气凝胶的制造方法及其在生物复合材料的应用;METHOD FOR FABRICATING AEROGELS AND THEIR APPLICATIONS IN BIOCOMPOSITES

摘要

本发明揭示了气凝胶的制造方法、表面修饰之气凝胶的制造方法以及生物复合材料的制造方法。以生物复合材料的制造方法为例，首先提供一前驱溶液，其包含一亲水性离子熔液、一催化水解与/或缩合反应试剂、至少一种生物分子以及至少一种烷氧基单体(alkoxide)与/或芳香氧基单体(aryloxide)。其次，对前驱溶液进行一固化程序，以便于至少一种烷氧基单体与/或芳香氧基单体进行水解反应与聚合反应，藉此固化并包覆至少一种生物分子以形成一复合材料。然后，藉由一溶剂对复合材料进行一萃取程序以取代复合材料中所含之离子熔液。接着，对复合材料进行一乾燥程序以去除复合材料中所含之溶剂以形成上述之生物复合材料。

主权项

1.一种气凝胶的制造方法，该气凝胶的制造方法包含：提供一气凝胶前驱溶液，其中，该气凝胶前驱溶液包含一离子熔液、一催化水解与/或缩合反应试剂以及至少一种烷氧基单体(alkoxide)与/或芳香氧基单体(aryloxide)，其中，该催化水解与/或缩合反应试剂包含下列族群中之一者或其任意组合：醇类、酸性化合物与硷性化合物；对该气凝胶前驱溶液进行一均匀混合程序，以便于至少一种该烷氧基单体与/或芳香氧基单体水解与聚合，直到该气凝胶前驱溶液达到一特定黏度，且该特定黏度大于或等于150 cps；静置该气凝胶前驱溶液，以便于至少一种该烷氧基单体与/或芳香氧基单体持续水解与聚合，藉此形成该气凝胶；与藉由一溶剂对该气凝胶进行一萃取程序以取代该气凝胶孔隙中所含之离子熔液。 ;2.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之烷氧基单体与/或芳香氧基单体的中心元素包含下列族群中之一者：Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Te、Cr、Cu、Er、Fe、Ta、V、Zn、Zr、Al、Si、Ge、Sn与Pb。 ;3.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之烷氧基单体与/或芳香氧基单体包含下列族群中之一者：tetramethyl orthosilicate(TMOS)、tetraethyl orthosilicate(TEOS)、bis(triethoxysilyl)ethane(BTSE)、bis(triethoxysilyl)benzene(BTSB)、tetrabutyl titanate(TBOT)与vanadium oxytripropoxide。 ;4.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之离子熔液系为常温离子熔液(Room temperature ionic liquid)。 ;5.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之离子熔液其系由一有机硷与一路易斯酸混合而成，且该路易斯酸不为卤化酸。 ;6.如申请专利范围第5项所述气凝胶的制造方法，其中上述有机硷中阳离子基团可为烷基或芳香基团，一般式如下：其中，R 1 、R 2 、R 3 与R 4 的选择如下表所示： ;7.如申请专利范围第5项所述气凝胶的制造方法，其中上述有机硷阳离子包含下列族群中之一者：1-n-butyl-3-methylimidazolium(BMI)、1-octanyl-3-methylimidazolium(OMI)1-dodecanyl-3-methylimidazolium(DMI)与1-hexadecanyl-3-methylimidazolium(HDMI)。 ;8.如申请专利范围第5项所述气凝胶的制造方法，其中上述之路易斯酸中的阴离子基团包含下列族群中之一者：BF4 - 、PF6 - 、AsF6 - 、SbF6 - 、F(HF)n - 、CF3 SO3 - 、CF3 CF2 CF2 CF2 SO3 - 、(CF3 SO2)2 N - 、(CF3 SO2)3 C - 、CF3 COO - 与CF3 CF2 CF2 COO - 。 ;9.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之离子熔液的重量范围约为10%至90%。 ;10.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之离子熔液的重量范围约为20%至50%。 ;11.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之特定黏度大于或等于200 cps。 ;12.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之催化水解与/或缩合反应试剂包含醇类，该均匀混合程序包含一加热程序。 ;13.如申请专利范围第12项所述气凝胶的制造方法，其中上述之加热程序温度范围为50至150℃。 ;14.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述溶剂沸点小于或等于200℃。 ;15.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之溶剂种类包含下列族群中之一者：腈类(nitrile)、醇类、酮类与水等。 ;16.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之萃取程序的温度范围约为50℃至200℃。 ;17.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，于上述之萃取程序完成后，进行一乾燥程序以去除该气凝胶孔隙中所含之溶剂。 ;18.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之气凝胶前驱溶液更包含具有至少一特定基团之烷氧基单体与/或芳香氧基单体，该特定基团包含下列族群中之一者：羧酸基、硫醇基、胺基、二胺基、烷基、芳香基、环氧基与氰基，藉此形成表面修饰之气凝胶。 ;19.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之气凝胶成分包含下列族群中之一者或其任意组合：SiO2、TiO2、V2 O5与Al2 O3。 ;20.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之气凝胶系为二氧化矽-二氧化钛(SiO2-TiO2)两元气凝胶，且二氧化矽与二氧化钛的莫耳比范围为1：9至5：5。 ;21.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之气凝胶的比表面积大于或等于100 m 2 /g。 ;22.如申请专利范围第1项所述气凝胶的制造方法，其中上述之气凝胶的平均孔径范围约为1 nm至50 nm。 ;23.