本发明涉及一种形成三维多孔性结构的领域，特别来说，是关于一种聚对二甲苯的三维多孔性结构及其形成的方法。
背景技术：
利用化学气相沉积制备聚对二甲苯膜的工艺是一气相反应，在真空下可形成十分致密且均匀的镀膜，且聚对二甲苯膜具有相当良好的生物兼容性、生物稳定性以及优良的血液兼容性等性质。聚对二甲苯更已通过美国食品药品管理局的核准，已有许多在生物体内相关装置的应用，因此利用此镀膜制造的多孔性材料对人体无危害的疑虑。
已知的聚对二甲苯(parylene)气相沉积高分子系统在本发明被使用。聚对二甲苯的沉积发生在固定的模板，主要经由单体(对二甲苯)吸附于表面上，开始聚合反应，接着因为吸收新的单体，高分子链开始成长，最后在吸附速率与脱附速率达到平衡。聚对二甲苯的沉积无关于模板材料与形状，通常低温模板会加速沉积。沉积在固定的表面上会产生聚对二甲苯致密的膜，对于其他沉积系统也是如此。
拥有可调控的机械、化学性质的多孔材料正在开发，其主要应用于分离系统、传感器系统、能量传输和贮存、非均相催化剂、超疏水表面、光子感件、药物传递、以及生医支架。这些多孔材料主要利用介入程序制造，如模板、光刻技术、软光刻技术、气体发泡、以及气体或流体模拟地质过程，主要应用于固定的材料或前体。替代方法包括加工，例如，3-d打印、激光烧结、投影立体光刻、带电喷射、织造技术、或直写技术中，用于在层层排列或堆叠建立的多孔性材料。
目前的制造方法受限于大量的处理步骤，例如，需额外除去模板、复杂的计算机程序需求及/或须介入人力去掌控工艺。因此，该如何利用简单的原理来形成多孔性材料，并且以低人力成本与简单步骤来达成这是具有挑战性的。
技术实现要素：
本发明提供一种新颖的形成三维多孔性结构的方法。其特征在于，基于升华模板的消失性质去建构多孔性结构，因此，不需要额外移除模板的程序，并且通过气相沉积的共形性与升华模板的引导，在单一步骤中获得精细的模板复制结构。此外，在沉积过程中形成的孔洞，可以利用模板的升华条件，例如，根据材料的三相图去改变升华条件或选择不同的升华材料，得到不同的孔隙率与孔径。
本发明一方面，提出一种聚对二甲苯的多孔性结构，包含有一聚对二甲苯结构，具有多个孔洞，其中聚对二甲苯结构具有一孔隙率。根据本发明一实施例，所述多孔性结构的大小介于20纳米(nm)至5厘米(cm)之间。根据本发明一实施例，孔隙率介于55％至85％之间。根据本发明一实施例，多孔性结构还包含多个目标分子。根据本发明一实施例，聚对二甲苯结构的该等孔洞包含不同大小的孔径，其中该等孔径呈一梯度变化。根据本发明一实施例，多孔性结构是一体成形的。
本发明另一方面，提出一种形成三维多孔性结构的方法。首先，提供一牺牲固体模板；然后进行一气相沉积工艺，使一聚合物单体沉积于牺牲固体模板上，同时使牺牲固体模板进行一升华过程；最后，消耗牺牲固体模板，形成一三维多孔性结构。升华过程包含将所述牺牲固体模板从固相升华为气相，聚合物单体会吸附于牺牲固体模板的气相的表面。三维多孔性结构具有一孔隙率，取决于牺牲固体模板的升华速率，其中升华速率越高，孔隙率就越大。
根据本发明一实施例，牺牲固体模板还包含一溶液。根据本发明一实施例，所述溶液是以一梯度变化分布于牺牲固体模板中。根据本发明一实施例，牺牲固体模板包含一目标分子，目标分子在牺牲固体模板的升华过程中被释放，从而被包覆在三维多孔性结构中。
附图说明
图1所绘示为本发明一种形成三维多孔性结构的方法的示意图。
图2所绘示为本发明一种形成三维多孔性结构的方法的步骤示意图。
图3是根据本发明的第一实施例所形成的三维多孔性结构的影像图，其中，影像的上方图是固体模板影像图，影像的下方图则是多孔性结构放大图。
