4.1 熱壓印參數對材料表面微結構的影響
4.1.1 平板溫度對於 PS 材料表面微結構之影響
研究觀察溫度如何影響到熱壓印後材料表面微結構之結果，先前 的研究已知下平板（T2）溫度約在130℃為最佳溫度，在進行熱壓印 時，溫度最大的影響即在長時間熱壓印製程時，上平板（T1）在熱壓 印製程中溫度會不斷上升，間接也影響了製程中壓力、持壓時間。熱 壓製程初步先將上平板溫度設定為45℃，在設定熱壓印壓力前，為避 免熱壓印之壓力與高分子材料（PS）表面產生應變造成試片翹曲之現 象，採用兩段式分壓：設定平板的壓力與持壓時間，避免熱應變對試 片造成之影響。在（A~B）條件下，如圖4.1（b）所示，熱壓印後以 肉眼初步觀察熱壓印後之材料有嚴重變形與干涉條紋不均的情況，如 圖4.2、4.3所示。主要因為上平板溫度低於45℃時，材料易受熱不足，
造成成形不良的情況；由於PS材料進行熱壓印製程時，其溫度未達 PS高分子材料軟化的之溫度（意指高於Glass Transition Temperature, Tg），使材料未能受熱成形。而上平板溫度高於51℃時，在反覆熱壓 後，造成母模板的抗沾黏能力降低且模板表面有嚴重的剝離情形，如 圖4.4所示。由結果得知母模板抗沾黏的效果會因多次反覆的壓印、
長時間壓印及高溫壓印而降低，而整個製程的溫度範圍在Tg 附近，
高分子材料性質接近於固體，因此需要一定的壓力才能壓印出形狀，
這使得材料具有較高的殘留應力，而這種情況也容易造成母模板的損
壞或磨損。利用SEM觀察發現，受熱不足，如圖4.5所示，與高溫的 反覆壓印後，材料表面的微結構皆成形不良且有嚴重剝離的情形，如 圖4.6所示。
圖 4.2 高分子材料（PS），熱壓印後之材料有嚴重變形。
圖 4.3 高分子材料（PS），有干涉條紋但非均勻分布之表面。
圖 4.4 母模板在高溫反覆壓印下有嚴重剝離之情形。
圖 4.5 SEM 觀察後，材料微結構表面有熱壓不良的情形。
圖 4.6 SEM 觀察，材料微結構表面有嚴重剝離的情形。
4.1.2 壓力對於 PS 材料表面微結構之影響
對於熱塑性高分子聚合物 PS 材料而言，壓力或熱應力過大易造 成試片的變形現象，如圖 4.7 所示，熱壓印製程採用兩段式施壓可改 善此現象。本研究製程中壓力（P1、P2），P1範圍在 500Kg~700Kg；
P2範圍在 400Kg~600Kg 時發現，材料表面有干涉條紋卻非均勻分布，
在（A~D）條件下，圖 4.8 所示，觀察熱壓印後，材料（PS）表面雖 有干涉條紋的分布，如圖 4.8 所示，但從 SEM 觀察卻發現微結構之 產生似乎不顯著且表面有破損剝落之情況，如圖 4.9 所示。由於，製
程參數影響材料的成形，製程的溫度高於 PS 材料的軟化溫度（意指 高於 Tg 點）且其為較佳的溫度參數（T1=130、T2=45），固定製程的 溫度參數，當製程的壓力（P1）低於 600Kg 時，發現熱壓印後 PS 材 料成形性不良。主要的原因在於熱塑性高分子材料在母模板與材料間 因壓力擠壓下，其受到一大剪應力被擠入模穴，且熱塑性高分子材料 在空隙中的流動填充也會因結構密度或者結構間距而受影響，當熱壓 印製程之壓力未能使材料充分在母模板內流動，就會造成材料表面微 結構成形不佳，脫模後更使得材料表面微結構破損。當製程的壓力
（P1）高於 1000Kg 時，發現材料表面產生嚴重變形，如圖 4.10 所示，