如申请专利范围第1项气凝胶的制造方法，其中上述之气凝胶的孔隙度范围为50%至99%。 ;24.如申请专利范围第1项气凝胶的制造方法，其中上述之气凝胶的孔体积(pore volume)范围大于或等于1.0 cm 3 /g。 ;25.一种生物复合材料的制造方法，该生物复合材料的制造方法包含：提供一前驱溶液，其中，该前驱溶液包含一亲水性离子熔液、一催化水解与/或缩合反应试剂、至少一种生物分子以及至少一种烷氧基单体(alkoxide)与/或芳香氧基单体(aryloxide)，其中，该催化水解与/或缩合反应试剂包含下列族群中之一者或其任意组合：醇类及生物分子所需之缓冲剂(buffer)；对该前驱溶液进行一固化程序，以便于至少一种该烷氧基单体与/或芳香氧基单体进行水解反应与聚合反应，藉此固化并包覆至少一种该生物分子以形成该生物复合材料；与藉由一溶剂对该生物复合材料进行一萃取程序以取代该生物复合材料中所含之离子熔液。 ;26.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之生物分子包含下列族群中之一者：抗原、单株抗体(monoclonal antibodies)、多株抗体(polyclonal antibodies)、核酸(nucleic acids)[包含单体态(monomeric)与寡聚态(oligomeric)]、蛋白质(proteins)、酵素(enzymes)、脂类(lipid)、多醣类(polysaccharides)、醣类(sugars)、胜肽(peptides)、多胜肽(polypeptides)、药物(drugs)、病毒、微生物与生质配体(bioligands)。 ;27.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之烷氧基单体与/或芳香氧基单体的中心元素包含下列族群中之一者：Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Te、Cr、Cu、Er、Fe、Ta、V、Zn、Zr、Al、Si、Ge、Sn与Pb。 ;28.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之烷氧基单体与/或芳香氧基单体包含下列族群中之一者：tetramethyl orthosilicate(TMOS)、tetraethyl orthosilicate(TEOS)、bis(triethoxysilyl)ethane(BTSE)、bis(triethoxysilyl)benzene(BTSB)、tetrabutyl titanate(TBOT)与vanadium oxytripropoxide。 ;29.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之亲水性离子熔液系为常温离子熔液(Room temperature ionic liquid)。 ;30.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之亲水性离子熔液其系由一有机硷与一路易斯酸混合而成，且该路易斯酸不为卤化酸。 ;31.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之亲水性离子熔液的重量范围约为10%至90%。 ;32.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之亲水性离子熔液的重量范围约为20%至50%。 ;33.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之缓冲剂的pH值范围约为5至9。 ;34.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之固化程序包含：对该气凝胶前驱溶液进行一均匀混合程序，以便于至少一种该烷氧基单体与/或芳香氧基单体水解与聚合，直到该气凝胶前驱溶液达到一特定黏度，且该特定黏度大于或等于150 cps；与静置该气凝胶前驱溶液，以便于至少一种该烷氧基单体与/或芳香氧基单体持续水解与聚合，藉此形成气凝胶。 ;35.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之特定黏度大于或等于200 cps。 ;36.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之固化程序温度小于或等于50℃。 ;37.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述溶剂种类包含下列族群中之一者或其任意组合：醇类、水及生物分子所需之缓冲剂(buffer solution)。 ;38.如申请专利范围第38项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之缓冲剂的pH值范围约为5至9。 ;39.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之萃取程序的温度小于或等于50℃。 ;40.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，于上述之萃取程序完成后，对该生物复合材料进行一乾燥程序以去除该生物复合材料中所含之溶剂。 ;41.如申请专利范围第40项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之乾燥程序的温度小于或等于0℃。 ;42.如申请专利范围第40项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之乾燥程序的压力小于或等于20 pa。 ;43.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之生物复合材料的比表面积大于或等于100 m 2 /g。 ;44.如申请专利范围第25项所述生物复合材料的制造方法，其中上述之生物复合材料的平均孔径范围约为1 nm至50 nm。 ;45.如申请专利范围第25项生物复合材料的制造方法，其中上述之生物复合材料的孔隙度范围为50%至99%。 ;46.如申请专利范围第25项生物复合材料的制造方法，其中上述气凝胶的孔体积(pore volume)范围大于或等于1.0 cm 3 /g。;第一图系根据本发明之第一实施例中，二氧化矽气凝胶的固态核磁共振光谱(solid state 2 9 Si－NMR)分析结果；第二图系根据本发明之第三实施例中，生物包覆材料的扫瞄式电子显微镜(SEM)照片(a)放大倍率为30k；(b)放大倍率300k；第三图分别显示二氧化矽气凝胶(silica aerogel)、包覆红萤光蛋白之二氧化矽气凝胶(Aerogel＋DsRed)的氮气吸附脱附曲线；第四图为包覆红萤光蛋白之二氧化矽气凝胶的共聚焦显微镜影像；与第五图与第六图为红萤光蛋白(DsRed)以及包覆红萤光蛋白之二氧化矽气凝胶在室温中以558 nm为激发光光源的光激发光光谱图。