TWI515039B - 磁性纖毛的製作方法 - Google Patents

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Description

磁性纖毛的製作方法
本發明是有關於一種纖毛的製作方法，且特別是有關於一種具有磁性，可以用磁力驅動的纖毛的製作方法。
微流控晶片(microfluidics)或晶片實驗室(lab on a chip)是將樣品製備、反應、分離以至於檢測的過程集中在同一晶片上的概念和相應發展出來的技術。傳統上耗時且費工的生物分析受助於這種技術的發展，在質與量上均得到大幅改善。
微流控晶片或晶片實驗室的主要功能之一，就是快速而全面地混合生物樣本。這可以通過改變微流道的幾何設計來達到。就此而言，已經有人提出諸如人字形(herringbone)流道、蛇形(serpentine)流道或螺旋形(spiral)流道的設計。然而，單純改變流道的設計僅屬於一種被動的混合方式，其缺點在於所需的流道長度往往過長，且對於黏度較高的流體而言，效率也不顯著。因此，更有潛力的方式可能是在流道中設置主動的微型混合器(mixer)，並且透過外力使微型混合器作動，例如對其施予光、電、磁、熱等外力，使其在流道內按一定模式進行非往復運動，進而產生特定的流場，促進微尺度混合。
本發明提供一種磁性纖毛的製作方法，可以簡單快速地作出磁性纖毛。
本發明的磁性纖毛的製作方法包括以下步驟。
步驟(A)：提供模具，該模具中形成了多個微鑽孔，其中每一微鑽孔的孔徑在50 μm和350 μm之間，深度在500 μm to 3500 μm之間。
步驟(B)：將原料塗布在模具上，使原料填入每一微鑽孔中，其中原料包括高分子材料和磁性粉末。
步驟(C)：進行熱處理，使每一微鑽孔中的原料定型成磁性纖毛。
步驟(D)：脫模，使磁性纖毛從微鑽孔中分離出來。
在本發明的一實施例中，在進行步驟(B)時，對塗布了原料的模具進行抽氣。
在本發明的一實施例中，在進行步驟(B)時，對塗布了原料的模具施予磁場，該磁場的方向平行於微鑽孔的延伸方向。
在本發明的一實施例中，在步驟(B)後且在步驟(C)前，磁性纖毛的製作方法更包括步驟(E)：移除模具上位於微鑽孔以外的區域的原料。
在本發明的一實施例中，步驟(B)和步驟(E)反覆進行多次。
在本發明的一實施例中，在步驟(E)後且在步驟(C)前，磁性纖毛的製作方法更包括步驟(F)：在模具上形成支持層，該支持層在步驟(C)後和每一磁性纖毛結合在一起。
在本發明的一實施例中，高分子材料包括聚二甲基矽氧烷(poly dimethyl siloxane，PDMS)。
在本發明的一實施例中，磁性粉末包括NdFeB。
在本發明的一實施例中，磁性粉末和高分子材料在原料中的重量比為1/1至5/1。
在本發明的一實施例中，微鑽孔是以微加工或微銑削方法製成的。
基於上述，本發明提出一種磁性纖毛的製作方法，相較於習知方法更為簡易、快速，且所需的成本低而翻模成功率高。採用此方法，還可藉由改變磁性粉末或高分子材料的量來調整磁性纖毛的電磁與機械性質，適合應用在微流體實驗中。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例作詳細說明如下。
100‧‧‧模具
102‧‧‧微鑽孔
104‧‧‧原料
106‧‧‧支持層
110‧‧‧刮刀
112‧‧‧玻璃基板
200‧‧‧磁性纖毛
D‧‧‧深度
S‧‧‧表面
W‧‧‧孔徑
圖1A至圖1F是根據本發明第一實施方式所繪示的磁性纖毛的製作方法的流程圖。
圖2是一種具有磁性纖毛的微流道的局部示意圖。
圖3A和圖3B是實驗製得的磁性纖毛的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
在本文中，由「一數值至另一數值」表示的範圍，是一種避免在說明書中一一列舉該範圍中的所有數值的概要性表示方式。因此，某一特定數值範圍的記載，涵蓋該數值範圍內的任意數值以及由該數值範圍內的任意數值界定出的較小數值範圍，如同在說明書中明文寫出該任意數值和 該較小數值範圍一樣。例如，「深度為10~300 μm」的範圍，無論說明書中是否列舉其他數值，均涵蓋「深度為100~250 μm」的範圍。
