國立臺灣大學工學院化學工程學研究所 碩士論文
Department of Chemical Engineering College of Engineering
National Taiwan University Master Thesis
利用超臨界二氧化碳製備生物可分解之溫度/pH 敏感性核殼共聚物
Synthesis of Biodegradable Thermo/pH-Sensitive Core-Shell Copolymer in Supercritical CO
2陳志清 Chi-Ching Chen
指導教授：陳延平 博士 Advisor: Yan-Ping Chen, Ph.D.
中華民國 98 年 7 月
誌謝
首先感謝陳延平 老師，在我剛進入台大手足無措地找教授時願意收我，並且 給予悉心的關懷與指導，在這兩年裡，老師會在日常生活上和我們開懷暢談，無 形中拉近了師生間的距離，同時也不斷地改善實驗室環境，讓我們能在舒適的環 境中工作，在研究上更是常常耐心的與我們討論，適時地給予方向，並且提供了 充足的資源，讓我們能專心進行實驗，不必擔心藥品或設備的問題，順利地完成 碩士論文研究。在此學生獻上最誠摯的祝福，希望老師永遠健康開朗，一帆風順！
接著感謝口試委員陳文章 所長 和邱文英 教授，給予寶貴的意見。感謝蘇至 善大學長、宗勤學長和兆萱學姐很熱情地照顧我，讓我能夠很快熟悉環境，雖然 進實驗室沒多久他們就畢業了，但從他們身上所學到很多。當然還要感謝陪我們 一年的柏青、豐年學長和淑鈺學姐，學姐和蘇大學長天天鬥嘴，為我們實驗室帶 來許多的歡樂，柏青豐年這兩位帥哥更是幽默風趣，而他們在實驗經驗上的傳承 也是讓我們受用無窮，在他們畢業後我們還會不時的去請教，真的很感謝他們！
接著要感謝陪伴我兩年的彥銘學長，還有我親愛的同學們，炳震、耀鈞和司豪，
彥銘學長很熱心，不過說起他的感情史真是讓我們嘖嘖稱奇阿，真多虧有他，讓 我們的話題源源不絕，學長加油，謝謝你啊！而炳震可說是我們的門神，都是他 在幫我們開門的，哈，做事認真謹慎，這就是他了。耀鈞這位仁兄是我們的壯哥，
奇怪的經驗特別豐富，例如吃青蛙啊，還有其他的我不好意思說^^！司豪也是塊 寶，常常讓我們捧腹大笑，會在大家緊張的時候帶我們去陽明山熬夜，隔天搞得 更緊張，他也很會嗆人，但轉頭就變回卒仔，哈！還有可愛的學妹們，房子、柯 柯、绣惠、瓊芸、彩霞，真得很感謝你們，讓我的研究生活過得這麼開心！
最後感謝我的父母，多謝他們無微不至的照顧和付出，讓我在學習路途上無 憂無慮，才會造就今天的我。我好愛你們，以後就換我照顧你們啦！還有舅舅、
二姨、姊姊、姊夫和我的兄弟同學們，以及所有教導過我的人，希望你們永遠健 康快樂！ 感謝大家！
摘要
智慧型高分子目前被廣泛的應用於各個研究領域，其中 pH 值敏感性及溫度敏 感性材料可應用於藥物控制釋放和生物科技材料上，此材料本身如果具備生物可 分解性，將更增加其應用價值，本研究選擇之溫度敏感性材料
poly[(2-(2-methoxyethoxy)ethyl methacrylate)-co-(oligo(ethylene glycol) methacrylate)]
[P(MEO2MA-co-OEGMA)]和 pH 值敏感性材料
[(polydimethylsiloxane)-g-(polyacrylate)] (PDSM-g-PAA)皆具有相當好的生物可分 解性，而且此溫度敏感性材料可藉由改變組成調整低臨界溶解溫度(lower critical solution temperature, LCST)值，增加材料的應用性。一般合成方法所使用的有機溶 劑、觸媒和起始劑對於環境有較大的衝擊性，並且會造成後續產物分離程序上的 困難，因此本研究利用超臨界二氧化碳技術進行此溫度敏感性材料的合成，並進 一步加入pH 值敏感性材料與其交聯，提高材料之功能性。
本研究結果顯示在超臨界二氧化碳系統下的確可以合成此溫度敏感性材料，
並且經由UV 分析後，確認此材料可藉由組成不同而改變 LCST 值。在進一步加入 pH 值敏感性材料後，也可由 FTIR、TGA、TEM、UV 等儀器分析以及膨潤度(swelling ratio)測試，確認兩材料的確有產生交聯，結構上具有 core-shell 的型態，並且敏感 性顯示在溫度35℃以上和 pH 值 7 以上會產生明顯的狀態變化；製程上，亦可經 由簡單的洩壓得到乾燥的產物，簡化分離程序，同時有機溶劑的使用量大幅減少，
有效降低對環境的汙染性。另一方面，本研究亦針對操作參數對於產物分結構、
粒徑大小、顆粒分散性以及對溫度和pH 值的敏感性進行分析，決定最佳的操作條 件為壓力300bar，溫度 100℃，反應時間 4 小時，反應物組成為 60wt%的
PDMS-g-PAA。從 SEM 圖中觀察到原本不規則片狀的 PDMS-g-PAA 顆粒經由此反 應程序可合成接近球狀的(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)，進一步利用 imageJ 軟體分析圖中顆粒大小後，發現 PDMS-g-PAA 原始粒徑為 11μm，反應後產
物粒徑最小可降至0.15μm。
關鍵字：超臨界二氧化碳、pH 值敏感性、溫度敏感性、水凝膠、核殼共聚物。
Abstract
The supercritical carbon dioxide is applied in this research to synthesize the temperature/pH value sensitive biodegradable core-shell smart copolymer materials.
Supercritical fluid technology has the advantages of reducing significantly the amount of solvent in traditional process. It can also avoid the oxidation of initiators, and simplify the following separation steps. The dry products can be obtained after depressurization and the desired smart copolymer material is used for the controlled release of drugs, or the phase separation for protein recovery.
In this study, poly[(2-(2-methoxyethoxy)ethyl methacrylate)-co-(oligo(ethylene glycol) methacrylate)] [P(MEO2MA-co-OEGMA)] with great temperature-sensitive properties was synthesized by polymerization reaction in the medium of supercritical carbon dioxide (scCO2). Its LCST (lower critical solution temperature) value was changed by adjusting the compositions of monomers. Furthermore, the copolymers with fine temperature- and pH-sensitive properties have been obtained through the single step supercritical carbon dioxide chemical reaction process for the polymerization of temperature-sensitive material and cross-linking with the
[(polydimethylsiloxane)-graft-(polyacrylate)] (PDMS-g-PAA). The particles transform between swelling and shrinking with the temperature and pH value limits of 35℃and 7, respectively. The core-shell structure was observed by TEM images. The characteristics of the products were examined using UV, FTIR, TGA, SEM, and swelling ratio
analysis.
The optimal process parameters in the synthesis of smart core-shell copolymers were reported in this study. The particles with great pH/T-sensitive properties, smaller average particle size and size distribution were obtained at the following operating
condition: T=100℃, P=300bar, Reaction Time=4hr, Reactants composition=60wt%
PDMS-g-PAA. From SEM images and the analysis of image J software, we observed the morphology of original PDMS-g-PAA particle was amorphous with an
approximately particle size = 11μm . After reaction process, the grafted copolymer particle became globular shape. The particle size was reduced to 0.15μm.
