為何傳染病可以短期內大爆發？不可不知的「傳染動力學」——《小大人的公衛素養課》

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

世界上最努力不變老的人，生病了。這一集，就讓挺健康鄭丁靚醫師帶我們看懂，這位每年砸下兩百萬美金抗老、全身數據監測到極致的矽谷科技創業家 Bryan Johnson，為什麼依然難逃疾病的魔爪？他在社群上公開表示：「我的胃，正在吃自己。」這究竟是怎麼回事？一個擁有頂尖醫療團隊、把老化當成工程在破解的人，身上居然有一個警訊被忽略了整整 11 年。這不僅是富豪的個人健康危機，更是一堂關於老化與醫學極限的震撼教育。

將身體數據化到極致，為何仍會生病？

47 歲的美國科技創業家 Bryan Johnson，最為人所知的事蹟就是把「不要變老」當作人生的終極專案。他一年花費約兩百萬美金，每天吞下上百顆補充劑、執行嚴格的純素飲食、睡高壓氧艙，甚至曾嘗試將自己十幾歲兒子的血漿輸入體內（後來因無效而停止）。他密切追蹤自己的「生理年齡」，企圖利用數據與極致的自律來逆轉老化。如果健康可以用工程手段解決，他絕對是世界上最不該生病的人。

然而，他最近卻確診了「自體免疫性胃炎」（Autoimmune Gastritis），而且是無法逆轉的。很多人誤以為胃病就是胃酸分泌過多把胃溶掉，但這種疾病剛好相反：是他自身的免疫系統發生錯亂，反過來攻擊胃壁裡負責「製造胃酸」的細胞。結果，他的胃酸分泌大幅減少，引發了一連串的骨牌效應。

骨牌效應：當胃酸變少，身體會發生什麼事？

胃酸不僅僅是消化食物的工具，它更是身體吸收許多關鍵養分的「鑰匙」。一旦這把鑰匙不見了，首當其衝的就是鐵質與維生素 B12 的吸收。缺乏維生素 B12 會影響神經髓鞘的生成，長期下來可能導致手腳發麻、走路不穩、記憶力衰退；而缺鐵則會引發一系列的隱性問題。

更糟的是，當身體發現胃酸不夠時，會拼命分泌「胃泌素」（Gastrin）試圖把胃酸催出來。這種持續不斷的刺激，會導致胃壁細胞異常增生，甚至可能演變成腫瘤。研究指出，這類患者罹患胃腺癌的風險是一般人的 3 倍，而罹患「胃部神經內分泌瘤」的機率更高達 13 倍。這也意味著他未來必須終身定期照胃鏡追蹤。

揪出疾病的不是高科技，而是半世紀前的老工具

令人震驚的是，儘管 Bryan Johnson 無所不測，這個病卻在他體內悄悄躲了 11 年。這到底怎麼發生的？

其實，Bryan 早在 21 歲就被診斷出橋本氏甲狀腺炎（Hashimoto’s Thyroiditis），這代表他本來就有自體免疫疾病的體質。在臨床醫學上，甲狀腺與胃部的自體免疫疾病經常結伴出現，被稱為「甲狀腺-胃自體免疫症候群」（Thyrogastric Syndrome）。

過去 11 年來，他的「儲存鐵」（Ferritin）一直偷偷偏低，但他的頂尖醫療團隊卻沒有及時拉響警報。原因在於身體狡猾的「掩護機制」：當鐵質攝取不足時，身體會優先消耗倉庫裡的儲存鐵，死守住血液中「血紅素」的數值。因此，他的抽血報告上，血紅素始終正常，人也沒有貧血症狀。這個案例證明了一件事：過多的監測數據，不等於更好的答案；一百項漂亮的數字，比不上一個願意追問「這個數字為什麼 11 年來都偏低」的好醫生。

最後揪出真相的，不是昂貴的基因檢測或穿戴裝置，而是發明超過半世紀的傳統工具——「胃鏡加切片」。當醫師發現他口服鐵劑怎麼補都補不起來時，透過切片才看見胃壁的產酸區已經萎縮，血液中也驗出了攻擊胃壁細胞的抗體，這才一錘定音。

養生沒用嗎？看懂「打底」與醫學的極限

看到這裡，很多人可能會嘲諷：「花這麼多錢還不是生病了，努力養生根本沒用。」

恰恰相反。這件事凸顯的是「長壽醫學目前的限制」，而非養生無效。我們來對照四十幾年前的美國「跑步教父」Jim Fixx。他靠著跑步戒菸、瘦身，帶動全美慢跑狂熱，卻在 52 歲晨跑時心臟病發猝死。解剖發現他的冠狀動脈嚴重堵塞，而往回追溯，他的父親也是在 43 歲死於心臟病。

Fixx 和 Johnson 是一組絕佳的鏡像：基因，以及那些已經在身體裡默默進展的慢性發炎或代謝失衡，並不會因為你極度自律就對你手下留情。老化的本質，就是在檢查數值的門檻底下，悄悄累積傷害。但這不代表維持良好生活型態沒有意義，Fixx 很可能正是因為跑步，才比他父親多活了近十年的歲月。養生的真正意義是「將風險壓低」，而不是拿來當作「延遲正統治療的藉口」。

