指導教授：楊鏡堂臺灣大學：機械工程學研究所詹筱萱Chan, Hsiao-HsuanHsiao-HsuanChan2014-11-292018-06-282014-11-292018-06-282014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/263243本研究主旨為開發一創新液珠生成系統，應用於細胞包覆以及藥物梯度檢測。操作原理有二，一是利用親水改質處理，使部分區域具有親水性表面，並在這些區域生成液珠，二是使用薄膜變形，將液珠留在凹陷的區域。因為這些區域皆為排列整齊的陣列，故液珠的生成與陣列為同步進行。本設計的優點在於使用空氣切水生成液珠，可以避免汙染，也可以使得在樣品或試劑極為稀少時，於生成過程中將多餘的樣品試劑回收再利用，而液珠生成同時即為陣列的形式，可以應用在藥物篩檢中。將親水性改質的晶片與薄膜變形法晶片上下對齊疊合後，下方氣室通入正壓，即可進行檢測的動作。 利用表面改質法之概念製作流到上層之親水結構：先將藥劑注入流道中，氣室上方的位置為親水區域，再通入空氣帶走多餘的樣品水溶液，由於水溶液還未受到連續相汙染，因此還可以回收利用，留在親水區的水會因為內聚力形成一顆顆含有藥劑的微液珠。流道下層利用薄膜變形法之概念製作：於流道中通入含有塑膠球或細胞的水溶液，給予氣室負壓後，會使薄膜變形，再通入空氣帶走多餘的樣品水溶液，此時留在凹陷區域的水會因為內聚力而形成一顆顆的含有塑膠球或細胞微液珠。設計之晶片將應用於藥物梯度檢測，操作原理如上述之液珠生成法，分別將藥劑以及細胞樣品分別利用表面改質法及薄膜變形法生成液珠後，移開通道，將藥劑與細胞樣品上下對齊後疊合，下方氣室通入正壓，進行檢測。本研究已成功包覆子宮頸癌細胞以及心肌細胞於下層微液珠，期許此晶片能與其他生醫檢測晶片整合，進行多功能處理與分析，如藥物篩選、細胞培育等，能提供新世代一個方便的檢測系統。In this study, we present a simple method to encapsulate beads or cells in the droplets on the microfluidic chip, and used in cells encapsulated and drug gradient detection. There are two ways to generate the droplets. First one is the use of hydrophilic modification treatment, the partial region is treated to hydrophilic surface, so that the droplets generate in these regions. Second one is using the deformed film, the droplets are saved in these concave area. The droplets are formed directly without cross contamination of the carrier buffer. Therefore, the superfluous sample is recycled, which significantly reduces the sample consumption. Moreover, Beads and cells are encapsulated in a generated droplet and fixed in a defined area ready for assay and observation. Due to the advantages, this chip is promising to realize facile and reliable platform for biological and chemical applications. The operating principle of the upper chip is as follow: A medium (drug) is injected into the chip; after withdrawal of the medium, the droplets are formed in the hydrophilic area. Superfluous sample can be recycled without cross contamination. The operating principle of the lower chip is as follow: A buffer medium containing the beads or cells is injected into the chip; after withdrawal of the buffer medium, the droplets encapsulating beads or cells are formed in the concave area.After both the chip succefully generate the droplets, remove the channel, align and stack them together, then give positive pressure to the chamber for detection. This study has successfully encapsulated HeLa Cells and Cardiac muscle cells in the lower chip. I hope that this chip can be detected with other biomedical integration, processing and analysis conducted multifunctional, such as drug screening, cell culture, etc., can provide the next generation a convenient detection system.摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目錄 iv 圖表目錄 vii 符號說明 xii 第一章 前言 1 1-1 研究背景 1 1-2 研究動機 2 第二章 文獻回顧 3 2-1 液珠生成之基本方法 3 2-1.1 交叉流 5 2-1.2 T型流道(T-junction) 6 2-1.3 聚焦型流道 6 2-2 液珠捕捉陣列 8 2-2.1 直立柱 8 2-2.2 流阻法(flow resistance) 10 2-2.3 表面張力 12 2-3 液珠基礎理論 14 2-3.1 尺寸效應 14 2-3.2 表面張力與親疏水性的關係 15 2-3.3 遲滯效應 15 2-4 表面改質 16 2-4.1 表面活化 16 2-4.2 物理吸附 17 2-4.3 化學方法 20 2-4.4 直接添加法 23 2-5 藥物梯度 23 2-6 文獻回顧分析 25 第三章 研究方法 27 3-1 元件設計概念 27 3-1.1 親水改質概念 28 3-1.2 薄膜變形液珠生成法 30 3-2 理論分析 31 3-2.1 流體基本理論 31 3-2.2 薄膜變形模擬 33 3-3 晶片製程規劃 33 3-3.1 黃光微影製程 33 3-3.2 電腦數值控制加工 41 3-3.3 PDMS元件翻製 43 3-3.4 親水改質方法 43 3-4 實驗與量測設備 47 3-4.1 二氧化碳雷射雕刻機 47 3-4.2 氣動裝置系統 49 3-4.3 接觸角量測儀 50 3-4.4 彩色3D雷射掃描顯微鏡 51 第四章 初步成果 52 4-1 薄膜受力變形分析 52 4-1.1 薄膜受力變形模擬 52 4-1.2 薄膜受力變形量測 57 4-2 親水性表面製作成效 59 4-2.1 帶電聚合物親水改質搭配罩子與氧電漿之效果 59 4-2.2 PDMS直接添加法搭配二氧化碳雷射雕刻 60 4-3 晶片成果 61 4-3.1 晶片一：氧電漿親水改質之陣列式寬流道 61 4-3.2 晶片二：氧電漿親水改質之蜿蜒式細窄流道 63 4-3.3 晶片三：改進蜿蜒式細窄流道 66 4-3.4 晶片四：PDMS直接添加法搭配二氧化碳雷射雕刻 69 4-4 後端應用 70 第五章 結論與未來展望 72 5-1 結論 72 5-2 未來展望 73 5-3 甘梯圖 75 第六章 參考文獻 766042427 bytesapplication/pdf論文公開時間：2019/03/18論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋本人)液珠陣列親水氣室細胞包覆thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/263243/1/ntu-103-R00522123-1.pdf