可調控胰島素釋放的生物-無機複合薄膜材料
University of Toronto, Faculty of Pharmacy 的大學研究團隊發展了”一種依葡萄糖濃度變化可調控胰島素釋放的生物-無機複合薄膜材料”(A New Bio-Inorganic Nanocomposite Membrane for Glucose-Modulated Release of Insulin)，此研究是發展一種新的對葡萄糖可應答的生物-無機複合薄膜；此薄膜以交聯的Bovine Serum Albumin (BSA) 為薄膜基材，內部含有對pH值可應答，名為Poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid)的材料及由水凝膠奈米粒子(Hydrogel NPs)、葡萄糖氧化脢(GOx)、催化脢(CAT)與有/無二氧化錳奈米粒子所組成，可以同時作為葡萄糖感應器與胰島素釋放器。
圖一的系統運作機制為葡萄糖被葡萄糖氧化脢(GOx) 氧化成Gluconic acid，它能控制薄膜對胰島素的穿透率；催化脢(CAT)與有/無二氧化錳奈米粒子能中和葡萄糖氧化脢(GOx)在化學作用循環中的副產物H2O2，過氧化氫會減少葡萄糖氧化脢(GOx)的活性與產生毒性，實驗結果顯示在薄膜中加入催化脢(CAT)與二氧化錳奈米粒子能增加過氧化氫被中和的效率，同時能增長葡萄糖氧化脢(GOx)的壽命；在正常血糖濃度下，只有小量的胰島素能穿透薄膜，在高血糖濃度下，胰島素的穿透率提高了四倍，當血糖濃度下降至正常時，胰島素的穿透率也跟著下降，上述結果顯示此系統有自動控制胰島素釋放的能力。
這是第一個用來自動調控胰島素釋放的生物-無機複合薄膜材料；它內部的葡萄糖氧化脢(GOx)能當做葡萄糖偵測器，水凝膠奈米粒子可當做胰島素釋放器，催化脢(CAT)與二氧化錳奈米粒子能中和80%的過氧化氫，使得葡萄糖氧化脢(GOx)有長效壽命，這個薄膜系統能有效率的藉由葡萄糖濃度變化來調控胰島素釋放速率。
圖三、纖維強化水凝膠複合材料電子顯微鏡圖像 (a)以聚尿素分子A為纖維結構，經過沈澱得到非常粗糙的表面；(b)以圖示法表達纖維結構；(c)纖維的橫切面電子顯微鏡圖像(200×200)可觀察到內部是多孔洞，外部則無孔洞(比例尺為50微米)；(d)纖維強化的水凝膠的橫切面電子顯微鏡圖像(200×200)可觀察到孔洞是纖維區域，平滑表面是水凝膠區域(比例尺為50微米)
熱感應核層結構微膠體的材料技術
研究背景
奈米金屬粒子材料近來引起很多研究團隊的興趣，因它們與一般金屬材料的物理、化學與機械特性有很大的差異，尤其奈米金屬粒子在催化劑、感測器與電子材料領域的應用有很大的潛力。然而，奈米金屬粒子必須穩定的分散在溶液中而不會凝聚。原則上，奈米金屬粒子放在適當的載具系統，如微膠體、樹枝狀聚合物(Dendrimers)與乳膠粒子(Latex Particles)，可以用來當作”奈米級合成反應器”，在此系統中，奈米金屬粒子不會運動，可以隨時備料，使用在不同的應用上。以微膠體包覆奈米金屬粒子的複合材料系統有幾個優於其他系統的地方，如穩定性、容易合成製備、容易功能化而成為對外界刺激可應答的智慧材料。
德國Soft Matter and Functional Materials研發團隊，發展一種可當作”奈米合成反應器”的熱感應核層結構微膠體(Thermosensitive Core-Shell Microgel as a “Nanoreactor” for Metal Nanoparticles)，其原理是將熱感應核層結構微膠體當作載體做奈米金屬粒子鍍膜，此微膠體的核的材料是聚苯乙烯(polystyrene, PS)，它的層的材料是poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPA)與N, N’-methylenebisacrylamide (BIS)交聯的高分子材料；而金、銀、鉑的奈米粒子被均勻的導入poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPA)。然後以對硝基苯酚(4-nitrophenol)的催化還原反應為例證，證實微膠體-奈米金屬粒子複合材料的催化活性能藉由微膠體體積改變來調整。更進一步地，以綠色化學觀點來看，可推演醇類的氧化反應也可在水相、室溫、有氧的環境下，經由微膠體-奈米金屬粒子複合材料的催化而得到醛類、酮類。本研究還探討了溫度、微膠體體積與微膠體極性改變對催化活性的影響。
當溫度小於32C時，poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPA)分子網路結構會產生體積膨脹而大量吸收水分子，變成水性，有利於親水性化合物能進入核層結構與其中的奈米金屬催化劑作用。
當溫度大於32C時，poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPA)分子網路結構會產生體積改變而排出大部份的水分子，變成親油性，使得親油性化合物能進入核層結構與其中的奈米金屬催化劑作用，例如benzyl alcohol被奈米金屬氧化為benzaldehyde，本研究證實了可藉由溫度改變微膠體的體積與極性而控制催化劑反應的速率。
結論
熱感應核層結構微膠體在導入適當的奈米金屬粒子下，可以當作”奈米合成反應器” 藉由溫度來控制化學反應；此核層結構微膠體容易操作且可使奈米金屬粒子穩定分散不會聚集，因此微膠體對催化反應表現出---本文節錄自「材料最前線」專欄，完整資料請見下方附檔。
作者：張德宜/工研院材化所研究員
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