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擔心一直摔手機?像皮膚一樣長在身上就不怕了!電子皮膚的未來時代

活躍星系核_96
・2021/03/15 ・2515字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

文/彭柏翔、曾貴鴻、王宥豪|國⽴臺灣⼤學物理學系電子學課程學生

科學家看見的下一個變革:電子皮膚

隨著科技的演進,電子產品愈加貼近我們的生活,原本需要占滿整個房間的電腦,通常是只有國家機構才能擁有的產品,現在個人電腦已經成為家中必備的用品。

近年來,更因智慧型手機的普及,電子裝置不再侷限於房間內,電子裝置幾乎成為了我們身體的一部分,與我們如影隨形。

如同智慧型手機常標榜的,更輕、更薄、更方便攜帶成為每家廠商爭先追求的目標,但科學家們已經看到了更遠的未來,電子皮膚

一個好的電子皮膚,必須滿足這些條件

電子皮膚,顧名思義就是要模仿人體皮膚的模式,在目前的發展中,如下圖,它有幾個重要的研究方向和重要功能。 

電子皮膚功能的結構示意圖:感應器,積體電路,顯示器和電源。第二種皮膚所需的電子材料的新穎功能包括伸縮性,自我修復能力,生物相容性和生物降解性。1

首先是可伸縮性(Stretchability),因為電子皮膚最終是要貼在皮膚上,所以電子皮膚必須能夠隨著我們肌肉的伸縮來延長、縮短。

不同於目前常見的矽和金屬,科學家們開始利用一些聚合物半導體來替代現有的材料,讓裝置能夠有可拉長、伸縮的特質,嵌入在上面的各種電子元件也不會在拉扯的過程中輕易斷裂。 

另外一個研究方向是自我修復的功能(Self‐Healing),自然界中的自我修復主要有兩種機制1,一種是利用血漿和催化劑在發現組織有損壞時,將化學物質送至損壞處,進而在該處合成,補上損壞的缺口,但它的缺點便是它有次數限制,當血漿或催化劑用盡後,便無法再做修復。

因此科學家研發出另一類自我修復材料,他們利用材料中分子的一些特性,例如氫鍵,分子間作用力等,能夠使斷裂的分子之間重新連結,並達到自我修復的功能,而因其簡單且能重複的特性,被科學家拿來做為主要的發展方向。

接著是生物相容性(Biocompatibility)。因為未來其可能放入人體中,所以要避免有免疫反應這類天生防護系統的作用,若貼在我們現有的皮膚上,那其必定要有透氣的功能,否則沒有人能夠整天戴著它。

該如何降低電子垃圾、對環境友善?也是電子皮膚研發過程中的重要議題。圖/Wikipedia

生物降解性(Biodegradability)也是相當重要的研究重點,若電子皮膚具有生物降解性,不僅可以讓它對環境較為友善,在醫學跟生物學上也能夠實現無切除手術,目前科學家已經發現一些材料能浸泡在水中就能夠讓其溶解掉1,這對未來電子皮膚的卸下有很大的幫助。

最後,導電性也非常重要,當電子皮膚的內部元件具有導電性後,我們便能安裝上各種功能的電子設備,例如顯示器,或電路。

想要能「曲」能伸的電子皮膚,好難

看完了這五大研究重點方向,在研發電子皮膚的漫漫長路上,你知道科學家大多都在哪一個地方宣告失敗嗎?

以往已經有不少科學家做了類似的實驗,但「延展性」卻是難以跨越的技術門檻。如 Sheng Wang 與團隊用 PDMS 做的電子皮膚便是在拉伸後會產生問題,難以具備良好的延展性。

為什麼做出有延展性的電子皮膚這麼困難?要做出具有延展性的一般人造皮膚並不困難,但換成電子皮膚時,電子皮膚內卻有導電用的「電極」!

當電子皮膚被拉長、伸縮時,電極也會一併受到拉扯,導致電阻值上升,使得電路無法正常運作,因此,如何讓電極既能受到拉扯,又能回復電阻值,就是製作電子皮膚最大的困難點。

有困境就有突破!伸縮自如的新型聚合物

隨著技術的進步,科學家突破重重困難,終於讓具備延展性的電子皮膚登場了!2

這一次,Donghee Son 與他的團隊以奈米碳管(carbonnanotubes)作為電子皮膚中的電極、使用聚合物 PDMS-MPU-IU 作為基質。

由於 PDMS-MPU-IU 具備良好的自我修復能力與延展性,將這種聚合物和奈米碳管搭配起來後,便能使奈米碳管隨著基質的復原跟著回復,使電阻值回復到原先的大小,在具備導電性的基礎上,增加具備延展性、自我修復功能的電子皮膚。

