一、簡介
兩性團聯共聚物自組織系統（self-assembling system）在生醫材料中,已成為一重要特性 之研究1。兩性團聯共聚物因分子鏈上具有親水性官能基與疏水性團官能基兩種不同性質的 特性,使其在特定濃度之選擇性溶劑中，內部的疏水溶劑鏈段與親水溶劑鏈段向外伸展，形 成核-殼(core-shell)構造的共聚物，即微胞(micelle)。當團聯共聚物於溶液中之濃度很低時，
團聯共聚物以單一鏈形式存在，隨著團聯共聚物濃度增加，高分子鏈開始聚集形成微胞，
此共聚物濃度即為臨界微胞濃度2（critical micelle concentration , CMC）。
Price等人3、4研究PS/PI團聯共聚物在不同系統溫度於有機溶劑中形成微胞，並計算系統 之微胞化標準自由能、標準焓、標準熵皆為負值，且隨著微胞核分子量增加，微胞化標準 自由能及標準焓為較大負值，說明了高分子共聚物於溶劑中微胞化的過程，主要受焓影響。
本研究固定PEG親水鏈段長度，合成一系列不同PLLA疏水鏈段長度之PLLA-PEG -PLLA三 團聯共聚物，利用螢光探針技術探測三團聯共聚物在水溶液中的臨界微胞濃度，探討三團 聯共聚物化學結構之差異對臨界微胞濃度改變的影響。另外，討論三團聯共聚物微胞化過 程之熱力學性質之焓、熵的變化。
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二、實驗方法
2.1 聚合反應
秤取左旋-乳酸單體(L-lactide , Mn=144.13 g/mol)固定 7 克與聚乙二醇（PEG , Mn= 4,000 g/mol）1~6 克，使 PEG 占整個反應系統的莫耳分率為 0.005~0.03，置入乾燥後的三口燒瓶 內，加入0.05 wt﹪(L-lactide 為 100%)辛酸亞錫（stannous octoate）當催化劑，並密封三口 燒瓶。使用真空抽氣油壓機抽氣30 分鐘後，將反應溫度控制在 130℃，聚合反應過程以磁 石連續攪拌反應10 小時後，得到透明塊狀物，待整個反應裝置溫度降至室溫後，開始進行 純化。將20 ml 氯仿加入反應瓶中，持續攪拌待塊狀物完全溶解後，將其滴入溫度為 10oC 之50 ml 正己烷和 10 ml 甲醇的混合溶液，待共聚物析出後過濾，再置入 40oC 之真空烘箱 內，乾燥三天。
2.2 質子核磁共振光譜分析
秤取高分子樣品20 mg 溶解於 0.5 mlCDCl3溶液中，以0.22µm 濾膜過濾高分子溶液。
將質子核磁共振光譜儀（1H-NMR）設定探針溫度為 27℃，以 TMS（tetramethyl silane）作 內標，開始進行偵測並記錄分析光譜圖。
2.3 臨界微胞濃度測量
秤取50 mg 焦油腦（pyrene）加入 1000 ml 去離子水後攪拌 24 小時，以確保形成飽和 焦油腦溶液（6 ×10-7 M）。將飽和焦油腦溶液中未溶解之焦油腦去除，再秤取 20 mg 高分子 樣品加入10 ml 飽和焦油腦溶液，使用超音波震盪器將高分子焦油腦溶液震盪 30 分鐘後，
分別配製 25~45℃之不同濃度高分子焦油腦溶液。由於焦油腦對光具有高敏感特性，所以 將 配 製 完 成 的 溶 液 靜 置 於 無 光 害 環 境 下 ， 待 24 小 時 後 測 定 之 。 使 用 螢 光 光 譜 儀
（Spectrofluorophotometer , 型號 F4500,公司 Perkin-Elmer）測量臨界微胞濃度5。設定螢光 光譜吸收波長（emission wavelength）為 390 nm，激發波長（excitation wavelength）範圍為 300∼360 nm。
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三、理論分析
3.1 團聯共聚物微胞化之熱力學性質分析
