1、College of Pharmacy,Suzhou UniversitySaturday,August 06,2022Chapter 11 药物微粒分散系的基础理论LIU YangYour site here第一节第一节 概述概述v分散体系分散体系(disperse system)是一种或几种物是一种或几种物质高度分散在某种介质中所形成的体系。被分散质高度分散在某种介质中所形成的体系。被分散的物质称为的物质称为分散相分散相(disperse phase)，而连续，而连续的介质称为的介质称为分散介质分散介质(disperse medium)。v分散体系按分散相粒子的分散体系按分散相粒子的直径大
2、小直径大小可分为可分为小分子小分子真溶液真溶液(直径直径10-7m)。v将微粒直径在将微粒直径在10-910-4m范围的分散相统称为范围的分散相统称为微粒，由微粒构成的分散体系则统称为微粒，由微粒构成的分散体系则统称为微粒分散微粒分散体系体系。粗分散体系的微粒给药系统包括混悬粗分散体系的微粒给药系统包括混悬剂、乳剂、微囊、微球等。剂、乳剂、微囊、微球等。它们的粒它们的粒径在径在500nm100 m范围内。范围内。胶体分散体系的微粒给药系统包胶体分散体系的微粒给药系统包括纳米微乳、脂质体、纳米粒、括纳米微乳、脂质体、纳米粒、纳米囊、纳米胶束等。纳米囊、纳米胶束等。它们的粒它们的粒径全都径全都小于
3、小于1000nm。Your site here微粒分散体系的特殊性能：微粒分散体系的特殊性能：微粒分散体系首先是微粒分散体系首先是多相体系多相体系，分散相与分散介，分散相与分散介质之间存在着相界面，因而会出现质之间存在着相界面，因而会出现大量的表面现大量的表面现象象；随分散相微粒直径的减少，微粒比表面积显著增随分散相微粒直径的减少，微粒比表面积显著增大，使微粒具有大，使微粒具有相对较高的表面自由能相对较高的表面自由能，所以它，所以它是是热力学不稳定体系热力学不稳定体系，因此，微粒分散体系具有，因此，微粒分散体系具有容易絮凝、聚结、沉降的趋势，容易絮凝、聚结、沉降的趋势，粒径更小的分散体系（胶体
4、分散体系）还具有粒径更小的分散体系（胶体分散体系）还具有明明显的显的布朗运动、丁铎尔现象、电泳等性质布朗运动、丁铎尔现象、电泳等性质。Your site here微粒分散体系在药剂学的重要意义：微粒分散体系在药剂学的重要意义：由于粒径小，有助于提高药物的溶解速度及溶解由于粒径小，有助于提高药物的溶解速度及溶解度，有利于提高难溶性药物的生物利用度；度，有利于提高难溶性药物的生物利用度；有利于提高药物微粒在分散介质中的分散性与稳有利于提高药物微粒在分散介质中的分散性与稳定性；定性；具有不同大小的微粒分散体系在体内分布上具有具有不同大小的微粒分散体系在体内分布上具有一定的选择性，如一定大小的微粒给药
5、后容易被一定的选择性，如一定大小的微粒给药后容易被单核吞噬细胞系统吞噬；单核吞噬细胞系统吞噬；微囊、微球等微粒分散体系一般具有明显的缓释微囊、微球等微粒分散体系一般具有明显的缓释作用，可以延长药物在体内的作用时间，减少剂作用，可以延长药物在体内的作用时间，减少剂量，降低毒副作用；量，降低毒副作用；还可以改善药物在体内外的稳定性。还可以改善药物在体内外的稳定性。Your site here第二节第二节 微粒分散系的主要性质和特点微粒分散系的主要性质和特点v微粒大小是微粒分散体系的重要参数，对其体内微粒大小是微粒分散体系的重要参数，对其体内外的性能有重要的影响。微粒外的性能有重要的影响。微粒大小完
