一、中文摘要
本研究主要是以生物可分解聚乳酸(PLLA)/聚乙二醇 (PEG)三團聯共聚物為材料，在合成過程中我們改變不同的聚 乙二醇莫耳餵入比來控制兩鏈段長度間的大小比例，隨後利 用溶劑相轉換法(phase inversion method)的方式製備多孔性的 薄膜，討論團聯共聚物中聚乳酸/聚乙二醇兩者間的相對鏈段 大小對於高分子薄膜結構上的影響變化。我們發現隨著共聚 物中聚乳酸的相對鏈段長度減短，材料內的孔隙度及空孔大 小亦會逐漸增加，由另一個角度來說這可能是因為材料內部 受聚乙二醇鏈段的影響而使得溶液相分離情形越來越明顯。
二、簡介
生物可分解性材料已廣泛的被使用在生物醫學及組織工 程的領域尤其在骨架工程(scaffold processing)中，製作這類型 的薄膜技巧有數種，除了材料必須要有良好的生物相容性 (biocompatibility)外，還需富含多孔性(high porosity)、表面積 (surface area)、機械強度(structural strength)及特殊的三次元型 態(specific three-dimensional shapes)等關鍵特性1才能在人體 中達到良好的輔助效果。
Healy 等學者2報導以PLGA(Poly(lactide-co-glycolide)) 為材料利用乳化冷凍乾燥法(emulsion freeze drying method)可 製作出平均孔徑大小為13~35μm 薄膜，更指出依用途可適合 運用在組織工程的孔徑大小為 20~250μm，而 Nam 及 Park 等 學 者 3 則 使 用 熱 誘 導 相 分 離(Thermally induced phase separation)方式將平均孔徑大小控制在 1~30μm 之間且空孔 間擁有高度的互通性(inter-connectivity)因此指出將來可以運 用在控制藥物輸送。Witte 等學者4,5以聚乳酸及非結晶性聚乳 酸(Poly-DL-lactide)為材料使用溶劑相轉換法來製備薄膜，並 對非溶劑、溶劑、高分子三成份系統的溶液熱力學加以探討，
在定性上以 Flory-Huggins 理論在液-液可混溶曲線(liquid- liquid miscibility gap)上可以得到與實驗相符合的預測，並指出 相分離的過程包含了液-液分相(liquid-liquid demixing)及固-液 分相(solid-liquid demixing)兩因素所控制。
此次實驗我們運用溶劑相轉換法來製備薄膜，即高分子 先均勻的溶於溶劑中再與非溶劑混合後高分子逐漸析出產生 相分離的變化，藉由改變聚乳酸相對鏈段長度的方式來達到 控制上述製膜的數個特性並觀察其對整體結構的變化。
三、實驗方法
3.1 聚乳酸(PLLA)/聚乙二醇(PEG)三團聯共聚物合成 將左旋乳酸單體(Tokyo Kasei Kogyo Co.)與所指定比 例的聚乙二醇(MW=200，ACROS)置入三口反應瓶中，密封通 氮抽氣30 分鐘後再抽氣 30 分鐘以確保反應瓶中水氣已完全 去除。置入矽油浴中加熱至 110℃後打入催化劑辛酸亞錫 (stannous octoate)濃度為 0.05wt﹪，升溫並維持 130℃的反應 溫度連續反應 7 個小時後得到產物。接著純化產物，以氯仿 (chloroform)溶解後加入 10℃的正庚烷(n-hexane)中，使共聚物 析出過濾，最後置入真空烘箱以45℃溫度乾燥一個工作日。
3.2 聚合物組成分析
生物可分解性聚乳酸(PLLA)/聚乙二醇(PEG)三團聯共聚物作為組織工程支架及其成孔
林耿嶙1、胡孝光 台灣科技大學 纖維及高分子系
E-mail: [email protected] Fax:(02) 2737-6544
分別各取0.02 克樣品，以 1ml 的 CDCD3溶解並使用0.22 μm 濾膜過濾後利用質子核磁共振光譜儀(1H-NMR)分析試 樣，探針溫度設定為 27℃，以 TMS(tetra-methylsiane)作為內 標掃描分析並紀錄光譜。
3.3 團聯共聚物薄膜製備
將數個樣品以二氯甲烷(dichloromethane)攪拌溶解並配 置成15wt﹪的高分子溶液，注入直徑 8 公分的培養皿中後迅 速以刮刀刮平並置入無水酒精(ethyl alcohol, anhydrous)中靜 置一個工作日，接著取出形成的薄膜放入純水中12 小時去除 溶劑後，使用冷凍乾燥機冷凍乾燥12 小時得到成品。
3.4 薄膜結構觀察
為了能觀察電子顯微鏡下完整的薄膜結構，我們先將樣 品置入液態氮中使結構變脆後，再折取適當尺寸的上表面與 截斷面。將樣品固定妥當並貼於載體上使用真空鍍金機鍍 金，以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察各個樣品的表面結構並攝 影紀錄。
四、結果與討論
4.1 聚乳酸(PLLA)/聚乙二醇(PEG)聚合反應及組成分析 此聚合反應係屬開環聚合反應 4，且水分及空氣會影響 聚合反應產生鏈轉移使聚合度下降，因此實驗進行中必須密 封防止水氣影響聚合結果。合成的團聯共聚物使用 1H-NMR 分析組成如Table 1.，發現隨著聚乙二醇的莫耳餵入比增加，
聚乳酸的相對鏈段長度則呈現降低之趨勢。
4.2 掃描式電子顯微鏡觀察
樣品試片經由電子顯微鏡所拍攝的截面結構如 Fig 1~3.
