药用高分子材料高分子材料物理化学性质.pptx

第一节 高分子溶液性质 一.溶胀与溶解二.聚合物的溶度参数与测量三.溶剂的选择四.凝胶第1页/共81页一.溶胀与溶解 小分子有机物可以很快地溶于各种溶剂中，但高分子化合物的这一过程却十分缓慢，通常要过夜，甚至数天才能观察到溶解。高分子溶解的第一步是溶胀，由于高分子难以摆脱分子间相互作用而在溶剂中扩散，所以第一步总是体积较小的溶剂分子先扩散进入高分子中使之溶胀。如果是线形高分子，由溶胀会逐渐变为溶解；如果是交联高分子，只能达到溶胀平衡而不溶解。基于上述原因，一般来说：高分子有较好的抗化学性，即抗酸、抗碱和抗有机溶剂的侵蚀性能。第2页/共81页 第3页/共81页 高分子的溶解、溶胀性能受高分子材料本身化学结构、分子量、结晶性、支化或交联程度等的影响。总的来说有如下关系。分子量越高，溶解越难；结晶度越高，溶解越难；交联程度越高，溶胀越难。第4页/共81页 一般市售的药用高分子材料大多呈颗粒或粉末状,如果将其直接置于良溶剂中,则与溶剂接触的表面首先溶解,并使其黏度增加,聚结成团。这种情况不利于溶剂继续扩散进入颗粒内部。因此,在溶解之初,应采用适宜的方法,使颗粒高度分散,防止粘聚成团,然后再加入良溶剂进行溶胀或溶解,这样可以较快地制备高分子溶液。第5页/共81页二.聚合物的溶度参数与测量 聚合物的溶度参数 聚合物的溶解或溶胀实际上是聚合物与溶剂之间的扩散、渗透以至充分融合的过程。因此,它必然与聚合物与聚合物、溶剂与溶剂、以及聚合物与溶剂之间的相互作用,即它们的内聚能(范德华力与氢键力)有关。聚合物或溶剂的溶度参数等于它们的内聚能密度的平方根,而内聚能密度即是单位体积的内聚能。第6页/共81页 式中为内聚能(J);V为体积(cm3)第7页/共81页聚合物溶度参数的测定 聚合物的溶度参数可用粘度法或溶胀度法测定。粘度法是将聚合物溶解在各种溶度参数与聚合物相似的溶剂中,分别在同一浓度、同一温度下测定这些聚合物溶液的特性粘度,因为聚合物在良溶剂中的舒展最好、特性粘度最大,所以将特性粘度最大时所用溶剂的溶度参数值看作该聚合物的溶度参数。第8页/共81页 溶胀度法是在一定温度下,将交联度相同的高分子分别放在一系列溶度参数不同的溶剂中使其溶胀,测定平衡溶胀度,聚合物在不同的溶剂中溶胀度不同,只有当溶剂的溶度参数与聚合物的溶度参数相等或最接近时,它的溶胀最好。因此,可以将溶胀度最大溶剂所对应的溶度参数作为该聚合物的溶度参数。第9页/共81页三.溶剂的选择 如何选择适当溶剂对药用高分子辅料进行溶解或溶胀是药物剂型生产或使用过程中经常遇到的问题。例如:薄膜包衣的制备、控释膜中孔隙大小的控制以及药物活性成分与高分子辅料相容程度的判断都需要掌握并利用高分子溶解度及相容性的一般规律。通常,高分子在不同溶剂中的溶解或溶胀遵循溶度参数相近原溶度参数相近原则、极性相似相溶原则则、极性相似相溶原则或溶剂化原则溶剂化原则。第10页/共81页1.溶度参数相近原则 对于一般的非极性(或弱极性)非晶态聚合物，选择溶度参数与聚合物相近的溶剂，可以很好的溶解或溶胀该聚合物。通常聚合物与溶剂二者的溶度参数相差值在1.5以内时可以较好溶解。所以可以用溶度参数作为选择溶剂的参考数据。