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外科之花的艱難綻放(7)—大結局

科學松鼠會_96
・2013/07/16 ・6871字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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第四章、絕地中興,柳暗花明

心外科發展到這一階段的特點是,通過常規應用低溫和流入道血流阻斷,可以以最低的死亡率來糾治簡單的心臟缺損,那麼對絕大多數外科醫生而言,又何必冒險進行進一步的體外循環試驗呢。但不幸的是那些目前手術不能解決的複雜的心內畸形,卻恰恰是最需要手術處理的部分,因為他們的病情更重,自然預期壽命更短。

行百里者半九十,也許有人會認為吉本再堅持一下,體外循環機就可能在他的手中得到完善了。但我們無意苛求吉本畢竟他已經為這一事業奉獻了二十餘年的青春,幾乎將體外循環機帶入臨床了實踐,我們的英雄累了。時代需要一位接力者將這項偉大的事業進行下去。目前的失敗只是暫時的,籠罩在心臟外科的悲觀情緒也不過是黎明前最後的黑暗了,那麼,這個將要喚醒黎明托起朝陽的人,又會是誰呢?

當時,體外循環應用於臨床試驗接連遭到失敗,然而相同的技術應用於動物實驗卻能不斷地產生不錯的存活率,這卻是為何?有學者解釋為那些最需要打開心臟做手術的病人,由於其衰竭和複雜的病變不能承受這種操作,而健康的實驗動物則沒問題。這一結論看似擁有無懈可擊的邏輯,他們相信問題並不在於灌注技術或心肺機,而是病人病態的心臟本身導致了失敗,他們不能在承受這種強度的手術打擊之後,還能恢復良好的射血功能,而同樣的打擊在健康的狗身上則沒問題。由於這種「病態心臟」的理論很好地解釋了相同的技術在病人和健康動物身上明顯不同的結果,因而被廣泛接受,甚至導致研究人員質疑心臟直視手術的終極價值。

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通常,理論往往是落後於實踐的,事後諸葛亮似的總結,如果能上升為正確的理論,那麼將反過來極大地推進實踐,如果是錯誤的理論,則將影響甚至延緩實踐的腳步,很不幸,這一「病態心臟」理論屬於後者。

很顯然,作為主帥的吉本,其臨陣易幟對體外循環機的研發事業是個不小的打擊,但即使在如此慘淡的情況下中,仍然有猛士堅持下來。比如吉本的好友,體外循環機的另一位研究者,明尼蘇達大學教授丹尼斯就是其中的一位,他在1955 年 6 月也成功地進行了體外循環下心內直視手術,這是世界第 2 例。但使整個事件發生根本性轉機的卻另有其人,他是同屬明尼蘇達大學的外科醫生沃爾頓‧來裡赫(C. Walton Lillehei,1919——1999)。

如果說在他之前的開拓者們體現了無與倫比的智慧與勇氣的話,那麼來裡赫的所作所為則已幾乎超越了人類想像的極限。1954年這個看起來近乎瘋狂的傢伙居然試圖以患兒的父親作為「心肺機」,用活人交叉循環的方法挑戰歷史上首例室間隔缺損的修補術,他能成功麼?他是怎麼想到這一招的呢?

50年代初來裡赫也想開展有關體外循環的動物實驗,可遺憾的是他沒有人工心肺機的實驗條件,你要造飯,可你居然連鍋都沒有,這不是扯淡麼?當然有人可能會想到,如果餓急了,想把食物弄熟也不是非有鍋不可,你可以採用原始的方法嘛,直接用火烤成不成?那麼人體體外的循環除了人工心肺機而外,還有別的什麼原始途徑麼?我們人類社會再回到原始形態當然是不可能了,但是人之初的形態又是如何的?人不是出生以後才有自己的呼吸的麼?那之前怎麼存活的?

