矽奈米薄膜開創指尖電子學

本文與  益福生醫 合作，泛科學企劃執行

昨晚，你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎？這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾，甚至在腦海中數了幾百隻羊，大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程，讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇：你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠，我們得先認識身體的一套精密防衛系統：下視丘-垂體-腎上腺軸（HPA axis） 。這套系統原本是演化給我們的禮物，讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時，能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動，腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙)，這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性，讓我們在危機中保持清醒 。

然而，現代人的「劍齒虎」不再是野獸，而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說，身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

在理想的狀態下，人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後，身體會進入「修復模式」，此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點，讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素（Melatonin）接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號，它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素（Orexin）神經元，幫助大腦順利關閉覺醒開關。

然而，當壓力介入時，這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出，長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化，使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌，更會讓食慾素在深夜裡持續活化，強迫大腦維持在「高覺醒狀態（Hyperarousal）」。 這種令人崩潰的狀態就是，明明你已經累到不行，但大腦卻像停不下來的發電機！

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升，而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸，分泌更多皮質醇來試圖消炎，高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期（REM），導致睡眠品質變得低弱又破碎，最終形成「壓力－發炎－失眠」的惡行循環。也就是說，你不是在跟睡眠上的意志力作對，而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關：PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局，科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系：腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路，這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」，而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便，更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話，直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」（Psychobiotics）。

在眾多研究菌株中，發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發，累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」（First Night Effect, FNE），也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難，俗稱認床。科學家在進行實驗時發現，補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期（NREM）的睡眠長度，且入睡更快，起床後也更容易清醒。更重要的是，不同於常見的藥物助眠手段（如抗組織胺藥物 DIPH）容易造成快速動眼期（REM）剝奪或導致睡眠破碎化，PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力，它能有效縮短入睡所需的時間，並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現，即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理（Heat-treated），轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」（Postbiotics），其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點，讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中，科學家觀察到一個耐人尋味的現象：當詢問受試者的主觀感受時，往往會遇到強大的「安慰劑效應」，無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人，主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相，讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而，客觀的生理數據（Biomarkers）卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後，實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人（84.6%）出現了夜間褪黑激素分泌增加，且壓力荷爾蒙（皮質醇）顯著下降，這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統，而不僅僅是心理安慰。

最值得關注的是，對於那些失眠指數較高（ISI ≧ 8）的族群，這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後，不僅生理標記改善，連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間，以及焦慮感也出現了顯著的進步。

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重新定義深層睡眠：構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息，而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠，關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石，始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境，到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統，並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現，身體便能更順暢地啟動睡眠開關，回歸自然的運作節律。

與其將失眠視為意志力的抗爭，不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持，每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始，為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《生命倒數！重度主動脈瓣狹窄不能拖，標準開胸手術與經導管主動脈瓣置換手術解析，心臟血管外科醫師圖文懶人包》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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主動脈瓣狹窄若引發胸悶、暈厥，宛如啟動生命倒數！醫師解析傳統開胸與「經導管主動脈瓣置換」的差異，高齡或高風險患者可透過免開胸的微創手術大幅降低風險，安全續命。

「有位洗腎的老太太，曾經因為主動脈瓣狹窄接受瓣膜置換手術，當時是使用組織瓣膜。」林口長庚醫院心臟血管外科主任陳紹緯教授表示，「經過多年後，上次手術使用的豬心組織瓣膜逐漸退化，讓患者漸漸出現心臟衰竭的症狀。」

由於患者的身體狀況較差，再次接受外科開心手術的風險較高，讓家屬相當憂心。陳紹緯教授說，因為患者高齡高風險二次手術風險高，所以在經過詳細全身檢查後，申請健保給付進行「經導管主動脈瓣瓣中瓣置換手術」。