Keywords: supercritical carbon dioxide, pH-sensitive, temperature-sensitive, hydrogel, core-shell, smart-material, LCST
目錄
口試委員審定書 I
誌謝 II 中文摘要 III 英文摘要 V 目錄 VII 圖目錄 X 表目錄 XIV 第一章 緒論 1 1-1 超臨界流體(Supercritical Fulid, SCF)的簡介 1
1-2 超臨界流體反應(SCF Reaction)的簡介 2
1-2-1 超臨界流體反應的應用 3
第二章 文獻回顧 6 2-1 複合材料的簡介 6 2-1-1 智慧型複合材料的介紹 7
2-1-2智慧型複合材料的合成方法 7 2-1-3智慧型材料在藥物控制釋放和生物蛋白質技術上的應用 9
2-2溫度敏感性材料的簡介 11
2-2-1 替代性溫度敏感性材料的介紹 12
2-3 pH值敏感性材料的簡介 14 2-3-1pH值敏感性材料的種類 14 2-3-2pH值敏感性材料的優點 15
2-4 pH 值及溫度敏感性材料的共聚物介紹 16
2-5 研究目的 17 第三章 實驗方法與步驟 20
3-1 實驗藥品與儀器 20 3-1-1 實驗藥品 20 3-1-2 實驗儀器 22 3-1-3 實驗分析儀器 22
3-2 實驗裝置 25 3-3 實驗步驟 26 3-3-1 溫度敏感性材料 P(MEO2MA-co-OEGMA)的合成實驗 26
3-3-2 pH 值敏感性和溫度敏感性共聚物 27 (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)的合成實驗
3-4 分析方法 29 3-4-1 結構分析 29 3-4-2 外觀形狀及顆粒大小分析 29
3-4-3 溫度敏感性及 pH 值敏感性分析 30
3-4-4 產物回收率計算 32
第四章 實驗結果與討論 33 4-1 利用超臨界二氧化碳合成 Poly(MEO2MA-co-OEGMA)的結果與討論 33
4-1-1 反應機制與結構變化的討論 33 4-1-2 Poly(MEO2MA-co-OEGMA)的 FTIR 分析 34
4-1-3 Poly(MEO2MA-co-OEGMA)的溫度敏感性分析 35
4-1-4 Poly(MEO2MA-co-OEGMA)的裂解溫度和含水性分析 38
4-2 利用超臨界二氧化碳合成(PDMS-g-PAA)-g- 38 P(MEO2MA-co-OEGMA)的結果與討論
4-2-1 交聯反應機制與結構變化的討論 39 4-2-2 (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)的 FTIR 分析 39
4-2-3 (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)的 TGA 分析 40 4-2-4 (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)的 TEM 分析 41 4-2-5 (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)的溫度敏感性分析 42 4-2-6 (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)的 pH 值敏感性分析 43 4-3 實驗參數對(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)性質的影響 43
4-3-1 反應溫度的影響 43 4-3-2 反應壓力的影響 46 4-3-3 反應時間的影響 47 4-3-4 反應物組成的影響 49
第五章 結論 52 參考文獻 99
圖目錄
Fig. 2-1 Smart polymer undergoes large, abrupt physical and chemical changes in response to a small change in an environmental condition
54
Fig. 2-2 Depiction of sphere formation by solvent evaporation. A solvent- polymer droplet disperses inside the continuous phase forming solvent-polymer spheres; the sphere hardens as the organic solvent evaporates
55
Fig. 2-3 Conjugation of smart (stimuli-responsive) polymers to biomolecules 56 Fig. 2-4 The bioprocess of phase separations for protein recovery by using
enzyme-polymer
56
Fig. 2-5 Site-specific conjugates of smart polymers and genetically-engineered proteins can act as “on-off” molecular switches
57
Fig. 2-6 The responses of temperature-sensitive polymer 57 Fig. 2-7 The reaction scheme of P(MEO2MA-co-OEGMA) from reference 58 Fig. 2-8 Proposed mechanism for the temperature-induced phase transition for
copolymers P(MEO2MA-co-OEGMA) in aqueous solution
59
Fig. 2-9 Molecular structures of various oligo(ethylene glycol) methacrylates Hydrophobic and hydrophilic molecular regions are indicated from left to right, respectively
59
Fig. 2-10 Plots of the measured lower critical solution temperature (LCST) as a function of the theoretical average number of OEGMA475 units per chain for a series of P(MEO2MA-co-OEGMA) copolymers of various compositions
60
Fig. 2-11 The molecular structure of PDMS-g-PAA 60 Fig. 2-12 The phase transition diagram in different condition for pH- and
temperature-sensitive copolymer
61
Fig. 2-13 The effect of environmental condition on core-shell structure 62 Fig. 3-1 Schematic diagram of the experimental apparatus 63 Fig. 3-2 Schematic diagram for the preparation of P(MEO2MA-co-OEGMA) 64 Fig. 3-3 Schematic diagram for the preparation of
(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)
65
Fig. 4-1 Schematic diagram for the polymerization of P(MEO2MA-co-OEGMA) in scCO2
66
Fig. 4-2 IR spectra of monomers 67 Fig. 4-3 IR spectra of P(MEO2MA-co-OEGMA) with 10 mole% OEGMA 67 Fig. 4-4 The phase transition of P(MEO2MA-co-OEGMA) water solution, 10
mole% OEGMA
68
Fig. 4-5 Comparison of the heating and cooling process at 665 nm observed for the temperature-sensitive property of P(MEO2MA-co-OEGMA) water solution with 10 mole% OEGMA
68
Fig. 4-6 The effect of solution concentration of P(MEO2MA-co-OEGMA) on temperature-sensitive property
69
Fig. 4-7 The effect of reactants compositions on LCST 69 Fig. 4-8 Comparison of experimental data in this study with the ideal LCST
regression line
70
Fig. 4-9 The UV analysis for the effect of reaction time on temperature-sensitive property
71
Fig. 4-10 Thermogravimetric curves of P(MEO2MA-co-OEGMA) which have 5 mole% OEGMA in different isothermal times at T = 100 ℃