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這一靈光乍現的思路,來自來裡赫的助手莫利(Morley),既然胎兒可以從胎盤獲得氧合血,我們為什麼不能用動物實驗來模擬這種情形呢?這真的又是一個幸運的遺憾!當年布萊洛克因為遺憾地沒能如願以償地建立肺動脈高壓的動物模型,導致了塔西格與其聯手,創立了經典的術式B-T分流。而今,來裡赫因為實驗條件限制這一看似被逼到無奈的遺憾,居然使其迸發出以活體作為「心肺機」這一神奇構想,而這一構想恰恰為已經看似山窮水盡的體外循環的研究,帶來了柳暗花明的一線轉機。

他們用兩條狗進行心臟手術,一條是手術狗,為受體;另一條模擬胎盤的原理當作氧合器,稱為供體。這是一種新的體外循環方法「交叉循環法」。動物實驗進行的較為順利,1953年10月22日第一例交叉循環動物實驗即大獲成功。同時一個意外的發現是,實驗動物的術後恢復如此之快狀態如此之好,是此前用人工心肺機從未有過的。又經過幾個月的系統改進及有關機制的深入研究,成竹在胸的來裡赫認定,在人工心肺機幾乎缺席體外循環人體試驗的關口,這項全新的技術值得進行一項人體試驗。

交叉循環法的原理為,在同樣的時間裡使病人和正常的供體之間交換等量的血流,通過循環泵來控制流量,而心臟的靜脈流入則完全阻斷,以保證可直視下切開心臟。一旦病人與供體建立連接,該病人的身體就可以不斷地得到充分氧合後的血液供應。沒有複雜的機器也不需要調解動態的平衡,因為供體的循環及時自動地承擔著這些重要職能。這就解釋了為什麼實驗動物的術後恢復較以前為快。這一方法至少從理論上似乎既規避了應用低溫和體外循環實驗過程中相關的常見的併發症,且沒有時間限制。

這一想法剛一拋出就引起悍然大波,這對已有的外科實踐體系的是一個極大背叛。讓一個健康的人在手術室裡冒著潛在的危險(不管多麼小)作為供體循環,哪怕只是暫時的,也是不能被接受的,有些批評者甚至說,你們想要創造歷史麼?想要做外科歷史上第一個可能死亡率為200%的手術?

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雖然這些激烈的批評令來裡赫倍感焦慮,然而,箭在弦上不得不發,他還是向其導師歐文‧H‧王更(Owen H. Wangensteen,1899-1981)正式遞交了試驗申請。歐文力排眾議批准了該試驗計畫,他在批准書答覆道:親愛的來裡赫,放手去幹,別的事情你不用操心。短短的一句話,寄託了歐文無盡的期待,在當時,若沒有他的鼎力支持,這一項意義重大關乎心臟外科發展前途的試驗絕不會進行的如此順利。1981年1月歐文‧H‧王更去世後,醫學界對其讚譽有加,評論者認為,明尼蘇達大學能夠在上世紀50年代對心外科的發展做出許多開創性的貢獻,與其英明領導是分不開的。

1954年3月26日是心臟外科歷史上最令人激動不已的日子。來裡赫和他的三個年輕的同事,以患兒的父親作為供體,用交叉循環的方法完成了歷史上首例室間隔修補術,整個手術過程十分順利,父子平安。看台上,一直為自己的愛徒捏了一把汗的歐文,第一個向來裡赫表達了祝賀。

這一幕如果能夠被搬上銀幕,即使是最蹩腳的導演,也足以使影院裡的多數人痛哭失聲。當我知道心外科歷史這一細節時,除了對來裡赫的創見驚訝不已而外,作為供體的父親尤其讓我感動萬分。試想在當時,這一試驗在一片激烈的反對聲中勉強得以實施,手術過程中將會發生什麼,沒有人可以預料的到。當這一對父子在麻醉前深情地對望一眼之後,他們是否有可能活著再見?大愛無言父愛如山,這位勇敢的父親,在這樣一個空前事件裡,為這一箴言做出了最好的註解。

科學,畢竟是人的科學,歷史,永遠將是人的歷史,這一段煙花般絢麗的科學史中,最為耀眼的也許恰恰就是人性不朽的光輝。

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可是,我們是否高興的太早了呢?別忘了,想當初吉本第一次在人工心肺機體外循環下的手術成功之後,就再沒能重複這一結果,同樣的悲劇會再次上演麼?

