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仿生蜻蜓翅膀應用於微流體技術

本篇介紹蜻蜓翅膀具有殺菌功效,模仿其表面奈米結構可運用於醫藥領域的手術器械或日常的食品包裝等,以黑矽為材料結合微流體技術,可擴大和延伸應用層面至微晶片上
 
 
 
仿生蜻蜓翅膀將可以黑矽(black silicon, bSi)為製造材料,應用於DNA晶片等微流體技術(microfluidics),這類微奈米結構的製造過程需要精確與嚴格控制,必須在無污染、灰塵、髒污、濕氣、或感染等的無塵環境中進行。特殊結構的殺菌應用也有潛力延伸至需要保持超級清潔、乾燥、無菌環境的手術器械、管線、或診斷工具等醫藥領域,當然也能普及日常的食品包裝。
黑矽是半導體和太陽能業界熟知的矽晶圓或矽晶片材料,原料為二氧化矽(Silicon, SiO2),經過不同製程加工後得到的產品,因為純度和功能而有不同用途,由於材料經過處理之後表面會抗反射和吸收可見光,顏色轉變成黑色,故稱為黑矽,其性能高且能量消耗低,常用來製造太陽能電池,經由黑矽表面特有的奈米結構使可吸收之太陽光譜增加及降低反射,以提高太陽能電池對太陽光的吸收率。

澳大利亞和西班牙微生物學家合作的國際研究團隊,稍早已發現蟬翼表面的奈米突起(奈米柱)可以抵抗常隨機造成人類肺炎、尿道或傷口感染的綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa),推論只要表面結構類似者應有相似效果,因此另外選用翅膀和蟬翼一樣透明的紅藍小蜻蜓(Diplacodes bipunctata)作為實驗對象。觀察發現其翅膀的奈米突起以直徑低於90奈米甚至低於30奈米的S形曲線分布,高度為240奈米,比鳴蟬翼奈米突起直徑50-70奈米的規則排列分布,高度為200奈米明顯更高、更細,可滿足更高抗菌力需求。

由於用於光電、感測、和生物醫學方面的合成奈米材料黑矽表面結構與蟬翼及蜻蜓翅膀類似,這個研究團隊2013年就曾試驗以活性離子蝕刻技術(Reactive ion etching, RIE)製出的黑矽嘗試仿生蜻蜓翅膀,結果確認黑矽的表面奈米突起直徑為20-28奈米的雙峰分布,高度為500奈米,殺菌效果與紅藍小蜻蜓類似。這項新技術能消滅存在皮膚表面及上呼吸道黏膜常引起食物中毒的金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和與炭疽桿菌(Bacillus anthracis)同屬的枯草桿菌(B. subtills)菌體和內孢子,並且在3小時的培養試驗時間內,其平均滅殺率可達每平方公分每分鐘殺死超過約45萬個細胞,滅菌量比金黃色葡萄球菌致病的最低數量高810倍,更達綠膿桿菌感染致病數量的77,400倍。

2015年曾為團隊成員的哈桑(Jafar Hasan)博士返回印度後,改用微機電常用的活性離子深蝕刻技術(Deep reactive ion etching, DRIE),以矽晶圓(silicon wafer)仿生蜻蜓翅膀表面特性,其奈米突起直徑為220奈米的極端尖峰分布,高度為4,000奈米,成功製造出具有物理性殺菌活性表面結構的「超級表面」(super surface)。奈米突起越高則細菌就越不易接觸到奈米柱底層,因此抗菌效果越好。「超級表面」的奈米突起高度約為蜻蜓翅膀表面的17倍,也較2013年試驗的黑矽高約8倍,證實具有開發應用潛力。

目前使用的微晶片如基因晶片、蛋白質晶片等生物晶片功能非常有限,其實它還可開發出生物電腦、基因與蛋白質測序、質譜和色譜等分析系統,也就是把整個實驗室包括採樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等功能,集結在微晶片上。因此未來仿生蜻蜓翅膀的黑矽「超級表面」若結合微流體技術,可擴大和延伸應用層面,但目前製造費用相對高昂。美國的研究團隊今(2016)年曾嚐試以壓克力成功的製作出仿生蟬翼表面的奈米突起,卻無法成功模擬蜻蜓翅膀,移除鑄模時常造成細小突起的斷裂,類似烤過頭的杯子蛋糕黏在未塗油的蛋糕模型內壁,故仍持續試驗在鑄模內塗上氟矽烷塗料(fluorinated silane coatings)和不同材質的鑄模,希望能以其他經濟材料量產仿生蜻蜓翅膀的可能性。

(以上新聞編譯自2013年11月26日發行之Nature communications雜誌等)

(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)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
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