藥用高分子材料的物理化學性質(zhì)

1、第三章高分子材料的物理化學性質(zhì)第三章高分子材料的物理化學性質(zhì)v第一節(jié)第一節(jié) 高分子溶液性質(zhì)高分子溶液性質(zhì) v第二節(jié)第二節(jié) 高分子的分子量及其分布高分子的分子量及其分布v第三節(jié)第三節(jié) 聚合物的力學狀態(tài)及性質(zhì)聚合物的力學狀態(tài)及性質(zhì)v第四節(jié)第四節(jié) 藥物通過聚合物的擴散藥物通過聚合物的擴散第一節(jié)第一節(jié) 高分子溶液性質(zhì)高分子溶液性質(zhì) v一一. 溶脹與溶解溶脹與溶解v二二. 聚合物的溶度參數(shù)與測量聚合物的溶度參數(shù)與測量v三三. 溶劑的選擇溶劑的選擇v四四.凝膠凝膠一. 溶脹與溶解 小分子有機物可以很快地溶于各種溶劑中，但高分子化合物的這一過程卻十分緩慢，通常要過夜，甚至數(shù)天才能觀察到溶解。高分子溶解的第一

2、步是溶脹，由于高分子難以擺脫分子間相互作用而在溶劑中擴散，所以第一步總是體積較小的溶劑分子先擴散進入高分子中使之溶脹。如果是線形高分子，由溶脹會逐漸變?yōu)槿芙?；如果是交?lián)高分子，只能達到溶脹平衡而不溶解?；谏鲜鲈?，一般來說：高分子有較好的抗化學性，即抗酸、抗堿和抗有機溶劑的侵蝕性能。 v 高分子的溶解、溶脹性能受高分子材料本身化學結(jié)構(gòu)、分子量、結(jié)晶性、支化或交聯(lián)程度等的影響。總的來說有如下關(guān)系。分子量越高，溶解越難；結(jié)晶度越高，溶解越難；交聯(lián)程度越高，溶脹越難。v 一般市售的藥用高分子材料大多呈顆?；蚍勰?如果將其直接置于良溶劑中,則與溶劑接觸的表面首先溶解,并使其黏度增加,聚結(jié)成團。 這

3、種情況不利于溶劑繼續(xù)擴散進入顆粒內(nèi)部。 因此,在溶解之初,應(yīng)采用適宜的方法,使顆粒高度分散,防止粘聚成團,然后再加入良溶劑進行溶脹或溶解,這樣可以較快地制備高分子溶液。二二. 聚合物的溶度參數(shù)與測量聚合物的溶度參數(shù)與測量v 聚合物的溶度參數(shù) v 聚合物的溶解或溶脹實際上是聚合物與溶劑之間的擴散、滲透以至充分融合的過程。因此,它必然與聚合物與聚合物、溶劑與溶劑、以及聚合物與溶劑之間的相互作用,即它們的內(nèi)聚能(范德華力與氫鍵力)有關(guān)。v 聚合物或溶劑的溶度參數(shù)等于它們的內(nèi)聚能密度的平方根,而內(nèi)聚能密度即是單位體積的內(nèi)聚能。v 式中為內(nèi)聚能(J);V為體積(cm3)v聚合物溶度參數(shù)的測定v 聚合物的

4、溶度參數(shù)可用粘度法或溶脹度法測定。v 粘度法是將聚合物溶解在各種溶度參數(shù)與聚合物相似的溶劑中,分別在同一濃度、同一溫度下測定這些聚合物溶液的特性粘度,因為聚合物在良溶劑中的舒展最好、特性粘度最大,所以將特性粘度最大時所用溶劑的溶度參數(shù)值看作該聚合物的溶度參數(shù)。v 溶脹度法是在一定溫度下,將交聯(lián)度相同的高分子分別放在一系列溶度參數(shù)不同的溶劑中使其溶脹,測定平衡溶脹度,聚合物在不同的溶劑中溶脹度不同,只有當溶劑的溶度參數(shù)與聚合物的溶度參數(shù)相等或最接近時,它的溶脹最好。因此,可以將溶脹度最大溶劑所對應(yīng)的溶度參數(shù)作為該聚合物的溶度參數(shù)。三. 溶劑的選擇v 如何選擇適當溶劑對藥用高分子輔料進行溶解或溶脹

