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系統識別號 U0002-2908200704272000
中文論文名稱 幾丁聚醣選擇性接枝聚氮-異丙基丙烯醯胺的合成及其酸鹼/溫度敏感性質研究
英文論文名稱 Synthesis and Properties of dual-responsive copolymer hydrogels based on chitosan selectively grafted with poly(N-isopropyl acrylamide)
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 周書仲
研究生英文姓名 Shu-Chung Chou
學號 694361469
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-26
論文頁數 100頁
口試委員 指導教授-董崇民
委員-邱文英
委員-周秀慧
委員-陳志成
中文關鍵字 幾丁聚醣  聚-氮異丙基丙烯醯胺  鄰苯二甲酸酐 
英文關鍵字 chitosan  NIPAAm  Phthalic anhydride 
學科別分類
中文摘要 本研究主要是以幾丁聚醣(CS)為材料,先利用鄰苯二甲酸酐和幾丁聚醣的胺基反應,藉以保護具有生物活性的胺基以及增加幾丁聚醣在有機溶劑中的溶解性;接著利用3-異丙烯基-α,α-二甲基卞基異氰酸鹽(TMI)與經鄰苯二甲酸酐修飾後的幾丁聚醣上的-OH基反應,使幾丁聚醣擁有雙鍵。再利用聯胺水溶液反應以去除鄰苯二甲酸酐保護基而得到我們所需的產物(CS-TMI),再將此產物加入不同比例的氮-異丙基丙烯醯胺單體,利用光聚合反應聚合形成幾丁聚醣接枝聚氮-異丙基丙烯醯胺共聚物。利用FTIR、NMR可以知道利用苯酸酐保護了大量的胺基、並且成功的接上TMI於幾丁聚醣醣環的-OH上,並留有雙鍵,利用元素分析可以知道 TMI 的取代度為0.25。利用重量法計算幾丁聚醣接枝聚氮-異丙基丙烯醯胺共聚物的單體轉化率、接枝效率及接枝比值,結果發現單體轉化率和接枝比值隨著單體添加量的增加而增加,最大的接枝比值可以到達3.42,而接枝效率則都維持在90%左右。所合成出來的共聚物同時擁有溫度敏感性以及酸鹼敏感性。將此共聚物進行結構分析、熱分析、膨潤比、LCST、細胞培養等測試。測試結果顯示此共聚物為接枝型共聚物,由於擁有幾丁聚醣鏈段,在酸性環境下膨潤性最大,而溫度敏感性則隨著PNIPAAm接枝量的增加而越明顯,共聚物的LCST值則和純的PNIPAAm一樣維持在32oC,並且無細胞的毒性。
英文摘要 In this research, phthalic anhydride(PA) was ued to react with the amino group of chitosan to protect amino group and increase chitosan solubility in organic solvent. Then 3-Isopropenyl-α,α-dimethylbenzyl isocyanate(TMI) was reacted with the hydroxyl group of PA substituted chitosan, that introduced double bond to chitosan. Subsequently hydrazine hydrate was used to remove PA and bing amino group back to CS(CS-TMI). Finnally different amounts of N-isopropylacrylamide monomer(NIPAAm) and photoinitiator were added to prepare PNIPAAm-graft-chitosan copolymers by UV irradiation.
FTIR and NMR were used to characterize and confim the structures of PA-substitated CS and TMI-CS. From the elemental analysis, we could decide the degrees of substitution of PA as well as TMI in chitosan. The degree of TMI substitution was calculated to be 0.25. Afte UV-initiated graft polymerization of NIPAAm onto TMI-CS. We found that the conversion and grafting ratio were both inceased with increasing monomer amount. The maximum grafting ratio obtained was 3.42 and the grafting efficiency maintained at about 90%. The synthesized copolymer had dual thermal and pH-sensitive properties. DSC and TGA were employed to measure the thermal properties of the prepared copolymers. Swelling ratio was measured to understand the pH and thermal responsive behaviors. Finally, cell biocompatibility was evaluated by cell culture and MTT test on the membranes.