作為電極的奈米碳管。圖/Wikipedia

此外,此材料還具備兩項優點:第一,當我們以奈米碳管作為電極時,可以使這項材料用於顯示器或感應器的電極;第二,由於PDMS-MPU-IU 之間能透過氫鍵相結合,所以我們可以更容易將多個電子元件合併為一個多功能的系統。

儘管 PDMS-MPU-IU 有望成為電子皮膚的材料,但當受到超出一定大小的外力後,仍然難以在短時間內修復完畢,因此離實際應用還有一段距離。

此外,這種聚合物並未具備生物降解性,在這一個重視環保和重複使用的時代,我們難以忽視這個嚴重的缺點,如何減少這種電子皮膚造成的電子垃圾?這是是個必須要考慮的問題。

未來出門都不用手機啦!

在二十世紀,人類比以往任何時候都更加依賴技術,但是我們仍然經常忘記攜帶或笨拙地摔壞我們的手機,如果我們可以把具備手機功能的電子設備嵌入皮膚的話,或許就能減少這個困惱。

PDMS-MPU-IU 因其在室溫下的高拉伸性,高堅固性和自動自我修復功能讓其成為電子皮膚考量的候選材料。即使這項技術還遠遠不及產業水平,如同修復時間過長與裝置在上面的電路還沒辦法太複雜3,但毫無疑問,在不久的將來,電子皮膚將成為攜帶式電子設備的最前沿。

致謝

本⽂源⾃於國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學之課程報告,感謝朱⼠維老師、程暐瀅助教的協助。

參考文獻

  1. Oh J Y and Bao Z Second skin enabled by advanced electronics  Adv. Sci. 6 1900186 (2019)
  2. Son, D., Kang, J., Vardoulis, O. et al. An integrated self-healable  electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a  nanostructured conducting network. Nature Nanotech 13, 1057–1065  (2018)
  3. Jun Chang Yang, Jaewan Mun. et al. Electronic Skin: Recent Progress  and Future Prospects for Skin‐Attachable Devices for Health Monitoring,  Robotics, and Prosthetics.  (2019)

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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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Paxlovid能有效降低死亡風險嗎?COVID-19口服藥現況

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/17 ・2421字 ・閱讀時間約 5 分鐘
示意圖/envato elements

今年四月台灣宣布將走向「重症清零,輕症管控」:非放任病毒肆虐式「與病毒共存」(living with covid-19) 的控管疫情策略。 若需要達到「重症清零,輕症管控」的目標,醫療人員的支援與 COVID-19 藥物的使用,將是關鍵手段,對於感染後容易導致重症的個案,也需要有抗病毒藥物來治療或預防惡化

目前有哪些治療新冠肺癌的藥物?

目前首度獲得美國 FDA 許可的抗新冠藥物「Remdesivir」 (瑞德西韋),是透過抑制病毒的 RNA 合成酶達到藥效。美國 FDA 更在近期批准,注射液劑型的 Remdesivir 適用於「出生 28 天及以上、至少 3 公斤」的嬰幼兒染疫患者,成為首款嬰幼兒的新冠療法

然而注射液劑型需要專業的打針技術,並非一般民眾可居家自行使用,因此抗新冠口服藥物的開發,各國一直都很重視。現行已通過美國 FDA 緊急使用授權(EUA)的抗新冠口服藥物,有輝瑞公司研發的「Paxlovid」,以及默克(或稱默沙東)公司研發的「Molnupiravir」(莫納皮拉韋)

而 Paxlovid 是由 Nirmatrelvir(奈瑪特韋)和 Ritonavir(利托那韋)兩種藥物所搭配使用,其中 Nirmatrelvir 主要作用是抑制新冠病毒的 Mpro 蛋白酶活性,進而干擾病毒的複製,達到抗病毒的效果。而 Ritonavir 則是能延長 Nirmatrelvir 在人體內的血中濃度,透過抑制人體內正常酵素 CYP3A4 酵素活性,避免 CYP3A4 快速將 Nirmatrelvir 代謝掉,而失去 Nirmatrelvir 該有的藥效。

這兩個藥物所構成的 Paxlovid 好像一對好夥伴互相協助,成為具有高效力的口服抗新冠藥物

Paxlovid 能有效降低死亡風險?

