TWI274059B

TWI274059B - Novel thermo-responsive water soluble polymers for viscosity switch

Info

Publication number: TWI274059B
Application number: TW094111744A
Authority: TW
Inventors: Hsun-Yu Li; Chih-Hsiang Lin; In-Mau Chen
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2007-02-21
Also published as: US7417101B2; TW200635964A; US20060235176A1

Description

1274059 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】一種水溶性熱應本發明係關於一種高分子材料，尤指答之高分子材料。【先前技術】能接受環境刺激而變化其本身性質的材料，為智藝型 • #料u接受化學或物理性刺激包含溫度、壓力、酸驗 - 值、電場等，而使其產生收縮或膨脹改變達！,〇〇〇倍以上。 H)目前智慧型水膠的開發主要朝向⑴能接受不同範圍或不同性質的刺激；(2)能具有快速應答的性質；(3)能在微小的刺激範圍下產生應答開發。由於智慧型水膠的特殊性質，因此在各種領域上皆有其應用的地方，如醫學、化學、環境工程、生物學等市場。 15 一大部份的高分子材料其對水的溶解性是隨著溫度的升 • 高而增加，然而，智慧型水膠對水的溶解性卻會隨著溫度的升高而下降，此種性質我們稱之為低臨界溶液溫度 critical solution temperature，LCST)。造成此種現象的原因疋因為當低溫時，材料之親水鏈段與水分子間的氫鍵作用 2〇力較強，所以能溶於水中，當溫度提升後，材料的疏水鏈段彼此間的作用力提高，而與水分子間的氫鍵變弱，降低溶解性。一水膠是一種3D高分子網狀結構，隨著溶劑的吸附或脫附而有膨脹或收縮的行為，此種特性使水膠性質介於、夜體 1274059 及固體之間。目前，工業上水膠的應用最大的限制在於其聖心大小及相的改變。研究人員目前積極地想將智慧型水膠應用於生醫材料、藥物傳輸及組織工程等方面。對於人體應用而言，溫度及酸鹼值是主要調控的變因，設計出一 5個具有生物相容性（生物可分解性）、應答速度快且適合的智慧型水膠是目前的開發方向。从流體晶片（Microfluidic chip) ’是將小至幾個微升 (m1Cr〇liter)甚至奈升（nan〇mter)體積的液體，導入佈滿毛細 =道的晶片中，以機械式或非機械式之幫浦，讓液體在微 10 s道中執仃混合、分離、或培養、加熱、PCR等實驗室所用的反應；分離用之微流體晶片巾，其使用之流體係包含了欲被分離或是進行培養處理之生物性材料，其分離用流體則必須考慮其分離解析度與在毛細管流道中的流動效果；將智慧型水膠運用於微流體晶片，藉由外界溫度控制 !5其黏度變化，可解決微流體在晶片毛細管中流動性與解析度無法兼具的窘境’達到利用網狀高分子進行高解析度之分離時，其中之高分子流體不致因溫度變化產生之相：而破壞結構或影響流速。 20 【發明内容】 ^本發明可提供—種水溶性熱應答高分子共聚合物，其可藉由外界溫度控制其黏度變化，使其中之高分子流體^ 致因溫度變化產生之相分離而破壞結構或影響流速机因此非常適合應用於微流體晶片。 1274059 本發明利用異丙基丙烯醯胺、1-乙烯基吡略烧以及丙烯酸三種單體中的至少兩種，利用自由基共聚合而成一共聚物’以不同比例接枝在高分子量之聚丙烯醯胺親水性主鏈上’可形成具有熱可逆水溶的特性，其在溫度上升至特 5 疋/里度（低臨界溶液溫度）時會呈現高黏度不易流動的狀態，反之則稀薄易於流動；當改變單體的組成比例時，可調整黏度劇變的溫度。本發明之水溶性熱應答高分子共聚合物，其可由以下單體共聚合而成：0.5〜20重量百分比之異丙基丙烯醯胺 10 (N-isopropyl acrylamide，NIPAAm) ; 0.5〜20重量百分比之 1-乙浠基吡略烧（l-vinyl-2- pyrrolidinone，VPD); 〇.〇1 〜1〇重量百分比之丙烯酸（acrylic acid，AA);以及80〜90重量百分比之丙稀醯胺（acrylamide)。本發明之共聚合物，可包括如下式（I)結構：

