國 立 台 灣 科 技 大 學 化 學 工 程 系
學號: B9406003
利用射頻式電漿於聚丙烯表面製備水濕性梯度 並研究細胞於水濕性梯度表面之行為
Preparation of continuous wettability gradients on polypropylene surface by RF plasma and the studies of cell
behaviors on the graded surfaces
專 題 生: 王 一 霖
指導教授: 王 孟 菊 博 士
中華民國 九十七 年 十 月
台灣科大
Abstract
This paper presents a controllable method to create wettibility gradient on polypropylene surface. A gradient surface can manipulate complex experimental procedures that the steps of experiments can be simplified. The wastes of samples or other experiment chemicals can therefore be reduced.
Moreover, operational errors resulted from multiple experimental stages can also be avoided. In this paper, we used radio frequency plasma to modify the surface of polypropylene membrane. The chosen gases are oxygen, CF 4
(carbon tetrafluoride) and SF 6 (Sulfur hexafluoride). A mask was design to
control the wettability gradient distribution. The cell morphology was
observed by scanning electron microscopy to study cell adhesion and
spreading behaviors.
摘要
本篇報告發表一種可於聚丙烯表面製備水濕性梯度之方法。於具水 濕性梯度之表面操作實驗，可有效減少步驟複雜之實驗之次數。樣品與 其他實驗化學藥品之消耗也可因此減少。再者，可避免人為因素所造成 之誤差。在本篇報告中，學生利用射頻式電漿改質聚丙烯薄膜之表面。
本次實驗所選擇之氣體為氧氣、四氟化碳與六氟化硫。遮罩之設計用以 控制水濕性梯度之分布。利用掃描式電子顯微鏡觀察細胞生長之型態，
用以探討細胞吸附與延展之行為。
【總目錄】
Abstract ... I 摘要 ... II 總目錄 ... III 表目錄 ... V 圖目錄 ... VI
第一章 緒論...1
第二章 文獻回顧 ...4
第三章 研究動機 ... 13
第四章 實驗裝置、藥品與步驟 ... 14
4.1 實驗裝置 ... 14
4.2 化學藥品 ... 15
4.3 實驗步驟 ... 16
4.3.1 基材準備 ... 16
4.3.2 腔體清潔 ... 17
4.3.3 對照組 ... 17
4.3.4 製備水濕性梯度 ... 19
4.3.5 細胞培養 ... 20
4.3.6 細胞活性測試 ... 21
第五章 結果與討論 ... 24
5.1 對照組... 24
5.1.1 接觸角 ... 24
5.1.2 細胞培養 ... 28
5.2 水濕性梯度 ... 32
5.2.1 接觸角 ... 32
5.2.2 細胞培養 ... 41
5.2.3 細胞活性測試 ... 46
5.2.4 蛋白質吸附測試 ... 47
第六章 結論與建議 ... 49
6.1 結論... 49
6.2 建議... 52
第七章 未來研究 ... 53
第八章 參考文獻 ... 54
【表目錄】
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 ... 11
表 4.1 四組對照組之電漿參數 ... 19
表 4.2 製備水濕性梯度之電漿參數 ... 20
表 5.1 對照組第一組電漿參數改質聚丙烯後之接觸角 ... 25
表 5.2 對照組第二組電漿參數改質聚丙烯後之接觸角 ... 26
表 5.3 利用電漿前處理及 CF 4 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接觸 角 ... 33
表 5.4 利用電漿前處理及 SF 6 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接觸 角 ... 36
表 5.5 利用電漿前處理及 60mtorr 與 100mtorr 之 SF 6 電漿，處理 5 分鐘 所測得之接觸角 ... 38
表 5.6 各文獻與本實驗最大、最小接觸角、製備水濕性梯度時間與親疏
水端接觸角差 ... 39
【圖目錄】
圖 2.1 文獻[22]工具圖示 ... 10 圖 2.2 各文獻製備水濕性梯度時間與親疏水端最大接觸角差關係圖
... 11 圖 2.3 各文獻親疏水端最大接觸角差與其最大、最小接觸角關係圖
... 12 圖 4.1 水濕性梯度組之聚丙烯樣品示意圖 ... 16 圖 4.2 製備具水濕性梯度聚丙烯之擺置(a)，俯視示意圖(b) ... 19 圖 5.1 對照組第一組電漿參數改質聚丙烯之接觸角與四氟化碳電漿處
理時間關係圖 ... 25 圖 5.2 對照組第二組電漿參數改質聚丙烯之接觸角與四氟化碳電漿處
理時間關係圖 ... 27 圖 5.3 細胞於物體表面附著情形：左圖為細胞於不利於其附著表面情
形；右圖為細胞於利於其附著表面延展情形 ... 29
圖 5.4 細胞於未經過電漿處理之聚丙烯上附著情形 ... 30
圖 5.5 細 胞 於 經 過 CF 4 電 漿 處 理 (Power ： 20W, Flowrate ： 10sccm,