图4a是根据本发明第二实施例所形成的三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像。
图4b扫描电子显微镜根据本发明第二实施例所形成的三维多孔性结构的傅立叶变换红外线光谱仪(ft-ir)光谱图。
图5a至图5c是根据本发明第三实施例所形成的三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像。
图6a及图6b是根据本发明第四实施例所形成的三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像。
图7a及图7b分别是使用梯度牺牲固体模板所产生的三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像及三维计算机断层扫描(micro-ct)影像。
图8是根据本发明第六实施例所形成的三维多孔性结构的3d共轭焦激光扫描显微影像。
图9a是根据本发明第七实施例所形成的三维多孔性结构的穿透式电子显微镜(tem)影像。
图9b是根据本发明第七实施例所形成的三维多孔性结构的穿透式电子显微镜(tem)影像。
其中，附图标记说明如下：
1多孔性结构
2蒸气-固体界面
21升华
22气相沉积
31沉积分子
32升华固体模板
400步骤
402步骤
404步骤
具体实施方式
在下文中，加以陈述本发明的具体实施方式，该等实施例已被清楚地描述足够的细节，以使本技术领域的技术人员可据以实施本发明。其他实施例亦可被加以施行，且对于其结构上所做的改变仍属本发明所涵盖的范畴。
为使熟习本发明所属技术领域的技术人员能更进一步了解本发明，下文特列举本发明的数个优选实施例，并配合附图，详细说明本发明的构成内容。
请参考图1，所绘示为本发明一种形成三维多孔性结构的方法的示意图。本方法利用升华21和气相沉积22这两个同时发生且动态竞争的过程，在三维中形成多孔性结构1。如图1所示，多孔性结构1形成在动态蒸气-固体界面2处，沉积分子31和牺牲的升华固体模板32是利用相同的体积空间，也就是说，升华固体模板32所腾出的空间会因为沉积分子31的气相沉积22而被无缝填满。
公知的聚对二甲苯气相沉积在固定模板上会受限于吸附的机制，而在本发明所提出的方法中，升华的冰形成动态模板，聚对二甲苯在升华冰上的气相沉积主要是通过扩散限制机制进行，其中单体连续地扩散至升华的冰模板新形成的气相表面上，而在这些表面的吸附只是暂时性的，同时使得聚合反应可以在三维的大范围中发生。宏观上，沉积的构造主要通过牺牲模板的升华过程来引导，并以升华模板的表面/界面在模板完全消耗之前提供临时支撑。此外，这样的依赖性也并行于气相沉积的保形机制，需要气相前体吸附于升华表面，而这些直接的依赖性也导致沉积形成相似于牺牲模板的最终结构。
本发明所提供的多孔性结构，是利用气相沉积在升华的固体模板上建构。气相材料沉积主要发生在动态蒸气-固体界面处，且主要由固体表面升华现象所主导。由于气体蒸气和升华多出的空间，多孔结构特性会在构造过程中形成，因此通过调节模板的升华速度及/或热力学性质能够控制孔隙率。
请参考图2，所绘示为本发明一种形成三维多孔性结构的方法的步骤示意图。如图2所示，本发明的方法包含以下步骤：
步骤400：提供一牺牲固体模板；
步骤402：进行一气相沉积工艺，使一聚合物单体沉积于牺牲固体模板上，同时使牺牲固体模板进行一升华过程；
步骤404：完全消耗牺牲固体模板，形成一三维多孔性结构。
