水性聚胺酯奈米粒子與生醫應用

由於聚胺酯具有良好的機械性質與生物相容性，且可由調整軟硬鍊化學結構 微調多項性質[46]，故可廣泛運用於生醫領域，如藥物載體、組織工程支架及細 胞生長支撐等。在奈米科技日益發達之下，聚胺酯的發展可能更是大為增加

[47]。但引發凝血、蛋白質吸附與細胞相容性的問題，以及惰性表面不利細胞生 長等，使得實際應用上需要進行改質。像是以天然生物分子如明膠(gelatin)、膠 原蛋白(collagen)、殼聚醣或褐藻酸(alginate)等包覆聚胺酯奈米粒子，能再增進其 生物相容性[48]。而調整單體組成使其帶負電的聚胺酯奈米粒子，因與血球細胞 互斥，具有較高的抗凝血性[47]。

生物可分解並且會隨著溫度或 pH 值改變而發生結構變化的材料，可於特定 部位進行藥物制放，增加治療的效率並減低對其他健康組織的傷害。聚胺酯在高 分子材料中，具有可變化性質、高生物相容性與血液相容性的優點。如以含有親 水性聚乙二醇結構的聚胺酯，因免疫反應低及毒性低，是經常被探討的生醫材 料。調整親水與輸水部位的比例，可合成出不同範圍的溫感(temperature-sensitive) 的藥物制放載體[49]。聚己內酯具有良好的熱力學與機械性質，毒性低且降解產 物屬人體自然成分，故亦是常使用的單體。與其相關的共聚物，也有許多生醫運

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用的潛力[50]。

1.6. 殼聚醣與生醫運用

殼聚醣為部份去乙醯化(deacetylation)的甲殼素(chitin)，而甲殼素為生物界中 節肢類動物外骨骼主要組成成分[51]。殼聚醣具有良好的生物相容性、生物分解 性、擁有可進行多種反應的官能基、相較甲殼素易溶於水溶液中[51, 52]，並具 有抗微生物性(anti-microbial)，且容易加工製成水膠、薄膜、奈米纖維、微球、

奈米球及支架等結構[53]，此外類似多醣(polysaccharide)的結構被認為可影響細 胞吸附或醣蛋白(glycoprotein)[54]，與細胞、組織及體液接觸時也不易引起免疫 反應，並可減少膽固醇吸附且可抗拒發炎反應[55]。殼聚醣因上述多項優點被認 為適合作為生醫材料。

殼聚醣的分解性與在生物體中的長期反應有關，故需要加以控制，這可藉由 改變去乙醯度來調整，因主要的分解機制為溶菌酶的反應。此外調整去乙醯度亦 會影響材料的膨潤(swelling)性質，這在藥物傳送(drug delivery)與支架須格外注意

[56]。透過官能基的反應，使殼聚醣具有兩性性質，可由自組裝形成奈米球結構，

並與脂類結構如細胞膜增加反應性[57]。殼聚醣中的胺基具反應性可作為交聯 點，形成化學性或離子性的網狀結構；將聚乙二醇接枝至結構中，可增加在水溶 液中的溶解度，還可製作出溫感性的水膠材料[58]。接枝共聚物的單體另包括乙

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酸乙烯酯(vinyl acetate)及乙醇(alcohol)等[59]

殼聚醣因良好的生物相容性、生物可分解性與可改善的機械性質，可作為組 織工程的支架，如殼聚醣與明膠(gelatin)的混合物。此外還可抑制纖維細胞(fibrous

cell)的生成，另一方面增進內皮細胞(endothelium cells)、微血管(capillary vessels) 與心肌細胞(cardiac muscle cells)的生長。殼聚醣加上特殊混合的蛋白質能協助神 經修復；殼聚醣加上膠原蛋白(collagen)有助於細胞分化等[54]。其他用途包括抗 菌 (antibacterial) 、 過 濾 (filtration) 、 藥 物 釋 放 (drug release) 、 傷 口 敷 料 (wound

dressing)、化妝品(cosmetics)、生物感應(biosensors)與醫療移植(medical implants) 等。殼聚醣與玻尿酸(hyaluronic acid)相近的結構讓它亦有傷口癒合(wound healing) 的 效 果 。 殼 聚 醣 與 羥 磷 灰 石 (hydroxyapatite) 的 複 合 材 料 可 促 進 成 骨