Pressure：100mtorr, Time：5mins)之聚丙烯上附著情形 ... 30
圖 5.6 細 胞 於 經 過 CF 4 電 漿 處 理 (Power ： 20W, Flowrate ： 10sccm,
Pressure：100mtorr, Time：10mins)之聚丙烯上附著情形 ... 30
圖 5.7 細 胞 於 經 過 CF 4 電 漿 處 理 (Power ： 20W, Flowrate ： 10sccm, Pressure：100mtorr, Time：15mins)之聚丙烯上附著情形 ... 31 圖 5.8 細 胞 於 經 過 電 漿 前 處 理 以 及 CF 4 電 漿 處 理 (Power ： 20W, Flowrate：10sccm, Pressure：100mtorr, Time：5mins)之聚丙烯上 附著情形 ... 31 圖 5.9 細胞於經過電漿前處理及 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：
10sccm, Pressure：100mtorr, Time：10mins)之聚丙烯上附著情形 ... 31 圖 5.10 細胞於經電漿前處理及 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：
10sccm, Pressure：100mtorr, Time：15mins)之聚丙烯上附著情形 ... 32 圖 5.11 利用電漿前處理及 CF 4 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接觸
角 ... 34 圖 5.12 利用電漿前處理及 SF 6 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接觸
角 ... 36 圖 5.13 利用電漿前處理及 SF 6 電漿處理 5 分鐘之接觸角之影像 ... 37 圖 5.14 利用電漿前處理及 SF 6 電漿處理 15 分鐘之接觸角之影像 ... 37 圖 5.15 利用電漿前處理，以及 60mtorr 與 100mtorr SF 6 電漿，處理 5 分
鐘所測得之接觸角與位置關係圖... 38
角差之關係圖 ... 40
圖 5.17 各文獻與本次實驗製備水濕性梯度之時間與親疏水端最大接觸 角差之關係圖 ... 41
圖 5.18 L929-纖維母細胞於編號 1 聚丙烯上附著之影像 ... 43
圖 5.19 L929-纖維母細胞於編號 2 聚丙烯上附著之影像 ... 43
圖 5.20 L929-纖維母細胞於編號 3 聚丙烯上附著之影像 ... 44
圖 5.21 L929-纖維母細胞於編號 4 聚丙烯上附著之影像 ... 44
圖 5.22 L929-纖維母細胞於編號 5 聚丙烯上附著之影像 ... .45
圖 5.23 L929-纖維母細胞於編號 6 聚丙烯上附著之影像 ... 45
圖 5.24 L929-纖維母細胞於編號 7 聚丙烯上附著之影像 ... 46
圖 5.25 利用電漿前處理，以及 CF 4 電漿處理(20W、10sccm、100mtorr、 15mins)製備水濕性梯度之細胞活性測試 ... 47
圖 5.26 利用電漿前處理，以及 CF 4 電漿處理(20W、10sccm、100mtorr、
15mins)製備水濕性梯度之蛋白質吸附測試 ... 48
第一章 緒論
「電漿」是物質的一種型態，常被稱為物質的第四態。物質在 電漿狀態時不僅較在固態、液態、氣態時具有較高的能量，同時也具 有較高的反應活性。當物質於電漿態時，為一種自由基、電子、帶正 電離子、帶負電離子、中性原子與分子的混合物。
以水分子(H 2 O)為例，於常壓下，溫度低於攝氏零度時，水以固 態「冰」的形式存在。當溫度高於攝氏零度時，固態的冰經由「溶化」
(melting)的過程轉變成液態的「水」 ，水分子在液態時所具有的動能 (kinetic energy)高於水分子在固態時所具有的動能，因此水分子於液 態時有較強烈地振動。當溫度高於攝氏一百度時，液態的水經由「汽 化」(vaporization)過程轉變成氣態水蒸氣。而水分子在氣態時所具有 的動能又高於水分子在液態時所具有的動能，因此水分子於氣態時的 振動比水分子於固態以及液態時更加強烈。
當溫度高於攝氏兩千度時，水分子會劇烈地振動而導致水分子 之 間 相 互 碰 撞 ， 水 分 子 之 間 的 相 互 碰 撞 會 造 成 水 分 子 的 解 離 (dissociation)，因而產生氫原子(H)、氫氧分子(OH)與氧原子(O) ，如 式(1.1)與式(1.2)所示：
H
2O 2 H O (1.1)
(1.2)
若溫度高於攝氏數千度後，這些經由解離而產生的原子亦會不斷 地 劇 烈 碰 撞 ， 造 成 原 子 的 離 子 化 (ionization) ， 因 而 產 生 自 由 基 (radical)、電子、帶正負電荷粒子等，這就是電漿，如式(1.3)所示。
由此可知，相較於固、液、氣態，物質於電漿態時具有極高的能量。
H H
e
(1.3)
電漿中的電子、離子、自由基等會與聚合材料的表面反應以改質 表面特性。主要的反應有四：(一)蝕刻(etching)與剝蝕(degradation)；(二) 原子植入(implantation)於聚合物表面；(三)聚合鏈末端產生自由基；
(四)聚合物的沉積(polymerization)等。
其 中 第 二 個 反 應 － 原 子 植 入 反 應 ， 對 於 表 面 改 質 (surface
modification)最為重要，本次實驗即是使用第二種反應進行材料表面
改質。植入反應是對聚合物材料的表面進行改質，使聚合物表面性質
有很大的改變，如親水轉變成疏水，此種過程稱為電漿處理，常被用
以改善聚合物的附著性(adhesion)與水濕性(wettability)，因為於電漿態
中具活性的粒子，會與聚合物表面產生反應，並於聚合物表面上形成
官能基。且經實驗證明，相較於電漿中的離子，自由基於原子植入反
