20210422 彰化二林國中——科學生講座紀實

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

本文轉載自顯微觀點

我最親愛的　你過的怎麼樣  沒我的日子　你別來無恙   -張惠妹《我最親愛的》

常常聽到「別來無恙」的問候，其中的「恙」就是指「恙蟲」。在唐朝顏師古的《匡謬正俗》一書中便提到：「恙，噬人蟲也，善食人心。古者草居，多移此害，故相問勞，曰無恙。」用以關心久未見面的朋友沒有染讓恙蟲病、一切安好。

而清明節一到，衛福部疾管署便會提醒民眾上山掃墓或是趁連假到戶外踏青，要小心「恙蟲病」，就是因為每年恙蟲病的病例數從4、5月，也就是清明假期左右開始上升；到6、7月達最高峰。

但恙蟲病到底是什麼樣的疾病呢？恙蟲病古時被稱為沙虱，早在晉朝葛洪所著的醫書《肘後方》提及，「初得之，皮上正赤，如小豆黍米粟粒；以手摩赤上，痛如刺。三日之後，令百節強，疼痛寒熱，赤上發瘡。」

恙蟲病是一種病媒傳播的人畜共通傳染病，致病原為恙蟲病立克次體（Orientia tsutsugamushi或Rickettsia tsutsugamushi），被具傳染性的恙蟎叮咬，經由其唾液使人類感染立克次體。而感染立克次體的恙蟎，會經由卵性遺傳代傳立克次體，並在每個發育期中，包括卵、幼蟲、若蟲、成蟲各階段均保有立克次體，成為永久性感染。

感染恙蟲病可能引起危及生命的發燒感染。常見症狀為猝發且持續性高燒、頭痛、背痛、惡寒、盜汗、淋巴結腫大；恙蟎叮咬處出現無痛性的焦痂、一週後皮膚出現紅色斑狀丘疹，有時會併發肺炎或肝功能異常。 恙蟲病的已知分佈範圍不斷擴大，大多數疾病發生在南亞和東亞以及環太平洋地區的部分地區；台灣則以花東地區、澎湖縣及高雄市為主要流行區。

比細菌還小的立克次體

立克次體算是格蘭氏陰性菌，有細胞壁，無鞭毛，革蘭氏染色呈陰性。但它雖然是細菌，但是嚴格來說，更像是細胞內寄生生命體，生態特徵多和病毒一樣。例如不能在培養基培養、可以藉由陶瓷過濾器過濾、只能在動物細胞內寄生繁殖等。大小介於細菌和病毒之間，呈球狀或接近球形的短小桿狀直徑只有0.3-1μm，小於絕大多數細菌。

最早發現的立克次體感染症的是洛磯山斑疹熱（Rocky mountain spotted fever）；由美國病理學家立克次（Howard Taylor Ricketts，1871-1910）所發現。

1906年立克次到蒙大拿州度假，發現當地正在流行一種叫做洛磯山斑疹熱的傳染病，病患會出現頭痛、肌肉痛、關節疼痛的症狀，之後皮膚會出現出血性斑塊。當時沒有人知道是什麼原因造成這個疾病。

立克次一開始以顯微鏡觀察病患血液，發現一種接近球形的短小桿菌，但卻無法體外培養。而他將帶有「短小桿菌」的血液注射進天竺鼠體內，或是以壁蝨吸食患者血液再咬天竺鼠，發現天竺鼠也會染病。另外，他試驗各種節肢動物來做為媒介，發現只有壁蝨能夠成為傳染窩進行傳播。

立克次釐清了洛磯山斑疹熱的成因與傳染途徑，但因為無法在體外培養基培養這個病原菌，他並未加以命名。

後來其他研究者從斑疹傷寒等其他疾病也發現無法在培養基生長、必須絕對寄生宿主細胞的類似細菌，並為了紀念立克次的貢獻，而命名為「立克次體」。

而立克次體不只一種，因此引起的疾病也不只有恙蟲病。在台灣列為法定傳染病的還有由普氏立克次體（Rickettsia prowazekii ）引起的流行性斑疹傷寒，透過體蝨在人群間傳播；由斑疹傷寒立克次氏體（Rickettsia typhi）造成的地方性斑疹傷寒，由鼠蚤傳播至人體。另外還有由立氏立克次體（Rickettsia rickettsii）所引致的洛磯山斑疹熱等。

