2-1、 高 分 子 組 成 單 體 之 材 料 性 質 及 其 應 用 性 2-1-1、 poly(ethylene glycol)之 性 質 與 應 用
Poly(ethylene glycol)(PEG)可 說 是 在 生 醫 領 域 應 用 地 最 廣 且 研 究 地 最 透 徹 的 高 分 子 之 一，一 般 可 由 ethylene glycol 經 由 酸 催 化 或 是 鹼 催 化 行 開 環 聚 合 反 應(acid or base-catalyst ring-opening polymerization)而 得 之，但 現 今 市 面 上 已 經 有 各 式 各 樣 已 商 品 化 且 具 有 不 同 分 子 量 的 產 品 可 供 選 擇 ， 甚 至 是 將 末 端 改 質 成 各 類 官 能 基 或 是 與 各 類 peptide、 protein、 antibody 鍵 結 好 的 產 品 ， 供 學 術 界 或 業 界 直 接 選 購 以 利 研 究，這 也 就 是 所 謂 的 PEGylation
【1】。PEG 本 身 為 一 親 水 性 (water-soluble)、電 中 性 (non-charged) 且 不 具 毒 性(nontoxic)之 高 分 子 ， 常 被 用 來 當 作 高 分 子 藥 物 載 體 或 基 因 載 體 之 親 水 性 外 殼 。 因 其 具 有 良 好 的 親 水 性 以 及 其 鏈 段 在 水 溶 液 中 具 有 相 當 的 立 體 排 斥 體 積(steric repulsion)， 使 其 在 體 內 長 時 間 循 環 時 可 以 延 展 其 親 水 鏈 段 提 供 一 動 態 的 遮 蔽 作 用 ， 可 有 效 地 排 開 或 推 開 血 液 中 的 蛋 白 質 吸 附 ， 進 而 避 開 巨 噬 細 胞(phagocytes)的 辨 識 。 PEG 除 了 應 用 於 載 體 之 外 殼 外 ， 尚 有 其 他 學 者 將 其 與 疏 水 鏈 段 自 組 裝 成 高 分 子 奈 米 微 胞 後 ， 利 用 其 表 面 之 特 殊 光 化 學 及 光 物 理 性 質 將 其 應 用 於 半 導 體 晶 圓 表 面 之 改 質 以 及 一 些 玻 璃 基 材 之 改 質 上 ， 如 圖 2-1 所 示 。 而 由 PEG 組 成 之 奈 米 粒 子 之 光 學 性 質 主 要 是 由 其 粒 徑 大 小 與 組 成 材 料 有 關
【2】。
圖 2-1、PEG 二團聯共聚物之奈米微胞於不同領域上之應用(H. Otsuka, K. Kataoka, Advanced Drug Delivery Reviews, 2003, 55, 403–419)
2-1-2、 Poly(
D,L
-lactide)之 性 質 與 應 用巨乳酸(Poly(
D,L
-lactide))是常見的生物可降解性單體，一般可由乳 酸(lactic acid)單體經錫觸媒(stannous octanoate)催化，行陽離子開環聚合 反應(ring-opening polymerization)得之。聚乳酸依乳酸單體之光學異構物 之不同，可分為L-form 聚乳酸(PLLA)、D-form 聚乳酸(PDLA)及 D,L-form 聚乳酸(PDLLA)，如圖 2-2 所示。PLLA 與 PDLA 之結構規則類似，聚 合物之細部結構由結晶態(crystalline)與非結晶態(amorphous)所構成；而 PDLLA 因排列不具有規則性，聚合物為非結晶態(amorphous)。D-form如肝、腎、肌肉等，所以在生物醫學的應用上大部分是利用L-form 之聚
2-1-3、 Poly(N-Vinylpyrrolidone)之 性 質 與 應 用
首 先 ， N-Vinylpyrrolidone 單 體 本 身 為 一 極 性 分 子 ， 它 與 同 樣 是 極 性 分 子 之 有 機 酸(carboxylic acid)、醇 類 (hydroxyl group)、