應之過程扮演重要的角色。不同於電子和離子等帶正負電荷粒子，自
由基為電中性粒子，因此能較帶電性粒子遠離電漿處理時的兩個電
極，較能直接與聚合物表面反應。[1]
聚合物的表面通常為疏水性(hydrophobic)，為使其應用更為多 元，表面的親水性往往是一種重要條件，因此可以藉由原子植入的表 面改質方法將疏水性改質成親水性。於電漿處理過程中通入氧氣 (O 2 )、氬氣、氫氣等氣體，皆可將聚合物表面改質成親水性[1, 2]。其 中又以含氧原子分子最為廣泛使用，例如：氧氣、二氧化碳(CO 2 )、
一氧化碳(CO)等。利用電漿處理技術將氧原子植入聚合物表面，使聚 合物表面產生含氧官能基，例如：羥基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基 (C=O)，是增加聚合物表面之親水性的主要原因[1, 3-6]。
反之，若於電漿處理過程中通入含氟(F)原子之氣體，例如：六 氟化硫(SF 6 )、四氟化碳(CF 4 )、六氟乙烷(C 2 F 6 )等，可將氟原子植入聚 合物表面，使聚合物表面產生含氟官能基，聚合物表面將較原先之表 面更為疏水[1, 7, 8]。
本實驗將結合氧氣與四氟化碳或氧氣與六氟化硫，利用電漿以及
擴散(diffusion)之原理，製備同時含親疏水性之材料表面，亦即製備
一具水濕性梯度(wettability gradient)之材料表面。在應用方面，將檢
視細胞以及蛋白質具水濕性梯度的聚丙烯(Polypropylene-PP)上，觀察
水濕性梯度對細胞以及蛋白質附著與活性之影響。
第二章 文獻回顧
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% Cl 2 (CH 3 )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20 o -80 o ，約60 o 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%
Cl 2 (CH 3 )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 0 o -74 o ，約 74 o 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(NH 3 )電漿、氧氣電漿與二氧化硫(SO 2 )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38 o -92 o ，約54 o 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
23 o -90 o ，約67 o 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10 o -100 o ，約90 o 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60 o -120 o ，約60 o 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47 o -97 o ，約50 o 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30 o -105 o ，約75 o 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60 o -93 o ，約為33 o 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
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
treatment time(mins) di ff er enc e of w et ta bi li ty c ont ac t a ngl e . (de gr ee )
[18]-PDMS
[18]-PS
[14]
[16]
[18]-PE [18]-PTFE
[20]
[21]
[23]
圖 2.2 各文獻製備水濕性梯度之時間與親疏水端最大接觸角差之關
係圖
ΔWCA V.S Maximum & minimum contact angle
0 20 40 60 80 100 120 140
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
difference of wettability contact angle (degree) m a xi m um a nd m ini m um c ont a c t a ngl e . (de gre e )
ΔWCA V.S Maximum contact angle ΔWCA V.S minimum contact angle
[14]
[14]
[16]
[16]
[18]-PDMS [18]-PDMS
[21]
[21]
[18]-PS [18]-PS [18]-PTFE
[18]-PTFE [18]-PE
[18]-PE [20]
[20]
[23]
[23]
圖 2.3 各文獻親疏水端最大接觸角差與其最大、最小接觸角之關係圖
第三章 研究動機
為研究不同水濕性之表面對細胞附著或是蛋白質吸附之影響，
許多團隊利用擴散原理或是配合其他儀器製備出具有水濕性梯度之 表面，也利用了具有水濕性梯度之表面探討不同水濕性之表面對細胞 附著與生長或是蛋白質吸附之影響。但至今製備水濕性梯度的方法仍 然有四項缺點：第一，製備時間冗長；第二，若使用溶劑擴散方式製 備水濕性梯度，僅限於原為親水性之無機材料，且有化學殘留的問 題；第三，水濕性梯度範圍太小，使樣本的多樣性受到限制；第四，
樣品之疏水端不夠疏水或是親水端不夠親水，若有細胞適合於極親水 或極疏水的表面附著或生長，則無法使用此種水濕性梯度樣品作探 討。因此本研究計劃製備一實用的水濕性梯度表面，有效克服以上三 項問題，作為探討水濕性對細胞附著或是蛋白質吸附之影響的工具。
