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大同大学
大同大學
化學工程系
專題研究報告
NIPAAm/丙烯酸鈉/膨土之奈米複合凝膠材料之製備及其性質探討
學生：
周永隆
指導教授：
李文福教授
中華民國九十二年一月二十三日
編號：
9230
誌謝
承蒙指導教授李文福教授的細心教導，使得本專題研究得以順利進行，並且讓學生本人能夠在學業上及生活上獲益匪淺，謹致上最誠摯的敬意及感謝。
同時感謝黃偉仁學長、周建旭學長、葉又誠學長、楊琳琪學姊、陳永竹學長、李松泉學長、劉大銘學長及張耀元、蔡美慧在實驗和撰寫報告方面提供多方面的資料及協助，在此本人致上最深的謝意。
摘要
本研究中合成一系列N-isopropylacrylamide（NIPAAm）、SA（50）與不同組成之純化、有機化膨土之熱感應性膠體，探討NIPAAm、SA（50）與純化、有機化共摻合膠體之製備和性質，並以XRD鑑定其為結構及狀態，探討是否為有機-無機奈米複合材料，且應用於藥物釋放中，討論對藥物釋放之影響。
由實驗結果顯示，其膨潤度隨著膨土含量增加而減少，且機械強度、楊式係數與交聯密度隨著膨土含量增加而加強；從XRD實驗發現，膨土可有效脫層分散於NIPAAm中，且於濕膠狀態時成脫層結構。
在藥物釋放方面，添加膨土越多，其吸附的藥量越少，且因膨土與丙烯酸鈉均具陰離子性，在陽離子性藥物溶質CV釋放方面，由於溶質與陰離子型水膠相互作用結合，使的釋放率非常低。
目錄
誌謝………………………………………………………….……………
摘要……………………………………...………………....…….....……
目錄………………………………...…………………...……...……......
表目錄…………………………...………………………….……….......
圖目錄………………………...…………………………..……….…....
第一章簡介……………………………………………….……….…..1
第二章實驗部分…………………………………………………..…..42.1實驗藥品…………………………………………….…………4
2.2純化膨土…………………………………...….……………….7
2.3陽離子交換容量之量測……………………………...………..7
2.4Kjeldahl法測銨離子置換量……..…………………………7
2.5硼酸指示劑配法……………………………………………….8
2.6改變TMMAACl插層劑添加量來有機化膨土…………...…..8
2.7測量Zetapotential………………………………...…………..9
2.8IR鑑定…………………………………………………...….12
2.9中和度50%丙烯酸鈉{SA（50）}之合成…………………..…12
2.10膠體膜之合成…………………………………………....….12
2.11乾膠之製備…………………………………..………...……13
2.12膠體的膨潤測試………………………………………...…..15
2.13膠體在不同溫度下之平衡膨潤度測試…………………….16
2.14NIPAAm/SA（50）/純化膨土之膠體的藥物釋放……………16
2.14.1咖啡因釋放……………………………….………….16
2.14.2CV釋放……………………………………...………17
2.14.3VitaminB12釋放……………………………………17
2.15分配係數之量測…………………………………………….18
2.16壓縮強度、模數與交聯密度之測試…………………….…..18
2.17XRD繞射分析………………………………………………20
第3章結果與討論…………………………….………………….…21
3.1純化膨土之產率………………………………………..……..21
3.2純化膨土之陽離子交換容量………..………………….….21
3.3有機化膨土之產率…………………...…………………...…..21
3.4測量Zetapotential………………………………………..…...21
3.5IR鑑定……………………………………………………...…22
3.6膠體的膨潤動力行為…………………………...…………….24
3.6.1不同種類膨土含量對膨潤度之影響……………..…..24
3.6.2水在乾膠中之擴散研究……………………………....30
3.7交聯密度、模數之測定……………………………….……..32
3.8溫度對膠體的平衡膨潤度的影響………………………….34
3.8.1不同種類膨土之含量其溫度對平衡膨潤度的影響....34
3.9NIPAAm/SA（50）/純化、有機化膨土膠體之藥物釋放….39
3.9.1咖啡因釋放………………………………………...….39
3.9.2CV釋放…………………………………………….…43
3.9.3VitaminB12釋放……………………………………..45
3.10XRD鑑定………………………………………………….48
3.10.1純化、有機化膨土之鑑定………………………...….48
3.10.2NIPAAm/SA（50）/純化、有機化膨土膠體之鑑定..48
第4章結論………………………………………………………....58
第5章參考文獻………………………………...………………….60
表目錄
Table2.1各組膠體之進料組成、產率及膨潤度.…………..…....…..13
Table3.1Poly（NIPAAm/SA（50）/Bentonite）共摻合膠體在25℃下的擴散特徵常數…………………………………………………..31