無 機 鹽 類(inorganic salt) 及 水 之 相 容 性 良 好 。 而 本 研 究 使 用 之 (Poly(N-Vinylpyrrolidone)(PNVP)為 一 親 水 性 (water-soluble)、 電 中 性(non-charged)且 不 具 毒 性 (nontoxic)之 高 分 子，其 性 質 與 poly (ethylene glycol)(PEG) 非 常 類 似 ， 可 由 N-Vinylpyrrolidone 在 AIBN 起 始 劑 作 用 下 行 自 由 基 聚 合 反 應 (radical polymerization) 獲 得 。 常 用 於 生 物 醫 療 領 域 ， 作 為 藥 品 添 加 物 、 生 物 活 性 蛋 白 質 之 高 分 子 修 飾 基 團 ， 且 其 在 血 液 中 之 循 環 時 間 以 及 人 體 相 容 性 甚 至 比 PEG 還 來 的 好 【 3】。 由 文 獻 可 知 ， PNVP 以 往 常 被 學 者 利 用 其 良 好 之 生 物 相 容 性 ， 與 不 同 功 能 之 疏 水 或 親 水 性 單 體 進 行 自 由 基 共 聚 合 ， 設 計 出 不 同 功 能 之 藥 物 载 體 及 基 因 載 體 。 例 如 ，2002 年 ， Yinfeng Zhuang 等 人 即 是 利 用 NVP 與 具 有 溫 度 應 答 之 NIPAAm 單 體 ， 以 放 射 性 聚 合 (radiation polymerization) 的 方 式 進 行 共 聚 合 ， 形 成 具 有 交 聯 式 高 分 子 網 狀 結 構 (Interpenetrating Polymer network)之 高 分 子 水 膠 藥 物 载 體 【 4】。
除 此 之 外，2000 年，Dong Woo Lim 等 人 亦 利 用 NVP 與 DMAEMA 以 自 由 基 聚 合 的 方 式 先 形 成 共 聚 合 物 ， 再 將 其 作 末 端 作 改 質 修 飾 ， 而 後 再 進 一 步 地 將 其 與 改 質 過 後 的 PEG 結 合 ， 形 成 雙 團 聯 之 高 分 子 基 因 載 體 【5】。
2-1-4、 Poly(N-Vinylimidazole)之 性 質 與 應 用
N-Vinylimidazole(NVI) 為 一 親 水 性 且 具 酸 鹼 應 答 效 果 的 單 體，我 們 可 藉 自 由 基 聚 合 反 應(free radical polymerization)，將 其 聚 合 為 Poly(N-Vinylimidazole)(PNVI) 【 6 】。 其 結 構 與 poly(4-vinylpyridine)相似，皆是一個含有雜原子(heteroatom)之未飽和環狀 芳香族化合物(aromatic compound)，二者在 N 的位置上，皆含有一個未鍵 結的孤對π電子。此孤對π電子具有抓取環境中氫離子之能力，因此，
在酸性環境下(pH<6)，NVI 本身即具有質子化(protonaiton)的能力，如圖 2-3 所示。我們即是利用 NVI 之酸鹼應答能力，在酸性環境下，藉著 PNVI 高分子鏈段間帶正電性的結果造成靜電排斥力，使奈米微胞本身變得較 為膨潤，將包覆在內核的抗癌藥物釋放以達到癌細胞毒殺的效果。除此 之外，PNVI 可以與許多帶電性分子產生鍵結(金屬離子、蛋白質結構等)，
形成一複合型結構，因此我們可以將某些具有與生物分子產生鍵結能力 的配體(ligands)(例如染料或是具有反應性的高分子)輕易地導入 PNVI 形 成複合型膠體【7】。
圖2-3、PNVI 之 imidazole 官能基在質子酸存在下之質子化與去質子化 可逆反應示意圖(M.JESU’S MOLINA et al, Journal of Polymer Science:
Part B ： Polymer Physical, 2004, 42, 2294-2307)
其他類似於 imidazole 官能基之高分子，例如 poly-histidine(polyHis)，
由Y. H. Bae 等人研究 polyHis 發現，imidazole 基團在體內可藉由 proton sponge 之機制誘導 endosome membrane disruption activity【8-9】，如此一 來於高分子系統導入polyHis 於內核，對於細胞內的藥物傳遞會有更佳的 效果，如圖2-4 所示。因此，現今已有其他學者將其應用於 DNA 基因治 療，將末端改質成具有imidazole 的官能基，使其在基因傳遞治療上具有 更好的療效【10】。
圖2-4、PHis-PEG 與 PLLA-PEG-PHis-biotin 之複合型奈米微胞結構 與結構破壞示意圖(Y. H. Bae et al, Nano Lett, 2005, 5, 325. )
2-2、 高 分 子 奈 米 微 胞 之 介 紹