主要在於當製程溫度達到高分子玻璃轉化溫度以上，而製程壓力過 大，軟化之材料受到過大壓力，製程中形成一嚴重的軟化變形，製程 結束後，其溫度降至高分子玻璃轉化溫度點以下後，材料冷卻成形，
即造成材料表面因壓力過大嚴重變形的形態。採用兩段式施壓
（P1=700、P2=600）的製程條件下，除了可以改善因壓力或熱應力過 大易造成試片的變形現象，在製程中使材料能充分在母模板內流動，
材料表面微結構成形更良好。
圖 4. 7 壓力過大與熱應力所造成材料之變形。
圖 4. 8 PS 材料表面以肉眼觀察，干涉條紋有均勻分布之現象。
圖 4. 9 SEM 觀察，PS 材料表面微結構不顯著且有破損情況。
4.1.3 持壓時間對於 PS 材料表面微結構之影響
壓力除了對材料表面有影響之外，持壓的時間對熱壓印製程的影 響極大，因熱塑性材料（PS）特性之關係，持壓時間過長會造成材料 過於軟化產生過大的黏滯性。在（F、G）條件下，如圖 4.11 所示，
造成試片表面產生氣泡的情況，如圖 4.12 所示。培養 BMSC 細胞後，
使用顯微鏡（Inverted Microscope）觀察，材料表面的氣泡影響了細 胞生長方向之行為，如圖 4.12 所示。在進行熱壓印的過程中，為了儘 量避免氣泡的產生，熱塑性高分子材料其空氣溶解度取決於製程參數
（溫度、壓力、時間），此外濕度與溶劑種類等因素也會影響氣泡的 產生。由於本研究進行熱壓印製程未使用抽真空，母模與材料間有空 隙，進行熱壓轉印時兩者相互擠壓，因製程中未抽真空造成母模與材 料間空隙的空氣無法完全排出，製程完成後進行脫模程序，待材料冷 卻脫模後，在材料表面上形成了奈米結構與無法排出的空氣所造成的 氣泡。
研究發現，須減短製程時間即可避免材料表面產生氣泡之現象，
主要是熱壓印材料為 PS，其高分子轉化溫度約在 105℃，而製程條件 下的良好溫度約在 130℃，製程中 PS 材料之熱壓印壓力設定 700Kg，
在先前的熱壓印參數製程時間較長，在此，縮短製程的時間，避免材 料表面產生氣泡。因此在（I）條件下，以肉眼觀察材料表面得到良
好的干涉條紋，如圖 4.13 所示。SEM 觀察發現，材料表面的微奈米 結構也相當的完整，如圖 4.14 所示。
圖 4.11 在（F、G）條件下，材料表面產生氣泡。
圖 4. 12 培養 BMSC 細胞後，氣泡影響到細胞生長方向（50X）。
圖 4. 13 PS 材料表面以肉眼觀察，干涉條紋有均勻分布之現象。
圖 4. 14 PS 材料表面利用 SEM 觀察，微奈米結構相當完整。
4.1.4 母模板∕熱壓印平板平行度對材料表面微結構影響
在進行熱壓印製程中，母模板與平板的平行度是一項重要關鍵，
其平行度不良易造成熱壓印過後試片表面不平均更影響到往後細胞 培養之結果。對於熱壓印上下平板或母模板之平整度，在進行熱壓製 程中，母模板與高分子材料不能平行緊密接觸，則會造成壓力分布不 平均以致於會有局部不完整性出現，如圖 4.15 所示。因此，需對母模 板及平板作校正，以改善平行度及均壓性的問題。
圖 4.15 平板或母模板無平整度，熱壓印後材料表面不均勻之形態。
4.1.5 脫膜對於材料表面微結構之影響
微奈米熱壓印製程中，脫模仍是ㄧ項待解決的難題，除了對製程 中參數的改進或對母模板抗沾黏的能力進行改善，研究中發現，脫模 情形不良除了材料表面微結構嚴重損壞，如圖4.16所示，母模板亦有 嚴重剝離的情形，如圖4.17所示。由結果得知，母模板抗沾黏的效果 會因多次反覆壓印、長時間壓印及高溫壓印而降低，使得母模板與材 料表面微結構破損。