72
Fig. 4-11 Schematic diagram for crosslinking reaction of
(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) in scCO2
73
Fig. 4-12 IR spectra of PDMS-g-PAA 74 Fig. 4-13 The IR spectra of (1) PDMS-g-PAA, (2) P(MEO2MA-co-OEGMA),
(3) (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)
74
Fig. 4-14 The IR spectra of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) with different contents of PDMS-g-PAA
75
Fig. 4-15 Thermogravimetric curves of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co- OEGMA) with different compositions (wt%) of PDMS-g-PAA
75
Fig. 4-16 The TEM images of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) 76 Fig. 4-17 The UV curves of the solution of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-
OEGMA) with 30 wt% PDMS-g-PAA at different temperatures
77
Fig. 4-18 Determine the LCST value of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co- OEGMA) with 30 wt% PDMS-g-PAA by UV analysis at 191 nm
77
Fig. 4-19 Schematic illustration of the relationship between absorbance and temperature
78
Fig. 4-20 The swelling ratio tests for (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co- OEGMA) in buffer solutions with various pH values
79
Fig. 4-21 IR spectra of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2 at different temperatures, P = 300 bar for 8 hr
80
Fig. 4-22 The SR tests in buffer solutions with various pH values for
(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2
at different temperatures, P = 300 bar for 8 hr
81
Fig. 4-23 SEM images of PDMS-g-PAA and (PDMS-g-PAA)-g-
P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2 at different temperatures, P = 300 bar for 8 hr
82
Fig. 4-24 IR spectra of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2 at different pressures, T = 100 ℃ for 8hr
83
Fig. 4-25 The SR tests in buffer solutions with various pH values for
(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2
at different pressures, T = 100 ℃ for 8 hr
83
Fig. 4-26 SEM images of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2 at different pressures, T = 100 ℃ for 8 hr
84
Fig. 4-27 IR spectra of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2 at 300 bar, T = 100 ℃ for different reaction times
85
Fig. 4-28 The SR tests in buffer solutions with various pH values for
(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2
at 300 bar, T = 100℃ for different reaction times
85
Fig. 4-29 SEM images of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) which reacted in scCO2 at P = 300 bar, T =100 ℃ for different reaction times
86
Fig. 4-30 IR spectra of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) with different compositions (wt%) of PDMS-g-PAA which reacted in scCO2 at P = 300 bar, T = 100 ℃ for 4 hr
87
Fig. 4-31 SEM images of (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) with different compositions (wt%) of PDMS-g-PAA which reacted in scCO2 at P = 300 bar, T = 100 ℃ for 4 hr
88
Fig. 4-32 The UV analysis at 191 nm by heating from 18 ℃ to 60 ℃ for (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) with different
compositions (wt%) of PDMS-g-PAA which reacted in scCO2 at P = 300 bar, T = 100 ℃ for 4 hr
89
Fig. 4-33 The SR tests in buffer solutions with various pH values for (PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA) with different
compositions (wt%) of PDMS-g-PAA which reacted in scCO2 at P = 300 bar, T = 100 ℃ for 4 hr
89
表目錄
Table 2-1 Some polymers and surfactants that show temperature-induced, reversible phase-separation in aqueous solutions
90
Table 2-2 Properties of polymers prepared with oligo(ethylene glycol) methacrylates of various lengths
91
Table 3-1 The preparation methods of buffer solutions for different pH values 91 Table 4-1 The experimental conditions about the effect of compositions of
reactants and reaction time on temperature-sensitive property
92