務實抗老：比起「生理年齡」，你更該在意「功能年齡」

既然極端的生物駭客手段無法保證無病無痛，一般人想健康變老該怎麼做？高齡醫學科醫師的抗老清單，往往與 Bryan Johnson 的作法恰好相反：

1. 追蹤「功能年齡」而非生理年齡： 與其花大錢測量表觀遺傳時鐘，不如檢視幾個免費、在家就能做的指標。例如被稱為老化「第六生命徵象」的走路速度；能精準預測整體死亡率的握力；以及「單腳站立」。研究指出，50 歲以上若無法單腳站立 10 秒，未來十年的死亡風險幾乎是能做到者的兩倍。

2. 抗老是「減法」，而不是「加法」： 比起每天吞上百顆保健食品，高齡醫學更常做的一件事叫做「減藥」（Deprescribing）。隨著年紀增長，多種藥物和補充劑在體內互相打架帶來的傷害，往往大於單一營養素的缺乏。定期請醫師幫忙盤點並刪除不必要的藥物，才是明智之舉。

3. 趁數字正常時，存好身體的「儲備」： 老化的本質，就是身體的儲備被慢慢燒掉，燒完就崩潰。我們應該在疾病發生前，就把肌肉量、骨質密度和平衡感存起來。一次普通的跌倒、一次髖骨骨折，就可能終結長輩的自理生活。現在單腳能站幾秒，就是很好的指標，而且這是可以練出來的。

一百多年前，現代醫學之父 William Osler 曾說：「醫學，是一門不確定的科學，也是一門機率的藝術。」我們很容易把身體當成輸入數據、輸出健康的工程，但這起事件給了我們反直覺的結論：真正守護健康的，從來不是盲目追求極致的數據，而是做對的事，加上一位長期了解你、願意替你追問問題的醫生。健康從來不只是「沒有疾病」，趁早把第一筆儲備存起來，就是抗老最好的開始。

延伸閱讀｜實證醫學專欄｜循證長壽、失智預防、更年期、睡眠科學｜叮噹醫師
以同儕評審論文為根據的長壽科學深度解析。睡眠科學、光線生物學、更年期醫學、認知儲備、失智早期檢測。

陳建仁是公衛專家，意外成為中華民國副總統，2020 年卸任後又回到學術界，不過在此之前已經有多次當官的紀錄。身為應用科學的學者，又有擔任政府高官的經驗，切換於研究和公僕之間，讓他思索學到的事。

第一課：用受過的科學訓練，尋找影響系統的變量。

學者和官員，要考慮的層面很不一樣。研究者主要在意疾病有多嚴重，如何治療患者。部長則關心在什麼時候，如何投入資源治療，必需顧及公平、可能選項、可行性、財政預算。

陳建仁以台灣的肝炎舉例。住在偏遠地區的人，很難常常前往醫學中心，所以要設置基層小單位。針對特定疾病編列獨立的固定預算，並不明智；治療上，反病毒療程很貴，但是肝臟移植和癌症治療更是如此。另外也調整政府的決策結構，如建立長期的國際合作，來針對棘手的關鍵議題。

第二課：科學從來不足以帶來昌盛的社會，這需要的是信任、堅強的機構、社會凝聚力。

不能團結一致，便無法實施邊境管制、隔離、追蹤等有效的防疫手段。政府必需提供支持，例如補助低收入的人打疫苗、經濟支援餐廳、計程車司機等有需要的人。

• 延伸閱讀：集權卻不威權獨裁—台灣「辛辛納圖斯式」防疫

第三課：傳染病和汙染，影響可以持續幾十年，長期投資能獲得回報，不過當下行動必需迅速。

2003 年 SARS 入侵，台灣剛開始沒有做好準備，損失慘重。此時於主要醫學中心訓練一批人，再分別前往各地培訓基層，各自建立組織，2 週後便讓全台灣都採用同樣的標準。以同一套標準追蹤傳染源、尋找誰到過熱點很重要。由此建立的基礎，對台灣隨後出現的流行病也頗有貢獻。

每次當官結束回到學術，陳建仁的政府經驗都使他更關注疾病的早期階段：更多的預防、更快的檢驗、更少的治療時間。通常這意味著，快速而實用的診斷，以及疫苗。

要達到目標，需要考慮公衛計畫中的經濟和政治因素。若希望讓患者有效接受治療，必需注意執行治療的地點，患者需要支付的費用，以及令患者感到不方便和不舒服的原因。

1990 年代陳建仁還是台大的年輕教授，在對抗砷汙染時，首度學到這些教訓。當時他發現飲用水中有愈多砷，癌症與心血管疾病的發病率便會愈高。

陳建仁和環境健康專家、土木工程師、地理學家、經濟學家、律師等不同專家合作，根據資訊設定管制標準，降低飲用水中許可的砷含量。他原本想的很直接，許可含量當然是愈低愈好。接著他意識到，更貴的水費，也會對健康造成影響。

這次經驗令陳建仁見識到，科學和技術在促進人類福祉上的侷限，以及跨領域合作與共同創造的必要。他感覺幸運，有這麼多機會將經驗應用於服務同胞。

我們也感覺幸運。

• 本文轉載自 新公民議會《建仁經驗談：做研究與做官，看問題的視角不同》

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參考資料

• Taiwan’s pandemic vice-president — from lab bench to public office and back

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。