5、是藥物劑型生產(chǎn)或使用過程中經(jīng)常遇到的問題。例如:薄膜包衣的制備、控釋膜中孔隙大小的控制以及藥物活性成分與高分子輔料相容程度的判斷都需要掌握并利用高分子溶解度及相容性的一般規(guī)律。通常,高分子在不同溶劑中的溶解或溶脹遵循溶度溶度參數(shù)相近原則、極性相似相溶原則參數(shù)相近原則、極性相似相溶原則或溶劑化溶劑化原則原則。1.溶度參數(shù)相近原則v v 對于一般的非極性(或弱極性)非晶態(tài)聚合物，選擇溶度參數(shù)與聚合物相近的溶劑，可以很好的溶解或溶脹該聚合物。 通常聚合物與溶劑二者的溶度參數(shù)相差值在1.5以內(nèi)時可以較好溶解。所以可以用溶度參數(shù)作為選擇溶劑的參考數(shù)據(jù)。v v 一些高分子材料的溶度參數(shù)一些高分子材料的溶度

6、參數(shù)高分子名稱 溶度參數(shù)（MPa）1/2聚乙烯 16.2聚丙烯 16.6聚甲基丙烯酸甲酯 19.4聚碳酸酯 19.4聚氯乙烯 19.8二醋酸纖維素 22.3聚乙烯醇 25.8-39.0聚醋酸乙烯 19.6纖維素 32.1紅細胞膜 21.10.8生物膜質(zhì) 17.82.1 一些溶劑的溶度參數(shù)一些溶劑的溶度參數(shù)溶劑名稱溶劑名稱 溶度參數(shù)（MPa）1/2 丙酮丙酮20.4二甲基亞砜二甲基亞砜26.6吡啶吡啶23.3水水47.8乙醚乙醚15.1四氯化碳四氯化碳17.6三氯甲烷三氯甲烷19.0二氯甲烷二氯甲烷19.8甲苯甲苯18.2二氧六環(huán)二氧六環(huán)20.4二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺24.5甲酸甲酸27.6

7、一些溶劑的溶度參數(shù)一些溶劑的溶度參數(shù) 溶劑名稱溶劑名稱 溶度參數(shù)（MPa）1/2甲醇甲醇29.6乙醇乙醇26.01-丙醇丙醇24.42-丙醇丙醇22.81-辛醇辛醇23.3醋酸乙酯醋酸乙酯17.5醋酸異戊酯醋酸異戊酯18.5正己烷正己烷14.9正十六烷正十六烷16.4二硫化碳二硫化碳20.4環(huán)己烷環(huán)己烷16.8苯苯18.8甘油甘油36.2v 如果不能找到一個很好的溶劑,則使用混合溶劑體系，有時效果更好。對于混合溶劑的溶度參數(shù)可由下式計算,得出：v 混=11+22 v（式中1和2，分別代表兩種純?nèi)軇┑捏w積分數(shù)；1和2分別代表兩種純?nèi)軇┑娜芏葏?shù)。）v 由上式可以調(diào)節(jié)混合溶劑的溶度參數(shù)，使混合溶劑

8、的溶度參數(shù)與聚合物相近，以達到更好的溶解性能。 2. 極性相似相溶原則v 對于非晶態(tài)極性聚合物不僅要求溶劑的溶度參數(shù)與聚合物接近，而且還要求溶劑的極性與聚合物也接近才能使之溶解。例如：聚乙烯醇是極性的，它可以溶于極性溶劑水或乙醇中，但在非極性苯溶劑中則很難溶解。3溶劑化原則v 有時溶度參數(shù)相近的聚合物-溶劑體系，不一定都能很好互溶，例如：聚氯乙烯=19.8（MPa）1/2和二氯乙烷的溶度參數(shù)=19.8（MPa）1/2相同，但卻不能互溶。前者只能溶于環(huán)己酮=16.8（MPa）1/2中。 這一現(xiàn)象可用“溶劑化原則”進行解釋。溶劑化作用是溶劑與溶質(zhì)相接觸時，二者之間產(chǎn)生的分子作用力，此作用力大于溶質(zhì)

9、分子的內(nèi)聚力，從而使溶質(zhì)分子分離，并溶于溶劑中。高分子按功能團可分為弱親電子高分子、強親電子高分子、給電子高分子和v氫鍵高分子；同樣溶劑按極性也可分為弱親電子溶劑、強親電子溶劑、給電子高分子和氫鍵溶劑。 在溶劑與高分子的溶度參數(shù)相近時，凡屬親電子性溶劑能和給電子性高分子進行“溶劑化”而易于溶解；同樣給電子性溶劑能和親電子性高分子“溶劑化”而易于溶解；溶劑和高分子基團之間形成氫鍵，也有利于溶解。一些高分子的極性分類一些高分子的極性分類弱親電子性高分子弱親電子性高分子給電子性高分子給電子性高分子強親電子性或氫鍵高分子聚氯乙烯聚碳酸酯聚丙烯酸聚丙烯酸聚乙烯聚醚聚丙烯腈聚丙烯腈聚丙烯聚酰胺聚乙烯醇聚乙

