在桃莉羊之後：複製猴，生日快樂！

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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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。