本發明的第一實施方式是關於一種磁性纖毛的製作方法，以下將參照圖1A至圖1F說明之，此系列圖式繪示的是製作磁性纖毛的流程圖。
在本實施方式中，磁性纖毛的製作方法包括以下步驟。
請參照圖1A，首先提供模具100。模具100中已預先形成了多個微鑽孔102，其中每一微鑽孔102的孔徑W在50 μm和350 μm之間，深度D在500 μm和3500 μm之間，深寬比(D/W)在1到10之間。使用模具100製作出的磁性纖毛會具有對應微鑽孔102的長度、寬度和深寬比；高深寬比意味著磁性纖毛在受外力驅動時可以較大的幅度擺動，對於微流控晶片(microfluidics)相關的應用而言，這是一種有利的特性。
模具100可以是壓克力材質，且微鑽孔102可以是利用微加工(micro-machining)或微銑削(micro-milling)製程在模具100上形成的。當然，本發明不限於此，在其他實施方式中，也可以用其他的習知方式來形成微鑽孔，例如利用微影製程。不過，就以下幾個方面來考量，微加工或微銑削製程可能比微影製程更具優勢。
首先，利用微影方式製作模具，其深寬比無法太高，最多只能至5：1。對這種高深寬比而言，由於光阻無法一口氣堆疊如此高，必須用一層一層塗布的方式，因此所塗布上去的光阻在高堆疊情況下均勻度都非常的差，左右兩邊厚度可能差到數百微米以上，這對於磁性纖毛的尺寸均一性有非常負面的影響。微鑽铣方法則無上述的問題，即使加工至深寬比超過10：1均不是問題。如前所述，這對磁性纖毛的擺動幅度也有非常正面的幫助，因為愈大的深寬比可以得到越大的擺動幅度，造成更大的流場擾動，幫助微混合的進行。
其次，如果利用微影製程，目前受限於技術，只能從晶圓上方塗布光阻，所製造的圖案只能是二維分布。而微銑削可以從四面八方進行加工，因此所製作的纖毛可以朝向不同方向，如果再加上五軸的加工機，更可以製作出具圓滑平面或是其他幾何形狀的纖毛，拓展纖毛的應用空間。
微鑽孔102的上視形狀，亦即在圖面上由上往下觀察模具100所看到的微鑽孔102的形狀，通常沒有特別限制。在本實施方式中可以是圓形，或者也可以是正多邊形、橢圓形或其他規則或不規則的形狀。
請繼續參照圖1A，接著，將原料104塗布在模具100上。在此步驟的操作溫度，原料104是流體，因此可以透過任意的習知塗布方式塗布在模具100上，例如可以直接將原料104傾倒在模具100上。原料104包括高分子材料和磁性粉末，在第一實施方式中，高分子材料和磁性粉末可以分別是聚二甲基矽氧烷(polydimethyl siloxane，PDMS)和銣鐵硼(NdFeB)粉末，但是本發明並不以此為限，在其他實施方式中，高分子材料也可以是瓊脂糖(agarose)或水凝膠(hydrogel)；磁性粉末的材料也可以是Fe3O4、Alnico、鐵、鈷、鎳或任何已知的磁性材料。此外，磁性粉末的粒徑例如介於1 μm至10 μm之間。如果高分子材料包含PDMS，則原料104中還可以含有硬化劑，如Dow Corning公司生產的Sylgard 184B，以便之後能使纖毛硬化成型。
此外，在原料104中，高分子材料和磁性粉末的相對量可以任意調整，以達到預定的電磁和機械性質。當然，如果高分子材料的量太少，磁性纖毛的機械性質可能稍嫌不足；如果磁性粉末的量太少，磁性纖毛的磁性可能較弱而需要更高的磁力才能加以操控。因此，在本實施例中，磁性粉末和高分子材料在原料104中的重量比為1/1至5/1，較佳是2/1至3/1。
由於原料104本身是流體，因此，塗布到模具100上之後，它會 慢慢流進微鑽孔102中。但是，如果原料104的黏度太高，微鑽孔102可能一時難以被原料104填滿。此時可以借助一些方法幫助原料104填入微鑽孔102。例如，可以對塗布了原料104的模具100進行抽氣，使原本封閉在微鑽孔102中的空氣被抽取出來，使原料104得以更全面地填入微鑽孔102中。或者，也可以用尺寸略小於微鑽孔的細絲，以物理性的外力強迫原料104進入微鑽孔102中。或者，也可以對塗布了原料104的模具100施予磁場，磁場的方向例如大致平行於微鑽孔102的延伸方向(微鑽孔102的深度方向)。施予磁場除了可以幫助含有磁性粉末的原料104沿著微鑽孔102的深度方向移動以外，還可能幫助分散在高分子材料中的磁性粉末排列、重整。最終，理想的狀態如圖1B所示，即原料104完全填滿每一個微鑽孔102。