6、全均一大小完全均一的体的体系称为系称为单分散体系单分散体系；微粒；微粒大小不均一大小不均一的体系称为的体系称为多分散体系多分散体系。绝大多数微粒分散体系为多分散体。绝大多数微粒分散体系为多分散体系。常用平均粒径来描述粒子大小。系。常用平均粒径来描述粒子大小。v常用的粒径表示方法常用的粒径表示方法：几何学粒径几何学粒径、比表面粒径比表面粒径、有效粒径有效粒径等。等。v微粒大小的微粒大小的测定方法测定方法有有光学显微镜法光学显微镜法、电子显微电子显微镜法镜法、激光散射法激光散射法、库尔特计数法库尔特计数法、Stokes沉沉降法降法、吸附法吸附法等。等。一、微粒大小与测定方法一、微粒大小与测定方法Y
7、our site herev小于小于50nm的微粒能够穿透肝脏内皮，的微粒能够穿透肝脏内皮，通过毛细通过毛细血管末梢或通过淋巴传递血管末梢或通过淋巴传递进入骨髓组织进入骨髓组织。v静脉注射静脉注射、腹腔注射腹腔注射0.13.0 m的微粒分散体的微粒分散体系能很快被系能很快被单核吞噬细胞系统单核吞噬细胞系统的巨噬细胞所吞噬，的巨噬细胞所吞噬，最终多数药物微粒浓集于巨噬细胞丰富的最终多数药物微粒浓集于巨噬细胞丰富的肝脏和肝脏和脾脏脾脏等部位，血液中的微粒逐渐被清除。等部位，血液中的微粒逐渐被清除。v人肺毛细血管直径为人肺毛细血管直径为2 m，大于肺毛细血管直径，大于肺毛细血管直径的粒子被滞留下来，
8、小于该直径的微粒则通过肺的粒子被滞留下来，小于该直径的微粒则通过肺而到达肝、脾，被巨噬细胞清除。而到达肝、脾，被巨噬细胞清除。v注射大于注射大于50 m的微粒，可使微粒分别被的微粒，可使微粒分别被截留在截留在肠、肝、肾等相应部位肠、肝、肾等相应部位。二、微粒大小与体内分布二、微粒大小与体内分布Your site herev布朗运动布朗运动是微粒扩散的微观基础，而扩散现是微粒扩散的微观基础，而扩散现象又是布朗运动的宏观表现象又是布朗运动的宏观表现。v布朗运动使很小的微粒具有了动力学稳定性。布朗运动使很小的微粒具有了动力学稳定性。三、微粒的动力学性质三、微粒的动力学性质Your site here
9、如果有一束光线在暗室内通过微粒分散体系，当微粒大小适当时，光的散射现象十分明显，在其侧面可以观察到明显的乳光，这就是Tyndall现象。丁铎尔现丁铎尔现象象(Tyndall phenomenon)是微粒散射光的宏观表现。同样条件下，粗分散体系由于反射光为主，不能观察到丁铎尔现象；而低分子的真溶液则是透射光为主，同样也观察不到乳光。可见，微粒大小不同，光学性质相差很大。四、微粒的光学性质四、微粒的光学性质Your site here（一）电泳（一）电泳v在电场的作用下微粒发生定向移动在电场的作用下微粒发生定向移动电泳电泳（electron phoresis).v微粒在电场作用下移动的速度与其粒径
