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系統識別號 U0002-1608201018110500
中文論文名稱 碎形明膠微圖案新穎製程之研究
英文論文名稱 Study on the Novel Fabrication of Micro Fractal Patterns on Gelatin
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 李佳展
研究生英文姓名 Chia-Chan Lee
學號 697370343
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-17
論文頁數 143頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-林世明
委員-林清彬
委員-楊錫杭
委員-李其源
中文關鍵字 明膠  鹽析  碎形微圖案  重鉻酸鉀  聚二甲基矽氧烷 
英文關鍵字 gelatin  salting out  micro fractal pattern  potassium dichromate  PDMS 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 材料之生物相容性是生醫微系統應用之重要課題,“取之於生物,用之於生醫”,基本上能滿足生物相容性之需求。明膠提煉自動物皮筋,天生是生醫微系統之好材料。以往的明膠微圖案,係以光刻微影方式,轉嫁光罩上之圖案到明膠薄膜上,再設法以紫外光、增感劑、或交聯劑硬化明膠微圖案。這樣的作法有兩個缺點:一是微圖案的樣式較簡單,二是有毒性殘留的問題。本研究主要目的即在發展一構型較複雜的天然碎形並分析其特性,主要是將無機鹽類加入過飽和明膠溶液,再旋轉塗佈於基板上,在室溫下析出明膠之天然樹枝狀碎形圖案。
本研究利用過飽和重鉻酸鉀明膠析出明膠碎形圖案,經測量,碎形圖案之最小線寬在10-100微米範圍,上下突起高度達5-10微米。在毒性殘留問題方面,解決方案為在明膠溶液中添加氯化鈉粉末以取代先前的重鉻酸鉀,調配成過飽和明膠混合液,再於室溫下自然析出,無毒之天然碎形。此碎形微圖案之最小線寬在10-20微米範圍,上下突起高度達2000-4000埃。以上兩種碎形微圖案,經由聚二甲基矽氧烷翻模之後的尺度,與細胞大小或微混合器之魚脊骨尺寸落在相近的尺度範圍內,故有機會製作相容性高之細胞培養基底,以及具有天然碎形圖案之被動式微混合器。

關鍵字:明膠,鹽析,碎形微圖案,重鉻酸鉀,聚二甲基矽氧烷。
英文摘要 Bio-compatibility is the one of the most primary concerns in biomedical fields. Gelatin is extracted from skins and bones of animals, satisfies the requirement of compatibility and is a good material to bio application. The prior art of gelatin machining uses photo-lithography to transfer micro patterns of the photomask to gelatin surfaces through ultra-violet light exposing and cross linking. The appropriate pattern design and the confirmation of toxic residuals are the two main technical issues. In this study, we proposed developing a novel gelatin micromachining technique which focuses on solving the first issue for gelatin micro patterns applied to stem cell culture with fractal dendrite configuration. Such a chaotic tree-like fractal patterns have been verified through precipitating among the gelatin film matrix which is spun coating on a glass substrate at the room temperature.