兩性分子（amphiphilic molecules）在選擇性溶劑中的濃度高於臨界微胞濃度即形成微 胞。Chu 及 Zhou6已證明高分子鏈段與微胞於平衡時，其處於熱力學觀點上之穩定狀態。
Holtzer7等人推導分子鏈段之微胞化標準自由能。Attwood 及 Florence8等人討論分子鏈段與 微胞間之平衡關係，提出分子鏈段與微胞處於臨界濃度狀態下，可將微胞化之標準自由能
等號右邊第一項為團聯共聚物之界面能，微胞核與溶劑間之界面張力11（interfacial tension , γ）可表示如下：
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將(9)式代入 ζ 方程式(8)式，運用 Newton-Raphson’s method 於不同系統溫度、不同鏈段長度 的共聚物的情況中，求得對應的ζ 值，進而探討 χBS值對不同系統溫度與不同的ζ 值的關係。
又因為計算ζ 值時，所需運算的數學項式較為複雜，故本實驗藉由 Balsara14等人假設微胞 中高分子鏈段佔所有高分子鏈段的分率近乎0.5 時(ζ=0.5)，代入(9)式以及將臨界微胞濃度 換算成高分子對整個系統的體積分率，進而計算χBS值。
3.3 ten Brinke and Hadziioannou 三團聯共聚物理論模型
Balsara 等人14修飾ten Brinke and Hadziioannou 等人15提出三團聯共聚物微胞化理論，
探討親水A 鏈段形成之迴路(loop formation)結構對三團聯共聚物微胞化熱力學參數的影 響。首先，考慮單一微胞有冠狀迴路團鏈（looped coronal blocks）的自由能。再者，考慮 整個系統三團聯共聚形成微胞之自由能（Fmicelle），表示式如下：
式中，Fcore代表微胞核拒斥（exclude）溶劑的拒斥力所產生之彈性變形自由能；Fcorona表示 微胞殼A 鏈段所形成的冠狀結構之自由能，表示式如式(11)；Fint代表介於微胞核與微胞殼
corona F
N
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四、結果與討論
4.1 PLLA-PEG-PLLA 三團聯共聚物之臨界微胞濃度
將 PLLA-PEG-PLLA 三團聯共聚物的組成分析列於 Table 4.1。隨著焦油腦溶液中的共聚 物濃度增加，高分子鏈開始聚集，使得焦油腦的振動帶由334.6 nm 位移至 337.0 nm(如圖 Figure 4.1)，因共聚物在水溶液中聚集成微胞的過程，焦油腦從水環境進入疏水性之微胞核 內，因焦油腦黏度改變，造成轉移的能量改變進一步以二波長強度比I337.0/I334.6之比值改變，
判斷共聚物形成微胞的臨界微胞濃度 16。將三團聯共聚物的濃度取對數後對波長分別在 337.0 nm 與 334.6 nm 的螢光強度比值（I337.0/I334.6）作圖，可得到S 型曲線（sigmoidal curve）， 取其S 型曲線之反曲點17即定義為臨界微胞濃度(如 Figure 4.2 所示)。
配製不同溫度 25~45oC 之三團聯共聚物－焦油腦溶液，並測定其臨界微胞濃度。將各個 共聚物高分子樣品於不同溫度下之臨界微胞濃度列於 Table 4.2 中間欄，發現在相同溫度 下，疏水鏈段愈長之高分子共聚物，其臨界微胞濃度之值愈小，乃因疏水鏈段愈長者，於 水溶液中形成微胞時，疏水鏈段與水間之交互作用力愈大，導致疏水鏈段相互聚集，愈容 易形成微胞。且隨著系統溫度增加，相同分子量之共聚物其臨界微胞濃度隨之增加。
4.2 PLLA-PEG-PLLA 三團聯共聚物微胞熱力學性質探討
將高分子樣品於各溫度之臨界微胞濃度取自然對數（ln CMC）對溫度倒數（T-1）作圖，
