庫里生日│ 科學史上的今天：8/22

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

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《通常無感卻很致命的主動脈瘤，微創主動脈支架手術治療解析》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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請問什麼是主動脈瘤？

陳紹緯醫師：主動脈瘤並不是我們傳統認知的惡性腫瘤，並不會造成遠端轉移，也不是什麼不治之症。主動脈瘤指的就是血管異常的膨大。一般而言，主動脈瘤的定義是大於5公分。根據不同的位置，包括了升主動脈、主動脈弓、降主動脈以及腹主動脈，不同的位置會有不同的治療條件。主動脈瘤如果及早發現，一般治療效果都相當的好。但是如果拖到了主動脈破裂，手術風險就相當的高。

請問主動脈瘤的危險因子為何？

陳紹緯醫師：常見的主動脈瘤危險因子包括了年紀，年紀越大的人越容易發生主動脈瘤。此外，抽菸、家族病史以及高血脂，都有可能增加主動脈瘤的風險。

請問主動脈瘤該如何治療？

陳紹緯醫師：根據主動脈瘤不同的位置，會決定它不同的治療方式。絕大多數的病人都可以利用主動脈支架微創手術來進行治療。但是升主動脈瘤由於靠近心臟，主動脈支架並不適合治療，必須藉由傳統開胸心臟手術來治療升主動脈瘤。

請問開放式手術有哪些優點？

陳紹緯醫師：如果主動脈瘤發生在主動脈根部、升主動脈這些位置，目前都只能以傳統的開放式手術進行。此外，開放式手術最大的好處是一勞永逸。我們在手術中將病灶主動脈瘤切除，並植入新的人工血管，長期的結果相當可靠。

請問主動脈支架手術有何優點？

陳紹緯醫師：絕大多數的病人可以藉由腹股溝打針、穿刺的方式進行手術，沒有任何手術切口。在先進的影像導引系統定位之下，我們將主動脈支架置放於病灶。主動脈支架撐開之後會將血液導流，使血液不會進入主動脈瘤，因此主動脈瘤會逐漸萎縮甚至消失。主動脈支架手術最大的好處就是微創、低侵襲性。傳統開放式手術由於傷口較大，恢復較慢，會有出血性的危險。藉由支架手術，可以大幅降低手術的死亡風險以及出血的風險。

請問主動脈支架手術可能出現哪些併發症？

陳紹緯醫師：主動脈支架手術雖然微創、低侵襲性，可以有效降低手術的風險。然而主動脈瘤的治療長期效果還是需要詳細的追蹤。有10％到20％的病人，在長期追蹤中會發生主動脈支架移位、主動脈支架滲漏的問題，有可能需要經過二次手術再次治療。部分的病人，在反覆治療之後仍然沒有辦法有效解決，最後必須以開放式手術來進行。

請問主動脈支架手術有哪些新的進展？

陳紹緯醫師：目前有一些新的技術可以輔助讓主動脈支架手術更安全，效果更理想。
首先是藉由先進的影像系統，在混成手術室中執行這項手術，可以達到更精準的定位，來降低側漏以及主動脈支架移位的併發症。傳統主動脈支架手術在鼠蹊部仍然必須要有手術切口，鼠蹊部的手術切口常常會有感染以及淋巴滲液的併發症。可以藉由新技術血管縫合釘，在沒有傷口、打針穿刺的狀況下，就可以完整地進行主動脈支架手術。主動脈支架手術最大的併發症就是主動脈支架出現滲漏或者是位移的風險。近年來，研發出新型的技術——主動脈支架錨釘。藉由錨釘的固定，可以將主動脈支架有效地固定在主動脈，降低位移以及滲漏的風險。

請問什麼是胸主動脈分支支架？

陳紹緯醫師：主動脈瘤的治療最困難的位置就是在主動脈弓。由於主動脈弓解剖構造複雜，主動脈支架常常難以有效地應用。新型的主動脈分支支架可以有效解決主動脈弓主動脈瘤的問題。藉由先進的新型支架，可以將腦部的血管藉由分支支架灌流。在部分的病人可以免除開胸的危險性，採用微創主動脈支架就能解決所有的主動脈瘤病灶。

陳紹緯醫師：在十年前，一位八十多歲的老先生因為主動脈瘤破裂、休克，緊急送醫。當時我們採用緊急手術，進行開胸主動脈置換手術，將升主動脈置換，挽救病人生命。
經過10年之後，後端的主動脈弓又出現新的主動脈瘤。病人已經90多歲，不適合再用傳統開放式手術。我們採用新型的胸主動脈分支支架來進行治療，讓病人免除心臟停止、開胸，以及降低出血的風險，得到良好的治療。

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• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《主動脈瓣狹窄恐猝死！心臟外科醫師治療解析》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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提問：請問主動脈瓣狹窄可能出現哪些症狀？

