近三十年來，生物材料已被廣泛研究與應用。而生物材料可廣 泛定義為「一切來自有機生物體之材料」或是「用以修復人體之材 料」。舉凡各種材料包括金屬材料、陶瓷材料、有機高分子材料，經 過發展與研究後，都可能成為生物材料[9]。
細胞培養工程是近年來生物材料的研究重點之一，為了探討細 胞在物質表面上生長的行為，已有許多人深入研究不同材料表面之性 質對細胞附著或生長之影響，如水濕性[10, 11]、表面電荷[11]、粗糙 度[12]等。無論是何種材料表面特性，皆是影響細胞行為或蛋白質附 著的重要因素。
為了解細胞在不同性質之材料表面上之行為，需使用不同性質 之樣品。此時則產生四大問題；第一，採用具不同性質之材料表面，
除了欲探討之性質以外，其他物理或化學性質可能也有所不同，例 如：粗糙度(roughness)、結晶度(crystallization)、剛性(rigidity)等，以 致細胞行為之表現無法完全以欲探討之性質解釋[13]；第二，欲觀察 細胞在材料表面上之行為，必先將細胞培養在材料表面上，但此步驟 相當繁複，因此若使用不同材料進行研究，則此步驟必須重複進行，
增加實驗複雜性；第三，在不同材料進行研究的同時，將利用過多資 源，例如：樣品、溶劑等；第四，進行細胞培養於不同材料表面之過
程時，需盡可能將環境條件控制為相同，例如：同溫、同壓等，但有 許多人為因素所造成之誤差是無可避免的，此亦增加了實驗的誤差。
如果能有效減少培養細胞於不同材料表面時的重複步驟，即可 解決上述之第二、三、四點等問題。因此若有一材料之表面具有欲探 討之特性之梯度，也就是單一試片上有一由強至弱的特性，例如：親 水性至疏水性、高電荷密度至低電荷密度等，則培養細胞於材料表面 上的程序只需進行一次，不但增加實驗之效率，減少資源以及耗材之 使用，更可以避免因人為因素所造成的誤差。
另一方面，為保有原有材料之整體性質，理想之情形為材料之 特性僅被表現於材料之表面幾奈米處，以致原有之材料除表面之外能 保有原有之物理性質與化學性質，這個方式可解決上述所提及之第一 項問題。由以上分析可知，若有材料於以上兩種條件完成，則可同時 解決上述四大點問題，製備一理想的，更有效能的材料。
根據文獻，許多研究團隊利用不同的方法製作出不同的特性梯 度。Hans Elwing與其研究團隊於1986年，第一次發表了製備表面具 有水濕性梯度材料的方法。他們將已切割(10mm X 25mm)並清洗過的 矽晶圓片的一端，浸泡在二甲苯與含0.05% Cl2(CH3)Si的三氯乙烯溶 液中，利用溶液擴散機制，使矽晶片具有一水濕性梯度，並使用毛細 上升法(Capillary rise method)了解其親疏水性程度。此法可製作出最
大水濕性梯度範圍之接觸角約為20o-80o，約60o左右的接觸角差異。
再將HGG(human fibrinogen)、HFG(γ-globulin)、LYS( lysozyme)三種 蛋白質附著於具水濕性梯度的表面上，觀察不同水濕性對蛋白質附著 的 影 響 [14] 。 同 一 研 究 團 隊 在 1988 年 ， 則 是 將 原 濃 度 為 0.05%
Cl2(CH3)Si的三氯乙烯溶液改為濃度10%，製作表面具水濕性梯度的 矽晶片，並探討人體補體因子C3(Complement Factor 3)於不同水濕性 材料上的活性[15]。
其後，C.G. Golander 與其團隊於 1989 年利用相同的機制，改變 不同材料製作出表面具水濕性梯度的石英。將已切割 (25.4mm X 76.2mm)並清洗過的石英片的一端浸泡在 TCE(trichloroethylene)與含 DDS（dichlorodimethyl silane）的 DIM(diiodomethane)溶液，同樣利 用溶液擴散機制，使石英片具有一水濕性梯度。雖然實驗設備和藥品 與 Hans Elwing 所使用之有所不同，但所運用的是相同的概念。此法 可製作出最大水濕性梯度範圍之接觸角約為 0o-74o，約 74o左右的接 觸角差異[16]。