本次實驗利用氧氣電漿可製造材料表面之粗糙度以及含氟電漿
可將聚合物表面改質為疏水性的特性，並利用氣體擴散之原理，有效
地、並不利用任何化學藥品的情況下，於聚丙烯材料表面上製備同時
具極疏水以及親水性的性質，此項成果超越文獻中所能製備的最大親
疏水端接觸角差異，且疏水端達接觸角 150 o 的水濕性梯度，此表面
才可稱為實用的水濕性梯度表面。
第四章 實驗裝置、藥品與步驟
4.1 實驗裝置 1. 超音波震盪機 2. 電漿真空系統
3. 高溫殺菌機：TM-328, Tomin Medical Equipment Co.,Ltd 4. 無菌操作台(laminar flow hood)：high ten scientific corporation 5. 細胞培養箱(incubator)
6. 臨界點乾燥機(Critical Point Dry-CPD)：Tousimis Samdri PVT-3B, Swiss
7. 掃描式電子顯微鏡(SEM)：JEOLJSM-6300
8. 紫 外 光 - 可 見 光 光 譜 儀 (UV-Visible Spectrophotometer) ： JASCO V-550
9. 接觸角測量儀
4.2 化學藥品
1. Polypropylene-PP：Celgard ® 2. Acetone：98%,Across
3. Ethanol：95%,Across
4. 10x Trypsin-EDTA：#15400-054,GIBCO BRL,USA
5. Fetal bovine serum(FBS)： #10270-098,GIBCO BRL,USA
6. Penicillin-streptomycin amphotercin：#15240-062,GIBCO BRL,USA 7. Phosphate buffered saline,PH7.4：Sigma
8. 25%Glutaraldehyde solution：G5882,Sigma Aldrich
9. MTT(3-(4,5-dimethyldiazol-2-yl)-2,5 diphenyl Tetrazolium Bromide)：Sigma
10. Bovin Serum Alumin(BSA)：Sigma
11. Dimethyl sulfoxide(DMSO)：Sigma
4.3 實驗步驟 4.3.1 基材準備
本次實驗之基材為聚丙烯薄膜，樣本大小依分析方法而有所不 同，對照組為 1.5cm X 1.5cm，水濕性梯度組為 1cm X 7cm。切割完 成的聚丙烯薄膜製入培養皿中，利用 95%乙醇沖洗數次。清洗數次 後，將經過震盪清洗的聚丙烯薄膜放入無菌通風櫥中，並且置於無菌 紙上方，以抽氣方式讓乙醇加速揮發，待其乾燥後置入無菌培養皿 中。本次實驗會在經過電漿處理的聚丙烯薄膜上培養細胞，因此需使 用無菌通風櫥以及無菌培養皿。
將已乾燥的聚丙烯薄膜兩端以雙面膠貼附於 1.2cm X 7.5cm 之 玻片上，如圖 4.1 所示，並於玻片背面畫上分隔線並作上記號，以利 接觸角之量測。
圖 4.1 水濕性梯度組之聚丙烯樣品示意圖
4.3.2 腔體清潔
為確保電漿腔體內部並無殘留之物質，可能會污染樣本。所以 在處理樣本之前，必須先利用氬氣加氧氣電漿去除腔體壁之殘留物 質，電漿參數如下：
電漿參數：氬氣：10 sccm；氧氣：50sccm；壓力：100mtorr；功率 100W；時間：30mins
若腔體原為電漿聚合之用，氬氣加氧氣之電漿可能無法完全除 去殘留餘腔體壁上電漿高分子，此時必須使用型號 200 的砂紙，對腔 體內部進行刷磨，並使用乙醇(Ethanol)或丙酮(Acetone)擦拭腔體內 部，再用以上條件進行一次電漿處理以清潔腔體。
4.3.3 對照組
過去已有研究發現，若以含氟原子之氣體電漿，對聚合物進行 表面處理，會在聚合物表面產生含氟官能基，使聚合物表面改質較為 疏水[7, 8]。本次實驗對照組使用之含氟原子之氣體為四氟化碳氣體。
根據本實驗室先前實驗結果可知，以氧氣電漿處理聚合物表
面，加上含氟原子之氣體電漿改質，相較於只用相同條件含氟原子分
子之氣體電漿改質會得到更疏水之表面。接觸角測量應於電漿處理結
束後一小時內測量，以避免與空氣中之分子反應，或是由於空氣中雜
質附著於待測物表面，導致接觸角測量之誤差。
對照組目的有二：第一，探討相同條件之下，經氧前處理的效 益；第二，探討製備水濕性梯度時最適當的電漿處理條件。本次實驗 四組對照組之電漿參數如表 4.1 所示。
第一組為比較氧前處理的效益，將利用氧進行前處理，另一組 則不經氧前處理，但以同樣的四氟化碳電漿條件進行實驗，以了解氧 前處理對聚丙烯表面之影響。其中將改變四氟化碳電漿處理時間，以 探討不同電漿處理時間對改質聚丙烯表面之影響。第二組是以調整氧 氣電漿功率為 100W，研究較高瓦數前處理對聚丙烯表面之影響。第 三組則是調整氧氣電漿功率為 200W，同時減少氧氣電漿處理時間，
探討短時間高瓦數氧前處理之效應。第四組是改變四氟化碳電漿功率 為 60W，討論以較高瓦數之四氟化碳電漿處理對聚丙烯表面之影響。
以上四組電漿參數所獲得之結果，將用以決定製備水濕性梯度之最佳
參數組合。
表 4.1 四組對照組之電漿參數
氣體 有無氧前處理 流量
(sccm) 壓力
(mtorr) 功率(W) 時間(mins)
第一組 O
2(pretreatment) - 10 100 80 10
CF
4no 10 100 20 0.5、5、10、15、20
yes 10 100 20 0.5、5、10、15、20
第二組 O
2(pretreatment) - 10 100 100 10
CF
4yes 10 100 20 5、10、15
第三組 O
2(pretreatment) - 10 100 200 2
CF
4yes 10 100 20 15
第四組 O
2(pretreatment) - 10 100 80 10
CF
4yes 10 100 60 15
4.3.4 製備水濕性梯度
