中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：PS材料表面微奈米結構之製作及其對細胞 生長及貼附之影響
The Fabrication of Nano/Micro-struc- tured Surface on PS Materials and the Study of their Effects on the Cell Adhesion and
Growth
系 所 別：機械與航太工程研究所 學號姓名：M09408012 李 奎 稷 指導教授：簡 錫 新 博 士
馬 廣 仁 博 士
中華民國九十六年八月
摘要
奈微米結構或圖案化之材料表面對生物感測、細胞調控及組織工 程提供了新的應用潛能。本研究利用熱壓印製程結合雷射剝蝕法，在 PS 材料表面製作出不同的奈米結構，並探討其對小鼠骨 肌細胞貼 附與生長之影響。
最佳化熱壓印條件是上下模溫度設定分別為 130℃及 45℃，荷重 700Kg，持壓時間為 60 秒。最佳化製程條件下模板與 PS 材料沾黏的 問題可獲改善。熱壓印在較低的溫度(下模溫度低於 125℃或上模溫 度低於 45℃)或荷重低於 600Kg，皆會導致表面出現結構缺陷。熱壓 印溫度過高(下模溫度高於 125℃或下模溫度高於 50℃)或製程時間 超過 120 秒，則會導致試片變形及材料表面產生氣泡。微米尺度的孔 洞及溝槽是以 ArF 準分子雷射在奈米溝槽 PS 材料表面上完成，其尺 寸大小為 25, 50 及 100 m。
小鼠骨 肌細胞會在 PS 材料表面上沿著奈米溝槽方向成長。微 米孔洞及溝槽尺寸大於 50 m 時，仍允許細胞在槽孔內貼附與生長。
但當微米孔洞及溝槽尺寸為 25 m 時，可有效的隔離或抑制細胞往槽 孔內貼附與生長。這顯示奈米圖案結合微米尺度的結構表面，提供了 更大的彈性去調控細胞的貼附與生長行為。
關鍵字：奈微米結構表面、細胞貼附、熱壓印
Abstract
Nano/micro-structured or patterned surface opens new capabilities for biological sensing, cell manipulation and tissue engineering. This study aims to fabricate nano/micro-structured surface on PS materials by hot embossing followed by laser ablation method, and to investigate the effects of nano/micro-structured surface on the adhesion and growth of mouse myoblast cell line (C2C12).
The optimum hot embossing condition for PS materials is the pressing temperature at 130℃ and 45 ℃ for lower and upper mold respectively, under a load of 700 Kg with press duration of 60 sec.. The sticking problem between the mold and PS materials can be significantly improved under the optimum conditions. Hot embossing at a lower temperature (< 125℃ for lower mold or < 40℃ for upper mold ) or the applied load less than 600 Kg leads to severe structure defects on the surface. The hot embossing carried out at a higher temperature (>135℃
for lower mold or > 50℃ for upper mold) or with press duration over 120 seconds results in distortion of the samples and bubbles formation in PS materials. The micro-scale holes or grooves with a diameter of 25, 50 and 100 m were produced on nano-grooved PS surface by ArF laser ablation process.
C2C12 cells were found to be well aligned along the nano-grooved PS surface. As the arrayed holes or grooves with a diameter larger than 50 m, the cells still allow adhering and growing inside these structures.
However, the cells can be effectively isolated or prohibited from adhering and growing into these structures when the arrayed holes or grooves with a diameter of 25 m. This indicated that the nano-patterned combined with micro-structured surface provides sufficient flexibility to manipulate cell adhesion and growth behavior.
Key words: nano/micro-structured surface, cell adhesion, hot embossing
致謝
感謝研究所這兩年來細心教導我的指導教授 簡錫新老師以及共 同指導教授 馬廣仁老師，謝謝您們這段時間的督導與教誨，讓我在 求學的過程中，研究與生活態度都受益良多，以至於能順利完成碩士 學位，在此獻上我最誠摯的謝意。同時感謝食品所 黃效民博士，由 於您的指導與協助使得我能順利地完成細胞培養方面的實驗。也感謝 口試期間淡江大學趙崇禮博士對本論文的悉心指導，使得本論文內容 更為完善。
此外，研究所求學期間，特別感謝雲鵬、雄程等多位學長在課業 與實驗上的指點與協助，還要感謝禎景同學在研究上相互的交流與協 助。柏民、書瑋等同學與錦坤、和政、鈞泓、元魁等學弟在課業與生 活上的相互扶持，使我在研究所的日子裡能順心順意。
最後要感謝我的父母及另一伴給我的支持、鼓勵與關心，讓我能 無後顧之憂地全力衝刺完成我的學業。僅將此論文獻給每一位曾給予 我幫助與支持的師長與朋友們，謝謝。
目 錄
中文摘要--- I 英文摘要--- II 致謝--- III 目錄--- IV 表錄--- VII 圖錄--- VIII
一、前言--- 1
二、文獻回顧--- 3
2.1 奈米圖案轉印技術 --- 3
2.1.1 熱壓型奈米轉印技術 --- 7
2.1.2 奈米圖案轉印關鍵技術的瓶頸 --- 9
2.2 熱壓製程--- 14
2.2.1 熱壓過程高分子之行為 --- 16
2.3 熱塑性高分子材料之特性 --- 18
2.3.1 比容常數與 P-V-T 對熱塑性高分子材料的影響---23
2.3.2 影響熱壓成形品收縮之因素 --- 25
2.4 影響細胞生長行為的方式---26
2.4.1 化學性材料表面改質的影響---27
2.4.2 表面微結構的影響 --- 28
三、實驗步驟與設備 --- 43
3.1 實驗流程--- 43
3.2 實驗設備--- 44
3.2.1 製作不同微表面結構之設備 --- 44
3.2.2 觀察表面微結構與細胞成長狀態之設備 --- 46
3.2.3 培養細胞之設備 --- 49
3.3 培養細胞實驗 --- 51
3.3.1 培養細胞處理的儀器與材料 --- 51
3.3.2 活化冷凍細胞 --- 53
3.3.3 細胞計數 --- 54
3.3.4 細胞培養（C2C12、BMSC） --- 54
3.4 熱壓印實驗 --- 55
3.4.1 實驗試片之準備 --- 55
3.4.2 實驗試片的前置準備 --- 55
3.4.3 熱壓印製程 --- 57
四、結果與討論--- 60
4.1 熱壓印參數對材料表面微結構的影響 --- 60
4.1.1 平板溫度對於 PS 材料表面微結構之影響 --- 62