立克次體透過傳統革蘭氏染色的效果非常弱；因此常用一種對卵黃囊塗片中立克次體進行染色的方法，以利光學顯微鏡觀察。現在，這項技術常用於監測細胞的感染狀態。

受限於光學顯微鏡的解析度，許多科學家也使用電子顯微鏡來對立克次體與宿主細胞相互作用的精細結構進行分析。例如分別引起流行性斑疹傷寒、洛磯山斑疹熱和恙蟲病的立克次體，外膜組織就能透過電子顯微鏡看到些許的差別，有的外膜較厚，有的則是外膜內葉和外葉倒置。

做好預防就能別來無「恙」

根據疾管署統計，今（2024）年至 4 月 1 日恙蟲病確定病例已累計至 2 8例，高於去年同期。

立克次菌無法在一般培養基培養，雖然可用接種天竺鼠或雞胚胎來分離病原確診，但基於實驗室生物安全操作規定，通常以免疫螢光法、間接血球凝集、補體結合等檢查抗體的方式來檢驗。

恙蟲病可用抗生素治療，若不治療死亡率達 60%。但最好的預防方式還是避免暴露於恙蟎孳生的草叢環境，掃墓或是戶外活動最好穿著長袖衣褲、手套、長筒襪及長靴等衣物避免皮膚外露。離開草叢後也要盡速沐浴和更換全部衣物，以防感染。

參考資料

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• 立克次–立克次疾病的研究先驅
• 維基百科-立克次體
• 疾管署官網

• 作者 / 雅文基金會聽語科學研究中心 研究員｜羅明

腸道的狀態會影響身體的健康，是現代人熟悉的保健觀念，就像廣告台詞所說的：胃腸顧好，人就快好。腸道狀態的影響力，可能比我們想像的多更多。已經有愈來愈多的研究報告指出，腸道狀態與聽覺系統之間，其實也有某種關聯。聽的好不好跟肚子好不好，究竟有什麼關係？讓我們繼續看下去。

腸腦軸線是什麼

開始之前，要先介紹「腸腦軸線」（gut-brain axis）的概念。研究證實，大腦的運作與腸道中的微生物群有所關聯。腸道若出現微生態失調（gut dysbiosis），除了生活品質水準降低 ^[1]，大腦功能與外在行為也會受到影響。例如：容易無法集中精神 ^{[2] [3]}、睡眠品質不佳 ^[4]，甚至是心理功能失調 ^[5] 等種種情況。

同時也有研究發現，某些大腦方面的失序和疾病，會伴隨腸道微生態失調的情況 ^[6]。例如：認知功能方面出現障礙的阿茲海默症（Alzheimer’s disease; ^{[7] [8]}），以及在疾病早期常先出現行動功能障礙的帕金森症 （Parkinson’s disease; ^[9] ）。

至於腸道與大腦是如何互相影響彼此，目前的研究告訴我們，大致上是透過幾條途徑：
1. 迷走神經（vagus nerve）
2. 下視丘－腦垂體－腎上腺系統（hypothalamic-pituitary-adrenal axis，簡稱 HPA 軸）
3. 免疫系統（immune system）
4. 神經傳導素（neurotransmitters）
5. 細菌代謝物（bacterial metabolites）

總之，腸道菌相與身心健康之間，不論是在生理或心理的層面，都息息相關。而有另一批研究的結果指出，不只是大腦所在的中樞系統，這種關聯性還擴及到了「聽覺」所在的感官系統。尤其是迷走神經與免疫系統，我們將會提到它們在聽覺系統運作中的角色。

近年研究新發現：耳腸腦軸線

聽的好不好，也就是聽覺系統是否功能良好，同樣是身心健康重要的一環。聽覺系統本身可再分為周邊（含外耳、中耳、內耳）與中樞（含延腦、橋腦、中腦、大腦）等兩個子系統，而聲音一開始從外界進入聽覺系統，到最後能否解讀成功，取決於兩個子系統是否都能順利運作。

直到最近，種種間接顯示腸道狀態影響聽覺功能的資訊，引起了一些研究者的注意。例如，有一種基因同時與腸道和耳朵的發育有關，而先天性巨結腸症（或稱赫司朋氏症，Hirschsprung disease）的動物研究發現，這種基因的突變可能導致聽力損失 ^[10]。