10、烯醇聚四氟乙烯聚四氟乙烯一些溶劑的極性分類一些溶劑的極性分類弱親電子性溶劑弱親電子性溶劑給電子性溶劑給電子性溶劑強親電子性或強氫鍵溶劑正己烷正己烷乙醚乙醚2-乙基己醇乙基己醇正辛烷正辛烷醋酸乙酯醋酸乙酯己醇己醇環(huán)己烷環(huán)己烷四氫呋喃四氫呋喃正丁醇正丁醇四氯化碳四氯化碳丁酮丁酮乙腈乙腈甲苯甲苯乙醛乙醛乙醇乙醇三氯甲烷三氯甲烷環(huán)己酮環(huán)己酮乙酸乙酸二氯甲烷二氯甲烷丙酮丙酮甲酸甲酸二氯乙烷二氯乙烷二氧六環(huán)二氧六環(huán)苯酚苯酚二硫化碳二硫化碳二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺水水v 在實際選擇溶劑時，除了遵循上述原則 外，還要根據(jù)使用目的、安全性、工藝要求以及成本等進行綜合選擇。例如：成膜和薄膜包衣的溶劑應(yīng)選擇揮發(fā)性溶

11、劑，否則難以成為連續(xù)膜，而作為增塑劑用溶劑，則要求揮發(fā)性小，以便于它們長期保留在聚合物中。四.凝膠v(一)凝膠的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1. 凝膠的結(jié)構(gòu)和類型 凝膠（gel）是一類溶脹的三維網(wǎng)狀高分子，在它們的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)孔隙中填充了大量的液體介質(zhì)，這樣一種分散體系（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和填充液體互相分割，各自都不是連續(xù)的）被稱為凝膠。根據(jù)高分子交聯(lián)鍵（形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)）性質(zhì)的不同，凝膠又可以分為化學凝膠和物理凝膠兩類。其中化學凝膠是指v大分子提供共價鍵連接所形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。一般這類凝膠通過單體聚合或化學交聯(lián)而成，它們不能熔融，也不能溶解，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，被稱為不可逆凝膠。例如PST-DVB凝膠就屬于這類凝膠。物理凝

12、膠是指大分子間通過非共價鍵（例如：氫鍵或范德華力）互相連接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。物理凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有可逆性，只要溫度等外界條件改變，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就會破壞，并重新成為鏈狀分子溶于溶劑中。例如：明膠溶液或聚乙烯醇水溶液冷卻至一定溫度所形成的凝膠均為物理凝膠。其中，根據(jù)凝膠中液體含量的多少又可分為凍膠（jelly，液體含量高）和干凝膠（xerogel，液體含量較少）兩種類型。 高分子溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槟z的過程稱為膠凝作用。影響膠凝的因素主要有高分子溶液濃度、溫度和電解質(zhì)類型與含量等。每種高分子溶液均有一最低凝膠濃度，低于此濃度則不能形成凝膠。此外，溫度越低越有利于膠凝。 v 電解質(zhì)對膠凝的影響比較復(fù)雜。 有時對

13、膠凝有促進作用，有時則有阻止作用，其中陰離子對膠凝的影響較大，一般當鹽濃度較大時，硫酸根離子和氯離子加速膠凝，而碘離子和硫氰根離子則阻滯膠凝作用。 凝膠的超顯微結(jié)構(gòu)示意圖凝膠的超顯微結(jié)構(gòu)示意圖 （ S 溶劑化層；溶劑化層； a 凝膠結(jié)合點）凝膠結(jié)合點） 2.凝膠的性質(zhì) 凝膠具有以下性質(zhì): （1）觸變性：物理凝膠受攪拌、震蕩等外力作用時，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)易于破壞而成流體；當外力作用停止后，又可恢復(fù)成半固體凝膠結(jié)構(gòu)。這種凝膠和溶膠流體之間的相互轉(zhuǎn)變過程，被稱為觸變性(thixotropy)。此外，凝膠還具有一定的屈服值(yield value )、彈性 和粘性。 （2）溶脹性：溶脹是指凝膠吸收液體后自身