2-2-1、 高 分 子 奈 米 微 胞 之 形 成 機 制
高 分 子 二 團 聯 共 聚 物 欲 在 水 溶 液( 亦 有 學 者 探 討 其 在 有 機 溶 液 中 之 組 裝 情 形)中 自 我 組 裝 成 一 有 序 列 之 結 構 ， 通 常 其 結 構 皆 必 須 具 有 親 疏 水 性 差 異 明 顯 的 兩 段 高 分 子 鏈 ， 而 隨 著 親 疏 水 鏈 段 比 列 之 不 同 ， 其 在 水 溶 液 中 之 組 裝 結 構 亦 不 相 同 ， 常 見 的 結 構 有 微 胞(micelle) 、 棒 狀 (cylinder) 、 層 板 狀 (lamella) 等 結 構
【11】。 在 此 ， 我 們 將 研 究 重 點 放 在 高 分 子 微 胞 之 探 討 上 ， 當 我 們 提 高 親 疏 水 鏈 段 之 組 成 比 例 時(增 加 親 水 鏈 段 比 ； 降 低 疏 水 鏈 段 比)， 組 裝 之 結 構 會 由 層 板 狀 或 棒 狀 轉 為 微 胞 之 結 構 。 通 常 ， 組 成 高 分 子 微 胞 之 共 聚 物 包 含 了 兩 種(依 結 構 設 計 需 求 之 不 同 ， 有 時 單 體 之 種 類 可 能 有 兩 種 以 上)不 同 溶 解 度 的 單 體 ， 而 這 兩 種 單 體 可 依 用 途 之 不 同 而 設 計 成 許 多 不 同 形 式 之 雙 性 共 聚 合 物 ， 如 二 團 聯 共 聚 物(diblock copolymer) 、 三 團 聯 共 聚 物 (triblock copolymer)及 接 枝 共 聚 物 (graft copolymer)等。其 中 以 雙 性 團 聯 共 聚 物(amphiphilic block copolymer)所 形 成 之 高 分 子 微 胞 研 究 最 為 完 整【12-13】。高 分 子 微 胞 之 形 成 取 決 於 親 疏 水 性 分 子 鏈 段 的 比 例 。 在 水 相 環 境 下 ， 當 親 水 性 鏈 段 之 分 子 量 大 於 疏 水 性 鏈 段 時 ， 高 分 子 鏈 會 因 在 水 溶 液 中 親 疏 水 性 之 不 同 而 排 列 成 核 殼 結 構(core-shell structure)的 高 分 子 微 胞 ， 如 圖 2-5 所 示 。
圖2-5、雙性高分子自組裝形成高分子微胞之示意圖
高 分 子 微 胞 形 成 之 過 程 包 含 了 兩 種 作 用 力 的 平 衡 ， 其 一 是 使 高 分 子 互 相 聚 集 的 疏 水 性 作 用 力 ， 其 二 是 避 免 高 分 子 微 胞 無 限 聚 集 而 形 成 微 相(microdomain)的 高 分 子 鏈 段 排 斥 力 。 其 熱 力 學 行 為 與 小 分 子 量 的 界 面 活 性 劑 相 似 ， 形 成 微 胞 的 驅 動 力 主 要 是 因 為 在 水 溶 液 中 ， 雙 性 共 聚 合 物 的 疏 水 性 鏈 段 為 了 減 少 與 水 的 接 觸 面 積 而 自 我 聚 集 ， 再 加 上 覆 蓋 在 疏 水 性 鏈 段 外 層 的 親 水 性 鏈 段 使 得 疏 水 性 鏈 段 與 水 的 接 觸 面 積 減 到 最 低 ， 因 此 使 系 統 的 自 由 能 達 到 最 小 值 而 形 成 最 穩 定 的 狀 態 【14-15】。
而 研 究 高 分 子 微 胞 之 最 重 要 因 素 即 是 高 分 子 微 胞 本 身 穩 定 性 之 探 討 ， 亦 即 高 分 子 微 胞 在 溶 液 中 因 結 構 不 穩 定 而 瓦 解 或 過 度 聚 集 造 成 粒 子 之 沉 澱 的 可 能 性 。 在 一 般 情 況 下 ， 穩 定 的 高 分 子 微 胞 可 以 在 體 內 長 時 間 地 循 環 並 累 積 於 適 當 的 組 織 ， 以 進 行 局 部 的 藥 物 釋 放 。 而 高 分 子 微 胞 不 論 在 體 外 與 體 內 的 穩 定 性 皆 與 它 們 的 臨 界 微 胞 濃 度 有 關 ， 一 般 疏 水 性 鏈 段 對 臨 界 微 胞 濃 度 的 影 響 遠 大 於 親 水 性 鏈 段【16-17】。以 下 說 明 親 疏 水 性 鏈 段 分 別 對 於 高 分 子 微 胞 穩 定 度 的 影 響 ：(1)在 固 定 親 水 性 鏈 段 分 子 量 下
Dialysis
Self-assembly Solidification