陳紹緯醫師：主動脈瓣狹窄大部分的原因，是老化造成心臟瓣膜打不開，如果心臟瓣膜打不開，心臟的血液就沒有辦法有效送到全身，血液沒有辦法送到全身之後，可能會有心臟衰竭的症狀。血液無法送到心臟的冠狀動脈，病人會有胸悶的症狀，有的病人會昏倒，甚至猝死來作為表現。

提問：請問主動脈瓣狹窄該如何治療？

陳紹緯醫師：主動脈瓣狹窄經過心臟超音波確認為重度之後，病人如果有症狀，建議儘速治療。 如果沒有得到治療，病人一般的壽命平均約兩年左右。目前治療的方式主要分為兩大類，第一類是傳統開胸心臟手術，第二類是微創經導管瓣膜置換手術。

提問：請問傳統主動脈瓣置換手術有何優點？

陳紹緯醫師：傳統主動脈瓣置換手術的進行方式如下，首先必須將病人的胸骨打開，建立人工心肺機體外循環，暫時取代心臟的功能，再將心臟打開，舊的主動脈瓣切除，再植入新的人工瓣膜，之後，我們再脫離人工心肺機，完成整個手術。此項手術已經有多年的歷史及經驗，目前長期手術的結果都相當良好，大部分的病人也可以在低風險的狀況下完成外科主動脈瓣置換手術。

提問：請問經導管主動脈瓣置換術有何優點？

陳紹緯醫師：藉由先進的科技，我們將瓣膜壓縮在導管裡面。首先，病人大部分可以藉由局部麻醉的方式，以打針方式進行。藉由先進的影像系統定位，我們將瓣膜置換於原先退化的病灶，將其撐開之後將瓣膜植入。由於心臟不用停止，沒有傷口，病人恢復比較快，也可以有效降低高風險病人的手術危險。

提問：請問什麼是兩瓣型主動脈瓣？

陳紹緯醫師：主動脈瓣狹窄好發的病人，原則上分為兩大族群。第一類是屬於老年族群，這群病人就是由於年紀到了，瓣膜使用的年限已到，而老化、鈣化造成狹窄，通常病人八、九十歲。這一類的病人執行經導管主動脈瓣置換手術，對於病人可以降低風險，也可以得到比較好的恢復。另外一類的病人他的瓣膜是先天性就有一些異常，正常的主動脈瓣有三片瓣葉，然而有1%到2%的病人，先天性瓣葉就少了一片，在兩個瓣葉的狀況下，這些病人的瓣膜會提早退化，大部分的病人會在50歲到60歲之間就發病，這類病人由於發病時間較早，一般我們會建議傳統的外科瓣膜置換手術。原因之一，是因為這些瓣膜置換手術完的病人，他能用外科瓣膜得到比較好的長期耐用性。第二，這些病人常常在主動脈上會有一些病灶，包括了主動脈瘤，在一次手術中可以進行主動脈瓣置換以及主動脈瘤的修補。

提問：請問人工瓣膜有哪些種類？

陳紹緯醫師：原則上分為兩大類，第一類是金屬瓣膜，第二類是生物瓣膜。金屬瓣膜的好處就是它相當耐用，它的問題主要是因為這個金屬的材質放在人體內會容易產生血栓，所以病人必須要終身服用抗凝血劑。第二類型是生物瓣膜，生物瓣膜有不同的材質，包括了牛的瓣膜或是豬的瓣膜，它的好處是使用這類的瓣膜不用終身服用抗凝血劑，它的壞處是這些瓣膜由於是動物組織做成的，放在體內會容易排斥，造成退化，一般視材質的不同，10年到20年可能要再次進行手術。

提問：請問什麼是經導管瓣中瓣手術？

陳紹緯醫師：生物瓣一般會有使用年限，正常的使用下在10年、20年之後這個生物瓣膜的材質會退化。我們可以利用外面的金屬框架植入經導管瓣膜，這樣的手術可以在局部麻醉、不插管的狀況下執行。我們藉由鼠蹊部的傷口打針的方式，將瓣膜運送進原來退化的生物瓣膜內，將生物瓣膜撐開，再植入一個新的導管瓣膜。藉由心臟不停止沒有傷口的方式下，對病人進行二次手術，可以有效降低手術的風險以及增進手術後的恢復。

陳紹緯醫師：主動脈瓣狹窄經過心臟超音波確認為重度之後，病人如果有症狀，建議儘速治療。原則上身體狀況較佳、年紀較輕的病人，建議傳統外科瓣膜置換手術，可以得到較佳的長期結果，也可以將其他疾病在同一次手術中一起處理。經導管瓣膜置換手術適用於高齡、高風險病人，可以藉由新技術來降低手術風險，增進手術後的恢復。建議病人和主治醫師做詳細的討論，根據病人自身的病情，選擇最適合的治療方式。

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