第一章 前言
1.2 微脂粒的製備
1.2.3 溶劑分散
溶劑分散法，如圖 1.02b，包括逆相蒸發法(reverse evaporation) 以及溶劑注入法。逆相蒸發法的原理，是先將脂質分子均勻溶解於有
過劇烈混和(如超音波震盪)，形成水包油乳狀物，再將有機溶劑抽乾，
此時，單層脂質會與周圍水相緊密排列，而也有部分會自行形成脂雙 層。之後再復水(rehydration)均勻混和，即形成單層膜之微脂粒。而 溶劑注入法則是先將脂質溶於有機溶劑中，再注入至欲包覆之水相溶 液中，此法可以得到高包覆能力之SUV。
圖 1.02 微脂粒製備之各種方法：(a)在水相環境中之製備方式。(b) 乳化法製備微脂粒之概略示意圖 (Walde and Ichikawa, 2001)。
1.3 影響微脂粒穩定性之因素 1.3.1 溫度
從化學角度而言，脂雙層在水相環境中，經由親疏水性之交互作 用，而形成微脂粒是一種自發性的行為，所形成之微脂粒也相當穩 定。從熱力學角度解釋微脂粒之形成，脂雙層較傾向於水平(flat curvarture，簡稱 c = 0)，需要由外加能量克服脂雙層之彎曲伸縮能 (bending elastic energy)，如溫度等，使得脂雙層捲曲(curve，c ≠ 0)形 成微脂粒，捲曲之過程也逐漸減少脂雙層暴露於水相中之疏水端部 (Yamanaka et al., 1997; Zhao et al., 2006)或在脂雙層接上聚合物，例如 嫁接PEG (Centis and Vermette, 2008)等，以減少微脂粒彼此間接觸之 機會。
圖1.03 微脂粒聚集並進一步融合之示意圖(楊，2000)
化學穩定性方面則是涉及氧化及水解兩種反應，物理穩定性與化 學穩定性均受到溫度顯著的影響。當然，高溫也會增加微脂粒在溶液 中的自主運動行為，進而增加粒子彼此接觸機會；在化學穩定性方 面，高溫也增加了微脂粒的水解及氧化速度。所以通常高溫環境對微 脂粒的保存，是一個需考量的影響因素。
溫度亦會影響微脂粒所形成之脂雙層的流動性，各種不同磷脂 質分子都有一特定之相轉換溫度(phase transition temperature)（表 1.02）。顧名思義，相轉換即由磷脂質分子所組成之脂雙層從排列緊 密且規則之凝膠相(solid gel)，轉變為排列鬆散之液晶相(liquid crystal)
（如圖 1.04）。不論選用何種製備方法製備微脂粒，其中最需確定的 即是在相轉換溫度以上進行微脂粒的製備，如此的脂雙層較具流動 性，適合進一步的操作。
表1.02 各種磷脂質之相轉換溫度(Walde and Ichikawa,2001)
圖 1.04 脂雙層相轉換溫度以下(右圖)及以上(左圖)時，脂雙層之狀 態示意圖(Walde and Ichikawa, 2001)。
1.3.2 pH
pH 值影響水解速率，也進一步影響到微脂粒之化學穩定性。溶 液 pH 值 會 影 響 微 脂 粒 的 物 理 穩 定 性 ， 酸 性 環 境 會 促 進 由 phosphatidylethanolamine 此種磷脂質所形成之微脂粒的融合速率 (Connor et al., 1984)，促使 liposome 之包覆物之釋出，如圖 1.05 (Shin et al., 2003)。
另外，溶液 pH 值可能會影響親水頭基的電性，當溶液 pH 呈中 性時，頭基電性如表1.03 所示(Nelson and Cox, 2005)，而磷脂質通名 為 phosphatidyl-X ， 其 中 X 為 其 頭 基 之 化 學 名 稱 ， 例 phosphatidylcholine，則其頭基之化學名稱為 choline；相反的，若頭 基化學名稱為 serine，則磷脂質之名稱則為 phosphatidylserine。微脂 粒的操作環境一般選用偏中性之緩衝溶液做為溶劑，以避免pH 值改 變造成微脂粒之不穩定現象。
圖 1.05 微脂粒在酸性環境中所發生包覆物流失之情形(Shin et al., 2003)
表1.03 磷脂質結構命名與頭基電性(Nelson and Cox, 2005)
1.3.3 膽固醇