在圖1B所繪示的狀態下，如果使位於微鑽孔102內的原料104硬化，每一微鑽孔102內的原料即形成一條磁性纖毛。硬化的方法沒有特別限定，例如，如果原料104含有PDMS和硬化劑，則可以對模具100進行熱處理，加速其硬化過程。
在本實施方式中，在進行熱處理之前，仍執行了其他步驟，其細節詳述如下。
請參照圖1C，移除模具100上位於微鑽孔102以外的區域的原料104。移除的方法例如是以刮刀110將位於微鑽孔102外的原料104從模具100上刮除。如果沒有執行這個步驟，在模具100的表面上會殘留一層原料104，這個薄層在硬化、脫模後仍然會續存，其結果是，脫模以後多條磁性纖毛會樹立在一層具有磁性的薄膜上。這對磁性纖毛的性質雖然不至於產生影響，但卻有可能產生磁場屏蔽的作用，讓磁性纖毛難以操控。
請參照圖1D，可以重複執行圖1A、圖1B和圖1C繪示的步驟。 具體地說，也就是重複執行在模具100上塗布原料104的步驟、讓原料104填入微鑽孔102的步驟(視需要，此步驟包括抽氣、施加磁場或物理性施壓的步驟)，以及從模具100上移除原料104的步驟。重複執行這些步驟可以讓原料104更徹底、更緻密地填入微鑽孔102中。
請參照圖1E，接著，在模具100上形成支持層106。支持層106可以包含高分子材料，例如，在本實施方式中支持層106可含有PDMS。支持層106和原料104含有相同的高分子材料，可能對兩者之間的結合強度有所助益。當然，本發明也並不以此為限。支持層106的材料也可以和原料104含有的高分子材料不同。
之後，對模具100、原料104和支持層106進行熱處理，使每一微鑽孔102中的原料104定型成磁性纖毛200，且使磁性纖毛200和支持層106結合在一起。
請參照圖1F，接著，進行脫模步驟，使磁性纖毛200從微鑽孔102中分離出來。脫模的方式沒有特別限制，例如可以直接以手動方式讓磁性纖毛200與微鑽孔102分開，從而完成磁性纖毛200的製作。
此處值得注意的是，在本實施方式裡，圖1F所繪示的只是產品脫模以後的部分區域的剖面圖而已。產品的整體可能如圖2所示，其中除了磁性纖毛200以外的部分均為同一材料。對圖2繪示的這種產品而言，如果磁性纖毛200以外的部分，材料都是PDMS，則可以對其表面S進行氧電漿處理，使其表面性質從疏水轉為親水。爾後以熱壓方式將玻璃基板(未繪示)壓合在表面S上，就構成了封閉的流道。然後，可以利用這個微流道結構進行微流體行為的研究，其中磁性纖毛200可以透過外加磁場加以驅動，例如在微流道周圍架設磁力線圈並設計驅動電路驅動之。以不同的方式施加磁場，可以使磁性纖毛陣列產生不同的運動模式，藉此，得 以研究微流體在不同的三維流場下的行為模式，例如兩種流體的不同混合方式。
〈實驗〉
為了證明本發明的可實現性，下文將舉實驗例以更具體地描述本發明。雖然描述了以下實驗，但是在不逾越本發明範疇的情況下，可適當改變所用材料、其量及比率、處理細節以及處理流程等等。因此，不應根據下文所述的實驗對本發明作出限制性的解釋。
以大致相同於圖1A至圖1F所描述的過程製作磁性纖毛。實驗中使用的高分子材料是PDMS(型號Sylgard 184A，製造商Dow Corning，代理商SILMORE)，其硬化劑是(型號Sylgard 184B，製造商Dow Corning，代理商SILMORE)；磁性粉末是粒徑5μm的NdFeB粉末(neodymium-iron-boron，Magnequench，Singapore)。將NdFeB粉末以3：1的重量比例混入PDMS中，製成PDMS/NdFeB混合物。將PDMS/NdFeB混合物塗布在壓克力模具上，其中壓克力模具已經以微銑削機(君霟有限公司，客製化組裝機型)預先形成直徑50μm，深度300μm的微鑽孔陣列。將壓克力模具置於腔體內，並以機械泵浦(型號UN-90V，廠商Uni-Crown)將腔體抽至低真空(約10-1torr)狀態，使PDMS/NdFeB混合物滲入微鑽孔，形成磁性纖毛的原型。刮除壓克力模具表面的多餘材料後，再將透明的PDMS填滿整個模具，經12小時低溫軟烤(約80℃)固化後，脫模，即可得到磁性纖毛。兩種實驗產品的SEM照片如圖3A和圖3B所示。
