藥物分子大小對聚(乙烯醇-苯乙烯磺酸鈉)水膠中通透的影響
作者曾志新、胡孝光
國立台灣科技大學 纖維及高分子工程技術研究所 E-mail : [email protected] Fax : (02)2737-6544
摘要
本專題之研究目的在 分析不同的溶質在聚(乙烯 醇-苯乙烯磺酸鈉)水膠膜 中的擴散行為。2 個 L 型擴 散槽組合成 U 型擴散裝置，
紀錄時間與溶質通過累積 量做圖，求得擴散係數、滲 透係數、溶解度、繞曲度。
實驗結果顯示，滲透係數、
溶解度、繞曲度隨著通透藥 物分子大小增加而增加。擴 散係數、繞曲度隨著水膠膜 的孔隙度增加分別增加、減 少，與自由體積理論預測 符合。
一、前言
水膠是吸水量最高的 三維網路親水性高分子，
吸水量至少高於 20%總重 量。他的特性之一是吸水膨 潤性伴以體積變化，而膨 潤受交聯密度與高分子鏈 本質影響。
關於 PVA 的接枝共聚 物 已 被 廣 泛 的 研 究 ， 如 Hsiue 等人1則將 PVA 接上 butylacrylate 此種疏水性單 體，使其對尿素具有良好 的滲透性。Nonaka 等人2使 用 KPS 為 起 始 劑 ， 將 N- isopropylacrylamide(NIPAA m)與 PVA 接枝共聚合，以 鋰 (lithium) 離 子 和 methylene blue 進 行 滲 透 (permeation)試驗，結果發 現溶質的滲透率在溫度從 30℃升溫至 40℃時會明顯 的下降。Masaro 等人3使用 自由體積理論，分析溶質 PEG 在 PVA 膜中自身擴散 係數和 D0/D 跟含水率的關
係。Krajewska 等人4利用 一系列不同分子半徑的溶 質 ， 在 不 同 交 聯 度 的 Chitosan 中 擴 散 係 數 和 滲 透係數，計算孔洞半徑、溶 解度。Brown 等人5在以不 同溶質的分子大小、濃度，
在 不 同 含 水 率 polyacrylamide 中擴散得到，
D0/D 反映出高分子水膠與 溶質間的交互作用有關。
本 研 究 藉 由 穩 態 法 (steady-state method) 與 時 間 滯 留 法 (time lag method)，推算出擴散係數 (diffusivity) 、 滲 透 係 數 (permeability) 與 繞 曲 度 (tortuosity)，以繞曲度加上 水膠自由體積理論來觀察 藥物分子大小、擴散速率和 平衡含水率對 PVA-g-SSS 水膠的通透行為的影響。
二、實驗方法 2-1 材料的製備 2-1-1 水 膠 共 聚 物 之 製 備
固 定 聚 乙 烯 醇 (PVA)(東京化成，聚合 度＝2000±50 量為 2g，
苯 乙 烯 磺 酸 鈉 (SSS) (Wako ， 分 子 量 ＝ 206.2g/mol) 使 SSS/PVA 之 餵 入 比 0.5(S-1) 和 0.75(S-2)，將其置於錐 形瓶中，加入 5ml 濃硝 酸 ( 林 純 藥 ， 62 )﹪ 及 200ml 去 離 子 水 (deionized water)，在氮 氣下升溫至 60℃後，加 入 0.2g 的 ammonium cerium(IV) sulfate dihydrate(Ferak ，
(NH4)Ce(SO4)4˙H2O，分 子 量 ＝ 632.58 g/mol) ， 反 應 35 小時後冷卻至 室溫。加入丙酮 300ml 於溶液中並徐徐攪拌，
此時溶液中產生白色凝 膠。將凝膠取出後以丙 酮 洗 滌 數 次 後 ， 製 入 30℃真空烘箱烘乾。以 1g 乾燥高分子/20ml 的 DMSO(dimethyl sulfoxide) 之 比 例 於 60℃下溶解後，倒入培 養 皿 中 置 於 40℃ 真 空 烘箱烘乾。
2-1-2 檢量曲線之標定 取以知重量之苯乙烯 磺 酸 鈉 ( 分 子 量 為 206.2g/mol) 以 100ml 的 DMSO 配製成溶液，取 1 至 1.8ml 等 溶 液 ， 分 別將其稀釋至 100ml 配 製成一系列的標準液，
使用紫外光可見光譜，
測定其在波長 273nm 處 之吸收度，以不同濃度 之苯乙烯磺酸鈉標準液 所測得之吸收度做成吸 收度高度對濃度之檢量 線。稱取不同餵入比之 乾燥高分子溶於 DMSO 中，以紫外光可見光光 譜儀測定其在 273nm 處 之吸收度，換算出 SSS 的濃度。
2-2 平衡膨潤測定 將製備好的水膠膜 製 於 25℃ 恆 溫 水 槽 內 ， 8 小時後在天平稱重，
然 後 放 入 40℃ 的 真 空 烘箱，經 48 小時(經此 段時間重量已達一恆定
平 衡值 )後 取出 樣品稱 重，以水膠吸收的水重 量對水膠總重的比值，
此即為水膠之平衡吸水 率。
2-3 溶質擴散實驗 取兩個 L 型體積之 圓柱玻璃器，組合成 U 型 擴 散 裝 置 (diffusion cell)，將水膠膜裁成約 3×3cm2置於擴散裝置中，
