1、精選優質文檔-傾情為你奉上膠體與表面化學原理在實際中的應用李猛 錢楠 高云飛徐州醫學院 藥學院 11藥物制劑班摘要 膠體與表面化學雖然原屬物理化學的一個分支，卻是物理化學的一個重要組成部分，是一門應用性極強的學科，它所研究的領域涉及到化學、物理學、材料科學、環境科學、生物化學等，是諸學科的交叉和重疊。因此，它的應用領域是極其廣泛的。本文將對交替于表面化學的原理作初步的探討并列舉膠體與表面化學在制藥工程以及其他領域的應用。 關鍵詞 膠體與界面 分散體系 醫藥 應用引言 研究分散體系（除小分子分散體系以外的膠體分散體系和一般粗分散體系）和界面現象的物理化學分支學科。膠體和表面化學的研究和應用，實際

2、上可追溯到遠古時代。如中國史前時期陶器的制造；4000年以前巴比倫楔形文字碑文中有關油膜(不溶單分子膜)的記載；肥皂以及皂角一類天然表面活性劑（洗滌劑）的應用；毛細現象的研究等等。但作為一種科學，直到20世紀才得到具有本身特色的迅速發展。1膠體早在1861年，英國化學家T.格雷姆（Graham）在研究不同物質水中的擴散速度時發現有兩類物質，他把擴散速度慢的、不易結晶的、易成粘稠狀的一類物質稱為膠體（colloid），而把擴散速度快的、易結晶的、不易成粘稠狀的一類物質稱為晶體（crystal）。在膠體體系中，膠體質點成為一個相，周圍的介質為另一相。此種質點分布于介質中的體系稱為分散體系：膠體質點

3、分散于介質中的體系即為膠體分散體系，可分為3種基本類型：憎液溶膠（lyophobic colloid），簡稱溶膠（sol）、親液膠體（lyophilic colloid）和締合溶膠（association colloid）。下表列舉了幾類溶膠的實例。表 溶膠分類的實例 分散相為氣相 分散相為液相 分散相為固相氣溶膠 霧 煙、塵液溶膠 滅火泡沫 牛奶、石油 油漆、泥漿固溶膠 浮石、泡沫塑料 珍珠、某些寶石 有色玻璃 膠體研究的許多結果可以應用于高分子體系，從而大大推動了高分子的研究，高分子化學的部分領域也就歸入膠體化學的范疇。經典的膠體體系是熱力學不穩定體系，是一相（質點）分布在另一相(介質)中

4、的多相分散體系；而高分子質點分散在介質中的這種膠體體系卻是熱力學穩定的體系，是均相溶液，即高分子溶于溶劑而形成的溶液。如同小分子的溶液一樣,只要溶劑不揮發,高分子溶液就可以永久存在。膠體質點與經典化學所研究的分子不同的另一特點，是其形狀的千差萬別，從完全對稱的球形和比較對稱的橢球形,到極不對稱的不規則薄片,以至細長的線條。這將對體系的性質，特別是流變性質有重大影響。例如高分子溶液、鉆井泥漿、油漆涂料、膠團溶液，以及乳狀液、泡沫等的粘度、彈性、塑性及觸變性等皆與質點的形狀和結構有關（見非牛頓流體）。研究此種關系的學科即膠體化學中的流變學。分散相的粒徑在1100nm之間的交體分散系統，表現出與其他

5、類型分散系統不同的動力學性質、光學性質、流變性質、電學性質和穩定性。目前膠體分散系統的基本原理已廣泛應用于石油、冶金、造紙、橡膠、塑料、電子、食品等工業領域，以及生物學、土壤學、生物化學、醫學、氣象學、地質學等其他學科。因此，膠體分散系統的研究已經從膠體化學發展成為一門獨立的學科。膠體科學與生物科學和醫藥科學密切相關，如人體各部分的組織是含水的膠體，其生理功能及新陳代謝與膠體性質有關，對其病理機制的研究，藥物療效的探索都需要膠體溶液的知識。又如，在藥物制劑工藝、藥物分散狀態與功效以及納米技術和新材料的應用研究中也離不開膠體科學的基本原理。因此，掌握膠體的基本概念、基本理論與技術，對藥學工作者是