以下将针对各个步骤描述。
首先，提供一牺牲固体模版(步骤400)。牺牲固体模版可以是任何固体形式存在的物质或混合物，且在一条件下可进行升华反应。于一实施例中，牺牲固体模版是水分子，而当水分子的固体型态(冰)在0.1毫巴(mbar)时，可于约-50度以上的情况下从固态(冰)升华为水蒸气，然而，在同样的压力和温度下，聚对二甲苯的气相单体倾向于聚合、沉积。于一实施例中，牺牲固体模版也可以由具有不同升华性质的混合溶液冷冻后形成。于一实施例中，混合溶液可包含可以互溶的两物质，例如，水分子及乙醇，但不限于此。或者，于另外一实施例中，混合溶液可包含不可以互溶的两物质，例如，水分子及己烷，但不限于此。于一实施例中，牺牲固体模版可以预先包含各种目标分子。于本发明的实施例中，目标分子可以包含荧光分子、生物因子及/或纳米粒子。根据本发明一实施例，荧光分子可以是含有荧光标记的肽(fitc-kkkrgd)或
接着，进行一气相沉积工艺，使一聚合物单体沉积于牺牲固体模板上，同时使所述牺牲固体模板进行一升华过程(步骤402)，任何可通过气相沉积的聚合物单体皆可使聚合物优选具有较低的黏性系数，例如是10-3～10-5，可确保多孔性结构的保形及孔洞的均匀分布，于本发明优选实施例中，是使用具有对环酚(paracyclophane)的化合物作为单体，经过裂解(pyrolysis)而沉积形成聚对二甲苯(如下列反应式i)。
本实施例所使用的对环酚，可以具有各种特殊的官能基，形成功能性的聚对二甲苯(functionalizedpoly-p-xylylenes)。于一实施例中，聚对二甲苯包含如式(1)的结构
其中r1与r2各自独立地选自由氢原子、-c(＝o)h、-c(＝o)-cfh2、-c(＝o)-cf3、-c(＝o)-c2f5、-c(＝o)-c8f17、-c(＝o)-oh、-c(＝o)-ph、-c≡ch、-ch＝ch2、-ch2-oh、-ch2-nh2、-nh2、-c(＝o)-o-ch3、-c(＝o)-o-c2h5、-ch2-o-c(＝o)-c-(ch3)2br、-ch2-o-c(＝o)-c≡ch、式(1-1)所表示的基团、式(1-2)所表示的基团以及式(1-3)所表示的基团所组成的族群，且r1与r2不同时为氢原子；以及m与n各自独立地为1到750,000的整数，
，其中在所述式(1-1)中，r3表示-ch2-、-ch2-ch2-oc(＝o)-、-ch2-ch2-nh-c(＝o)-、-c(＝o)-或-o-ch2-；以及r4与r5各自独立地表示氢原子、甲基或氯原子。
于另一实施例中，聚对二甲苯具有以下结构：
，其中m与n各自独立地为1到750,000的整数。
于本发明优选实施例中，聚对二甲苯为聚一氯对二甲苯(ppx-c)。
气相沉积视聚合物单体而选择最适合的沉积参数，且沉积温度优选可视配合固体牺牲模版的升华所需温度。在本发明一实施例中，以聚对二甲苯为例，化学气相沉积系统的压力保持在0.1毫巴(mbar)。将具有对环酚(paracyclophane)的化合物在温度为670～700℃的范围内裂解以得到聚合物单体。然后将牺牲固体模板放置于载台上，在载台温度为-20～60℃的范围内沉积聚合物单体于牺牲固体模板上。
最后，待消耗牺牲固体模板之后，就会形成一三维多孔性结构(步骤404)。本发明的聚对二甲苯的多孔性结构，其具有多个孔洞，且具有一孔隙率。本发明所称的孔隙率(porosity)，是指孔隙在多孔性结构中所占的体积，亦即全部孔隙的体积与多孔性结构最外围轮廓所呈现结构体积的比率。于一实施例中，孔隙率可通过水银测孔仪(mercuryporosimeter)量测，主要利用水银高表面张力与压力孔隙所需压力关系计算，参数在0.1～50psia，测量范围360～3.6um；在大气压至60000psia，测量范围6～0.003um。