(osteogenesis)，機制為鈣質的吸附及磷酸鈣(calcium phosphate)沉澱，適用於骨質 修復(bone repairing)[60]。

1.7. 研究動機與目的

生醫材料由於需放置於生物體中與體液、組織等接觸，故其生物相容性特別 重要，而材料的生物相容性又與表面親水性息息相關。單由聚胺酯薄膜的表面能 大小來看並無法推測出其良好的生物相容性，這是因為聚胺酯化學結構中的軟鏈 段與硬鏈段結構會有微相分離的現象，而在不同的環境中硬鏈段與軟鏈段會發生

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移動，進而影響到表面的親疏水性質。例如將聚胺酯薄膜至於不同溶液當中，表 面結構會發生重排而改變親水性；於水中分散的聚胺酯乳液製成的薄膜，再以他 種有機溶劑溶解後重新製成的薄膜，在不同溶液中的親水性也會發生改變，推測 是成膜時軟硬鏈段排列分布的差異所致。而不同種類的聚胺酯，由於內部化學結 構的差異，亦會影響到其表面重排，例如以乳酸取代部分軟鏈段的聚胺酯。殼聚 醣由於具有多種官能基，當其薄膜置於不同種類的溶液中時，也會有表面重排的 現象，進而影響其表面的親水性。由文獻指出加入無機奈米粒子至材料當中，也 會影響其表面重排，這跟奈米粒子與材料的反應，以及置於溶液中和溶液分子的 作用有關。除了改變表面親水性，無機奈米粒子也會影響材料的機械性質、生物 相容性、生物分解性與抗菌性。

因此本研究以以上提到各項影響材料表面重排的因素，找出不同溶液、成膜 溶劑、化學結構與無機奈米粒子如何改變聚胺酯與殼聚醣的表面親水性，進而得 知如何改善材料的表面性質。

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第二章 研究方法

2.1. 研究架構

本 研 究 以 四 種 不 同 的 二 元 醇 (diol) ： 生 物 可 降 解 的 聚 己 內 酯 二 元 醇 (polycaprolactone diol PCL diol)、polyethylene butylene adipate (PEBA) diol、

poly[(R)-3-hydroxybutyrate] (PHB) diol 及 poly(L‐lactide) (PLLA) diol 與異佛爾酮 二 異 氰 酸 酯 (isophorone diisocyanate, IPDI) ， 並 引 入 二 羥 甲 基 丙 酸

(2,2-bis(hydroxymethyl)propionic acid, DMPA)，合成水性生物可降解聚胺酯奈米 粒子。利用該奈米粒子於水中自乳化的現象，均勻分散於水相，然後於玻片上形 buffered saline, PBS)以及培養液 αMEM，隨時間量測其水接觸角之變化，並以紅 外線光譜觀察表面的官能基，以得知軟鏈段之分布。

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選擇上述三種溶液的原因分別如下：自然界最常見的液體環境即為水溶液，

且可得知在沒有其他離子影響的情況下，高分子材料表面重排現象因本身化學、

物理結構不同產生的變化，分別做為控制與操縱變因以利於原因之探討。人體中 各部位的酸鹼度控制機制互有不同，例如血液中是以碳酸(carbonic acid, H2CO3) 和 碳 酸 氫 根 (HCO3-) 作 為 緩 衝 酸 鹼 對 (buffer pair) 。 而 本 實 驗 中 採 用 之 磷 酸

