膠體與表面化學(xué)原理在實(shí)際中的應(yīng)用

膠體與表面化學(xué)原理在實(shí)際中的應(yīng)用膠體與表面化學(xué)原理在實(shí)際中的應(yīng)用李猛 錢楠 高云飛徐州醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院 11藥物制劑班摘要 膠體與表面化學(xué)雖然原屬物理化學(xué)的一個(gè)分支，卻是物理化學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)科，它所研究的領(lǐng)域涉及到化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物化學(xué)等，是諸學(xué)科的交叉和重疊。因此，它的應(yīng)用領(lǐng)域是極其廣泛的。本文將對(duì)交替于表面化學(xué)的原理作初步的探討并列舉膠體與表面化學(xué)在制藥工程以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 膠體與界面 分散體系 醫(yī)藥 應(yīng)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(xiàn)象的物理化學(xué)分支學(xué)科。膠體和表面化學(xué)的研究和應(yīng)用，實(shí)際上可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代。如中國(guó)史前時(shí)期陶器的制造；4000年以前巴比倫楔形文字碑文中有關(guān)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(yīng)用；毛細(xì)現(xiàn)象的研究等等。但作為一種科學(xué)，直到20世紀(jì)才得到具有本身特色的迅速發(fā)展。1膠體早在1861年，英國(guó)化學(xué)家T.格雷姆（Graham）在研究不同物質(zhì)水中的擴(kuò)散速度時(shí)發(fā)現(xiàn)有兩類物質(zhì)，他把擴(kuò)散速度慢的、不易結(jié)晶的、易成粘稠狀的一類物質(zhì)稱為膠體（colloid），而把擴(kuò)散速度快的、易結(jié)晶的、不易成粘稠狀的一類物質(zhì)稱為晶體（crystal）。在膠體體系中，膠體質(zhì)點(diǎn)成為一個(gè)相，周圍的介質(zhì)為另一相。此種質(zhì)點(diǎn)分布于介質(zhì)中的體系稱為分散體系：膠體質(zhì)點(diǎn)分散于介質(zhì)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(jiǎn)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(shí)例。表 溶膠分類的實(shí)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(jié)果可以應(yīng)用于高分子體系，從而大大推動(dòng)了高分子的研究，高分子化學(xué)的部分領(lǐng)域也就歸入膠體化學(xué)的范疇。經(jīng)典的膠體體系是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，是一相（質(zhì)點(diǎn)）分布在另一相(介質(zhì))中的多相分散體系；而高分子質(zhì)點(diǎn)分散在介質(zhì)中的這種膠體體系卻是熱力學(xué)穩(wěn)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(fā),高分子溶液就可以永久存在。膠體質(zhì)點(diǎn)與經(jīng)典化學(xué)所研究的分子不同的另一特點(diǎn)，是其形狀的千差萬(wàn)別，從完全對(duì)稱的球形和比較對(duì)稱的橢球形,到極不對(duì)稱的不規(guī)則薄片,以至細(xì)長(zhǎng)的線條。這將對(duì)體系的性質(zhì)，特別是流變性質(zhì)有重大影響。例如高分子溶液、鉆井泥漿、油漆涂料、膠團(tuán)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(zhì)點(diǎn)的形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)（見(jiàn)非牛頓流體）。研究此種關(guān)系的學(xué)科即膠體化學(xué)中的流變學(xué)。分散相的粒徑在1100nm之間的交體分散系統(tǒng)，表現(xiàn)出與其他類型分散系統(tǒng)不同的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、流變性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性。目前膠體分散系統(tǒng)的基本原理已廣泛應(yīng)用于石油、冶金、造紙、橡膠、塑料、電子、食品等工業(yè)領(lǐng)域，以及生物學(xué)、土壤學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、氣象學(xué)、地質(zhì)學(xué)等其他學(xué)科。因此，膠體分散系統(tǒng)的研究已經(jīng)從膠體化學(xué)發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。膠體科學(xué)與生物科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)密切相關(guān)，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(zhì)有關(guān)，對(duì)其病理機(jī)制的研究，藥物療效的探索都需要膠體溶液的知識(shí)。又如，在藥物制劑工藝、藥物分散狀態(tài)與功效以及納米技術(shù)和新材料的應(yīng)用研究中也離不開(kāi)膠體科學(xué)的基本原理。因此，掌握膠體的基本概念、基本理論與技術(shù)，對(duì)藥學(xué)工作者是十分必要的。2. 表面化學(xué)相界面是指兩相之間具有幾個(gè)分子層厚度的過(guò)渡區(qū)。根據(jù)形成界面的物質(zhì)的聚集狀態(tài)可將界面分為氣-液、氣-固、液-液、液-固、固-固界面。