第11页/共81页一些高分子材料的溶度参数高分子名称 溶度参数（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 19.8二醋酸纤维素 22.3聚乙烯醇 25.8-39.0聚醋酸乙烯 19.6纤维素 32.1红细胞膜 21.10.8生物膜质 17.82.1第12页/共81页 一些溶剂的溶度参数溶剂名称溶剂名称 溶度参数（MPa）1/2 丙酮丙酮20.4二甲基亚砜二甲基亚砜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18.2二氧六环二氧六环20.4二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺24.5甲酸甲酸27.6第13页/共81页 一些溶剂的溶度参数 溶剂名称溶剂名称 溶度参数（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醋酸异戊酯醋酸异戊酯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环己烷环己烷16.8苯苯18.8甘油甘油36.2第14页/共81页 如果不能找到一个很好的溶剂,则使用混合溶剂体系，有时效果更好。对于混合溶剂的溶度参数可由下式计算,得出：混=11+22（式中1和2，分别代表两种纯溶剂的体积分数；1和2分别代表两种纯溶剂的溶度参数。）由上式可以调节混合溶剂的溶度参数，使混合溶剂的溶度参数与聚合物相近，以达到更好的溶解性能。第15页/共81页2.极性相似相溶原则 对于非晶态极性聚合物不仅要求溶剂的溶度参数与聚合物接近，而且还要求溶剂的极性与聚合物也接近才能使之溶解。例如：聚乙烯醇是极性的，它可以溶于极性溶剂水或乙醇中，但在非极性苯溶剂中则很难溶解。第16页/共81页3溶剂化原则 有时溶度参数相近的聚合物-溶剂体系，不一定都能很好互溶，例如：聚氯乙烯=19.8（MPa）1/2和二氯乙烷的溶度参数=19.8（MPa）1/2相同，但却不能互溶。前者只能溶于环己酮=16.8（MPa）1/2中。这一现象可用“溶剂化原则”进行解释。溶剂化作用是溶剂与溶质相接触时，二者之间产生的分子作用力，此作用力大于溶质分子的内聚力，从而使溶质分子分离，并溶于溶剂中。高分子按功能团可分为弱亲电子高分子、强亲电子高分子、给电子高分子和第17页/共81页氢键高分子；同样溶剂按极性也可分为弱亲电子溶剂、强亲电子溶剂、给电子高分子和氢键溶剂。在溶剂与高分子的溶度参数相近时，凡属亲电子性溶剂能和给电子性高分子进行“溶剂化”而易于溶解；同样给电子性溶剂能和亲电子性高分子“溶剂化”而易于溶解；溶剂和高分子基团之间形成氢键，也有利于溶解。第18页/共81页一些高分子的极性分类弱亲电子性高分子弱亲电子性高分子给电子性高分子给电子性高分子强亲电子性或氢键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烯醇聚四氟乙烯聚四氟乙烯第19页/共81页一些溶剂的极性分类弱亲电子性溶剂弱亲电子性溶剂给电子性溶剂给电子性溶剂强亲电子性或强氢键溶剂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环己烷环己烷四氢呋喃四氢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环己酮环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环二氧六环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第20页/共81页 在实际选择溶剂时，除了遵循上述原则 外，还要根据使用目的、安全性、工艺要求以及成本等进行综合选择。例如：成膜和薄膜包衣的溶剂应选择挥发性溶剂，否则难以成为连续膜，而作为增塑剂用溶剂，则要求挥发性小，以便于它们长期保留在聚合物中。第21页/共81页四.凝胶(一)凝胶的结构与性质 1.凝胶的结构和类型 凝胶（gel）是一类溶胀的三维网状高分子，在它们的网状结构孔隙中填充了大量的液体介质，这样一种分散体系（网络结构和填充液体互相分割，各自都不是连续的）被称为凝胶。