15 h3c ch3 式⑴，其中，X，m，n，z各自為大於1之整數，且X : m : n : z之重量濃度比為〇.〇3〜0.06 ·· 0.005〜0· 19 ·· 0.005〜0· 19 : 〇 8〜0.9。本發明更揭示另一水溶性熱應答高分子共聚合物，其 -20 可由以下單體共聚合而成：〇.5〜20重量百分比之異丙基丙烯醯胺（N-isopropyl acrylamide，NIPAAm) ; 0.5〜20重量百分比之卜乙稀基17比洛烧（l-vinyl-2· pyrrolidinone，VPD);以 1274059 及80〜90重量百分比之丙炸酿胺（acrylamide)。本發明共聚合物，可包括如下式（II)結構：

h3c ch3 ，式（II);

10 其中’ m，n，z各自為大於1之整數，且m : n : z之重量濃度比為 0.005 〜0.19 ·· 0.05 〜0.19 ·· 0.8 〜0.9。本發明共聚合物之低臨界溶液溫度範圍可為〇。〇-丨00 C ;且黏度可為50-12000cp，其中當熱應答溫度降至室溫時’此時之黏度為60〜300cp ;而增加熱應答溫度至7〇°C時，此時之黏度為5000〜1 lOOOcp。【實施方式】實施例 1、Poly (NIPAAm-VPD-AA)之製備反應方式如下流程圖I ’加入單體N-Vinylpyrrolidone 15 (VPD)的目的是為了提高Poly(NIPAAm)材料的LCST。加入單體丙烯酸的目的是為了降低Poly(NIPAAm)的LCST，因為丙烯酸本身的C00H官能基會產生氫鍵，使材料易收縮而沉澱，從而減低LCST。

8 20 1274059 10 Η、 /Η C=C\ I Η C=0 I NH I CH h3c/ xch3 h2c—CH2 h2c c=o NX hc=ch2 h2c: + Γ C=〇

K2S20g AET.HCL

OH

H2N-一HC——CH2-- I C=0 n I NH I 0= CH

H3C CH, -HC--CH2 Nv ch2 H9C—ch2 •CH-

C=0 OH -NH,

25

流程圖I 反應步驟如下述： (1) 取單體 NIPAAm(20g)、VPD (2g)、丙烯酸（2g)置於 5〇〇ml 之梨形反應瓶中，慢慢攪拌，抽灌氮氣兩次使其完全除氧； (2) 取200ml去離子水以冷凍真空的方式除氧後，N2下以雙針轉移至500ml之梨形反應瓶中；慢慢授拌，使單體完全溶解； (3) 另取50ml之梨形反應瓶’加入〇.5g起始劑（Kps)、lg鏈轉移劑（AET· HC1)，抽灌氮氣兩次使其完全除氧，a下以雙針轉移約10ml去離子水；慢慢攪拌，使固體完全溶解； (4) 將起始劑與鏈轉移劑的混合溶液，％下以雙針轉移至 3〇 500ml之梨形反應瓶中，快速攪拌緩慢升溫； (5) 將溫度維持在45。<：，反應3小時； (6) 將乙醚加入反應後的溶液中，靜置分層後取下層液體，減壓乾燥後可得淡黃色粉末，即為末端具有amine以〇叩之

Poly (NIPAAm-VPD-AA)。 1274059 貫施例2、末端具有acryiainid〇 gr〇up之Poly (NIPAAm-VPD-AA) 反應方式如下流程圖II，加入丙烯酸的目的是為了在

Poly (NIPAAm-VPD-AA)鏈末端形成 acrylamido group ，提供與親水性主鏈poly Acrylamide接枝反應所需之雙鍵。

H2C=rCH C=〇

I

OH

ίο 流程圖π 反應步驟如下述： (1)取Poly(NIPAAm-VPD-AA)(9g)、丙烯酸（1.5g)、DCCl (4.3g )、methylene chloride ( 50ml )置於之梨形反應瓶中，室溫下慢慢攪拌； 15 (2)取200ml去離子水以冷凍真空的方式除氧後，N2下以雙針轉移至500ml之梨形反應瓶中；慢慢攪拌，使單體完全溶解； (3)另取50ml之梨形反應瓶，加入〇.5g起始劑（KPS)、lg鏈轉 1274059 移劑（aet · HC1)，抽灌氮氣兩次使其完全除氧，N2下以雙針轉移約10ml去離子水；慢慢攪拌使固體完全溶解； (4) 將起始劑與鏈轉移劑的混合溶液，n2下以雙針轉移至 500ml之梨形反應瓶中，快速攪拌緩慢升溫； (5) 2小時後反應停止，過濾反應溶液除去固體副產物； (6) 將乙醚加入過濾後的澄清濾液中，靜置分層後取下層液體，減壓乾燥後可得淡黃色粉末，即為末端具有acrylamid〇 group之Poly (NIPAAm_VPD-AA)。實施例 3、Poly (NIPAAm·VPD-AA)與 polyAcrylamide接枝反 10 應反應方式如下流程圖III，加入丙烯醯胺的目的是做為親水性主鏈，當外界溫度達到LCST時，溫感型的側鏈互相纏繞吸引配合南分子量的主鍵，使得材料黏度大增。 15