14、體積明顯變大的現(xiàn)象。溶脹可分為兩個階段。首先，溶劑分子鉆入凝膠大分子中并 與其作用形成溶劑化層，此過程伴有放熱和體積收縮現(xiàn)象（指凝膠體積的增加要小于吸收的液體體積）；在此之后，溶劑液體分子繼續(xù)向里面滲透，凝膠體積也大大增加。 凝膠溶脹性的大小可用溶脹度(swelling capacity)加以衡量。溶脹度是指在一定溫度下，單位重量或體積的凝膠能吸收液體的極限量。影響溶脹度的主要因素有液體的性質(zhì)、溫度、電解質(zhì)及pH 等。其中: 液體的性質(zhì)不同,溶脹度有很大差異;溫度v升高可增加溶脹速度; 電解質(zhì)對溶脹度的影響比較復(fù)雜,要根據(jù)聚合物的具體情況而定,例如:蛋白質(zhì)類高分子凝膠,介質(zhì)的pH在等電點附近時

15、溶脹度最小。 (3)脫水收縮性：溶脹后的凝膠在低蒸汽壓下保存，液體會緩慢地從凝膠中分離出來，這一現(xiàn)象被稱為脫水收縮。 (4)透過性：凝膠和液體相似，也可以作為擴散介質(zhì)。在低濃度凝膠中，水分子或離子可以自由通過，其擴散速度與在溶液中幾乎相同。但當凝膠濃度和交聯(lián)度增加時，物質(zhì)的擴散速度就會變小。這主要是因為交聯(lián)度增加將使凝膠骨架的孔隙變小所致。物質(zhì) 在凝膠中的透過性還和其所含溶劑的性質(zhì)與含量有關(guān)?？傊?，處于高溶脹狀態(tài)的凝膠有較大的平均孔徑，有利于分子透過，含水的孔道有利于可溶于水的物質(zhì)通過。 凝膠骨架空隙的分子篩作用，使得各種分子的通過選擇性或通過速度受到一定影響。藥物的緩釋，控釋制劑的制備就是利

16、用了親水凝膠的選擇性透過和良好的生物相容性特點。v（二）功能水凝膠 1. 功能水凝膠的結(jié)構(gòu)與分類 水凝膠（hydrogels）是一種能在水中顯著溶脹，并保留大量水分的親水性凝膠。多數(shù)水凝膠可容納本身重量數(shù)倍至數(shù)百倍的水分，它的這種能力通常與其結(jié)構(gòu)中含-OH、-COOH、-CONH2、-S03 等親水基團有關(guān)。從來源上講：水凝膠可分為天然和合成水凝膠兩種類型。而從性質(zhì)上劃分，水凝膠則又 可以分為電中性和離子型水凝膠兩種。離子型水凝膠又可以進一步分為陰離子、陽離子和兩性等類型。目前人們研究與應(yīng)用比較多的是離子型水凝膠。 傳統(tǒng)的水凝膠對溫度和pH等環(huán)境變化不敏感；新近出現(xiàn)的水凝膠則對溫度、pH、某些

17、化學反應(yīng)以及光、電等所給予的刺激有明確的應(yīng)答。它們在新型藥物制劑的研制開發(fā)方面也有許多應(yīng)用。 2. 水凝膠的溶脹行為及其影響因素 離子型水凝膠由于其結(jié)構(gòu)中功能基團的電離作用，而具有特殊的溶脹性能。例如： 離子型水凝膠因其高分子骨架中-COOH、 -SO3、-NH2 基團的電離作用而增加了它們的親水性。同時由于其電離程度的增加，而使其網(wǎng)絡(luò)中高分子鏈上存在大量具有相同電荷的電離基團。這些基團的靜電斥力導致高分子鏈進一步的伸展并與水分子接觸。從而大大增加了它們的吸水保水能力。 某些水凝膠的溶脹性能隨外界溶脹條件（溫度、介質(zhì)pH、離子強度、某些化學反應(yīng)以及光、電等）的變化而發(fā)生極大的甚至是不連續(xù)的改變