Table 4-2 The experimental conditions for different operating temperatures 93 Table 4-3 Effect of operating temperature on recovery ratio of products 93 Table 4-4 Effect of operating temperature on particle size and standard deviation 94 Table 4-5 The experimental conditions for different operating pressures 94 Table 4-6 Effect of operating pressure on recovery ratio of products 95 Table 4-7 Effect of operating pressure on particle size and standard deviation 95 Table 4-8 The experimental conditions for different reaction times 96 Table 4-9 Effect of reaction time on recovery ratio of products 96 Table 4-10 Effect of reaction time on particle size and standard deviation 97 Table 4-11 The experimental conditions for different reactant compositions 97 Table 4-12 Effect of reactant compositions on recovery ratio of products 98 Table 4-13 Effect of reactant compositions on particle size and standard deviation 98
第一章 緒論
超臨界流體研究自發展以來技術日趨純熟，近年來超臨界流體技術備受矚 目，除了它特殊的性質之外，更是ㄧ種對環境沒有衝擊性的綠色科技。其技術的 應用範圍相當多，如早期發展的超臨界萃取（ex:咖啡因萃取）(廖傳華和黃振仁，
2004)，近期的晶圓清洗技術(King and Williams, 2003)，電鍍技術(Kim M. S., 2005)，廢水處理與化武銷毀技術(Bermejo et al., 2006)，醫藥或食品領域的微粒化 和萃取技術(Majerik et al., 2007)，以及在各種研究上取代一般有機溶劑製備微米或 奈米級材料(Reverchon et al., 2003; Chambon et al., 2005))，目前更發展了超臨界燃 煤發電技術等。本研究著重在利用超臨界二氧化碳取代一般有機溶劑以化學反應 的方式製備微米或奈米級材料。
1-1 超臨界流體的簡介
物質所存在的壓力以及溫度高於本身之臨界點(critical point)時，稱為超臨界流 體。在此狀態下，超臨界流體的性質介於氣體與液體之間。例如，它有像液體般 的密度性質，而黏度性質卻接近氣體，這些性質可以藉由溫度和壓力的調整來做 大幅度的改變，因此當超臨界流體做為溶劑時，可因應不同溶質的密度去調整本 身的性質，使其達到最好的溶解能力(solvent power)；另一方面，超臨界流體具有 很低的表面張力(surface tension)，而且擴散係數約為液體的 10~100 倍，可深入擴 散至非常微小的孔隙中，因此也常被用來做為清洗溶劑。
許多的物質都可以達到超臨界態，如水、乙醇、二氧化碳等，而其中最廣泛 被使用的是超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, scCO2)，因為其臨界溫度和 壓力與其他物質比起來較低(TC=31.1 , P℃ C=73.8bar)，在操作程序上較容易達到也 較安全；另外具有價格較便宜、本身無毒性、不助然等優點，使得超臨界二氧化 碳相較之下更常被使用於各種製程。
超臨界二氧化碳在工業上或是研究上的應用非常廣泛，包括超臨界萃取 (Koegler et al., 2002)、乾燥製程、各種有機/無機的奈米粉體製程(Wang et al., 2006;
Wong et al., 2007)和半導體清洗製程(King and Williams, 2004)，隨著這些程序方法 技術的純熟，也慢慢被各工業領域實際的運用。近幾年來由於綠色科技的推廣，
各式各樣的製程陸續嘗試使用scCO2，如高分子材料的發泡製程(Chang et al., 2006)，利用 scCO2對於大部份高分子的膨潤性，可以簡單的進入高分子內部，然 後經過洩壓將二氧化碳排出，留下具有微小孔洞的高分子；藥物微粒化製程，利 用超臨界二氧化碳對藥物或者是溶劑的溶解性，使其溶入溶液中，再藉由二氧化 碳的洩壓造成溶液的過飽和現象使藥物再結晶析出，得到更微小的粒子；超臨界 流體反應程序，反應的種類如聚合反應(Cao et al., 2008)，水解(hydrolysis)反應 (Revechon et al., 2003)，氧化還原反應(Wang et al., 2006)，轉酯化(transesterification) 反應(Shieh and Lin, 2007)，酵素催化(enzyme-catalyzed)反應(Knez et al., 2005)等。
1-2 超臨界流體反應的簡介
超臨界流體反應主要就是利用超臨界流體取代一般的有機溶劑或作為共溶劑 (Sun et al., 2007)，讓反應物在超臨界系統下進行反應，利用溫度和壓力的調整，增 加對反應物的溶解力，有效的取代傳統有機溶劑，減少溶劑使用，並且在某些條 件下可不需使用觸媒以及減少反應時間。與傳統氣相或液相反應相比(談駿嵩、黃 寶儀，2007)，超臨界流體具有較大的擴散速度(diffusion)，因此能減少質傳阻力(mass transfer resistance)，如此可增加分子與分子間的碰撞機率，增加反應的效率，在一 般的觸媒催化反應中，更可利用低表面張力的性質滲入觸媒顆粒體內部，並且可 有效溶解並帶走觸媒的一些毒化物，保持觸媒的催化活性。另外超臨界流體較高 之密度可增加對反應物的溶解度和滯留時間，並且可使用連續式操作。
另一方面，在液相反應中，壓力對反應速率常數及反應平衡常數之影響通常
不大，但在超臨界狀態下，壓力對反應速率常數及反應平衡常數的影響是難以忽 略的．除此之外，液相溶劑的性質如溶解度參數、介電常數(dielectric constant)、
離子強度(ionic strength)、密度、擴散係數、黏度(viscosity)等所謂的溶劑效應，在 超臨界流體中皆會隨著溫度及壓力而有所變動，自然也如同液相溶劑般會影響到 化學反應的進行．但超臨界流體與液相溶劑不同之處是可只藉由溫度及壓力之改 變來調整溶劑效應，而不需更換溶劑。
針對反應操作程序而言，以超臨界二氧化碳作為反應的溶劑可以簡單的經由 洩壓得到乾燥而且乾淨的產物，可以大幅減少後續在純化分離上所使用的去離子 水或是有機溶劑，降低對環境的汙染，並且也減少乾燥程序上所需要使用的能源，
不需要經過繁複的純化分離程序，讓整個合成步驟更簡單化。另一個優點是一般 在傳統有機溶劑的聚合反應上，都必須先以氮氣purge 反應器，讓所有反應物在無 氧的氣氛下，因為反應所需之起始劑若在有氧的情況下容易氧化而失去活性，如 果使用超臨界二氧化碳作為溶劑，則整個反應器皆在二氧化碳環境下，就不需擔 心起始劑的氧化問題，也可以少去氮氣的使用。
1-2-1 超臨界流體反應的應用
因為超臨界流體反應具有以上這些優點，所以應用領域也相當廣泛，接下來 介紹幾個例子(談駿嵩、黃寶儀，2007)：
(1) 超臨界酵素催化反應
過去多以化學合成法生產光學活性物質，但近年來以酵素法進行光學轉換之 技術已被證實深具潛力。在酵素催化製程中多以水為溶劑，以保持酵素觸媒的活 性，此外亦需使用有機溶劑，因有些反應物不溶於水但可溶於有機溶劑中。由於 水相與有機相並不互溶，因此造成酵素催化反應受制於質傳，所以超臨界流體的
取代可有效的改善此狀況。
(2) 半導體應用
如晶圓鍍膜技術，半導體過去使用的金屬鍍膜技術常會有披覆性(uniformity of coating)不均，在深寬比大的情況下無法深入內層沉積，溫度過高而產生殘留應力 等問題。但採用化學流體沉積法(chemical fluid deposition, CFD)時，則可克服以上 的問題。以晶圓表面鍍銅薄膜為例，因超臨界流體對有機金屬之前驅物有較高溶 解力，以及與還原劑有相當好的互溶性，可增加反應速率，也能在較低溫下使反 應更完全。超臨界二氧化碳幾乎沒有表面張力，故可深入深寬比較高的基材，有 助沉積的均一性和披覆性。由於超臨界流體的特殊性質更可進一步利用在晶圓的 清洗和光阻移除技術上。
(3) 超臨界水氧化反應
利用次臨界水氧化(subcritical water oxidation)或超臨界水氧化技術處理有害廢 棄物近年來備受矚目，許多學者投入此項研究中，也有相當好的成果，如放射性 廢料處理、化學火藥分解、一般廢溶劑處理、電子工業廢溶劑處理、造紙廢水處 理或土壤中多氯聯苯或戴奧辛的分解等，因水在高溫高壓下具有低介電常數的性 質，可與具較低介電常數的有機物互溶，加速反應進行，並且超臨界水可產生高 溶氧濃度的溶液，可將有害的有機化合物分解成小分子，如H2O、CO2等等。
(3) 以超臨界流體製備奈米材料
此種技術主要就是利用超臨界流體取代一般的溶劑，在特殊條件下進行氧化 還原反應、聚合反應或轉酯化反應合成奈米材料。以製造奈米金屬為例，可採用 超臨界逆微胞(reverse micelle)法．此方法主要原理是將奈米尺寸的水溶液微胞分散 在超臨界流體中，由於存在介面活性劑，在熱力學而言是穩定的系統，藉由還原
反應，使奈米金屬於有限大小的微胞中形成。
在此種技術做基礎下，可進一步以超臨界流體反應合成複合材料，利用複合 材料截長補短的特性讓其應用價值更高，應用性更廣，如表面改質增強顆粒分散 性，表面接枝合成可攜帶金屬觸媒的微反應器(Yu et al., 2007)，利用有機或無機材 料的特性改善材料的熱力學性質、介電性質、導電特性、光學特性和機械性質。
另外也可合成一些智慧型的敏感性材料，因為部份特殊的材料對於外界的溫度、
pH 值、光或電有特殊的敏感性，可針對不同的需求合成不同性質的材料，而此種 材料也是本研究主要的重點所在。
第二章 文獻回顧
由於本研究著重在複合型敏感性材料的合成，因而在此章節會針對複合材料 以及合成智慧型敏感性材料的文獻做介紹。
2-1 複合材料的簡介
由於科技的進步，人類所需要的材料不再只是一般的金屬/金屬合金、陶瓷材 料或是高分子材料可以滿足，就像是飛機引擎的材料需要低密度、高硬度、高衝 擊阻力和抗腐蝕性，這些性質並非單一材料可以達到，因此複合材料孕育而生。
