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易碎才不易碎-材料科學新星:能自我修復的水膠

科學人_96
・2012/11/29 ・942字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

撰文/卡司塔維奇(Davide Castelvecchi)

要使東西不易碎的秘訣,在於使它碎得徹底一點,至少在微觀尺度下要如此。像玻璃一樣脆的材料破碎時,只有沿著碎片斷面的分子參與,碎片內部幾乎不受影響。為了降低脆性,研究人員設計新材料時,應該要使應力可以傳播到斷面之下,才能有效阻止裂紋蔓延,讓物體從一剛開始就不容易斷裂。

美國哈佛大學的鎖志剛和合作者根據這個原理,發展出一種稱為水膠(hydrogel)的材料,成份是水和由長鏈高分子聚合物組成的網絡結構,後者類似蓋房子時使用的鷹架。鎖志剛的水膠具有橡膠特性,拉伸至原來的20倍也不會斷裂。相比之下,鎖志剛說:「一般的橡皮筋只能撐到六倍長。」這種新材料同時還具備顯著的韌性,能夠承受壓力、張力或衝擊而不斷裂。要弄斷這種水膠,所需的能量大約是類似材料的10倍。

以前的水膠比較缺乏韌性,容易像豆腐一樣碎開。鎖志剛設計的秘訣,在於水膠的鷹架包含了兩種不同的高分子。第一種來自藻類的碳水化合物長鏈,是由兩條單鏈分子藉著帶正電的鈣離子,像拉鍊般配對組合而成。

次要的鷹架材料則是藉由強力的鍵結搭建起來的合成高分子網絡。當這個新材料受到外力衝擊時,能量主要消耗在破壞藻類衍生的拉鍊結構,使鈣離子重新溶解到水中,次要的網絡會把剩餘的應力從裂紋表面分散到廣大的材料內部。一旦應力消失,鈣離子受到藻類鏈上的負電吸引,便自我修復,長鏈之間再度變成拉鍊。

雖然還不夠完備,但這個新的水膠材料所具備的強大韌性,已經足以應用在組織工程和義肢上。鎖志剛說:「今天,如果你的軟骨受損,是很難找到替代品的。」任何人工替代品都需要達到天然物的強韌。鎖志剛和合作者的研究,發表在9月6日的《自然》

日本北海道大學的龔劍萍說,要把水膠打破所需的能量「非常可觀」,她於2003年的工作開啟了雙網絡水膠的研究。然而龔劍萍也指出,這個新材料自我修復的程度還不夠完整,而且需要幾個小時稍嫌太慢。她認為要能實際應用,材料必須在更短時間內達到百分之百的修復。(洪艾彊 譯)

 

論文出處:Sun, Jeong-Yun, et al. “Highly stretchable and tough hydrogels.” Nature 489.7414 (2012): 133-136.

刊載於《科學人》2012年第130期12月號


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《科學人》雜誌-遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。


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透過「生長激素刺激測驗」,評估孩童生長激素是否不足

careonline_96
・2022/05/19 ・1899字 ・閱讀時間約 3 分鐘

當孩童因「身高不足」或「生長遲緩」就診「兒童內分泌科」,醫師評估有「生長激素不足症」之疑慮時,會安排小朋友做「生長激素刺激測驗」。

究竟這是什麼樣的檢查呢?什麼時候需要做這個檢查?如何執行?這樣的檢查安全嗎? 以下由林口長庚醫院兒童內分泌科邱巧凡醫師,針對以上家長常見問題做完整說明。

生長激素刺激測驗——什麼時候要做?

  1. 「長的矮」而且「長的慢」!
    (1)長的矮: 身高落在該性別年齡「第三百分位」以下。
    (2)長的慢: 「一年長不到四公分」,或身高曲線往下掉兩大條百分位曲線。
  2. 初步檢查顯示: 骨齡明顯落後,血液檢驗 IGF-1 與 IGFBP-3 濃度不足。
  3. 伴隨其他生長激素不足可能合併的特徵(如前額凸出、顴骨發育不良、鼻梁塌陷、低血糖、陰莖短小、尿道下裂,或合併其他賀爾蒙異常等。)

當以上情形發生,醫師認為孩子有「生長激素缺乏症」的可能,將進一步安排「生長激素刺激測驗」。

生長激素刺激測驗——是什麼?

邱巧凡醫師指出,平常生長激素的分泌呈現「脈衝式分泌」,因此無法從隨機、單一次的血液檢測直接反映個體生長激素分泌的能力。生長激素刺激測驗是藉由藥物的刺激,營造出生長激素必須要分泌的情境,藉此情境來了解分泌的功能是否正常。

目前在台灣可用來做為生長激素刺激測驗的藥物包含:胰島素、clonidine、L-Dopa、Arginine 及 Glucagon。

生長激素刺激測驗——怎麼做?

  • 檢查前的準備
  1. 自檢查當天凌晨零時起「禁食」任何食物。
  2. 填寫「檢查同意書」。
  • 生長激素刺激測驗檢查流程
  1. 於早上 7~9 點,幫受檢兒童建立靜脈留置針(通常選擇上肢靜脈),並執行第一次的抽血,隨後給予受檢兒童檢查用之「口服藥物」或「靜脈注射藥物」。
  2. 之後約每隔 15 至 30 分鐘執行一次抽血,檢測生長激素濃度。(不同之檢測藥物,其抽血頻率與時間略有不同)
  3. 一次的「生長激素刺激測驗」檢查流程約 2~3 個小時完成,最後一次抽血完畢後,若身體無不適,便可移除靜脈留置針頭,完成檢查。並給孩童進食一頓大餐。

生長激素刺激測驗——安全嗎?

邱巧凡醫師說,生長激素刺激測驗執行過程,有可能發生以下狀況,須特別留意,因此在林口長庚醫院本檢查需住院執行,在專業醫療團隊照護下執行此測驗。

  1. 暈針: 由於需透過口服或靜脈注射藥物刺激生長激素分泌,加上得抽血數次,因此在兒童、青少年族群有可能因為心理壓力與恐懼感,在測驗過程中出現眩暈與噁心等暈針症狀。通常只要休息一段時間即可恢復,也不會因此產生後遺症。
  2. 測驗藥物的作用: 檢查期間所服用或注射的藥物,會造成血糖偏低、血壓偏低,可能出現口乾、頭痛、冒冷汗、臉色蒼白、嗜睡、疲倦、頭暈、噁心、嘔吐等症狀。一般只要適度休息,並於檢查後進食即可逐漸恢復。少數有特殊病史的孩童(如癲癇、腦瘤等)可能在此過程出現抽搐發作等狀況。

生長激素刺激測驗——檢查注意事項

  1. 自檢查當天凌晨零時起,至檢查流程完畢,期間禁止飲食,否則會影響檢查結果的準確性。 
  2. 抽血期間如出現頭暈、噁心、臉色蒼白、抽搐、意識不清等情況,請立即告知醫護團隊。
  3. 檢查期間應坐在椅子上或臥床休息,儘量不要起身走動。

生長激素刺激測驗——檢查結果

檢查結果醫師將針對患童本身狀況與兩項不同藥物刺激後的生長激素分泌能力進行判讀,若判斷為「生長激素缺乏症」,將進一步安排「腦部核磁共振檢查」以釐清生長激素缺乏的可能原因,並衡量「生長激素治療」的適當性與時機,與家長進行說明與討論。


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careonline_96
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