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研究生:蒯德榮
研究生(外文):Kuai-Te-Jung
論文名稱:溫度敏感性高分子材料之合成與性質分析
指導教授:李育德李育德引用關係
指導教授(外文):Yu-Der Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:聚異丙基丙烯醯胺共聚合物反應性比活性自由基聚合可逆加成-斷裂鏈轉移
外文關鍵詞:Poly(N-isopropylacrylamide)Poly(ethylene glycol)(200)monomethacrylatePoly(ethylene glycol)(1000)(monomethether) monomethacrylatecopolymerreactivity ratioliving free radical polymerizationReversible Addition Fragmentation Chain Transfer Process
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摘要
生醫材料可廣泛地應用到各種醫療器材中,像是注射針筒、血袋、引流導管及植入物( implant )、人工臟器等。這些生醫材料不斷地被研究、改良中。目前最富挑戰性且最被科學界、醫學界關心研究的即為植入性,需直接與生物體接觸的植入物及人工臟器等生醫材料的發展。而在各種生醫高分子材料中,由於水膠的含水量高,被視為具有良好生體適用性的生物醫材,所以非常適合於生物醫學之需求與生體組織接觸的應用。
本研究將合成具有溫度敏感及生體適應性佳的水膠高分子,將來可應用於生醫領域,例如:仿人工胰臟( artificial pancreas )之基材。研究重點分為以下三部分:
第一部份為二成份共聚合水膠高分子之合成,利用具溫度敏感性的N-isopropylacrylamide( NIPAAm )單體及生體適應性佳的PEG系列之親水性共單體行傳統自由基共聚合反應,以得到不同比例之共聚合高分子水膠,並以核磁共振儀( Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer )、元素分析( Elemental analysis )、紅外線光譜儀( Infrared Spectrometer )及微差掃瞄熱卡計( Differential Scanning Calorimeter )對其結構作詳細分析。除此,再以加熱式分子紫外光/可見光光譜儀( UV-vis Spectrometer )求得其水膠高分子之相轉移溫度( Lower Critical Solution Temperature )。
第二部分為則是利用可逆加成-斷裂鏈轉移-Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Process ( RAFT )之活性自由基聚合的方式來改善水膠高分子之分子量分佈,以期得到較溫度專一性的水膠高分子。
第三部分為單體反應性比之實驗,吾人以Fineman-Ross method及Kelen-Tudos method求出單體之反應性比,進而探討此二成份系列共聚合體之排列結構對其溫度敏感性的影響。
綜合上述實驗結果,增加PEG系列親水性共聚單體之組成及分子量,可使二成份共聚水膠高分子之LCST值提昇。因此,我們可以合成出一系列溫度敏感性之兩成份共聚合水膠高分子,其相轉移溫度( LCST )可由共聚單體的組成及與分子量予以調控。
吾人以Fineman-Ross method及Kelen-Tudos method求出兩單體反應性比(r1及r2)之結果,得知其相乘積小於1與DSC所測得各組成之水膠高分子皆只有單一Tg及各組成之Tg皆介於兩單體均相聚合物Tg之間的結果相符合,則我們可更加確認此一系列二成份共聚水膠高分子為雜亂排列之高分子結構。
另外,我們可成功地合成出可逆加成-斷裂鏈轉移之活性自由基聚合技術所需之鏈轉移劑( RAFT agent ),並利用此技術合成NIPAAm之均相聚合物及兩成份共聚水膠高分子。由GPC測得之結果顯示,其PDI值可控制得比以傳統自由基聚合的更窄一些。因此,可得到更溫度專一性之共聚合水膠高分子。