(phosphoric acid, H3PO4)、磷酸氫根(HPO42-)系統則為細胞內液體的主要酸鹼度平 衡機制，故在細胞培養及組織工程等用途上是值得注意的環境條件[61]。培養液 的種類相當繁多，從簡單組成的人類輸卵管液培養液(Human Tubal Fluid, HTF) 到較複雜的 Ham’s F-10、Dulbecco's Modified Eagle's medium (DMEM)、α-MEM 和 NCTC-135 等[62]。但有許多研究指出在 αMEM 中細胞增殖(propagation)較有 效率[63]，例如胚胎(embryo)細胞的培養，胚泡(blastocyst)的形成和後續胚胎的發 展在α-MEM 都比前述幾種培養液要佳。造成此結果的原因可能為較高的谷氨酰 胺(glutamine)含量與抗壞血酸(ascorbic acid)保護胚胎細胞不受損傷[64, 65]。故選 用αMEM 便是著眼於此種培養液在細胞培養中的優勢。

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圖 2-1. 實驗架構圖

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2.2. 水性生物可降解聚胺酯薄膜之製備 2.2.1. 水性生物可降解聚胺酯薄膜之製備

秤量聚己內酯二元醇(polycaprolactone diol, PCL diol)加入四頸瓶中，使反應 系統充滿氮氣後，維持攪拌速率 180 rpm、溫度 70 至 80°C 進行反應。加入催化 劑二 辛酸亞錫 (tin(II)2-ethylhexanoate, T-9)與 異佛爾酮二異氰酸鹽 (isophorone diisocyanate, IPDI)，反應 3 小時。加入二羥甲基丙酸(dimethylolpropionic acid, DMPA)與丁酮(methyl ethyl ketone, MEK)，沖出剩餘氮氣後關閉，反應 1 小時。

降溫至 45°C 以下後，加入三乙醇胺(triethanolamine, TEA)反應 30 分鐘。提高轉 速至 1200 rpm，加入二次蒸餾水乳化反應 2 分鐘，間隔 15 分鐘分兩次加入乙二 胺(ethylenediamine, EDA)，每次反應 30 分鐘。將所合成得到的聚胺酯保存於 4°C 環境中。將上述合成之聚胺酯乳液，取出 300 μL 滴在 1.5 cm 圓形玻片上，以鋁 箔紙覆蓋後置放於常溫下風乾形成薄膜。合成步驟圖示請見圖 2-2.。

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圖 2-2. PCL100 聚胺酯合成步驟圖

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表 2-1. PCL100 聚胺酯配方與比例

試藥名 分子量(g/mol) 莫耳比 重量(g)

PCL diol

2000 0.265 10

IPDI

222.28 1 4.182

DMPA

134.13 0.265 0.669

EDA

60.1 0.404 0.457

TEA

101.19 0.265 0.505

MEK

72.11 3.00

H

2

O

18.02 36

T-9

405.12 0.014

2.2.2. 水性生物可降解聚胺酯薄膜包覆銀奈米粒子之製備

於前述合成之聚胺酯乳液中，加入適量之濃度 125 ppm 銀奈米粒子溶液，使 最終溶液中含有 30 ppm 左右之銀奈米粒子。以超音波水槽震盪 6 分鐘使銀奈米 粒子在乳液中分布均勻後，取出 300 μL 溶液滴在 1.5 cm 圓形玻片上，以鋁箔紙 覆蓋後置於常溫下風乾形成薄膜。

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表 2-2. PCL100 聚胺酯包覆銀奈米粒子薄膜製備之成分比例

PU (mL)

4

Ag NPs 溶液重 (g)

0.28

PU 固含量 (wt%)

30

Ag NPs 濃度 (ppm)

125

PU/Ag 濃度 (ppm)

29.17

2.3. 不同軟鏈段取代之聚胺酯薄膜之製備

將 EB20PCL80、HB20PCL80 和 LL20PCL80 之聚胺酯乳液，取出 300 μL 滴 在 1.5 cm 圓形玻片上，以鋁箔紙覆蓋後置放於常溫下風乾形成薄膜。

