在桃莉羊之後：複製猴，生日快樂！

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

現代醫學研發出器官移植的技術，但是材料卻遠不足夠，等待捐贈器官的病患大排長龍，大多數人一生都等不到。人類是動物，器官是肉做的，其他動物也是，那麼何不借其他動物的器官一用？

缺乏移植器官，借豬的一用

將其他生物的組織、器官，移植到人類身上，有個酷炫的名詞「Xenotransplantation」，翻譯作「異種器官移植」。豬是已知各種動物中，最適合作為人類器官的來源，然而要將豬的器官，如心臟移植進人體，仍有重重難關有待克服，目前還沒有成功案例。

異種器官移植至少有三大潛在問題。第一，免疫排斥。以豬舉例，儘管豬已經是最適合的移植對象，但畢竟人豬殊途；將豬的器官移植進人體後，人類免疫系統會將其視為外來者（也真的是外來者）攻打，導致手術失敗。第二，生理不相容。也就是豬的器官，無法在人體順利運轉。[1]

• 延伸閱讀：動物器官移植到人身上，異種移植可行嗎？

靠著基因改造豬與藥物控制，以上兩個問題，都已達到相當程度的改善。而最近發表在《Science》期刊的論文，則是針對另一個問題，有了令人振奮的進展。異種器官移植的第三個潛在問題是：豬病毒感染。[2]

住在基因組中的古老病毒

等等，這問題很好解決吧！假如豬帶有病毒，那麼只要讓等待供應器官的豬，從胚胎開始就養在無菌環境中，不就能避免牠們長大以後，將病毒傳染給人類嗎？

問題當然沒有這麼簡單，別誤會，這裡的「豬病毒」不是住在豬身體內的病毒，而是躲在豬的基因組中，以 DNA 序列方式存在的內源性反轉錄病毒（porcine endogenous retrovirus，縮寫為 PERV）。這些病毒就是豬本身的遺傳序列，不可能直接外加藥物消滅。

事實上，人類跟豬一樣，基因組中也存在不少這類病毒。在人類的演化歷史上，基因組不斷更替，曾有許許多多外來的轉位子（transposon）插入我們祖先的 DNA 序列，也順便引進不少病毒，後來成為基因組的一部份。（人類基因組廣義看來，共超過 40% 是由各式轉位子所引進，來自病毒的只占相對比例，很低的一小部分）

經過長期的演化淘汰，能在基因組中留存下來的病毒，都成為「內源性」的病毒，屬於跟隨細胞正常複製程序的固定成員，絕大部分時候安份守己。我們的免疫系統，除了抵抗外來的入侵者以外，另一重要任務，正是防範這些原本的病毒遺傳物質，哪時候又掙脫枷鎖，跑出來作亂。

人的基因組中，有人的內源性反轉錄病毒，我們的遺傳與免疫體系可以壓制它們。豬的基因組中也有豬的內源病毒，它們在豬的體內受豬控制，當然對豬不成問題，然而，假如把豬的器官移植給人類，豬的病毒在陌生的人體環境中，很可能成為擺脫拘束器的殺人狂魔。（反過來說，把人類器官移植給豬，應該也會發生類似的事，不過此一狀況大概沒有機會上演）

豬的內源病毒會傳染給人

怎麼解決？既然病毒就是豬基因組的一部份，不可能以外加藥物處理，那麼只能直接編輯豬的基因組，先把 PERV 序列消滅。

不過，目前仍缺乏將豬器官移植給人的資訊，豬的病毒在人體作亂，想來儘管嚴重，卻純屬假說，真的值得大費周章去改造 DNA 培養基改豬嗎？新發表的論文，首先進行了一系列實驗，證實 PERV 的病毒危機並非危言聳聽。

豬的內源性反轉錄病毒可分為三種：PERV-A、PERV-B、PERV-C，在豬的基因組中合計有 62 個之多。將源自豬的 PK15 細胞株，與來自人類的 HEK293T 細胞株一起培養，過了很多代以後，人類細胞的基因組中也能偵測到 PERV（有 A 有 B，沒有 C），而且數目隨代數增加愈來愈多，證實 PERV 確實有能力由豬的細胞向人入侵。

為了測試 PERV 在人體的轉移能力，實驗團隊接著將受到 PERV 感染的人類細胞株，與新的人類細胞株共同培養。結果是，即使從未接觸過豬的細胞，只要樣本中存在來自豬的 PERV，它仍然能傳播給新的人類細胞。

儘管以上只是非常簡單的體外測試，與免疫系統存在、複雜的人體環境大不相同，不過仍足以證明跨物種的豬病毒感染，是器官移植時不可忽視的風險。畢竟，移植時為了降低排斥反應，勢必會先用藥物抑制人體的免疫作用，這正是病毒轉移的良機。

器官移植新希望－沒有內源病毒的豬寶寶

靠著近來當紅的基因編輯工具 CRISPR-Cas9，研究團隊之前已經成功消滅過豬細胞株的 PERV 序列 [3]。不過，假如目的是器官移植，那麼就要改造豬的初級胚胎纖維母細胞（primary procine fetal fibroblast，這邊用的型號稱作 FFF3），才能培育長大後用於移植的個體。

FFF3 細胞的基因組上，共有 25 處活躍的 PERV，都是需要以 Cas9 精準打擊、根除的目標。兩款 gRNA 被用於導引 Cas9 前往攻擊，然而初步結果顯示，戰況非常慘烈；看起來，大規模同時攻擊基因組上的許多部位，會使得自我毀滅機制啟動，細胞被改造成功，然後它就死掉了。

像最後一戰（Halo）士官長般如此強悍，經歷全身改造後仍活跳跳的細胞，畢竟極為少數。為了克服此一問題，研究者調配了「雞尾酒」一起餵食細胞，也就是在基因改造同時，再加上p53 inhibitor、pifithrin alpha （PFTa）、basic fibroblast growth factor （bFGF），讓受到劇烈衝擊的細胞能繼續活著，不要想不開自殺。

修正後的作法非常成功，研究團隊終於獲得基因組不含 PERV 的乾淨 FFF3。靠著千辛萬苦後得到的細胞，如今已經培育出 15 位不會表現 PERV 的健康小豬寶寶，直到論文發表之際，最老的已長到 4 個月大。

將豬的器官移植給人，目前離那一天仍為時尚早。不過這回的基因改造豬仍是又一大突破，讓我們離目標更進一步，也讓學界有了更多信心。[4]另一方面論文也指出，採用 CRISPR-Cas9 進行基因改造的同時，搭配這回的反自殺雞尾酒配方，能十分有效地強化編輯效率，增加成功率，未來或許有很寬廣的發展空間。

參考文獻：

1. Advances in organ transplant from pigs

2. Niu, D., Wei, H. J., Lin, L., George, H., Wang, T., Lee, I. H., … & Lesha, E. (2017). Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs using CRISPR-Cas9. Science, 357(6357), 1303-1307.

3. Yang, L., Güell, M., Niu, D., George, H., Lesha, E., Grishin, D., … & Cortazio, R. (2015). Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science, 350(6264), 1101-1104.4.
4. Scientists grow bullish on pig-to-human transplants

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。