本實驗結合氧氣與四氟化碳或六氟化硫，利用擴散之原理，製 備同時含親疏水性之材料表面，亦即製備一具水濕性梯度之材料表 面。將聚丙烯經由氧氣電漿前處理，再利用四氟化碳或六氟化硫電漿 處理。使用四氟化碳或六氟化硫電漿處理時，於聚丙烯上方使用一遮 罩遮蓋大部分聚丙烯，只留前端一部份，遮罩與聚丙烯間距離 0.1cm，
如圖 4.2 所示。目的是利用擴散機制，於聚丙烯上產生水濕性梯度。
圖 4.2 製備具水濕性梯度聚丙烯之擺置(a)，俯視示意圖(b) 為製備具最大範圍之水濕性梯度，經過測量對照組之接觸角 後，決定使用以下兩組之電漿參數製備具水濕性梯度之聚丙烯，兩組 都經由氧氣電漿進行前處理。第一組：利用四氟化碳電漿，處理時間 分別為 5、10、15 分鐘；第二組利用六氟化硫電漿處理，處理時間分 別為 5、10、15 分鐘。詳細電漿參數如表 4.2 所示：
表 4.2 製備水濕性梯度之電漿參數
氣體 有無氧前處理 流量(sccm) 壓力(mtorr) 功率(W) 時間(mins)
O
2(pretreatment) - 10 100 80 10
(a) CF
4yes 10 100 20 5、10、15
(b) SF
6yes 10 100 20 5、10、15
(c) SF
6yes 10 60、100 20 5
4.3.5 細胞培養
將具有水濕性梯度的聚丙烯樣本切割成 1cm X 1cm 大小，並使
用滅菌矽膠將樣本貼附於 12well 培養盤裡，進行 L929-纖維母細胞之 培養。本次實驗進行 48 小時之細胞培養，並以掃描式電子顯微鏡(SEM) 觀察細胞於不同水濕性梯度表面附著之情形。
本次實驗使用 L929-纖維母細胞，培養液為 DMEM(dulbecco’s modified Eagle’s medium)含有 10%的胎牛血清蛋白(BSA)，FBS 與 1%
的三合一抗生素(penicillin-streptomycin-amphotericin solutions)等，並 於 5%二氧化碳濃度、37 o C 條件之培養箱進行細胞培養。
經由 trypsination 步驟後，利用血球計(hemacytometer)計算細胞 數量，控制每個 well 的細胞濃度為 80000cells/mL，再將細胞加入已 貼附聚丙烯的 12well 培養盤中，進行 48 小時細胞培養。48 小時後，
先將 well 中舊的 medium 吸掉，再利用磷酸鹽緩衝溶液(PBS)潤洗 well，即進行細胞固定步驟。
細胞固定的步驟為，於各 well 中分別加入 0.2%(15 分鐘，4 o C)、
2.5%(60 分鐘，4 o C，兩次)的戊二醛溶液，固定細胞，並利用磷酸鹽
緩衝溶液潤洗(15 分鐘，4 o C，三次)，將未反應之戊二醛移除。依序
利用 30%、50%、70%、80%、90%、99%等濃度之乙醇清洗細胞表
面並進行表面脫水，並使用臨界點乾燥機進行乾燥步驟。再以掃描式
電子顯微鏡觀察細胞於聚丙烯表面附著之情形。
4.3.6 細胞活性測試
為量化水濕性梯度對細胞之影響，本次實驗使用 MTT 實驗以定 量細胞活性。MTT 實驗是利用(3-(4,5-dimethyldiazol-2-yl)-2,5 diphenyl Tetrazolium Bromide)與細胞中之粒腺體的脫氫酵素(dehydrogenase)反 應，產生紫色 formazan 結晶產物的特性。若細胞活性高，粒腺體中 將含有更多量的脫氫酵素，表示有更多的脫氫酵素會與 MTT 反應產 生紫色產物。利用紫外光-可見光光譜分析儀(UV-Visible)，可分析紫 色結晶物於溶液中之吸收值，溶液的濃度越高，其吸收值也會越高。
因此利用吸收值之測定即可決定細胞之活性。
MTT 試驗的方法為：將細胞(80000cells/mL)加入已貼附聚丙烯 的 12well 培養盤中，經過 24 小時細胞培養。24 小時後，先將 well 中舊的 medium 吸掉，再利用磷酸鹽緩衝溶液(PBS)潤洗 well，即進 行 MTT 活性測試。
使用0.5mg/mL溶液與細胞反應4-6小時產生紫色晶體formazan，
再利用二甲亞碸(DMSO)將formazan溶解，並稀釋10倍，將此溶液利 用紫外光-可見光光譜分析儀在554nm波長位置測量其吸收值(optical density-OD)。
4.3.7 蛋白質吸附測試
本次實驗利用 BSA 螢光蛋白質進行蛋白質吸附測試，以了解不 同水濕性表面對 BSA 蛋白質吸附之影響。
將具有水濕性梯度的聚丙烯樣本切割成 1cm X 1cm 大小，並使 用矽膠將樣本貼附於 12well 培養盤裡。以磷酸鹽緩衝溶液當溶劑配 製 1mg-BSA/1mL-PBS 之蛋白質溶液，並於已貼附聚丙烯的 well 中加 入 1mL 蛋白質溶劑，放入培養箱中靜待 4-6 小時。4 小時後取出培養 盤，將各個 well 中的蛋白質溶液取出，並利用紫外光-可見光光譜分 析儀在波長 510nm 位置測量其吸收值。以紫外光-可見光光譜分析儀 測量出之吸收值為未被聚丙烯吸附之蛋白質之值，並非被聚丙烯吸附 之蛋白質之值。所以量化聚丙烯所吸附蛋白質之量時，必須先用 1mg-BSA/1mL-PBS 之吸收值扣除測量出的吸收值，再將此值對照校 正曲線，求得相對之濃度，即可了解被聚丙烯吸附之蛋白質總量。
校正曲線是利用已知濃度的 BSA 溶液，以紫外光-可見光光譜分 析儀測量其吸收值後，所作之濃度對吸收值之關係圖。以 PBS 為溶 劑配製濃度為 1、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1 與 0.05mg/mL 之 BSA 溶液，
測量其吸收值後，作出濃度對吸收值之關係圖，再以線性迴歸方法求
出其校正曲線。
第五章 結果與討論
5.1 對照組 5.1.1 接觸角
聚丙烯經電漿改質處理後，以超純水測量聚丙烯表面之接觸角。
接觸角角度越大，即表面越疏水，若接觸角超過 150 o 表示此表面為 超疏水表面；接觸角角度越小，則表示表面越親水。接觸角之量測必 須於電漿處理後一小時內進行量測。若超過一小時後量測，疏水的表 面可能恢復為原本較親水的表面。
一無經過任何改質過程之聚丙烯表面之接觸角約為 113.1 o ± 1.0 o 。只經過氧氣電漿(80W)處理之聚丙烯表面之接觸角約為 19.4±