Paxlovid。圖/ Kches16414 , CC BY-SA 4.0

根據文獻指出,Paxlovid 能降低 COVID-19 感染後的 85-89% 住院或死亡風險,是目前對抗新冠肺炎最佳的選項之一。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)期刊於上個月發表最新 Paxlovid 臨床試驗的研究報告:「Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19」證實,使用 Paxlovid 治療未施打疫苗且有症狀的 Covid-19 患者,能將 Covid-19 的重症風險降低 89%,且藥物的安全性在臨床上可接受,且沒有明顯的安全問題。

不過,此研究個案限於未施打疫苗者,而目前大多數人已經接種過新冠肺炎疫苗,情況略有不同。已有將此藥使用於已施打過疫苗者的研究正進行中,但若在未施打者有幫助,對於施打過疫苗而可能具有部分保護力的人,推測仍應會有治療效果,此研究是在症狀出現三天內給藥得到良好的效果,至於再晚一些時後才給藥,就沒有數據可參考。

但需要注意的是,有在服用其他藥物的患者(如:降血脂、抗腫瘤藥或神經精神藥物等),若服用 Paxlovid 會影響 CYP3A4 的作用,可能也會改變其他藥物的作用效果,若藥物在血中濃度無法被安全控制,往往對病情有負面的影響。因此服用 Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽才能使用,民眾無法自由服用

Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽。圖/envato elements

Molnupiravir 口服藥的表現又是如何?

病毒在複製的過程當中,往往需要大量的核糖核苷(ribonucleoside),作為合成新的病毒所需要的材料。而 Molnupiravir 口服藥,是一種「核糖核苷類似物」,也就是病毒在複製所需要的「冒牌」材料,透過這樣的方式干擾病毒的複製過程,進而阻止病毒的繁殖

Molnupiravir 不會像 Paxlovid 去影響到其他藥物在體內的作用,然而這些核糖核苷類似物在人體細胞進行複製的時候也會使用,所以可能具有誘導基因突變的風險

雖然一般來說,口服 Molnupiravir 的療程只有 5 天,在這樣的時間周期來說,對一般成人造成基因突變的風險是很低。但是,Molnupiravir 對於胎兒或哺乳中的嬰兒,風險就顯得高出許多。所以,Molnupiravir 在默克公司的官方網站有聲明,不建議孕婦及哺乳中的女性服用

此外,根據新英格蘭醫學期刊在今年三月的報告中,發現將 Molnupiravir 用於非住院的新冠患者治療中,僅僅將高危新冠患者的住院和死亡風險降低了 30%,低於早前估計的 50%。

Molnupiravir 不建議孕婦及哺乳中的女性服用。圖/envato elements

「老藥新用」的開發策略

環顧目前的抗新冠藥物,大都是利用「老藥新用」(drug repurposing)的藥物開發策略,才能在這麼短的時間達到如此的成就。「老藥」是指已被核准做為臨床使用的藥物,「新用」則是指由原來已核准的藥物中發現新的適應症用途或是新的用法。

老藥的好處就是其藥物臨床前的數據都已經被建立,其中包含藥理實驗、藥物動力學、代謝途徑、副作用等,這些數據對藥物開發相當重要。

在目前這些新冠藥物中,瑞德西韋一開始是用來開發對抗伊波拉病毒,而 Paxlovid 中的 Nirmatrelvir 原先用以治療愛滋病,此外 Molnupiravir 則是為了治療流感。這樣的成功經驗相信能提供政府與學者參考,期望台灣開發新冠藥物有亮眼的成績,也讓我們未來在對抗 COVID-19 疫情當中有更好的手段。

引用文獻

  1. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  2. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Approves First COVID-19 Treatment for Young Children
  3. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes First Oral Antiviral for Treatment of COVID-19
  4.  Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes Additional Oral Antiviral for Treatment of COVID-19 in Certain Adults
  5. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  6. Cox, Robert M., Josef D. Wolf, and Richard K. Plemper. “Therapeutically administered ribonucleoside analogue MK-4482/EIDD-2801 blocks SARS-CoV-2 transmission in ferrets.” Nature microbiology 6.1 (2021): 11-18.
  7. Jayk Bernal, Angélica, et al. “Molnupiravir for oral treatment of Covid-19 in nonhospitalized patients.” New England Journal of Medicine 386.6 (2022): 509-520.

臨床試驗

  • EPIC-HR: Study of Oral PF-07321332/Ritonavir Compared With Placebo in Nonhospitalized High Risk Adults With COVID-19(NCT04960202

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