由於相關的資訊愈來愈多，近來有研究者進行了系統性的回顧，並根據得到的結果指出，人體中很可能還有一種可稱之為「耳腸腦軸線」（ear-gut-brain axis）的系統 ^{[11] [12] [13] [14]}。接下來，讓我們看看有哪些研究，支持著人體存在耳腸腦軸線的想法。

人體中很可能存在一種「耳腸腦軸線」系統。圖／AI創建

迷走神經串接耳與腸

人類的腦神經中，迷走神經最長也分布最廣。這組神經起於延腦，而後下行至頸、胸、腹等部位。它在自主神經系統（autonomic nervous system）有著重要的角色，其中之一是自動調節消化系統的活動。觸及腸道與大腦的神經纖維中，訊息是雙向往返的，約有 10% 至 20% 的部分是從大腦往腸道傳送，而有 80% 至 90% 的部分則是從腸道送往大腦 ^[15]。

迷走神經有許多分支，其中一支延伸到外耳之上，稱爲迷走神經耳分支（auricular branch）。有一個對象是成年女性的研究發現，如果在迷走神經耳分支施予刺激，會有助於消解發炎性腸道疾病（inflammatory bowel disease，簡稱 IBD）的疼痛感，以及減低症狀的嚴重程度 ^[16]。而這一類刺激方法，用於治療耳鳴（tinnitus）似乎也有效果，例如：減少耳鳴相關的症狀，以及舒緩耳鳴帶來的壓力感 ^{[17] [18]}。

發炎也會讓人聽的不好

我們在文章開頭時提到，由於腸腦軸線的存在，腸道失調與大腦異常顯現出清楚的關聯性。如果沿著相同的思路，則可預期腸道一旦出現異狀，透過耳腸腦軸線的作用，聽覺系統應該也會連帶發生問題。實際上， 在 IBD 這一類疾病的觀察中，的確不同的研究也有著類似的發現。

無論是在外耳、中耳或內耳，都有研究資料顯示，這些部位的某些異狀會跟 IBD 有所關聯 ^[19]。尤其是感音性聽力損失，是 IBD 患者最常見的耳科疾病。有研究者回溯了32位IBD病患者的資料，結果發現其中的 22 位兼有感音性聽損，比例將近七成，而且在之中的 19 位，並無法找到其他能夠解釋聽損的原因 ^[20]。

還有進一步比較潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis）與克隆氏症（Crohn’s desease）兩群患者的研究也報告了一致的發現 ^[21]。相較於身體健康的對照組，感音性聽損在這一群患者有著較高的盛行率，而顯示聽損的聲音頻率則在 2000Hz、4000Hz 與 8000Hz 等高頻的範圍。值得注意的是，研究者也指出這些患者的聽力損失與年齡之間並沒有顯著的關係。

此外，大腦中的微膠細胞（microglia）在活化時會釋放發炎物質，而聽力功能的異常也可能與這種發炎反應有關。已有動物研究指出，在噪音環境引起耳鳴與聽力損失之後，中樞聽覺系統的微膠細胞出現了較高的活化狀態 ^[22]。

聽覺與消化的你來我往

就如迷走神經的研究指出的，聽覺與消化之間的關係，可能也是一種雙向的互動。除了聽力損失伴隨腸道發炎出現之外，新近的研究還透露出，聽音樂，對於腸道來說也有著補充益生菌的效果。研究者在實驗室餵養 30 天的老鼠身上發現，餵養期間也接觸音樂的老鼠們，在第 25 天的體重，顯著高於沒有接觸音樂的老鼠；不僅如此，那些每天固定聽音樂六個小時的老鼠們，腸道裡的壞菌減少了，腸道的菌相也因此變得更好了 ^[23]。沒想到，聽覺系統不只是接收訊息的管道而已，還可能在無形中影響著消化系統的運作。

「耳腸腦軸線」的想法，對於聽力保健而言，或許帶來另一個思考的角度：除了瞭解如何避免聽覺系統的器官受到損傷，多加留意消化系統是否正常運作，也可能是同樣重要的事情。如此一來，除了「胃腸顧好，人就快好」，未來還可以再說：腸道好，「聽」也好。

參考資料

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