10、大小成微粒在电场作用下移动的速度与其粒径大小成反比，其他条件相同时，微粒越小，移动越快。反比，其他条件相同时，微粒越小，移动越快。（二）微粒的双电层结构（二）微粒的双电层结构v在微粒分散体系的溶液中，微粒表面的离子与在微粒分散体系的溶液中，微粒表面的离子与靠近表面的反离子构成了微粒的靠近表面的反离子构成了微粒的吸附层吸附层；同时；同时由于扩散作用，反离子在微粒周围呈现距微粒由于扩散作用，反离子在微粒周围呈现距微粒表面越远则浓度越稀的梯度分布形成微粒的表面越远则浓度越稀的梯度分布形成微粒的扩扩散层散层，吸附层与扩散层所带电荷相反。微粒的，吸附层与扩散层所带电荷相反。微粒的吸附层与相邻的扩散层共同
11、构成微粒的吸附层与相邻的扩散层共同构成微粒的双电层双电层结构。结构。五、微粒的电学性质五、微粒的电学性质从吸附层表面至反离从吸附层表面至反离子电荷为零处的电位子电荷为零处的电位差叫动电位，即差叫动电位，即电电位。位。电位与微粒的电位与微粒的物理稳定性关系密切。物理稳定性关系密切。=/r在相同的条件下，微在相同的条件下，微粒越小，粒越小，电位越高。电位越高。Your site here第三节第三节 微粒分散体系的物理稳定性微粒分散体系的物理稳定性v微粒分散体系的物理稳定性直接关系到微粒给微粒分散体系的物理稳定性直接关系到微粒给药系统的应用。在宏观上，药系统的应用。在宏观上，微粒分散体系的物微粒分
12、散体系的物理稳定性理稳定性可表现为可表现为微粒粒径的变化微粒粒径的变化，微粒的絮微粒的絮凝凝、聚结聚结、沉降沉降、乳析乳析和和分层分层等等。等等。一、热力学稳定性一、热力学稳定性 二、动力学稳定性二、动力学稳定性 三、絮凝与反絮凝三、絮凝与反絮凝Your site here一、热力学稳定性一、热力学稳定性v微粒分散体系是多相分散体系，存在大量界面，微粒分散体系是多相分散体系，存在大量界面，当微粒变小时，其表面积当微粒变小时，其表面积A增加，表面自由能增加，表面自由能的增加的增加G：v G=Av当当A 时时 G 体系稳定性体系稳定性 为了降低为了降低G 微粒聚结微粒聚结v G 体系稳定性体系稳定
13、性 选择适当的表面活性剂、稳定剂、增加介质粘度等Your site here二、动力学稳定性二、动力学稳定性v主要表现在两个方面：主要表现在两个方面：1.布朗运动 提高微粒分散体系的物 理稳定性2.重力产生的沉降 使微粒分散体系的物 理稳定性下降Your site here三、絮凝与反絮凝三、絮凝与反絮凝v微粒表面的电学特性也会影响微粒分散体系的微粒表面的电学特性也会影响微粒分散体系的物理稳定性。物理稳定性。v扩散双电层的存在，使微粒表面带有同种电荷，扩散双电层的存在，使微粒表面带有同种电荷，在一定条件下因互相排斥而稳定。双电层厚度在一定条件下因互相排斥而稳定。双电层厚度越大，微粒越稳定。越大
14、，微粒越稳定。v体系中加入一定量的某种电解质，使微粒的物体系中加入一定量的某种电解质，使微粒的物理稳定性下降，出现絮凝状态。理稳定性下降，出现絮凝状态。v反絮凝过程可使微粒表面的反絮凝过程可使微粒表面的电位升高。电位升高。Your site here四、四、DLVODLVO理论理论vDLVO理论是关于微粒稳定性的理论。理论是关于微粒稳定性的理论。（一）微粒间的Vander Waals吸引能（A）（二）双电层的排斥作用能（R）（三）微粒间总相互作用能（T）（四）临界聚沉浓度Your site here（一）微粒间的（一）微粒间的Vander Waals吸引能吸引能分子之间的Vander Waal