0.1。表 5.1 與圖 5.1 為使用第一組電漿參數改質聚後聚丙烯表面之接
觸角。從表 5.1 與圖 5.1 中可看出除了四氟化碳電漿處理時間 0.5 分
鐘的樣品外，在四氟化碳電漿處理條件相同的情形下，有氧前處理之
聚丙烯會比無氧前處理之聚丙烯有著更高的接觸角，也就是有著更疏
水的表面。猜測會有以上的結果是由於氧電漿前處理會增加聚丙烯表
面的粗糙度，因此經過氧前處理之聚丙烯比未使用氧前處理之聚丙烯
具更疏水之表面。在四氟化碳電漿處理時間為 0.5 分鐘的條件下，無
論有無經過氧前處理，其接觸角皆小於未經任何處理之聚丙烯表面。
猜測是由於電漿態的氟離子沒有足夠時間與聚丙烯表面反應，以致於 氟原子並沒有植入聚丙烯表面，只有電子或離子破壞聚丙烯表面原有 的官能基，使得無經過氧前處理之聚丙烯表面的表面疏水性降低，接 觸角角度亦降低；有經過氧前處理的聚丙烯則因為表面有含氧之官能 基，導致表面較無經過氧前處理之聚丙烯親水，接觸角角度也較無經 過氧前處理之聚丙烯低。
表 5.1 對照組第一組電漿參數改質聚丙烯後之接觸角
CF
4電漿處理時間(mins) 0.5 5 10 15 20
無 O
2-前處理 92.0
o±0.8
o125.2
o±0.8
o128.2
o±0.1
o132.1
o±0.6
o135.1
o±1.1
o有 O
2-前處理(80W) 72.7
o±0.6
o142.4
o±0.4
o148.3
o±1.6
o>150
o>150
oContact-Angle V.S. CF
4-plasma treatment time
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
CF
4-plasma treatment time(mins)
cont ac t a ngl e( de gr ee )
有氧氣前處理 無氧氣前處理
圖 5.1 對照組第一組電漿參數改質聚丙烯後之接觸角與四氟化碳電
漿處理時間關係圖
第二組將氧氣電漿功率改變為 100W，了解較高瓦數之氧前處理 對聚丙烯表面水濕性之影響。表 5.2 與圖 5.2 為以第二組電漿參數改 質聚丙烯表面後聚丙烯表面之接觸角。相較於第一組之結果可知，對 於相同四氟化碳電漿處理條件下，使用 100 W 氧前處理聚丙烯之接 觸角小於使用 80 W 氧前處理聚丙烯之接觸角。雖然 100W 氧前處理 有多於 80 W 氧前處理的離子與電子可與聚丙烯表面反應，但也因此 有更多離子與電子會蝕刻聚丙烯表面，降低在 80 W 氧前處理情況下 已達最大粗糙度的表面的粗糙度，使其疏水性降低，接觸角降低。
表 5.2 對照組第二組電漿參數改質聚丙烯後之接觸角
CF
4電漿處理時間(mins) 15 20 25
O
2-前處理(100W) 131.8
o±1.6
o137.5
o±1.4
o143.7
o±0.7
oContact-Angle V.S. CF
4-plasma treatment time
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
CF
4-plasma treatment time(mins)
cont ac t a ngl e( de gr ee )
圖 5.2 對照組第二組電漿參數改質聚丙烯後之接觸角與四氟化碳電漿 處理時間關係圖
第三組為改變氧氣電漿功率為 200W，並減少氧氣電漿處理時 間，了解較高瓦數之氧前處理對聚丙烯表面水濕性之影響。利用第三 組電漿條件所改質之聚丙烯之接觸角約為 134.7 o ±1.6 o 。對於相同四氟 化碳電漿處理時間同為 15 分鐘的情形下，第三組之接觸角較第一組 之接觸角角度低之原因猜測是由於經第三組氧前處理之聚丙烯表面 粗糙度低於第一組氧前處理之聚丙烯表面粗糙度，使其在經過同樣四 氟化碳電漿處理條件後，第三組聚丙烯表面較親水，接觸角亦較低。
第四組改變四氟化碳電漿功率為 60W，以了解較高瓦數之四氟
化碳電漿處理對聚丙烯表面水濕性之影響。利用第三組電漿條件所改 質之聚丙烯之接觸角約為 128.2 o ±1.9 o 。在與第一組同樣的氧前處理條 件，且四氟化碳電漿處理同為 15 分鐘的情況下，以 60W 四氟化碳電 漿改質之聚丙烯表面之接觸角小於以 20W 四氟化碳電漿改質之聚丙 烯表面之接觸角。猜測是功率 60W 的四氟化碳電漿下，蝕刻機制較 植入反應多，使得植入聚丙烯表面的氟原子較 20W 四氟化碳電漿改 質之聚丙烯表面少，因被植入表面的氟原子有很大的機率被蝕刻反 應，導致其表面疏水程度降低，接觸角亦降低。
為找出製備水濕性梯度時最適當的電漿處理條件，在經過四組 不同電漿條件的測試之後，因第一組電漿條件可得到最大之水濕性梯 度範圍，且最疏水端可達接觸角 150 o 之超疏水表面，所以決定利用 第一組之電漿條件於聚丙烯表面製備水濕性梯度。
5.1.2 細胞培養
將 L929-纖維母細胞培養於對照組之聚丙烯上，再利用掃描式電
子顯微鏡觀察細胞於聚丙烯上附著之情形，圖 5.4 至圖 5.10 即是利用
掃描式電子顯微鏡所觀察到的影像。若細胞附著於表面上後並無延展
之情形，圖 5.3(左)所示，表示此表面不利於細胞生長；若細胞有延
展之情形，圖 5.3(右)所示，表示此表面有利於細胞生長。
圖 5.3 細胞於物體表面附著情形：左圖為細胞於不利於其附著之表面 之情形；右圖為細胞於利於其附著之表面之延展情形
由圖 5.4 至圖 5.10 中無法明顯地看出細胞於各個表面上有不同
的附著情形，細胞附著於各表面後之情形無太大差異的原因可能有
二：第一，猜測可能是由於對照組中各聚丙烯表面之親疏水性並無太
大差異；第二，表面之親疏水性對纖維母細胞之附著並無太大的影
響。若各聚丙烯表面之親疏水性有極大的差異或是培養對親疏水性較
敏感之細胞，如神經細胞，即可以觀察到較明顯之結果。欲更一步了
解表面是否有利於細胞之附著或生長，必須利用 MTT 試驗將細胞活
性量化，才可更清楚知道表面對細胞附著或生長之影響。
圖 5.4 細胞於未經過電漿處理之聚丙烯上附著情形
