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可以被海洋生物分解的新型塑膠,竟然是用纖維素、澱粉做出來的!

活躍星系核_96
・2020/11/20 ・1909字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 548 ・八年級
  • 沈培恩|渴望對科普有一點微薄貢獻的小小社畜、李怜慧

當我們提到纖維素、澱粉時,是不是會馬上想到中午便當裡的炒青菜、白飯呢?然而,今日要討論的可不是午餐菜色!現在,纖維素、澱粉化身為科學家的重要材料,並且成功藉此研發出更環保的「塑膠」。

這是來自日本大阪大學宇山浩教授團隊的研究成果,長期以來,宇山浩教授的團隊一直都致力於環保材料的研發,並在今年順利開發出以纖維素與澱粉為原料的塑膠。

想讓海洋變美麗?請把塑膠變不見

塑膠垃圾摧毀海洋生態問題日益嚴重,開發具海洋生物分解性之塑膠是未來必要的開發趨勢。圖/Pixabay

因工業發展與日常消費產生的塑膠垃圾,其難以被分解的特性,對環境造成的汙染日益嚴重,其中許多塑膠垃圾從都市或鄉村逸散,隨著雨水或河水流動,從陸地最終流入大海,無論是以塊材或是微粒的方式,它們都正在狠狠地摧毀海洋生態與環境,因此開發具生物分解性之塑膠——更精確地說,是具海洋生物分解性的塑膠——是一條勢在必行的路。

隆重歡迎塑膠界新生代——纖維素與澱粉

日本,可謂是全世界在海洋生物分解性之塑膠材料的領頭羊,除了正積極向國際標準化組織 (ISO) 等組織提案關於海洋生物分解性塑膠之標準外,相關材料的研發也正如火如荼地進行著1

到目前為止,以三菱化工生產的 PBS2 及鐘淵化工生產的 PHBH3 為首,日本的企業已開發出多樣的海洋生物分解性塑膠,然而這些材料目前仍因突破不了產量低及價格高等難關,在普及方面尚無法有更進一步的發展。

宇山浩教授領導的研究團隊看見了纖維素與澱粉這兩種天然材料在海洋生物分解性塑膠領域的潛力,便致力於相關開發,並於今年順利以纖維素與澱粉為原料,開發出具海洋生物分解性之塑膠4

剛中帶柔~高強度卻又容易破洞的塑膠

澱粉價格低廉且具生物分解性,但由於耐水性不佳的關係,在過往綠色塑膠材料的研究裡並不太廣泛地被應用。此次,宇山浩教授的團隊順利透過同為醣類的纖維素,與澱粉相互強化,製備出透明且具高強度之塑膠,為澱粉在生物分解材料的應用上開啟了新的篇章。

事前,宇山浩教授團隊將 TEMPO 氧化之纖維素註1 與澱粉進行反應,使纖維素與澱粉間產生大量的鍵結,所得到的塑膠膜在外觀上非常透明,與纖維素之衍生物不透明的外觀在直覺上相去甚遠(圖 1)。

圖 1 利用纖維素與澱粉合成的塑膠膜的外觀。
圖/大阪大學宇山浩教授提供

另外,在強度方面,宇山浩教授團隊所開發的塑膠膜具有非常好的機械強度 (mechanical strength) ,在拉伸測試中它可承受的應力比一般塑膠高出 2 倍,比較不容易被破壞。 此外,該材料具有不同於其成分澱粉的良好耐水性,在水中浸潤後仍能維持良好的機械性質。

除了良好的機械性質外,當它在海水中浸潤一個月後,會產生許多孔洞,並有大量的細菌附著,說明了此材料也具備了良好的海洋生物分解性(圖 2)。[4, 5]

圖 2 分解時材料內部產生之孔洞,有利於分解的進展。
圖/大阪大學宇山浩教授提供

未來塑膠,取用自然,回歸自然

纖維素與澱粉皆為非常容易取得且價格低廉的天然材料,其中纖維素更能由稻稈等農業廢棄物取得,間接地促成了廢物再利用,也能夠減少燃燒農業廢棄物可能產生之溫室氣體,再加上材料製造過程簡單,可謂是從源頭、製成到產品皆對環境永續有極大貢獻之綠色材料。

目前,宇山浩教授的研究團隊正與企業合作,積極地開發該材料的工業化製程,以量產為目標邁進,期許在未來的某天,能夠取用於自然,再讓它回歸自然,不影響生物活動空間與生存權利,讓塑膠垃圾能不再是海洋生物或環境的生存殺手。

註解

  1. 使用化學物質 TEMPO 將纖維素的羫基氧化,氧化後,就能夠與澱粉的羫基反應,並產生鍵結的醛基。

參考資料

  1. 海洋生物分解性塑膠之標準化之推動
    https://www.meti.go.jp/press/2019/07/20190722003/20190722003.html
  2. PBS (三菱化工)
    https://www.m-chemical.co.jp/products/departments/mcc/sustainable/product/1200364_7166.html
  3. PHBH (鐘淵化工)
    https://www.kaneka.co.jp/business/material/nbd_001.html
  4. Soni, R., Asoh, T. A., & Uyama, H. (2020). Cellulose nanofiber reinforced starch membrane with high mechanical strength and durability in water. Carbohydrate Polymers, 116203.
  5. Soni, R., Asoh, T. A., Hsu, Y. I., Shimamura, M., & Uyama, H. (2020). Effect of starch retrogradation on wet strength and durability of cellulose nanofiber reinforced starch film. Polymer Degradation and Stability, 109165.

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》