18、。從而導致水凝膠發(fā)生溶脹或收縮突變。目前研究最多的是: pH 型或溫度敏感型水凝膠。 3. 水凝膠的應(yīng)用 由于水凝膠的上述溶脹行為和良好的物理化學性能和生物相容性，所以在藥劑學領(lǐng)域有許多應(yīng)用，例如：一些緩釋性藥物的載體、水性軟膏基質(zhì)等。水凝膠在藥物制劑中的應(yīng)用v見高分子通報2006年11期文章第二節(jié) 高分子的分子量及分子量分布 分子量、分子量分布及其測定方法分子量、分子量分布及其測定方法一.概述v一.高分子的分子量特點 與普通小分子化合物相比，高分子化合物的分子量不但十分巨大,并且具有多分散性。因此,我們?nèi)粘Ｋf的高聚物分子量僅僅是高分子一系列同系物的平均分子量描述。嚴格意義上,需要用分子量和

19、分子量分布兩個參數(shù)才能對聚合物進行更準確的表征。 (一)聚合物分子量的表示方法v 聚合物的分子量通常有數(shù)均分子量(Mn)、重均分子量(Mw)或粘均分子量(M)等表示方法，它們分別是單位質(zhì)量聚合物按分子個數(shù)統(tǒng)計、質(zhì)量平均統(tǒng)計以及溶液粘度測量所得到的分子量數(shù)據(jù)。其中:依照冰點下降、 沸點升高、滲透壓和端基分析方法測得的分子量為數(shù)均分子量; 按照光散射、超離心沉降方法測得的分子量屬于重均分子量;而以溶液粘度法測得的分子量則為粘均分子量。不同分子量測試方法所得到的分子量數(shù)據(jù)各不相同,通常重均分子量粘均分子量數(shù)均分子量。 （二）分子量分布的表示方法 高分子聚合物的分子量不是均一的，聚合物分子量的不均一性

20、被稱為多分散性，其常見的表示方法如下： 1. 多分散性指數(shù)（HI） 它是表示聚合物分子量分布情況最簡單的方法，HI值越大，其分子量分布越寬（分散）；反之，HI 越小，其分子量分布越窄（集中）。單分散系聚合物的HI =1，通常聚合物的HI 值在1.5-2.0之間，有時可高達20-50。 2. 分子量分布曲線 表征聚合物分子量多分散性的最常用方法是分子量分布曲線，它包括累積重量分布曲線(曲線)和微分重量分布曲線(曲線)。 測量時,首先利用適當?shù)姆肿恿糠旨壏椒▽⒋郎y試樣分成若干組分后分別測定它們的重量分數(shù)、分子量或聚合度(ni),經(jīng)計算作圖分別得聚合物的累計重量分布曲線和微分重量分布曲線。 聚合物分

21、子量分布曲線圖聚合物分子量分布曲線圖v v v 一般情況下,聚合物的分子量微分分布曲線只有一個峰,我們可以根據(jù)峰的位置、峰的形狀判斷聚合物平均分子量的大小。此外,峰形愈尖銳,則聚合物的分子量分布愈窄;峰形愈扁平,分子量分布愈寬。 （三）分子量及其分布對聚合物性能的影響 聚合物的分子量是衡量其性能的基本參數(shù)之一。聚合物的許多物理性質(zhì)都與其分子量大小及其分布有密切關(guān)系。例如：聚合物的狀態(tài)（液體或固體）、力學性質(zhì)（強度、彈性、韌性、硬度）和粘度等都與分子量有很大關(guān)系，此外聚合物分子量對其加工性能也有重要影響。一般而言，聚合物的力學性能，如抗張強度、抗沖擊強度、彈性模量、硬度以及粘度強度等隨聚合物分子

22、量的增加而增加。但當分子量達到一定程度后，上述性能的提高速度減緩，最后趨于某一界限值，而聚合物的粘度、彎曲強度等則隨其分子量的增高不斷增加。 分子量分布也對聚合物材料的物理機械性能有很大影響。例如：材料的抗張強度、抗沖擊強度、耐疲勞性以及加工過程中的流動性和成膜性都與聚合物分子量分布有密切關(guān)系。 對藥用高分子材料而言：并不是分子量越高，分子量分布越小，其使用性能就越好。在實際應(yīng)用中，應(yīng)對高分子材料的使用性能和加工難易程度兩個方面進行綜合考慮，來最后確定所用高分子材料的最佳分子量及其分布。通常，許多藥用高分子材料都根據(jù)其分子量的不同而有多種規(guī)格，例如：聚乙烯吡咯烷酮的牌號從K15到K90就是根據(jù)