6、十分必要的。2. 表面化學相界面是指兩相之間具有幾個分子層厚度的過渡區。根據形成界面的物質的聚集狀態可將界面分為氣-液、氣-固、液-液、液-固、固-固界面。習慣上將一相為氣體的界面成為表面(surface),其他稱界面（interface），界面也常被稱為表面。表面現象（surface phenomena）是自然界隨處可見的現象。表面化學的基本原理和方法在物理學、化學、生物學等學科以及化工、環保、采礦、材料、土壤、食品、醫藥等領域有著廣泛的應用。特別是藥學領域，從藥物的合成、提取、分離、分析、制劑的制備、制劑性質、藥物在體內的作用和代謝等均與表面化學有關，用表面化學原理可在不同層面分析、解釋和

7、解決藥學中的相關問題。表面化學的研究發展的實際影響并不僅僅在于學術研究，還涉及到農業和化學工業研發的多個方面。1、清洗鉑金表面的碳氧化物；2、空調系統中的氟利昂，通過小冰晶體表面化學反應破壞臭氧層；3、金屬表面暴露在空氣中時生銹；4、電子工業中，制作半導體元件；5、人造肥料中所含的氨，是通過氮和氫在金屬表面生成。3膠體和表面化學多相(膠體)分散體系中，由于質點很小，相與相間的界面面積極大,故有很可觀的界面自由能,體系易于向降低界面自由能的方向發生變化。根據界面熱力學，物質分子在界面上的富集必然導致界面自由能的降低,即大的界面自由能的存在使吸附現象得以產生。大面積的體系最易發生吸附，因此活性炭、

8、硅膠、活性氧化鋁、分子篩等就成了廣義的膠體體系（雖然這些體系與原來膠體的定義并不相符）。基于同一原因，前述的粗分散體系，如泡沫、乳狀液、泥漿、水煤漿等等也成為膠體化學的研究對象。物質世界中，界面是無所不在的，上述體系有著大的表面積或界面積，表面或界面上發生變化必然影響整個體系的性質。因此研究表（界）面性質科學的表面化學，是膠體化學中極其重要和不可分割的一部分，二者常被聯系在一起而名為膠體和表面化學。 表面化學促進了許多工業和技術的發展，如能源開發（包括石油開采、煤流態化即水煤漿和油煤混合物、太陽能利用）、催化、礦物浮選、膠片生產、印染、色譜、液膜分離、海水淡化、醫藥的分散和乳化及其應用、“輕水

9、”泡沫滅火、以及人工降雨等。 物質世界中的生命現象也與膠體和表面化學密切相關，可以說生物體即是一種高級的極其復雜的膠體體系，其中存在著各式各樣的膠體（親液膠體、締合膠體、乳狀液以及凝膠等）和各種界面 (生物膜-體液界面是其中重要的一種)。所以膠體化學和表面化學的規律在生命現象中有重要的作用；而研究膠體化學和表面化學的許多方法和原理也常用以研究生命科學。生物膜的研究即為一典型例子。膠體和表面化學中關于表面吸附膜、單（雙）分子膜、膠團以及囊泡的研究,就是對細胞膜很好的模擬(或半模擬),由此可以了解成膜分子在膜中的定向排列，以及膜在傳質、傳能過程中所起的作用，進而探索生命的奧秘。生物體中存在的表面活

10、性物質,如膽鹽及其與磷脂的混合物,以及肺表面活性劑等，可以稱之為生物表面活性劑。它們在生物體內所起的作用和發生的變化過程，在許多方面實際上就是典型的膠體和表面化學的作用和過程。 在物質世界中，無處不有分散體系，表面和界面也無所不在，故膠體和表面化學與其他學科以及生產有著廣泛而密切的聯系。大至宇宙、天文、氣象、地理，小至細胞，皆有膠體和界面存在；在所有醫藥、工、農業生產中，幾乎很難找到與膠體和表面化學無關的現象。4、膠體與表面化學在實際中的應用洗滌劑的去污作用洗滌劑的去污作用是一個很復雜的過程，它與滲透、乳化、分散、增溶以及起泡等各種因素有關，不同的污垢，要求不同的洗滌劑。理論原理：表面活性物質