根据高分子交联键（形成网状结构的基础）性质的不同，凝胶又可以分为化学凝胶和物理凝胶两类。其中化学凝胶是指第22页/共81页大分子提供共价键连接所形成网状结构的凝胶。一般这类凝胶通过单体聚合或化学交联而成，它们不能熔融，也不能溶解，结构非常稳定，被称为不可逆凝胶。例如PST-DVB凝胶就属于这类凝胶。物理凝胶是指大分子间通过非共价键（例如：氢键或范德华力）互相连接，形成网状结构。物理凝胶的网状结构具有可逆性，只要温度等外界条件改变，其网状结构就会破坏，并重新成为链状分子溶于溶剂第23页/共81页中。例如：明胶溶液或聚乙烯醇水溶液冷却至一定温度所形成的凝胶均为物理凝胶。其中，根据凝胶中液体含量的多少又可分为冻胶（jelly，液体含量高）和干凝胶（xerogel，液体含量较少）两种类型。高分子溶液转变为凝胶的过程称为胶凝作用。影响胶凝的因素主要有高分子溶液浓度、温度和电解质类型与含量等。每种高分子溶液均有一最低凝胶浓度，低于此浓度则不能形成凝胶。此外，温度越低越有利于胶凝。第24页/共81页 电解质对胶凝的影响比较复杂。有时对胶凝有促进作用，有时则有阻止作用，其中阴离子对胶凝的影响较大，一般当盐浓度较大时，硫酸根离子和氯离子加速胶凝，而碘离子和硫氰根离子则阻滞胶凝作用。第25页/共81页 凝胶的超显微结构示意图 （S 溶剂化层；a 凝胶结合点）第26页/共81页 2.凝胶的性质 凝胶具有以下性质:（1）触变性：物理凝胶受搅拌、震荡等外力作用时，其网状结构易于破坏而成流体；当外力作用停止后，又可恢复成半固体凝胶结构。这种凝胶和溶胶流体之间的相互转变过程，被称为触变性(thixotropy)。此外，凝胶还具有一定的屈服值(yield value)、弹性 和粘性。（2）溶胀性：溶胀是指凝胶吸收液体后自身体积明显变大的现象。溶胀可分为两个阶段。首先，溶剂分子钻入凝胶大分子中并第27页/共81页 与其作用形成溶剂化层，此过程伴有放热和体积收缩现象（指凝胶体积的增加要小于吸收的液体体积）；在此之后，溶剂液体分子继续向里面渗透，凝胶体积也大大增加。凝胶溶胀性的大小可用溶胀度(swelling capacity)加以衡量。溶胀度是指在一定温度下，单位重量或体积的凝胶能吸收液体的极限量。影响溶胀度的主要因素有液体的性质、温度、电解质及pH 等。其中:液体的性质不同,溶胀度有很大差异;温度第28页/共81页升高可增加溶胀速度;电解质对溶胀度的影响比较复杂,要根据聚合物的具体情况而定,例如:蛋白质类高分子凝胶,介质的pH在等电点附近时溶胀度最小。第29页/共81页 (3)脱水收缩性：溶胀后的凝胶在低蒸汽压下保存，液体会缓慢地从凝胶中分离出来，这一现象被称为脱水收缩。(4)透过性：凝胶和液体相似，也可以作为扩散介质。在低浓度凝胶中，水分子或离子可以自由通过，其扩散速度与在溶液中几乎相同。但当凝胶浓度和交联度增加时，物质的扩散速度就会变小。这主要是因为交联度增加将使凝胶骨架的孔隙变小所致。物质第30页/共81页 在凝胶中的透过性还和其所含溶剂的性质与含量有关。总之，处于高溶胀状态的凝胶有较大的平均孔径，有利于分子透过，含水的孔道有利于可溶于水的物质通过。凝胶骨架空隙的分子筛作用，使得各种分子的通过选择性或通过速度受到一定影响。药物的缓释，控释制剂的制备就是利用了亲水凝胶的选择性透过和良好的生物相容性特点。第31页/共81页（二）功能水凝胶 1.功能水凝胶的结构与分类 水凝胶（hydrogels）是一种能在水中显著溶胀，并保留大量水分的亲水性凝胶。多数水凝胶可容纳本身重量数倍至数百倍的水分，它的这种能力通常与其结构中含-OH、-COOH、-CONH2、-S03 等亲水基团有关。