TWI572374B - 含聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布及其製備方法 - Google Patents

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含聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布及其製備方法
本發明係有關於一種含聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布及其製備方法，尤其係指藉由靜電紡絲法(electrospinning)將聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料製成緩釋型奈米纖維貼布的方法。藉此，本發明製得之奈米纖維貼布可用以負載藥物等有效成分，亦可藉由溫度改變而釋放有效成分。
隨著生醫材料蓬勃發展，目前已開發出多種藥物載體(Drug carrier)，包括微脂體(liposomes)、微胞(micelles)及水膠(hydrogels)等，其目的在於乘載、釋放及延長藥物作用的時間。此外，有更多新型藥物載體陸續被研究開發，例如用靜電紡絲技術製造高分子奈米纖維，藉由將藥物負載於奈米纖維中，其奈米纖維的表面孔隙作為釋放藥物的基礎，釋放及延長藥物作用的時間。
根據文獻搜尋結果，目前已有相關業者提出具有緩釋藥物功能的藥物載體，例如中華民國專利公告第I331521號「含有緩釋型過敏性誘導劑之局部用貼布製劑及含其之包裝」，即揭示一種局部用貼布製劑，其含有緩釋型過敏性誘導劑，例如：1-氯-2,4-二硝基苯(DNCB)，此局部用貼布製劑係由含在擔體上之粘著性凝膠組合 物(其中粘著性凝膠組合物包括緩釋型敏感性誘導劑)、水溶性聚合物凝膠、水及保水劑組成；使用此局部用貼布製劑時，將局部用貼布製劑施用至個體之皮膚表面，並保持在施用位置一段充份時間，足以投與有效量緩釋型過敏性誘導劑給該個體，其中這段保持時間典型地不超過約60分鐘；中華民國專利公告第I291503號「緩釋型防蟲與防微生物織物表面改質方法」，揭示一種緩釋型防蟲織物表面改質方法，包括利用載體吸附防蟲劑，以形成有效防蟲成分複合物；利用溶膠凝膠法於有效防蟲成分複合物表面形成多孔性保護膜，以形成核殼結構有效防蟲成分複合物；以及將核殼結構有效防蟲成分複合物與纖維進行接枝反應，以形成緩釋型防蟲織物；以及中華民國專利公開第201338816號「纖維水凝膠及其製備方法」，揭示一種纖維水凝膠，其係包含親水性纖維、溫感性高分子、多醣體與功能性材料，藉由聚電荷或離子交換進行複合，以形成一纖維架構之纖維水凝膠，由於此纖維水凝膠具有較一般親水性高分子為佳的機械性質，因此可解決習知水凝膠強度較弱且會溶解或分解流失的問題，並可進一步地用於製備一種纖維水凝膠醫療器材，例如止血材、創傷敷材、引導組織再生基材、組織抗沾黏基材、組織工程基材或活性物質之控制釋放基材。
燒燙傷及皮膚創傷的患者因皮膚受傷而變得脆弱，對於傷口換藥有著極不舒服感，但目前藥用型纖維貼布仍具有多種缺失，例如藥物給藥速度太快，短時間藥物就被釋放完畢，導致患者需要多次忍受換藥的疼痛感。若能夠研發出可以緩釋藥物的奈米纖維貼布，不僅可以減少病患更換藥物的次數，也可降低醫療照護人力。爰此，如何研發製作出可以緩釋藥物的奈米纖維貼布，乃為相關領域發明人亟需突破之方向。
本發明係有關於一種含聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布及其製備方法，尤其係指藉由靜電紡絲法將聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料製成緩釋型奈米纖維貼布的方法。藉此，本發明製得之奈米纖維貼布可用以負載有效成分，亦可藉由溫度改變而釋放有效成分。
為了達到上述實施目的，本發明提供一種含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其包括複數個聚苯乙烯(polystyrene，PS)乳膠顆粒及一溫度感應型材料。
另，本發明亦提供一種含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布的製備方法，其係包含步驟一：提供複數個聚苯乙烯(polystyrene)乳膠顆粒；步驟二：將一溫度感應型材料溶解於一甲醇溶液，再加入複數個聚苯乙烯乳膠顆粒混合，以形成一混合溶液；以及步驟三：將混合溶液利用靜電紡絲法製成一奈米纖維，並置於110℃進行交聯反應，得到一含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布。
於本發明之一實施例中，聚苯乙烯乳膠顆粒之製備方法包括(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲醇及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達60℃時，加入起始劑偶氮二異丁腈(AIBN)甲醇溶液進行反應八小時；製得之聚苯乙烯乳膠顆粒粒徑為0.8-1.2μm，且緩釋型奈米纖維之直徑為100-400nm。