固醇類(sterol)在天然脂質中是相當重要的一個組成成分，當添加 於脂雙層中，會對脂雙層產生重大的改變，針對該項議題，目前已有 很多文獻進行了相關研究。在一般的哺乳動物之細胞膜上，可發現膽 固醇的嵌入(Jamieson and Robinson, 1977)，所以在模擬細胞時，均會 選用膽固醇做為脂雙層添加物（如圖 1.05）。文獻指出添加入膽固醇 會使得脂雙層中脂質分子排列緊密；若在微脂粒中添加膽固醇，則會 減少包覆物的洩漏(Raffy and Teissie, 1999)；而且添加膽固醇可以提 高脂雙層相轉換溫度，脂雙層韌度亦因而提升(Labelle and Racker, 1977)。
圖1.06 膽固醇嵌入脂雙層之示意圖(Raffy and Teissie, 1999)
1.4 多孔性材料介紹
多孔性材料具有高孔隙度與高比表面積特性，是為一個重要的材 料族群，早期大多以微孔徑沸石為主，依洞口直徑分為小微孔(~4Å)，
例如，A、erionite 沸石，中微孔(5~6 Å)，例如，ZSM-5 沸石，及大 微孔 (7~8 Å)，例如，Faujasite(包括Ｘ及Ｙ)、mordenite、β 沸石等。
其主要用途取決於其微孔孔徑，侷限於小分子之處理與催化反應，包 括吸附分離與異構化、加氫、脫氫與裂解等石油煉製程序之催化反 應。1990 年代以來，在過去短短的十幾年中，科學家們成功合成許 多新型複雜結構中孔分子篩材料，大幅開拓分子篩的應用性，形成一 個重要研究領域。IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)於 1992 年將多孔性材料依照孔洞直徑大小分成微孔洞 (microporous)、中孔洞(mesoporous)與巨孔洞(macroporous)等三類(表 1.03)，分別為小於 2 nm，2 ~ 50 nm 與大於 50 nm，
表1.04 孔洞材料分類(IUPAC, 1992)
1.4.1 MCM-41 的介紹
1992年Mobil Oil公司研究員Beck等人在Nature雜誌上首次發表 利用陽離子型的四級銨鹽界面活性劑(Cetylammonium bromide，
CTAB)作為模板，與帶負電荷矽酸鹽結合，成功地合成出新型中孔徑 分子篩MCM-41(Kresge et al., 1992)，具有可調式孔徑(1.5 ~ 10 nm)、
高表面積(~ 1000 m2/g)等優點(Yanagaisawa et al., 1988; Dailey and Pinnavaia, 1992; Vaughan, 1998 )。
1.4.2 微胞自組裝
MCM-41的合成機制，如圖1.08 (Vartuli et al., 1998)，當界面活性 劑分子濃度突破CMC2時，形成一個六角規則性排列的微胞，繼之加 入無機矽源，在水中經過水解後，形成帶負電的氧化矽陰離子，氧化 矽陰離子和微胞帶正電之親水頭基產生吸引，氧化矽進而聚合形成 MCM-41結構。隨後經由煅燒(calcination)等程序去除有機模板，形成 一個規則多孔性氧化矽結構。
1.4.3
M41S 族
圖 1.07 的主要概念是為了描述在固定溫度下，逐漸增加界面活 性劑濃度，所產生之不同結構之微胞，所以由圖中 1.07 可見，當界 面活性劑分子突破CMC2 形成了六角柱狀之微胞，當濃度持續增加，
則微胞將分別開始出現立方體結構(cubic)、層狀結構(lamellar)，這時 利用 MCM-41 的合成概念，即利用帶正電之模板和經水解後帶負電 之 氧 化 矽 互 相 吸 引 後 自 組 裝 ， 分 別 形 成 之 介 孔 氧 化 矽 材 料 MCM-48(圖 1.09b)、MCM-50(圖 1.09c)，包含 MCM-41(圖 1.09a)，合 稱M41S 族，如圖 1.09 (Ying et al., 1999)。
圖1.07 微胞相圖
(atom.physics.calpoly.edu/~jfernsler/Research/Biophysics/BiophysResear ch.html)
圖1.08 MCM-41 組裝機制(Kresge et al., 1992)
圖1.09 M41S 結構圖(Ying et al., 1999)
1.5 MCM-41用途
MCM-41具有高表面積、規則性孔洞形狀、狹窄的孔洞大小分 佈、大孔體積和可調整孔洞尺寸，高熱穩定性、高化學與機械穩定性 等優良性質，具有許多重要的應用，例如，分子吸附和分離、離子交 換、催化反應和分子模板等。
1.5.1催化應用
近年來隨著綠色觀念的推廣、環保意識與永續生存發展概念的興 起，傳統當量化學和均相催化製程的用途造成一些限制(如費用、分 離、廢物處置等)。異相催化可在液相或氣相中進行操作，具有分離 簡單、觸媒回收容易及多次使用、減少廢棄物產生等好處(Selvam et al., 2001)。
