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溫度敏感型水膠穩定性研究
溫度敏感型水膠是一類聚合物，它們通過氫鍵將水與聚合物的親水基團結合在一起形成，在較低溫度下，氫鍵是穩定的，但隨著溫度的升高逐漸斷裂，溫度敏感型水膠因其特殊的結構和可調節溶態及膠態的性質而引起了越來越多的關注，並被廣泛研究於各種應用中，如藥物釋放、農藥釋放、細胞培養、蛋白質純化、工業塗層、傳感器等。
因應上述的廣泛應用需求，研究溫度敏感型水膠其凝膠態/溶膠態的可逆性和不穩定機制非常重要，本應用文章將介紹使如何使用DataPhysics公司的MultiScan MS 20（參見下圖二）對藥用水膠的可逆性進行研究。
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圖一、藥用水膠可以在溫度20°C到50°C間以液態和膠態來回變化
2.技術與方法
來自DataPhysics Instruments的MultiScanMS20（參見下圖二）是一種能測量液相分散體的穩定性並進行老化分析的設備，其中有許多變因都能各別考慮，如時間和溫度對穩定性的影響，它會由一個主機和多達六個溫度控制樣品室（掃描塔）組成，每個掃描塔可以各別控制溫度在4°C和80°C之間，搭配其強大的分析軟體MSC進行樣品的穩定性分析。
MS20將是穩定性分析的第一選擇，即便是非常輕微的變化，都能透過透射光和背向散射光反映數據，MS 20能夠快速且客觀地分析分散體的穩定性，並找出不穩定機制的可能性。
圖二、Dataphysics穩定性分析儀MS20最高可搭載6個樣品掃描塔各別進行不同的溫度實驗
3.實驗
首先，將20克的藥用水凝膠倒入一個透明玻璃瓶中，該凝膠的儲存溫度為室溫，為了確保凝膠中沒有氣泡，樣品瓶在室溫下使用超聲波震盪預處裡並在靜置2小時後進行測量。
在本次的水膠對溫度可逆性測量中，條件如下:
- 溫度將從20°C升至50°C，然後以6°C/h的速率從50°C降回20°C
- 此外，在每個循環過程中，樣品保持在恆定的20°C溫度下6小時，以及恆定的50°C溫度下10分鐘
- 溫度的循環將重複三次，並在總計36小時的持續時間內以每15分鐘進行一次掃描
- 所測量的區域位於瓶子的0毫米（底部）和57毫米（填充水平）之間
除了上述對水膠溫可逆性的實驗外，額外進行一實驗為在溫度為 50°C時進行，每5分鐘進行一次掃描，持續22小時，以研究高溫下的水膠的不穩定機制。
※ 上圖一分別顯示了在20°C和50°C測量結束時的樣品瓶
4.結果
- 水凝膠對溫度敏感的可逆性
下圖三為水凝膠樣品中的穿透光強度與瓶身位置的關係圖，曲線的顏色編碼表示該次掃描的時間，從紅色（實驗開始，t = 0秒）到紫色（實驗結束，t = 36小時），下圖顯示了在30毫米至39毫米之間的瓶頂層信號在時間和位置上的明顯變化。
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圖三、穿透光強度與水膠瓶身掃描關係圖
圖四、穿透光強度對溫度變化對應圖譜(作圖範圍為瓶身30-37mm間)
上圖四顯示了穿透光強度（紅色）和測試溫度（綠色）隨時間的變化，可以發現穿透光強度在20°C至45°C之間相對穩定，表明在這個溫度範圍內，水凝膠的穩定性非常高，然而，當溫度升至約50°C時，傳輸強度急劇下降，表這揭示了在此溫度下水和聚合物之間的相互作用力不足(氫鍵力瓦解)，形成了一個凝膠的狀態，而當溫度再次降至約45°C時，傳輸值恢復到初始值，顯示聚合物和水之間的氫鍵重新形成，形成溶膠系統，值得注意的是，傳輸的變化在溫度循環中是可逆的。可以得出結論，水凝膠表現出高度的溫度敏感性和優異的型態溫度可逆性。
圖五、穿透光強度&穩定性指數(Stability index)對溫度分別作圖
除了穿透光強度對溫度響應的圖譜，我們使用MS20軟體MSC的穩定性因數推算功能(Stability index)將得到與穿透光強度變化圖譜一致的結果(參見上圖五)，這支持了水凝膠在20°C至50°C之間具有完全可逆的溫度行為。
圖六、穿透光強度對應樣品瓶身圖譜(溫度條件固定為50°C)
為了瞭解高溫下凝膠的不穩定機制，我們對樣品於50°C下的穩定性進行了研究，如上圖六顯示，隨著時間的推移，穿透光強度下降並朝向瓶底逐漸增加，這表明了在高溫下水和聚合物之間的氫鍵斷裂，水滴融合，形成一個溶膠-凝膠系統。
下圖七顯示，在第一個小時內，穿透光強度迅速下降，變化速率為137.9%/h，表明大部分的水被排出，聚合物析出，在繼續觀察6小時後傳穿透光強度緩慢增加，這表明水滴融合成為主要的現象，這與溫度可逆性測試一致，另外揭示了樣品瓶身頂層比其他層不穩定。
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圖七、在50°C下水膠樣品穿透光強度對時間的對應圖譜
5.總結
通過使用MS 20穩定性分析系統及其對應的MSC軟體，可以研究水凝膠系統的溫度可逆性、相變以及不穩定機制，並可以敏銳且可靠地檢測到任何細小的變化，使生產者能夠預見和量化穩定性的問題，從而確保時間和成本的最佳產品開發。