1997年，Teun G. Ruardy與其研究團隊使用了Hans Elwing的方法 同樣於玻璃面上製作出水濕性梯度，並在玻璃表面上培養纖維母細胞 (fibroblasts) 與 人 類 胎 盤 血 管 內 皮 細 胞 (Human umbilical vein endothelial cells)，觀察此兩種細胞於不同水濕性表面之生長[17]。
Hans Elwing與C.G. Golander的方法雖然皆可製作出表面具水濕 性梯度的材料，但此種只限用於親水之無機材料表面，如：矽、二氧 化矽、玻璃、石英等[18]。
1989年，William G. Pitt利用射頻式(Radio Frequency-RF)電漿在 聚乙烯(polyethylene-PE)、聚苯乙烯(polystyrene-PS)、聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane-PDMS) 與 聚 四 氟 乙 烯 (polytetrafluoroethylene-PTFE)表面上形成一水濕性梯度的表面。其方 法是利用氨氣(NH3)電漿、氧氣電漿與二氧化硫(SO2)電漿，改質聚合 物之表面水濕性之原理。Pitt將聚合物樣品置於一容器中，並於容器 上方使用可移動式之遮罩。起先完全覆蓋樣品，當氣體電漿點燃時，
自動化裝置以等速拉動遮罩，使樣品開始暴露於電漿氣體中，使電漿 開始改質聚合物表面。因遮罩是被以等速度拉開，所以樣品各部分受 電漿改質之程度會隨時間改變而有所變化。Pitt即是利用此原理製作 出表面具水濕性梯度的聚合物材料。利用此種方法製作水濕性梯度，
聚乙烯可達最大水濕性梯度範圍之接觸角約為38o-92o，約54o左右的 接 觸 角 差異 ；聚苯 乙 烯 可達 最大水 濕 性 梯度 範圍之 接 觸 角約 為 23o-90o，約67o左右的接觸角差異；聚二甲基矽氧烷可達最大水濕性 梯度範圍之接觸角約為10o-100o，約90o左右的接觸角差異；聚四氟乙 烯可達最大水濕性梯度範圍之接觸角約為60o-120o，約60o左右的接觸
角差異[18]。
1990年，C.G. Golander與William G. Pitt將三種蛋白質，人類白 蛋白(human albumin)、免疫球蛋白(IgG)、纖維蛋白原(fibrinogen)，吸 附於以上述方式完成的具水濕性梯度聚合物上，觀察水濕性梯度對三 種蛋白質吸附性之影響[19]。
1992年，Lee Jin-Ho與其研究團隊也利用了射頻式電漿，於聚乙 烯表面上形成水濕性梯度。雖然同樣使用射頻式電漿，但Lee所用之 方法與Pitt不同。Lee利用了不同電漿瓦數會造成不同改質程度的原 理，於樣品表面上製作水濕性梯度。Lee使用了刀片狀的上電極，並 將聚乙烯樣品置於一自動化裝置上。氧氣電漿點燃前，刀狀上電極在 聚乙烯樣品一端正上方，氧氣電漿點燃後，自動化裝置等速移動，置 於其上的樣品亦隨裝置等速移動，電漿瓦數也在同一時間開始上升 (10W-35W)。因此樣品表面會受到不同程度的改質，形成具水濕性梯 度之表面。利用此法於聚乙烯表面製作水濕性梯度，最大水濕性梯度 範圍之接觸角約為47o-97o，約50o左右的接觸角差異[20]。
1999年，Hetty T. Spijker與其研究團隊同樣利用射頻式電漿與擴 散機制，成功地於聚乙烯表面上製作出水濕性梯度。Hetty. Spijker先 以三根螺絲與一片半圓金屬片製作一遮罩。將遮罩置於聚乙烯樣品上 方，只留一小部分未被遮罩遮蓋，遮罩與聚乙烯間相距0.5至1.7公分