4.1.2 壓力對於 PS 材料表面微結構之影響 --- 64 4.1.3 持壓時間對於 PS 材料表面微結構之影響 --- 67 4.1.4 母模板∕熱壓印平板平行度對材料表面微結構影響 -- 69 4.1.5 脫膜對於材料表面微結構之影響---69 4.2 等方向微奈米溝槽對細胞（C2C12、BMSC）貼附成長之影響
---70 4.2.1 U 型微奈米溝槽表面對細胞生長與貼附之影響 --- 71 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之
影響---73 4.2.3 ArF 準分子雷射光罩陣列圖形微結構對細胞生長與貼附之
影響 --- 80 五、結論--- 91 文獻回顧--- 94
表 錄
表 2.1 各種 NIL 技術比較與探討 --- 7
表 2.2 一般常見的熱塑性塑膠分類與特性 --- 21
表 2.3 兩者的物理性質之比較 --- 22
表 3.1 不同參數條件下之範圍表 --- 58
表 3.2 製程條件之最佳溫度下，參數範圍表 --- 58
表 4.1 不同圓孔尺寸及不同脈衝的參數 --- 80
圖 錄
圖 1.1 奈米轉印技術與傳統熱壓成型技術相似 --- 2
圖 2.1 奈米轉印微影技術 --- 6
圖 2.2 奈米轉印微影製程 --- 8
圖 2.3 平行度不佳之壓印 --- 10
圖 2.4 壓力不均之壓力 --- 10
圖 2.5 PS（Polystyrene）與 PMMA（Poly(Methyl Methacrylate)） 個別在 50℃與 110℃時微表面結構的變化 --- 13
圖 2.6 PS 與 PMMA 黏附力影像（AFM）的變化 --- 13
圖 2.7 熱壓印步驟過程（b）溫度與壓力曲線 --- 15
圖 2.8 模穴填充時跟高分子流動示意圖 --- 16
圖 2.9 壓力擠壓下，受剪應力示意圖 --- 17
圖 2.10 具週期性圖案模仁（Mold） 與大面積少數圖案之模 仁---17
圖 2.11 製程內時間對力的控制 --- 18
圖 2.12 代表性的典型週期（在熱壓印製程內溫度和力的關係） ---18
圖 2.13 聚苯乙烯之結構圖 --- 19
圖 2.14 單聚合物、共聚合物的化學式結構 --- 20
圖 2.15 不定形結構與結晶結構 --- 21
圖 2.16 轉態現象---21
圖 2.17 P-V-T 之關係圖---24
圖 2.18 高分子之比容對溫度作用圖---25
圖 2.19 製程參數之關係---26
圖 2.20 自組裝分子結構示意圖---28
圖 2.21 不同表面粗糙度的基板---31
圖 2.22 各種細胞貼附於粗糙表面的基板---31
圖 2.23 各種細胞在不同材料表面微結構、尺寸深寬比下的生長行為 ---34
圖 2.24 各種細胞在不同材料表面微結構、尺寸深寬比下的生長行為 ---35
圖 2.25 針狀陣列結構，尺寸為 150μm --- 38
圖 2.26 針狀陣列結構，尺寸為 1000μm --- 38
圖 2.27 肌肉細胞（i）纖維組織母細胞的生長行為---39
圖 2.28 神經細胞數量在不同圖形薄膜孔徑及邊緣尺寸之情形 ---39
圖 2.29 內皮細胞數在蜂巢狀薄膜和平坦薄膜的比較 --- 39
圖 2.30 成肌細胞在不同微結構材料表面間的比較 --- 42
圖 2.31 不同孔徑、尺寸及深寬比的陣列圖形培養不同細胞，孔洞的
細胞較一般平坦的細胞有明顯增生的現象 --- 42
圖 3.1 熱壓轉印設備（Hot Embossing） --- 44
圖 3.2 ArF 準分子雷射（Excimer Laser Micromachining） ---- 45
圖 3.3 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM） --- 46
圖 3.4 倒立式光學顯微鏡（Inverted Microscope） --- 47
圖 3.5 相位差顯微鏡（Phase Contrast Microscope） --- 48
圖 3.6 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）--- 48
圖 3.7 無菌操作平台 --- 49
圖 3.8 離心機 --- 49
圖 3.9 水浴槽（Water Bath） --- 50
圖 3.10 CO2恆溫培養箱（Incubator） --- 50
圖 3.11 培養瓶（T75, T25 Flask） --- 52
圖 3.12 培養基 90% D-DMEM+ 10% FBS--- 52
圖 3.13 抑制劑 Trypsin-EDTA --- 52
圖 3.14 血球計數盤與計數器 --- 53
圖 3.15 電動吸量分注器（Pipetboy）--- 53
圖 3.16 培養皿 --- 56
圖 3.17 切割加工後之方格 --- 56
圖 3.18 U 型溝槽母模板 --- 56
圖 3.19 U 型溝槽母模板示意圖 --- 56
圖 3.20 熱壓印製程步驟 --- 57
圖 3.21 熱壓印流程示意圖 --- 59
圖 4.1（a）製程參數設定 --- 61
圖 4.1（b）製程參數設定 --- 61
圖 4.2 高分子材料（PS），熱壓印後之材料有嚴重變形 --- 63
圖 4.3 高分子材料（PS），有干涉條紋但非均勻分布之表面 --- 63
圖 4.4 母模板在高溫反覆壓印下有嚴重剝離之情形 --- 63
圖 4.5 SEM 觀察後，材料微結構表面有熱壓不良的情形 --- 64
圖 4.6 SEM 觀察，材料微結構表面有嚴重剝離的情形 --- 64
圖 4.7 壓力過大與熱應力所造成材料之變形--- 66
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 --- 66
圖 4.9 SEM 觀察，PS 材料表面微結構不顯著且有破損情況--- 66
圖 4. 10 壓力過大與熱應力所造成材料之變形---66
圖 4.11 在（F、G）條件下，材料表面產生氣泡 --- 68
圖 4.12 培養 BMSC 細胞後，氣泡影響到細胞生長方向（50X） --- 68
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 -- 68
圖 4.14 PS 材料表面利用 SEM 觀察，微奈米結構相當完整 --- 68 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 --- 69 圖 4.16 脫模情形不良造成 PS 材料表面微結構嚴重損壞 --- 70 圖 4.17 母模板的抗沾黏層有嚴重剝離的情形--- 70 圖 4.18 Naturgene Corp., USA 所研發的 Recell 6mm 培養皿 -- 71 圖 4.19 SEM 觀察下 U 型溝槽之圖形（4.0K 、10.0K） --- 72 圖 4.20 AFM 探測出 U 型溝槽圖形 --- 73 圖 4.21 BMSC 細胞於 U 型微溝槽（300nm）表面上生長貼附情況（200X）
--- 73 圖 4.22 SEM 觀察等方向溝槽（100μm）與 U 型微奈米結構（300nm）
之接面（1.00K） --- 75 圖 4.23 光學顯微鏡觀察，C2C12培養半小時後生長情形 ---76 圖 4.24 光學顯微鏡觀察，C2C12培養 3 小時後之生長情形 --- 76 圖 4.25 倒立式光學顯微鏡觀察下，BMSC 沿著溝槽生長貼附情形
（25μm，200X） --- 77 圖 4.26 倒立式光學顯微鏡觀察下，BMSC 沿著溝槽生長貼附情形
（50μm，200X） --- 77 圖 4.27 圖 4.25 倒立式光學顯微鏡觀察下，BMSC 沿著溝槽生長貼附
情形（100μm，200X） --- 78 圖 4.28 倒立式光學顯微鏡觀察下，C2C12沿著溝槽生長貼附情形
（25μm，200X） --- 78 圖 4.29 倒立式光學顯微鏡觀察下，C2C12沿著溝槽生長貼附情形
（50μm，200X） --- 79 圖 4.30 倒立式光學顯微鏡觀察下，C2C12沿著溝槽生長貼附情形
（100μm，200X） --- 79 圖 4.31 光罩陣列圖形在 U 型微奈米溝槽試片表面上 --- 80 圖 4.32 為 200 pulse 之脈衝，以白光干涉儀良策震裂孔洞之結果--81 圖 4.33 為 800 pulse 之脈衝，以白光干涉儀良策震裂孔洞之結果--81 圖 4.34 在（A）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 83 圖 4.35 在（B）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 84 圖 4.36 在（C）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 88 圖 4.37 在（D）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 86 圖 4.38 在（E）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 87 圖 4.39 在（F）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 88 圖 4.40 在（G）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 89 圖 4.41 在（H）條件下，細胞成長貼附於微結構表面之情況
