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「暫態電子學」:生物相容電子裝置可在體內分解

only-perception
・2012/10/01 ・1697字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

微小、完全生物相容、能在運作一段時間後,無害地「溶入」其周遭環境的電子裝置,已由 Tufts 大學生醫工程師與伊利諾大學香檳分校的研究者合作研發。

命名為「暫態電子學(transient electronics)」,這種新型的 silk-silicon(絲–矽)裝置,允諾新一代不再需要動手術移除的醫學移植物、環境監測器,以及能成為堆肥而非垃圾的消費性電子產品。

「這些裝置與傳統電子裝置南轅北轍,傳統電子裝置的積體電路被設計成具備長期的物理與電氣穩定性,」Fiorenzo Omenetto 說到。他Tufts 工學院的生醫工程教授,以及一篇論文的資深暨通訊作者,該論文題為<A Physically Transient Form of Silicon Electronics>,於 2012/09/28 發表在當期的 Science 上。

「相較於目前的裝置,暫態電子學提供強健的效能,不過在預先規定的時間內,其環境能將它們完全再吸收(resorb) — 從幾分鐘到幾年,視應用而定,」Omenetto 解釋,「想想看環境優勢:如果手機能夠分解,而非埋在掩埋場內好幾年。」

這種未來裝置結合了傳統積體電路的東西 — 矽與鎂 — 但屬於超薄形態,接著被封裝到絲蛋白內。

「雖然矽看起來不透水,但它最終將溶於水,」Omenetto 還提到,挑戰在於製造能在數分鐘內分解-而非永久,的電子元件。

由 UIUC 的 John Rogers(另一位資深暨通訊作者)所領導的研究團隊是設計製造超薄彈性電子元件的先驅。只有數十奈米厚,這些微小電路,從電晶體到互連線(interconnects),都能輕易地在少量的水或體液內分解,且被無害地再吸收。在這些尺度下控制材料,使得這些裝置的分解時間得以微調。

裝置分解進一步由一層層的絲蛋白所控制,電子裝置均由其支持與封裝。取自蠶繭,絲蛋白為已知最強韌的材料之一。它也具備完全生物分解性,同時對生物友善(biofriendly),目前已應用於某些醫療用途中。 Omenetto 等人發現如何調整絲的特性,故裝置能在很廣泛的時間間隔內分解。

研究者透過某種熱裝置的測試,成功地示範這個新平台。該裝置被設計用來監控與防止術後感染(在大鼠模型中示範),同時也創造一部 64 像素的數位相機。

在 Tufts 大學與 Omenetto 合作的包括生醫工程系的研究助理教授與論文共同第一作者 Hu Tao;博士生 Mark A. Brenckle;計畫管理者 Bruce Panilaitis;博士生 Miaomiao Yang 以及 Stern Family 工程教授暨系主任 David L. Kaplan。除了 Tufts 與 UIUC 之外,本論文共同作者也來自首爾大學、西北大學、大連理工大學、Nano Terra(波士頓)以及亞歷桑納大學。

在未來,研究者們展望更複雜的裝置,像是能被即時調整,或回應其環境-例如化學物質、光或壓力的改變。

想知道更多?

暫態電子學是一種新技術,其關鍵特色是它們能被設計成,在受控制的或是可程式的(programmable)情況下,不留痕跡地完全消失。暫態裝置有前途的應用是醫療移植、可分解的環境監控、可堆肥(compostable)消費性裝置等等。

暫態電子裝置由伊利諾大學、Tufts 大學以及西北大學的研究者所示範,把鎂電極與互連線、氧化鎂閘極與層間介電質(interlayer dielectrics),以及非常薄的矽片,稱為奈米膜,當半導體用。

矽溶解於生物液體中,不過速率如此之緩慢,以至於傳統的矽晶圓要花數百年才能分解。相較之下,奈米膜薄到足以在幾日或幾週內,端視其厚度,於幾滴水內分解。然而,其厚度足以成為高品質的半導體裝置,例如電晶體、二極體等。

矽與鎂都在環境中自然產生,且已在各種醫學移植、藥物傳遞系統中被探索過,然而都是在巨大的結構化形態下。在暫態電子系統中,每種材料的數量遠小於所建議的每日允許量 — 鎂甚至少於綜合維他命裡面的量 — 或甚至少於正常生理濃度。但它足供精密的、具整合功能的電子裝置所用。

「這些等級的材料已在血管內支架、用於傳遞藥物的多孔體(porous bodies)、縫線與其它非電子性醫療應用中被探索過,」 John A. Rogers 表示,他是一位機械科學家以及 U. of I. 工程教授,主持這項研究。「我們設想如何將這些相同的材料以不同方式放在一起,能產生高品質的電子裝置、感應器與電力傳遞系統。」