Table3.2Poly（NIPAAm/SA（50）/純化、有機化膨土）共摻合膠體的交聯密度及模數………………………………..………………33
Table3.3Poly（NIPAAm/SA（50）/純化、有機化膨土）共摻合膠體在藥物溶液下的分配係數（Kd）………………….………………..47
圖目錄
Figure2.1膨土之結構………………………………………………..…6
Figure2.2Zetapotential裝置………………………………….………11
Figure3.1純化膨土、有機化膨土及插層劑之IR………………….…23
Figure3.2不同純化膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）共摻合膠體於25℃下之膨潤動力圖……………………………...…….26
Figure3.3不同0.5倍CEC膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）共摻合膠體於25℃下之膨潤動力圖…………………………...27
Figure3.4不同1倍CEC膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）共摻合膠體於25℃下之膨潤動力圖……………………………...28
Figure3.5不同2倍CEC膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）共摻合膠體於25℃下之膨潤動力圖……………………………...29
Figure3.6不同純化膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）/NMBA膠體其膨潤度對溫度的變化……………………………………....35
Figure3.7不同0.5倍CEC膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）/NMBA膠體其膨潤度對溫度的變化………………………………36
Figure3.8不同1倍CEC膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）/NMBA膠體其膨潤度對溫度的變化…………………………………37
Figure3.9不同2倍CEC膨土含量之Poly（NIPAAm）/SA（50）/NMBA膠體其膨潤度對溫度的變化………………………………....38
Figure3.10不同組成之Poly（NIPAAm）/SA（50）/純化膨土膠體在37℃下於去離子水中咖啡因釋放動力圖……………………..40
Figure3.11不同組成之Poly（NIPAAm）/SA（50）/0.5倍CEC膨土膠體在37℃下於去離子水中咖啡因釋放動力圖……………..41
Figure3.12不同組成之Poly（NIPAAm）/SA（50）/1倍CEC膨土膠體在37℃下於去離子水中咖啡因釋放動力圖…………..……42
Figure3.13不同組成之Poly（NIPAAm）/SA（50）/純化膨土膠體在37℃下於去離子水中CV釋放動力圖………………………..…44
Figure3.14不同組成之Poly（NIPAAm）/SA（50）/純化膨土膠體在37℃下於去離子水中VitaminB12釋放動力圖………...………46
Figure3.15純化、有機化膨土之XRD…………………………...…….49
Figure3.16Poly（NIPAAm）/SA（50）/純化膨土濕膠之XRD……...…50
Figure3.17Poly（NIPAAm）/SA（50）/0.5CEC膨土濕膠之XRD……..51
Figure3.18Poly（NIPAAm）/SA（50）/1CEC膨土濕膠之XRD...……52
Figure3.19Poly（NIPAAm）/SA（50）/2CEC膨土濕膠之XRD…….…53
Figure3.20Poly（NIPAAm）/SA（50）/純化膨土乾膠之XRD……...…54
Figure3.21Poly（NIPAAm）/SA（50）/0.5CEC膨土乾膠之XRD………55
Figure3.22Poly（NIPAAm）/SA（50）/1CEC膨土乾膠之XRD…….…..56
Figure3.23Poly（NIPAAm）/SA（50）/2CEC膨土乾膠之XRD………...57
第一章簡介
水膠（hydrogel）是一種具有立體網狀架構的親水性高分子，因此能保有大量水分或生化溶液而不溶解，且這些膠體會受外在的環境，如：
溫度的變化[1,2]、PH值的高低[3]、溶液中離子的種類及其濃度的不同[4]、甚至電場的大小[5]等影響，而有不同的膨潤度、體積變化，因此可應用於溶質分離及藥物遞送控制。
近年來此類高分子材料多使用於藥物釋放[6-11]等生醫材料的應用上。
一般熱感應性膠體是利用在不同溫度下，高分子鏈之親水性與疏水性之轉變，而產生體積之變化。
Poly（N-isopropylacrylamide），Poly（NIPAAm）即是由NIPAAm單體，聚合而成之熱感應性膠體，當水溫高於32℃時，網目中水分子熱焓量增加，使水分子由氫鍵結態轉成自由態，而從網目中釋放出，導致膠體收縮；當溫度低於32℃時，膠體則會再度吸水膨潤，此溫度稱為膠體臨界轉移溫度（CGTT，criticalgeltransitiontemperature），且膠體產生白化現象，所以又稱為”濁點”（Cloudpoint）。
由於Poly（NIPAAm）具此性質，故常做為熱感應性膠體的主要材料;而當在膠體中加入親水性單體如丙烯酸鈉後,可提高共聚合膠體的收縮溫度,即可改善Poly（NIPAAm）在未達37℃便已收縮的性質,而獲得較佳的藥物釋放的效果.