11、的分子能定向地排列于任意兩相之間的界面層中產生正吸附，使界面的不飽和力場得到某種程度的補償，從而降低界面張力，使系統的表面吉布斯函數降低，穩定性增加。生活現實表明由于水的界面張力大，而且潤濕性差，只靠水是不能去污的。加入洗滌劑后洗滌劑分子以親油基向固體表面或污垢的方式吸附，結果在機械力作用下污垢開始從固體表面脫落洗滌劑分子在干凈固體表面和污垢粒子表面上形成吸附層或增溶，使污垢脫離固體表面而懸浮在水相中很容易被水沖走。一種好的洗滌劑應能吸附在固（如織物）-水界面和污垢-水界面上，表面活性劑一般都能吸附在水-氣界面上使表面張力降低，有利于形成泡沫，但這并不表示它必然是一種好的洗滌劑，根據起泡的多少

12、來判斷洗滌劑的好壞實際上是人們的一種誤解。例如：非離子型表面活性劑一般有很好的洗滌效果，但并不是好的起泡劑，表面活性劑產生泡沫的多少不是唯一判斷洗滌劑好壞的指標，在工業上或用洗衣機洗滌時人們都喜歡用低泡洗滌劑。單獨使用洗滌劑中的有效成分（如C2C4烷基苯磺酸鈉）其去污效果并不顯著，只有添加某些助劑后，才能進一步提高去污力，例如：Na2CO3、三聚磷酸鈉、羥甲基纖維素或甲基纖維素等，稱為污垢懸浮劑，對洗下的污垢起到分散作用，其中三聚磷酸鈉等是最好的和應用最廣的助劑，它與水中Ca2+和Mg2+形成不被織物吸附的可溶性螯合物，有助于避免形成浮渣和防止污垢再沉積。表面活性劑對藥物的增溶作用在藥劑學中常

13、遇到一些難溶于水的藥物要配成水溶液的問題, 增加難溶物溶解度是一個重要的問題,在藥劑學中常遇到一些難溶于水的藥物要配成水目前主要的方法有: 體系中加入表面活性劑, 使難溶藥物溶解在膠束內增加溶解度即增溶的方法; 體系中加入助溶劑, 使難溶藥物與助溶劑形成溶解度較大的絡合物而增加溶解度; 加酸、堿使難溶藥物生成鹽類以增加其溶解度; 改變藥物分子的部分結構, 如在主藥分子結構上導入親水基團以增加溶解度; 應用非水溶劑或混合溶劑增加藥物的溶解度; 制成固體分散體或環糊精包合物增加溶解度等。其中加入表面活性劑使難溶藥物在膠束內增溶是目前用得較多, 也是較為重要的一種方法。增溶作用在藥物制劑中有很多應用

14、。可用于內服制劑、注射劑, 還可用于外用制劑。陽離子型表面活性劑因毒性較大極少應用于藥物的增溶, 而非離子表面活性劑較陰離子表面活性劑溫和, 刺激性小, 故內服制劑和注射劑所用的增溶劑大多屬于非離子型表面活性劑, 如吐溫類表面活性劑, 外用制劑所用的增溶劑以陰離子型表面活性劑為主, 如脂肪酸鹽類。采用增溶的方法還有以下優點: 防止或減少藥物氧化,由于藥物被增溶在膠團之內, 與氧隔絕, 從而有效地防止了藥物的氧化; 對于大多數藥物, 加入增溶劑后還可增加對藥物的吸收, 增強生理活性。微乳在制藥中的應用微乳液是指一種液體以粒徑在10 nm100 nm 的珠滴形式分散在另一種不相混溶的液體中形成的外