習(xí)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(xiàn)象（surface phenomena）是自然界隨處可見(jiàn)的現(xiàn)象。表面化學(xué)的基本原理和方法在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科以及化工、環(huán)保、采礦、材料、土壤、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。特別是藥學(xué)領(lǐng)域，從藥物的合成、提取、分離、分析、制劑的制備、制劑性質(zhì)、藥物在體內(nèi)的作用和代謝等均與表面化學(xué)有關(guān)，用表面化學(xué)原理可在不同層面分析、解釋和解決藥學(xué)中的相關(guān)問(wèn)題。表面化學(xué)的研究發(fā)展的實(shí)際影響并不僅僅在于學(xué)術(shù)研究，還涉及到農(nóng)業(yè)和化學(xué)工業(yè)研發(fā)的多個(gè)方面。1、清洗鉑金表面的碳氧化物；2、空調(diào)系統(tǒng)中的氟利昂，通過(guò)小冰晶體表面化學(xué)反應(yīng)破壞臭氧層；3、金屬表面暴露在空氣中時(shí)生銹；4、電子工業(yè)中，制作半導(dǎo)體元件；5、人造肥料中所含的氨，是通過(guò)氮和氫在金屬表面生成。3膠體和表面化學(xué)多相(膠體)分散體系中，由于質(zhì)點(diǎn)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(fā)生變化。根據(jù)界面熱力學(xué)，物質(zhì)分子在界面上的富集必然導(dǎo)致界面自由能的降低,即大的界面自由能的存在使吸附現(xiàn)象得以產(chǎn)生。大面積的體系最易發(fā)生吸附，因此活性炭、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(lái)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(xué)的研究對(duì)象。物質(zhì)世界中，界面是無(wú)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(fā)生變化必然影響整個(gè)體系的性質(zhì)。因此研究表（界）面性質(zhì)科學(xué)的表面化學(xué)，是膠體化學(xué)中極其重要和不可分割的一部分，二者常被聯(lián)系在一起而名為膠體和表面化學(xué)。 表面化學(xué)促進(jìn)了許多工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，如能源開(kāi)發(fā)（包括石油開(kāi)采、煤流態(tài)化即水煤漿和油煤混合物、太陽(yáng)能利用）、催化、礦物浮選、膠片生產(chǎn)、印染、色譜、液膜分離、海水淡化、醫(yī)藥的分散和乳化及其應(yīng)用、“輕水”泡沫滅火、以及人工降雨等。 物質(zhì)世界中的生命現(xiàn)象也與膠體和表面化學(xué)密切相關(guān)，可以說(shuō)生物體即是一種高級(jí)的極其復(fù)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(xué)和表面化學(xué)的規(guī)律在生命現(xiàn)象中有重要的作用；而研究膠體化學(xué)和表面化學(xué)的許多方法和原理也常用以研究生命科學(xué)。生物膜的研究即為一典型例子。膠體和表面化學(xué)中關(guān)于表面吸附膜、單（雙）分子膜、膠團(tuán)以及囊泡的研究,就是對(duì)細(xì)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(zhì)、傳能過(guò)程中所起的作用，進(jìn)而探索生命的奧秘。生物體中存在的表面活性物質(zhì),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?cè)谏矬w內(nèi)所起的作用和發(fā)生的變化過(guò)程，在許多方面實(shí)際上就是典型的膠體和表面化學(xué)的作用和過(guò)程。 在物質(zhì)世界中，無(wú)處不有分散體系，表面和界面也無(wú)所不在，故膠體和表面化學(xué)與其他學(xué)科以及生產(chǎn)有著廣泛而密切的聯(lián)系。大至宇宙、天文、氣象、地理，小至細(xì)胞，皆有膠體和界面存在；在所有醫(yī)藥、工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，幾乎很難找到與膠體和表面化學(xué)無(wú)關(guān)的現(xiàn)象。4、膠體與表面化學(xué)在實(shí)際中的應(yīng)用洗滌劑的去污作用洗滌劑的去污作用是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，它與滲透、乳化、分散、增溶以及起泡等各種因素有關(guān)，不同的污垢，要求不同的洗滌劑。理論原理：表面活性物質(zhì)的分子能定向地排列于任意兩相之間的界面層中產(chǎn)生正吸附，使界面的不飽和力場(chǎng)得到某種程度的補(bǔ)償，從而降低界面張力，使系統(tǒng)的表面吉布斯函數(shù)降低，穩(wěn)定性增加。生活現(xiàn)實(shí)表明由于水的界面張力大，而且潤(rùn)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(jié)果在機(jī)械力作用下污垢開(kāi)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(yīng)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(jù)起泡的多少來(lái)判斷洗滌劑的好壞實(shí)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(chǎn)生泡沫的多少不是唯一判斷洗滌劑好壞的指標(biāo)，在工業(yè)上或用洗衣機(jī)洗滌時(shí)人們都喜歡用低泡洗滌劑。