膨土[12]為一粒徑微小（1μm以下）、比表面積大，且具有相當良好的吸附能力之天然黏土礦物。
由於具有特殊的晶體結構和物理化學性質，使得膨土具有良好的吸水性、膨潤性、吸附性及陽離子交換等優異性質。
膨土乃是具有層狀結構之黏土礦物，能與多種有機化合物形成插層複合物，使成品在表面結構、結晶結構產生一系列獨特性，近年新的應用領域相當廣，例如：
奈米級複合材料、電子封裝材料、及核酸合成之觸媒[13]等。
一個單層膨土之單位晶胞是由二個氧化矽四面體層中間再夾一
個鋁八面體層所構成的，結構上屬於2：
1型黏土礦物，然而當膨土在四面體中的矽被鋁置換，而八面體中的鋁被鎂及二價鐵所取代，此
種異質同型取代作用使的膨土結構本身帶負電性，所以膨土會在矽酸鹽層間會吸引外來陽離子以達電荷平衡，此吸附量稱為陽離子交換容量（CationExchangeCapacity，簡稱CEC），其單位為m.e./100g。
膨土[14,15]為一鬆散的層狀矽酸鹽類，當與有機高分子摻合時，其高分子鏈可藉由擴散或剪力作用進入層中，進行插層聚合反應。
一般而言，膨土為一親水性易膨潤之天然黏土礦物[16]，因其親水性的關係，使得高分子聚合情形不佳，易產生凝聚情形。
所以，可利用長烷鏈四級胺鹽等作有機化、插層處理，使黏土中鈉、鈣離子置換出來，而且膨土層間距會增加，此時黏土以從親水性轉變成疏水性，容易與有機之高分子做插層聚合反應[17-20]。
而膨土擁有廣大的層狀空間及良好的吸附性質，所以有優異的層間插入性和吸附特性，且具有鹼性開層的性質，而過去文獻有作為藥物載體[21]之紀錄。
因此，本文的主要目的乃在探討NIPAAm、SA（50）與純化膨土、插層膨土共聚合之高分子複合材料之合成與性質，及其應用於藥物釋放之可行性。
第二章實驗部分
2.1實驗藥品
（1）N-Isopropylacrylamide（NIPAAm）：
單體，購自東京化成，為膠體主要成分，以正己烷精製後使用。
（2）Bentonite:
膨土,CEC值=114m.e./100g。
其結構如Figure2.1。
（3）Sodiumacrylate（50）:
單體,由氫氧化魶與丙烯酸進行中和皂化所
得中和度50%丙烯酸鈉。
（4）（3-Acrylamidopropyl）trimethylammoniumchloride（TMMAACl）:
插層劑，購自TCI。
（5）N,N-methylenebisacrylamide（NMBA）：
交聯劑，購自SIGMA。
（6）Ammoniumpersulphate（APS）：
起始劑，購自合光純藥，精製後使用.