所示，由圖中發現純成分的聚乳酸在溶劑相反轉中形成了孔 徑較小的孔洞，並且孔洞的數量較小、少，分佈亦較為分散，
反之S-1、S-2 的結構形成數量眾多且孔洞間互通性較為優良 的較大孔洞構造。如Table 2.所示 S-2 擁有較大的孔洞，而且 發現純成分聚乳酸與S-1 之間的孔徑差異頗大，吾人猜測高分 子成孔過程中聚乙二醇扮演了一個重要的關鍵特性。
4.3 高分子溶液中相反轉熱力學分析
混合過程中三成份系統的高分子熱力學是由 Tompa 學 者修正Flory-Huggins 理論延伸而來，吾人使用 Altena 等學者
5報導之文獻，在混合過程中高分子化學位能的變化如下：
…(1) 式中：下標(1)、(2)、(3)分別代表非溶劑(1)、溶劑(2)、高分子 (3)；R=氣體常數；T=298 K；ni、ψi與νi分別代表各成分的 莫耳數(moles)、體積分率(volume fraction)及莫耳體積(molar volume)；χ12為非溶劑-溶劑間的互相作用力參數；χ23為溶 劑-高分子間的互相作用力參數；χ13為非溶劑-高分子間的互 相作用力參數。
(φ φ) χφφ
φ χ φ χ φ φ φ µ φ
2 1 12 1 3 1 2 2 23 2 3 1 13 1 3 3 2 2 3 1 1 3 3
3 ln 1
∆
v v v
v v v v v v v
RT + −
+
+
−
−
− +
=
假設在溶液相中高分子為均質共聚物、各成份的莫耳體積相 等且溶劑與非溶劑間無作用力即χ12=0，則式子可化簡為：
……….(2) 高分子結晶相的化學勢可由下式表示：
( φ) φ χ ( φ
χ φ µ φ
3 13 1 3 23 2 3
3 ln 1 1
∆ = + − + −
RT )
….…..………...(3) 式中：ΔHν=每莫耳高分子熔融焓；ΔS=每莫耳高分子熔融 ；T°m＝高分子的平衡熔點。
接著我們利用原理得到：
……….……….……...(4) 在上式吾人假設 PLLA 結晶度為 100﹪且莫耳熱容量(molar heat capacity)不為溫度的函數，則 A 值=高分子在液相的莫耳 熱 容 量 － 高 分 子 在 固 相 的 莫 耳 熱 容 量 8， 其 值 為 -16.5(J/mole-k)；C 值=PLLA 每莫耳單體的熔融焓9－A×Tm， 其值為14850(J/mole)；Tm為高分子的熔點，取(3)及(4)式相等：
…………...(5) 利用(5)式即可求得χ13與χ23之間的作用關係，如Fig4。我們 配合實驗的結果與高分子溶液的相反轉熱力學來分析說明，
變換不同的非溶劑分率ψ1發現溶劑跟高分子之間的作用力參 數χ23隨著非溶劑分率的增加呈現上升趨勢而非溶劑與高分 子之間的作用力參數χ13則呈現下降趨勢，猜想是因團聯共聚 物同時具有親、疏水性兩極端差異的性質，表示高分子溶液 加入非溶劑後，聚乙二醇相對鏈段長的高分子對非溶劑較具 親和力，而形成相分離的現象最形成終較大的孔洞。因此我 們 可 推 測 當 高 分 子 包 含 了 相 對 較 長 的 聚 乙 二 醇 鏈 段 時 如 S-2，相變化過程將由其主導而變得明顯。
五、結論
由實驗的結果對照高分子溶液熱力學上的分析，我們發 現似乎當共聚物中聚乙二醇的相對鏈段越長時，越能增加共 聚物對非溶劑的親和能力，在巨觀上材料就顯現出擁有較大 且數量較多的孔洞結果，因此可推論造成薄膜結構變化的因 素之一就是高分子本身對於溶劑與非溶劑間的選擇性差異所 造成的現象。
六、參考文獻
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Feijen, J. Polym. Sci., B, Polym. Phys., 34, 2553(1996).
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Fig4. The r
9. 林國華，聚乳酸/聚乙二醇三團聯共聚物與聚摻合物中聚 乙二醇對球晶成長與平衡型態之影響，國立台灣科技大 學纖維及高分子研究所碩士論文(1997)
S Tm
H ∆
∆µ3=∆ υ− Ο
Table1.Charecterization of triblock copolymer Copolymer Composition Sample PEG in feed
(mol%)
LPEG/LPLLA
1H-NMR (g/mol)
Pure PLLA - - -
S-1 0.5 5/471 34100
S-2 1.0 5/281 20460
T RT AT T T C T
RT m m
+
−
−
= 1 ln
∆µ3
( ) ( )
m m
T T R A RT
T C T
ln 1
3 13 1 3 23 2
3 1 1
ln +
−
−
=
− +
−
+φ χ φ φ χ φ
φ
Table2. Average pore size of membrane
Sample Pore size(μm)
Pure PLLA 5
S-1 20 S-2 23
Fig1. SEM micrograph of membrane cross section of pure PLLA
Fig2. SEM micrograph of membrane cross section of S-1
Fig3. SEM micrograph of membrane cross section of S-2
elationship between interaction parameter of χ13
versus χ23 in polymer volume fraction 0.15 with Nonsolvent 0.08/0.14/0.2