複合材料顧名思義是由兩種或兩種以上的有機或無機材料所組合而成，使得此複 合材料同時擁有各材料的優點，或者是補強彼此的缺點。目前複合材料已經廣泛 的被人類使用，而各工廠或研究單位也積極的在尋找更優良的製程或者是性質更 佳的材料。複合材料的製程最常見的就是高分子混摻或是化學鍵結，利用各具有 特殊性質的高分子互相混合均勻分散達到補強以及增加應用性的效果，另外就是 有機無機材料混摻，利用玻璃纖維或是金屬氧化物的顆粒在高分子材料中的分散 行為轉移材料所承受的應力，增加其韌性和耐衝擊性。
依據複合材料的結構與組成分布(陳東煌，2006)，複合奈米粒子可概略分為內 部混合型與核殼型(core-shell)兩大類。前者如混合陶瓷奈米粒子及合金奈米粒子，
主要目標在於奈米粒子主體特性的調整或新穎特性的產生，依據混合的均勻性，
又可分為均勻混合與微相分散兩種。後者可能是金屬、陶瓷、有機高分子或生物 高分子的結合，除了少數的目的是調整奈米粒子的主體特性外，大部分的目的在 於調整奈米粒子的表面特性、製備中空材料、或創造出多功能性複合奈米粒子。
依據殼層覆蓋的程度，又可分為完全核殼型與不完全核殼型兩種。值得注意的是，
奈米材料由於尺度極小，對組成與結構的控制遠較傳統大尺度的複合材料精細，
所需的混合或塗覆技術也更具挑戰性與新穎性。
2-1-1 智慧型(intelligent)複合材料的介紹
智慧型材料是ㄧ種擁有特殊敏感性的材料(Hoffman and Stayton, 2004)，即在受 到外界環境刺激後會產生狀態改變的材料，又稱敏感性材料或是智慧型水凝膠 (hydrogel)。而外在刺激包括一般的物理性刺激和化學性刺激，物理性刺激如溫度、
光線、離子強度和電場的變化等，化學性刺激如pH 值改變和特殊離子的刺激，另 外還有一些來源是生物性分子，如代謝物和酵素等。敏感性材料在經過外在刺激 後可能會產生的型態改變如圖2-1 所示，A 表示的是高分子鏈在經過外在刺激後造 成糾結或鬆散的型態，Ｂ表示的是高分子鏈的沉澱和懸浮，Ｃ是高分子鍵結在基 材上，再經過外在刺激後對於基材表面覆蓋型態的改變，Ｄ則是高分子顆粒的收 縮(shrinking)和膨潤(swelling)效果。智慧型核殼共聚物則是由兩種或兩種以上的敏 感性材料共聚合而成，其中一種材料形成核心結構，另外一種則形成外圍的殼狀 結構，所以稱之為核殼共聚物，利用此種雙重敏感性的材料增加應用性。而本研 究即在合成此種雙敏感性材料，所利用的是pH 值和溫度敏感性。
2-1-2智慧型材料的合成方法
敏感型水凝膠的製作方法通常可分為一般聚合、交聯(crosslinking)聚合、接枝 (grafting)共聚和互穿網路(interpenetrating network, IPN) 4種，不同的製作方法對水 凝膠的敏感性有很大影響。
(1) 一般聚合
在傳統上合成的方法通常是利用有機溶劑作為溶解單體和起始劑的物質，普 遍使用的有機溶劑如乙醇、丙醇、丁酮、正己烷、環己烷和苯等等，在有起始劑 和催化劑的情況下，利用ATRP的技術(atom transfer radical polymerization)進行聚合 反應，通常反應時間在7~24小時左右，反應溫度在60~120℃左右，依反應物不同 作調整。
(2) 交聯聚合
交聯聚合是由一種或多種單體在交聯劑存在下，於本體或溶液中進行的交聯 聚合反應，其中常用化學起始劑、交聯劑或用輻射、紫外線照射等進行引發。文 獻(Alvarez-Lorenzo and Concheiro, 2002)以偶氮二異丁腈(AIBN)為起始劑，N ,N’- 二丙烯醯乙二胺(BIS) 為交聯劑，以N-isopropylacrylamide (NIPAM)
和N-Aminopropylmethacrylamide (APMA)為共聚單體，合成了p H值和溫度雙敏性 水凝膠。
(3) 接枝共聚
接枝共聚常用來對聚合物或天然高分子材料進行改質，也是一種將天然高分 子和合成高分子結合在一起最好的方法，這樣製備所得的水凝膠常能很好的保持 天然高分子的生物可分解性和活性。文獻(Kim et al., 2002)將聚二甲基矽氧烷 ( PDMS) 接枝到甲殼素(chitosan, CS)上形成水凝膠，有極好的生物可分解性和 pH 值敏感性，膨潤平衡後水含量高達82 %～92 %。其他常用來接枝共聚的天然高分 子還有明膠、澱粉、纖維素等。
(4) 互穿網路(IPN)
互穿網路技術是近年發展起來的一種對聚合物進行改性的方法，通過互穿網 路方式可使原本不易共混的線性聚合物通過單體在聚合物或天然高分子之間聚合 交聯成一整體，使產物兼具兩種或兩種以上聚合物的特性(吳東翰，2005)。文獻(Kim et al., 2003)中用玻尿酸(hyaluronic acid, HA)和聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol), PVA)合 成的水凝膠HA-PVA 除了具有敏感性極佳的 pH 敏感性，室溫下 30 分鐘即達膨潤 平衡，膨潤度(swelling ratio, SR)為 325 %～412 %。
然而在傳統方法下，某些合成的聚合物對於有機溶劑溶解度較高，會造成後
續分離程序上的困難，另外，若進一步要合成三種或三種以上的共聚物時，可能 會因為溶劑與反應物之間的溶解度不同而必須更換溶劑，使得合成步驟複雜化，
並且在多方面使用有機溶劑的情況下對於環境的衝擊性是相當大的。而超臨界二 氧化碳反應則可有效改善此問題。
2-1-3智慧型材料在藥物控制釋放和生物蛋白質技術上的應用
近幾年來伴隨著生醫材料與組織工程之發展，智慧型水凝膠(hydrogel)在此扮 演一個不可或缺的角色，如藥物、蛋白質、基因遞送之載體與組織工程之多孔隙 基材都有其潛在之應用性，目前水凝膠之發展除了一般日常生活用品之應用外，
對於醫學方面之應用正如火如荼展開中，為了增加智慧型水凝膠的應用性，從最 早之單一水凝膠到目前之複合水凝膠，已愈來愈多元化，其應用也由單純之醫療 器材轉變為藥物釋放(Freiberg and Zhu, 2004; Binder et al., 2007; He et al., 2008;
Kataoka et al., 2001)與蛋白質組織工程用之載體(Hoffman and Stayton, 2004)。
在藥物控制釋放上，此材料主要扮演的角色是包覆藥物，將藥物負載(loading) 於此種敏感性高分子材料後，利用外在環境的刺激改變敏感性高分子的膨潤或收 縮度，即對藥物的通透性(steric interaction)，同時也會改變的是高分子和藥物之間 的鍵結強弱，一般是氫鍵(hydrogen bonding)或是靜電作用(electrostatic
interaction)，利用這些變化讓藥物產生不同的釋放效果。針對目前常用於藥物控制 釋放的溫度和pH 值敏感性材料而言，它們影響藥物釋放量的因素不同，雖然分子 鏈的收縮會讓藥物的通透性降低，但溫度敏感性材料還會和藥物產生氫鍵的吸引 力，在分子鏈收縮時與藥物間的氫鍵作用力會下降，使藥物更易排出，所以分子 鏈收縮和氫鍵作用對藥物釋放量的影響是互相抵制的，何者影響較大要看敏感性 材料和藥物的性質而定，所以依不同情況，溫度上升可能會造成藥物釋放量增加 (Guo et al., 2007a)或減少(Guo et al., 2007b; Fundueanu et al., 2008)的情形。當然 pH
敏感性材料和藥物間也會因靜電作用產生類似的影響。若將兩者結合成複合材料 可以因應人體體溫的變化和內部器官不同pH 值的環境來做調控，並且可攜帶藥物 至特定器官、腫瘤細胞或發炎組織進行藥物的控制釋放。而另一個重點則是藥物 包覆的方法，在文獻(Freiberg and Zhu, 2004)中有提到一種常用的溶劑蒸發法 (solvent evaporization)，如圖 2-2A 所示，將敏感性高分子先溶解於有機溶劑中，然 後倒入溶有藥物的水溶液中形成水油乳膠(oil/water emulsion)，此時藥物分子可均 勻分散在高分子內部，再利用加熱的方式將有機溶劑蒸發，蒸發過程之中高分子 逐漸收縮，此時藥物就會被包覆在高分子內部形成如圖2-2B 的結構，相同的，藥 物被包覆的機制亦須考慮分子間的作用力。
另一方面，根據(Hoffman and Stayton, 2004)指出此種智慧型水凝膠不僅在藥物 包覆上有非常好的應用，更在生醫和蛋白質工程上扮演重要的角色，它可用來與 生物性蛋白質分子結合，結合方式有兩種，一種是蛋白質分子接在聚合物分子鏈 尾端，另一種是蛋白質分子懸掛在分子鏈中間，如圖2-3 所示，中心位置由高分子 鏈組成的球狀物即為蛋白質分子，可看到有些具有活性位置(active site)，周圍延伸 出的長鏈就是智慧型高分子。結合後即可有以下的應用:
(1) 蛋白質回收程序上的應用
如圖 2-4 所示，因為智慧型分子所鍵結的蛋白質具有特殊的活性位置，只有欲 回收的蛋白質才可與其結合，所以若將具有智慧型分子的蛋白質丟入某未知溶液 中，即為圖2-4 的符號 S，則可鍵結具匹配性活性位置的蛋白質，如圖 2-4 符號 P 所示，再利用外界刺激讓智慧型分子產生沉澱，此過程即可將欲分離的蛋白質帶 出，而結合智慧型分子的蛋白質亦可回收再利用。若將此互相結合的蛋白質分子 視為抗體抗原的結合，即為免疫性分析。
(2) 生理機能活化控制的應用
因為生物體內大部分生理機能的啟動必須要在某些蛋白質或酵素互相結合的 情況下才能活化進行，如果在這些特殊蛋白質的活性位置旁邊接上智慧型材料的 分子，此時即可利用智慧性材料對外界環境刺激所產生的狀態變化來控制生理機 能的發生與否，當高分子材料產生糾結堵住活性位置時，則生理機能無法產生，
如圖2-5 所示。
2-2 溫度敏感性材料的簡介
溫度敏感性材料為本研究欲合成的材料之ㄧ，其敏感機制主要是因為分子中 同時擁有親水性(hydrophilic)分子鏈和疏水性(hydrophobic)分子鏈，在聚合後，溫 度的改變會造成分子間氫鍵作用力的不同，當溫度較低時，親水性分子鏈與水分 子之間的氫鍵作用力很強，讓它可以均勻的溶解於水中，但在高溫下，親水性分 子鏈與水分子之間的氫鍵作用被破壞，同時，疏水性分子鏈之間的氫鍵作用力增 強，讓分子鏈之間產生聚集收縮的型態，如圖2-6所示，圖中圓圈即為親水性分子，