圖 5.5 細胞於經過 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：10sccm, Pressure：100mtorr, Time：5mins)之聚丙烯上附著情形
圖 5.6 細胞於經過 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：10sccm,
Pressure：100mtorr, Time：10mins)之聚丙烯上附著情形
圖 5.7 細胞於經過 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：10sccm, Pressure：100mtorr, Time：15mins)之聚丙烯上附著情形
圖 5.8 細胞於經電漿前處理及 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：
10sccm, Pressure：100mtorr, Time：5mins)之聚丙烯上附著情 形
圖 5.9 細胞於經電漿前處理及 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：
10sccm, Pressure：100mtorr, Time：10mins)之聚丙烯上附著情 形
圖 5.10 細胞於經電漿前處理及 CF 4 電漿處理(Power：20W, Flowrate：
10sccm, Pressure：100mtorr, Time：15mins)之聚丙烯上附著情 形
5.2 水濕性梯度 5.2.1 接觸角
量測已經過電漿處理之聚丙烯之接觸角，以了解四氟化碳電漿 或六氟化硫電漿中之離子或電子於遮罩中擴散之程度。
(a) 四氟化碳電漿處理時間對於接觸角梯度之影響
同一電漿處理條件之下，因為使用遮罩之緣故，電將中之粒子利
用擴散方式到達材料表面，樣品各點的受到電漿改質的程度也有所不
同，接觸角也有所差異。聚丙烯於氧前處理時未使用遮罩，所以整片
聚丙烯表面被改質為親水性表面。於四氟化碳電漿使用時遮罩，四氟
化碳電漿中的離子與電子以擴散方式進入遮罩中，所以較近開口處之 聚丙烯表面會受到較強的改質，造成較疏水的表面；反之，離開口處 越遠之聚丙烯表面，離子與電子越難擴散至此，所以受改質程度也較 弱，造成較親水的表面。
於同樣位置之聚丙烯表面，不同四氟化碳電漿處理時間會對聚丙 烯表面水濕性造成不同的影響。於同樣位置之聚丙烯表面，若四氟化 碳電漿處理時間越長，則表面越疏水；若四氟化碳電漿處理時間越 短，則表面越親水。由於四氟化碳電漿處理時間越長，電漿中的離子 與電子就越有時間向離開口較遠處擴散，若表面上方的離子與電子越 多，表面受到的改質程度也會越強。
位置 1、2、3 之接觸角於不同四氟化碳電漿處理時間之差大於位 置 6、7 之接觸角差。猜測是由於位置 6、7 因離子與電子較難擴散至 此，所以不論四氟化碳電漿處理時間長短，電漿於位置 6、7 的改質 程度皆很弱，所以接觸角差異小。位置 1、2、3 皆擁有許多離子與電 子，所以其改質程度是受到時間長短之影響。此種現象使得經氧氣電 漿前處理與四氟化碳電漿處理時間十五分鐘的聚丙烯樣品擁有最大 的水濕性梯度範圍，如表 5.3、圖 5.11 所示。
表 5.3 利用電漿前處理及 CF 4 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接
觸角
圖 5.11 利用電漿前處理及 CF 4 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接 觸角
(b)六氟化硫電漿處理時間對於接觸角梯度之影響
六氟化硫與四氟化碳同樣為含氟分子，所以高分子聚合物經六
距疏水端距離(cm)
CF
4電漿時間(mins)
1 2 3 4 5 6 7
5 133.4
o117.3
o103.4
o79.6
o68.4
o69.0
o58.6
o10 140.6
o- 90.7
o80.9
o63.5
o56.3
o54.5
o15 >150
o- 123.7
o98.3
o83.7
o65.9
o54.3
o處理，再分別使用五、十與十五分鐘之六氟化硫電漿處理，並於六氟 化硫電漿處理時使用遮罩，所測得之接觸角。
由表 5.3 與表 5.4 可知，對於同位置之聚丙烯表面，在四氟化碳 電漿處理條件與六氟化硫電漿處理條件相同之情況下，經六氟化硫電 漿處理之聚丙烯擁有較大的接觸角角度，表示六氟化硫電漿處理之聚 丙烯較四氟化碳電漿處理之聚丙烯疏水。猜測是由於六氟化硫分子中 含有比四氟化碳分子更多的氟原子所導致，因此六氟化硫電漿擁有比 四氟化碳電漿更具效率的疏水改質能力。
由電漿處理時間五分鐘之數據可看出距疏水端一至四公分之間 的接觸角角度差異與距疏水端五至七公分之間的接觸角角差異皆小 於 20 度，但距疏水端四公分與五公分之間的接觸角角度極大。猜測 是由於六氟化硫電漿處理時間只有五分鐘，所以只有少數六氟化硫電 漿中的離子與電子能擴散至距疏水端五公分處，導致距疏水端四公分 與五公分處有極大的接觸角差異。雖然只有少數離子與電子擴散至距 疏水端五公分處，但距疏水端五公分之後仍有粒子擴散的情況，導致 距疏水端五、六、七公分處有接觸角遞減的趨勢。且因距疏水端七公 分處之接觸角與只有經氧前處理的聚丙烯之接觸角相近，所以猜測電 漿粒子無法擴散至此處。
由電漿處理時間十與十五分鐘之數據可知，因距疏水端七公分
處的接觸角約為 135 o 與 136 o ，所以猜測六氟化硫電漿粒子已完全擴 散至距疏水端七公分處，因此表面有一完整之水濕性梯度，但因親疏 水端接觸角之差距太小，所以不會利用此參數製備的聚丙烯來培養細 胞或是進行蛋白質吸附測試。
表 5.4 利用電漿前處理及 SF 6 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接觸角
距疏水端 距離(cm)
SF
6電漿 時間(mins)
1 2 3 4 5 6 7
5 >150.0
o141.8
o±2.5
o138.3
o±1.1
o134.5
o±0.7
o47.0
o±5.9
o34.5
o±0.9
o19.7
o±2.2
o10 >150.0
o141.8
o±0.1
o135.