論文目次 目錄
中文摘要 I
Abstract III
目錄 V
圖目錄 X
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 幾丁質與幾丁聚醣 3
2.1.1 來源與結構 3
2.1.2 幾丁質與幾丁聚醣的製備 5
2.1.3 物理與化學性質 6
2.2 幾丁聚醣的化學改質 7
2.2.1 醯化反應(Acylation) 7
2.2.2 鄰苯二甲酸酐反應(Phthaloylation) 9
2.2.3 甲苯磺醯化反應(Tosylation) 10
2.2.4 烷化反應(Alkylation) 12
2.2.5 還原烷化反應(Reductive alkylation) 13
2.2.6 羧基甲基化反應(Carboxymethylation) 15
2.2.7 矽烷化反應(Silylation) 16
2.3 溫度敏感型水膠 16
2.3.1 水膠的定義 16
2.3.2 環境敏感型高分子 17
2.3.3 溫度敏感型高分子 18
2.3.4 影響水膠膨潤的因素 20
2.3.5 生物相容性和毒性測試 21
2.4 幾丁聚醣與聚氮-異丙基丙烯醯胺共聚物 22
第三章 實驗 24
3.1實驗藥品 24
3.2實驗儀器 30
3.3實驗步驟 33
3.3.1 幾丁聚醣的純化及性質測定 33
3.3.2 幾丁聚醣與鄰苯二甲酸酐反應 34
3.3.3 經苯酸酐修飾的幾丁聚醣與3-異丙烯基-α,α-二甲基卞基異氰酸鹽反應 35
3.3.4 還原胺基反應 36
3.3.5幾丁聚醣接枝聚氮-異丙基丙烯醯胺共聚物的合成 36
3.4 結構鑑定 37
3.4.1 傅氏紅外線吸收光譜(FTIR) 41
3.4.2 液態1H-NMR光譜 42
3.4.3 固態13C-NMR光譜 42
3.4.4 X-ray繞射光譜分析儀(XRD) 43
3.5 鄰苯二甲酸酐取代度(EA)的測定 43
3.6 3-異丙烯基-α,α-二甲基卞基異氰酸鹽取代度的測定(EA) 43
3.7 聚氮-異丙基丙烯醯胺接枝量測定 44
3.8 熱性質分析 44
3.8.1 熱重分析(Thermal Gravimetric Analysis, TGA) 44
3.8.2 微差掃描熱分析儀(Differential Scanning Calorimeter,DSC) 45
3.9 膨潤比測試(Swelling Ratio Test) 45
3.10 LCST(Lower Critical Solution Temperature)的量測 45
3.11 纖維母細胞的培養及活性(MTT)測試 46
3.11.1 L929細胞株培養 46
3.11.2 薄膜前處理(滅菌) 47
3.11.3 細胞接種 47
3.11.4 MTT測試 48
第四章 結果與討論 50
4.1.1 去乙醯度的測定 50
4.1.2 分子量的測定 51
4.1.3 樣品之紅外線吸收光譜圖(FTIR)分析 53
4.2 鄰苯二甲酸酐修飾幾丁聚醣反應 54
4.2.1 樣品之紅外線吸收光譜圖(FTIR)分析 55
4.2.2 X-ray繞射光譜分析儀(XRD) 56
4.2.2 樣品之固態13C-NMR光譜分析 57
4.2.3 鄰苯二甲酸酐取代度(DS)的測定 60
4.3 鄰苯二甲酸酐修飾幾丁聚醣與3-異丙烯基-α,α-二甲基卞基異氰酸鹽反應及胺基還原反應 61
4.3.1 樣品之紅外線吸收光譜圖(FTIR)分析 62
4.3.2 樣品之液態1H-NMR光譜分析 64
4.3.3 樣品之固態13C-NMR光譜分析 67
4.3.4 TMI取代度(DS)的測定 70
4.3.5 X-ray繞射光譜分析儀(XRD) 70
4.3.6 熱重分析(TGA) 71
4.4 還原胺基的幾丁聚醣與聚氮-異丙基丙烯醯胺接枝反應 73
4.4.1 樣品之紅外線吸收光譜圖(FTIR)分析 74
4.4.2 樣品之固態13C-NMR光譜分析 76
4.4.3 轉化率、接枝比值及接枝效率 80
4.4.4 熱重分析(TGA) 80
4.4.5 微差掃描熱分析(DSC) 83
4.4.6 膨潤比分析(Swelling Ratio) 85
4.4.7 LCST的測量 90
4.4.8 細胞相容性測試 93
第五章 結論 95
第六章 參考文獻 97


圖目錄
圖2-1 纖維素、幾丁質、幾丁聚醣之化學結構 4
圖2-2 幾丁質的去乙醯反應 6
圖2-3 乙醯化反應 8
圖2-4 醯化反應 8
圖2-5 苯二甲醯化反應 10
圖2-6 苯二甲醯化幾丁聚醣的改質反應 10
圖2-7 甲苯磺醯化反應 11
圖2-8 甲苯磺醯基改質反應 12
圖2-9 幾丁聚醣的烷化反應 13
圖2-10 席夫鹼的形成 14
圖2-11 還原烷化反應 14
圖2-12 氧-羧基甲基化反應 15
圖2-13 氮-羧基甲基化反應 15
圖2-14 矽烷化反應 16
圖2-15 (a)PNIPAAm結構(b)利用溫度敏感特性貼附及脫附細胞 20
