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系統識別號 U0002-2908201309343500
中文論文名稱 低毒性碎形明膠與其在人工血管之應用
英文論文名稱 Low Toxicity Fractal Gelatin and Its Application to Artificial Blood Vessels
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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 梁家旗
研究生英文姓名 Jia-Chi Liang
學號 600370802
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-06-21
論文頁數 79頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-張天立
委員-韓謝忱
中文關鍵字 明膠  鹽析  碎形微圖案  硫酸鉀  人工血管 
英文關鍵字 Gelatin  Saltimg out  Fractal  Potassium Sulfate  Artificial Blood Vessels 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文前半部選出一種低毒性的鹽類硫酸鉀,讓硫酸鉀和明膠混合後進行反應,因為明膠是種蛋白質,而蛋白質會和硫酸鉀產生鹽析反應,反應後析出的蛋白質會沉澱在基材上面做類似碎形圖案的排列。本文也針對不同的明膠和硫酸鉀的濃度搭配下,產生的碎形高度做實驗量測和分析。另外,本文也針對碎形明膠薄膜作毒性的分析,在碎形明膠薄膜上直接培養細胞,並利用細胞計數的方式,直接計算細胞的數量在明膠薄膜上面可以成功的貼附和繁殖。將所成形的碎形圖案乾燥後可以做為模具,再利用矽膠進行翻模,製作具碎形流道之矽膠人工血管。
本文後半部則利用具碎形微流道之矽膠晶片,進行10μL/min之2小時灌流實驗,其中填以微球體與HepG2肝癌細胞,結果顯示,HepG2細胞在該表粗3nm之碎形流道內壁有沾黏現象,與單一矽膠流道結果類似。
英文摘要 The first part of this thesis is to select a kind of low-toxicity salt, potassium sulfate (K2SO4), as an ingredient to gelatin solution. With over-saturation of weight percentage of potassium sulfate in the gelatin solution the salting reaction occurs while cooling, and the fractal gelatin patterns appear gradually. The author tries many combinations of the K2SO4-gelatin solutions to find out the thickest fractal gelatin pattern of 9.24 μm thick by 20% gelatin and 7.5% K2SO4. The author also cultures living cells above the gelatin samples to investigate the toxicity of the K2SO4-gelatin film by counting the number of cells. The author moreover uses the PDMS molding method to transfer the fractal patterns from the gelatin motherboard to a PDMS flow chip to animate the artificial blood vessel herein.
The second part of this thesis is to describe how to use the PDMS flow chip or artificial vessel with fractal patterns to perform the liquid filling experiment. Two kinds of dynamic filling liquids using polystyrene (PS) microbeads of 5 μm size and HepG2 cells are dosed into the PDMS flow chip by a syringe pump for 2 hours with a flow rate of 10 μL/min. The author records the attachment area change of HepG2 cells in the PDMS microchannel for every 10 min. The preliminary result of the dynamic cell filling shows that HepG2 in the fractal microchannel have the similar adhesion behavior as the case using single microchannel with 3 nm surface roughness.
論文目次 目錄 III
圖目錄 V
表目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 文獻回顧 1
1-2 研究目的與動機 6
1-3 論文架構 7
第二章 低毒性碎形明膠 10
2-1硫酸鉀 11
2-2碎形明膠圖案 11
2-2-1 硫酸鉀碎形調配和塗佈 12
2-2-2 硫酸鉀碎形高度和膜厚分析 13
第三章 碎形明膠毒性測試 28
3-1 細胞培養於明膠薄膜 28
3-1-1 細胞溶液調配步驟 28
3-1-2 培養細胞在硫酸鉀明膠薄膜表面步驟 29
3-2 細胞計數 30
3-2-1 細胞計數步驟 30
3-2-2計數結果 31
第四章 碎形微流道動態灌流實驗 34
4-1 流道晶片製作 34
4-1-1 玻璃片清潔步驟 34
4-1-2 PDMS清潔步驟 35
4-1-3 RIE氧氣電漿接合 35
4-2 動態灌流實驗 37
4-2-1 微球體灌流 38
4-2-2 癌細胞灌流實驗 52
第五章 結論 68
參考文獻 69
附錄A 73
A-1 硫酸氨 73
A-2 硫酸銅 74
A-3 硫酸鈣 74
A-4 磷酸氫鈣 75
附錄B 76
B-1 島塊製作 76
B-2 碎形明膠在島塊上成長 78


圖目錄
圖1-1 M. J. Kim 之PLGA 人工血管製造示意 ....................................... 1
圖1-2 微圖案共同培養的細胞片的製作和傳輸的程序 ........................ 2
圖1-3 H. Wang 的PU /肝素明膠人造血管示意圖 .................................. 3
圖1-4 PU /肝素明膠管人工血管的SEM 圖。(a)人工血管和尺對照圖
(b)SEM 拍攝人工血管內層(明膠肝素,肝素wt1%)圖(c)SEM
拍攝人工血管外層(PU)圖 ............................................................. 3
圖1-5 陳柏宏完成之血管流道 ................................................................ 4
圖1-6 明膠微圖案細胞生長選擇性測試:(a)培養48 小時;(b)培養72
小時,明膠微圖案表面細胞密度:64800cells/cm2,試片基
材表面上細胞密度:400cells/cm2 ................................................ 5
圖1-7 徐智文的微流道製作流程圖 ........................................................ 5
圖1-8 呂傑文動態細胞灌流結果 ............................................................ 6
圖1-9 論文架構圖 .................................................................................... 9
圖2-1 10wt% 明膠 2.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm (b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ...................... 14
圖2-2 10wt% 明膠 5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm (b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ...................... 15
圖2-3 10wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 16
圖2-4 15wt% 明膠 2.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 17
圖2-5 15wt% 明膠 5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 18
圖2-6 15wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 19
圖2-7 20wt% 明膠 2.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 20
圖2-8 20wt% 明膠 5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 21
圖2-9 20wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 22
圖2-10 25wt% 明膠2.5wt%硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 23
圖2-11 25wt% 明膠 5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 24
圖2-12 25wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形圖案樣貌