从来源上讲：水凝胶可分为天然和合成水凝胶两种类型。而从性质上划分，水凝胶则又 第32页/共81页 可以分为电中性和离子型水凝胶两种。离子型水凝胶又可以进一步分为阴离子、阳离子和两性等类型。目前人们研究与应用比较多的是离子型水凝胶。传统的水凝胶对温度和pH等环境变化不敏感；新近出现的水凝胶则对温度、pH、某些化学反应以及光、电等所给予的刺激有明确的应答。它们在新型药物制剂的研制开发方面也有许多应用。第33页/共81页 2.水凝胶的溶胀行为及其影响因素 离子型水凝胶由于其结构中功能基团的电离作用，而具有特殊的溶胀性能。例如：离子型水凝胶因其高分子骨架中-COOH、-SO3、-NH2 基团的电离作用而增加了它们的亲水性。同时由于其电离程度的增加，而使其网络中高分子链上存在大量具有相同电荷的电离基团。这些基团的静电斥力导致高分子链进一步的伸展并与水分子接触。从而大大增加了它们的吸水保水能力。第34页/共81页 某些水凝胶的溶胀性能随外界溶胀条件（温度、介质pH、离子强度、某些化学反应以及光、电等）的变化而发生极大的甚至是不连续的改变。从而导致水凝胶发生溶胀或收缩突变。目前研究最多的是:pH 型或温度敏感型水凝胶。3.水凝胶的应用 由于水凝胶的上述溶胀行为和良好的物理化学性能和生物相容性，所以在药剂学领域有许多应用，例如：一些缓释性药物的载体、水性软膏基质等。第35页/共81页水凝胶在药物制剂中的应用见高分子通报2006年11期文章第36页/共81页第二节 高分子的分子量及分子量分布 分子量、分子量分布及其测定方法分子量、分子量分布及其测定方法第37页/共81页一.概述 一.高分子的分子量特点 与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,我们日常所说的高聚物分子量仅仅是高分子一系列同系物的平均分子量描述。严格意义上,需要用分子量和分子量分布两个参数才能对聚合物进行更准确的表征。第38页/共81页(一)聚合物分子量的表示方法 聚合物的分子量通常有数均分子量(Mn)、重均分子量(Mw)或粘均分子量(M)等表示方法，它们分别是单位质量聚合物按分子个数统计、质量平均统计以及溶液粘度测量所得到的分子量数据。其中:依照冰点下降、沸点升高、渗透压和端基分析方法测得的分子量为数均分子量;按照光散射、超离心沉降方法测得的分子量属于重均分子量;而以溶液粘度法测得的分子量则为粘均分子量。不同分子量测试方法所得到的分子量数据各不相同,通常重均分子量粘均分子量数均分子量。第39页/共81页 （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被称为多分散性，其常见的表示方法如下：1.多分散性指数（HI）它是表示聚合物分子量分布情况最简单的方法，HI值越大，其分子量分布越宽（分散）；反之，HI 越小，其分子量分布越窄（集中）。单分散系聚合物的HI=1，通常聚合物的HI 值在1.5-2.0之间，有时可高达20-50。第40页/共81页 2.分子量分布曲线 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线，它包括累积重量分布曲线(曲线)和微分重量分布曲线(曲线)。测量时,首先利用适当的分子量分级方法将待测试样分成若干组分后分别测定它们的重量分数、分子量或聚合度(ni),经计算作图分别得聚合物的累计重量分布曲线和微分重量分布曲线。第41页/共81页聚合物分子量分布曲线图 一般情况下,聚合物的分子量微分分布曲线只有一个峰,我们可以根据峰的位置、峰的形状判断聚合物平均分子量的大小。此外,峰形愈尖锐,则聚合物的分子量分布愈窄;峰形愈扁平,分子量分布愈宽。