這些裝置被封裝在成層的絲蛋白(從蠶繭收集而來)中,溶解並再結晶。透過仔細控制絲蛋白的結晶構造,研究者能夠控制溶解率,故他們能為特定應用,調整暫態裝置的壽命。分解的時間尺度可從幾分鐘到幾天、幾週、幾月,或著有可能,幾年,全看絲的封裝。

資料來源:‘Transient electronics’: Biocompatible electronic devices dissolve in body, environment. Phys.org [September 27, 2012]

轉載自 only perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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喝母乳的寶寶能提升神經認知功能?——是真的!而且「曾經喝過就有效」

查克爸
・2021/10/26 ・3015字 ・閱讀時間約 6 分鐘

喝母乳的寶寶,真的會更聰明嗎?母乳不僅能夠提供小寶寶所需的營養以及免疫力,而透過母親的生理機制,更能將各種符合自己孩子需求的成分,客製成孩子專屬的母乳。需要發育大腦,就多給些相關的成分,如果要長肌肉也沒問題,媽媽隨時隨地都準備為孩子產製最適合的母乳,這可是任何產業都難以複製的機能。因此母乳被說是對寶寶是最好的禮物,想當然各種與母乳哺育相關的研究主題,便是眾多學者探討了解的目標。

其中,研究智力發展應該是最吸引人的主題之一,不過目前為止也是有研究指出,母乳哺育的孩子,他們的平均智商與沒有母乳哺育的孩子相差無幾,這不知潑了多少人一身的冷水,掃了無數爸媽的興致。但以前的證據說智商沒差異,不代表新的研究一樣沒差異,科學這件事就是會不斷變化,產出新的結論,全世界仍有不少研究都提出母乳可能使寶寶更聰明。

這次要介紹的羅徹斯特大學醫學中心(URMC)神經科學研究所(Del Monte Institute for Neuroscience)的成果就是其中之一,他們這次提出的新證據是與認知能力有關,而且他們的結論應該會讓人眼睛一亮,因為他們發現,母乳哺育的時間長短與 9-10 歲兒童的部分認知發展有關連,而且只要孩子有吃母乳一段時間就可以看出差異[1]

人類積極探索智力,母乳與智力的關係更是熱門主題之一。圖/Pixabay

改變研究方向,找出母乳與智力之間的正向證據

隨著各種研究產出,我們得以知道智力受到很多變項影響,尤其是與父母親直接相關的因素,例如父母的社經地位、智力程度、學經歷等都可能使孩子擁有較高的智力。換句話說,也就是研究者比較了相同教育程度或是經濟程度的母親後,結論是不管有沒有哺餵母乳,他們孩子的智商分數可能相近。

既然知道多種因素可以影響智力,便要在研究方法的設計下足功夫,因為要盡可能控制所有影響,讓母乳哺育的小孩,以及沒有母乳哺育的小孩都能在同一個基準線上比較,才能看出客觀上的差異,或可說是未能控制好混雜因素[2]

不過就如開頭所說,研究目標、方法不同,看到的成果就不一樣,羅徹斯特大學醫學中心這篇藉由分析青少年大腦認知發展研究計畫[3](The Adolescent Brain Cognitive Development Study;ABCD Study)數據的報告,就看到了母乳與認知的正向關係,改而分析更細項的各種認知能力[4],其涉及了執行與感知、學習、記憶、理解、意識、推理、判斷、直覺和語言相關的等各種任務技能。

認知能力分好多,研究分析哪些?

這個認知研究採用 ABCD 研究數據來探討,但為了減少測量誤差的影響(例如孩童曾經暴露會接觸酒精的環境、未參加訪視的兒童等因素),研究者最終保留了 9,116 名兒童的數據,並以此分析母乳哺育時間與神經認知能力之間的關係。那列入分析的認知能力向度有哪些?

向度一共有三項,而且跟每個人都有關,分別是一般能力(general ability)、執行能力(executive function)以及記憶力(memory),而這三項能力各自有其解釋在,如一般能力,美國心理學會對此提出的解釋定義是,一種可以被衡量的能力,且被認為是基礎能力,用來處理所有與智力相關的任務。

再來是執行能力,這個能力則可用來管理和控制工作記憶、注意力,也跟抽象思考等種種認知過程有關,像是設定目標、想像並預見;最後一個是大家耳熟能詳的記憶力,是透過大腦系統所儲存的訊息,是能回憶特定訊息或曾經有過的經歷。

不過這些能力的發展程度真的能評量嗎?放心,各項認知能力背後有眾多的研究依據,也發展出各種不同的測量方式來評定。像是「魏氏兒童智力量表的矩陣推理測驗」就在這個研究被用來測量知覺推理和組織、空間訊息處理等相關的能力;而美國國立衛生研究院的 NIH Toolbox®-Cognition battery,也在這個研究裡被整合運用評估兒童的神經和行為功能。最後通過次數以極多的神經認知測驗,也才讓研究結果得出有吃母乳的小朋友,是能改善某個認知能力。

針對各種能力、認知所開發的測驗,不斷的被開發出來並應用。圖/Pexels

母乳真的有助於認知能力!是哪一項呢?

