技術的進步,近年來以石油化學原料為基礎,已合成出相當多的高分子材料。其中,可與絹相匹敵的高分子材料,應屬於具有單純聚氨基酸的尼龍,及芳香族系中具有許多類似龜甲結構的卡夫拉(Kevlar)及娜美克絲(Nomex)高分子材料。這些高分子統稱為「聚醯胺纖維」,具有絕佳的機械物性及耐燃性。然而,人造聚醯胺纖維是以化學合成方法,將原料混入、經聚合反應所製得,它在技術上完全無法與天然絹相比。因為絹絲係以數種氨基酸為原料,經由核酸基因密碼的控制,使分子以特殊立體結構及立體順向方式進行聚合反應而得。

不僅如此,蠶在紡絲時以絲心蛋白,利用由絹絲腺吐出時的張力,使高分子鏈整齊地形成平面化的「β 結構」排列;而且在高分子鏈間以平面上氫鍵的作用力,形成堅固的結晶結構。

所謂 β 結構係蛋白質中 αβ 結構中的一種,很多個分子上下整齊排列,其間藉著氫鍵巧妙地結合成串,正如同摺疊衣物時的摺痕結構。當蠶在紡絹絲時,由口中吐出絲並左右拉動,此時粘稠蛋白質溶液就巧妙地配向,而形成此 β 結構。

蜘蛛絲與蠶絲雖各有用途及目的,但均具有非常優越的機械特性。它們的伸張率高達35%,而且拉張強度亦可媲美高強度的合成纖維。若要破壞這些絹絲,所需的能量可得高於破壞纜線或鋼絲線呢!

蠶的紡絲技術

人造纖維在紡絲時,一般是將聚酯及聚醯胺等高分子材料,利用各種紡絲技術製成絲線。例如,「嫘縈」以濕式紡絲法,醋酸纖維以乾式紡絲法,聚酯及聚醯胺則以熔融紡絲法來製備。然而,蠶是如何紡絲呢?當然絕非如同人類需使用大量有機溶劑,或需在極高溫的熔融狀態下操作。

日本農業生物資源研究所的馬越淳博士,曾針對蠶的紡絲機構進行研究。根據他的說法,蠶紡絲時,先使要形成絹絲的絲心蛋白在體內形成洋菜般膠狀,再以液晶態經由細管從蠶頭部的紡絲口拉出體外而形成纖維。

蠶的紡絲系統具有將膠狀蛋白質經由體內鈣離子及酸、鹼值控制使形成液狀的技術。在吐絲時,水分可急速蒸發而使纖維形成極多的微細孔洞,這些孔洞使得絹絲具有優越的吸濕性及染色性等。馬博士發現,若以每分鐘約50公分的速度將液態人造絹紡絲,則可製得具有天然絹絲強度的纖維。而蠶的紡絲速度約為每分鐘60公分,此與實驗值相符。蠶紡絲時,需以一定速度且不停地擺動頭部,方能紡製出高品質的絹絲。由技術面來看,堪稱已綜合所有紡絲技術的優點於一身,而且是常溫、常壓下的製程,真是神乎其技,令人讚嘆不已!

蠶及蜘蛛所紡製的絹絲均為聚醯胺纖維,絹絲的分子構造也大致解析出來了。絹絲所使用的氨基酸種類中,含有大量的苯胺及甘胺酸等簡單的氨基酸結構。

超越絹絲的纖維

具有如絹絲般光澤及特性,手感極佳的纖維,杜邦公司已在一九三八年以聚醯胺合成纖維成功開發並量產化。最近,日本東洋紡織公司亦有商品「西隆」問世。此係將牛乳中所分離出來的酪蛋白與壓克力系高分子結合,並添加適當溶劑紡絲而製得。它不但具有絹絲的光澤及手感,亦可防蟲,且可用洗衣機來洗滌,可謂具有超越絹絲功能的纖維。由此可知,人類正朝著合成技術的夢想一步步前進,而且已漸有成果。

具有皮膚功能及觸感的仿真皮纖維

觸覺或皮膚觸感是高等動物,尤其是人類,最重要的五種感官之一,具有非常精密的機制。在這個領域中,較值得重視的課題是研發具有生物皮膚機能的製品及材料。皮膚的結構,如下圖所示。

以吸水纖維的研發為例,平常人體中每日排出的水分約為0.9公升,夏日運動後所排出的量更為可觀。將水分有效排出體外的機制,全由皮膚所控制,因而引發對具有吸水功能的纖維的研究動機。此纖維需具備毛細現象的高吸水性,日本旭化成公司所研發的合成纖維「西貝」即為一例。這種纖維是以尼龍為基材,纖維斷面具有迴旋V形可提升吸水性。與一般合成纖維相比,天然羊毛及棉的吸水性特別高。此項產品即是模仿這些天然纖維的構形,以提升吸水性的研發成果。其他尚有多孔性壓克力纖維,及中空斷面結構聚酯纖維等產品。

另外,帝人公司也推出模仿荷葉表面結構的纖維商品「麥窟羅夫特.雷窟達斯」。此種設計可使皮膚排出的水氣排到纖維外面,又可避免雨水等水滴滲入。它是由聚酯超細及稍粗兩種尺寸的纖維所構成,係模仿荷葉及芋葉表面結構的設計。雨水中最小的水滴直徑大約在100微米以下,因此如果織布表面具有更小的凹凸面,便可具有撥水功能。雨滴無法通過纖維細孔,但皮膚所排出的水蒸氣及二氧化碳,由於比細孔更小,可順利地排出體外。這種纖維表面的撥水機制與荷葉非常類似。

在製造合成纖維時,若盡可能使用超細結構,並使微細空間中充滿空氣,就可以擁有相當不錯的保溫功能。水貂的毛即具有此類結構,由於可有效地抓住空氣,故保溫性佳。另外,設計保溫性纖維時,摻入少許具有轉換太陽能為熱能的碳化鋯粉,則可製成薄而保暖的合成纖維產品。

事實上,模仿動物毛皮結構及機能,來開發具有各種觸感的合成皮革,尚有非常寬廣的研發空間。目前市面上已有多種觸感絕佳的合成纖維製品,例如日本東洋嫘縈公司所產製的「頁庫協奴」,它是由超細纖維所製成,以具有鹿皮的柔軟觸感而聞名。它的內皮結構,與天然皮結構非常類似。

合成纖維與天然纖維

人類不斷地在纖維合成技術上努力研發,也一直成功地提升纖維的機能及特性,未來是否有可能使合成纖維超越天然纖維的特性呢?這答案或許見仁見智,但如何兼具天然纖維複雜且巧妙的結構,又能在常壓、常溫極其簡單的條件下合成,實在是技術上高難度的挑戰!

人類仿蠶絲而研發出尼龍,仿羊毛觸感而研製出壓克力纖維。然而如前所述,蠶對絹絲原材料的前處理方式,以及紡絲製程所反映在絹絲特性上的技術,目前人類的研發成果尚無法超越生物世界。但是,天然纖維所未具備的各種機能,例如感光性、導電性等,在合成纖維方面均可藉由各種合成技術而導入。未來,應針對所需的機能不斷地改善設計,甚至結合基因工程等生物科技,來開發出全新的機能材料,進一步造福人類。

(本文取材自日本國立大阪大學名譽教授竹本喜一博士的《仿生物新材料》,講談社出版。)   
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