而長鏈型的高分子為疏水性分子。由熱力學的角度來看，此種溫度敏感性的變化 和溶液的相分離形態類似，某些溶液在溫度低於高臨界溶解溫度(upper critical solution temperature, UCST)時會產生相分離形成非勻相(heterogeneous)狀態，反 之，在高於UCST時則會形成勻相(homogeneous)溶液；而除了UCST之外，也有低 臨界溶解溫度(lower critical solution temperature, LCST)，此種溶液系統的分相行為 與UCST完全相反，當溫度高於LCST時會分相，反之則互溶。在高分子系統中此 種LCST溫度敏感性材料是廣泛被研究使用的敏感性材料之一，因為它可以控制材 料的LCST在人體體溫附近，當體溫改變時可以進一步調控藥物的釋放量。高分子 系統下的LCST定義，根據材料相變化的不同有不一樣的說法，一般如果溫度敏感 性材料產生分相沉澱即為熱力學上所說的LCST，若是顆粒產生體積變化則稱為體 積相變化溫度(volume phase transition temperature, VPTT)(Cao et al., 2006)，或者是
從澄清溶液變為混濁則稱為霧點溫度(cloud point temperature, CPT)(Yoo et al., 2004)，而LCST一般被用來泛指這些溫度敏感性材料的狀態變化溫度。
溫度敏感型材料的種類很多，如表 2-1 所示，而目前最廣泛使用的溫敏型材料 就是聚異丙基丙烯醯胺(PNIAPAM)，因為它在 320C左右有一個低臨界溶解溫度
（LCST），溫度高於這個溫度時，PNIPAM 的水溶液在一個相當大的濃度範圍內皆 可發生相分離，體積收縮可達99％，而當溫度降低到 LCST 以下時，沉澱的 PNIPAM 又能再迅速溶解；另一方面亦可藉由加入其他聚合物形成共聚物，進一步調整材 料的LCST 值，例如與 N-羥甲基丙烯醯胺(N-hydroxymethylacrylamide)共聚的 LCST 為36 C0 ，與丙烯醯胺(acrylamide)共聚得到的共聚物 LCST 在 50 C0 以上，進一步 可將此溫度敏感性材料用在膜或顆粒的接枝改質上，如聚碳酸酯(polycarbonate)多 孔膜接枝，玻尿酸或一些化妝品成分接枝。
2-2-1 替代性溫度敏感性材料的介紹
進年來由(Lutz and Hoth, 2006)等人發現一種替代性的生物可分解材料，將兩 種乙二醇單體，甲機丙烯酸2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯 [2-(2-methoxyethoxy)ethyl methacrylate，(MEO2MA) ]與甲基丙烯酸寡(乙二醇)酯[oligo(ethylene glycol) methacrylate，(OEGMA)]合成，形成共聚合物[簡稱 P(MEO2MA-co-OEGMA)]，也 是本研究中所使用的溫度敏感性材料，其單體結構以及傳統合成的機制如圖2-7 所示，此材料具有非常好的溫度敏感性，從圖2-8 可看出經過 LCST 時此高分子內 部分子間氫鍵的變化，在低溫時，PEG(Poly(ethylene glycol), PEG)側鏈與水分子之 間的氫鍵非常強，使其可以完全溶於水中，在溫度高於LCST 後，PEG 側鏈分子 間與疏水性分子的吸引力增加，造成分子鏈的糾結聚集而把水分子往外排除。又 因為PEG 無毒性、溶於水，且生物可相容性(biocompatible)較佳，也是常見的生醫 材料，因此可利用乙二醇共聚合物來取代傳統用的PNIPAM，所以後續有許多研
究以此材料為基礎作深入探討(Saha and Ramakrishnan, 2008; Zou et al., 2008)。
另一方面，此共聚合物可以改變 OEGMA 含量來得到不同的 LCST 值，由於 乙二醇有很強的親水性，高分子的親水性會隨著PEG 鏈的增長而增加，由圖 2-9 可看出，而材料的親水性越高，其LCST 值會上升，如表 2-2 所示，所以 PMEO2MA 的LCST 值約為 26℃，而 POEGMA475(分子量為 475g/mole)約為 90℃，兩者混合 時LCST 溫度範圍可以在 26~90℃之間作變化，當 OEGMA 的含量比為 5mole%時，
其LCST 值接近 32 ℃，將此比例的 P(MEO2MA-co-OEGMA)與 PNIPAM 來做比較，
可以發現兩者的LCST 值非常接近，因此 P(MEO2MA-co-OEGMA)幾乎可以用來取 代傳統的感性高分子PNIPAM，並且擁有 PEG 的生物可分解的特性，更適合用在 生醫材料的應用，此材料相較於PNIPAM 的優點如下(Lutz, 2008)：
(1) 可回復性：
PNIPAM 在溫度高於 LCST 後會形成”-NH”分子和”O=C”分子間的氫鍵，此氫 鍵非常強非常穩定，所以在溫度降低後，此氫鍵基團會變成再水合化的一個阻力，
而OEGMA 和 MEO2MA 中 PEG 鏈之間所形成的氫鍵較弱，所以可回復性較好。
(2) 溫度敏感性：
此材料對於外在環境的敏感性較佳，並且可藉由不同組成比例進一步調整材 料的LCST 值，根據(Lutz, 2008)的文獻指出，此兩種單體經由成分組成不同所獲 得之共聚物，其LCST 值與單體組成比例呈線性關係，並且直接由溶液外觀即可 看出溫度敏感性的相變化，如圖2-10 所示，所以可藉由此關係預估材料的 LCST 值，並且讓材料的應用性更廣。
也由於以上這些優點，本研究選擇了P(MEO2MA-CO-OEGMA)此種溫度敏感
性材料做為研究材料之一。
2-3 pH值敏感性材料的簡介
pH值敏感性水凝膠最早由(Tanaka et al., 1980)在測定丙烯凝膠的溶脹比時發 現，其後關於pH值敏感性水凝膠的各種研究發展非常迅速，從甲基丙烯醯胺 (methylacrylamide)和甲基丙烯酸甲脂(methyl methacrylate)的水凝膠開始，拓展到各 種各樣的單體及聚合方式。Tanaka把誘導敏感性水凝膠的分子間作用力歸納為四 類，包括疏水作用、凡得瓦力(van der Waals’s forces)、氫鍵、離子間作用力，這四 種作用力被認為是引發智慧型水凝膠敏感響應的原動力。在pH值敏感性水凝膠中 四種作用力共同引發pH值敏感性，其中離子間作用力為主要關鍵。在pH-敏感性材 料的結構中，一般含有可離子化的酸性或鹼性基團，隨著溶液的pH值改變，鹼性 基團在低pH值下會發生質子化(protonated)反應，而酸性基團在高pH值下則發生去 質子化(deprotonated)反應，導致分子間氫鍵被破壞，加上質子化或去質子化的關係 造成分子鏈上帶有正電荷或是負電荷，產生靜電排斥力，此時分子與水之間的氫 鍵產生，形成近乎勻相的溶液或是均勻分散的分子。反之，如果分子鏈沒有質子 化或去質子化則會造成分子收縮聚集。由於這些效應產生不連續的溶脹體積變化 形成相分離，顯示出pH敏感性。
2-3-1 pH值敏感性材料的種類
此種pH值敏感型材料有很多，基本材料如聚丙烯酸( PAA) 、聚丙烯醯胺 ( PAAm) 、聚甲基丙烯酸(PMAA) 、聚甲基丙烯酸羥乙酯( PHEMA) 、聚乙烯醇 (PVA) 、聚乙烯基吡咾烷酮( PVP) 、聚氧乙烯( PEO) 、聚乙二醇(PEG) 、矽樹脂 等；天然材料及天然改性材料有甲殼素、明膠、澱粉、殼聚糖(CS) 、瓊脂糖、右 旋糖苷、纖維素、藻酸鹽、白蛋白、透明質酸( HA) 等。這些材料皆具有可離子化 基團，其可分為陰離子、陽離子和兩性離子3種類型。陰離子型pH值敏感性基團一
般為羧基(-COOH)，最常用的單體為丙烯酸(AAc)及其衍生物；陽離子型pH值敏感 性基團一般為鹼性的伯胺(又稱甲胺, CH3NH2)、仲胺(又稱二甲胺, (CH3)2NH)、叔 胺(又稱三甲胺, (CH3)3N)等，最常用的單體如N ,N-二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯 (N,N-dimethyl aminoethyl methacrylate)和乙烯基吡啶(vinylpyridine)等；兩性pH值敏 感性水凝膠同時含有酸鹼基團,常由不同離子型聚合物交聯得到。
本研究中所使用的pH 值敏感性材料是 PDMS-g-PAA，即為聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane, PDMS)和聚丙烯酸(polyacrylate, PAA)的共聚物，結構如圖 2-11 所示，因為含有 PAA 的酸性基團，因此具有特殊的 pH 敏感性。在文獻(Cao et al., 2008)中提到，聚矽氧烷(polysiloxane)高分子鏈具有很高的柔軟度(flexibility)，
使得PDMS 具有較高的玻璃轉換溫度(Tg 127 )≒ ℃ ，而且熱穩定性(thermal stability) 高、生物可分解性佳以及很好的疏水性，所以利用PDMS 合成的共聚高分子，大 部分透氧性(oxygen permeability)高而且機械性質佳，廣泛的使用在生醫材料上。另 一方面，因為PDMS 本身為非極性(non-polar)，使其可以溶解在超臨界二氧化碳 中，以此為材料在超臨界二氧化碳系統下進行反應是非常有利的，若再以此材料 與其他極性高分子進行接枝或交聯反應，在反應過程中，極性分子由於在非極性 的二氧化碳環境下會聚集形成核心(core)結構，PDMS 則可與二氧化碳接觸包圍在 極性分子外圍形成外殼(shell)結構，讓極性分子穩定的存在於超臨界二氧化碳系統 下並且增加顆粒的分散性，這也是核殼共聚物自我組裝(self-assembly)的主要驅動 力。由於以上的這些優點，所以選擇PDMS-g-PAA 作為本研究中主要的 pH 值敏 感性材料。
2-3-2 pH值敏感性材料的優點
pH敏感性材料大部份應用在醫藥或生醫材料上，其優點包括在水中能通過膨 潤(swelling)與收縮(shrinking)，控制體積大小不同的分子擴散，並且含水分子能為