15、s作用，涉及偶极子的长程相互作用：两个永久偶极之间的相互作用；永久偶极与诱导偶极间的相互作用；诱导偶极之间的色散相互作用。除了少数的极性分子，色散相互作用在三类作用中占支配地位。此三种相互作用全系负值，即表现为吸引，其大小与分子间距离的六次方成反比。Your site herevHamaker假设：微粒间的相互作用等于组成它假设：微粒间的相互作用等于组成它们的各分子之间的相互作用的加和。们的各分子之间的相互作用的加和。v对于两个彼此平行的平板微粒，得出单位面积上对于两个彼此平行的平板微粒，得出单位面积上相互作用能相互作用能A：A=-A/12D2v对于同一物质，半径为对于同一物质，半径为a的两个
16、球形微粒之间的的两个球形微粒之间的相互作用能为：相互作用能为：A=-Aa/12H v同物质微粒间的同物质微粒间的Vander Waals作用永远是相作用永远是相互吸引，介质的存在能减弱吸引作用，而且介质互吸引，介质的存在能减弱吸引作用，而且介质与微粒的性质越接近，微粒间的相互吸引就越弱。与微粒的性质越接近，微粒间的相互吸引就越弱。（一）微粒间的（一）微粒间的Vander Waals吸引能吸引能Your site here（二）双电层的排斥作用能（二）双电层的排斥作用能当微粒接近到它们的双电层发生重叠，并当微粒接近到它们的双电层发生重叠，并改变了双电层电势与电荷分布时，才产生改变了双电层电势与电
17、荷分布时，才产生排斥作用。微粒的双电层因重叠而产生排排斥作用。微粒的双电层因重叠而产生排斥作用是斥作用是DLVO理论的核心。理论的核心。计算双电层排斥作用的最简便方法是采用计算双电层排斥作用的最简便方法是采用Langmuir的方法。的方法。R=64a0 k Txr20exHYour site herev微粒间总相互作用能：微粒间总相互作用能：T=A+Rv以以T对微粒间距离对微粒间距离H作图，即得总势能曲线。作图，即得总势能曲线。（三）微粒间总相互作用能（三）微粒间总相互作用能T第一级小第二级小h微粒的物理稳定性取微粒的物理稳定性取决于总势能曲线上势决于总势能曲线上势垒的大小。垒的大小。Your
18、 site herev总势能曲线上的势垒的高度随溶液中电解质浓总势能曲线上的势垒的高度随溶液中电解质浓度的加大而降低，当电解质浓度达到某一数值度的加大而降低，当电解质浓度达到某一数值时，势能曲线的最高点恰好为零，势垒消失，时，势能曲线的最高点恰好为零，势垒消失，体系由稳定转为聚沉，这就是体系由稳定转为聚沉，这就是临界聚沉状态临界聚沉状态，这时的电解质浓度即为该微粒分散体系的这时的电解质浓度即为该微粒分散体系的聚沉聚沉值。值。v将在第一极小处发生的聚结称为将在第一极小处发生的聚结称为聚沉聚沉(coagulation)，将在第二极小处发生的聚，将在第二极小处发生的聚结叫结叫絮凝絮凝(floccul
19、ation)。（四）临界聚沉浓度（四）临界聚沉浓度Your site here五、空间稳定理论五、空间稳定理论v微粒表面上吸附的大分子从空间阻碍了微粒相互微粒表面上吸附的大分子从空间阻碍了微粒相互接近，进而阻碍了它们的聚结，这类稳定作用为接近，进而阻碍了它们的聚结，这类稳定作用为空间稳定作用。空间稳定作用。v一般用高分子作为稳定剂。一般用高分子作为稳定剂。v实验规律实验规律1.分子稳定剂的结构特点：高分子应于微粒有很强的亲和力，分子稳定剂的结构特点：高分子应于微粒有很强的亲和力，同时应与溶剂具有良好的亲和性。同时应与溶剂具有良好的亲和性。2.高分子的浓度与分子量的影响：通常，分子量越大，高分高