於本發明之一實施例中，聚苯乙烯乳膠顆粒之製備方法包括(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達80℃時，加入起始劑過硫酸鉀(KPS)水溶液進行反應兩小時，以得到聚苯乙烯乳膠顆粒；製得之聚苯乙烯乳膠顆粒粒徑為160-200nm，且緩釋型奈米纖維之直徑為100-400nm。
於本發明之一實施例中，溫度感應型材料係選自聚(氮-異丙基丙烯醯胺-氮-甲氧基丙烯醯胺)共聚合物[poly(N-isopropylacrylamide-co-N-methylolacrylamide)]。
(S1)‧‧‧步驟一
(S2)‧‧‧步驟二
(S3)‧‧‧步驟三
第一圖：本發明較佳實施例之製備方法步驟流程圖。
第二圖：大粒徑PS乳膠顆粒之外觀型態。
第三圖：小粒徑PS乳膠顆粒之外觀型態。
第四圖：含大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維之外觀型態。
第五圖：含小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維之外觀型態。
第六圖：含大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維在20℃環境下浸泡5分鐘及120分鐘之外觀型態。
第七圖：含大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維在37℃環境下浸泡5分鐘及120分鐘之外觀型態。
第八圖：含小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維在20℃環境下浸泡5分鐘及120分鐘之外觀型態。
第九圖：含小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維在37℃環境下浸泡5分鐘及120分鐘之外觀型態。
第十圖：含大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維對於負載物釋放的影響。
第十一圖：含小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維對於負載物釋放的影響。
第十二圖：比較大粒徑PS乳膠顆粒與小粒徑PS乳膠顆粒對於奈米纖維釋放負載物的影響。
本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更 深入且具體之瞭解。
本發明為一種含聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其包括複數個聚苯乙烯(polystyrene)乳膠顆粒及一溫度感應型材料。
請參閱第一圖，本發明亦提供一種製備含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布的方法，其係包括：步驟一(S1)：提供複數個聚苯乙烯(polystyrene)乳膠顆粒；步驟二(S2)：將一溫度感應型材料溶解於一甲醇溶液，再加入複數個聚苯乙烯乳膠顆粒混合，以形成一混合溶液，溫度感應型材料可為聚(氮-異丙基丙烯醯胺-氮-甲氧基丙烯醯胺)共聚合物[poly(N-isopropylacrylamide-co-N-methylolacrylamide)，簡稱(poly(NIPAAm-co-NMA))]；以及步驟三(S3)：將混合溶液利用靜電紡絲法製成一奈米纖維，並置於110℃進行交聯反應，得到一含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其中緩釋型奈米纖維之直徑可例如為100-400nm。
上述「聚苯乙烯乳膠顆粒」之製備方法可例如為(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲醇及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達60℃時，加入起始劑偶氮二異丁腈(AIBN)甲醇溶液進行反應八小時，以製得粒徑為0.8-1.2μm的聚苯乙烯乳膠顆粒；或者可例如為(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達80℃時，加入起始劑過硫酸鉀(KPS)水溶液進行反應兩小時，以製得粒徑為160-200nm的聚苯乙烯乳膠顆粒。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
實施例一：製備含聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料之奈 米纖維