--- 90
第一章、前言
近年奈米科技研究席捲全球，相關的研究領域更是包羅萬象，應 用的領域不只在單一的產業或研究上，其中對於奈米圖案轉印技術由 於應用範圍廣泛，更是受到特別的重視。2003 年2月，Technology Review 報導指出「將改變世界的十大新興技術」中，其中一項便是 奈米轉印微影技術(Nanoimprint Lithography)[1]。奈米轉印技術主要 是利用一表面具有100nm 以下之奈米結構精密模仁(Mold)（可利用 電子束微影直寫、X 光微影或離子光微影技術等方式製作），在基板 上塗佈一層熱塑性高分子材料(如PMMA)，將溫度提高至Tg 點以上 進行此精密模仁壓印(Imprint)製程，使得此熱塑性高分子材料會隨著 模仁表面結構而成形。待溫度冷卻之後高分子材料固化，移開模仁，
並以乾蝕刻清除殘餘光阻，進而將模仁上之圖案轉印至基板上，此製 作流程類似傳統熱壓成型法[2]，如圖1.1所示。奈米熱壓轉印技術對 設備及模仁精度要求極高，製程參數對成品品質及形狀精度也有極大 的影響，目前的研究仍十分缺乏。
圖1.1 奈米轉印技術與傳統熱壓成型技術相似[2]。
材料表面奈微米結構在生醫微流道晶片上已有廣泛的應用，近來 有許多研究發現，其對細胞的貼附生長培養也有顯著的影響。本研究 主要目的在於研究熱壓印製程參數對成品品質的影響，並探討材料表 面的微結構與細胞生長行為的關聯性。
本研究利用小鼠成肌細胞（C2C12）及間葉性骨髓幹細胞（BMSC）
作為細胞培養實驗，研究中先以熱壓印轉印技術使材料表面轉印奈米 結構（U型溝軌），隨後再利用ArF準分子雷射，在奈米結構表面上 製作出不同微米尺度的溝槽及孔洞，觀察細胞在奈微米結構表面上的 成長貼附行為，以提供生醫材料領域相關之應用。
第二章、文獻回顧
2.1 奈米圖案轉印技術 (Nanoimprint Technique)
奈米圖案轉印技術 (Nanoimprint Technique)最初是由美國普林 斯頓大學S. Y. Chou教授等人於1995年提出的一種奈米級轉印技術，
此文章發表爾後陸續對於相關的製程特性、轉印材料、研發改良新製 程及其各項數值模擬等，皆有詳加探討，也使得此技術發展蓬勃，以 下簡述介紹奈米圖案轉印技術 (Nanoimprint Technique)發展歷史[4]：
（1）S. Y. Chou 等人於 1995 年利用奈米轉印微影技術於奈米製造上。
（2）S. Y. Chou 等人於 1997 年成功地以 PMMA 轉印光阻轉印出 6 奈 米的結構。
（3）S. Y. Chou 等人於 1998 年研發出滾輪式轉印技術（Roller Imprint Lithography）。
（4）S. Brittain 等人於 1998 年開發出軟性奈米轉印微影技術（Soft Nanoimprint）。
（5）M. Colburn 等人於 1999 年研發出步進式快閃轉印技術（Step and Flash Imprint Lithography）。
（6）Microresist 公司於 1999 年開發出熱壓型奈米轉印系列光阻，8000 型的熱塑性多分子聚合物及 9000 型的熱固性多分子聚合物。
（7）B. Heidari 等人於 2000 年將轉印技術的面積推至 6 吋晶圓。
（8）T. Haatainen 等人於 2000 年利用商用之晶圓覆晶機改良為步進 熱壓奈米轉印機。
（9）L. J. Heyderman 等人於 2000 年以實驗觀察，描述熱轉印時高分 子聚合物之流動行為。
（10）M. Beck 等人於 2001 年將模仁（Mold）以表面抗沾黏處理，
提升轉印 10 奈米圖案之解析度。
（11）Y. Hiral 等人於 2001 年以橡膠彈性理論（Rubber Elastic）模擬 奈米轉印時光阻的變形。
（12）M. Otto 等人於 2001 年開發出紫外光固化奈米轉印微影技術
（UV-Curing Nanoimprint Lithography）。
（13）Y. Igaku 等人於 2002 年以旋轉塗佈玻璃（Spin on Glass, SOG）
高分子聚合物為轉印光阻，降低熱轉印時的溫度，而能在室溫完成奈 米轉印。
（14）C. Gourgon 等人於 2002 年以電子束微影光阻 NEB22 作為轉印 光阻，可降低熱轉印時之溫度。
（ 15 ） L. J. Guo 等 人 於 2002 年 發 展 逆 向 奈 米 轉 印 （ Reverse Nanoimprinting）技術，很容易達到多層堆疊的圖案。
（16）S. Y. Chou 等人 2002 年發展出雷射輔助直接轉印（Laser Assisted Direct Imprint）技術，可以在極短時間內將奈米圖案成型於矽晶圓上。
（17）L. J. Guo 等人於 2004 年將奈米轉印技術與光學微影技術結合，
有效地解決線寬與小線寬共同存在時之壓印問題。
由於奈米轉印技術（Nanoimprint Lithography, NIL）不會受光學式 微影繞射極限之限制，且具有加工解析度高、速度快、及成本低廉等 特色，可應用於生醫產品、超高密度碟片、光學元件、模具、有機電 子學、分子電子學等，應用領域相當廣泛，更被譽為十大可改變世界 科技之ㄧ[8]，讓相關領域之學者與產業有極大興趣。
自 1995 年發表以來，奈米轉印技術發展至今也有十餘年之久，大 量的文獻資訊及技術發展趨勢，目前約可歸納四大主流技術，如圖 2.1 所示[3]：
（ 1 ） 熱 壓 型 奈 米 轉 印 技 術 (Hot Embossing Nanoimprint Lithography)：S. Y. Chou等學者利用高溫高壓方式，將模仁（Mold）
上之奈米結構轉印成形[4]。
（ 2 ） 紫 外 光 硬 化 奈 米 轉 印 技 術 (UV-Curing Nanoimprint Lithography)：M. Otto等學者在常溫狀態下，對模仁（Mold）施以輕 微壓力（﹤1 bar），再配合UV光源照射使奈米結構成形[5]。
（3）軟微影蝕刻技術 (Soft Lithography)：S. Brittain等學者仿照沾墨 蓋章原理，以可饒性模仁（PDMS Mold）進行奈米結構轉印成形[6]。
（4）雷射輔助直接轉印技術 (Laser-Assisted Direct Imprint)：S. Y.
Chou等學者以透明石英作為模仁（Mold），利用雷射輔助可快速壓 印模板使基材軟化，壓印時間僅需250ns，此製程僅適合小量生產與 小面積之壓印製程[7]。
圖2.1 奈米轉印微影技術[3]。
這四大主流技術製程方法皆不相同，但主要共通點皆由模具輔助
（Mold-Assisted）的轉印概念，技術發展至今各擁所長，在各領域裡 發揮應用。而表2.1[17]是針對上述四種奈米轉印技術所做的一些比較 與探討。
表2.1 各種NIL技術比較與探討[17]。
2.1.1 熱壓型奈米轉印技術（Hot Embossing Nanoimprint Lithography）
[9~14]
由美國普林斯頓大學 S. Y. Chou 教授等人於1995年提出的熱壓 型奈米轉印技術（Hot Embossing Nanoimprint Lithography）[3、9]概 念，其概述原理如下：
此項技術結合熱塑性高分子熱壓成形（Hot Embossing）和半導體 製程，也是最早的研發的奈米轉印技術。主要在具有奈米圖案之模 仁，其材料可選擇矽晶圓等做為基材，模仁的製造主要以電子束直接 刻寫之技術，再以高壓將模仁壓印在塗佈熱塑性高分子材料（如：
PMMA）的矽晶圓上，將模仁與塗佈一層熱塑性高分子材料的矽晶圓 進行加壓加熱，至此熱塑性高分子材料之玻璃轉換溫度（Glass Transition Temperature, Tg）以上，使此熱塑性高分子材料之黏滯性降
低（Viscosity）降低，且熱塑性高分子材料隨著模仁表面結構圖案成 形，待成形後再降低溫度使其固化。最後移開模仁，並以乾蝕刻方式 清除殘餘之薄光阻層，因而將模仁上之圖案轉印至基材上。如圖2.2[18]
所示。
圖2.2 奈米轉印微影製程[18]。
熱壓轉印製程中最重要的關鍵，在於熱塑性高分子材料之特性、
轉印溫度和壓力大小，以PMMA材料為例，其玻璃轉換溫度約在105℃
至107℃，而在進行轉印時之溫度需加熱至140℃至160℃，轉印完成 後需將溫度降至50℃至80℃，轉印時間約需花費60秒以上，然而每次 轉印製程皆需加熱再冷卻之步驟，不僅能源耗損，且模仁處於高溫環 境下，其表面奈米結構對於基板或者熱塑性高分子材料皆會產生熱膨