由于升华气体的体积与固体模板的消失体积成比例，因此孔隙率与升华速率相关，亦即较高的升华速率会形成较大的孔隙率。因此，本发明可利用任何可以借由调整任何可以升华速率的参数，以获得不同孔隙率的多孔性结构。于本发明一实施例中，是调控温度来控制孔隙率，以水作为牺牲固体模板为例，在维持0.1毫巴的压力下，利用减少温度至-15℃或增加温度至25℃去调整升华速率。于本发明一实施例中，是选用不同升华热的物质来控制孔隙率，通过使用混合两种以上的物质所形成的混合物固体模板，基于该等物质不同的升华热去调整升华速率。升华的固体模板的质量(或体积)传递速率与温度变化成一个比例，从质量传递方程式(如下列方程式i)来看(h为系统热传系数、to为操作温度、ts为升华模板的温度、h为热传系数、δh为升华热、m为模板质量、ρ为模板密度、v为模板体积)：
方程式i
其中，热传系数h和升华热δh在使用相同的固体模板沉积时视为常数，而微分项
以下将针对本发明各实施例作详细的描述。
实施例一
本实施例是以特殊形状的冰作为固体牺牲模版，沉积后的聚对二甲苯结构会形成与模板如复制出来的外型，这是因为聚对二甲苯的低黏性系数(大约10-4)，确保了结构的保形及孔洞的均匀分布。请参考图3，是根据本发明的第一实施例所形成的三维多孔性结构的影像图，其中，影像的上方图为固体模板影像图，影像的下方图则为多孔性结构的放大图。如图3的上方图所示，当使用桌子冰模型(尺寸：桌子的直径为80mm，高度为50mm)以及椅子的冰模型(尺寸：的直径为30mm，高度为35mm)作为牺牲固体模板时，可形成如图3的桌椅多孔性结构。于本发明一实施例中，以400μm×400μm×400μm的立方体冰模型作为牺牲固体模板时，可形成立方体的多孔性结构。于本发明一实施例中，以直径为1800μm的球体冰模型作为牺牲固体模板时，可形成球体的多孔性结构。证明本发明的多孔性结构的外型，可以根据牺牲固体模版来设计。
实施例二
本发明可在升华的牺牲固体模板上沉积其它聚对二甲苯的衍生物，衍生物是指具有各种特殊官能基的聚对二甲苯。本实施例是用特殊官能机的聚对二甲苯来形成多孔性结构。请参考图4a，是根据本发明第二实施例所形成的三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像。根据本发明第二实施例，是于冰固态模板上沉积具有琥珀酰亚胺酯官能基的聚对二甲苯单体，形成功能性的聚对二甲苯结构。如图4a所示，本发明形成的具有琥珀酰亚胺酯官能基的聚对二甲苯具有多孔性结构。请参考图4b，是根据本发明第二实施例所形成的多孔性结构的傅立叶变换红外线光谱仪(ft-ir)光谱图，其中横轴为波长(公分-1)，纵轴为反射率(任意单位)。如图4b所示，测得本发明沉积后的聚对二甲苯衍生物的多孔性结构的化学组成，从记录的图谱上看到峰的位置与强度与公知常用的化学气相沉积法所制得的聚对二甲苯衍生物薄膜相符合，证实了本发明成功使用聚对二甲苯的衍生物形成多孔性结构。
实施例三
