仿生蜻蜓翅膀应用于微流体技术

仿生蜻蜓翅膀将可以黑硅(black silicon, bSi)为製造材料,应用于DNA晶片等微流体技术(microfluidics),这类微奈米结构的製造过程需要精确与严格控制,必须在无污染、灰尘、髒污、湿气、或感染等的无尘环境中进行。特殊结构的杀菌应用也有潜力延伸至需要保持超级清洁、乾燥、无菌环境的手术器械、管线、或诊断工具等医药领域,当然也能普及日常的食品包装
黑硅是半导体太阳能业界熟知的硅晶圆或硅晶片材料,原料为二氧化硅(Silicon, SiO2),经过不同製程加工后得到的产品,因为纯度和功能而有不同用途,由于材料经过处理之后表面会抗反射和吸收可见光,颜色转变成黑色,故称为黑硅,其性能高且能量消耗低,常用来製造太阳能电池,经由黑硅表面特有的奈米结构使可吸收之太阳光谱增加及降低反射,以提高太阳能电池对太阳光的吸收率。

澳大利亚和西班牙微生物家合作的国际研究团队,稍早已发现蝉翼表面的奈米突起(奈米柱)可以抵抗常随机造成人类肺炎、尿道或伤口感染绿脓桿菌Pseudomonas aeruginosa),推论只要表面结构类似者应有相似效果,因此另外选用翅膀和蝉翼一样透明的红蓝小蜻蜓(Diplacodes bipunctata)作为实验对象。观察发现其翅膀的奈米突起以直径低于90奈米甚至低于30奈米S形曲线分布,高度为240奈米,比鸣蝉翼奈米突起直径50-70奈米的规则排列分布,高度为200奈米明显更高、更细,可满足更高抗菌力需求。

由于用于光电、感测、和生物医学方面的合成奈米材料黑硅表面结构与蝉翼及蜻蜓翅膀类似,这个研究团队2013年就曾试验以活性离子蚀刻技术(Reactive ion etching, RIE)製出的黑硅尝试仿生蜻蜓翅膀,结果确认黑硅的表面奈米突起直径为20-28奈米双峰分布,高度为500奈米,杀菌效果与红蓝小蜻蜓类似。这项新技术能消灭存在皮肤表面及上呼吸道黏膜常引起食物中毒的金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus)和与炭疽桿菌(Bacillus anthracis)同属的枯草桿菌(B. subtills)菌体和内孢子,并且在3小时的培养试验时间内,其平均灭杀率可达每平方公分每分钟杀死超过约45万个细胞,灭菌量比金黄色葡萄球菌致病的最低数量高810倍,更达綠脓桿菌感染致病數量的77,400倍。

2015年曾为团队成员的哈桑(Jafar Hasan)博士返回印度后,改用微机电常用的活性离子深蚀刻技术(Deep reactive ion etching, DRIE),以硅晶圆(silicon wafer)仿生蜻蜓翅膀表面特性,其奈米突起直径为220奈米的极端尖峰分布,高度为4,000奈米,成功製造出具有物理性杀菌活性表面结构的「超级表面」(super surface)。奈米突起越高则细菌就越不易接触到奈米柱底层,因此抗菌效果越好。「超级表面」的奈米突起高度约为蜻蜓翅膀表面的17倍,也较2013年试验的黑硅高约8倍,证实具有开发应用潜力。

目前使用的微晶片如基因晶片、蛋白质晶片等生物晶片功能非常有限,其实它还可开发出生物基因蛋白质测序、质谱和色谱等分析系统,也就是把整个实验室包括採样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等功能,集结在微晶片上。因此未来仿生蜻蜓翅膀的黑硅「超级表面」若结合微流体技术,可扩大和延伸应用层面,但目前製造费用相对高昂。美国的研究团队今(2016)年曾嚐试以压克力成功的製作出仿生蝉翼表面的奈米突起,却无法成功模拟蜻蜓翅膀,移除铸模时常造成细小突起的断裂,类似烤过头的杯子蛋糕黏在未涂油的蛋糕模型内壁,故仍持续试验在铸模内涂上氟硅烷涂料(fluorinated silane coatings)和不同材质的铸模,希望能以其他经济材料量产仿生蜻蜓翅膀的可能性。

(以上新闻编译自2013年11月26日发行之Nature communications杂誌等)

(本文由科技部补助「向大自然借镜:生物行为的科学解密」执行团队撰稿)

责任编辑:欧阳盛芝/国立台湾博物馆
审校:欧阳盛芝/国立台湾博物馆

日期:2016/11/1

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