脹之問題，也容易造成圖案轉印尺寸上之誤差及製程後續脫模等問題 [4]。此製程技術目前的重點在於，如何提高大面積轉印時之均勻性與 降低熱變形及收縮效應。目前，現有技術搭配產業設備商有Nanonex、
Suss microtec 及EV group 等，其中Nanonex 擁有此項製程較多之專 利[2]。
2.1.2 奈米圖案轉印關鍵技術的瓶頸
自奈米圖案轉印技術研究文章發表以來，大多數的文章皆是介紹 NIL相關（奈米轉印技術，NanoImprint Lithography）技術，其面臨最 大的挑戰就是大面積轉印技術的問題，然而，欲達到完整的微奈米結 構複製，相關的轉印技術都是息息相關的，以下是對相關技術瓶頸之 問題整理[4]，如下：
（1）平行度與均壓性[15]
在奈米轉印製程中，需將模具上微奈米結構均勻轉印至塗佈一層 高分子材料(如：PMMA)之基板上，除了製程中壓印的平行度，另一 項就是整體壓印的均壓性；當壓印面積增大，其平行度不良狀況會造 成壓印深度不一或者壓印後微結構不平行甚至造成母模基板變形，如 圖2.3所示[13]；當壓力不均時，轉印後，微結構複製不完整或者未達 設計之要求，較嚴重之情況甚至可能使模具與基材，原因在於因碰觸 造成模具與基板之損壞，如圖2.4所示[13]。R. W. F. Gottschalch等學
者[20]使用兩種不同溫度(165℃及205℃)壓印幾種不同分子量的 Polymethyl Methacrylate (PMMA)膜[26]。他們發現只要壓印溫度高 於PMMA 的Tg點 90℃，模具上的微結構都能全部複印至高分子膜 上。不過如果模具與高分子膜不能平行緊密接觸，則會造成壓力分布 不平均以致於會有局部不完整性出現。
圖 2.3 平行度不佳[13]。
圖 2.4 壓力不均對壓印品質影響之示意圖[13]。
（2）溫度與時間之控制[16]
高分子材料對於溫度的靈敏度高，不同溫度下物理情況之特性，
如流動性、黏彈性、收縮率等等皆不相同。因此，在進行大面積轉印，
若無法控制溫度對於高分子材料之整體均溫性，易造成轉印後高分子 材料表面上之微結構多處表現出不同之物理特性；一般進行奈米轉印
製程時，是將溫度提高至熱塑性高分子材料之Tg 點以上，使得熱塑 性高分子材料軟化，並在模仁表面結構圖案複製成形，而高分子材料 之選用一般以成形溫度佳的PMMA為主，其成形溫度在140℃以上。
在奈米轉印製程上，若以一般電熱方式進行加熱且要求製程時之溫度 均勻性，需耗費數分鐘，如再加上製程後續的脫模與冷卻時間，製程 耗費時間更需五分鐘以上，這對大量生產之情況不利，而一些快速加 熱系統陸續被應用在製程上，如超音波、雷射、微波等加熱方式，減 短奈米轉印製程時間，而最佳產能製程時間應控制在1分鐘內為最 佳。Y. J. Juang等學者[21、22]試著建立起加工條件、高分子物性及成 品間的關係。此研究使用三種高分子：Polycarbonate(PC)、Polymethyl methacrylate(PMMA)、Polyvinyl Butyral(PVB)，並探討一些製程參 數(如壓力、加熱降溫範圍 (Thermal Cycle) 和加熱方式)，以及量測 製程中模具位移的變化及產品的品質(如複製精度及熱殘留應力)。研 究發現使用等溫加熱方式，複製精度及熱殘留壓力和加工的條件有很 大的關係。反之，使用非等溫加熱方式，只要模具能完整壓印高分子 材料，複製的精確度就很高。另外，使用等溫加熱方式，高分子形變 屬Biaxial Extensional Flow。而使用非等溫加熱方式，高分子形變過程 由一開始沿著模壁向上爬升，然後被下壓側流填充模仁。研究使用不 同流變儀來測量高分子材料在Tg 附近的物性。同時也使用有限元素
分析來模擬高分子在等溫及非等溫壓印過程中形變的情形。
（3）脫模行為[18]
製程後續的脫模，在不良的脫模情形下，易造成高分子材料與模 具間熱壓印完成後的表面微結構損壞，高分子材料也易沾黏於母模板 上。製程不易脫模的原因有分為物理模式和化學模式，而脫模行為是 確保奈米壓印製程後成品之完整性。
物理模式：模具與高分子材料間，在成形收縮或模具與基板平行 度差異過大時造成材料表面微結構間機械式互鎖（Interlock）作用。
化學模式：模具與高分子材料間化學鍵結造成高分子沾黏之行 為，目前有相當多的文獻研究模具與高分子材料間沾黏行為，以真空 電漿鍍膜（Plasma Deposition）或分子自組裝（Self-Assembly）方式，
在模具表面覆蓋一層僅數個奈米的抗沾黏（Anti-Stiking）單分子層，
進而改善模具與材料間沾黏行為。
（4）成形材料[29]
在奈米轉印的成形材料中，須具備容易充填之特性（指材料流動 性較佳），也須考慮材料成形後之穩定性，當中包含了收縮性、吸水 性及強度等性質，這些皆會間接影響奈米轉印後成品之品質；以熱壓 印製程而言，使用黏度越低的材料，其在製程中成形的溫度及壓力越
低，成形也較容易，但其成品微結構之穩定性及強度較差；研究指出 使用較低玻璃轉化溫度 Tg 的成形材料，有降低製程溫度及熱效應影 響的作用。M. Reading 等學者[29]研究出高分子的微表面變化，不因 溫度升高產生吸收相；而是材料本身黏彈特性產生吸收相，利用 AFM
（原子力顯微鏡, Atomic Force Microscope），觀察出在大於、小於 玻璃轉化溫度（Tg）微表面情形 Pull-Off 力（接 -黏附力）的變化。
圖 2.5[29]和圖 2.6[29]所示。
圖 2.5 PS（Polystyrene）與 PMMA（Poly(Methyl Methacrylate)）個別 在 50℃與 110℃時微表面結構的變化[29]。
圖 2.6 PS 與 PMMA 黏附力影像（AFM）的變化[29]。
（5）模具製作與壽命
目 前 奈 米 級 模 具 製 作 大 都 採 用 電 子 束 微 影 技 術 （ E-Beam Lithography, EBL），其優點在於無需使用光罩即可直接產生所需之 圖形，且加工解析度高，更可達10nm以下；缺點是成本高、加工速 度極慢，並不適用於大量生產。但以熱壓式奈米轉印來看，模具在製 程中所經歷高溫、高壓及週期性冷卻，其造成的內應力正是影響模具 壽命的原因之一；影響模具壽命的另一項就是抗沾黏膜的使用壽命，
模具上的抗沾黏塗層會漸漸剝落甚至失去抗沾黏的能力，進而影響模 具 的 壽 命 。 R. W. Jaszewski 等 學 者 [20] 在 模 具 上 鍍 上 一 層 抗 黏 (Anti-Adhesive)薄膜。他們發現使用Plasma-Deposited 的膜抗黏效果 比Sputter-Deposited 的膜好。他們也指出薄膜抗黏的效果會因多次的 壓印、長時間壓印及高溫壓印而降低。PTFE 類的薄膜可同時具備與 模具有良好的密合以及抗黏的特性。
2.2 熱壓製程[24、25]
在進行熱壓印過程中，所施加的壓力約在 40~100bar，而高分子 材料的玻璃轉化溫度（Glass Transition Temperature, Tg）約在 50~100℃
以上，目前，對熱壓印時間仍無明確之定義，通常指的是在最高溫度
性材料微觀的高分子鏈開始有軟化現象之溫度。若溫度低於玻璃轉化 溫度，其分子鏈之軟化大部分有如剛硬的狀態，塑料呈現剛性硬脆的 玻璃狀態；假如溫度高於玻璃轉化溫度時，其分子鏈可以自由運動，
熱塑性材料呈現柔軟可饒曲的橡膠態，因此，玻璃轉化溫度為熱塑性 材料發生玻璃態-橡膠態的相轉移溫度。
圖 2.7 熱壓印溫度與壓力示意圖[25]。
脫模行為通常在玻璃轉化溫度附近，此時的高分子材料還未完全 硬化，表現也較為彈性，避免在脫模過程時承受過多的剪應力而破壞 壓印表面的微圖形結構。進行熱壓印的過程中，儘量避免氣泡的產 生，在熱動力平衡狀態下，熱塑性高分子材料其空氣溶解度取決於溫 度和壓力，此外濕度與溶劑種類等因素也是對氣泡產生的因素，然 而，實際上氣泡的產生並非是來自大氣中的空氣，而是來自熱塑性高 分子材料膜表面殘留的物質，是在溫度逐漸升高慢慢氣化形成的。改 善方法可藉由改善製程中的溫度和壓力，使得熱塑性高分子材料的空
氣溶解度增加即可避免，甚至增加熱塑性高分子材料的厚度來改善氣 泡產生在高分子材料表面的問題。在進行熱壓印過程中，將熱塑性高 分子材料薄膜從室溫緩緩加熱至玻璃轉換溫度之上，這樣有利於塑性 高分子進行流動的自由運動且有助於熱塑性高分子材料薄膜表面溶 劑的蒸發。
2.2.1 熱壓過程高分子之行為 [24]
在熱壓印製程中，目前已證明尺寸小於 6nm 孔徑尺寸的模具皆 可被壓印出其結構於材料表面上，而隨著結構越小，模仁（Mold）幾 何造型就越複雜，在熱壓印的過程中材料微結構的成形與脫模間的熱 塑性高分子材料其流動性之行為是相當重要的，而高分子材料在模穴 中流動，如圖 2.8 所示[26]。當熱塑性高分子材料在模仁與基材間因 壓力擠壓下，其受到一大剪應力被擠入模穴，如圖 2.9[24]。
圖 2.8 模穴填充時跟高分子流動示意圖[26]。
圖 2.9 壓力擠壓下，材料受剪應力示意圖[24]。