The weight percentage of the gelatin matrix is over-saturated. As the temperature decrease, the gelatine will crystallize and to form a natural fractal pattern. The minimum line width of the fractal patterns ranges from 10 to 100 micro-meter, and the height from 5 to 10 micron-meter. To solve the problem of toxic residuals, inorganic salt is used herein to replace the potassium dichromate and to create natural fractal micro patterns in gelatin. The feature size of the fractal pattern is then matching the scales of living cells or the herringbone ribs of the conventional chaotic micromixers, therefore we have the chance to fabricate a new cell culture substrate with bio-compatible manner or a new chaotic mixers embedded with the fractal patterns inside.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機 5
1-3文獻回顧 7
1-4研究目的 11
1-5論文架構 13
第二章 碎形介紹 16
2-1碎形理論介紹 16
2-2碎形基本特性 19
2-3碎形種類 20
2-4碎形圖案產生方法 22
2-5自然界中的碎形 22
第三章 製程材料與儀器設備介紹 24
3-1製程材料簡介 24
3-1-1明膠材料 24
3-1-2重鉻酸鉀 27
3-1-3戊二醛交聯劑 28
3-1-4聚對二甲苯 29
3-1-5聚二甲基矽氧烷 32
3-2實驗設備介紹 34
3-2-1光阻塗佈機 34
3-2-2表面形貌儀 34
3-2-3聚對二甲苯鍍膜機 34
3-2-4雙面光罩對準曝光機 35
3-2-5真空電子束蒸鍍機 36
3-2-6 3D共軛焦顯微鏡 37
3-2-7反應離子蝕刻機 38
3-2-8差式掃描熱量分析儀 40
第四章 天然碎形明膠之製作 41
4-1明膠濃度與膜厚測試 42
4-2明膠交聯微圖案 44
4-2-1戊二醛與明膠交聯製作微圖案 44
4-2-2戊二醛與明膠交聯成型微圖案修飾製程 46
4-2-3氧氣電漿蝕刻成型戊二醛交聯明膠製程 49
4-3感光明膠製程明膠微圖案 52
4-4天然碎形明膠製作 54
4-4-1鹽析法製作碎形微圖案 56
4-4-2明膠碎形微圖案製作 59
4-4-3晶圓切割載玻片限制感光明膠成長區塊 64
第五章 碎形明膠之改良 81
5-1利用Parylene包覆翻模製成PDMS底板碎形印章 81
5-2細胞培養箱與室溫之下長晶情形 86
5-3氯化鈉明膠薄膜 90
5-3-1氯化鈉明膠碎形微圖案製作 90
5-3-2氯化鈉及重鉻酸鉀明膠試片翻模製成PDMS 95
5-4 3D共軛焦表面形狀系統量測明膠試片 100
5-5原子力顯微鏡量測 106
5-5-1明膠試片與PDMS量測原子力顯微鏡 108
5-5-2蛋白脢蝕刻重鉻酸鉀與氯化鈉明膠量測原子力顯微鏡 112
5-6元素分析儀量測重鉻酸鉀PDMS 119
5-7本實驗飽和溶液 121
第六章 結論與後續工作 122
6-1結論 122
6-2未來研究方向 126
參考文獻 127
附錄A Parylene沉積膜厚與使用dimer克數對應圖 134
附錄B Parylene材料機械性質參數 135
附錄C 翻模SU-8流道製程參數 136
附錄D 碎形維度計算 137


圖目錄