1.5.2介孔材料載體用途
MCM-41的高密度表面羥基提供某些活性基，用來嫁接或固定 均相催化劑(如有機物、無機複合體和有機金屬)。可以採用後合成(post synthesis)和共凝聚(co-condensation)二種方法將有機功能化合物嫁接 到MCM-41管壁，該等方法可將催化活性點進行分子級的分散，形成 所謂的異質化(heterogenization)均相催化劑。將活性點固定在孔洞 內，限制反應在孔洞內發生，藉由中孔內的空間制約反應劑在活性點
選擇性(Maschmeyer et al., 1995; Kim and Shin, 1999)。
中孔材料在科學研究和實際應用備受矚目，Vinu等人針對中孔材 料當做載體做了回顧探討(Vinu et al., 2006)，傳統上，中孔材料當做 模板製備不同的中孔金屬氧化物，如TiO2、Ta2O5、Nb2O5、ZrO2、Al2O3 和V2O5等，亦可以利用carbon nanocage及中孔碳氮化物等做為硬模 板，以拓印方式製備成其他中孔材料。另外發展的元素取代法可以將 -CH2SH的孔洞表面用來吸附大量的汞；利用含有ethylenediamine的官 能基修飾後的中孔洞分子篩與Cu2+配位，可分離水中的陰離子氯化物 (Glen et al., 1999)。
1.6 文獻回顧
1.6.1微脂粒和微胞之轉換(vesicle-to-micelle transition)
磷脂質與界面活性劑皆為兩性物質(amphiphiles)，此兩類化合物 在水相環境中均會藉由親疏水性質的作用原理進行自組裝。依照文獻 中所提，自組裝後分子可以概略分為微胞、脂雙層(bilayer)與泡囊狀 微脂粒(vesicle)等三種型態，其中脂雙層由於仍舊會將疏水端暴露於 水相環境中，所以將會進一步包覆成泡囊狀微脂粒的型態。其中微胞 又可以有球型、桿型等不同型狀，一般常用「堆疊參數」預測磷脂質 或界面活性劑分子組裝後之結構（如表1.05）。
表 1.05 堆疊參數（Stuart and Boekema, 2007）
堆疊參數定義為P = v/a0l，其中v為疏水尾之體積，a0為截面積，l 則為疏水尾之長度。此公式計算出各種界面活性劑之堆疊參數後，藉 由表1.05可以預測組裝後的結構。以大多數磷脂質為例，其堆疊參數 大約介在1/2 ~ 1之間，所以組裝後的的型態可能為平板雙層(planar bilayer)或泡囊狀微脂粒(vesicle)；而大多數的界面活性劑分子之堆疊 參數為1/2以下，以球型(spherical micelle)與蟲狀(wormlike micelle)微 胞等型狀為主。
當微脂粒與界面活性劑兩者共存於水溶液中時，兩者之間會產生 交互作用，競爭過程可以分成以下三個主要階段(圖1.09，1.10):
1. 在CMC以下時，界面活性劑分子嵌入(incorporated)微脂粒脂雙 層結構中，成為泡囊狀微脂粒脂雙層結構，隨著界面活性劑濃 主，如圖1.09(F)；圖1.10 Liposome + mixed micelles區。
3. 超過CMC時，微脂粒脂雙層結構全部被界面活性劑破壞，形成 界面活性劑微胞，磷脂質分子嵌入界面活性劑微胞之中，如圖 1.09(G)；圖1.10 mixed micelles區。
另外圖1.11描述了整個微脂粒和微胞轉換過程中，磷脂質之濃 度和界面活性劑濃度之關係，也就意味著吾人可以利用圖中三條線
A. 在固定微脂粒濃度之情況下逐漸增加界面活性劑之情況
B. 將界面活性劑濃度固定於較高之濃度之情況下逐漸增加微脂 粒濃度之情況
C. 將界面活性劑濃度固定於較低之濃度之情況下逐漸增加微脂 粒濃度之情況
A線所要描述之情況已在前面介紹過，而B線則是代表當在高濃度 界面活性劑下，逐漸增加微脂粒之濃度，仍屬與mixed micelle區 域；而C線代表在較低之界活性劑濃度下，微脂粒濃度增加時，將 會進入liposome + mixed micelle區域。若比較B線及C線，吾人可以 如此解讀：由mixed micelle區域進入liposome + mixed micelle區域，
較高之界面活性劑濃度所需之微脂粒濃度範圍相對於較低之界面 活性劑濃度下來的廣。
圖 1.10 磷脂質和界面活性劑之泡囊狀微脂粒結構與微胞轉換過程 (Garidel and Lasch, 2006)
圖 1.11 不同磷脂質分子與界面活性劑分子濃度對應產生微胞或泡囊