取已知濃度之藥物溶液 250ml 注 於 donor side，250ml 純溶劑(水) 注 於 receptor side ， 並 加入磁石(stir)攪拌，溫 度保持在 30℃。在擴散 過 程 中 ， 取 receptor side 之 溶 液 ， 在 uv-vis 光譜儀中，分析其濃度 在將其轉換為溶質通量 (mass flux)。
三、結果與討論
3-1 藥 物 分 子 對 PVA-g- SSS 水膠擴散係數、滲透 係數、溶解度的影響
以紀錄時間與溶質通 過累積量作圖 (如圖 1)，
並將圖形外插到時間軸，
已得到延遲時間 (t1)，由 下 式 求 得 擴 散 係 數 (diffusion
coefficient，D)：
t1 ＝ l2 / 6D ………
………. (3.1) 式中： l＝膜厚度； D＝
擴散係數。
圖1 中穩定狀態之直線部 分，經下列計算得滲透係 數 (permeability coefficient，P)：
A l C dM dt
P
0
…
………...(3.2)
式中： A = 有效之擴散面 積 ； C0 = donor side 之溶質濃度；
dM/dt = 穩 定 時 ， 單位時間之質量輸 送量，圖形中，直 線部分斜率 ；l = 膜厚度。
並經由下式，可得到溶質 在水膠之溶解度 (solubility，S):
S＝
P/D………
………(3.3) 經(3.2)(3.3)計算結果列於 表 1。由表 1 得知，滲透係 數和溶解度隨著藥物分子 量增加而提高，乃因藥物 分子越小則在水膠網目中 停留的時間越短，藥物分 子越容易通透。
3-2 藥物在孔洞擴散模式 設膜內孔洞為穿透性 孔洞，藥物分子於膜內的 擴散係數(D)：
D = D0 × ( ε/τ )
………..
(3.4)
式中： D0 =藥物在水溶液 中 擴 散 係 數 ； ε = 孔 隙 度 ； τ = 繞曲 度(totaosity)。
計算結果列於表 2。由表 2 得知，孔隙度増大，其τ 減少，乃因孔洞増大水膠 含水率上升，藥物在膜內 碰撞水膠高分子鏈機會減 少，繞行路徑較短。利用 ethyl benzene 的 D0值6， 進而求得苯甲酸的 S-1 水
膠中的 τ 值約 57.2。以咖啡 因和 苯甲 酸在 S-1 水膠 τ 值比較，孔隙固定，τ 隨 著藥物分子直徑増大而增 加 ， 根 據(3.4) 加 上自 由 體積理論得知:
ln ln b
D D
o
式中： b=常數，但溶質 分子越大，b 越大。
exp b
…………….(3.5)
τ、ε 與分子大小關係和水 膠自由體積理論預測符合。
四、結論
在相同 PVA-g-SSS 水膠下，
滲透係數和溶解度隨著藥 物分子量的增加而增加，
而擴散係數卻相反，得知 藥物的通透是由溶解度所 控制；繞曲度則隨著藥物 分子直徑的增加而提高。
改變 PVA-g-SSS 水膠孔隙 大小，咖啡因的繞曲度隨 著水膠孔隙率增加而減少，
換言之繞曲度隨著水膠含 水率增加而減少。
五、參考文獻
1.G.H.Hsiue, Y.S.Yang and J.F.Kuo, J.Appl. Polm.
Sci., 34,2187(1987)
2.T.Nonaka, T.Ogata and S.Kurihara,
J.Appl.Polym. Sci., 52,951,(1994)
3.L.Masaro, X.X.Zhu and P.M.Macdonald,J.Polym.
Sci.,
B,Polym.Phys.37,2396(19 99)
4.B.Krajewska and A.Olech, Polymer Gels Netw., 15,33(1995) 5.W.Brown and
R.M.Johnsen,Polymer,22,18 5(1981)
6.R.C.Reid,J.M.Prausnitz and B.E.Poling, The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, p.610(1987)
表1.不同擴散物在聚(乙烯醇- 苯乙烯磺酸鈉)水膠 S-1 30℃
之滯留時間(t1)、滲透係數 (P)、溶解度(S)
擴散物 分子量(g/mole) t1 (min)
苯甲酸 122 12.07
維他命K3 172 54.76
咖啡因 194 61.74
表2.咖啡因在不同比例聚(乙烯 醇-苯乙烯磺酸鈉)水膠 30℃之 孔隙度(ε)、擴散係數(D)、滲透 係數(P)、溶解度(S)、繞曲度(τ)
ε D×108(cm2/s) P×10 S-1 0.6503 1.7997 4.9777 S-2 0.6746 3.0760 4.3227
* D0=6.54×10-6(cm2/s)
圖1.不同藥物在聚(乙烯醇-苯乙烯 磺酸鈉)水膠 S-1 30℃之滲透
圖2. 在聚(乙烯醇-苯乙烯磺酸鈉) 水膠S-1 30℃之擴散係數對分子量 關係