箭頭為血流方向

第五章、托起朝陽,霞光萬丈

都說孩子是一個家庭的希望,好比初升的太陽,那麼這些為拯救萬千孩子性命而勇敢探索孜孜以求的科學家,無疑就是那修復希望托起朝陽的巨人。

1954年和1955年之間,幾乎是孤軍奮戰的來裡赫團隊通過使用親子之間的交叉循環,為存在複雜心臟畸形的45位兒童施行了直視下的心臟手術。所有這些這些複雜的病變都是靠以前既有的技術無法解決的。全部接受手術的45名嚴重受損的病人中,有28名複雜的心臟畸形得到了治癒,45個循環供體均得以存活,但還是有一例發生了心臟驟停,需要打開胸腔進行心臟按摩,這當然是一重大事故。到1986年,術後30年隨訪的結果為22名(49%)仍然活著,並過著有質量的生活。

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這些顯著的臨床試驗結果,顯然比其非凡的手術技巧更令人吃驚,這使當初吉本暫時失利之後學術界盛行一時的「病態心臟」理論被徹底打破了,心外科開始走出低谷,進入了一個快速發展的階段。

來裡赫所取得的巨大成功,將明尼蘇達大學醫院一下變成了世界心臟外科學的第一重鎮,各地的參觀學習者絡繹不絕,後來這些參觀者中又有人續寫輝煌,這已是後話。但來裡赫卻並沒有被一時的勝利所沖昏頭腦,他清醒地認識到目前這種方法,供體的自我平衡機制,將自動糾正無數不知名的由於全身灌注引起的生理學紊亂,這對於供體的健康來說顯然是存在潛在威脅的。也正是由於這個原因,活體交叉循環技術並沒有得到廣泛開展。因此他預言到:交叉循環的臨床經驗——尤其是對供體的不良影響,使我們清楚它顯然不可能一直作為體外循環技術,為了病人和尤其是供體的安全問題,必將會發展出一種超越這項技術的體外循環措施。

於是,包括他本人在內,許多研究者又重新開始重視人工體外循環的研究,在吉本研究的基礎上,對心肺機做了進一步改進和完善。

不得不得承認,到目前為止,在已被應用到心外手術的技術中,交叉循環是最符合病人生理的技術。放棄一個在生理上近乎完美的技術,轉而採用了一個至少目前看來比交叉循環在生理上尚有不足的技術,來裡赫醫生的這一作為在外科醫學史上是令人歎服的,但又似乎是倫理學壓力之下必然的選擇,你不能總在每次做手術的時候,都讓另一個健康的人冒著一定風險,而且一旦發生重大失敗,真的可能是兩條命都交代了。

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來裡赫的預言很快得到了證實,到1958年的時候,僅僅在吉本第一次體外循環下手術成功的5年之後,畢業於哈佛醫學院的約翰‧韋伯斯特‧柯克林(John Webster Kirklin,1917-2004)即報導了在梅奧診所成功地應用梅奧-吉本設備在體外循環進行的245例手術 。柯克林改進了吉本的心肺機,發展了安全可行可靠的體外循環措施,取代了交叉循環成為心內直視手術的首選方法。想當初吉本對同梅奧診所的柯克林分享這一藍圖是非常猶豫的,因為他擔心由於梅奧診所強大的實力,會先於他完成第一例體外循環下的心臟手術。不過感謝上帝,吉本最終還是和盤托出了他的技術,而最後恰恰是梅奧診所將這項技術的應用推向了極致,為紀念吉本的卓越貢獻,他們將改進後的設備命名為「梅奧-吉本」。如果當時吉本由於一己之私而選擇了保守,這項大業跌入谷底而無法一時中興也未可知。這種胸懷,是那些只知道傳男不傳女傳內不傳外的江湖人士永遠無法理解的。

