微流道(microfluidics)晶片利用微小通道控制液體的流動、接觸與分離，讓樣品處理和分析整合在小型裝置中，使得原先需要較大反應容器、較多試劑與較長等待時間的實驗，可以被縮小到微米等級的通道中進行，原本很控制的細胞、液滴或流體介面，也能透過經設計被更細緻的觀察與應用，例如生物分子分析需要安排樣品注入、輸送與分離路徑；微凝膠製備則需要讓液滴尺寸與產量符合後續材料研究需求。
PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷）是一種透明、柔軟、帶有彈性的矽氧高分子材料，常用於微流道晶片的開發。PDMS 之所以常在微流道與晶片實驗室(Lab-on-a-chip)相關研究中被採用，是因為它讓研究人員能用相對低門檻的方式，把細胞培養、藥物篩選、液滴控制、化學反應與生醫檢測縮小到一片透明晶片上。1990 年代後期，PDMS 被大量用於快速製作 微流道系統(microfluidic systems)，也讓更多化學、生物、醫學與材料研究團隊有機會進入微流道領域。
Harrick Plasma 電漿清洗機常用於這些微流道裝置的表面處理與封裝製程。PDMS 原本偏疏水，透過空氣或氧氣電漿清潔並活化 PDMS 表面，形成矽羥基並提升親水性。將活化後的 PDMS 與同樣經過處理的玻璃或另一片 PDMS 貼合，可在接合界面形成 Si–O–Si 鍵，這就是常見的PDMS 微流道鍵合(PDMS Bonding）。
PDMS 微流道的研究與產業應用
完成鍵合後，讓PDMS 微流道變成可以導入液體的晶片平台。它可以接上注射幫浦、壓力控制系統、顯微觀察系統、感測器或細胞培養流程，成為不同研究應用的一部分。
在生醫研究中，PDMS 微流道可用於細胞培養（cell culture）、器官晶片（organ-on-a-chip）、藥物篩選（drug screening）、細胞遷移（cell migration）、單細胞分析（single-cell analysis）與疾病模型（disease model）。這類應用希望在更小、更可控的環境中，模擬或觀察生物系統。
在分析與檢測領域，PDMS 微流道可用於樣品前處理（sample preparation）、生物感測器（biosensor）、診斷晶片（diagnostic chip）或化學檢測（chemical detection）。透過通道設計，研究人員可以控制樣品的導入、混合、反應與偵測流程。
在材料與化學研究中，PDMS 微流道可用於液滴微流體（droplet microfluidics）、微反應器（microreactor）、粒子合成（particle synthesis）、界面研究（interface study）或表面功能化（surface functionalization）。研究人員可透過微通道，觀察並調整液滴生成、擴散、界面行為與反應條件。
生物分子分析晶片的開發
開發微流道分析晶片時，研究人員需要反覆調整流道設計，並製作晶片測試其分離效果。當時常用的玻璃與矽晶片製程較繁複，使設計修改與試作需要較多時間。哈佛大學化學與化學生物學系 Duffy、Whitesides 等人因此採用可由母模重複翻製的 PDMS，並以微型電泳晶片測試其分析能力。
晶片整合樣品注入與分離流道，利用電場控制液體輸送與分子分離。團隊以 Harrick 電漿設備處理 PDMS，使流道層與平面 PDMS 接合，形成封閉通道。處理後的流道表面也能在適當的水溶液條件下帶電，支援電場驅動的液體輸送。
研究成功分離胺基酸、蛋白質衍生物及 DNA 片段，其中胺基酸與帶負電蛋白質的分離表現，可與相近長度的傳統毛細管相比。這讓研究團隊能以較容易反覆試作的 PDMS 晶片，測試生物分子的分析方法，並進一步調整流道設計。
Duffy et al. (1998). 聚二甲基矽氧烷（PDMS）微流道系統的快速原型製作. Analytical Chemistry. DOI：10.1021/ac980656z。
微凝膠的微流道製備
微凝膠是微小的水凝膠粒子，可作為組織工程材料的組成單元。製備這些粒子時，研究人員需要控制粒徑，也需要取得足夠的數量供後續實驗使用。批次乳化製得的粒子大小較不一致，流動聚焦式微流道雖能控制粒徑，製備量卻較有限。維吉尼亞大學 Roosa、Griffin 等人因此採用平行化階梯乳化晶片，讓多條微流道同時產生液滴，再將液滴中的聚乙二醇（PEG）前驅液交聯成微凝膠。
團隊使用 Harrick Plasma 電漿設備處理 PDMS 與玻璃的接合面，將流道封裝成完整晶片。接合後，再以含氟矽烷修飾流道內壁，讓水相前驅液能在油相中形成液滴。平行流道的設計提高了製備量，也讓團隊能持續取得大小相近的微凝膠粒子。
製得的微凝膠經純化與吸水膨潤後，仍呈現集中的粒徑分布。團隊進一步以光交聯連接這些粒子，形成三維多孔支架，並透過顯微影像觀察粒子間的孔隙。這些微凝膠可作為後續細胞輸送與組織修復材料研究的開發。
資料來源與延伸閱讀
- Duffy et al. (1998). Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. DOI：10.1021/ac980656z。
- Roosa et al. (2022). Microfluidic Synthesis of Microgel Building Blocks for Microporous Annealed Particle Scaffold. Journal of Visualized Experiments. DOI：10.3791/64119。