L. J. Heyderman et al.等學者[24]研究出不同的熱壓印模仁的結構 具有不同的填充表現，模仁（Mold）有如光柵般的結構，當熱塑性高 分子材料在空隙中的流動填充會因結構密度或者結構間距而受影 響，如圖 2.10 是受 S1距離限制。然而，模仁面積大且有少數圖案之 處，這時熱塑性高分子材料之流動大多朝向邊緣處，而中間空隙部份 之擠壓的熱塑性高分子材料可忽略，對此壓印過程的有效壓力區是位 在圖案微結構邊緣和模仁間之邊界之距離 S1，如圖 2.10 所示。相關文 獻也指出，D. Hardt 等學者[27、28]在進行熱壓印製程時，時間對溫 度及應力的關係，如圖 2.11、2.12 所示。
圖 2.10 具週期性圖案模仁（Mold），與大面積少數圖案之模仁[24]。
圖 2.11 製程內時間對力的控制[27]。
圖 2.12 代表性的典型週期（在熱壓印製程內溫度和力的關係）[28]。
2.3 熱塑性高分子材料之特性 [30]
在熱壓印製程中模仁與熱塑性高分子有著相對影響的表現，對於 熱塑性高分子（PS）的特性，整理如下：
聚苯乙烯（Polystyrene, PS）為一種熱塑性樹脂，由於其價格低 廉且亦加工成型，得以廣泛被應用。而其單體為苯乙烯；聚苯乙烯結 構圖如圖 2.13[30]。而聚苯乙烯的特性可分為化學及物理特性兩種：
化學性質：聚苯乙烯其化學穩定性較差，可被多種的有機溶劑溶解，
易被強酸強鹼腐蝕，不耐油脂，在受到紫外光照射之後容易變色。
物理性質：聚苯乙烯其質地硬而脆，無色透明。
圖 2.13 聚苯乙烯之結構圖[30]。
熱塑性高分子（聚苯乙烯, PS），為一種塑膠原料，塑膠原料中 一 般 而 言 可 以 分 為 熱 塑 性 塑 膠 （ Thermoplastic ） 與 熱 固 性 塑 膠
（Thermosetting）兩種。聚苯乙烯為熱塑性塑膠的一種。對於塑膠的 定義，指的是其分子量介於 14~106 的有機高分子化合物。一般來說，
由所謂的單體（Monomer）的有機化合物，經過聚合（Polymerization）
化學反應可得到不同分子量之化合物；通常這些化合物的機械性質會 因分子量增加而提高，學者就因分子量大小做了以下初步歸類：
（1）低分子化合物：分子量＜1000，如單體。
（2）準高分子化合物：分子量在 1000~10000 之間，又稱為寡聚合物
（Oligomer），如油漆、接著劑等。
（3）高分子化合物：分子量在 10000~1000000 之間，又稱為聚合物
（Polymer），如塑膠、合成橡膠及人造纖維等。而熱塑性高分子（聚 苯乙烯, PS），一般我們也稱為高分子聚合物。
（4）超高分子化合物：分子量＞1000000。
當 聚 合 物 是 由 單 一 單 體 所 聚 合 成 時 ， 稱 單 聚 合 物 （ Homo Polymer），兩種以上單體結合成的則稱為共聚合物（Copolymer）如 圖 2.14[30]所示：
圖 2.14 單聚合物、共聚合物的化學式結構[30]。
塑 膠 的分 子結構 分 為不 定形 結構 （ Amorphous ） 和 結 晶結 構
（Crystalline）兩種，如圖 2.15 所示[30]，這兩種材料的結構特性是 相當重要，對於高分子聚合物材料有著相當大的差異，表 2.2[30]是對 一般常見的熱塑性塑膠分類與特性之整理，對於不定形結構與結晶結 構最大的區分點是在熔點（Melting Point，Tm），結晶性的塑膠有著明 顯的熔點（Tm），在轉態現象裡，結晶結構與部分結晶態是位於橡膠 態 ， 熔 點 （ Tm） 又 可 稱 為 加工 溫度 ， 此 為 轉化 溫度 （ Transition Temperature）的一種，如圖 2.7 所示[30]；而不定形結構是位於玻璃 態內在玻璃轉化溫度（Tg）左右，如圖 2.16 所示[30]。
圖 2.15 不定形結構與結晶結構[30]。 圖 2.16 轉態現象[30]。
表 2.2 一般常見的熱塑性塑膠分類與特性[30]
熱塑性塑膠 結晶結構 不定形結構 密度（g∕cc）變形溫度（℃）成品收縮率（﹪）
PE ■ 0.91~0.97 32~95 0.5~2.5
PP ■ 0.90~0.91 90~130 1.3~1.9
PS ● 1.04~1.06 65~106 0.3~0.8
PVC ● 1.10~1.60 55~100 0.1~0.5、1~5
PMMA ● 1.14~1.20 76~116 0.2~0.8
ABS ● 1.04~1.06 82~122 0.4~0.8
在上述的熔點（Tm）結晶結構塑膠有著明顯的熔點（Tm），因固 體時分子呈現規則的排列，強度、拉力較強。在熔點熔解時容積的變 化大，冷卻固化後較易產生收縮，而內應力也不易釋放出來，在成形 中散熱也較慢；相對於不定形結構的塑膠，其沒有明確的熔點，約在 玻璃轉化溫度（Tg）附近，在固體狀態下其分子結構排列不規則，熔 解時容積的變化不大，冷卻固化後也較不易收縮，成品透明性佳，成 形散熱也快。表 2.3[30]是針對兩者的物理性質進行比較，整理如下：
表 2.3 兩者的物理性質之比較[30]
物理特性 結晶結構 不定形結構 物理特性 結晶結構 不定形結構
比重 ↑ ↓ 耐磨耗性 ↑ ↓
耐衝擊性 ↑ ↓ 硬度 ↑ ↓
最高使用溫度 ↑ ↓ 透明性 ↓ ↑
收縮率及翹曲 ↑ ↓ 耐熱性 ↑ ↓
流動性 ↑ ↓ 耐化學性 ↑ ↓
2.3.1 比容常數與 P-V-T 圖對熱塑性高分子（塑膠）材料的影響 J. E. McKinney 等 學 者 [24] 對 熱 塑 性 高 分 子 材 料 中 P-V-T
（Pressure-Volume-Temperature）性質影響成品成形時間、材料收縮翹 曲的行為及成品內部殘留應力等問題；對此性質進行了解不僅可掌握 其加工特性對於製程也有相對的幫助。P-V-T 圖主要是在描述體積（比 容），為溫度與壓力的函數，而比容（Specific Volume）為密度的倒數。
簡述來說，將固態高分子之密度設為常數，簡稱比容常數；然而實際 上高分子的比容也因其它因素而有所影響，如溫度、壓力、熔融點
（Tm）、相轉移、玻璃轉化溫度（Tg）等。從文獻中可以清楚的看出 這些因素對比容所造成之影響，如圖 2.17 所示[31]，在固定壓力下由 高溫往低溫冷卻時，塑膠之比容數也會逐見降低，意指體積發生收 縮；當溫度降至熔點（Tm）或玻璃轉化溫度（Tg）時，比容，係因為 壓力對時間的關係斜率會產生變化，對結晶結構材料變化較為明顯，
相對於不定形結構材料其變化就較為緩慢，如溫度降至玻璃轉化溫度 以下時，即屬於固態範圍的熱膨脹及冷收縮區域，其斜率也會更小。
圖 2.17 P-V-T 之關係圖 [31]。
一般高分子材料在玻璃態（Glassy State）的形態所表現特性為堅 硬易脆，當溫度上升到達某一範圍，其所處範圍在玻璃態，如圖 2.16 所示[30]；高分子會呈現軟化之現象但仍未至流體狀態，是位在玻璃 轉化溫度（Tg）左右，如圖 2.16 所示[30]。
而玻璃的轉態現象是上述不定形（Amorphous）結構材料特有的，
因不定形結構高分子其排列較不整齊，分子佔有體積也相對較大，比 容值較高，玻璃轉態現象也較明顯；相對於半結晶（Semi-Crystalline）
結構材料處於橡膠態，如圖 2.16 所示[30]，因其分子排列整齊，分子 佔有體積較小，比容值也較小，分子運動需要較大的能量去破壞結晶 格子，在未破壞晶格結構前，分子運動較為困難，只能靠部份不定形 結構高分子鏈運動進而產生玻璃轉態現象，此狀態現象要比不定形結 構高分子不明顯，綜合以上敘述及圖 2.16 的轉態現象可以得到高分子
之比容對溫度作用圖，如圖 2.18 所示[31]。
圖 2.18 高分子之比容對溫度作用圖[31]。
2.3.2 影響熱壓成形品收縮之因素
D. Hardt 等學者[21]在一個熱壓成形品的好壞其中依個影響的因 素就是收縮，尤其熱塑性高分子材料其成品收縮率及製程中升溫對表 面結構溫度影響最重要，影響收縮的因性很多，大致上分為熱塑性高 分子材料的性質、製程材料兩大類，其中熱塑性高分子材料之影響有 上述提的壓力、比容、溫度（P-V-T）關係之影響、熱壓材料性質等。
製程參數之影響有壓印溫度、持壓時間、壓印壓力、壓印速率（Pump）
及脫模溫度等。由於影響熱塑性高分子材料成形品收縮，其影響因素 很多，模具的形式、覆壓材料選擇、材料性質與材料內部殘留應力的 存在與相互之影響，如圖 2.19 所示[27]。在整個製程參數變數中，預 期成果與實際情況的控制變因有很大的關連性。
圖 2.19 製程參數之關係[27]。
相關文獻指出進行熱壓印製程時，S. Y. Chou 等學者[16]使用高 分子材料作為壓印材料，已知高分子材料玻璃轉化溫度點在約 105℃
左右，針對 PMMA 高分子材料，將壓印溫度設定在 140~180℃間，
壓力設在 600~1900psi.（42 kgf cm2~ 134kgf cm2），在這樣的設定參數 範圍中，PMMA 之熱收縮率小於 0.8﹪，壓力收縮率小於 0.07﹪。F. A.