經導管主動脈瓣瓣中瓣置換手術的優點是不需開胸、心臟不停止，可以大幅降低手術風險。陳紹緯教授說，術後患者順利恢復，目前仍在門診追蹤治療。

主動脈瓣狹窄是指主動脈瓣因老化或病變而無法正常開啟，導致左心室的血液無法有效輸送至全身。陳紹緯教授指出，由於血液供應不足，可能造成胸悶、胸痛、頭暈、暈厥、呼吸困難等症狀，嚴重恐造成猝死。

主動脈瓣狹窄初期通常沒有明顯症狀，一旦出現胸痛、昏厥或心衰竭等表現，便如同啟動了倒數計時器。根據統計，出現胸痛後，患者的平均存活時間約5年；出現昏厥後，約為3年；出現心衰竭後，約為2年。

陳紹緯教授強調，當心臟超音波確認為重度主動脈瓣狹窄且病人已有症狀時，建議儘速接受治療，千萬不可拖延！

此外，陳紹緯教授指出2025年更新的歐洲心臟學會瓣膜疾病治療指引建議即使無症狀，若超音波確認為主動脈瓣狹窄極重度，或狹窄快速惡化，或心臟已有受損跡象也建議早期治療。

主動脈瓣膜置換手術才能根本解決問題

唯有透過主動脈瓣膜置換手術，才能從根本解決主動脈瓣狹窄的問題。陳紹緯教授說，標準開胸手術會利用人工心肺機暫時取代心臟功能，接著打開心臟、切除病變的主動脈瓣，並植入人工瓣膜。

外科開心手術是歷史悠久、技術成熟的手術，長期結果良好，亦可同時處理其他心血管病灶（如主動脈瘤），適合身體狀況佳、年紀較輕的病人。陳紹緯教授指出，特別是先天性二瓣型主動脈病人，因大部發病年紀較輕，瓣膜鈣化嚴重不規則，且常伴隨主動脈瘤，目前歐美心臟學會治療指引均建議優先使用外科主動脈瓣膜置換手術，近期臨床試驗也顯示在這個族群，長期結果外科手術優於導管瓣膜手術。

人工瓣膜主要分為「機械瓣膜」與「組織瓣膜」，機械瓣膜又稱金屬瓣膜，優點是使用年限長，不過患者須要終生服用抗凝血劑。陳紹緯教授解釋，組織瓣膜又稱生物瓣膜，主要有牛心組織瓣膜與豬心組織瓣膜，牛瓣膜具有較大的有效開口面積（EOA），血液流動效率較佳，且平均使用年限較長。接受組織瓣膜的患者不必因為瓣膜因素而長期用抗凝血劑，可避免藥物相關風險，幫助維持生活品質。

經導管主動脈瓣「瓣中瓣置換手術」解析

組織瓣膜的使用年限較機械瓣膜短，在經過多年後，可能需要再次接受瓣膜置換手術。陳紹緯教授說，第一次瓣膜置換手術時選擇的生物瓣膜很重要，歐美先進國家一般都使用新一代牛心組織瓣膜，使用年限相較豬心瓣膜更長，而患者在人工瓣膜退化後，若因高齡高風險需透過「經導管主動脈瓣瓣中瓣置換手術」來置換新的人工瓣膜，牛心組織瓣膜因開口較大，效果也較佳。

經導管主動脈瓣瓣中瓣置換手術是由鼠蹊部股動脈置入導管，在先進影像系統的導引下延伸至主動脈瓣的位置，然後展開新的經導管主動脈瓣。陳紹緯教授說，經導管主動脈瓣置換手術的優點是可在局部麻醉、不插管的狀況下進行。由於不需開胸、心臟不停止，能夠有效降低手術風險，且恢復期較短。

瓣中瓣置換手術是將新的人工瓣膜放入舊的人工瓣膜中，因此原本的人工瓣膜若是具有較大開口的牛心組織瓣膜，效果會較為理想。陳紹緯教授說，人工瓣膜的選擇需要完善的規劃，在手術前請與醫師詳細討論，綜合評估，共同選擇合適的人工瓣膜！