第42页/共81页 （三）分子量及其分布对聚合物性能的影响 聚合物的分子量是衡量其性能的基本参数之一。聚合物的许多物理性质都与其分子量大小及其分布有密切关系。例如：聚合物的状态（液体或固体）、力学性质（强度、弹性、韧性、硬度）和粘度等都与分子量有很大关系，此外聚合物分子量对其加工性能也有重要影响。一般而言，聚合物的力学性能，如抗张强度、抗冲击强度、弹性模量、硬度以及粘度强度等随聚合物分子量的增加而增加。但当分子量达到一定程度后，上述性能的提高速度减缓，最后趋于某一界限值，而聚合物的粘度、弯曲强度等则随其分子量的增高不断增加。第43页/共81页 分子量分布也对聚合物材料的物理机械性能有很大影响。例如：材料的抗张强度、抗冲击强度、耐疲劳性以及加工过程中的流动性和成膜性都与聚合物分子量分布有密切关系。对药用高分子材料而言：并不是分子量越高，分子量分布越小，其使用性能就越好。在实际应用中，应对高分子材料的使用性能和加工难易程度两个方面进行综合考虑，来最后确定所用高分子材料的最佳分子量及其分布。通常，许多药用高分子材料都根据其分子量的不同而有多种规格，例如：聚乙烯吡咯烷酮的牌号从K15到K90就是根据它们的分子量差异而划分的。其中K 后面的数字越大其分子量也越大，我们可以在实际使用时根据需要来加以选择。第44页/共81页二.分子量及其分布的测定方法 (一)分子量测定方法 1.端基测定法：顾名思义，端基是指高分子化合物两端的官能团。假如聚合物分子量适中（一般3104）、末端链数目明确、有可以用定量方法测定的化学官能团，就可以用这种方法测得一定量聚合物中端基的数量，从而进一步计算出化合物的数均分子量。第45页/共81页 2.粘度法：实验证明：高分子的特性粘度取决于测量温度、溶剂性质和高分子的分子量及分子间作用力等。当聚合物、溶剂和温度确定后，特征粘数a、k 或k数值仅与试样的分子量（M）有关，通过特征粘数数值计算分子量的方程即下面的Mark-Houwink方程：=KMa 或=KPa (式中：P 为聚合度；a、k 或k 为一定分子量范围内与分子量无关的常数。)第46页/共81页 a、k 或k值可以通过查阅常见物理化学手册，直接得到。例如:醋酸纤维素的丙酮溶液,20时,a值为1,K值为6.71x10-3;甲基纤维素的二甲基亚砜溶液的a值为0.84,K值为33.8.71x10-3。用粘度方法所测得的分子量为平均分子量。它具有设备简单、操作方便、可测分子量范围广(103-108)并且准确度较高的优点,是目前应用最广泛的一种分子量测定方法。第47页/共81页3.光散射法：光散射方法是测定重均分子量的主要方法，它利用溶液的光散射性质测定溶液的分子量、分子大小及其形状，其分子量测定范围一般为104-107。光散射方法理论复杂，此处不作过多介绍。此外，还有渗透压法、气相渗透法、冰点降低法和沸点升高法等都可以用来测定聚合物的数均分子量。第48页/共81页（二）分子量分布测定法 1.凝胶色谱法：凝胶色谱法是一种按溶质分子大小（即体积大小）进行分离的色谱方法。这种方法的特点是快速、简便、数据可靠、重复性好，能够同时测定分子量及其分布的方法。但此法不能测得绝对分子量，而是需要与其它方法配合进行分子量测定。第49页/共81页第50页/共81页 2.相平衡分级方法：利用溶解分级法、沉淀分级方法等将多分散性聚合物试样按分子量大小分成若干级分，然后借助于其它方法分别测得它们各自的含量及分子量，即可得到该聚合物的分子量与分子量分布情况。第51页/共81页第三节 聚合物的力学状态及力学性质一.温度与力学状态二.药用高分子辅料的力学性能三.高分子材料的其它性能第52页/共81页一.温度与力学状态 （一）高分子聚合物分子运动特点 高分子具有不同尺寸层次的结构单元。