藥物分子提供一個“友好”的環境，在性質上具有與生物組織相似的“軟而濕”的物理 特徵，能夠把引起組織發炎的可能性降到最低；另一方面，材料表面張力低，在 載體的製作中可以避免使用有機溶劑，包覆藥物的條件溫和，都是此種敏感性材 料的優勢所在，因此環境敏感型水凝膠非常適合用於各類藥物尤其是多肽和蛋白 質類藥物的給藥載體材料。
在藥物釋放上的優點包括，單一的pH值敏感性水凝膠多為陰離子水凝膠，也 就是在酸性條件下收縮，在中、鹼性條件下膨潤的水凝膠。由於在酸性條件收縮，
可防多肽(peptide)和蛋白類藥物在胃酸中降解，在結腸中能膨脹，並具有一定的生 物黏性，有利於藥物的釋放與吸收。
2-4 pH 值及溫度敏感性材料的共聚物介紹
為了增加敏感性材料的可應用性，越來越多的研究將兩種或兩種以上的敏感 性材料結合，pH值和溫度敏感性共聚物即是目前應用性相當廣泛的共聚合材料之 一，歷年來持續的被研究，不論是在有機溶劑中合成(Lee et al., 2003; Lee et al., 2004;
Li et al., 2006; Turan et al., 2008; Melendez et al., 2008)，或是在超臨界二氧化碳中皆 有(Cao et al., 2007)。其不僅可因為溫度的不同來做型態的調整，更可利用pH的影 響做不一樣的應用，例如其應用在藥物釋放上的機制，首先可利用其pH值的敏感 性來針對特殊發炎組織或腫瘤細胞做吸附，然後再進一步利用溫度的不同控制藥 物的釋放量(Lin et al., 2005; 黃月文，1998)，如此即可有效準確的對特定目標作治 療。
當這兩種敏感性材料接在一起時，可能的敏感性作用如圖2-12所示，圖中顆粒 外圍的實心球代表具酸性基團的pH值敏感性材料，連結球的曲線為LCST型的溫度 敏感性材料，Ａ所處環境為pH值和溫度皆較低時，溫度敏感性材料為膨潤鬆散的
狀態，而pH值敏感性材料因為沒有去質子化，分子間作用力很強，讓顆粒之間彼 此聚集形成凝膠(GEL)，Ｂ則是當pH值提高時，酸性基團去質子化後彼此產生靜電 排斥的現象，讓顆粒產生膨潤分散的效果形成溶液(solution, SOL)，C是在高pH值 下將溫度升高，可發現雖然pH值敏感性材料彼此具有靜電排斥力，但溫度敏感性 因溫度升高而收縮，最終顆粒間的距離仍非常靠近而形成凝膠狀。而文獻中研究 中也有提到此種雙敏感性材料之間也可能會互相影響，也就是在不同的pH值下可 能會有不同的LCST溫度(Soppimath et al., 2005)；另外在(Xu et al., 2007)文獻中發 現，某些材料也可能利用外在環境的不同去調整核殼材料的位置，如圖2-13所示，
灰色線表示溫度敏感性，黑色表示pH值敏感性，當在高pH值高溫下，溫度敏感性 材料為核心，pH值敏感性材料為殼，反之，若在低pH值低溫下，兩者位置互調，
這也表示它們的可調整性非常大，當然利用範圍就會很廣。雙敏感性材料的例子 有很多，如聚丙烯酸-聚異丙基丙烯醯胺嵌段共聚物（PAA-b-PNIPAM），聚丙二 醇-聚N-2-（二乙基氨基）乙基甲基丙烯酸酯嵌段共聚物（PPO-b-PDEA）和聚4- 乙烯基吡啶-b-聚N-異丙基丙烯酰胺（P4VP-b-PNIPAM）嵌段共聚物，其中因為P4VP 與PNIPAM 之間存在較弱的相互作用，所以是一種比較理想的溫度與pH雙敏感性 聚合物。
2-5 研究目的
智能型材料的應用不管是在生物科技、化學工程、或是醫藥領域上都已經受 到重視，尤其是在醫藥上對於藥物的控制釋放有極大的幫助。而複合材料的合成 技術種類相當多元，而本研究希望可以充分發揮超臨界流體的性質進行合成程 序，並以此技術為基礎進一步合成其他應用性更廣的複合材料。其中溫度敏感性 材料和pH 敏感性材料則被廣泛的應用在醫藥包覆的控制釋放以及生醫工程的蛋 白質純化、自我免疫分析和生理機能的調控上。
在經過一些文獻回顧後，發現大部分研究上所使用的溫度敏感性材料皆為 poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAM)，然而此材料的生物可分解性不佳，在未來 應用上可能會有受限，後來在(Lutz and Hoth, 2006; Lutz, 2008)文獻中發現替代性材 料poly(MEO2MA-co-OEGMA)，此材料因為具有 PEG 側鏈，可提高其生物可分解 性，並且亦具有相當好的溫度敏感性和可回復性，另一方面，它更可以利用反應 物組成的不同改變材料的LCST 溫度，是非常好的智慧型材料之ㄧ。然而，大部 分合成此材料的方法都是利用一般的傳統有機溶劑，因此決定用超臨界二氧化碳 取代一般的傳統方法，利用超臨界流體對於反應的優點，減少有機溶劑的使用以 及增加反應效率。此外，在合成的材料上也做了很大的變動，大部分傳統的合成 法主要使用的觸媒和起始劑是Copper(I) bromide，2,2’bipyridyl(Bipy)以及 methyl 2-bromopropionate(MBP)，其中溴化亞銅中的銅離子和溴離子不好分離，需使用銅 離子分離層析管柱做後續處理(Lutz and Hoth, 2006)，造成分離程序上的困難，而 Bipy 略具毒性，可能也會造成應用性上的問題，因此希望在本研究中找到可以取 代這些原料的物質，讓合成程序更加簡單。之後，會更進一步的利用此溫度敏感 性材料與pH 敏感性材料做結合，增廣其可應用性。本研究預期達到的效果如下：
(1) 首先本研究利用超臨界 CO2作為反應介質，希望能充分利用其利於反應的特性 增加反應效率，減少反應所需要的時間；另外，希望能利用超臨界密度的可調 整型簡化反應步驟，減少製程的複雜性，希望可以利用簡單的洩壓得到乾燥較 純淨的產物，節省清洗溶劑的使用以及乾燥程序所需的能源，利用超臨界二氧 化碳媒介避免反應起始劑的提早氧化。
(2) 當然所得的產物性質也是考量因素之一，所得產物必須產生交聯，同時具有相 當的溫度敏感性及pH 值敏感性，在結構上希望合成具有核殼性質的球狀顆 粒，並且利用二氧化碳快速膨脹的效果讓顆粒粒徑變小。
(3) 因為本實驗所選擇的材料皆為生物可分解材料，而此種智慧型水凝膠主要就應 用在藥物的控制釋放以及一些生物感測的材料上，對於日後在生物體內的應用 有非常大的幫助。
第三章 實驗方法與步驟 3-1 實驗藥品與儀器
3-1-1 實驗藥品
(1) 甲機丙烯酸 2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯 (2-(2-Methoxyethoxy)ethyl methacrylate)，
簡稱MEO2MA；Aldrich，純度 95％，透明澄清液體，密度 1.02g/ml，CAS No.
45103-58-0。
(2) 甲基丙烯酸寡(乙二醇)酯(Oligo(ethylene glycol) methacrylate)，簡稱 OEGMA；
Aldrich，分子量 475g/mol≒ ，透明澄清液體，密度1.08g/ml，CAS No. 26915-72-0。
(3) 聚二甲基矽氧烷與聚丙烯酸的共聚物(Poly(dimethylsiloxane)-g-polyacrylate)，簡 稱PDMS-g-PAA；Aldrich，分子量 26000g/mol≒ ，白色粉末，MDL No.
MFCD00241432。
(4) N,N'-亞甲基雙丙烯醯胺 (N,N’-Methylenebisacrylamide)，簡稱 Bis；Sigma，分 子生物級，純度>98%，白色棉花狀，CAS No. 110-26-9。
(5) 2,2-偶氮二異丁腈 (2,2-Azobis(isobutyronitrile))，簡稱 AIBN；SHOWA，純度 99%，白色顆粒狀，CAS No. 78-67-1。
CH2
HN H
N
CH2
O O
(6) 鄰苯二甲酸氫鉀 (Potassium hydrogen phthalate)，簡稱 KHP；Sigma-Aldrich，
純度>99.95％，白色晶體顆粒，熔點＝295~300℃，調配緩衝溶液用(pH=2~4)，
CAS No. 877-24-7。
(7) 磷酸二氫鉀 (Potassium phosphate monobasic)，簡稱 PDHP；Sigma，純度>99
％，白色晶體顆粒，熔點＝252.6℃，調配緩衝溶液用(pH=6~12)，CAS No.
7778-77-0。
(8) 氫氧化鈉 (Sodium hydroxide)；Sigma-Aldrich，濃度=0.2N，調配緩衝溶液用 (pH=6~12)。
(9) 氯化鈉 (Sodium chloride)；Sigma-Aldrich，NaCl，分子量＝58.44g/mol，用於 調整緩衝溶液之離子強度(ionic strength)，CAS No. 231-598-3。
(10) 鹽酸 (Hydrochloric acid)；ACROS(鼎好公司代理)，HCl，濃度=0.2M，調配 緩衝溶液用(pH=2~4)，Code: J/4340/15。
H3C C CH3
N
CH3
N C
CH3
CH3
CH3
OK
OH
O O
(11) 乙醇 (Ethanol)；ACROS(鼎好公司代理)，C2H5OH，純度 95%，清洗用。
(12) 高壓二氧化碳 (High pressure dioxide carbon)，清豐氣體（台灣），CO2，分子 量=44.01g/mol，液化壓縮氣體，純度＞99%。
(13) 液態氮，原分所，真空洪箱冷卻液化溶劑用。
(14) 分子篩(molecular sieves)；ACROA(USA)，8 to12 mesh，乾燥劑。
3-1-2 實驗儀器
(1)碳膠帶(carbon conductive tabs)；信安儀器有限公司，SEM 分析用 (2)電子天秤；Shimadzu AUX220，精準度＋0.1mg
METTLER TOLEDO AX105，精準度＋0.01mg (3)電子加熱攪拌器；Hipoint Smarter，溫度範圍 室溫～500℃
(4)真空烘箱；Cherng Huei CKN-30，溫度範圍由室溫至 200℃