(a)500rpm(b)1000 rpm (c)1500 rpm (d)2000 rpm ....................... 25
圖2-13 15%明膠和不同濃度硫酸鉀混合後產生碎形高度,隨塗佈轉
速之變化 ...................................................................................... 26
圖2-14 20%明膠和不同濃度硫酸鉀混合後產生碎形高度,隨塗佈轉
IX
速之變化 ...................................................................................... 27
圖2-15 25%明膠和不同濃度硫酸鉀混合後產生碎形高度,隨塗佈轉
速之變化 ...................................................................................... 27
圖3-1 (a)明膠碎形(b)滴上含細胞培養液(c)放入培養皿 ..................... 30
圖3-2 細胞貼覆硫酸鉀明膠情況(a)培養盒(b)以OM 觀察 ................ 32
圖3-3 貼附硫酸鉀明膠與重鉻酸鉀細胞數量比較 ............................... 33
圖4-1 PDMS 經氧氣電漿表面處理示意 ............................................... 36
圖4-2 完成流道圖 .................................................................................. 37
圖4-3 碎形明膠流道以DI 純水進行灌流之入水口照片(a)灌流前(b)
灌流後........................................................................................... 38
圖4-4 微球體進行灌流之灌流前(0 分鐘)之入水口照片 ..................... 39
圖4-5 微球體灌流10 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............... 40
圖4-6 微球體灌流20 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............... 41
圖4-7 微球體灌流30 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............... 42
圖4-8 微球體灌流40 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............... 43
圖4-9 微球體灌流50 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............... 44
圖4-10 微球體灌流60 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............. 45
圖4-11 微球體灌流70 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............. 46
圖4-12 微球體灌流80 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............. 47
圖4-13 微球體灌流90 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ............. 48
圖4-14 微球體灌流100 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ........... 49
圖4-15 微球體灌流110 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ........... 50
圖4-16 微球體灌流120 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間 ........... 51
圖4-17 HepG2 肝癌細胞灌流前(0 分鐘)之入水口照片 ....................... 52
圖4-18 HepG2 肝癌細胞灌流10 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 53
圖4-19 HepG2 肝癌細胞灌流20 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 54
圖4-20 HepG2 肝癌細胞灌流30 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 55
圖4-21 HepG2 肝癌細胞灌流40 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 56
圖4-22 HepG2 肝癌細胞灌流50 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 57
圖4-23 HepG2 肝癌細胞灌流60 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 58
圖4-24 HepG2 肝癌細胞灌流70 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 59
圖4-25 HepG2 肝癌細胞灌流80 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 60
圖4-26 HepG2 肝癌細胞灌流90 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 61
圖4-27 HepG2 肝癌細胞灌流100 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 62
圖4-28 HepG2 肝癌細胞灌流110 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 63
圖4-29 HepG2 肝癌細胞灌流120 分鐘(a)入水口(b)出水口(c)流道中間
....................................................................................................... 64
圖4-30 HepG2 灌流120 分鐘流道合併圖與imageJ 操作 ................... 65
圖4-31 動態灌流HepG2 肝癌細胞貼附面積變化 ............................... 67
圖4-32 呂傑文動態實驗灌流肝癌細胞於是否混合氣體電漿蝕刻之微
流道下附著影響比較圖 .............................................................. 67
圖A-1 硫酸氨碎形圖案 ......................................................................... 73
圖A-2 硫酸銅碎形圖案 ......................................................................... 74
圖A-3 磷酸氫鈣薄膜 ............................................................................. 75
圖B-1 60˚C 的TMAH 蝕刻高度與時間對照圖 ................................... 77
圖B-2 TMAH 蝕刻出來的島塊 .............................................................. 78
圖B-3 (a)碎形明膠在島塊上成型的圖案(b)島塊碎形圖案加入格線 . 79


表目錄
表2-1 明膠、硫酸鉀和DI 純水調配比例和濃度計算 ....................... 12
表2-2 10wt% 明膠 2.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 14
表2-3 10wt% 明膠5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化 . 15
表2-4 10wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 16
表2-5 15wt% 明膠 2.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 17
表2-6 15wt% 明膠 5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化 18
表2-7 15wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 19
表2-8 20wt% 明膠 2.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 20
表2-9 20wt% 明膠 5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化 21
表2-10 20wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 22
表2-11 25wt% 明膠 2.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 23
表2-12 25wt% 明膠 5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 24
表2-13 25wt% 明膠 7.5wt% 硫酸鉀下各旋塗參數產生碎形高度變化
....................................................................................................... 25
表B-1 TMAH 蝕刻速度與溫度對照表 .................................................. 78
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