(1)利用懸浮聚合法製備大粒徑(0.8-1.2μm)聚苯乙烯(PS)乳膠顆粒；先將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲醇(MeOH)及去離子水(H2O)置入四頸反應瓶中混合，再用水浴法加熱，以定速馬達攪拌(攪拌速率300rpm)，裝配冷凝管並填充氮氣；加熱到60℃時，加入起始劑偶氮二異丁腈甲醇溶液(0.05克AIBN溶於5克MeOH中)反應8小時，以得到大粒徑PS乳膠顆粒，反應條件如表一所示。利用TEM及SEM觀察其外觀型態如第二圖所示，大粒徑PS乳膠顆粒的粒徑約為1μm，且粒徑分布均勻。
(2)以過硫酸鉀(KPS)為起始劑製備小粒徑(160-200nm)聚苯乙烯(PS)乳膠顆粒；先將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及去離子水(H2O)置入四頸反應瓶中混合，再用水浴法加熱，以定速馬達攪拌(攪拌速率300rpm)，裝配冷凝管並填充氮氣；加熱到80℃時，加入起始劑KPS水溶液(0.05克KPS溶於10克H2O中)反應8小時，以得到小粒徑聚苯乙烯乳膠顆粒，反應條件如表二所示。利用TEM及SEM觀察其外觀型態如第三圖所示，大粒徑PS乳膠顆粒的粒徑約為183.5nm，且粒徑大小相當均勻。
(3)合成溫度感應型材料poly(NIPAAm-co-NMA)
溫度感應型材料係指分子鏈結構與型態，會隨著所處環境溫度不同而有所改變之高分子材料。最具代表性的溫度感應型材料為poly(N-isopropylacrylamide)(poly(NIPAAm)，具有低臨界溶解溫度(LCST)約32℃~33℃。本實驗係將N-isopropylacrylamide(NIPAAm)、N-methylolacrylamide(NMA)、ammonium peroxodisulfate(APS)及純水置入四頸槽中，在25℃、轉速300rpm下，通入氮氣攪拌15分鐘；隨後將sodium meta-bisulphite(SMBS；J.T.Baker)水溶液倒入反應槽內攪拌8小時，即完成反應。再將合成所得的poly(NIPPAm-NMA)溫度感應型高分子溶液進行透析，以除去未反應之單體及剩餘的起始劑，在透析過程中，每12小時更換一次去離子水，連續三天，最後將透析後的高分子溶液進行冷凍乾燥兩天，最後得到純化的poly(NIPAAm-co-NMA)。將poly(NIPPAm-NMA)以GPC儀器測量得知平均分子量(Mw)分布範圍分別為[1720.041kDa(49.4%)；87.146kDa(25.2%)；1.981kDa(25.4%)]。
(4)利用靜電紡絲法製成一奈米纖維貼布
本實驗係先將溫度感應型材料poly(NIPAAm-co-NMA)以甲醇(MeOH)溶解成高分子甲醇溶液，而後將定量的PS乳膠顆粒及負載物(caffeine)加入高分子甲醇溶液中，利用靜電紡絲製成電紡纖維(奈米纖維)；再將所得的電紡纖維置於110℃進行熱烘交聯反應，紡絲溶液的配製組成如表三所示，大粒徑或小粒徑PS乳膠顆粒之配製組成皆相同。將配製好的紡絲溶液置入針筒內，再將針筒放置進料幫浦(CAUTION；型號NE-300)上，並在接收板覆蓋上一層鋁箔紙以收集電紡纖維；其中靜電紡絲之操作參數為進料流速0.8 ml/hr，針頭端與接收版距離8公分，電壓20kV。
利用SEM觀察含大粒徑PS乳膠顆粒及小粒徑PS乳膠顆粒奈米纖維之外觀型態，分別如第四圖及第五圖所示，添加不同粒徑PS乳膠顆粒至奈米纖維中，對於纖維直徑並無明顯的影響，不同含量的奈米纖維直徑如表四。此外，在靜電紡絲過程中PS乳膠顆粒有可能會稍微阻擋到紡絲口，使得紡絲口變小，因此噴射出來的纖維會較纖細。第四圖顯示含有越多的大粒徑PS乳膠顆粒，會有越多的纖細的纖維，而且大粒徑PS乳膠顆粒會明顯較纖維突出；第五圖顯示含有越多的小粒徑PS乳膠顆粒，會有越多的纖細的纖維，且小粒徑PS乳膠顆粒可被包覆在纖維內部。
實施例二：奈米纖維之耐水性測試
為了觀察奈米纖維在釋放藥物時是否有形態上的改變，因此模擬釋藥過程，將具有不同含量(0、0.4、0.8、1.5g)PS乳膠顆粒的奈米纖維浸泡於去離子水中，浸泡時間為5分鐘及120分鐘，溫度為20℃及37℃，而後取出奈米纖維，陰乾後再利用SEM觀察其形態。結果請參閱第六圖及第七圖，分別為含大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維在20℃及37℃環境下浸泡5分鐘及120分鐘之外觀型態；將奈米纖維取出陰乾後再以SEM觀察其形態，結果發現纖維的形態依然維持著原先的結構，但纖維的直徑膨潤變大。比較纖維浸泡5分鐘及120分鐘後奈米纖維直徑的大小結果發現，不論是在20℃或37℃的環境下浸泡，浸泡時間對於奈米纖維的直徑影響不大，由此推斷奈米纖維在一開始遇水後其直徑已經固定，但是在20℃的環境下浸泡會比在37℃下浸泡的直徑大，是因為poly(NIPAAm)在20℃時為膨潤狀態，而在37℃時為收縮狀態。