圖1-1以五個注射式幫浦注入不同比例的NaCl、protein、buffer及PEG和與蛋白質溶液不互溶的油,藍色深淺表示NaCl濃度由濃到稀 10
圖1-2 Lysozyme蛋白質在不同組成的液滴下所獲得的結晶 10
圖1-3蛋白質結晶裝置圖,具有144個平行反應槽的蛋白質晶片 11
圖1-4論文架構圖 15
圖2-1天然碎形微圖案:(a)重鉻酸鉀明膠;(b)氯化鈉明膠 16
圖2-2卡區雪花 18
圖2-3大自然之中整片樹葉形狀 22
圖3-1重鉻酸鉀粉末 28
圖3-2聚對二甲苯N、C、D材料與化學結構 32
圖3-3 PDMS微型印章轉印蛋白質製作細胞微圖案 33
圖3-4 PDMS單體分子結構 33
圖3-5一般硬化劑之化學結構 33
圖3-6 3D共軛焦表面形狀量測系統 38
圖3-7差式掃瞄熱量分析儀 40
圖4-1隔水加熱溶解明膠粉末 43
圖4-2旋塗之前先對基材加熱 43
圖4-3明膠薄膜厚度與塗佈轉速之關係 44
圖4-4以戊二醛搭配光阻遮罩層製作明膠微結構:(a)塗佈明膠;(b)光蝕刻微影;(c)泡入戊二醛進行交聯;(d)去除光阻 46
圖4-5濃度45%戊二醛交聯劑進行明膠交聯 48
圖4-6無毛邊明膠微圖案:(a)TKU明膠微圖案放大50倍;(b)TKU明膠微圖案放大100倍;(c)蜂窩形明膠微圖案放大50倍;(d)蜂窩形明膠微圖案放大100倍 49
圖4-7氧氣電漿蝕刻成型戊二醛交聯明膠 51
圖4-8感光明膠製程明膠微圖案:(a)旋轉塗佈感光明膠溶液於基材上方;(b)曝照紫外光;(c)曝光後試片份置於80℃熱水溶除未感光的明膠;(d)高純度氮氣將多餘水分快速吹乾定型 54
圖4-9碎形微圖案之線寬 55
圖4-10碎形微圖案之高低曲線 56
圖4-11感光明膠表面析出後之玻片 58
圖4-12感光明膠碎形微圖案 58
圖4-13玻片周邊樹枝狀微結構 59
圖4-14購自SIGMA 之試藥級明膠粉末 62
圖4-15明膠粉末吸水膨潤後 62
圖4-16隔水加熱溶解明膠粉末 63
圖4-17重鉻酸鉀明膠溶液 63
圖4-18重鉻酸鉀晶體析出 63
圖4-19明膠鹽析重鉻酸鉀碎形微圖案 63
圖4-20 (梯形區域)碎形明膠之外貌 65
圖4-21島塊狀載玻片 65
圖4-22塗佈明膠於島塊之上 67
圖4-23樹枝狀的微結構 68
圖4-24不同溝槽切割間距的玻璃基板 69
圖4-25長、寬各500μm島塊放大200倍觀測所成長之碎形微圖案 69
圖4-26切割間距5000μm島塊狀載玻片 73
圖4-27 5000μm試片影像:(a)未作網格前;(b)製作20×20的網格後 73
圖4-28切割間距500μm島塊狀載玻片 73
圖4-29 500μm試片影像:(a)未作網格前;(b)製作10×10的網格後。 74
圖5-1表面呈現碎形微圖案 84
圖5-2試片與晶舟置入聚對二甲苯鍍膜機台中 84
圖5-3 PDMS矽膠沾黏parylene殘渣 85
圖5-4 PDMS翻模底板碎形微圖案 85
圖5-5切割好的重鉻酸鉀明膠試片 87
圖5-6重鉻酸鉀明膠試片與CO2反應呈碳黑色 87
圖5-7 SEM觀測細胞培養箱中的重鉻酸鉀明膠試片 88
圖5-8 SEM觀測黃光室中的重鉻酸鉀明膠試片 88
圖5-9樹枝狀微結構所產生更微小分支狀態 90
圖5-10購自SIGMA 之試藥級氯化鈉粉末 91
圖5-11疑似氯化鈉晶體析出 93
圖5-12明膠鹽析氯化鈉碎形微圖案 93
圖5-13氯化鈉碎形微圖案之線寬:12.90μm 94
圖5-14氯化鈉碎形微圖案之高低曲線差:2496A 94
圖5-15 PDMS翻模底板碎形微圖案:(a)重鉻酸鉀PDMS翻模底板;(b)氯化鈉PDMS翻模底板 96
圖5-16切割的PDMS:(a)重鉻酸鉀PDMS試片;(b)氯化鈉PDMS試片 97
圖5-17利用OM放大50倍觀測重鉻酸鉀PDMS試片 98
圖5-18利用OM放大50倍觀測氯化鈉PDMS試片 98
圖5-19利用SEM觀察重鉻酸鉀PDMS試片 99
圖5-20利用SEM觀察氯化鈉PDMS試片 99
圖5-21試片表面蒸鍍100A的Au金屬:(a)重鉻酸鉀明膠試片表面;(b)氯化鈉明膠試片表面 102
圖5-22利用OM觀測表面蒸鍍100A的Au:(a)重鉻酸鉀明膠試片;(b)氯化鈉明膠試片 102