20、分子的浓度与分子量的影响：通常，分子量越大，高分子在微粒表面上形成的吸附层越厚，稳定效果越好。高分子在微粒表面上形成的吸附层越厚，稳定效果越好。高分子低于临界分子量时，无保护作用（敏化作用）。子低于临界分子量时，无保护作用（敏化作用）。3.溶剂的影响：高分子在良溶剂中链段能伸展，吸附层变厚，溶剂的影响：高分子在良溶剂中链段能伸展，吸附层变厚，稳定作用增强。在不良溶剂中，高分子的稳定作用变差。稳定作用增强。在不良溶剂中，高分子的稳定作用变差。温度的改变可改变溶剂对高分子的性能。温度的改变可改变溶剂对高分子的性能。Your site here五、空间稳定理论五、空间稳定理论1.1.两种稳定理论两种
21、稳定理论（二）理论基础（二）理论基础体积限制效应理论混合效应理论Your site here2.微粒稳定性的判断微粒稳定性的判断：GR=HRTSR 若使胶粒稳定，则GR0，有如下三种情况：HR，SR0，但HRTSR，焓变起稳定作用，熵变则反之，加热会使体系不稳定，容易聚沉：HR，SR0，但|HR|0，SR10000时时)，V2*M1/2和和V2*M1/2均接近一常数。即均接近一常数。即V2*和和V2*值值均与均与M1/2成反比例。成反比例。Your site here 2 2微粒大小的影响微粒大小的影响 以分子量为以分子量为10000的聚的聚氧乙烯作自由聚合物时为例，随着微粒粒度的氧乙烯作自由
22、聚合物时为例，随着微粒粒度的增大，增大，V2*和和V2*之值同时减少，即尺寸较大之值同时减少，即尺寸较大的微粒在高浓度聚合物溶液中呈现较大稳定性，的微粒在高浓度聚合物溶液中呈现较大稳定性，而在低浓度的同样聚合物溶液中却呈现出较大而在低浓度的同样聚合物溶液中却呈现出较大的聚沉性。的聚沉性。3 3溶剂的影响溶剂的影响 溶剂的好坏直接影响到聚合物溶剂的好坏直接影响到聚合物的溶解及其分子在溶液中的形状。良好的溶剂的溶解及其分子在溶液中的形状。良好的溶剂与聚合物的相互作用力较大，可以使聚合物分与聚合物的相互作用力较大，可以使聚合物分子在溶液中充分伸展开来，它们的混合使体系子在溶液中充分伸展开来，它们的混
23、合使体系的自由能减少更多；相反，它们的分离则使自的自由能减少更多；相反，它们的分离则使自由能增加更多，因而由能增加更多，因而V2*和和V2*值都较小。对值都较小。对于不良溶剂，聚合物分子在溶液中呈卷曲状，于不良溶剂，聚合物分子在溶液中呈卷曲状，V2*和和V2*值都较大。值都较大。Your site here七、微粒聚结动力学七、微粒聚结动力学v聚沉速度是微粒稳定性的定量反映。聚沉速度是微粒稳定性的定量反映。v微粒稳定是由于总势能曲线上势垒的存在。微粒稳定是由于总势能曲线上势垒的存在。v若势垒为零，则微粒相互接近时必然导致聚若势垒为零，则微粒相互接近时必然导致聚结，称为结，称为快聚结。快聚结。v
24、若有势垒存在，则只有其中的一部分聚结，若有势垒存在，则只有其中的一部分聚结，称为称为慢聚结慢聚结。Your site here（一）快聚结（一）快聚结v当微粒间不存在排斥势垒当微粒间不存在排斥势垒(T T=0)时，微粒一时，微粒一经碰撞就会聚结，其速度由碰撞速率决定，而经碰撞就会聚结，其速度由碰撞速率决定，而碰撞速率又由微粒布朗运动决定，即由微粒的碰撞速率又由微粒布朗运动决定，即由微粒的扩散速度决定，研究快速聚结动力学实际上是扩散速度决定，研究快速聚结动力学实际上是研究微粒向另一微粒的扩散。研究微粒向另一微粒的扩散。vdN/dt=-4DRN2 表明聚结作用是双分子表明聚结作用是双分子反应，其速
