聚碳酸酯微流道晶片的表面處理與膜材整合

聚碳酸酯在微流道中的選用考量

研究初期常用的聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）適合透過軟微影快速製作測試用晶片，也具有彈性與氣體通透性。PC 屬於剛性較高的工程熱塑性材料，具有良好的光學透明度與尺寸穩定性，可透過射出成形、熱壓成形或機械加工製作微流道結構。相較於 PDMS，PC 對部分小分子的吸收較低。

裝置功能與製造方式會直接影響材料選擇。對於重視結構剛性、需要降低部分小分子吸收，或採用熱塑性成形製程的裝置，PC 可作為候選材料。不同材料組合也會改變後續的表面處理、塗層與組裝方法。

PC 與 PCTE 在微流道中的用途

PC 可作為晶片本體，用於形成微流道、反應區與其他結構。PCTE 則是具有貫穿微孔的薄膜，可作為過濾膜，或整合於細胞培養小室（cell culture insert）與部分器官晶片（organ-on-chip）中，形成允許物質通過的多孔界面。

在這類裝置中，PCTE 膜可分隔不同區域。PC 晶片本體與 PCTE 膜材都以聚碳酸酯為基材，兩者的厚度、孔洞結構與組裝方式不同。依用途不同，後續製程分別涉及 PC 通道的潤濕與塗層、PCTE 膜層間的熱鍵合，以及 PCTE 與其他材料的整合。

表面疏水性對潤濕、塗層與組裝的影響

未處理的 PC 表面通常偏疏水，使水相液體較難潤濕通道壁面，也不利於毛細填充（capillary filling）。液體在流道中的填充與流動，同時受到通道尺寸與形狀、表面親水性及操作條件影響。

表面親水性也會影響水相塗佈液與基材的接觸及鋪展。在材料組裝階段，材料組合、表面狀態、接合方式、溫度、壓力與黏著層會共同影響接合結果。

低壓電漿對聚碳酸酯表面性質的調整

空氣或氧氣低壓電漿可在 PC 最外層形成含氧極性官能基，提高表面能與親水性。經電漿處理後，PC 表面較容易被水相液體潤濕，也可提供後續塗層或化學功能化所需的表面條件。這類改質主要發生在材料表層。

芬蘭阿爾托大學（Aalto University）材料科學與工程系的 Jokinen 等人，以包括 PC 在內的多種聚合物為對象，比較氧氣與氮氣電漿處理後的親水化及疏水回復。電漿活化後的聚合物表面可能隨時間逐漸失去親水性，下降程度也受到儲存環境影響；這種現象稱為疏水回復（hydrophobic recovery），會影響後續塗層、功能化或組裝的時間安排。

參考文獻：Jokinen, V., Suvanto, P., & Franssila, S. (2012). Oxygen and nitrogen plasma hydrophilization and hydrophobic recovery of polymers. Biomicrofluidics, 6(1), 016501.

氧電漿作為親水塗層的前處理

義大利國家研究委員會（National Research Council of Italy, CNR）分子識別化學研究所的 Zilio 等人，在一項公開發表的研究中使用 Harrick Plasma Cleaner，對 PC、環烯烴共聚物（cyclic olefin copolymer, COC）與聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate, PET）進行氧電漿處理，再施作含有矽烷基團的親水共聚物塗層。

在這項研究中，氧電漿先提高材料表面的反應性，作為後續共聚物塗層的前處理；較長時間的親水效果則由塗層維持。

參考文獻：Zilio, C., Sola, L., Damin, F., Faggioni, L., & Chiari, M. (2014). Universal hydrophilic coating of thermoplastic polymers currently used in microfluidics. Biomedical Microdevices, 16(1), 107–114.

PCTE 膜層熱鍵合前的電漿處理

韓國浦項工科大學（Pohang University of Science and Technology, POSTECH）化學系與生物奈米技術中心的 Teng 等人，使用 Harrick PDC-32G 對多層 PCTE 膜進行氧電漿前處理，再透過加熱與壓合形成多層膜結構。在這項流程中，電漿負責膜材的前處理，後續加熱與壓合則促進聚合物分子鏈移動，完成膜層間的熱鍵合。

完成的 PCTE 多層膜再以環氧樹脂整合至 PDMS 晶片中。

參考文獻：Teng, W., Ban, C., & Hahn, J. H. (2015). Formation of lipid bilayer membrane in a poly(dimethylsiloxane) microchip integrated with a stacked polycarbonate membrane support and an on-site nanoinjector. Biomicrofluidics, 9(2), 024120.

PC 膜與 COP 接合前的化學功能化

表面功能化是不同熱塑性材料接合時可採用的製程路徑之一。Paoli 等人所屬的跨國研究團隊，成員來自西班牙加泰隆尼亞生物工程研究所（Institute for Bioengineering of Catalonia, IBEC）、巴塞隆納大學與義大利羅馬第二大學等機構。該團隊使用 Harrick PDC-002-CE，比較環烯烴聚合物（cyclic olefin polymer, COP）、PC 膜等材料經氧電漿、紫外光／臭氧（UV/ozone）及不同化學功能化處理後的整合結果。在該研究測試的多數未功能化材料組合中，單獨使用氧電漿沒有形成可靠的不可逆鍵合。

在 PC 膜與 COP 的接合流程中，研究團隊先以氧電漿處理材料表面，再使用 3-胺丙基三乙氧基矽烷（3-aminopropyltriethoxysilane, APTES）進行功能化。

參考文獻：Paoli, R., Di Giuseppe, D., Badiola-Mateos, M., Martinelli, E., Lopez-Martinez, M. J., & Samitier, J. (2021). Rapid Manufacturing of Multilayered Microfluidic Devices for Organ on a Chip Applications. Sensors, 21(4), 1382.