(5)真空抽氣幫浦(pump)；GVD-050A，台北尚偉股份有限公司，最大流速 60L/min (6)數位式多功能離心機；Hsiag tai CN-2060，最大離心力 3980xg
(7)高溫爐；可造企業有限公司，溫度範圍由室溫至 1500℃
3-1-3 實驗分析儀器
(1) 紫外可見光光譜儀(Ultraviolet-Visible Spectrometer)
型號：Shimadzu UV-1800，測量波長範圍 190~1100nm，光譜帶寬為 1nm，波長準 確度為±0.1 nm (656.1 nm D2)，±0.3 nm(全範圍）。
附加：電子冷熱式恆溫裝置，型號TCC-240A；控溫範圍 7~60℃，溫度精準度為
當光源透過某一物質時，某些波長的光會被該物質吸收，因此在連續光譜中 有一段或幾段波長的光減弱或消失了，這種光譜稱為吸收光譜。不同物質的吸收 光譜不同，這取決於物質的分子、原子和原子團，因此可用吸收光譜來鑒別物質 和推測樣品的結構；同時吸收光譜的強弱和物質的濃度有關，這個性質可用來做 定量分析。
入射光(I0)經過均勻而透明的溶液時，一部分光被溶質吸收(IA)，一小部分被反 射(IR)，只有一部分可以透過(IT)。因此可寫成
I0＝IA＋IR＋IT
然而在化學分析中，常用一個“空白”溶液作為參考去校正反射的光，則 IR可以忽 略不計。又因為“空白”是不吸收任何光的，此時 I0可以看作為透過“空白”的光強 度,。所以 IT/I0是透光率(T)，常用％來表示；而穿透度可利用
A＝-logIT／I0 = logI0／IT
轉換成吸收度(A)。
(2) 熱重分析儀(Thermogravimetric Analysis, TGA)
型號：PerkinElmer TGA-7 (台大化工系共同儀器實驗室)，氮氣流速為 30ml/min。
一般化合物於升溫狀態下，在惰性氣氛中會受熱分解，在空氣或氧氣中則會 氧化燃燒，呈現重量減少的現象，減少的部分有吸附在試料上之小分子或試料本 身分解之氣體。熱重分析法是在受控制的溫度程序下，測量物質質量與溫度關係 的一種技術。將樣品置於特定氣氛之下改變其溫度環境或維持在一固定溫度之 下，觀察樣品的重量變化情形，可進而推斷樣品的特性與組成。熱重分析儀中最 重要的兩大元件是溫度控制系統和重量量測元件(微量天平)。結合此兩元件，在不 同溫度變化下，試料重量的變化都能被完整的紀錄下來。
(3) 傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)
型號：PerkinElmer Spectrum 100，解析度為 4cm-1，掃描波數範圍為4000~700cm-1。
傅立葉轉換紅外線光譜儀是紅外光譜法的一種，紅外線光譜分析是一個重要 的光譜分析方法，此分析技術在化學分析或材料分析上都有相當廣泛的應用。紅 外線光譜學透過分子吸收紅外光區輻射作用引起振動和轉動能階的遷移所產生的 紅外線吸收光譜，來鑑定化合物，大多用於官能基的鑑定。而FTIR 是利用化合物 分子中的官能基吸收特定波長的紅外光而用來觀察分子的基本結構，以紅外光入 射樣品，樣品受照射所產生之光電流經過傅立葉轉換之運算而形成樣品之特性。
(4) 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM) 型號：JEOL, JSM-5600(台大昆蟲系)
主要利用電子槍產生電子束聚集而形成極小的點光源，在陽極加速電壓作用 下，使電子束聚焦成一細小的電子束照射在試片表面，當此電子束打至試片時會 激發出二次電子(secondary electron)和反射電子。這些電子被偵測器偵測時，訊號 經由放大器送至螢幕，因此，試片表面的形貌、特徵等可藉由同步成像的方式而 一一表現出來。且因為樣品必須要能夠吸引電子束，所以若樣品本身導電性差時，
必須事先度上一層金屬以增加導電度。
(5) 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)
型號：JOEL JEM-1230(台大高分子所)，放大倍率：最低 50x，最高 600,000x
穿透式電子顯微鏡是利用高能電子束（一般約在100keV~1MeV），穿透厚度 低於100nm以下之薄樣品，和薄樣品內的各種組織產生不同程度之散射。散射後的
電子以不同的行徑通過後續的透鏡組合和透鏡光圈，形成明暗對比之影像，而這 些明暗對比之微結構影像是藉由螢光板來呈現。因此穿透式電子顯微鏡分析即擷 取穿透薄樣品之直射電子(Transmitted Electron)或是彈性散射電子(Elastic Scattered Electron)成像，或作成繞射圖案(Diffraction Pattern；DP)進而解析薄樣品微結構組 織與晶體結構。一般而言，除了電子顯微鏡本身的性能，樣品之厚度是否夠薄 (<100nm)與夠平坦均勻，也決定穿透式電子顯微影像之品質。
3-2 實驗裝置
本研究使用美國 Thar 公司(台灣代理商為引光生物科技有限公司)所製造的高 壓反應設備，提供超臨界二氧化碳以及各反應物的存放系統，裝置如圖3-1 所示，
以下為各組成元件的介紹：
(1) 高壓反應槽(high pressure reactor)
型號：Thar Technologies Inc. USA 412-967-5665 R100W Reactor
體積：104 ml
最大耐壓程度：6000 psi
(2) 電磁攪拌器(dynamic/magnetic mixer) 型號：MM-006
最大轉速：2400 rpm 附加轉速計數器 Tachmeter
(3) 可見視窗攝影鏡頭(camera window) 型號：MN32-.250”
可連接電腦螢幕觀看影像及錄影，並同時紀錄壓力和溫度(圖 3-1B)
(4) HPLC 幫浦(high performance liquid chromatography pump) 型號：Series II Pump 10ml Head
流量範圍：0.01~10 ml/min
用於將反應物打入反應器以及反應器的清洗
(5) 高壓幫浦(high pressure pump) 型號：TSP 34R4BFCL
耐壓程度：6000 psi 加壓二氧化碳用
(6) 冷凍循環水槽(low temperature circulator) 型號：Vastech D-606
控溫範圍：-20~100℃
液化二氧化碳
3-3 實驗步驟
3-3-1 溫度敏感性材料 P(MEO2MA-co-OEGMA)的合成實驗
(1) 實驗流程如圖 3-2 所示，開啟冷卻循環水槽降溫至 0.5 (℃ 降溫時間約 30~60min)，此動作為了確保二氧化碳在進入幫浦前為液體狀態。
(2) 打開反應器，將單體 MEO2MA 和 OEGMA 以適當比例的量放入，然後再把反 應器封閉。
(3) 旋轉備壓閥至所需壓力，通入 CO2至反應槽，使壓力升到銅壓，此時開始攪拌，
轉速為500rpm。
(4) 設定反應器溫度加溫至 70℃，同時打開二氧化碳加壓幫浦，讓壓力上升至 150bar，然後將三向針閥上控制二氧化碳進料的閥關閉，使反應器內維持在此 溫度和壓力條件下。
(5) 將起始劑 AIBN 和乙醇混合成濃度為 0.01g/ml 的溶液，由進料端打入管線中，
當進料端將管線內的壓力打至與反應器內相同時，打開三向針閥之控制進料 端，此時開啟HPLC pump（pump 流量=1ml/min）並同時按下計時器，計時 5min 後將閥關閉並關掉HPLC pump，所以打入的 AIBN 重量為 0.05g。
(6) 再次將二氧化碳的進料閥打開，持續升壓至最終所需壓力 200bar(即反應壓 力)，同時會將 AIBN 乙醇溶液帶入反應器內開始進行反應。
(7) 開始計時反應時間。
(8) 反應完成後停止加熱和攪拌，讓反應器溫度降至室溫後打開出口閥洩壓，利用 裝有乙醇的錐形瓶蒐集被CO2帶出的反應物和產物，在洩壓後打開反應器收集 殘留在反應器內的乙醇溶液。
(9) 由於產物和乙醇完全互溶，但兩者沸點不同，因此使用蒸餾法，利用真空烘乾 的方式在40℃下烘乾 48hr，將乙醇蒸發得到所需產物。
(10) 取出產物後進行分析，並進一步將其溶於水中進行敏感性分析，詳細說明於 章節4-1。
3-3-2 pH 值敏感性和溫度敏感性共聚物
(PDMS-g-PAA)-g-P(MEO2MA-co-OEGMA)的合成實驗
(1) 實驗流程如圖 3-4 所示。首先打開反應器，將濾紙折成圓錐狀塞入反應器內各 個管線接頭的空洞內，以防止產物沉積於內部增加清洗上的困難。
(2) 在反應器內加入：
反應物：MEO2MA，POEGMA，PDMS-g-PAA
起始劑：AIBN 交聯劑：Bis
(3) 通入 CO2，將壓力打至某特定壓力後，攪拌器開始攪拌，關閉CO2進料閥，然 後開始加熱至所需溫度，此時壓力會隨著溫度上升而增加，最後達到所需的溫 度和壓力。
(4) 開始計時反應時間。
(5) 反應完成後，將溫度降至室溫然後洩壓，由裝有去離子水的錐形瓶收集少部分 被帶出的產物，而大部分的產物必須打開反應器用刮勺取出，部份黏著於器壁 或底部的產物則需加入去離子水使其膨潤後再由滴管吸出。
(6) 將取出的產物浸泡於去離子水中放入離心試管，在超音波震盪槽中震盪 20 分 鐘，使未聚合的單體以及自聚合的溫度敏感性材料溶解，與pH 敏感性材料產 生交聯的共聚物則形成水膠狀。之後放入離心機以5000rpm 的轉速離心 20 分 鐘。
(7) 離心完成後將上層的水溶液抽掉，再加入新的去離子水充分的與產物混合，放 入震盪槽震盪20 分鐘，接下來重覆步驟(6)~(7)的做法清洗樣品 5 次，最後放入 真空烘箱中烘乾。
(8) 為了避免烘乾的溫度過高造成產物再次反應或變質，將溫度維持在 40℃，開啟 連接真空烘箱的真空幫浦將烘箱內的壓力降低至3~4cmHg，在此條件下烘乾 48 小時。抽真空的過程中為了防止抽出的溶劑污染幫浦，於是在烘箱與幫浦的 連接中加入真空冷凝管的裝置，將此裝置浸泡於液態氮中液化氣體中的部份溶 劑。
(9) 取出乾燥後的樣品經過 FTIR 以及膨潤度測試，分析其結構和性質，詳細說明 於章節4-2。
