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Take Home Message
• 青蛙的皮膚具有疏水性和自我清潔的特性，表面微小的結構能夠與黏液共同作用，防止汙垢與細菌附著。
• 研究團隊利用嵌段共聚物和矽油，製備出類似青蛙皮膚具有奈米孔洞與多尺度結構的仿生抗汙塗層，達到抗生物汙染功能。
• 這種環保塗層可適用於航運、離岸風力發電和寒冷地區設備，降低航運成本與對環境的影響。

在戶外踏青涉水、弄得滿腳泥濘而苦惱萬分時，偶然瞥見石頭上的青蛙，讀者是否會好奇為什麼青蛙整天在泥地翻滾，身體卻總是這麼乾淨，不沾染汙泥呢？濕黏的青蛙表皮到底擁有什麼樣的魔法？事實上，青蛙的皮膚不僅是保護青蛙免受外界傷害的重要屏障，表面結構還蘊藏著無窮的奧祕。透過科學的視角可以發現，青蛙皮膚的結構與功能不僅是生物學上的奇觀，更能成為現代材料科學的重要靈感來源。

青蛙皮膚的乾淨祕訣

臺灣位處熱帶與亞熱帶氣候且地形與高度多變，非常適合青蛙繁衍生息。根據研究，臺灣擁有超過30 種青蛙，其中許多為臺灣特有種。兩棲類動物的皮膚具有密集的毛細血管網路，也是水分、離子和氣體在生物體內與周圍環境之間進行交換的主要區域。此外，牠們的皮膚腺體還會分泌黏液，這些黏液內所含的多種生物活性物質能保護身體表面免受乾燥、摩擦，以及微生物或其他掠食者的入侵。

為了研究青蛙表皮，筆者團隊使用掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）和穿透式電子顯微鏡（transmission electron microscope, TEM），近距離觀察多種臺灣本土特有種青蛙的表皮型態。在顯微鏡下，研究團隊發現青蛙皮膚上分散著小點狀的色素細胞（pigment cell）。此外，皮膚表面還含有許多緊密排列的圓形隆起，面積約為25×25 平方微米（μm²）。這些圓形隆起是位於皮膚黏膜下的大型漿液腺（serous gland），由不規則形狀且邊界明確的大型多面細胞覆蓋（圖一a）。值得注意的是，這些上皮細胞的外表面，無論是背部或腹部，均密集且均勻地覆蓋寬約400 奈米（nm）的次微米級凹槽。這些凹槽從皮膚表面延伸至皮膚底部，形成具有多孔結構的複雜圖案。而這些孔洞和溝槽有助於黏液的傳送與儲存，形成一層天然的長效保護膜，防止細菌附著與汙漬沾染。此外，這種特殊結構還能有效減少與水接觸的表面面積，也就是具有疏水（hydrophobic）特性，使水滴在表面迅速滑落，達到自我清潔（self-cleaning）的效果。

  
圖一（a）| 青蛙表面及側面結構（資料來源：作者提供）
中：蛙皮表面、右：蛙皮側面
   
圖一（b）| 仿生抗汙表面結構，與注入矽油前後，箭頭處表示矽油覆蓋處。（資料來源：作者提供）
左：利用原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）觀察、中：未灌注矽油、右：灌注矽油，箭頭處

源自青蛙皮特性的仿生抗汙技術

研究團隊受到蛙皮的啟發，試圖模仿它的結構製造抗汙塗層，並選擇一種可降解的嵌段共聚物（block copolymer, BCP）――聚苯乙烯－聚乳酸（PS-b-PLA）作為核心材料。嵌段共聚物是由兩種或兩種以上性質截然不同的高分子鏈段，以共價鍵鍵結而成的聚合物。由於各鏈段間不同的物理和化學性質，以及彼此互不相容的特性，使嵌段共聚物在特定環境中，例如溫度降低或濃度提高等情況下，能自發產生微相分離現象（microphase separation）。讀者可以想像一下，當油跟水碰在一起時，兩者因彼此不相容而產生分層；而若相分離發生在親水與親油的高分子鏈之間，形成奈米層級的相分離，則稱作微相分離現象，進而形成有序的週期性結構。此過程被稱為嵌段共聚物自組裝（self-assembly），也就是在不需要外力的情況下，物體會自發進行組裝，形成特殊結構。

換句話說，此嵌段共聚物經過適當的熱處理後，能夠得到由聚乳酸構成的三維網狀結構（network）。聚乳酸是一種可分解的高分子，經水解移除聚乳酸區塊後，可得到具有網狀奈米孔道分散的聚苯乙烯塗層，如同青蛙皮的結構。進一步透過外加應力或能量，讓表面產生皺褶結構，稱作表面皺褶化（wrinkling）技術，這使塗層變為具有多尺度（hierarchical） 結構的表面， 使微米皺褶表面散布著奈米孔洞。最後再注入矽油（silicone oil），即可形成類蛙皮的「滑潤液體注入的多孔表面」（slippery liquid-infused porous surfaces, SLIPS）塗層（圖一b）。這些多尺度結構不僅模仿蛙皮的表面特徵，還能讓填充的矽油形成穩定的滑溜界面。

仿生抗汙表面與抗生物汙染技術

為了測試仿生結構抗汙的效果，研究團隊以一種典型小球藻（Chlorella sp. DT）作為測試生物，評估帶有皺褶的仿生結構抗小球藻汙染的效果。首先，研究團隊將具有不同皺褶波長、但未注入潤滑劑的樣品浸入內有新鮮小球藻的培養液中，模擬戶外藻類環境，靜置數天以等待生物汙垢沉降。……【更多內容請閱讀科學月刊第663期】