奈米生物膠的媚力－從愛心出發

大自然奧妙之奈米生物膠

蚊子可以像蒼蠅般緊貼牆壁或窗戶，也能像水黽(pond skater)般在水面趴趴走。雖然昆蟲學家老早就知道蚊子的這項特異功能，但並不很清楚箇中的緣由。最近，中國物理學家對蚊腿進行實驗，發現蚊子的水上漂輕功甚至強過水黽！

科學家知道水黽的腿上特殊的奈米結構能捉住一包包的空氣，使腿不會打濕，因此水黽能靠水的表面張力漂在水面上。蒼蠅則擅長利用腳上的爪或是能產生吸引力的短毛，來附著在垂直或顛倒的光滑表面。為了探討蚊子是否利用類似水黽的奈米結構在水上漂浮，大連科技大學的Chengwei Wu等人以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察當地蚊子長5至7 mm的六隻腳，結果發現除了用來攀附表面的腳爪外，蚊腳還覆蓋大量的鱗片，鱗片上綴有六至十二道厚約200 nm、呈隨意分佈的脊，而脊與脊之間則以許多厚100 nm的肋條相連。

Wu等人認為脊與肋條造成的間隙具有水黽般儲存空氣的效果，使蚊腳保持浮在水面之上。為了檢驗這項推猜測，他們將一隻分蚊腳接上可移動的鋼針，並置於盛了水的容器上，容器則放在天平之上。接著他們模擬蚊子降落水面時的角度，將蚊腳傾斜30°壓向水面，結果發現蚊腳可以抵抗高達600 μN之力才會沒入水面，此力大小約為蚊子體重的23倍！相形之下，水黽的腿只能提供其體重15倍的力，而一般蒼蠅則僅夠支撐自身的體重。因此研究人員認為這種更細緻的拒水性奈米結構能在蚊子著水時，提供更高的穩定性。

為了釐清上述作用不是因為密度低而浮力較大所致，Wu等人也做了蚊腿方向鉛直的實驗，這個角度的蚊腿無法捕捉空氣，而實驗結果一如預期，抵抗力驟降了約50倍。詳見Physical Review E 76, 017301 (2007)。

黏性可以開啟或關閉嗎？

壁虎貽貝膠(”Geckel” glue)近來成為大眾注目的對象，不過別光看它的奈米級黏性。英國及德國科學家研發出ㄧ種製作容易又可以切換(switchable)的黏膠配方，可望應用在投藥系統(drug-delivery systems)、奈米促動器(nano-actuators)甚至於洗髮精中。

雪菲爾大學高分子中心的Mark Geoghegan表示，他們的新技術非常簡單，而且可以控制黏著性的產生與否，還可以輕易擴大可切換黏膠的面積。該系統主要是由聚合膠(polymeric gel)及20 nm厚的刷狀層(brush layer)組成，前者是將長條形單體置入含觸媒的溶液中，經由交鏈作用(cross link)而形成，後者的製作較為複雜，合成過程牽涉到原子轉移自由基聚合反應(atom transfer radical polymerization)。換言之，先以化學方法進行表面改質，然後在溶液中加入單體、觸媒以及配位基(ligand)並加以攪拌，如此可使刷狀高分子層在矽基板上成長。

研究人員發現施力將聚合膠及覆有刷狀層的表面壓在一起時，粘性會增加。在低壓力下，黏著只發生在界面之間，然而在高壓力下，刷毛可能會陷在膠的網眼中，類似維可牢(Velcro，即俗稱的魔鬼氈)的情形。

由於此系統處理的是帶電高分子或聚電解質(polyelectrolytes)，因此改變pH值可以”開啟”或”關閉”黏性。當pH值為2時，黏膠會損失電子及伴隨的庫侖吸引力，導致黏性消失。研究人員主張將此技術應用在流體系統中，透過pH值來控制閘門的相互吸附或分離，來達成管道的開啟或關閉。相關應用包括以電解質刷做為奈米致動器，藥物投遞則是另一種應用，例如欲投送至結腸的藥物必須先通過酸性的胃，然後在不同pH值的環境中釋放藥物，可切換黏膠提供了另一種選項。

該小組計畫改進並了解這項技術，例如將目前終止黏性所需的pH值1-2提高一點，他們也將探討不同鍵結機制所扮演的角色為何，以便進一步掌握這項技術。詳見近期的Angewandte Chemie。

美國科學家製造出一種結合壁虎(gecko)及貽貝(mussel，俗稱淡菜)黏著特性的新型膠黏劑(adhesive)。不像以往的壁虎膠只適用於乾燥表面，這種新型的壁虎貽貝膠(geckel glue)乾濕表面都通用，而且還能重覆使用一千次以上，因此可望有許多醫學上的應用，例如防水繃帶(water-resistant bandages)、護創膠布(band-aids)、投藥貼片(drug delivery patches)，以及用來修復皮膚創傷，甚至做為乾濕兩用便利貼(sticky note)。另外，它也可以用來膠著水中載具或機器人，或協助潛水者暫時附著在某個表面上。 ...