圖5-23利用3D共軛焦顯微鏡量測重鉻酸鉀明膠試片 103
圖5-24利用3D共軛焦顯微鏡量測氯化鈉明膠試片 103
圖5-25共軛焦顯微鏡量測表面粗糙度:(a)重鉻酸鉀明膠試片;(b)氯化鈉明膠試片 104
圖5-26共軛焦顯微鏡量測高低曲線差:(a)重鉻酸鉀明膠試片;(b)氯化鈉明膠試片 105
圖5-27 AFM之架構–結合控溫及抽真空系統 106
圖5-28 AFM原理示意圖 107
圖5-29重鉻酸鉀明膠試片量測AFM:(a) 利用AFM掃描的範圍為20000×20000nm觀察;(b)以2D圖形作為觀測;(C)利用2D所觀測的圖形轉換為3D立體圖 109
圖5-30氯化鈉明膠試片量測AFM:(a) 利用AFM掃描的範圍為20000×20000nm觀察;(b)以2D圖形作為觀測;(C)利用2D所觀測的圖形轉換為3D立體圖 110
圖5-31重鉻酸鉀PDMS矽膠量測AFM:(a) 利用AFM掃描的範圍為20000×20000nm觀察;(b)以2D圖形作為觀測:(C)利用2D所觀測圖形轉換為3D立體圖 110
圖5-32氯化鈉PDMS矽膠量測AFM:(a) 利用AFM掃描的範圍為20000×20000nm觀察;(b)以2D圖形作為觀測;(C)利用2D所觀測的圖形轉換為3D立體圖 111
圖5-33重鉻酸鉀明膠試片量測AFM:(a)重鉻酸鉀碎形微圖案;(b)利用AFM掃描的範圍為20000×20000nm觀察;(c)以2D圖形作為觀測;(d)利用2D所觀測的圖形轉換為3D立體圖 113
圖5-34重鉻酸鉀明膠試片蝕刻前之高低曲線差:925.50nm 113
圖5-35重鉻酸鉀明膠添加蛋白脢溶液量測AFM:(a)重鉻酸鉀碎形微圖案;(b)利用AFM掃描的範圍為5000×5000nm觀察;(c)以2D圖形觀測蛋白脢溶液蝕刻情況;(d)利用2D所觀測的圖形轉換為3D立體圖 114
圖5-36重鉻酸鉀明膠試片添加蛋白脢溶液蝕刻10分鐘後之高低曲線差:718.10nm 114
圖5-37重鉻酸鉀明膠AFM掃描範圍10000×10000nm觀察 115
圖5-38氯化鈉明膠AFM掃描範圍20000×20000nm觀察 115
圖5-39氯化鈉明膠試片量測AFM:(a)氯化鈉複葉狀碎形微圖案;(b)利用AFM掃描的範圍為10000×10000nm觀察;(c)以2D圖形作為觀測;(d)利用2D所觀測的圖形轉換為3D立體圖 116
圖5-40氯化鈉明膠試片蝕刻前之高低曲線差:566.668nm 117
圖5-41氯化鈉明膠添加蛋白脢溶液量測AFM:(a)氯化鈉複葉狀碎形微圖案;(b)利用AFM掃描的範圍為10000×10000nm觀察;(c)以2D圖形觀測蛋白脢溶液蝕刻情況;(d)利用2D所觀測的圖形轉換為3D立體圖 117
圖5-42氯化鈉明膠試片添加蛋白脢溶液蝕刻10分鐘後之高低曲線差:140.93nm 118
圖5-43重鉻酸鉀PDMS矽膠試片疑似沾黏parylene殘渣 119
圖5-44 EDAX分析重鉻酸鉀PDMS矽膠試片:(a)觀測pdms矽膠部位;(b)觀測pdms矽膠上parylene部位 120
圖5-45理想溶液之相圖 121
圖5-46本實驗明膠溶液之相圖 121
圖6-1重鉻酸鉀明膠試片 124
圖6-2氯化鈉明膠試片 124
圖A-1 Parylene dimer克數與沉積膜厚對應曲線 134

表目錄
表2-1碎形的種類 21
表3-1共軛焦表面形狀量測系統 37
表4-1不同的空間侷限下成長碎形微結構之百分比 70
表4-2島塊尺寸5000μm網格數20×20計算碎形維度 75
表4-3島塊尺寸5000μm網格數30×30計算碎形維度 76
表4-4島塊尺寸1000μm網格數30×30計算碎形維度 77
表4-5島塊尺寸500μm網格數10×10計算碎形維度 78
表5-1明膠試片於不同環境結晶比較表 89
表5-2氯化鈉及重鉻酸鉀明膠試片比較 95
表6-1本研究與一般纖維母細胞製程比較 125
表D-1島塊5000μm計算碎形維度 137
表D-2島塊1000μm計算碎形維度 138
表D-3島塊500μm計算碎形維度 141
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