这种结构上的多重性使其分子热运动非常复杂和多样化，其特点为：1）高分子的运动单元包括:整个主链以及链段、链节、侧基、支链等形式,因此具有运动单元的多重性;运动方式包括:整体分子的振动、转动、取向以及分子局部的相对移动、转动、取向等,因此具有运动方式的多样性。第53页/共81页第54页/共81页 2）高分子的热运动是一个松弛过程，它具有时间依赖性。在一定条件下，高分子可以从一个平衡态通过热运动达到与外界条件相适应的另一个新平衡态。由于高分子运动单元一般比较大，所受的摩擦力也很大，所以这个过程通常是缓慢完成的，高分子热运动由于松弛时间较长，在一般尺度下可以看到明显的松弛特性。第55页/共81页 3）高分子的运动也与温度有关，温度有两种作用，即：活化运动单元和使高分子体积膨胀以加大分子间的空间，以利于运动单元的快速自由运动。温度升高，使松弛时间缩短，温度降低则使松弛时间延长，二者之间有一定的定量关系。第56页/共81页 (二)高分子的物理状态 根据高分子的力学性质和热运动特征，非晶态聚合物的物理状态分为：玻璃态、高弹态和粘流态三种类型，它们统称为高分子的力学状态。聚合物在其组成一定时，力学状态的转变主要与温度有关。温度较低时，分子热运动的能量小,所以分子主链和链段这些大结构单元一般不能运动，处于“冻结”状态,其表现为玻璃态（glass state）。这种状态下的聚合物形变小、弹性模量大、质硬。当温度升高时，分子热运动能量增加，达到某一温度后，高分子的链段可以自由运动，其分子形态也变化为高弹态（high elastic state),这时聚合物在较 第57页/共81页 小的应力下即可发生明显形变，并且这种形变是可逆的。当温度继续上升时，整个高分子链都能运动起来，即高分子开始了塑性流动，并形成粘流态（viscous flow state）。聚合物的这三种物理状态不仅在恒定外力下可以随温度变化而表现出来，而且在同一温度下，由于作用力的速率不同，也能表现出来。完全的结晶聚合物，由于其分子链排列规整、紧密，因此其分子链运动受到阻碍，所以没有高弹态。但由于绝大多数的聚合物都是不完全结晶结构，所以其力学状态的表现仍与它们的结晶度和分子量有密切关系。第58页/共81页 (三).高分子的热转变 1.玻璃化转变与玻璃化温度 聚合物在玻璃态和高弹态之间的转变称为玻璃化转变，其对应的转变温度称为玻璃化转变温度，通常以Tg表示。玻璃化温度与软化温度相接近，并且由于高分子聚合物分子量的多分散性，因此是一个温度范围，而不是像小分子化合物那样为一急剧的转折点。玻璃化转变温度与高分子的使用性能有密切关系，是其耐热性的重要指标。例如：塑料应处于玻璃态，玻璃化温度是它们的使用温度上限；而橡胶则应为高弹态，玻璃化温度则是其使用温度下限。第59页/共81页 玻璃化温度是高分子的大分子链段开始运动的温度，由于这个层次的运动受到其分子内旋转和分子间作用力的影响，因此凡能影响这两个的因素都会对Tg造成影响。大分子的柔性降低、分子间作用力增强等结构因素可以使Tg增高，例如：分子量大、分子量分布变窄、主链刚硬（含苯环、杂环、稠环芳烃）、侧基位阻大、链间作用力大等都可以使Tg增高；反之，分子链柔性大，分子间作用力减少等因素则会使Tg降低。第60页/共81页 2.粘流温度 聚合物由高弹态变为粘流态的温度称之为粘流温度，以Tf表示。处于此流体状态的聚合物称之为熔体。此时大分子处于紊乱状态，链段间相互缠结，流动时产生内摩擦而进行粘性流动，大多数聚合物就是在这一粘流态下进行成型加工的。聚合物熔体的流动性可以用剪切粘度和熔融指数（melt index，ML）来表示。在一定温度下，熔融状态的聚合物在运动负荷下第61页/共81页 单位时间内经特定毛细管孔挤出的重量被称为熔融指数。熔融指数大，粘度小，流动性则好；反之亦然。