低溫在此時則已成為心臟手術的常規並行手段,用以減少單獨應用體外循環對人體固有的損害——在血流減少的時間段內保護重要的臟器,如腦、心臟和脊髓。

自此,由於有了體外循環技術這一有力的武器,心外科醫生可以從容地在無血的術野下,對心臟進行精細的矯正與修補,挑戰更複雜的手術,從此成為可能。陰魂不散的比爾羅特魔咒此時才被徹底擺脫了,心外科一掃陰霾,飛速發展,手術適應證範圍不斷擴大。後來甚至出現過三個獨立的研究者,分別在幾乎相同的時期內發展了同一術式,由於無法確定究竟誰是第一個,學界只好把這一手術命名為Damus-Kaye-Stansel手術,排排坐吃果果,你們仨別囉嗦!而這一術式糾正的畸形又絕不簡單——單心室,也即只有2個心房一個心室,這不跟兩棲動物的蛤蟆一樣麼!由於這一手術太過複雜,本文就不再細說了。至今,心臟外科仍是極富挑戰且集中了最多前沿技術的外科分支之一,這一朵最年輕的外科之花,在經歷了無數淒風冷雨之後,終於可以在萬丈的霞光之中,精彩綻放。

第六章、尾聲

儘管心外科此後的發展仍不乏精彩的片段,可故事至此,似乎已可以告一段落,但這些拓荒者的事蹟留給我們的思考卻不應該就這麼早結束。

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在當時,來裡赫所取得的巨大成功,使得來明尼蘇達大學醫院的參觀學習者紛至沓來,這其中有一位來自南非開普敦的外科醫生剋裡斯提安‧巴納德(Christiaan Barnard,1922–2002),他在1967年12月3日的石破天驚之舉,再次續寫了心臟外科的輝煌:人類歷史上第一例同種異體心臟移植獲得成功。這也絕不會是一個尋常的故事……另外,必須要說明的是,人工心肺體外循環這一技術,至今雖已相當成熟,但遠非盡善盡美,更非絕對安全,併發症如中風,凝血功能障礙,對血液成份的破壞等,促使外科醫生開始考慮使用體外循環之外的替代方案,這又將是另一番堅苦卓絕征程了。

我必須要說明的是,這段時期裡對心外科的發展起過重要貢獻的人,絕不僅僅是我在文中提到的幾位,只不過為了方便敘事集中線索,不得不忍痛割愛了一些人物,甚至已經提到的這些大師,由於同樣的原因,也未能將其全部貢獻徹底展開。

以哈肯為例,此人除了在二戰中連續為130個在戰鬥中負傷的士兵取出心臟彈片,嘗試進行心臟閉式手術,為心外科的發展做出了必要的前期鋪墊這一貢獻而外,他還是世界上提出重症監護(intensive care)這一理念的第一人,並建立了世界上第一個重症監護室(intensive care unit,ICU),而今ICU早已遍地開花,成為衡量一所醫院綜合實力的重要指標。ICU的創建,極大提高了重症救護的質量,每年全世界因之而獲得新生的病人難以數計。

我們不妨對這一時期的重要事件進行一下簡單的梳理。1938年格羅斯成功地完成了對動脈導管未閉的結紮,為其贏得了巨大榮譽;但由於其忽略塔西格理論的價值所在,使得塔西格轉而和布萊洛克聯手於1944年確立了B-T分流術,是為心臟手術的破冰之舉,而這一術式得以創立的重要因素之一,居然是由於布萊洛克沒能成功地建立肺動脈高壓的動物模型。在1940年代中期B-T分流術一枝獨秀,許多人前來參觀學習,比奇洛創新的激情在此被點燃,發展了低溫的理念;而他在學術會議上的實驗報告又啟發了劉易斯,使後者得以在低溫的手段下完成了人類歷史上第一次心內直視的手術;從封閉手術到直視下從容細緻的心臟外科時代,低溫扮演著重要的橋樑角色;而且,中度低溫的應用,心臟停跳的誘導,深低溫下阻斷循環也為體外循環的使用留下了寶貴的遺產。而在低溫手段在心臟外科方面已取得優異的初步戰果,很多外科醫生駐足不前的情況下,吉本卻在重重困難之下,歷盡二十年辛苦,為心外科的發展,邁出了至為關鍵的一步——將人工心肺機帶入了臨床實踐。

