鍾宜璋 / 高雄大學化材系、健康及仿生科技研究中心
疫情後的抗菌市場發展
抗菌塗料市場規模方面，預計2025年為47.6億美元，到2030年將達到68.4億美元，預測期內複合年成長率超過7.5%(圖一)。醫療保健是智慧抗菌塗料使用最多的主要產業之一，這些塗層主要用於手術器械，其中抗菌添加劑被納入醫療設備和家具中，作為預防和控制醫療環境中感染的解決方案。抗菌塗層也用於手術口罩、手套、繃帶、傷口敷料、醫院紡織品(機織和不織布)等。醫療應用抗菌塗料的最大市場需求在北美和歐洲，這些地區投入大量的研發投資，並持續致力於開發先進的醫療器材與設備。而美國擁有全球最大的醫療市場占有率，醫療產業發展迅速。根據聯邦基金預測，2021年美國把GDP的17.8%用於醫療保健。到2028年，美國醫療保健支出將達到6.2兆美元……
可廣泛殺菌、無抗藥性的抗菌劑
目前抗菌的產品多半使用抗菌劑，長期使用容易產生過敏現象。抗菌劑的種類大致可分為無機類、有機類和天然物等三大類。其中無機類大多使用含有抗菌金屬離子或奈米粒子如銀、鋅、銅等，這些用於塗層常常被塗料本身覆蓋；或是二氧化鈦等光觸媒，但其必須有紫外光照射，且在有水、氧存在時才具有殺菌作用。有機類和天然物則是如酚類、醇類、醛類、酸類、鹼類、氧化劑、界面活性劑、萃取藥物等為主原料，以破壞細菌的細胞壁和細胞內的酵素等作用為主，但是在某一劑量上，為了降低對人類細胞的傷害，其添加量往往極少，最多只是短暫時間的抗菌，或是一次性的效果；如果增加劑量，就會對人體細胞產生類似的傷害，甚至長期藥物的使用往往使細菌具有抗藥性，使殺菌效果大降，需要使用更強的殺菌劑。因此，抗菌性和毒性往往僅是一線之隔。
有一種抗菌技術，未使用抗菌金屬，也沒有對抗特定細菌或病毒的化學藥劑，是一種具有廣泛抗菌效果且沒有抗藥性，且可以仿生抗菌設計，就是：N-鹵胺抗菌。鹵胺抗菌的靈感來自大自然自身的病原體對抗機制。人體免疫反應通過將體內鹽分中的氯離子，藉由體內的氧化還原作用，把氯離子轉換成次氯酸，再與蛋白質中的醯胺鍵附著，尤其是體內有非常親水的氨基酸，可以產生N-氯胺來殺死病原體。氯胺通過將活性氯釋放到細胞壁中來殺死病原體，活性氯則變成和鹽巴一樣的氯離子產物，然後可以不斷有氯原子的補充再利用(如圖二)。基質材料經過表面處理後，使表面被固定上胺根基團，再經過泡製稀釋的次氯酸鈉，即可使表面具有氯胺分子結構，此結構可長時間釋放活性分子，殺菌後也不產生有害分子，具有長時間抗菌、主動殺菌的效果。殺菌結束後，可以再泡製次氯酸鈉溶液，使表面的抗菌效果可以再生，如此重複泡製，可以重複使用，成為一可以再生、綠色的主動抗菌布料……
圖二、綠色的主動抗菌布料示意圖
結合仿貽貝與氯胺抗菌的設計
各種材料抗菌化的表面改質，主要策略是以操縱材料表面與其所接觸細菌之間的界面相互作用，而不改變材料內部特性為佳。而且，由於材料表面能和化學分子間力的差異，尋找通用的表面處理方法應該是科學家想要攻克的研究主題。自從Messersmith教授和他的同事受貽貝分泌的黏性足絲的啟發，在許多材料表面上進行表面處理，包括抗沾黏的聚四氟乙烯材料也可行(圖十二)。因此，聚多巴胺因其廣用的附著性、生物相容性、和易用性而受到廣泛關注。
貽貝分泌的足絲中，讓科學家應用最廣的就是多巴胺(Dopamine)，其具有鄰苯二酚的結構，可以與極性物質產生吸附的錨定；自由的胺基則進行苯環的親核攻擊，形成5,6-dihydroxyindole，然後聚合形成polydopamine(圖十三)。不過這個機制還是存在一些疑慮和討論，需要更多的釐清。多巴胺作為一種可以在鹼性中進行氧化或利用UV誘導、自由基誘導聚合反應，又具有可以鍵結在表面的二酚，非常適合作為表面塗層的設計。在N-氯胺的應用上，其聚合鏈上留下來的一級、二級胺，可以與次氯酸鈉反應，形成穩定的N-氯胺，就可具有殺菌的效果。所以這是一種仿貽貝概念的氯胺殺菌設計。在以聚多巴胺作為N-氯胺材料的研究中，其應用上的特點包括---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十三、多巴胺自身氧化和聚合的機制