2.4. 油性成膜之聚胺酯薄膜之製備

將製備的 PCL100 聚胺酯薄膜以有機溶劑二甲基乙醯胺(Dimethylacetamide,

DMAc)溶解後，稀釋至固含量約 11wt%後黏度降低，始可取出 300 μL 滴在 1.5 cm 圓形玻片上，以鋁箔紙覆蓋後置放於常溫下風乾形成薄膜。

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2.5. 殼聚糖薄膜之製備 2.5.1. 殼聚醣薄膜之製備

將 0.4 mL 的醋酸至於 40 mL 二次去離子水中，形成體積百分濃度 1%的醋 酸溶液，再將 0.4 g 的殼聚醣粉末加入，即可製備出重量百分濃度約 1%之殼聚醣 /醋酸溶液。取出 300 μL 之溶液，滴在 1.5 cm 圓形玻片上，在通風櫥常溫下風乾 1 至 2 天。以濃度 5 N 之氫氧化鈉溶液快速洗過，再以二次去離子水分兩次清洗，

置於通風櫥內即完成殼聚醣薄膜之製備。

表 2-3. 殼聚醣包覆銀奈米粒子薄膜製備之成分比例

殼聚醣 (mL) 4

Ag NPs 溶液重 (g)

0.04

殼聚醣濃度 (vol%) 1

Ag NPs 濃度 (ppm)

125

殼聚醣/Ag 濃度 (ppm) 124.98

2.5.2. 殼聚醣薄膜包覆銀奈米粒子之製備

將前述製備的殼聚醣溶液，加入適量銀奈米粒子溶液使最終溶液中含有 125

ppm 濃度的銀奈米粒子，取出 300 μL 之溶液，滴在 1.5 cm 圓形玻片上，在通風

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櫥常溫下風乾 1 至 2 天。以濃度 5 N 之氫氧化鈉溶液快速洗過，再以二次去離子 水分兩次清洗，置於通風櫥內即完成殼聚醣薄膜包覆銀奈米粒子之製備。

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第三章 實驗結果

3.1. 水性生物可降解聚胺酯與包覆銀奈米子後製成之薄膜 3.1.1. 水性生物可降解聚胺酯與包覆銀奈米粒子後製成之薄膜

以合成之 PCL100 PU 乳液取 300 μL 滴於 1.5 cm 圓形玻片上後靜置兩天，即 可 形 成 外 觀 透 明 之 薄 膜 。 而 加 入 銀 奈 米 粒 子 並 以 超 音 波 水 槽 均 勻 分 散 之

PCL100/Ag PU 乳液(~30 ppm)亦滴於 1.5cm 圓形玻片上後靜置兩天成膜，外觀則 是淡黃色透明狀。同樣浸泡於二次去離子水中 12 或 24 小時，未加入銀奈米粒子 之 PU 薄膜變為白色的現象較為明顯，但在真空乾燥後白色消失恢復透明。

3.1.2. 水接觸角分析

加入銀奈米粒子後的 PU 乳液製成之薄膜，水接觸角上升 2 至 3 度。PCL100 及 PCL100/Ag 薄膜浸泡於二次去離子水中水接觸角隨時間變化如圖 3-1.所示：

兩者的水接觸角皆隨時間增加而下降且減少幅度相近，但 PCL100/Ag 之水接觸 角值都比 PCL100 大。PCL100 及 PCL100/Ag 薄膜浸泡於 PBS 中水接觸角隨時間 變化請見圖 3-2.。初期 PCL100/Ag 之水接觸角值較高，但下降的趨勢較快，故 3 小時後已低於 PCL100 且持續減少。PCL100 的水接觸角在 6 小時前變化不大，

直到 12 小時才有明顯下降。PCL100 和 PCL/Ag 薄膜浸泡於 αMEM 無牛血清之

直到 12 小時才有明顯下降。PCL100 和 PCL/Ag 薄膜浸泡於 αMEM 無牛血清之

在文檔中 水性可降解聚胺酯與殼聚醣薄膜之表面重排現象 (頁 25-0)