雖然,體外循環機的最終確立應用是由來裡赫和柯克林等人完成的,雖然所有文中提到的人物都在這一歷史進程當中發揮了重要作用,但筆者仍然認為,若以功勞大小計,吉本是當之無愧的第一功臣。

吉本作為一個外科醫生,最大的與眾不同之處在於他對理論思維的追求,他認為在現代要做一個傑出的外科學家,科學的頭腦、紮實的理論基礎、廣泛的新知識,是比靈巧的雙手更為重要的成功因素。對基礎學科知識的廣泛涉獵,使他高屋建瓴,能夠敏銳地發現當代醫學所面臨的最關鍵的挑戰。惟其如此,吉本才能在對個人而言漫長的、近20年的時間裡愈挫愈奮,默默地承受著世人的誤解、諷刺和打擊,成就了這樣一番開拓性的偉業。

他的悲劇性在於,由於時代的侷限,他第一次手術的成功並沒有很快得到認可,學術界也並沒有將其宣佈為一重要事件——其重要性是後來逐步呈現的。我們現在知道該成就作為外科及醫學上的一大進展足以和麻醉及抗生素的出現相提並論。多年以後,當諾貝爾獎金委員會請 Clarence Dennis 與 Jonathan Rhoads兩位教授提交醫學獎金候選者名單時, 兩人不約而同都提吉本為候選人。這一獎項對吉本來說真的應該是名至實歸,但遺憾的是吉本已於1973 年2 月5 日逝世,委員會以授獎於死者未有先例為由,拒絕接納。如此重大的醫學領域上的成就竟與這麼重要的「炸藥獎」失之交臂,誠屬一大憾事。但是我想,縱使吉本泉下有知,他也未必會為自己沒能獲得這個勞什子「炸藥獎」而有太多遺憾,畢竟,由他開創的事業後繼有人,這一技術終於走向成熟,大量的病人因此獲救,這些,已足以讓這位居功至偉的無冕之王含笑九泉了吧。

但是,這些遺憾也說明,心臟外科這種極具挑戰性的探索,是不大可能由一到兩個天才就可以完成的,也注定了其過程是不會一帆風順的。吉本嘔心瀝血二十餘年,中途因連續的挫敗而易幟,使得來裡赫和柯克林嶄露頭角,這也許恰如格羅斯錯過了塔西格理論,而比奇洛止步於低溫措施,這種看似機緣巧合的遺憾,背後卻乎隱含著某種必然的歷史邏輯——心外科的發展史注定了將是群星閃耀,不容爾等尊榮獨享。

來裡赫亦是筆者十分欽佩的人物,似乎除「天才」二字之外無以形容其卓越,他的成功與其說是由於其不懈的努力和幸運,倒不如說因為他那敏銳的直覺或者說是對事物本質的深刻洞察力,誠然這種洞察力常常得益於對前人思維方式的突破,但這絕對是一種似乎與生俱來的高級的創造性思維能力——那些頭緒紛繁表面上看來無法解決的難題,其背後往往隱藏一個異常簡單的解決方法。也許只有來裡赫這樣的天才,在能當時軍心動搖一片悲觀的嚴峻形勢下,以「交叉循環」這一近乎瘋狂的天才構想扭轉乾坤,中興殘局。除了在前面提到的貢獻而外,他還對心臟起搏器的更新起到了極關鍵的作用,並一手成就了赫赫有名的美敦力公司的創業傳奇(關於心臟起搏器及美敦力公司的故事,我可能會在日後詳細寫)。

但即使天才如來裡赫,當其回顧心內直視手術起源時,情緒上仍不免帶有強烈的時代印記:

無數的失敗,失望,挫折和障礙,天然的,人為的。唯一的解決辦法是混合了堅持和固執的信念。

(There were innumerable failures, disappointments, frustrations, and obstacles-nature’s as well as man’s. The only solution was a mixture of persistence and stubbornness.)