分子量高的聚合物，熔融指数高，粘度大、流动阻力也大，聚合物容易纠缠。因此我们可以根据熔融指数来衡量同一类型聚合物的分子量大小。第62页/共81页二.药用高分子材料的主要力学性能 我们通常使用的高分子材料多含填料、稳定剂、添加剂等组分，以期获得具有良好实用与经济价值或成型加工性能的材料。聚合物用途不同，其力学、电学、光学等性能要求往往也不相同。但对于大多数高分子材料的使用，其力学性能是其最主要的性能要求。材料的力学性能指标包括：弹性模量、冲击强度、屈服强度等。聚合物的结构特性决定了它们的这些力学性能。第63页/共81页 药剂学加工过程中常见的强度有：1）拉伸强度（tensile strength）又称拉张强度，是在规定温度、湿度和加载速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸力直到试样拉断前所承受的最大负荷P与试样截面积之比。2）弯曲强度（bending strength）是指材料受力弯曲而致折断时的应力。3）冲击强度（impact strength）是衡量材料韧性的一种强度指标，即材料试样受冲击负荷而破裂时单位面积所吸收的能量。第64页/共81页 作为包装、药物传递系统或给药装置的聚合物，它们的强度是衡量其性能的重要指标之一。影响聚合物实际强度的因素很多，它们主要有：1）聚合物的结构因素，例如氢键、极性基团、交联、结晶、取向等。2）聚合物的分子量大小，通常分子量增加，强度也增加。3）应力集中，高分子制品的一个微小裂缝、切口、空穴都能引起材料的应力集中，并促使其局部裂缝扩大，进而断裂。4）温度因素：温度改变，材料强度也会改变。第65页/共81页 5）外力作用速度：处于玻璃化温度以上的线型聚合物，快速受力时比慢速受力时的强度要大。6）外力作用时间：外力作用时间越长，断裂所需应力越小。7）增塑剂：增塑剂减少了分子间作用力，所以导致强度的下降。8）填料的影响比较复杂，例如在作药物薄膜包衣时，加入适当填料可提高强度。第66页/共81页三.高分子材料的其它性能 (一)渗透性及透气性 高分子材料通过扩散和吸收过程，使气体或液体透过一个表面传递到另一个表面并渗出（通常从浓度高的一侧渗透到浓度低的一侧），这种现象称为渗透性（permeability）。气体分子渗透到聚合物膜的另一侧则称为透气性（gas permeability）。第67页/共81页 液体或气体分子透过聚合物的过程首先是它们溶解在聚合物内，然后向低浓度方向扩散，最后从聚合物的另一端逸出。因此聚合物的渗透性和液体或气体在其内部的溶解性有关。聚合物的渗透性及透气性受聚合物的结构和物理状态影响很大。其主要因素有：温度、极性、分子尺寸、链柔性、结晶度以及交联度等。在聚合物作为药物传递系统组分时，其渗透性的大小与药物释放速率直接相关。基于上述原因，我们可以根据聚合物渗透性的影响因素，采用适当方法，达到调节药物释放速率的目的。第68页/共81页 （二）胶粘性 胶粘剂在药物制剂透皮给药系统中也是一种不可缺少的组分。聚合物的胶粘性（adhesion）包括两个方面：一是作为粘合剂使用时的粘合行为，二是指聚合物被粘合时聚合物自身的行为。胶粘性聚合物产生粘合作用可分为两个阶段：首先是液态胶粘剂向被粘表面的扩散，润湿，直至胶粘剂与被粘物形成面接触。施加压力或提高温度，有利于此过程进行。其次，产生吸附作用形成次价键或主价键。粘合性聚合物本身经物理或化学作用变成固体，使粘接固定。第69页/共81页 胶粘剂与被粘物之间的结合力主要为次价键结合，也有化学键、配位键、静电吸引力、物理啮合力等结合方式。