單獨(dú)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(jìn)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(duì)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(yīng)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(duì)藥物的增溶作用在藥劑學(xué)中常遇到一些難溶于水的藥物要配成水溶液的問(wèn)題, 增加難溶物溶解度是一個(gè)重要的問(wèn)題,在藥劑學(xué)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(nèi)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(luò)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(jié)構(gòu), 如在主藥分子結(jié)構(gòu)上導(dǎo)入親水基團(tuán)以增加溶解度; 應(yīng)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(huán)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(nèi)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(yīng)用?？捎糜趦?nèi)服制劑、注射劑, 還可用于外用制劑。陽(yáng)離子型表面活性劑因毒性較大極少應(yīng)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(nèi)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(yōu)點(diǎn): 防止或減少藥物氧化,由于藥物被增溶在膠團(tuán)之內(nèi), 與氧隔絕, 從而有效地防止了藥物的氧化; 對(duì)于大多數(shù)藥物, 加入增溶劑后還可增加對(duì)藥物的吸收, 增強(qiáng)生理活性。微乳在制藥中的應(yīng)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觀透明或半透明分散體系1 。微乳液與一般乳液有明顯區(qū)別, 它們不僅粒子大小不同, 而且微乳液是可自發(fā)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(xué)穩(wěn)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(dāng)量的助乳化劑(通常為醇類物質(zhì)) 。 微乳是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ慕o藥系統(tǒng), 主要是用于藥物載體。微乳作為藥物載體具有如下特點(diǎn): 首先微乳的制備較簡(jiǎn)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(xué)穩(wěn)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(guò)機(jī)械或其他手段混勻即可自發(fā)形成微乳, 與各組分加入順序無(wú)關(guān)。其次微乳作為藥物載體可以提供不同的給藥方式, 有助于藥物劑型轉(zhuǎn)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(xù)型, 因此對(duì)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(jīng)皮給藥中都有應(yīng)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(diǎn), 而微乳口服后可經(jīng)淋巴吸收, 避免了首過(guò)效應(yīng)以及大分子通過(guò)胃腸道上皮細(xì)胞膜時(shí)的障礙, 藥物直接和胃腸上皮細(xì)胞接觸, 促進(jìn)藥物吸收, 提高生物利用度19 。此外微乳口服給藥還可以提高藥物的溶解度, 減少藥物在體內(nèi)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(zhǔn)確地進(jìn)入體循環(huán)。然而普通藥物載體一般沒(méi)有好的緩釋效果, 對(duì)于一些疏水性藥物, 由于自身的溶解度較小, 在體內(nèi)達(dá)不到有效治療濃度, 而微乳液作為藥物載體由于其特點(diǎn)能較好地解決上述問(wèn)題。微乳具有熱力學(xué)穩(wěn)定、可熱壓滅菌、濾膜過(guò)濾、黏度低、注射時(shí)不易引起疼痛的特點(diǎn), 同時(shí)還具有注射體積小、靶向以及毒副作用小等特點(diǎn)。因此常用于難溶性藥物的注射給藥。在經(jīng)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(jī)制為: 對(duì)難溶性藥物的增溶作用可提高滲透濃度梯度; 增加角質(zhì)層脂質(zhì)雙層流動(dòng)性;破壞角質(zhì)層水性通道; 微乳可以完整結(jié)構(gòu)經(jīng)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(guò)濾, 對(duì)藥物溶解量大且可熱壓滅菌等特點(diǎn), 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(yōu)點(diǎn), 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(duì)胃腸道黏膜有刺激性, 對(duì)全身有慢性毒性作用 ; 微乳液體系中藥物的釋放機(jī)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(duì)微乳體系研究的不斷深入, 微乳在藥劑學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加完善, 應(yīng)用前景將更為廣闊。5、結(jié)語(yǔ)正如引言中所提到的那樣，膠體與表面化學(xué)所研究的對(duì)象是極廣泛的。在我們的日常生活中，在工廠的生產(chǎn)制造中，在實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究中，總會(huì)看到它們的影子。因此，以上所列舉的幾種實(shí)例僅僅觸及到膠體與表面化學(xué)應(yīng)用范圍的幾個(gè)方面，由于水平有限，分析用到的理論知識(shí)也只是膠體與表面化學(xué)理論最表層的東西。但我寫這篇文章的主要目的是為了讓大家了解我們所學(xué)知識(shí)的