全文完。

作者聲明:未經授權,禁止任何形式的轉載。 

PS:如有續集,純屬正常。目前完成的這部分文字,已被讀庫收稿,待該期出刊時,喜歡此文兼喜歡讀庫的讀者可予收藏。

關於本文

轉載於科學松鼠會 外科之花的艱難綻放系列,作者李清晨

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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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征服極端低溫!具有超強耐寒能力的細菌:冷紅科爾韋氏菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/10 ・1718字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • Colwellia psychrerythraea 
  • 冷紅科爾韋氏菌
  • 形狀:小桿狀
  • 顏色:淺紅色
  • 長:2.5 至 3.5 微米
  • 直徑:0.5 微米
  • 前進:使用鞭毛
冷紅科爾韋氏菌。圖/《細菌群像》。

攝氏 –196 度的世界

據當今研究結果所知,在生命出現的早期,地球上炎熱期與冰凍期交互出現,前者平均溫度可達攝氏五十度,後者溫度可低至地表完全凍結。火山爆發及隕石和小行星的撞擊,使地球溫度升高,經由化學反應及後來出現的生物反應消耗大氣層中的二氧化碳,又使地表變冷凍結。

對大多數的生物來說,今日地球是個既濕又冷的家。地表面積超過百分之七十全是海洋,其中三分之二又是寒冷的深海帶,終年溫度只有攝氏二至三度。地表上所有水域裡,淡水僅占百分之二點五,溫度卻也沒有太大差別:百分之九十的淡水,都儲存在極地冰塊及散布地球各處的冰河裡。

自人類開始定時測量並記錄溫度後,最低溫的紀錄是在南極測得的攝氏零下八十九點二度,不過那裡的溫度也從未上升到比結冰點還高。比較重要的是,有些地方雖有溫暖期,但在夜間或冬天會變得異常寒冷,像亞洲一些地方最高溫可達攝氏四十九度,但低溫時也會降到零下五十度。因此不難想像,為何這麼多的細菌都具有高溫差環境的適應力。

所有在低溫環境仍然活躍的細菌中,冷紅科爾韋氏菌特別引人注目:這種微生物在攝氏零下十度還可四處遊走,在攝氏零下二十度還能繼續生長分裂繁殖。甚至在攝氏零下一百九十六度超低溫環境,研究人員還可觀察到其新陳代謝的運作。

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冷紅科爾韋氏菌能在液態氮(這可是能將花朵瞬間凍成易碎玻璃的物質)中將胺基酸吸收並用來組成自己的細胞。此特性要歸功於它的保暖聚合物及在細胞外作用的酵素,讓它被包覆在網狀的分子結構裡,就像穿了一件毛衣,保護其免於水分形成整齊的冰晶結構。耐寒細菌的細胞壁結構類似液晶,在極冷和高壓下仍然可以保持液態,這也解釋了為何它同時也耐高壓。

掌握低溫生物技術

科爾韋氏菌屬發現於一九八八年,發表研究結果的作者建議以美國微生物學家麗塔.科爾韋(Rita Colwell)之名來命名,以示敬意。科爾韋生於一九三四年,在一九六○年代發現沿海水域有霍亂弧菌,而且常寄生在以藻類為食的浮游性橈腳類[1]動物上。

在氣候溫暖或養分過剩導致藻類大量繁殖時,就會吸引這些細小的甲殼類動物前來,細菌也就隨之而來。科爾韋發現這項事實後,立即成立安全用水供應網,設法以盡可能簡單的工具,例如自造的過濾器,防止因飲用水造成的傳播感染。

此後,她還與其他伙伴一起創立 CosmosID 公司,以期快速檢驗出環境樣本中的細菌。為了向她致敬,南極一座山塊[2]就以她的名字命名。冷紅科爾韋氏菌的種小名 psychrerythraea,則由希臘文 psychros(冷)及拉丁文 erythraeus(紅色)組成,因這個細菌嗜寒並含有紅色色素。

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科爾韋氏菌被應用於許多生物技術上。圖/envatoelements

冷紅科爾韋氏菌也可以在無氧的環境中存活,還可利用各種結構簡單或結構複雜的有機化合物做為養分。由於這種細菌能分解很多種含氮化合物,甚至還能利用硫來產能,因此相當適合利用它在寒冷地區處理環境污染問題。