距離。樣品與遮罩設置完成後，放入腔體中進行氬氣電漿改質。氬氣 電漿點燃後，電漿中的離子與電子以擴散方式，由遮罩與樣品之間的 高度進入而改質樣品。因為離子與電子是以擴散方式進入，所以樣品 受改質的程度也會不同，因而形成具水濕性梯度的表面。再將三種蛋 白質，人類白蛋白(human albumin)、免疫球蛋白(IgG)、纖維蛋白原 (fibrinogen)，吸附於以上述方式完成的具水濕性梯度聚合物上，觀察 水濕性梯度對三種蛋白質吸附性之影響。利用此法於聚乙烯表面製作 水濕性梯度，最大水濕性梯度範圍之接觸角約為30o-105o，約75o左右 的接觸角差異[21]。
2005 年 ， Tobias Kraus 與 其 研 究 團 隊 利 用 微 接 觸 印 刷 法 (Microcontact printing)在矽晶片上成功地製作了一個親油性梯度的表 面，也就是矽晶片上一端為親油性，另一端為疏油性。首先，Tobias Kraus先將聚二甲基矽氧烷製作成如圖2.1之形狀，作為印章使用。十 六烷硫醇則為(hexadecanethiol)為本次微接觸印刷法的印泥。以印章底 部吸收十六烷硫醇，並印製在以切割並清洗好的矽晶片上。因印章各 部份所能吸收十六烷硫醇的量會隨著印章厚度的增加而增加，所以當 已吸收十六烷硫醇的印章印製在矽晶片上時，矽晶片表面所吸收十六 烷硫醇的量也會有所差異，形成一個十六烷硫醇的濃度梯度。再將具 十六烷硫醇濃度梯度的矽晶片塗上perfluorododecanethiol (PFDDT)。
因矽晶片表面已具有十六烷硫醇濃度梯度，所以原十六烷硫醇濃度高 之處會吸收較少的PFDDT；而原十六烷硫醇濃度低之處會吸收較多 的PFDDT。又因十六烷硫醇為親油性(oleophilic)，PFDDT為疏油性，
所以矽晶片表面上會形成一個親疏油性的化學性梯度[22]。
圖2.1
2008年，Mischa Zelzer與其研究團隊利用電漿聚合與擴散機制於 玻璃上製作出一水濕性梯度的表面。Mischa Zelzer先以電漿聚合方式 將較親水的丙烯胺(allylamine)沉積在玻璃上，用一遮罩遮蓋已沉積丙 烯胺的樣品，遮罩與樣品相距0.04mm。樣品以遮罩覆蓋後，再以電 漿聚合方式將較疏水的己烷(hexane)沉積於樣品上。由於樣品上方有 一遮罩覆蓋，所以己烷並不會均勻地沉積在樣品上。己烷電漿中的離 子與電子以擴散方式進入遮罩與樣品間的空隙，因此會在樣品表面上 形成一個厚度的梯度，也由於己烷與丙烯胺不同的親疏水性質之影響 造成了一個水濕性梯度。Mischa Zelzer再將纖維母細胞培養於具水濕 性梯度的表面，以了解水濕性梯度對細胞生長的影響。利用此法製作 的最大水濕性梯度範圍之接觸角約為60o-93o，約為33o左右的接觸角
差異[23]。
將以上文獻中製備材料表面梯度性質的方法，以及所獲得知結 果做一整理與比較，如表 2.1 與圖 2.2 以及 2.3 所示。
表 2.1 各文獻最大、最小接觸角、製備水濕性梯度時間與親疏水端最 大接觸角差
[14] [16] [18]-PE [18]-PS [18]-PDMS [18]-PTFE [20] [21] [23]
最大接觸角
角度(度) 20 0 92 90 100 120 97 105 93
最小接觸角
角度(度) 80 74 38 23 10 60 47 30 60
親疏水端最大
接觸角差(度) 60 74 54 67 90 60 50 75 33
處理時間(分) 90 40 0.3 0.3 3 3 0.15 5 7
treatment time V.S. ΔWCA
treatment time(mins) difference of wettability contact angle . (degree)
[18]-PDMS
ΔWCA V.S Maximum & minimum contact angle
difference of wettability contact angle (degree) maximum and minimum contact angle . (degree)
ΔWCA V.S Maximum contact angle
ΔWCA V.S Maximum contact angle