（7）N,N,N’,N’-tetramethylethylenediamine（TEMED）：
促進劑，購自
Fluka。
（8）Caffeine，CrystalViolet：
藥物釋放的藥劑。
Figure2.1膨土之結構
2.2純化膨土
1.先將30g膨土與1升1NNacl水溶液在70℃下均勻攪拌至隔夜，使其膨潤完全。
2.之後靜置待溫度降至室溫，利用離心過濾機，取得上層乳白色懸浮乳液，之後將其過濾並用去離子水清洗數次直到滴入0.1NAgNO3都不會產生白色混濁。
3.之後將純化膨土以70℃乾燥之，且保存於乾燥烘箱中。
4.研磨、稱重得24.25g之純化膨土，產率80.8%。
2.3陽離子交換容量（CEC）之量測
1.取0.1g純化過膨土，加入30ml1N的NH4Ac，並震盪至隔夜，高速離心後並重覆步驟數次，以使膨土能充分吸收銨離子。
2.之後加入乙醇30ml震盪2小時，以洗去多餘NH4Ac，並用30ml10%的NaCl溶液分三次洗出銨離子，離心後收集上層澄清液，以Kjeldahl法測出Na+所取代的銨離子。
2.4Kjeldahl法測銨離子置換量
在尚未蒸餾樣品前，清洗裝置，控制加熱速率，使其5分鐘約蒸餾出30ml。
取5ml硼酸指示劑於125ml錐形平中並將蒸餾餾出管末導入硼酸指示劑液面下。
加入樣品5ml、10NNaOH10ml，並以少量蒸餾水將樣品洗入，開始蒸餾，蒸餾後，重複清洗步驟2次再進行下一樣品的蒸餾。
餾出液以0.001N硫酸標準液滴定，顏色由綠色變至終點
淡紅色，德滴定體積Vs。
並以同樣方法作空白實驗得滴定體積Vb。
單次樣品5ml中銨離子濃度C，計算公式：
0.001NH2SO4x（Vs-Vb）=Cx5
C:
單次樣品中銨離子濃度（N）
Vs:
樣品滴定體積（ml）
Vb:
空白樣品滴定體積（ml）
2.5硼酸指示劑配法
溶解0.099g溴甲酚綠及0.066g甲基紅於100ml之95%酒精即為混合指示劑。
溶解20g硼酸於950ml之熱蒸餾水中，待冷，加入20ml混合指示劑，經混合均勻後，滴加適量之0.1NNaOH，直至溶液成紅紫色，稀釋成一升。
2.6以TMMAACl插層劑來插層膨土
1.取純化過膨土5g，與插層劑TMMAACl以1倍CEC來使用，並加入0.01wt%hydroquinone當抑制劑，以500ml去離子水在70℃均勻攪拌一小時。
2.之後過濾出其沈澱物並以加熱過的H2O/乙醇（50/50v/v）清洗沈澱物直至滴入0.1NAgNO3都不會產生白色混濁。
3.將其保存於70℃烘箱。
4.研磨、秤重得產率83.8%。
2.7測量Zetapotential
1.取0.03g純化膨土、有機化膨土分別加入100ml去離子水中，均勻攪拌數小時，之後靜置10分鐘。
2.（如圖Figure2.2）開機，並加入sample於石英電解槽中。
鎖上電極並接上電極線。
3.調整儀器後面之K-factor調整鈕，並將面板上功能指示鈕指示在K-factor位置，調整K值與石英電解槽上之值與石英電解槽上之K-factor一致。
4.將功能指示鈕調至測試“specificconductance”位置，以測試樣品中之比電導度值。
5.調整電壓調整鈕至所需的電壓，即可由顯微鏡看出顆粒移動情形。
6.調整顯微鏡焦距即右燈光切換鈕尋找positionline，並將接目鏡中ox線對齊在線對齊在positionline。
7.調整左燈光切換鈕可由背景中尋求適合的scale，並將移動距離刻度指示鈕切換至相配合的scale上。
8.由keypad的測試按鍵根據左、右移動方向，當粒子開始通過刻度線時，按下測試鈕不放，直至粒子通過刻度線時，即放開。
9.根據相同的測試方式，可測得10組以上數據，且可由keypad上做測試數據分析。
10.測試完成後，將功能指示鈕調回standby位置。
11.經由以上步驟得純化膨土之zetapotential為-24.7mV，插層膨土之zetapotential為-19.5mV。
Figure2.2Zetapotential之裝置
2.8中和度50%丙烯酸鈉{SA（50）}之合成
1.將0.15moleNaOH溶於75mlH2O中，之後將此溶液逐滴加入於0.15moleAA中，即得中和度100%丙烯酸鈉。
2.然後加入0.15moleAA於中和度100%丙烯酸鈉溶液中，即得中和度50%丙烯酸鈉。
2.9膠體膜之合成（In-SituPolymerization）