影响粘合强度的主要因素有：分子量：通常中等分子量的聚合物有较好的粘合强度；被粘物表面的粗糙程度：粗糙表面能大大提高粘合强度；被粘物表面处理方法：被粘物表面的清洁处理能使润湿性得到改善，并影响其粘合强度；温度与压力：升高温度，能加强分子扩散，有利于提高粘合强度；增大压力，有利于增大粘合剂与被粘物接触面的均匀铺展，从而提高粘合强度。第70页/共81页第四节 药物通过聚合物的扩散一、药物通过聚合物的传质过程二、药物分散传质模型 三、扩散系数第71页/共81页一、药物通过聚合物的传质过程 在药物制剂中，药物通过聚合物的扩散简单来讲有两种类型：一类是储库（胶囊或包衣）类型，另一类是骨架类型。第72页/共81页Micrograph of particles used to carry drugs to the lung第73页/共81页 药物的扩散过程有下述几个步骤：1）药物溶出并进入周围聚合物或孔隙；2）由于存在浓度梯度，药物分子扩散通过聚合物屏障；3）药物从聚合物表面脱附；4）药物扩散进入体液或介质。第74页/共81页二、药物分散传质模型 1、药物通过聚合物薄膜的扩散 在实际应用中，药物通常通过胶囊壁或聚合物包衣层扩散进入人体。在此过程中，药物与结合物之间的亲和力以及聚合物的结晶度对药物的扩散影响最为显著。就聚合物来讲，固体聚合物的结晶区域是大多数药物分子不可逾越的屏障，扩散分子必须绕过它，才能进入体液或介质。基于上述原因，晶区分子所占比例越大，分子的运动就越慢。而对于在无孔固体聚合物中的扩散，自然更为困难，它需要移动聚合物的大分子链才能使药物通过。此外在选择聚合物时，我们还要注意药物与聚合物在热力学上的相容性，否则药物将很难透过聚合物薄膜进行扩散。第75页/共81页 2、药物通过疏水性聚合物骨架的扩散 对于这种类型的药物扩散，药物在聚合物骨架上的饱和溶解度、药物在聚合物骨架上的实际含量以及药物分子的扩散路径是决定药物扩散的三个主要因素。在其他条件恒定情况下：作为药物载体的聚合物骨架孔隙率越大，药物释放就越快；而药物的扩散路径（曲折因子）越大，单位时间内扩散出的药物越小。上述两种药物扩散的传质机理可用Fick 扩散机理解释。但对于药物载体是亲水性载体的聚合物骨架来讲，由于水的进入将导致聚合物骨架溶胀，因此Fick扩散机理不能适用于此时药物分子的扩散。所以人们又引入了非Fick扩散机理。第76页/共81页 药物通过多孔道聚合物骨架的释放 a 药物；b 聚合物骨架第77页/共81页 3、药物的非Fick扩散 非Fick扩散主要发生在玻璃态的亲水聚合物体系。当载有药物的亲水性聚合物与水接触时，由于溶胀作用，分散于聚合物中的药物分子开始向外扩散。此时药物的释放由两个速度控制过程，即：水扩散进入聚合物的过程和聚合物链的松弛过程。随着聚合物骨架的不断溶胀，药物也不断的释放出来，药物的释放总速率由聚合物网络的溶胀总速率所控制。也就是说：药物的释放速度与时间的关系决定于水的扩散速率及大分子链的松弛速率。第78页/共81页 药物经聚合物体系的扩散是一个复杂的过程。它涉及到药物分子、聚合物载体、使用环境等方面。目前药物扩散的各种物理模型在实际应用中还存在许多局限性，这是需要注意的。第79页/共81页思考题：1、与小分子有机物相比，高分子化合物的溶解有什么特点？交联型高分子不能溶于任何溶剂吗？2、与小分子有机物相比，聚合物分子量有什么特点？有几种常见的聚合物分子量表示方法？试举出1-2种分子量分布测试方法。3、聚合物有几种常见的物理状态？与普通小分子相比，聚合物的结晶态有那些特点？4、控制药物分子的释放可通过那些形式？药物分子通过聚合物的扩散有那两种主要机理？5、你认为：作为药物分子载体的高分子材料必须具备那些物理、化学与生理性能？第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页