由于升华气体的体积与固体模板的消失体积成比例，因此，较高的升华速率会形成较大的孔隙率，而较低的升华速率则相反。根据本发明第三实施例，是使用水分子做为牺牲固体模板，为了控制孔隙率，在维持0.1毫巴的压力下，利用减少温度至-15℃或增加温度至25℃去调整升华速率，而形成不同孔隙率的多孔性结构。基于上述的方程式i，理论上温度从4℃升至25℃升华体积会增加6.3％，而温度从4℃降至-15℃升华体积会减少5.6％。请参考图5a至图5c，是根据本发明第三实施例形成三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像。如图5a所示，操作温度为-15℃时，形成孔径为21μm的多孔性结构，其孔隙率为61％。如图5b所示，操作温度为4℃时，形成孔径为40μm的多孔性结构，其孔隙率为69.1％。如图5c所示，操作温度为25℃时，形成孔径为89μm的多孔性结构，其孔隙率为74.3％。根据图5a至图5c的结果显示，在较低的升华速率(低温)下会得到较小的孔径，而在较高的升华速率(高温)下则会得到较大的孔径；此外，从图中亦可观察出在较低的升华速率下会形成致密的多孔性结构，而在较高的升华速率下则会形成枝状的多孔性结构。
实施例四
本发明的牺牲固体模版，其可以混合两种以上的物质而成，基于该等物质具有不同的升华性质，去调节牺牲固体模版的升华速率。于本实施例第一个情况中，是选用可以互溶两物质，于本实施例第二情况中，选用不互溶两物质，借以比较两者的孔隙率。
在第一种互溶的实施例中，互溶的两种物质可以是水分子及乙醇。根据本发明一实施例，是将80％水分子及20％乙醇混合后，使用液态氮冷却浴将混合物溶液冷冻，以形成混合物固体模板。
在第二种不互溶的实施例中，不互溶的两种物质可以是水分子及己烷。根据本发明一实施例，是将90％水分子及10％己烷混合后，使用液态氮冷却浴将混合物溶液冷冻，以形成混合物固体模板。
请参考图6a及图6b，是根据本发明第四实施例所形成的三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像。
于第一种互溶的实施例中，如图6a所示，是使用由水分子及乙醇组成的混合物模板，在4℃的操作温度下形成的聚对二甲苯的多孔性结构，其平均孔径为64μm，孔隙率为82.5％。由于乙醇具有比水分子低的升华热(升华速率高)，因此，同样在4℃的操作温度下，与单纯使用水分子作为牺牲固体模板所形成的多孔性结构(孔径：40μm，孔隙率：69.1％)做比较，添加乙醇的混合物模板会得到较大的孔径及孔隙率。另外，由于水分子与乙醇互溶，因此所形成的多孔性结构具有相似的孔洞大小。
于第二种不互溶的实施例中，如图6b所示，是使用由水分子及己烷组成的混合物模板，在4℃的操作温度下形成的聚对二甲苯的多孔性结构，其平均孔径为36μm，孔隙率为57.5％。由于己烷具有比水分子高的升华热(升华速率高)，因此，同样在4℃的操作温度下，与单纯使用水分子作为牺牲固体模板所形成的多孔性结构(孔径：40μm，孔隙率：69.1％)做比较，添加己烷的混合物模板会得到较小的孔径及孔隙率。另外，由于水分子与己烷不互溶，孔径会对应于来自不同升华速率的独立系统，因此所形成的多孔性结构具有分级的孔洞大小。
实施例五
本发明的牺牲固体模版，其可以利用含有梯度组成的混合物模板。此模板提供了蒸气压的梯度变化以及相对应不同的升华速度，因此，在沉积聚合物单体时就会形成梯度多孔性结构，具有多个孔径。本发明所指的梯度组成是指混合物模板中的某一物质的浓度往某一特定方向而变化。
根据本发明一实施例，梯度模板的制备方法是先通过聚丙烯离心管(10mm内径)将乙醇流入水分子系统中，乙醇的浓度随高度增加，而产生梯度组成的混合物系统，然后在流动开始后约5秒且在其达到均匀混合物系统的完全状态之前，使用液氮冷却浴冻结而成。