在乾淨的sample瓶中，根據Table2.1（a）、（b）所示之比例加入單體NIPAAm（95mole%，1.075g）/SA50（5mole%，0.1482g）/純化、插層膨土，再加入交聯劑NMBA（5mol﹪），最後再加蒸餾水至總體積為10mL，於室溫下均勻攪拌至隔夜，此時膨土能均勻地分散於水溶液中，然後再加入起始劑APS（1mol﹪）和促進劑TEMED（1mol﹪），均勻混合迅速注入以siliconerubber為spacer的兩塊玻璃板中（厚度為2mm），待反應完成（成膜溫度8℃）即得共聚合膜。
其中NIPAAm/SA（50）/NMBA共聚合膠體的單體濃度為1M。
其組成如Table2.1（a）、（b）。
Table2.1（a）各組膠體之進料組成、產率及膨潤度
sample
純化膨土
（wt%），（g）
Yield
（%）
Qeq
（g/g）
P0
0（0g）
97.26
9.11
P1
1（0.0134g）
96.11
8.92
P5
5（0.0669g）
94.63
8.19
P8
10（0.1339g）
93.24
7.70
P12
15（0.201g）
96.75
7.65
P17
20（0.2678g）
95.52
7.40
Table2.1（b）各組膠體之進料組成、產率及膨潤度
sample
插層膨土
（wt%），（g）
Yield
（%）
Qeq
（g/g）
I1
1（0.0134g）
92.35
9.07
I5
5（0.0669g）
93.46
8.84
I8
10（0.1339g）
93.62
7.24
I12
15（0.201g）
95.26
6.84
I17
20（0.2678g）
93.27
6.54
2.10膠體的膨潤測試
將乾膠（重量為Wd）放入裝有10mL去離子水的sample瓶中，將其置於25℃之恆溫槽，每隔一段時間將膠體取出，以吸水紙將表面拭乾、秤重，第一小時每10分鐘測量一次，第2小時每20分鐘測量一次，第3~4小時每30分鐘測量一次，之後每1小時測一次，直至平衡，其重量為W∞。
為求膠體之吸水擴散係數D，取Mt/M∞≦0.8之數據，代入式（2.1），以Mt/M∞對（t/L2）1/2作圖，可求得斜率=（4/π1/2）D1/2。
－－－－－－－－－－（2.1）
其中L為乾膠的厚度（cm），Mt為吸水膠體在t時間之重量（g），M∞為膠體吸水平衡後之重量（g）。
又為說明水擴散進入膠體中的輸送機構，取Mt/M∞＜0.6之數據,代入式（2.2），求n、K值。
－－－－－－－－－－－－－－（2.2）
式中n表示輸送形式的特徵指數，K表示系統的特性常數。
另外膠體的膨潤度（SwellingRatio，SR）以式（2.3）表示之
－－－－－－－－－－－－－（2.3）
式中Wt表示在t時間膠體的重量（g）。
2.11膠體在不同溫度下之平衡膨潤度測定
將膠體放入裝有10mL去離子水的sample瓶中，依序置於15℃、25℃、30℃、32℃、35℃、37℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃等不同溫度之恆溫槽中，測量膠體達到平衡時的膨潤度。
2.12藥物釋放之測試－Caffeine釋放、CV釋放
2.12.1於去離子水中之藥物釋放
（1）Caffeine釋放
將2片圓盤狀之乾膠置於裝有300ppm的咖啡因溶液的sample瓶中，靜置於25℃之恆溫槽中，待其達平衡後（約2天）將膠體取出，拭乾膠體表面的水後，放入10mL去離子水的玻璃瓶中並置於37℃的恆溫槽中，於固定時間後（第一小時，每隔10分鐘；第二小時，每隔20分鐘；第三小時，每隔30分鐘；之後，每隔一小時），將膠體移置另一裝有10mL之去離子水之sample瓶中，直到膠體中的咖啡因不再釋放為止，咖啡因釋放量由UV-spectrophotometer（JASCOUV-530）於波長272nm處求得；以UV先作檢量線，再測所釋放之咖啡因濃度，並以Mt/M∞表示之，其中Mt為膠體在時間t的咖啡因釋放量，M∞為膠體所吸收的咖啡因總量。
（2）CV釋放
將2片圓盤狀之乾膠置於裝有300ppm的CV溶液的sample瓶中，靜置於25℃之恆溫槽中，待其達平衡後（約2天）將膠體取出，拭乾膠體表面的水後，放入10mL去離子水的玻璃瓶中並置於37℃的恆溫槽中，於固定時間後（第一小時，每隔10分鐘；第二小時，每隔20分鐘；第三小時，
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