23、它們的分子量差異而劃分的。其中K 后面的數(shù)字越大其分子量也越大，我們可以在實際使用時根據(jù)需要來加以選擇。v二. 分子量及其分布的測定方法 (一)分子量測定方法 1. 端基測定法：顧名思義，端基是指高分子化合物兩端的官能團。假如聚合物分子量適中（一般3104）、 末端鏈數(shù)目明確、有可以用定量方法測定的化學官能團，就可以用這種方法測得一定量聚合物中端基的數(shù)量，從而進一步計算出化合物的數(shù)均分子量。 2. 粘度法：實驗證明：高分子的特性粘度取決于測量溫度、溶劑性質(zhì)和高分子的分子量及分子間作用力等。當聚合物、溶劑和溫度確定后，特征粘數(shù)a、k 或k數(shù)值僅與試樣的分子量（M）有關(guān)，通過特征粘數(shù)數(shù)值計算分子量

24、的方程即下面的Mark-Houwink方程： =KMa 或=KPa (式中：P 為聚合度；a、k 或k 為一定分子量范圍內(nèi)與分子量無關(guān)的常數(shù)。) a、k 或k值可以通過查閱常見物理化學手冊，直接得到。例如:醋酸纖維素的丙酮溶液,20時, a值為1,K值為6.71x10-3; 甲基纖維素的二甲基亞砜溶液的a值為0.84,K值為33.8.71x10-3 。 用粘度方法所測得的分子量為平均分子量。它具有設(shè)備簡單、操作方便 、可測分子量范圍廣(103-108) 并且準確度較高的優(yōu)點,是目前應(yīng)用最廣泛的一種分子量測定方法。3. 光散射法：光散射方法是測定重均分子量的主要方法，它利用溶液的光散射性質(zhì)測定溶

25、液的分子量、分子大小及其形狀，其分子量測定范圍一般為104-107。光散射方法理論復(fù)雜，此處不作過多介紹。此外，還有滲透壓法、氣相滲透法、冰點降低法和沸點升高法等都可以用來測定聚合物的數(shù)均分子量。（二）分子量分布測定法 1. 凝膠色譜法：凝膠色譜法是一種按溶質(zhì)分子大?。大w積大?。┻M行分離的色譜方法。這種方法的特點是快速、簡便、數(shù)據(jù)可靠、重復(fù)性好，能夠同時測定分子量及其分布的方法。但此法不能測得絕對分子量，而是需要與其它方法配合進行分子量測定。v 2. 相平衡分級方法：利用溶解分級法、沉淀分級方法等將多分散性聚合物試樣按分子量大小分成若干級分，然后借助于其它方法分別測得它們各自的含量及分子量，

26、即可得到該聚合物的分子量與分子量分布情況。第三節(jié) 聚合物的力學狀態(tài)及力學性質(zhì)v一. 溫度與力學狀態(tài)v二.藥用高分子輔料的力學性能v三. 高分子材料的其它性能v一. 溫度與力學狀態(tài) （一）高分子聚合物分子運動特點 高分子具有不同尺寸層次的結(jié)構(gòu)單元。這種結(jié)構(gòu)上的多重性使其分子熱運動非常復(fù)雜和多樣化，其特點為： 1）高分子的運動單元包括: 整個主鏈以及鏈段、鏈節(jié)、側(cè)基、支鏈等形式,因此具有運動單元的多重性;運動方式包括:整體分子的振動、轉(zhuǎn)動 、取向以及分子局部的相對移動 、轉(zhuǎn)動 、取向等,因此具有運動方式的多樣性。 v 2）高分子的熱運動是一個松弛過程，它具有時間依賴性。在一定條件下，高分子可以從一

27、個平衡態(tài)通過熱運動達到與外界條件相適應(yīng)的另一個新平衡態(tài)。由于高分子運動單元一般比較大，所受的摩擦力也很大，所以這個過程通常是緩慢完成的，高分子熱運動由于松弛時間較長，在一般尺度下可以看到明顯的松弛特性。v 3）高分子的運動也與溫度有關(guān)，溫度有兩種作用，即：活化運動單元和使高分子體積膨脹以加大分子間的空間，以利于運動單元的快速自由運動。溫度升高，使松弛時間縮短，溫度降低則使松弛時間延長，二者之間有一定的定量關(guān)系。 (二)高分子的物理狀態(tài) 根據(jù)高分子的力學性質(zhì)和熱運動特征，非晶態(tài)聚合物的物理狀態(tài)分為：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種類型，它們統(tǒng)稱為高分子的力學狀態(tài)。 聚合物在其組成一定時，力學狀態(tài)的轉(zhuǎn)變