此外，由第六圖發現，將奈米纖維浸泡於水中含有0.4克及0.8克大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維具有最明顯的膨潤狀態，原先未泡水前的奈米纖維直徑是200nm，而泡入水後即膨潤10倍(直徑為1.8μm)。含1.5克PS乳膠顆粒的奈米纖維，其膨潤狀態最不明顯約膨潤1倍(直徑450nm)，這是由於PS乳膠顆粒具有撐大奈米纖維直徑的效應，因此可促進奈米纖維的膨潤度；但是過多的PS乳膠顆粒卡在纖維與纖維之間，反而阻礙了纖維的膨潤現象。請參閱第七圖，奈米纖維浸泡於37℃時，泡水前與泡水後無論纖維內大粒徑PS乳膠顆粒的添加量為何，其纖維膨潤度只比未泡水的纖維直徑多100nm。
請參閱第八圖~第九圖，當奈米纖維中含有小粒徑PS乳膠顆粒時，PS乳膠顆粒幾乎被包覆在纖維內部，因此，纖維直徑不 會被PS乳膠顆粒撐開，而且小粒徑PS乳膠顆粒含量多時也不會卡在纖維之間，阻礙纖維膨潤。因此，小粒徑PS乳膠顆粒的含量對於奈米纖維浸泡於水中後，所產生的膨潤現象影響不大，奈米纖維未泡水的直徑約200nm，泡水後直徑為450nm。
由第六圖~第九圖可以發現奈米纖維在浸泡5分鐘與120分鐘直徑無明顯變化，可見奈米纖維在一泡水後其直徑已經固定。
實施例三：含PS乳膠顆粒之奈米纖維的控制釋放
將含有大粒徑PS乳膠顆粒的20℃及37℃的去離子水(pH 5.4)中進行負載物(caffeine)釋放，結果請參閱第十圖，在20℃進行釋放時，以含有0.4克大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維之釋放速率最快，其次是不含大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維，以及含0.8克大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維；含1.5克大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維釋放速率最慢。
請參閱第十一圖，當含有小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維浸泡於20℃水中進行負載物(caffeine)釋放，含1.5克小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維釋放速率最快且最終釋放率最高；含0.4克小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維其caffeine釋放速率與不含小粒徑PS乳膠顆粒兩者相近；含0.8克小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維釋放速率最低。當含有小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維浸泡於37℃水中進行負載物(caffeine)釋放，含1.5克小粒徑PS乳膠顆粒與含0.4克小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維釋放速率最快且最終釋放率最高；其次為不含小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維；含0.8克小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維釋放速率最低。由此可知，小粒徑PS乳膠顆粒對於caffeine釋放的影響與大粒徑PS乳膠顆粒的影響效應不同。
為了進一步比較大粒徑PS乳膠顆粒與小粒徑PS乳膠顆粒對於奈米纖維釋放負載物(caffeine)的影響，將第十圖與第十一圖整 理如第十二圖，含有0.4克大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維其caffeine釋放速率較含有小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維具有較高的caffeine釋放速率，而且最終釋放率也較高。當PS乳膠顆粒的含量增加到1.5克後，含有小粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維其caffeine釋放速率反而較含有大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維高，且具有較高的最終釋放率，這是因為當奈米纖維含有大粒徑PS乳膠顆粒時，caffeine較容易由奈米纖維內部擴散或擠壓出來，使得大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維其釋放速率較快，但是當纖維中含有大量的大粒徑PS乳膠顆粒時，大粒徑PS乳膠顆粒會阻擋caffeine釋放。另，在37℃的環境中奈米纖維產生收縮時，也會因為大粒徑PS乳膠顆粒排列較為接近，使得纖維收縮較不容易，因此造成含大粒徑PS乳膠顆粒的奈米纖維其caffeine釋放速率較慢且最終釋放率也較低。
由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：