圖3-1 反應流程圖 38
圖3-2 幾丁聚醣與鄰苯二甲酸酐的反應結構式 39
圖3-3 PACS與3-異丙烯基-α,α-二甲基卞基異氰酸鹽反應結構式 39
圖3-4 TMI修飾幾丁聚醣與氮-異丙基丙烯醯胺接枝聚合反應式 40
圖3-5 還原胺基反應機制 41
圖3-6 細胞培養流程 49
圖4-1 D取代的高溫酸解後幾丁聚醣分子式 51
圖4-2 高溫酸解後的幾丁聚醣的1H-NMR光譜圖 51
圖4-3 幾丁聚醣溶液在不同濃度下的還原黏度值(ηsp/C)。 53
圖4-4 純幾丁聚醣(Pure Chitosan)及高溫酸解後的幾丁聚醣(Chitosan) 之FTIR光譜圖 54
圖4-5 N,O-PACS(DS=0.84及DS=1.41)及N-PACS的FTIR光譜圖 56
圖4-6 N,O-PACS及N-PACS的XRD圖 57
圖4-7 幾丁聚醣的13C-NMR光譜圖 58
圖4-8 N,O-PACS的13C-NMR光譜圖 58
圖4-9 N-PACS的13C-NMR光譜圖 59
圖4-10 PACS和PACS-TMI之FTIR光譜圖 63
圖4-11 CS-TMI和Chitosan之FTIR光譜圖 63
圖4-12 PACS的1H-NMR光譜圖 65
圖4-13 PACS-TMI的1H-NMR光譜圖 65
圖4-14 Chitosan的1H-NMR光譜圖 66
圖4-15 CS-TMI的1H-NMR光譜圖 67
圖4-16 PACS-TMI的13C-NMR光譜圖 68
圖4-17 CS-TMI的13C-NMR光譜圖 69
圖4-18 純幾丁聚醣和經修飾的幾丁聚醣的XRD圖 71
圖4-19 純幾丁聚醣和經修飾的幾丁聚醣的熱重分析圖 72
圖4-20 純幾丁聚醣和經修飾的幾丁聚醣的DTG圖 73
圖4-21 純的PNIPAAm的FTIR光譜圖 75
圖4-22 CSPN1、CSPN3、CSPN5的FTIR光譜圖 75
圖4-23 純PNIPAAm的固態13C-NMR光譜圖 77
圖4-24 PNIPAAm接枝幾丁聚醣樣品CSPN1的13C-NMR光譜圖 77
圖4-25 PNIPAAm接枝幾丁聚醣樣品CSPN2的13C-NMR光譜圖 78
圖4-26 PNIPAAm接枝幾丁聚醣樣品CSPN3的13C-NMR光譜圖 78
圖4-27 PNIPAAm接枝幾丁聚醣樣品CSPN4的13C-NMR光譜圖 79
圖4-28 PNIPAAm接枝幾丁聚醣樣品CSPN5的13C-NMR光譜圖 79
圖4-29 純幾丁聚醣、PNIPAAm、CSPN1~5樣品的熱重量分析圖 83
圖4-30 純幾丁聚醣、PNIPAAm、CSPN1~5樣品的DTG圖 83
圖4-31 PNIPAAm、CSPN1~5樣品於DSC中的ㄧ次升溫曲線 84
圖4-32 PNIPAAm、CSPN1~5樣品於DSC中的二次升溫曲線 85
圖4-33 幾丁聚醣在不同溫度及pH值下的膨潤比值 87
圖4-34 PNIPAAm在不同溫度及pH值下的膨潤比值 87
圖4-35 CSPN1在不同溫度及pH值下的膨潤比值 88
圖4-36 CSPN2在不同溫度及pH值下的膨潤比值 88
圖4-37 CSPN3在不同溫度及pH值下的膨潤比值 89
圖4-38 CSPN4在不同溫度及pH值下的膨潤比值 89
圖4-39 CSPN5在不同溫度及pH值下的膨潤比值 90
圖4-40 PH=2時不同樣品(CSPN1~5)及PNIPAAm於不同溫度下的UV480穿透曲線 91
圖4-41 PH=7時不同樣品(CSPN1~5)及PNIPAAm於不同溫度下的UV480穿透曲線 91
圖4-42 PNIPAAm和CSPN1~5吸水後的DSC圖 92
圖4-43 細胞生長曲線 94
圖4-44 CSPN1~5以及CS、PNIPAAm、PS的MTT圖 94



表目錄
表2-1 常見的溫度敏感聚合物及其LCST 19
表3-1 液態1H-NMR光譜溶劑表 42
表4-1 N,O-PACS及N-PACS在不同溶劑中的溶解測試 55
表4-2 幾丁聚醣、N-PACS、N,O-PACS碳上的化學位移 59
表4-3 N,O-PACS 和N-PACS C、N、H含量百分比和取代度 60
表4-4 纯的幾丁聚醣、PACS-TMI以及CS-TMI碳上的化學位移 69
表4-5 CS-TMI所測的C、N、H含量百分比及取代度 70
表4-6 純幾丁聚醣和經修飾的幾丁聚醣的最大速率裂解溫度值(Tmax) 72
表4-7 CS-TMI與氮-異丙烯醯胺單體反應條件 74
表4-8 不同NIPAAm單體加入量的樣品接枝效率、接枝比值及單體 轉化率 80
表4-9 純幾丁聚醣、PNIPAAm、CSPN1~5的熱裂解溫度表 82
表4-10 CSPN1~CSPN5利用接枝比值計算焦碳殘餘量表 82

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