圖 4.16 脫模情形不良造成 PS 材料表面微結構嚴重損壞。
圖 4.17 母模板的抗沾黏層有嚴重剝離的情形。
4.2 等方向微奈米溝槽對細胞（C2C12、BMSC）貼附成長之影響 許多的文獻探討等方性的微奈米溝槽材料表面，對於細胞的生長 及貼附有相當一定的影響，也發現，在不同的微奈米溝槽尺寸深寬比 下皆對細胞有著不同的影響性。文獻回顧中，大部分的研究只針對材 料表面單一微奈米結構圖案之深寬尺度對細胞成長行為影響做探 討，其培養之細胞大都生長於固定尺寸大小的試片材料上，未能對細 胞成長範圍的尺寸大小做限制。對於未來如需限制細胞成長範圍之相
表面以提高單個細胞或者較小克隆的收集，替代了整片細胞膜的收 集。而所謂的 Grid Walls 是被優化的培養皿表面溝槽，最主要的功用 是在抑制細胞越過網格生長[99]，圖 4.18 所示[99]。
圖 4.18 Naturgene Corp., USA 所研發的 Recell 6mm 培養皿[99]。
本研究在高分子材料表面上結合微米與奈米尺寸的結構，除了藉 由奈米尺寸的結構控制細胞（C2C12、BMSC）成長方向、貼附情形與 細胞成長的變異之外，並利用微米尺寸溝槽區隔細胞成長範圍對未來 製作細胞晶片或組織培養之相關應用有極大價值。
4.2.1 U 型微奈米溝槽表面對細胞生長與貼附之影響
本文實驗使用表面具微奈米溝槽表面的母模板，利用 SEM 觀 察，其為一 U 型的微奈米溝槽，如圖 4.19 所示。其母模板在 AFM（原 子力顯微鏡，Atomic Force Microscopy）探測出為溝槽圖形，如圖 4.20 所示[83]。U 型溝槽寬度約為 300nm，深度約為 200nm。母模板材料 為鎳基（Ni）所製成，將試片材料放置於母模板上，利用熱壓印製程
壓製，試片材料表面形成具有 U 型微奈米溝槽，爾後將具 U 型微奈 米溝槽試片進行培養細胞（BMSC）。
將細胞（BMSC）培養在試片上，以 1×104cm2之密度將細胞放入 足夠培養基之培養皿裡，培養細胞之環境條件在 CO2恆溫培養箱，溫 度控制在 37℃（±0.5℃）及含有 5﹪CO2的氣體中，將細胞培養至 8~12 代，以倒立式顯微鏡觀察細胞（BMSC）在試片上之生長情形。細胞 培養於 U 型微奈米溝槽試片表面上 2~3 小時後期開始有規律性的生長 貼附排列。如圖 4.21 所示。原本細胞在無微結構的 PS 材料表面上呈 無方向性的成長；當細胞培養至 U 形等方向之微結構表面上後，細胞 呈現規則性的等方向排列。在先前的研究[83]得知，由於 U 形溝槽的 深寬較大，對於誘導細胞呈等方向性的貼附成長較理想，在此也驗證 U 形微結構對細胞成長貼附有良好的方向性。
圖 4.19 SEM 觀察下 U 型溝槽之圖形（4.0K 、10.0K）。
圖 4.20 AFM 探測出 U 型溝槽圖形。
圖 4.21 BMSC 細胞於 U 型微溝槽（300nm）表面上生長貼附情況
（200X）。
4.2.2 ArF 準分子雷射光罩等方向溝槽表面對細胞生長與貼附之影響 準分子雷射輸出紫外光，以短波長直接破壞雷射照射處的化學 鍵，意指將試片材料吸收短波長的準分子雷射後，將材料內部的鍵結 直接打斷剝蝕，剝蝕深度與雷射脈衝能量有關。尺寸分為 25 m、
50 m、100 m，皆使用 20Hz，500 Pulse 進行加工製程，如圖 4.22 所 示。接著培養細胞（C2C12），如圖 4.23、圖 4.24 所示。結果觀察出，