Zacharatos 等學者[34]將高分子材料（PHEMA，PHEMA 4% w/w solution or EPN 16% w/w solution in ethyl-(s)-lactate）利用奈米轉印技 術（NIL）進行製程，發現溫度和壓力對成品與模具壽命間影響有相 當大的關係。
2.4 影響細胞生長行為的方式
在許多的研究中，材料除了對生物相容性有影響之外，材料本身 表面的特性也會間接影響細胞發生的行為。一般材料表面特性大致上
可區分化學與物理兩類，物理特性：粗糙度（Roughness）、奈微米 結構（Nano-Micro Structured）、表面的方向性（Orientation）；化學 特性；自組裝（Self-Assembly）、電漿改質(Plasma)、表面幾何(Surface Geometry)等[35]。
2.4.1 化學性材料表面改質的影響
化學性材料表面改質，意指利用化學方式改變材料表面之特性，
主要的改質方式像是電漿改質或自組裝技術等等。在此以熱門自組裝
（Self-Assembly）技術敘述，以化學方式影響材料表面特性，進而改 變細胞發生的行為。
自組裝（Self-Assembly）分子近年來在物理、化學及材料科學上 是一項影響極深的研究領域，主要是分子不須外力作用下，因特殊性 質的分子可以特定基材的表面發生自發性反應行程依個有規律的薄 膜。而自發性的原因是來自分子間共價鍵結合作用，其結構不會受限 於材料的成本、精度、製造時間等的限制，可在特定的條件下自動形 成微米或奈米級的結構[35]。在上述這些材料的結構性質，與材料結 構原來分子的性質有所區別，對於現今的奈米結構成形技術的研究，
自組裝（Self-Assembly）分子技術確實佔有一席重要之地位。而自組 裝原理[34]及結構可分為三個主要的部分，與特定基材最先接觸的第 一部分為表面活性官能基（Surface-Active Head Group），這個部分與
特定基材的表面反應而生成鍵結，如雙烷基硫化物對金表面[36]、羧 基對銀的表面或者矽烷分子對氫氧基的矽表面等，其為自發性的放熱 過程。第二部份是分子間帶有微弱凡得瓦力的烷鍵骨幹（Alky1 Chains）在形成鍵結時，這微弱的吸引力將可驅動分子相互推擠與壓 縮，在特定基材表面形成有秩序且緊密地凡得瓦力（Van Der Waals Force）排列，且分子長度（分子鏈數目）通常決定了其自組裝層的 厚度。再來第三部份是具有功能化的終端官能基（Terminal Group），
此部分官能基會取代原基材表面，間接影響了表面能量與性質，如烷 基（Methy1 Group）會形成疏水性表面；具磷酸根分子會形成親水性 表面。如圖 2.20 所示[36]。
圖 2.20 自組裝分子結構示意圖[36]。
2.4.2 表面微結構的影響[69~72]
奈米技術的蓬勃發展，為生醫材料的研究找到了另一個全新的方 向。其表面奈米尺度的局部化性或物性產生的微小差異，往往影響到 接觸在其上的細胞行為，而這微小差異也決定了生醫材料的功能。探 討材料表面的奈米微結構如何對細胞貼附、生長的影響，並瞭解其機
或組織工程材料。
以表面微結構的類型來區分，大致上可分為三類：表面粗糙度、
微結構方向性以及微奈米陣列∕孔洞等。這些不同的材料表面結構的 條件對於細胞的成長都會有不同的影響，對於生物相容性[40]，像是 成骨細胞的組織應用在複合材料上面的相容性，這對細胞成長也相對 有影響，生物相容性的良窳除了與材料表面的物理及化學性質有關，
也和細胞對於材料表面的反應有關，像是細胞貼附（Adhesion）與細 胞伸展（Spreading）[82]，下列整理出相關影響的因素。
1. 表面的粗糙度 (Roughness) 對細胞生長行為的影響[41~47、51]
不規則的粗糙表面通常會增進細胞與材料表面的貼附，如圖 2.21、2.22所示[41、44、47、52]。相關的文獻常以鈦或高分子（Polymer）
材料為主來做探討研究，因其多使用在移植、組織、植牙等生醫工程。
P. M. Brett等學者[42]探討不同鈦基材表面形貌對成骨細胞（Bone Cell）附著生長的影響，利用電漿噴塗法在平滑與粗糙的鈦金屬表面
（Ti Plasma-Sprayed Surface, TPS）。將成骨細胞培養四小時至數天後 發現，在TPS與SMO表面的細胞呈現較高的萎縮現象，而SLA表面的 細胞呈現的是較完美的圓形態。L. Ponsonnet等學者[47]以鎳-鈦合金
（Nickel–Titanium Alloy, NiTi）來進行研究，將鎳-鈦合金基材獲得不 同等級的表面得到NiTi80、NiTi400和NiTi2400（80~2400為表面粗糙
度等級）在不同粗糙等級表面上培養纖維組織母細胞（Fibroblasts）。
培養兩小時至四天後發現在NiTi2400基材表面所培養的纖維組織母 細胞，其細胞增植擴散率最大，而NiTi80、NiTi400基材表面所培養 的細胞增值率較低。在培養兩小時後細胞在NiTi80基材表面對照 NiTi2400基材表面沒有明顯的方向等向性；而培養四天後其培養的細 胞培養在NiTi400與NiTi2400基材表面上以NiTi400基材表面上方向性 表現最好。2004年B. Zhu等學者[52]使用未處理的PS表面材料與使用 Nd:YAG的偏振雷射在PS材料表面製作微結構溝槽（Ridge/Groove Type Structures, 深度約在30-40nm），在兩種不同的表面微結構上培 養C6神經膠質瘤細胞（C6 Glioma Cells），發現細胞會在有規則的奈 米表面微結構上呈現有方向性的生長。近幾年來，許多學者利用上述 提到的許多相關方法，像表面電漿處理、磨砂粒度酸性蝕刻表面、雷 射 蝕 刻 等 製 作 不 同 形 式 的 基 材 表 面 ， 爾 後 培 養 像 是 成 骨 細 胞
（Osteoblast）[43]、上皮組織細胞（Epithelial Tissue Cell）[45]來對細 胞的貼附性與方向性作相關的探討，也間接證實表面的粗糙度對細胞 相關的運動行為、貼附性等皆有顯著影響。
圖 2.21 不同表面粗糙度的基板[41、44、47]。
圖 2.22 各種細胞貼附於不同表面粗糙度的基板[41、44、47、52]。
2. 微結構的方向性對細胞生長行為的影響（Orientation）[37~40、
49~60]
基材表面微結構對細胞生長行為的影響，最早的研究是在 1912 年由 H. RG 等學者[38]提出，利用人造或者天然纖維的基材在其圖紋 表面上培養細胞或是進行體外培植。1971 年由 Rovensky et al.等學者 [40]利用微溝型（Ridged and Grooved）基材研究細胞行為反應，在溝 槽形態的結構上細胞明顯沿著溝槽的方向生長。至今仍有相當多學者 利用相似的基材形式來對細胞行為反應做相關研究。1976 年 Ebendal 等學者研究指出認為具方向性纖維細胞外間質（Extracellular Matrix）
對動物細胞的移動、方向性及生長形式在具有微結構材料的表面上，
細胞的生長方式與方向性呈現一個較有規則的排列。1991 年 P. Clark 等學者[49]利用氬氣離子雷射（Argon Ion Laser）及氧電漿反應性離 子蝕刻（Reactive Ion Etched in an Oxygen Plasma）在石英材料上完成 微溝型（Ridged and Grooved）的表面微結構，溝槽結構深度尺寸為 100nm、210nm、400nm，寬度為 266nm，不同的深寬尺寸下，塗覆 一層多聚賴氨酸（Poly-L-Lysine）培植幼倉鼠細胞（Baby Hamster Kidney, BHK）及一般所稱的上皮細胞（犬腎細胞，Madin- Darby Canine Kidney Cell, MDCK），觀察其細胞的成長方向性及生長率，結 果發現細胞成長在溝槽寬度為 30 m，深度在 400nm 的條件下，細胞
呈現良好的方向性與貼附性。2003 年 P. Li 等學者[50]以蓋玻片薄膜
（Thermanox Film），利用膠原包覆法（Collagen-Coated）及雷射圖 紋法（Laser-Patterned）完成蓋玻片表面微結構，分成親水（Hydrophilic）
TXL、疏水（Hydrophobic）TXB 兩種類型，其溝槽結構尺寸線寬範 圍約在 1.2 m~9.7 m，U 型結構尺寸（Ridged and Grooved）及深度的 範圍在 0.4 m~1.3 m，在不同親疏水結構的材料表面培養纖維組織母 細胞（L929），研究證明不同的深寬比的細胞型態與成長方向，發現 細胞易生長在窄長的溝槽中。2005 年 E. K. F. Yim 等學者[51]利用 SiO2
作為壓印母模（Grating-Mold），設定在溫度 180℃壓力為 6MPa 的條 件下壓印高分子材料（Polymethyl Methacrylate, PMMA）及複製高分 子結構的表面（Polydimethylsiloxane, PDMS），表面微結構尺寸為線 寬約 350nm、節距 700nm、深度 350nm，在表面微結構上培養平滑肌 細胞（Smooth Muscle Cells, SMC），相對於平坦的表面結構，此研究 驗證出 90﹪的細胞會沿著狹長溝槽方向生長。相關的文獻也印證出微 溝槽對細胞生長的方向性有非常顯著的影響，C. D. W Wilkinson, A. S.