15、觀透明或半透明分散體系1 。微乳液與一般乳液有明顯區別, 它們不僅粒子大小不同, 而且微乳液是可自發形成或稍加攪拌即可形成的外觀透明、黏度較低、表面活性劑用量較高的熱力學穩定體系。一般形成微乳液不僅需要油、水及乳化劑, 還需要加入相當量的助乳化劑(通常為醇類物質) 。 微乳是一種具有發展潛力的給藥系統, 主要是用于藥物載體。微乳作為藥物載體具有如下特點: 首先微乳的制備較簡單。在表面活性劑和助表面活性劑存在下兩種互不相溶的液體按一定的比例形成的熱力學穩定的透明或半透明的體系即為微乳。組成微乳的各組分只要符合一定的比例, 通過機械或其他手段混勻即可自發形成微乳, 與各組分加入順序無關。其次微乳作

16、為藥物載體可以提供不同的給藥方式, 有助于藥物劑型轉變。微乳作為藥物載體, 可以用在口服、注射及外部給藥上。此外, 微乳本身有油包水型、水包油型和雙連續型, 因此對于不同的藥物, 采用不同微乳類型,既可增溶水溶性藥物, 也可增溶油溶性藥物。微乳在各種劑型藥物如口服藥、注射給藥和經皮給藥中都有應用。口服給藥服用方便、劑量易控, 是最常用的給藥途徑。在口服給藥中, 固體藥物、液體藥物、片劑和膠囊劑在吸收上均存在一定的缺點, 而微乳口服后可經淋巴吸收, 避免了首過效應以及大分子通過胃腸道上皮細胞膜時的障礙, 藥物直接和胃腸上皮細胞接觸, 促進藥物吸收, 提高生物利用度19 。此外微乳口服給藥還可以提

17、高藥物的溶解度, 減少藥物在體內的酶解。微乳是某些藥物如甾體藥物、激素、利尿藥及抗生素的理想釋放載體 。靜脈注射可使藥物迅速而準確地進入體循環。然而普通藥物載體一般沒有好的緩釋效果, 對于一些疏水性藥物, 由于自身的溶解度較小, 在體內達不到有效治療濃度, 而微乳液作為藥物載體由于其特點能較好地解決上述問題。微乳具有熱力學穩定、可熱壓滅菌、濾膜過濾、黏度低、注射時不易引起疼痛的特點, 同時還具有注射體積小、靶向以及毒副作用小等特點。因此常用于難溶性藥物的注射給藥。在經皮給藥中, 微乳的良好性能使它具有廣闊前景。其促滲作用的機制為: 對難溶性藥物的增溶作用可提高滲透濃度梯度; 增加角質層脂質雙層

18、流動性;破壞角質層水性通道; 微乳可以完整結構經毛囊吸收; 藥物從微乳中析出后透皮吸收。此外, 由于微乳存在可過濾, 對藥物溶解量大且可熱壓滅菌等特點, 因此可用于眼部給藥和鼻腔黏膜給藥。微乳作為藥物載體雖然有許多優點, 但也存在一些不足: 微乳中表面活性劑和助表面活性劑的濃度較高, 其中一些表面活性劑和助表面活性劑對胃腸道黏膜有刺激性, 對全身有慢性毒性作用 ; 微乳液體系中藥物的釋放機理不很明確; 微乳液作為藥物載體的靶向性比較差等。但隨著對微乳體系研究的不斷深入, 微乳在藥劑學領域的應用將更加完善, 應用前景將更為廣闊。5、結語正如引言中所提到的那樣，膠體與表面化學所研究的對象是極廣泛的。在我們的日常生活中，在工廠的生產制造中，在實驗室的科學研究中，總會看到它們的影子。因此，以上所列舉的幾種實例僅僅觸及到膠體與表面化學應用范圍的幾個方面，由于水平有限，分析用到的理論知識也只是膠體與表面化學理論最表層的東西。但我寫這篇文章的主