目錄
摘要 I
目錄 III
化學結構式 XI
第一章 緒論 1
1-1 【目的】 1
1-2 【研究背景】 2
第二章 理論與文獻回顧 4
第一部份: 4
2-1 【水膠之歷史與定義】 4
2-2 【水膠之常用單體】 5
2-3 【合成方式】 6
2-4 【智慧型水膠之概述】 7
2-5 【智慧型材料之相關應用】 16
第二部分: 29
2-6 【活性自由基聚合之簡介】 29
第三部分: 35
2-7 【自由基共聚合反應之單體反應性比】 35
2-7-1共聚合反應機構 35
第三章 實驗動機 38
第四章 實驗部分 39
4-1 【實驗藥品】 39
4-2 【實驗儀器】 40
4-3 【實驗方法】 41
4-3-1 二成分共聚合水膠高分子之合成 41
4-3-2 單體反應性比( reactivity ratio )之實驗 43
4-3-3 鏈轉移劑( RAFT agent )之合成 45
4-3-4 可逆加成-斷裂鏈轉移之活性自由基聚合 46
4- 4 【分析鑑定方法】 47
4-4-1 二成份共聚合水膠高分子之性質分析與組成鑑定 47
4-4-2 共聚物組成之分析 50
4-4-3 鏈轉移劑( RAFT agent )之分析與鑑定 51
4-4-4 活性自由基聚合水膠高分子之性質分析 53
第五章 結果與討論 54
5-1 【兩成份共聚合水膠高分子之基本性質分析】 54
5-1-1 紅外線光譜分析( IR ) 54
5-1-2 分子紫外光/可見光光譜分析( UV-vis spectrum ) 58
5-1-3 氫原子核磁共振光譜分析( 1H-NMR ) 62
5-1-4 元素分析(EA) 75
5-1-5 微差掃描分析( DSC ) 77
5-1-6 凝膠滲透色層分析儀之分析( GPC ) 82
5-2 【共聚合反應之單體反應性比的分析】 83
5-3 【活性自由基之聚合】 89
5-3-1鏈轉移劑( RAFT agent )之結構鑑定 89
5-3-2可逆加成-斷裂鏈轉移之活性自由基聚合 93
第六章 結論 94
第七章 參考文獻 95
圖目錄
圖 一 (a)化學鍵結水膠與(b)物理鍵結水膠結構示意圖[11] 4
圖 二 溫度敏感性高分子( PNIPAAm )水合與去水合之可逆變化[19] 10
圖 三 oligo( NIPAAm )之示意圖[20] 11
圖 四 PAA主幹中-COOH group與oligoNIPAAm接枝側鏈中-CONH group氫鍵形成之假想圖[21] 13
圖 五 智慧型材料於生醫領域上之應用 16
圖 六 化學控制閥[14] 17
圖 七 NIPAAm分離Ig-G程序之示意圖[24] 18
圖 八 Hoffman之抗體分離程序示意圖[25] 19
圖 九 合成DNA hydrogel之流程圖[26] 20
圖 十 利用溫度敏感型高分子進行蛋白質產物分離與酵素重複使用的程序[29] 21
圖 十一 Poly(NIPAAm)表面接枝的基材利用溫度改變使細胞層脫離之示意圖(a) TCPS基材, (b)多孔性基材[31] 24
圖 十二 傳統輸藥劑型與釋放控制劑型血中藥物濃度變化之比較[25] 25
圖 十三 蛋白質藥物於pH/thermosensitive beads中之釋放機制[38] 28
圖 十四 10-90-10-1k-1% (G)水膠高分子之IR光譜圖 55
圖 十五 10-80-20-1k-1% (H)水膠高分子之IR光譜圖 56
圖 十六 10-70-30-1k-1% (I)水膠高分子之IR光譜圖 57
圖 十七 NIPAAm&PEG-monomethacrylate (MW=200)二成分
共聚合水膠(A~C)之UV圖 58
圖 十八 NIPAAm&PEG-monomethacrylate (MW=200)二成分
共聚合水膠(D~F)之UV圖 59
圖 十九 NIPAAm&PEG-monomethether monomethacrylate
(MW=1000)二成分共聚合水膠(G~I)之UV圖 60
圖 二十 10-90-10-1%(A)之1H-NMR光譜圖 66
圖 二十一 10-80-20-1%(B)之1H-NMR光譜圖 67
圖 二十二 10-70-30-1%(C)之1H-NMR光譜圖 68
圖 二十三 10-90-10-2.5%(D)之1H-NMR光譜圖 69