研究要分析的有一般能力、執行能力以及記憶力,那究竟哪像能力獲得提升呢?鏘鏘,從數據提供的結論是一般能力(general ability)與母乳哺育的時間長短有顯著關聯[1]。但你可能會說「怎麼才提升一種能力?」,這時候我們要關注的是,在心理學上的一般能力也包含多種能力,一般能力只是所有分向能力的統整稱呼。

研究中把這九千多位 9-10 歲的孩子,依照他們吃母乳的時間長短分成四組,第一組是 0 個月的控制組,接著是三組母乳哺育的實驗組,分別是 1-6 個月、7-12 個月以及吃母乳超過 12 個月的寶寶,可以看到在母乳哺育期最短的 1-6 個組別寶寶,他們在一般能力的測驗結果,比起沒吃母乳的寶寶有所提升,而且隨著母乳哺育的時間變長,孩子們在一般能力的發展程度也越來越高。

用另外一個角度來看研究結果就是,今天有某一個家庭選擇餵養母乳,即便哺育期間落在有點長又不算太長的 2 個月或是半年內,對寶寶的神經認知發展來說也是有幫助的,這也符合研究人員的設定目標,因為這有望幫助改善人們的動機,讓更多人想要母乳哺育,不只告訴每個家庭們可以量力而行,也藉此呼籲政府、社會企業能夠更設身處地為媽媽們著想。

母乳哺育與一般能力認知的關聯性較高,且隨著期間變長而增加。資料/參考資料1

研究成果重要,但更該考慮「人」

各種母乳相關的科學證據報告,讓母乳對孩子的好處不言而喻,這次介紹的研究也是,也的確可以藉由這些證據協助家庭做出決定,讓他們決定是否要餵養母乳,但這篇研究成果的重點,是希望能夠「鼓勵」家庭選擇用母乳哺育寶寶,而不是「非得要」。

不可否認的是,母乳哺育對媽媽們是一個壓力來源,常常聽到「給寶寶最好的」,反而讓各種美好變成壓力,像是聽到哪位媽媽不給寶寶吃母乳,各種批評襲來,不餵母乳變成一種罪過。而如果選擇母乳哺育,又可能因為家人不支持而宣告放棄。

母乳對寶寶有幫助,但家人彼此間的支持才更重要。圖/Pixabay


研究也實實在在告訴我們,餵養母乳的意願及時間長短,可是牽涉眾多因素,其中個體因素如教育程度、年齡會改變想法,還有環境和社會文化影素也會影響,例如就業問題、丈夫支持程度、家人態度也都大大的參雜其中[6]

因此每個家庭間的討論、媽媽的個人意願都很重要,有了共識後再來下決定,而當你們決定好要給寶寶母乳,又就差那決定性的臨門一腳時,不妨想想這篇研究提出的結論,「只要曾經給寶寶喝母乳,便有機會提升他特定的認知能力喔」。

參考資料

  1. Lopez, D. A., Foxe, J. J., Mao, Y., Thompson, W. K., Martin, H. J., & Freedman, E. G. (2021). Breastfeeding Duration Is Associated With Domain-Specific Improvements in Cognitive Performance in 9-10-Year-Old Children. Frontiers in public health, 9, 657422. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.657422
  2. Walfisch, A., Sermer, C., Cressman, A., & Koren, G. (2013). Breast milk and cognitive development–the role of confounders: a systematic review. BMJ open, 3(8), e003259. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2013-003259
  3. https://abcdstudy.org/
  4. https://dictionary.apa.org/cognitive-ability
  5. Natland ST, Andersen LF, Nilsen TI, Forsmo S, Jacobsen GW. Maternal recall of breastfeeding duration twenty years after delivery. BMC Med Res Methodol. 2012 Nov 23;12:179. doi: 10.1186/1471-2288-12-179. PMID: 23176436; PMCID: PMC3568415.
  6. Shi, H., Yang, Y., Yin, X. et al. Determinants of exclusive breastfeeding for the first six months in China: a cross-sectional study. Int Breastfeed J 16, 40 (2021). https://doi.org/10.1186/s13006-021-00388-y

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查克爸
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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職為開發自然科學評量工具的研究 人員,將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。
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