G Curtis 等學者[53]研究早已驗證出以大鼠結狀神經節（Rat Nodose Ganglion Neurites）細胞生長在網絡狀溝軌的微結構（溝軌寬約 5 m）
上能延伸擴展並順著線狀般的網絡溝軌方向生長，且其神經膠質細胞
（Glial Cell）生長形態是完整的。近幾年相關的微溝槽方向結構對細
胞影響的研究更屢見不鮮，許多學者研究微奈米結構尺寸對組織細胞 影響，在不同尺寸的微結構表面下培養小鼠細胞（Neonatal Rats）[53、
54]、小倉鼠腎臟細胞（Baby Hamster Kidney, BHK）[55]、纖維組織 母細胞（Fibroblasts）[56]、成骨細胞（Obtained, Calf Periost）內，肌 動蛋白（Actinin）、鈕帶蛋白（Vinculin）及黏合素（Integrin,整合蛋 白）[57]、人角膜上皮細胞（Human Corneal Epithelial Cells）[58]、牛 動脈內皮細胞（Bovine Aortic Endothelial Cells, BAE）[59]，主要探討 在不同的微結構材料及尺寸高寬比下，細胞對於在溝槽的生長、遷 移、分化、貼附、細胞個體及群落或者培養後細胞的增植率、衰減率 等行為來進行相關的研究[60]，如圖 2.23、圖 2.24 所示[38、49、50、
53、59]。
圖 2.23 各種細胞在不同材料表面微結構、尺寸深寬比下的生長行為
圖 2.24 各種細胞在不同材料表面微結構、尺寸深寬比下的生長行為 [53、58、59]。
3. 微奈米陣列/針狀、柱狀對細胞生長行為的影響（Nano-Micro Scale Array）
Martanto et al.與 Matriano et al.等學者[63]利用蝕刻矽晶片與雷射 切割製作出 150 m（如圖 2.25 所示[63]），與 1000 m（如圖 2.26 所 示[63]），排列大量的生物探針陣列結構。Mikszta et al.等學者[62]證 明了 DNA 疫苗對微探針（Microneedles）會產生免疫反應。使微探針
（Blunt-Tipped Microneedles）使用在貼附於皮膚促進傳遞作用（DNA 疫苗）的可能性。D. Motlagh 等學者[54]將矽晶圓利用紫外光硬化奈 米轉印技術 (UV-Cured Nanoimprint Lithography)製成為奈米溝槽後 塗佈一層負光阻（Negative Photoresist）再利用紫外光硬化奈米轉印 技術然後沈積一層聚對二甲苯（Parylene）產生一個矽樹脂的膠體最 後完成一個矽基材的雙樣式結構（Micropegged and Grooved），在結 合體上培植肌肉細胞（Myocytes from Neonatal Rats）。結果發現與平 坦表面、柱狀微結構表面及結合體，三種不同材料表面微結構對照 後，發現細胞黏附率以結合體的結果最多排列方向最明顯，如圖 2.26 所示。 W. T. Su 等學者[64]製作一個矽基柱狀微奈米結構的基材，是 利用光罩蝕刻法（Photolithographic）和非等向性蝕刻技術，完成方形 柱狀的陣列微奈米結構，在不同尺寸的矽陣列微奈米結構（Si-1-3-1、
Si-1-3-5、Si-1-3-10，數字分別代表了柱的直徑、間距及柱高，單位：
m）下，發現纖維組織母細胞在柱狀較高的微奈米結構下生長情況 良好且有較大面積的生長，如圖 2.27 所示[64]。
對於蜂巢狀薄膜的製備相關的研究有許多學者提出，2005年A. T suruma等學者[65]將高分子及兩性高分子(Amphiphilic Triblock Copo ly-mers, ABCs)摻雜在一起且分解於三氯甲烷的比重為10：1，將高分 子混合到玻璃結構上而蜂巢狀圖形薄膜的規則孔徑是將高分子溶液
利用Blowing Humid Air的方式於材料表面方式來製作，最後完成自 組裝的高分子蜂巢狀薄膜；再另製PCL（高分子）平坦薄膜，將高分 子溶液滴至覆蓋的玻璃表面上。覆蓋的玻璃與高分子層，使用旋轉塗 佈機，旋轉速率在1000rpm 30秒。爾後完成薄膜配置後，將PCL平坦 薄膜與PCL圖形薄膜(直徑在3 m、 5 m、 8 m和 10 m) 去培養神 經（單位）細胞。蜂巢狀圖形薄膜的邊緣擴大是由於圖形薄膜增加孔 徑尺寸。各個薄膜的多孔性大約在50％左右。在不同孔徑尺寸的薄膜
（直徑在5 m、 8 m和 10 m）結構上培養神經幹細胞（Neural Cel ls, 細胞取自幼鼠大腦的皮質層）。培養五天後發現神經細胞的神經 元在PCL平坦薄膜與圖形薄膜上之數量。研究驗證神經細胞的數量減 少是因為圖形薄膜的孔徑尺寸及邊緣尺寸變大的原因，如圖2.28所 示。2005年H. Sunami等學者[66]製備蜂巢薄膜，是將其鋪在一個濕 潤的表面去延展一個聚合物的溶液，包含了PCL高分子和兩親聚合物
（Amphiphilic，意指為一帶疏水基和親水基的共聚物，可以當作乳化 劑，控制藥物釋放載體，單層或多層的LB膜，而許多的天然分子蛋 白、DNA等皆是兩親聚合物。LB膜為一將氣、液界面上的單分子層 膜轉移到固體表面所組裝的層膜），製作完成後蜂巢結構（孔徑為5 m和內壁厚為8 m）爾後再製備另一平坦薄膜。在兩種不同維結構表 面上培養內皮細胞（Porcine Aortic Endothelial Cells）72小時後。發
現纖維黏接蛋白，如圖2.29所示（綠點），在蜂巢狀薄膜表現出一個 特殊吸附作用。而黏附斑纖維黏接蛋白（黏附斑是細胞和細胞外基質 黏附的一種複合結構，在細胞運動中發揮其黏附作用）幾乎不黏附在 平坦薄膜，較多的纖維黏接蛋白黏附在蜂巢狀薄膜。清蛋白，如圖2.
29所示（紅點），黏附在蜂巢狀薄膜沒有被淘汰，然而纖維黏接蛋白 主要是黏附在蜂巢狀孔隙中。值得注意的明顯差異在纖維黏接蛋白結 構黏附於蜂巢狀薄膜和平坦薄膜間，雖然兩者的化學構成相同，證明 出一明顯的要點係在纖維黏接蛋白結構對蜂巢狀薄膜黏附有較明顯 的細胞貼附行為。亦有許多相關的研究利用相似的蜂巢狀薄膜製程培 養NIH3T3纖維母細胞（Fibroblast Cells），在不同的高分子蜂巢狀薄 膜下對細胞的黏附生長行為也有相對性的影響[67]。
圖 2.25 針狀陣列結構，尺寸為 150 m[63]。
圖 2.27 纖維組織母細胞的生長行為[63、64]。
圖 2.28 神經細胞數量在不同圖形薄膜孔徑及邊緣尺寸之情形[65]。
圖 2.29 內皮細胞數在蜂巢狀薄膜和平坦薄膜的比較 [66]。
4. 微奈米陣列/孔洞（Nano-Micro Cavities）
許多研究於微奈米級尺寸結構的材料表面，細胞的運動方向會由 材料表面結構的形狀所引導進行生長。觀察細胞去探討其在特殊微結 構上生長的現象，這些具有典型生長行為的細胞包含：維管組織的培 養、成骨細胞生長於孔洞表面、纖維母細胞培養於孔洞的薄膜上或者
將微米尺寸的結構去運用在隔離血球細胞的生長範圍的尺寸大小以 及細胞培養的基材上，而這些不同奈微米尺度的表面結構上，細胞在 特殊結構上明顯的呈現出良好的貼附、增殖和擴散等細胞行為[67]。
材料表面的微米結構對於控制細胞的行為是非常重要的，許多研 究結果得到在高分子材料表面上具有微米尺寸的孔洞與平坦的材料 表面做比較時，將細胞培養在有微米尺寸的結構上可以控制細胞的分 布情形、數量的變異性，且細胞呈現有規則的方向性生長[87~97]。
許 多 相 關 的 研 究 下 ， J. Hyun 等 學 者 [71] 利 用 Low-Pressure-Soft-Microembossing ( SEmb) 製程在PDMS高分子材 料表面上完成方形與微溝的圖案結構，在其上培養纖維連接蛋白與纖 維母細胞，觀察細胞其生長行為，結果發現除了細胞本身的生長行 為，微結構也因細胞的生長特性間接影響了細胞生長的方向與貼附 性 。 Y. Wan 等 學 者 [68] 使 用 PS 高 分 子 材 料 及 4- 環 氧 丁 烷
（Tetrahydrofuran）與乙二醇（Ethylene Glycol）溶液進行evaporation
作用，有些許的 4-環氧丁烷因作用後造成 PS 材料產生圓孔，完成後 再以此 PS 材料模造（Molding）一個 PLLA 的高分子材料薄膜。在此 兩種不同基材上培養成肌細胞（OCT-1 Osteoblasts），結果發現呈島 狀的 PLLA 材料薄膜上細胞貼附率，比孔洞的 PS 材料高，而細胞在 孔洞 PS 材料上會傾向孔徑大且淺的地方生長；孔徑小且深的地方則
會避開，如圖 2.30 所示。研究結果顯示，具有圖案之材料表面結構 比平坦的材料表面結構細胞有更高的貼附、增殖與擴散的情形。在微 奈米陣列孔洞的研究相當多，取決在不同的材料與製程及選擇細胞培 養的形式，M. E. Sandison and H. Morgan 等學者[73]利用雷射微加工 技術（Laser Micromachining）對高分子材料（PTFE、PMMA）進行 不同孔徑尺寸的圓孔陣列，C. S. Chen 等學者[74]利用高解析雷射圖 印（High Resolution Laser Printing）、電子束蝕刻（Electron Beam Etching）等製作不同孔徑、尺寸及深寬比的陣列圖形，培養牛內皮細 胞（Bovine Capillary Endothelial Cells, BCEC）、人微血管內皮細胞