25、率与微粒浓度的平方成正比。反应，其速率与微粒浓度的平方成正比。v快速聚结速度与微粒大小无关，若温度与介质快速聚结速度与微粒大小无关，若温度与介质粘度固定，聚结速度与微粒浓度的平方成正比。粘度固定，聚结速度与微粒浓度的平方成正比。Your site here（二）慢聚结（二）慢聚结v当存在势垒时，聚结速度比公式所预测的要小当存在势垒时，聚结速度比公式所预测的要小得多。若忽略介质水中的切变影响；当势垒主得多。若忽略介质水中的切变影响；当势垒主要由双电层斥力和色散力所引起时，可以得出要由双电层斥力和色散力所引起时，可以得出如下公式：如下公式：vG两个微粒聚结的速度常数；两个微粒聚结的速度常数；k波兹
26、曼常波兹曼常数；数；介质粘度；介质粘度；r1、r2两个微粒各自的两个微粒各自的半径；半径；12构成势垒的因子，它与总势能由构成势垒的因子，它与总势能由T、两微粒中心距离、两微粒中心距离R等有关。等有关。G=2kT312(1/r1 1/r2)(r1+r2)Your site hereG G的影响因素：的影响因素：(1)电解质影响，将氯化钠溶液的浓度由电解质影响，将氯化钠溶液的浓度由1%1%2%2%稀释至稀释至0.1%0.1%，聚结速度降低几十倍至几百倍。，聚结速度降低几十倍至几百倍。(2)(2)微粒的大小对电解质效应也有影响，随电解质浓度增微粒的大小对电解质效应也有影响，随电解质浓度增加，加，0
27、.5m0.5m的微粒比的微粒比0.1m0.1m的微粒对电解质的敏感度的微粒对电解质的敏感度(G(G值值)要大好几个数量级，这特别适用于乳剂聚结的动力学，要大好几个数量级，这特别适用于乳剂聚结的动力学，此时，表面膜的破裂不是聚结速度的决定因素。小的粒此时，表面膜的破裂不是聚结速度的决定因素。小的粒子优先聚结子优先聚结(相同电解质浓度下，小粒子相同电解质浓度下，小粒子G G值小值小)。(3)(3)随微粒半径增大，第二最低势能随微粒半径增大，第二最低势能V Vminmin也增大，对于也增大，对于0.5m0.5m的粒子，越过主要能垒的粒子，越过主要能垒(V Vmaxmax)的概率很小，的概率很小，V
28、Vminmin也也可能比可能比kTkT大好几倍，在有大颗粒大好几倍，在有大颗粒(1m)(1m)的情况下；聚结的情况下；聚结转入第二势能最低值是很重要的，这种类型聚结的结果，转入第二势能最低值是很重要的，这种类型聚结的结果，微粒结合得很弱且很容易再分散。微粒结合得很弱且很容易再分散。Your site here（三）架桥聚结（三）架桥聚结v当被吸附的聚合物只覆盖一小部分表面时，它当被吸附的聚合物只覆盖一小部分表面时，它们往往使微粒对电解质的敏感性大大增加，可们往往使微粒对电解质的敏感性大大增加，可以减少引起絮凝作用所需的电解质的量。称这以减少引起絮凝作用所需的电解质的量。称这种絮凝作用为种絮凝作用为敏化敏化(sensitization)。v敏化的作用机制是聚合物的高分子长链同时吸敏化的作用机制是聚合物的高分子长链同时吸附在两个微粒上，形成分子桥。附在两个微粒上，形成分子桥。聚合物有效覆盖微粒表面小部分覆盖微粒表面空间保护作用架桥聚结
