【研究成果】水凝膠中高分子與媒婆們的化學反應

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  Stella Y.T. Sun (科學推展中心特約編輯)


猜猜看以下幾種物品有什麼樣的共同點:面膜、退熱貼、食品保鮮劑、醫療藥物載體、建築用結露防止劑?上述這些來自各種不同領域的產品都使用了一種高分子材料 – 水凝膠(Hydrogel)。水凝膠是一種吸水、保水、但不溶於水的材料,是由親水性高分子通過一定程序的物理或化學交聯形成的,水凝膠的內部網狀結構使其能保持形狀,而且水凝膠的生產難度不高又具生物可降解性,因此水凝膠在材料領域已引起廣泛的關注。

圖1. 聚癸二酸多元醇(APP)固有的彈性特性,使 APP/QCS 水凝膠能夠被反覆壓縮和拉伸,圖為拉伸實驗過程。

今年(2022年)二月,臺灣大學高分子科學與工程學研究所葉伊純助理教授帶領團隊於《大分子生物科學期刊》(Macromolecular Bioscience) 發表研究成果,旨探討〈具有醛基的交聯劑對幾丁聚醣水凝膠之作用〉。前面提到,水凝膠是一種可以吸收水分或生物流體的高分子交聯結構,而幾丁聚醣(Chitosan)則是拿來製造生醫類水凝膠常用的生物高分子。幾丁質(Chitin)或稱甲殼素,大量存在於蝦、蟹殼等節肢動物的外殼中,去除殼周邊的脂肪、蛋白質和碳酸鈣之後,剩下的薄膜狀物質就是幾丁質了,幾丁質在經過脫乙醯作用後便製備成幾丁聚醣,是自然界中含量僅次於纖維素的天然多醣高分子,並且具良好的生物相容性。幾丁聚醣高分子結構上的正電荷可與帶負電荷的細菌細胞膜產生作用力,這個特性能導致細菌的細胞膜破損、讓細菌死亡,進而達到滅菌的效果;然而,幾丁聚醣水凝膠的強度並不優秀,而且容易脆裂,於是葉教授團隊開始往拓展其彈性及延展性的方向發展 – 尋找具彈性特徵的交聯劑。

在探討過水凝膠與幾丁聚醣的關係後,接下來,讓我們來認識交聯劑(Crosslinkers)。交聯劑就像媒婆一樣,替還不熟悉對方的高分子做媒,為它們起架橋作用,並能有效地促進或調節高分子分子鏈間藉由共價鍵或非共價鍵所形成的結構,不同的媒婆則可讓水凝膠展現出不同的性質。本次研究便提及了三種具有醛基的交聯劑:

  1. 聚癸二酸多元醇(Aldehyde-modified poly(xylitol sebacate)-co-poly(ethylene glycol), APP)
  2. 戊二醛(Glutaraldehyde, GA)
  3. 聚葡聚醣醛(Polydextran aldehyde, PDA)

在合成了第一項具有醛基修飾的聚癸二酸多元醇彈性高分子(APP)並將其用於交聯幾丁聚醣來製備水凝膠(以下簡稱為CS水凝膠)後,研究團隊進一步發現透過醛基及胺基反應下所產生的動態共價亞胺鍵提供了CS水凝膠的自癒合能力(self-healing)和稀化剪切特性(shear-thinning),除了水凝膠原本就具有的保水性、多孔性、以及抗菌性,在加入APP交聯劑後也使得CS水凝膠更富有彈性和延展性,這些特性於生物醫學中的傷口癒合、藥物輸送和組織工程等應用面極廣。對比性能強大的APP交聯劑,研究報告中也加入了GA和PDA兩種交聯劑做為比較,雖不如APP存在固有彈性,卻也都呈現了各自的特色,例如GA的低成本和高反應性具有其市場價值、PDA也因屬天然高分子而具備良好的生物相容性。在青菜蘿蔔各有所好的市場機制下,葉教授及其團隊交出了一份亮眼的成績,不僅推廣了研究主打的APP交聯劑,也再次為大家複習現行流通的多種交聯劑特性與用途,開啟了水凝膠材料研究的新篇章。

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