（Human Microvascular Endothelial Cell, HMVEC），孔洞的細胞都較 培養於一般平坦的細胞有明顯增生的現象，且貼附性越好的細胞有越 明顯的趨勢。綜合上述文獻，不同材料的微結構表面在不同製程下的 尺寸孔徑、深寬比對培植細胞後皆有不同的影響[75]，如圖 2.31 所 示，這樣的論點可以在培養所需之細胞時對材料或製程方面做選擇，
就細胞的貼附與生長行為而言，材料表面微結構的不同對於細胞是有 相當明顯的影響性。
圖 2.30 成肌細胞在不同微結構材料表面間的比較[68]。
圖 2.31 不同孔徑、尺寸及深寬比的陣列圖形培養不同細胞，孔洞的 細胞較一般平坦的細胞有明顯增生的現象[75]。
三、實驗步驟與設備
實驗是使用熱壓印技術（Hot Embossing）使材料表面轉印奈米 結構（U 型溝軌），並利用 ArF 準分子雷射（Excimer Laser Ablate Process）將材料的奈米結構表面上，結合不同微尺寸的溝槽或孔洞，
完成雙重樣式的微奈米結構。爾後與食品研究所合作培養小鼠骨髓肌 細胞（Mouse Myoblast Cell Line, C2C12）與間葉性骨髓幹細胞（Bone Marrow Stromal Cells, BMSC），將細胞培養至材料表面雙重樣式的 微奈米結構上，探討不同的表面微結構對細胞貼附及生長行為之影響 [83]。
3.1 實驗流程
基材準備
（Polystyrene, PS）
母模基板製備
（U 型，鎳金屬材料）
熱壓印基材試片
（Hot Embossing）
設定熱壓參數
完成良好微奈米結構
不良的微奈米結構
培養 C2C12細胞
培養 BMSC 細胞 設定準分子雷射光罩
陣列圖形尺寸
使用準分子雷射光罩 陣列圖形或溝軌
觀察與分析 結 果 與 討 論
SEM 觀察溝軌方向性 與完整性
3.2 實驗設備
3.2.1 製作不同微表面結構之設備
（一）熱壓印轉印設備（Hot Embossing）
利用基礎的熱壓印技術壓印製作具有微奈米結構之溝槽（U 型）
在 其 基 材 表 面 上 ， 改 變 基 材 表 面 的 微 結 構 型 態 。 型 號 ： CARVER-3889.4PR0A00，電壓 240V，程式設定：重量單位（Kg）、 幫浦速率：15~100﹪、溫度：0~540℃、壓力：0~13600（Kg）、時間：
999（Sec）。如圖 3.1 所示。
圖 3.1 熱壓轉印設備（Hot Embossing）。
（二）ArF 準分子雷射（Excimer Laser Micromachining）[80~82]
準分子雷射，是利用惰性氣體原子如He、Ne、Ar、Kr等與化學 性質較活潑的鹵素原子，如F、Cl、Br等混合後以放電激發出高功率
波長為（157nm~351nm)，以短波長直接破壞雷射照射處的化學鍵，
即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 而完全破壞，與傳統雷射的熔化、氣化加工不同，大部份試片材料的 吸收深度為數百埃（Angstrom, 10-10m）因此每一脈衝（Pulse）移除 深度 m以下的試片材料表層，多餘的雷射能量被移除的試片材料帶 走，熱影響區較小，所以準分子雷射加工可視為冷加工。氟化氬（ArF）
其波長為193nm、輸出能量0.2 J/pulse、脈波寬度10~20ns，本實驗利 用此設備製作微奈米結構表面的光罩陣列圖形，型號：ATLEX-300i，
如圖3.2所示。參數設定，雷射能量為：10mJ，頻率範圍：1~300Hz，
脈衝（Pulse）數：依設計深度不同分為200 pulse、500 pulse、800 pulse，
光罩尺寸：25 m~250 m。
圖 3.2 ArF 準分子雷射（Excimer Laser Micromachining）[82]。
3.2.2 觀察表面微結構與細胞成長狀態之設備
（一）掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）
掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）其原理 主要是利用高加速電壓之入射電子束打擊在試片後，產生相關二次訊 號來分析檢測之試片上的各種特性，掃描式電子顯微鏡由於景深
（Depth of Focus）大，對於研究物體之表面結構功效特別顯著，如 材料之斷口、磨損面、塗層結構、夾雜物等觀察研究。如圖 3.3 所示。
圖 3.3 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）。
（二）倒立式光學顯微鏡
倒立顯微鏡是顯微鏡的一種，在穿透光觀察下，明視野用之照明 光源和聚光鏡是來自機身上方，光線穿過聚光鏡到觀察樣本，再穿過 位於樣本下方的物鏡，最後的成相是藉由反射鏡和透鏡到達觀察者的 眼睛或成像儀器。最主要是在聚物鏡與接物鏡，長工作距離的聚光 鏡，有長工作距離平場的消色差物鏡及位相差裝置，能將影像焦點可
直接穿透玻璃等較厚的介質（培養皿），以直接觀測活體細胞組織、
細菌培養、浮游生物、沉澱物等進行顯微研究。如圖 3.4 所示。
圖 3.4 倒立式光學顯微鏡（Inverted Microscope）。
（三）相位差顯微鏡（Phase Contrast Microscope）
相位差顯微鏡是一種將光線通過透明標本細胞時所產生的光程 差（即相位差）轉為光強差的特殊顯微鏡。當光線通過較透明之樣本 時，光的波長（顏色）和振幅（亮度）都沒有明顯的變化。使用普通 光學顯微鏡觀察未經染色之標本（如活體細胞）時，其細胞型態和內 部結構難以分辨。而細胞各部分的折射率和厚度皆不同，當光線通過 標本時，直射光和衍射光的光程會產生差別。隨著光程的增加或減 少、加快或減弱的光波其相位會產生改變（即產生相變差）。相位差 顯微鏡與一般光學鏡最大的差別就是多了裝有相位板 ( 相位環形 板 ) 的物鏡（相位差物鏡）、附有相位環 ( 環形縫板 ) 的聚光鏡（相 位差聚光鏡）及單色（綠）濾光鏡的配備。本實驗利用相位差顯微鏡 觀察細胞生長行為及微結構溝軌之方向，將觀察結果與其他顯微鏡做
比較。如圖 3.5 所示。
圖 3.5 相位差顯微鏡（Phase Contrast Microscope）。
（四）原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）
原子力顯微鏡原理係用原子之間的凡得瓦力（Van Der Waals Force）作用來呈現樣本的表面特性。假設兩個原子中，一個是在懸 桿（Cantilever）的探針尖端，另一個是在樣本的表面，其之間的作用 力會隨距離之改變變化。原子力顯微鏡的系統，是利用微小探針與待 測物之間交互作用力，呈現待測物的表面之物理特性。本實驗利用原 子力顯微鏡觀察基材的微奈米表面結構之深度及形狀。如圖3.6所示。
圖3.6 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）。
3.2.3 培養細胞之設備[76~79]
（一）無菌操作平台
為一個最普遍應用的無菌操作裝置，其原理是內設鼓風機，驅動 空氣通過高效率氣淨化後，讓淨化後空氣緩緩通過操作台的空間，使 工作台內操作環境構成無菌環境。如圖3.7所示。
圖3.7 無菌操作平台。
（二）離心機（Centrifuge）
培養細胞經常需要備製細胞懸液、漂洗，需離心分離細胞，要求 每分1000~2000轉左右，常用於懸浮性細胞（Suspension Cell），如圖 3.8所示。
圖3.8 離心機。
（三）水浴槽（Water Bath）
水槽的水溫維持在37℃左右，目的是需將細胞進行解凍時，可將 冷凍試管放入水槽中進行解凍。如圖3.9所示。
圖3.9 水浴槽（Water Bath）。
（四）CO2恆溫培養箱（Incubator）
哺乳動物體外培養細胞和體內細胞是一樣的，都須在恆溫條件下 才能生存，溫度變化一般不應超過0.5℃，箱內提供恆定定量的二氧化 碳，通常為5﹪，可使培養液維持穩定的pH值，箱內備有紫外燈時可 進行消毒之工作。如圖3.10所示。
3.3 培養細胞實驗
3.3.1 培養細胞處理的儀器與材料
（1）冷凍細胞保存試管：C2C12（Mouse Myoblast Cell Line）、BMSC
（Bone Marrow Stromal Cells）
（2）培養瓶（T75,T25 Flask）（如圖3.11所示）
（3）培養基：90% D-DMEM（Dulbecco’s Modified Eagle’s Minimal Essential Medium）+ 10% FBS（Fetal Bovine Serum, 胎牛血清）（如 圖3.12所示）
（4）抑制劑：Trypsin-EDTA（Trypsin - Ethylenediaminetetracetic Acid, 胰蛋白酵素-乙二胺四乙酸）(如圖3.13所示)
（5）抗凍劑：DMSO（Dimethyl Sulfoxide, 二甲基亞 ）
（6）血球計數盤 + 蓋玻片+ 計數器（如圖3.14所示）
（7）細胞計數染劑：Trypan Blue（錐藍染色劑，檢測細胞死亡率）
（8）無菌磷酸生理緩衝液：PBS（Phosphate Buffered Saline）
（9）電動吸量分注器（Pipetboy）（如圖3.15所示）
圖3.11 培養瓶（T75, T25 Flask）。
圖3.12 培養基 90% D-DMEM+ 10% FBS。
圖3.13 抑制劑 Trypsin-EDTA。