筆記重點整理

● 主動脈瓣狹窄是指主動脈瓣因老化或病變而無法正常開啟，導致左心室的血液無法有效輸送至全身。由於血液供應不足，可能造成胸悶、胸痛、頭暈、暈厥、呼吸困難等症狀，嚴重恐造成猝死。

● 唯有透過主動脈瓣膜置換手術，才能從根本解決主動脈瓣狹窄的問題。外科開心手術是歷史悠久、技術成熟的手術，長期結果良好，亦可同時處理其他心血管病灶（如主動脈瘤），適合身體狀況佳、年紀較輕的病人。特別是先天性二瓣型主動脈病人，因大部發病年紀較輕，瓣膜鈣化嚴重不規則，且常伴隨主動脈瘤，目前歐美心臟學會治療指引均建議優先使用外科主動脈瓣膜置換手術，近期臨床試驗也顯示在這個族群，長期結果外科手術優於導管瓣膜手術。

● 人工瓣膜主要分為「機械瓣膜」與「組織瓣膜」，機械瓣膜又稱金屬瓣膜，優點是使用年限長，不過患者須要終生服用抗凝血劑。組織瓣膜又稱生物瓣膜，主要有牛心組織瓣膜與豬心組織瓣膜，乾式牛瓣膜具有較大的有效開口面積（EOA），血液流動效率較佳，且平均使用年限較長。接受組織瓣膜的患者不必因為瓣膜因素而長期用抗凝血劑，可避免藥物相關風險，幫助維持生活品質。

● 第一次瓣膜置換手術時選擇的生物瓣膜很重要，歐美先進國家一般都使用新一代牛心組織瓣膜，使用年限相較豬心瓣膜更長，而患者在人工瓣膜退化後，若因高齡高風險需透過「經導管主動脈瓣瓣中瓣置換手術」來置換新的人工瓣膜，牛心組織瓣膜因開口較大，效果也較佳。由於不需開胸、心臟不停止，能夠有效降低手術風險，且恢復期較短。

美國與中國研究人員結合半導體元件與矽膠指套，用來模仿再現指尖的精密特性，希望藉此推動先進外科手術手套的研究發展。他們使用矽奈米薄膜製作此感知平台，能以高精準度反應出手指移動及碰觸所產生的壓力與張力。

此研究團隊由伊利諾大學香檳分校(UIUC)的John Rogers與西北大學和大連理工大學的合作者所組成。Rogers表示，想像一下未來智慧型手術手套可以讓我們透過指尖，來探知組織的電子特性，並利用局部消融術(local ablation)移除組織，甚至是利用指尖進行超聲波成像。

研究人員先以手指為模具製作出矽膠手指套，再將預先完成的網狀電路轉印至其外表面。接著，將元件內外部的電子電路與穿戴者的皮膚進行連結。研究人員認為，此元件所使用的材料與製造技術來自於已臻成熟的半導體產業，因此應能以合理成本擴張至實用量產的規模。

Rogers補充，此項研究的最重要結果或許是他們能把多功能矽半導體科技併入三維軟性且形狀可控制契合的產品中，因此能應用在不單是指尖，還包括身體其他部位。事實上，這正是該團隊目前欲進行之計畫。他們打算製造能包覆身體其他部位(如心臟)的「表皮」(skin)。如此裝置將如同襪子般裹住心臟整體表面，以提供不同的感知及致動功能，傳送回與心律不整(cardiac arrhythmias)相關的醫療資訊。

此研究未來的挑戰包含創造出適合的材料與方式，來提供元件資料的無線傳輸以及動力來源。詳見Nanotechnology Vol. 23 344004。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝

資料來源：Fingertip mounted silicon nanomembranes provide sensing platform. NanoTech [Aug 10, 2012]

轉載自 奈米科學網