28、主要與溫度有關(guān)。溫度較低時，分子熱運動的能量小,所以分子主鏈和鏈段這些大結(jié)構(gòu)單元一般不能運動，處于 “凍結(jié)”狀態(tài),其表現(xiàn)為玻璃態(tài)（glass state）。這種狀態(tài)下的聚合物形變小、彈性模量大、質(zhì)硬。當溫度升高時，分子熱運動能量增加，達到某一溫度后，高分子的鏈段可以自由運動，其分子形態(tài)也變化為高彈態(tài)（high elastic state),這時聚合物在較 小的應(yīng)力下即可發(fā)生明顯形變，并且這種形變是可逆的。當溫度繼續(xù)上升時，整個高分子鏈都能運動起來，即高分子開始了塑性流動，并形成粘流態(tài)（viscous flow state）。聚合物的這三種物理狀態(tài)不僅在恒定外力下可以隨溫度變化而表現(xiàn)出來，而且在

29、同一溫度下，由于作用力的速率不同，也能表現(xiàn)出來。 完全的結(jié)晶聚合物，由于其分子鏈排列規(guī)整、緊密，因此其分子鏈運動受到阻礙，所以沒有高彈態(tài)。但由于絕大多數(shù)的聚合物都是不完全結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所以其力學狀態(tài)的表現(xiàn)仍與它們的結(jié)晶度和分子量有密切關(guān)系。 (三).高分子的熱轉(zhuǎn)變 1.玻璃化轉(zhuǎn)變與玻璃化溫度 聚合物在玻璃態(tài)和高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變稱為玻璃化轉(zhuǎn)變，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，通常以Tg表示。玻璃化溫度與軟化溫度相接近，并且由于高分子聚合物分子量的多分散性，因此是一個溫度范圍，而不是像小分子化合物那樣為一急劇的轉(zhuǎn)折點。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與高分子的使用性能有密切關(guān)系，是其耐熱性的重要指標。例如：塑料應(yīng)處于

30、玻璃態(tài)，玻璃化溫度是它們的使用溫度上限；而橡膠則應(yīng)為高彈態(tài)，玻璃化溫度則是其使用溫度下限。 v 玻璃化溫度是高分子的大分子鏈段開始運動的溫度，由于這個層次的運動受到其分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)和分子間作用力的影響，因此凡能影響這兩個的因素都會對Tg造成影響。大分子的柔性降低、分子間作用力增強等結(jié)構(gòu)因素可以使Tg增高，例如：分子量大、分子量分布變窄、主鏈剛硬（含苯環(huán)、雜環(huán)、稠環(huán)芳烴）、側(cè)基位阻大、鏈間作用力大等都可以使Tg增高；反之，分子鏈柔性大，分子間作用力減少等因素則會使Tg降低。 2. 粘流溫度 聚合物由高彈態(tài)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的溫度稱之為粘流溫度，以Tf表示。處于此流體狀態(tài)的聚合物稱之為熔體。此時大分子處于紊亂

31、狀態(tài)，鏈段間相互纏結(jié)，流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦而進行粘性流動，大多數(shù)聚合物就是在這一粘流態(tài)下進行成型加工的。 聚合物熔體的流動性可以用剪切粘度和熔融指數(shù)（melt index，ML）來表示。在一定溫度下，熔融狀態(tài)的聚合物在運動負荷下 單位時間內(nèi)經(jīng)特定毛細管孔擠出的重量被稱為熔融指數(shù)。熔融指數(shù)大，粘度小，流動性則好；反之亦然。 分子量高的聚合物，熔融指數(shù)高，粘度大、流動阻力也大，聚合物容易糾纏。因此我們可以根據(jù)熔融指數(shù)來衡量同一類型聚合物的分子量大小。v二.藥用高分子材料的主要力學性能 我們通常使用的高分子材料多含填料、穩(wěn)定劑、添加劑等組分，以期獲得具有良好實用與經(jīng)濟價值或成型加工性能的材料。 聚合物用

32、途不同，其力學、電學、光學等性能要求往往也不相同。但對于大多數(shù)高分子材料的使用，其力學性能是其最主要的性能要求。材料的力學性能指標包括：彈性模量、沖擊強度、屈服強度等。聚合物的結(jié)構(gòu)特性決定了它們的這些力學性能。 藥劑學加工過程中常見的強度有： 1）拉伸強度（tensile strength）又稱拉張強度，是在規(guī)定溫度、濕度和加載速度下，在標準試樣上沿軸向施加拉伸力直到試樣拉斷前所承受的最大負荷P與試樣截面積之比。 2）彎曲強度（bending strength）是指材料受力彎曲而致折斷時的應(yīng)力。 3）沖擊強度（impact strength）是衡量材料韌性的一種強度指標，即材料試樣受沖擊負荷而

