黃偕倫、廖弘玉、張珮菁 / 工研院材化所
自然界存在數百萬個物種，為了適應環境，經過數億年發展出生物各種特性，包含高效、節能、多功能、自行組裝、多層次構造，以及能夠自我修復等特性。科學家研究、模仿這些生物材料特性，以仿生材料應用在各個產業中。紡織產業面臨綠色減碳製造時代的來臨，更需要低環境衝擊材料技術投入，利用生物合成的仿生材料永續性以及可循環性，可作為永續紡織產業關鍵環節。
【內文精選】
仿生紡織材料
地球上約有870萬種物種，各種物種為了適應環境演化至今的時間，比人類出現的時間至少早了數億年。自然界物種適應環境所需要的結構與功能，擁有令人嘆為觀止的生物材料特性，這些生物材料特性在含水、室溫、一般氣壓下生存的生物體內，經過一連串的化學反應，生成具有多功能性、自我修復、減廢、循環等特徵。有許多特性應用在紡織產業，著名的例子，如：蓮葉效應(Lotus Effect)，1997年科學家觀察並研究發現蓮葉自清潔(Selfcleaning)、防塵效應，發表了葉面疏水結構之後，有超過1,700篇的設計陸續出現，衣物的防潑水處理因此而誕生。除此之外，創新仿生蜘蛛絲材料以及自我修復材料的議題，近年來在學界與產業中，對於此機制探討與應用皆有新的進展與突破。仿生概念在紡織品中亦有各種應用，從纖維設計成型到整理加工段，已開發出許多特定機能的產品。
2. 烏賊特殊自我修復蛋白
生物體具有自我修復功能，例如：人類皮膚傷口癒合過程非常複雜，連續反應啟動有秩序的生理機制，完成組織修復。因此，在仿生自我修復功能，除了研究機制外，還需要尋找短時間可恢復結構完整性或防止裂紋擴展的特性，才有機會落實在材料上的應用。美國國防部資助美國賓州州立大學研究計畫，透過生物合成技術生產烏賊牙齒內的特殊自我修復蛋白，多含有甘胺酸與丙胺酸的重複序列，該研究的生物合成高強度蛋白質，局部加熱後，在一秒鐘內可觀察到自我修復功能，科學家發現修復機制來自於蛋白質中的β-sheet奈米結構，以物理性交聯修復受損的蛋白質鏈，圖二左邊顯示受損時，蛋白質鏈被切開後形成的空隙，利用新形成的β-sheet奈米結構(藍色位置)，將空隙修復；研究中調整不同的氫鍵位置，自我修復蛋白材料可具有不同的強度範圍的癒合特性(2~23 MPa)，突破目前修復材料的侷限性。這種具有自我修復的生物合成材料應用在紡織品中，藉此建立可自動修復的紡織品。
圖二、蛋白質中的β-sheet奈米結構，交聯修復受損的蛋白質自我修復機制
日本Spiber Inc.自2007年成立以來，專注開發類蜘蛛絲蛋白質研究，近期與慶應義塾大學(Keio University)發表最新的蜘蛛絲數據庫，將1,098種蜘蛛的蛋白質定序結果及其纖維的物理特性系統化分析整理，建構出蜘蛛拉絲的壺腹絲蛋白家族蛋白質功能圖譜，並將此資料庫公開，作為蜘蛛絲生物材料設計科學的基礎。
3. 生物表面結構之仿生材料
(1) 低表面阻力的鯊魚皮膚結構
鯊魚是在水中具高效率快速移動並保持浮力的物種之一，這是因為其皮膚特殊巧妙的抗阻力設計，科學家利用電子顯微鏡研究發現鯊魚皮的齒狀鱗片(圖四)，稱為真皮小齒，帶有縱向凹槽(與局部水流方向平行排列)，能使水更靠近鯊魚的身體，從而減少表面5~10%的阻力。這種精細的微觀結構分布在鯊魚的大部分身體上，會因游泳時參與流體動力平衡的身體部位不同而在微觀結構上有差異。此外，獨特的鯊魚鱗片結構另一個顯著特徵，是其作為抗菌污垢表面的微觀形貌，使得微生物不適合附著在這種有凹槽的表面上。
圖四、鯊魚皮的齒狀鱗片與水流示意圖
受到鯊魚鱗片啟發，科學家們設計以這種結構概念開發不須化學處理的抗菌纖維材料並對降阻力進行研究。現在，已有泳衣品牌Speedo與纖維開發廠商HeiQ開發Fastskin系列產品，為根據鯊魚皮膚的流體動力學原理所設計的泳衣。哈佛大學魚類學研究分析齒狀鱗片的用途，同時也比對測試Speedo Fastskin的相似性。科學家認為，當水在鯊魚皮膚上移動時，齒狀鱗片會產生一個低壓區，稱為前緣渦流，這個低壓區具有向前吸力的力量，鱗片增強了這種前緣渦流，造成降阻力的現象。Speedo Fastskin使用模仿鯊魚鱗片微觀特徵的新纖維和編織技術，製成的泳衣緊緊地貼在游泳者的身體上，通過抑制緊鄰皮膚的水層湍流，獲得---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》432期，更多資料請見下方附檔。