1.本發明提供一種含PS乳膠顆粒及溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其可用以負載藥物，亦可藉由溫度改變而釋放有效成分。
2.本發明提供不同的製備條件及方法，證實可藉由調整PS乳膠顆粒粒徑大小或含量，達到控制不同釋放速率與釋放量之目的，且本發明經由耐水性測試，結果證實奈米纖維在遇水後其直徑已經固定，其型態不會受浸泡時間影響。
綜上所述，本發明之含聚苯乙烯乳膠顆粒及溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布及其製備方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇 請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(S1)‧‧‧步驟一
(S2)‧‧‧步驟二
(S3)‧‧‧步驟三

Claims (10)

  1. 一種含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其包括複數個聚苯乙烯(polystyrene)乳膠顆粒及一溫度感應型材料，其中該溫度感應型材料係選自聚(氮-異丙基丙烯醯胺-氮-甲氧基丙烯醯胺)共聚合物[poly(N-isopropylacrylamide-co-N-methylolacrylamide)]。
  2. 如申請專利範圍第1項所述含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之製備方法包括(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲醇及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達60℃時，加入起始劑偶氮二異丁腈(AIBN)甲醇溶液進行反應八小時，以得到聚苯乙烯乳膠顆粒。
  3. 如申請專利範圍第2項所述含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之粒徑為0.8-1.2μm，且該緩釋型奈米纖維之直徑為100-400nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之製備方法包括(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達80℃時，加入起始劑過硫酸鉀(KPS)水溶液進行反應兩小時，以得到聚本乙烯乳膠顆粒。
  5. 如申請專利範圍第4項所述含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之粒徑為160-200nm，且該緩釋型奈米纖維之直徑為100-400nm。
  6. 一種含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布的製備方法，其係包含：步驟一：提供複數個聚苯乙烯(polystyrene)乳膠顆粒；步驟二：將一溫度感應型材料溶解於一甲醇溶液，再加入該複數個聚苯乙烯乳膠顆粒混合，以形成一混合溶液，其中該溫度感應型材料係選自聚(氮-異丙基丙烯醯胺-氮-甲氧基丙烯醯胺)共聚合物[poly(N-isopropylacrylamide-co-N-methylolacrylamide)]；以及步驟三：將該混合溶液利用靜電紡絲法製成一奈米纖維，並置於110℃進行交聯反應，得到一含溫度感應型材料之緩釋型奈米纖維貼布。
  7. 如申請專利範圍第6項所述製備方法，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之製備方法包括(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲醇及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達60℃時，加入起始劑偶氮二異丁腈(AIBN)甲醇溶液進行反應八小時，以得到聚苯乙烯乳膠顆粒時。
  8. 如申請專利範圍第7項所述製備方法，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之粒徑為0.8-1.2μm，且該緩釋型奈米纖維之直徑為100-400nm。
  9. 如申請專利範圍第6項所述製備方法，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之製備方法包括(a)將苯乙烯(styrene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及去離子水混合並加熱；以及(b)溫度達80℃時，加入起始劑過硫酸鉀(KPS)水溶液進行反應兩小時，以得到聚苯乙烯乳膠顆粒。
  10. 如申請專利範圍第9項所述製備方法，其中該聚苯乙烯乳膠顆粒之粒徑為160-200nm，且該緩釋型奈米纖維之直徑為100-400nm。
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