除此之外,此種細菌也可能促進新疫苗的發明。科學家將病原菌重要的代謝基因替換成冷紅科爾韋氏菌的代謝基因,得到以下結果:病原菌在低溫下正常生長,但在常溫時停止生長,細胞逐漸死亡。這種弱化後的病原菌可用在活體疫苗,使身體在不受危害的狀況下產生足夠的免疫力。此法已在動物實驗中證實可行。

註解

  • [1] Copepoda,橈腳類或譯橈足類,海洋中數量眾多的一群甲殼動物。
  • [2] massif,又稱地塊,地質學中的一個結構單元,比構造板塊要小。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。

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低溫也是一種過敏源?寒冬外出小心「寒冷性蕁麻疹」
careonline_96
・2021/12/14 ・1470字 ・閱讀時間約 3 分鐘

天氣冷颼颼!想賞雪追雪小心危「肌」重重

12 月份氣溫驟降,過敏一族在這時候精神特別緊繃,特別是「寒冷性蕁麻疹」患者更容易因為未注意保暖,導致蕁麻疹發作。

其中「寒冷性蕁麻疹」屬於物理性慢性蕁麻疹,此類蕁麻疹患者通常對「低溫」敏感,只要稍微接觸如雪、冰水、冷空氣亦或是短時間內室內至室外溫度急速下降,即會產生風疹塊,導致全身紅腫、灼熱、發癢,嚴重時喉嚨和舌頭腫脹會影響呼吸,甚至少部分患者可能會引起全身性過敏反應而暈倒、心跳加速、血壓降低,皆會有危及生命的可能。

寒冷性蕁麻疹

 曾有位罹患「寒冷性蕁麻疹」男童,在學校上游泳課時因水溫較低,才剛跳進水中便馬上引發蕁痲疹,導致全身上下都佈滿紅色膨疹,隨後連呼吸道也跟著腫起來,幸好迅速就醫,症狀才穩定下來。

卓玉麗皮膚專科診所院長卓玉麗醫師建議「寒冷性蕁麻疹」患者除了需定時服藥,最好在知道會遇到冷因子一至兩小時前先服用抗組織胺藥物,同時也做好保暖、避免室內外溫差,冰水、冰冷食物等也需忌口,特別是冬季追雪活動盛行,也建議「寒冷性蕁麻疹」患者應避免前往。

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寒冷性蕁麻疹的治療與預防

 卓玉麗醫師表示目前蕁痲疹的治療以「新型第二代抗組織胺」為主,過往傳統的第一代抗組織胺藥物,雖可有效止癢、並阻止微血管擴張,但時常會造成口乾舌燥、嗜睡、頭昏無力等狀況,少部分患者甚至會出現視力模糊等副作用,雖為短效型藥物但其副作用在少數患者體內可能會持續很長時間,嚴重影響患者日常生活,使服藥順從性降低導致無法有效改善症狀。

以卓玉麗醫師的門診經驗來看,「新型第二代抗組織胺」其副作用發生機率大約只有百分之一,不僅有效改善因為第一代藥物引起的嗜睡、疲倦、注意力不集中等問題,更重要的是對於肝腎功能不佳的患者也不需減少劑量,為目前安全性高的藥物,且藥效在 1 小時內便能夠達到治療效果,並可持續 24 小時,減少患者的服藥次數,事半功倍。

根據臺灣皮膚科醫學會新版診治共識指示,如一般藥物治療仍無法讓病人症狀得到控制,即可將抗組織胺藥物最高調至四倍用量,若調高藥物劑量二至四週後仍然無法改善症狀,即可考慮使用生物製劑或免疫調節劑進行治療。卓玉麗醫師提及現今的治療流程簡明扼要,且因新一代藥物的發現及投入市場,使得蕁麻疹的控制更為有效。

除了配合醫師處方外,也提醒寒冷性蕁麻疹的患者千萬不要只在有症狀時才服藥,不僅無法控制症狀還會使先前的治療前功盡棄,必須將蕁麻疹看成是慢性病一樣治療,有耐心、信心配合醫囑長期服藥,方可穩定控制。

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