h2c=ch—c—HN "HC~CH，

NH CH

HsC NCH, -HC- H2 ch9 in •NH-C—CH = CH2 v 〇 h2c——ch2 〇 (NH4)2S208 ch2 :CH-C-NH2

Nfl2S2〇5 20 —HC一CH2 I c=oI NH I CH U3C CH3 0= •HC—C- N\ =(/ ch2I I h2c—-ch2 -ΓΟΗ -N 一 -C-CH2-C-TCH2-CH2-Cl -nh2 流程圖in 25 1274059 - 反應步驟如下述： (1) 取 Poly (NIPAAm-VPD-AA)、丙埯酸胺（2.8g)、置於 l〇〇ml 梨形反應瓶中，抽灌氮氣兩次使其完全除氧。 (2) 取50ml去離子水以冷凍真空的方式除氧後，化下以雙針 5 轉移至l〇〇ml之梨形反應瓶中。室溫下持續攪拌，使單體完全溶解。 (3) N2下加入O.Olg起始劑（APS)、O.Olg起始劑（NaMBS)，反應開始。修（4) 4小時後反應停止，將反應溶液倒入…的丙酮中進行沉 -10 降，過濾後乾燥分析；得到產物。實施例4、黏度檢測將實施例3產物溶解於水後，注入歐斯特瓦爾德黏度管中，在不同的水浴溫度下檢測其黏度。當丙稀酸的成份 &咼，可降低熱應答溫度至室溫，此時之黏度為6〇〜3〇〇叩； 15當產物中A份提高，可增加熱應答溫度 - 至70°c，此時之黏度為5000〜ll〇〇〇cp。 _ 本發明含兩種或三種單體的共聚智慧型高分子材料，在VPD含量上升時可使材料的LCST提升至1〇(rc，且提高材料的水浴性，而當AA的含量上升時則會使1^§丁降低至〇 2〇 °C。藉由調配主鏈與側鏈適當的比例，使此種新材料在不同的LCST都可大幅度改變其黏度與流動性，因此當運用於微流體晶片時，可針對不同性質的待測樣品作調整。 • 上述κ施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 12 1274059 於上述實施例。【圖式簡單說明】無【主要元件符號說明】 5

Claims

1274059 十、申請專利範圍： 1 · 一種水溶性熱應答高分子共聚合物，其係由以下單體共聚合而成： 5

10 0.5〜20重量百分比之異丙基丙稀醯胺（N-isopropyl acrylamide，NIPAAm); 0.5〜20重量百分比之1-乙烯基吼嘻烧（i-vinyi_2_ pyrrolidinone，VPD); 0.01〜10重量百分比之丙稀酸（aery lie acid，A A);以及 80〜90重量百分比之丙稀酸胺（acrylamide)。 2·如申請專利範圍第1項所述之共聚合物，係包括如下式（I)結構：

15

其中’ X，m，n，z各自為大於1之整數，且X :❿：〇之重里浪度比為0·03〜〇〇6 ·· 〇〇〇5〜〇 19 : 〇〇〇5〜 0.8〜0.9 〇 ζ 之共聚合物，其低臨界之共聚合物，其黏度為 3·如申請專利範圍第1項所述溶液溫度範圍為0°C-i〇〇t：。 4.如申請專利範圍第丨項所述 50-12000cp 〇 5. 種水溶性熱應答高分子共聚合物，其係由以下單 14 20

0.5〜20重量百分比之異丙基丙烯醯胺（N七〇pr〇pyl acrylamide, NIPAAm)； 1¾綠，95年9月修頭體共聚合而成： 0·5 2〇重里百为比之1-乙稀基π比洛烧（ivinyn pyrrolidinone，VPD);以及 80〜90重量百分比之丙烯醯胺（acrylamide)。 6·如申請專利範圍第5項所述之共聚合物，係包括如下式（II)結構：

h3c ch3 10 ，式（II); 其中，m，n，z各自為大於i之整數，且m ·· n : z之重量濃度比為 0.005 〜0.19 : 0.005 〜0.19 : 0.8 〜0.9。 7·如申請專利範圍第5項所述之共聚合物，其低臨界 •溶液溫度範圍為(TC-lOOt：。 15八8·如申請專利範圍第$項所述之共聚合物，其中該高分子共聚物之黏度為5〇-12〇〇〇cp。 15