圖3A顯示微流道產品的上視SEM照片，其中微流道中有一列含有PDMS和NdFeB的磁性纖毛，且其側壁的材料為PDMS。圖3B則顯示一個5×5的磁性纖毛陣列。
觀察圖3A和圖3B，可以看到每一磁性纖毛的結構都很完整，沒 有缺陷或斷裂之處，且磁性纖毛的頂端均呈圓錐狀，這忠實地反映了以微銑削機製作的微鑽孔的底部型態，以上種種，可以佐證PDMS/NdFeB混合物的填充效果非常良好。
綜上所述，本發明提出一種磁性纖毛的製作方法，相較於習知方法更為簡易、快速，且所需的成本低而翻模成功率高。採用此方法，還可藉由改變磁性粉末、高分子材料或硬化劑的量來調整纖毛的電磁與機械性質，適合應用在微流體實驗中。
雖然已以實施例對本發明作說明如上，然而，其並非用以限定本發明。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍的前提內，當可作些許的更動與潤飾。故本申請案的保護範圍當以後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧模具
102‧‧‧微鑽孔
104‧‧‧原料

Claims (10)

  1. 一種磁性纖毛的製作方法，包括：(A)提供模具，該模具中形成有多個微鑽孔，其中每一微鑽孔的孔徑在50μm和350μm之間，深度在300μm和3500μm之間，以及深寬比在6至10之間；(B)將原料塗布在該模具上，使該原料填入每一微鑽孔中，其中該原料包括高分子材料和磁性粉末；(C)進行熱處理，使每一微鑽孔中的該原料定型成磁性纖毛；以及(D)脫模，使該些磁性纖毛從該些微鑽孔中分離出來。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性纖毛的製作方法，其中，進行步驟(B)時，對塗布了該原料的該模具進行抽氣。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的磁性纖毛的製作方法，其中，進行步驟(B)時，對塗布了該原料的該模具施予磁場，該磁場的方向大致平行於該些微鑽孔的延伸方向。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的磁性纖毛的製作方法，其中在步驟(B)後且在步驟(C)前，更包括(E)移除該模具上位於該些微鑽孔以外之處的該原料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的磁性纖毛的製作方法，其中，反覆進行步驟(B)和步驟(E)多次。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的磁性纖毛的製作方法，其中在步驟(E)後且在步驟(C)前，更包括(F)在模具上形成支持層，該支持層在步驟(C)後和每一磁性纖毛結合在一起。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的磁性纖毛的製作方法，其中該高分子材料包括聚二甲基矽氧烷(PDMS)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的磁性纖毛的製作方法，其中該磁性粉末包括NdFeB。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的磁性纖毛的製作方法，其中在該原料中，該磁性粉末和該高分子材料的重量比為1/1至5/1。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的磁性纖毛的製作方法，其中該些微鑽孔是以微加工或微銑削方法製成的。
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