PMMA 微流道中的
電漿表面處理

PMMA 表面的親水化與反應性

未處理的 PMMA 表面對水相液體的潤濕性與可反應位置有限。空氣或氧氣低壓電漿作用於材料最外層，可提高表面能並形成含氧官能基，使水相液體更容易展開，也為後續共價功能化建立反應位置。

沖繩科學技術大學院大學（OIST）研究團隊為建立 PMMA 蛋白質共價固定流程，在 PMMA 空氣電漿與共價功能化研究中使用 Harrick Plasma PDC-001-HP 處理 PMMA 片材。研究透過改變空氣電漿處理時間比較不同輸入能量，再以水、乙二醇與甘油的接觸角計算表面能，並以 X 射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）分析表面化學。

隨著空氣電漿能量提高，PMMA 表面由疏水逐漸轉為親水；XPS 則辨識出羧基、羥基與碳酸酯等含氧官能基。研究所使用的較低能量範圍沒有造成明顯的表面粗糙度改變，因此接觸角與 XPS 分別呈現液體潤濕和化學反應位置的變化。

表面親水性對 PMMA 毛細流動的影響

毛細微流道利用液體與通道表面的作用力帶動流動，不需外接幫浦，適合發展被動式微流道（passively driven microfluidics）與可攜式分析裝置。PMMA 表面的親水性使液體能沿著通道前進，流道寬度、深度與交會結構則用來安排液體停止及重新流動的位置。

泰國 VISTEC 研究團隊在多層 PMMA 毛細微流道製作研究中，於 PMMA 表面覆以聚醯亞胺膠帶（polyimide tape），再以二極體雷射進行無光罩加工。研究透過雷射功率與重複加工次數改變流道寬度及深度，製作由主流道、側流道和不同深度交會處組成的觸發閥（trigger valve）。流體測試前，研究使用 Harrick Plasma PDC-32G-2 處理流道表面，使 PMMA 具備水相毛細流動所需的親水性。

觸發閥測試先將紅色染液加入較小的側流道。染液抵達較大的主流道交會處時，因通道尺寸突然改變、毛細壓力下降而停止；綠色染液隨後沿主流道前進並填滿交會處，觸發側流道中的紅色染液重新流動，兩股液體再共同沿主流道前進。這項結果把兩個製程功能具體分開：電漿處理建立自發毛細流動所需的表面，雷射加工形成的流道尺寸與高低差則控制液體的停止與釋放順序。

材料組合對 PMMA 接合方式的影響

PMMA 微流道的接合方式從兩側材料開始判斷。PMMA–PMMA 屬於同材質接合；PMMA–PC，以及聚合物與多孔膜，則各自對應不同的材料介面與接合路徑。

西班牙加泰隆尼亞生物工程研究所（IBEC）、巴塞隆納大學與義大利羅馬第二大學等機構的研究團隊，為製作多層器官晶片，在多層熱塑性微流道快速製造研究中比較 PMMA、環烯烴聚合物（cyclic olefin polymer, COP）、聚苯乙烯（polystyrene, PS）、聚碳酸酯（polycarbonate, PC）及 PC 多孔膜的接合方式。研究使用 Harrick Plasma PDC-002-CE 進行氧氣電漿處理，也評估紫外光／臭氧（UV/O₃）、溶劑接合與壓敏膠（pressure-sensitive adhesive, PSA）。

在氧氣電漿測試中，未經化學功能化的聚合物表面先接受處理，再進行貼合並於 65 °C 放置至少 10 分鐘。PMMA–PMMA 與 PMMA–PC 均未形成不可逆且牢固的接合；同材質 PMMA 採用溶劑接合後得到較強的接合，但光學品質較差。

研究另將 PC 多孔膜先以氧氣電漿活化，再以 3-胺丙基三乙氧基矽烷（3-aminopropyltriethoxysilane, APTES）進行表面功能化。這條路徑在 COP 與 PC 膜的單面接合得到良好結果，但沒有完成 COP–PC 膜–COP 的雙面夾層。

最終多層裝置改用雙面 PSA 組裝，以 COP 作為主要流道層，PC 多孔膜分隔上下流道，並在膜兩側培養人腦微血管內皮細胞與周細胞，建立體外血腦屏障模型。

PMMA 表面活化與蛋白固定

PMMA 用於生物分析時，表面可固定蛋白質、抗體或其他辨識分子。前述 OIST 研究利用空氣電漿在 PMMA 表面形成含氧官能基，再由 EDC–NHS 選擇性活化其中的羧基，使其與蛋白質表面離胺酸殘基的胺基形成共價連結。電漿在這條流程中建立可反應的材料表面，EDC–NHS 則完成羧基與蛋白質胺基之間的偶聯。

研究先以綠色螢光蛋白（green fluorescent protein, GFP）作為模型蛋白。GFP 本身的螢光可用來觀察固定後的結構完整性，抗 GFP 抗體的結合則進一步確認固定後仍保有辨識功能。研究結果顯示，GFP 的表面固定量會隨空氣電漿能量、起始蛋白質濃度與緩衝液 pH 改變，電漿處理後接續 EDC–NHS 的時間安排也會反映在固定效率上。

完成 GFP 驗證後，研究團隊將砂眼披衣菌（Chlamydia trachomatis）的主要外膜蛋白（major outer membrane protein, MOMP）固定於 PMMA 表面，再以雷射切割的雙面膠形成微流道。研究以加入不同濃度 MOMP 特異性免疫球蛋白 G（immunoglobulin G, IgG）的緩衝液與人血漿樣品進行概念驗證，把 PMMA 的空氣電漿活化、EDC–NHS 共價功能化與微流道抗體分析連成完整的研究流程。