33、破裂時單位面積所吸收的能量。 作為包裝、藥物傳遞系統(tǒng)或給藥裝置的聚合物，它們的強度是衡量其性能的重要指標之一。影響聚合物實際強度的因素很多，它們主要有： 1）聚合物的結(jié)構(gòu)因素，例如氫鍵、極性基團、交聯(lián)、結(jié)晶、取向等。 2）聚合物的分子量大小，通常分子量增加，強度也增加。 3）應(yīng)力集中，高分子制品的一個微小裂縫、切口、空穴都能引起材料的應(yīng)力集中，并促使其局部裂縫擴大，進而斷裂。 4）溫度因素：溫度改變，材料強度也會改變。 5）外力作用速度：處于玻璃化溫度以上的線型聚合物，快速受力時比慢速受力時的強度要大。 6）外力作用時間：外力作用時間越長，斷裂所需應(yīng)力越小。 7）增塑劑：增塑劑減少了分子間作用

34、力，所以導致強度的下降。 8）填料的影響比較復(fù)雜，例如在作藥物薄膜包衣時，加入適當填料可提高強度。v三. 高分子材料的其它性能 (一)滲透性及透氣性 高分子材料通過擴散和吸收過程，使氣體或液體透過一個表面?zhèn)鬟f到另一個表面并滲出（通常從濃度高的一側(cè)滲透到濃度低的一側(cè)），這種現(xiàn)象稱為滲透性（permeability）。氣體分子滲透到聚合物膜的另一側(cè)則稱為透氣性（gas permeability）。 液體或氣體分子透過聚合物的過程首先是它們?nèi)芙庠诰酆衔飪?nèi)，然后向低濃度方向擴散，最后從聚合物的另一端逸出。因此聚合物的滲透性和液體或氣體在其內(nèi)部的溶解性有關(guān)。 聚合物的滲透性及透氣性受聚合物的結(jié)構(gòu)和物理狀

35、態(tài)影響很大。其主要因素有：溫度、極性、分子尺寸、鏈柔性、結(jié)晶度以及交聯(lián)度等。 在聚合物作為藥物傳遞系統(tǒng)組分時，其滲透性的大小與藥物釋放速率直接相關(guān)。基于上述原因，我們可以根據(jù)聚合物滲透性的影響因素，采用適當方法，達到調(diào)節(jié)藥物釋放速率的目的。 （二）膠粘性 膠粘劑在藥物制劑透皮給藥系統(tǒng)中也是一種不可缺少的組分。聚合物的膠粘性（adhesion）包括兩個方面：一是作為粘合劑使用時的粘合行為，二是指聚合物被粘合時聚合物自身的行為。 膠粘性聚合物產(chǎn)生粘合作用可分為兩個階段：首先是液態(tài)膠粘劑向被粘表面的擴散，潤濕，直至膠粘劑與被粘物形成面接觸。施加壓力或提高溫度，有利于此過程進行。其次，產(chǎn)生吸附作用形成

36、次價鍵或主價鍵。粘合性聚合物本身經(jīng)物理或化學作用變成固體，使粘接固定。 膠粘劑與被粘物之間的結(jié)合力主要為次價鍵結(jié)合，也有化學鍵、配位鍵、靜電吸引力、物理嚙合力等結(jié)合方式。影響粘合強度的主要因素有： 分子量：通常中等分子量的聚合物有較好的粘合強度； 被粘物表面的粗糙程度：粗糙表面能大大提高粘合強度； 被粘物表面處理方法：被粘物表面的清潔處理能使?jié)櫇裥缘玫礁纳?，并影響其粘合強度?溫度與壓力：升高溫度，能加強分子擴散，有利于提高粘合強度；增大壓力，有利于增大粘合劑與被粘物接觸面的均勻鋪展，從而提高粘合強度。第四節(jié) 藥物通過聚合物的擴散v一、藥物通過聚合物的傳質(zhì)過程v二、藥物分散傳質(zhì)模型 v三、擴散系數(shù)一、藥物通過聚合物的傳質(zhì)過程 在藥物制劑中，藥物通過聚合物的擴散簡單來講有兩種類型：一類是儲庫（膠囊或包衣）類型，另一類是骨架類型。Micrograph of particles used to carry drugs t