Swollen Precursor Mixed Micelle Random Coil
Solvent exchange
增 加 疏 水 性 鏈 段 分 子 量 ， 臨 界 微 胞 濃 度 會 明 顯 下 降 ， 因 此 會 增 加 高 分 子 微 胞 的 穩 定 性 。(2)在 固 定 疏 水 性 鏈 段 分 子 量 下 增 加 親 水 性 鏈 段 分 子 量 ， 臨 界 微 胞 濃 度 只 會 小 幅 上 升 。(3)在 固 定 親 /疏 水 性 鏈 段 的 比 例 下 增 加 雙 性 共 聚 合 物 分 子 量 ， 只 會 造 成 臨 界 微 胞 濃 度 小 幅 下 降 。(4)一 般 在 相 同 分 子 量 與 親 / 疏 水 性 鏈 段 比 例 下 ， 三 團 聯 共 聚 物 的 臨 界 微 胞 濃 度 會 高 於 二 團 聯 共 聚 物 的 臨 界 微 胞 濃 度 【 16-20】。而 由 雙 性 接 枝 共 聚 物 所 形 成 的 高 分 子 微 胞，
相 較 於 團 聯 共 聚 物 而 言 ， 較 易 發 生 互 相 聚 集 的 現 象 ， 這 是 因 為 接 枝 共 聚 物 之 疏 水 性 鏈 段 運 動 性 低 於 團 聯 共 聚 物 ， 因 此 會 形 成 結 構 較 鬆 散 之 高 分 子 微 胞 ， 導 致 某 些 疏 水 性 鏈 段 與 水 接 觸 ， 所 以 高 分 子 微 胞 彼 此 間 容 易 聚 集 形 成 較 大 的 顆 粒 【 21-26】。
研 究 高 分 子 微 胞 的 另 一 項 重 要 參 數 即 為 臨 界 微 胞 濃 度 (critical micelle concentration, CMC)。 在 溶 液 中 ， 雙 性 共 聚 合 物 之 濃 度 高 到 足 以 形 成 微 胞 之 濃 度 時 ， 此 時 微 胞 本 身 與 高 分 子 (polymer) 也 正 好 達 到 某 一 平 衡 ， 而 此 濃 度 即 稱 為 臨 界 微 胞 濃 度 。 嚴 格 來 說 ， 有 很 多 方 法 都 可 以 用 來 決 定 臨 界 微 胞 濃 度 ， 幾 乎 任 何 物 理 的 參 數 都 可 以 用 來 表 示 系 統 在 臨 界 微 胞 濃 度 時 的 物 理 性 質 變 化 。 然 而 ， 由 於 靈 敏 度 的 問 題 ， 所 以 只 有 少 數 方 法 真 正 被 用 來 決 定 臨 界 微 胞 濃 度 ， 如 高 效 能 液 相 層 析 儀(HPLC)、 小 角 度 光 散 射 儀 (small angle light scattering) 、 螢 光 光 譜 儀 (fluorescent spectroscopy)等。而 其 中 又 以 螢 光 光 譜 儀 最 為 靈 敏 與 精 確 。 當 溶 液 中 雙 性 共 聚 合 物 濃 度 達 到 臨 界 微 胞 濃 度 或 稍 高 於 臨 界 微 胞 濃 度 時 【15】， 會 形 成 鬆 散 的 高 分 子 微 胞 結 構 ， 在 內 核 中 還 含 有 少 量 的 溶 劑(水 )【 21】。 然 而 隨 著 溶 液 中 雙 性 共 聚 合 物
濃 度 之 增 加 ， 將 會 改 變 原 先 溶 液 中 高 分 子 與 微 胞 之 平 衡 ， 使 其 傾 向 於 生 成 高 分 子 微 胞 之 方 向 ， 內 核 中 殘 留 之 些 微 水 溶 液 亦 會 逐 漸 排 出 於 結 構 外 ， 使 內 核 的 結 構 變 的 更 加 緊 密 及 穩 定 ， 同 時 也 會 使 高 分 子 微 胞 的 水 合 半 徑 逐 漸 變 小 。 臨 界 微 胞 濃 度 決 定 了 雙 性 共 聚 合 物 在 藥 物 載 體 上 的 應 用 性 ， 若 雙 性 共 聚 合 物 的 臨 界 微 胞 濃 度 太 高 ， 則 其 形 成 的 高 分 子 微 胞 在 進 入 體 內 時 ， 會 因 為 被 大 量 的 血 液 稀 釋 而 變 的 不 穩 定 而 容 易 分 解 ， 其 所 攜 帶 的 藥 物 也 因 過 快 的 釋 放 而 在 血 液 中 沈 澱 ， 並 因 此 快 速 被 人 體 所 代 謝 。 因 此 在 研 究 高 分 子 微 胞 的 藥 物 控 制 釋 放 上 ， 臨 界 微 胞 濃 度 是 一 個 很 重 要 的 因 素 。
2-2-2、 高 分 子 奈 米 微 胞 之 包 覆 原 理
2-2-2、 高 分 子 奈 米 微 胞 之 包 覆 原 理