请参考图7a及图7b，分别为使用梯度牺牲固体模板所产生的聚对二甲苯的三维多孔性结构的扫描电子显微镜(sem)影像及三维计算机断层扫描(micro-ct)影像。
本发明所形成的梯度多孔性结构包含多个孔径，该等孔径呈一梯度变化。如图7a所示，使用梯度混合物模板所形成的梯度多孔性结构，随着乙醇浓度的增加(影像上方)，孔径随之上升，孔径呈一梯度变化，这是由于乙醇的蒸气压较高，升华速度快，因此会形成较大的孔径。
值得注意的是，本发明的多孔性结构所形成的梯度孔洞结构系一体成形的。如图7b所示，使用梯度混合物模板所形成的梯度多孔性结构为一体成形，并不会具有分层结构。
应理解的是，只要能够使升华速度产生梯度变化，并不一定要使用梯度混合物模板才能产生梯度孔洞结构，例如，施加梯度操作温度。
实施例六
本发明的牺牲固体模版，其可以预先包含各种目标分子，且形成的多孔性结构也会包含所述目标分子。于本实施例中，使用液态氮冷却浴将含有目标分子的溶液冷冻以制备包含目标分子的牺牲固体模板。于本实施例中，目标分子为含有荧光标记的肽(fitc-kkkrgd)及alexa
请参考图8，是根据本发明第六实施例所形成的三维多孔性结构的3d共轭焦激光扫描显微影像。
于包含荧光分子的实施例中，如图8所示，上排是使用包含含荧光标记的肽(fitc-kkkrgd)作为目标分子的牺牲固体模板，所形成的多孔性结构，下排是使用包含含荧光标记的alexa
在升华与沉积的过程中，从升华固体模板中分离出来的目标分子，在沉积聚对二甲苯时遵守一种“吸收过程(uptakeprocess)”，此过程是基于孔洞和/或聚对二甲苯表面的截留性与吸附亲和力。因为在形成多孔性结构的过程中持续的升华和沉积，或持续分离和吸收，因此，目标分子会在整个多孔性结构中展现全方位性和均匀分布性。
使用含有目标分子的牺牲固体模板，提供了一种装载及定位功能性分子进入孔洞材料的独特方法，并克服了因装填材料的扩散效率问题以及不均匀性缺点。
实施例七
本发明的多孔性结构可以是一纳米级大小的颗粒，且可与本发明实施例六做结合。根据本发明一实施例，使用纳米雾喷雾器将水分子喷洒在超疏水表面上，形成纳米大小的水滴，然后使用液态氮冷却浴将所述纳米水滴冷冻，以形成纳米级大小的牺牲固体模板。
请参考图9a，是根据本发明第七实施例所形成的三维多孔性结构的穿透式电子显微镜(tem)影像。如图9a所示，当使用纳米级的牺牲固体模板时，会形成纳米级大小的多孔性结构，其大小介于20nm至5cm之间。
此外，本实施例亦可以与本发明的第六实施例结合。于本实施例中，纳米级的牺牲固体模板可以包含纳米粒子，例如，氧化铁(fe3o4)、金(au)、及/或银(ag)。
请参考图9b，是根据本发明第七实施例所形成的三维多孔性结构的穿透式电子显微镜(tem)影像。根据本发明的实施例，分别使用包含氧化铁(10-15nm)、金(12nm)、及银(20nm)作为目标分子的纳米级牺牲固体模板，如图9b所示，所形成的纳米级多孔性结构亦会包含该等目标分子，其中深色的区域为目标分子，浅色的区域则为聚对二甲苯的多孔性结构。
本发明提供了一种制造3d多孔性结构的新颖方法，推翻了以往气相沉积必然在基板上形成致密薄膜的观点，且本发明的三维多孔性结构仍然保有薄膜在化学上及结构上公认的优点。本发明利用聚对二甲苯制造出三维、多样及不同大小的孔洞的多孔性结构，孔隙率的范围为55％到85％。凭借材料升华热力学的知识，用于有机聚合物，无机物及/或组合材料的气相沉积技术已有充分记录。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。