o±0.6
o128.6
o±0.3
o92.5
o±0.7
o84.3
o±0.6
o74.5
o±0.4
o15 >150.0
o>150.0
o147.7
o±0.8
o141.7
o±0.9
o138.9
o±1.3
o137.9
o±0.5
o136.5
o±0.5
oPosition V.S Contact angle
0 20 40 60 80 100 120 140 160
1 2 3 4 5 6 7
distance from hydrophobic end(cm)
co n ta ct a n g le (d eg re e)
氧前處理+六氟化硫電漿處理5分鐘 氧前處理+六氟化硫電漿處理10分鐘 氧前處理+六氟化硫電漿處理15分鐘
圖 5.12 利用電漿前處理及 SF 6 電漿，處理 5、10、15 分鐘所測得之接 觸角
圖 5.13 利用電漿前處理及 SF 6 電漿處理 5 分鐘之接觸角之影像
圖 5.14 利用電漿前處理及 SF 6 電漿處理 15 分鐘之接觸角之影像
(c)六氟化硫電漿之壓力對於接觸角梯度之影響
由式 5.1 的 Fick 第一定律可知，分子擴散之速率與其濃度差有 關。在同樣擴散距離之下，濃度差越大，擴散速率越快。我們改變六 氟化硫電漿之壓力，以了解不同壓力對接觸角梯度之影響。
dz D dC
J AZ AB A (5.1)
表 5.5 與圖 5.14 為為經氧氣電漿前處理，並利用 60mtorr 與 100mtorr 之四氟化硫電漿處理 5 分鐘所測得之接觸角。由表 5.5 與圖 5.15 可比較相同位置之下，壓力 60mtorr 與 100mtorr 六氟化硫電漿處 理對表面水濕性與接觸角之影響。除距疏水端 2 公分處外，其餘的每 一處皆是 100mtorr 六氟化硫電漿處理比 60mtorr 六氟化硫電漿處理更 為疏水。猜測是由於電漿腔體中之壓力越高，表示腔體中的離子與電 子濃度越高，與遮罩中離子與電子濃度的差異也越大。因為 100mtorr 六氟化硫電漿比 60mtorr 六氟化硫電漿有更高的濃度，所以 100mtorr 六氟化硫電漿與遮罩中離子與電子之濃度差也相對較高，離子與電子 就有高的擴散速率，也擁有比 60mtorr 六氟化硫電漿更快的改質速率。
表 5.5 利用電漿前處理及 60mtorr 與 100mtorr 之 SF 6 電漿，處理 5 分 鐘所測得之接觸角
距疏水端 距離(cm)
SF
6電漿處理 1 2 3 4 5 6 7
60 150
o136.4
o32.7
o28.1
o22.1
o19.6
o19.4
o100 >150
o131.7
o97.6
o91.9
o81.3
o37.4
o37.4
ocontact angle V.S position
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 1 2 3 4 5 6 7 8
distance from hydrophobic end (cm)
co n ta ct a n g le (d eg re e)
pressure - 60mtorr pressure - 100mtorr
圖 5.15 利用電漿前處理，以及 60mtorr 與 100mtorr 之 SF 6 電漿，處 理 5 分鐘所測得之接觸角與位置關係圖
將本次實驗結果與各文獻做比較，可發現我們在相對較短的時間 內，得到了最大範圍的水濕性梯度(130 度)，且最疏水端達到超疏水性 質，表示本次實驗結果有相當高的多樣性。實驗過程中無使用任何化 學藥品，所以沒有化學殘留的問題存在，皆克服了於第三章中所提到 的問題。表 5.5 與圖 5.16、5.17 為本次實驗結果與各文獻在最大、最 小接觸角、製備水濕性梯度時間與親疏水端接觸角差之比較。
表 5.6 各文獻與本實驗最大、最小接觸角、製備水濕性梯度時間與親疏水
端接觸角差
[14] [16] [18]-PE [18]-PS [18]-PDMS [18]-PTFE [20] [21] [23] this work 最大接觸角
角度(度) 20 0 92 90 100 120 97 105 93 150
最小接觸角
角度(度) 80 74 38 23 10 60 47 30 60 20
親疏水端最大
接觸角差(度) 60 74 54 67 90 60 50 75 33 130
處理時間(分) 90 40 0.3 0.3 3 3 0.15 5 7 15
treatment time V.S. ΔWCA
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
treatment time(mins) d if fe re n ce o f w et ta b il it y c o n ta ct a n g le (d eg re e)
[16]
[14]
[18]-PDMS
[21]
[23]
[20]
[18]-PTFE [18]-PE [18]-PS
this work
圖 5.16 各文獻與本次實驗製備水濕性梯度時間與親疏水端最大接觸
角差之關係圖
ΔWCA V.S Maximum & minimum contact angle
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 difference of wettability contact angle (degree)
m ax im u m a n d m in im u m c o n ta ct a n g le (d eg re e)
ΔWCA V.S maximum contact angle ΔWCA V.S minimum contact angle
[18]-PDMS [18]-PDMS [21]
[21]
[16]
[16]
[23]
[23]
[20]
[20]
[18]-PE [18]-PE
[18]-PTFE
[18]-PTFE [18]-PS
[18]-PS [14]
[14]