圖 二十四 10-80-20-2.5%(E)之1H-NMR光譜圖 70
圖 二十五 10-70-30-2.5%(F)之1H-NMR光譜圖 71
圖 二十六 10-90-10-1k-1%(G)之1H-NMR光譜圖 72
圖 二十七 10-80-20-1k-1%(H)之1H-NMR光譜圖 73
圖 二十八 10-70-30-1k-1%(I)之1H-NMR光譜圖 74
圖 二十九 NIPAAm均相聚合物之DSC分析圖 77
圖 三十 PEG-monomethether monomethacrylate ( MW = 1000 )
均相聚合物之DSC分析圖 78
圖 三十一 10-90-10-1k-1% (G)之DSC分析圖 78
圖 三十二 10-80-20-1k-1% (H)之DSC分析圖 79
圖 三十三 10-70-30-1k-1% (I)之DSC分析圖 79
圖 三十四 vs. w1 作圖 81
圖 三十五 Fineman-Ross method of NIPAAm/PEG(200) system plot 85
圖 三十六 Kelen-Tudos method of NIPAAm/PEG(200) system plot 86
圖 三十七 鏈轉移劑( RAFT agent )之IR光譜圖 89
圖 三十八 鏈轉移劑( RAFT agent )之DSC分析圖 90
圖 三十九 鏈轉移劑( RAFT agent ) 之1H-NMR光譜圖 91
表目錄
表 一 水膠之常用單體 5
表二 水膠合成之方法 6
表 三 多醣類( Polysaccharies )依來源分類 8
表 四 Pluronic水膠相轉移溫度與其組成之關係 9
表 五 各種RAFT鏈轉移劑之合成方式與條件 33
表 六 二成份共聚合水膠高分子之配方表 42
表 七 Dulbecco's phosphate buffered saline緩衝溶液之配製方法 47
表 八 二成份共聚水膠高分子(A ~ I)之LCST 61
表 九 NIPAAm與PEG -monomethacrylate(MW = 200)
兩成份共聚水膠1H-NMR光譜波峰之化學位移 64
表 十 NIPAAm與PEG-monomethether monomethacrylate(MW=1000)
兩成份共聚水膠1H-NMR光譜波峰之化學位移……..………65
表 十一 1H-NMR組成之鑑定 75
表 十二 二成份共聚水膠高分子之N (%)理論值 76
表 十三 EA組成之鑑定 76
表 十四 各組成水膠高分子之玻璃轉移溫度 80
表 十五 各組成水膠高分子之重量平均分子量及聚散度 82
表 十六 瞬間共聚物之EA分析數據 83
表 十七 兩單體均相聚合時間與轉化率之關係 84
表 十八 Fineman-Ross method of NIPAAm/PEG(200) system data 85
表 十九 Kelen-Tudos method of NIPAAm/PEG(200) system data 86
表 二十 由不同method求出之單體反應性比 87
表 二十一 鏈轉移劑( RAFT agent )之元素分析表 92
表 二十二 傳統自由基聚合物與可逆加成-斷裂鏈轉移活性自由基
聚合物PDI之比較 93
化學結構式
Scheme 1 Pluronic polyols之化學結構式 8
Scheme 2 PEG-PLGA-PEG triblock copolymers之化學結構式 9
Scheme 3 NIPAAm-g-AA接枝高分子之化學結構 12
Scheme 4 光敏感性高分子之化學結構 15
Scheme 5 苯乙烯以TEMPO活性聚合之反應機制[46] 30
Scheme 6 原子轉移自由基聚合之反應機制[48] 31
Scheme 7 RAFT 鏈轉移劑合成之反應機制[42] 32
Scheme 8 1-a鏈轉移劑之合成 33
Scheme 9 RAFT-活性自由基聚合之反應機制[42] 34
Scheme 10 二成份共聚合水膠高分子合成之流程 41
Scheme 11 1-e鏈轉移劑之合成 45
Scheme 12 雜亂排列共聚物之假想結構 87

第七章 參考文獻
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