利用(2)式計算微胞化標準焓（∆micH°）。微胞化標準熵（∆micS°）由(3)式計算出，並將各狀 態之微胞化熱力學參數列於Table 4.3。觀察 Table 4.3，得知隨著 PLLA-PEG-PLLA 三團聯 共聚物的聚合度提高，微胞化標準焓由-10.67 降至-34.83 kJ/mol。此外，系統之微胞化標準 熵（∆micS°）皆大於零，且隨著疏水鏈段愈長，微胞化標準熵由 0.057 降至 0.0013 kJ/mol．
K，三團聯共聚物形成微胞時，系統有序化程度愈大。由理論加上實驗數據計算得到結果 得知，三團聯共聚物之PLLA 鏈段長度愈長，共聚物微胞化過程中，主要受到焓變化控制。
共聚物之疏水鏈段愈短，水溶液中形成微胞時，主要受到熵變化的影響。
利用（9）式，評估當微胞中高分子鏈佔所有高分子鏈段的分率為 0.5（ζ＝0.5）時，將 臨界微胞濃度換算成高分子對整個系統體積的分率，進而計算微胞核與溶劑間之交互作用 參數(如 Table 4.2 右邊欄所示)，發現隨著 PLLA 鏈段聚合度增加，疏水段與水間親和度降 低，造成微胞核與水間之交互作用參數(χPLLA-water)增加。當 ζ 不為常數 0.5 時，χBS隨溫度變 化較大，可能隨分子量改變較小。
4.3 臨界微胞濃度之理論模型與微胞熱力學性質探討
藉由Leibler 臨界微胞濃度理論，探討微胞核與水間之交互作用參數。因三團聯共聚物 疏/親/疏水鏈段的形態，於共聚物微胞化時，親水鏈段從球狀微胞殼與微胞核之間界面中開 始向外散佈，再回來形成迴路(如 Figure 4.3 所示)。(6)式為雙團聯共聚物微胞化過程中，彈 性變形所產生的自由能(Fd)，但式中並無考慮三團聯共聚物微胞化所產生的迴路效應 (looping effect)，造成(9)式可能高估真實情況中微胞核與水間之交互作用參數。
Figure 4.4 表示三與雙團聯18共聚物之微胞化標準焓與Flory-Huggins 交互作用參數的 關係。圖中顯示兩種團聯共聚物之△micH°值皆隨著微胞核與水間的交互作用參數增加而降
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低，分子間內聚能增大。當三團聯共聚物疏水鏈段較長時，交互作用參數增加，受到迴路 效應的影響愈明顯。隨著兩共聚物之χBS增加，微胞化標準焓的影響愈大，三與雙團聯共聚 物之△micH°值相差較大。
Figure 4.5 為三與雙團聯18共聚物之微胞化標準熵與Flory-Huggins 交互作用參數的關 係。圖中顯示兩種團聯共聚物之△micS°值皆隨著微胞核與水間的交互作用參數增加而降 低，自組織有序度增加。隨著三團聯共聚物的疏水鏈段增加，χPLLA-water 增加，迴路效應亦 增加。比較三與雙團聯共聚物微胞化之熱力學參數，發現隨著團聯共聚物疏水鏈段增加，
三團聯共聚物微胞化時受到迴路效應的影響愈明顯，三與雙團聯共聚物微胞化自組織有序 程度差別也愈大。
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五、結論
根據實驗結果，固定PEG 鏈段長度，發現隨著 PLLA 鏈段長度增加，三團聯共聚物形 成之臨界微胞濃度變小，且隨著系統溫度增加，相同分子量之共聚物其臨界微胞濃度隨之 增加。根據古典微胞熱力學理論，計算得知，三團聯共聚物在 25~45℃溫度範圍中，共聚 物隨著疏水鏈段增加，其微胞化標準焓、熵亦隨之降低。根據Leibler 臨界微胞濃度理論模 型加上實驗數據計算得到結果，發現隨著 PLLA 鏈段長度增加，疏水段與水間的親和度降 低，造成疏水段與水間的交互作用參數增加，分子間的內聚能增大。比較三與雙團聯微胞 化之熱力學參數，隨著兩者的疏水鏈段增加，兩者之微胞化標準熵差別愈大，微胞化自組 織有序程度差別也愈大。三團聯共聚物形成微胞時，親水鏈段形成之迴路結構對微胞自組 織有序程度(ΔmicS°)有影響。
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六、參考文獻
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