含水量對(duì)wo型微乳相結(jié)構(gòu)的影響

含水量對(duì)wo型微乳相結(jié)構(gòu)的影響

微乳液是由表面活性劑、輔助表面活性劑、水（或生理鹽水）和油（烴）等組成的自發(fā)獲得的一個(gè)方程，并以各種成分（如微乳液）為單位形成的一個(gè)透明、各向同性的油-水分散體系1'。根據(jù)水油比的不同可以分為水包油型、油包水型和雙連續(xù)相型體系。單相的微乳液其膠束尺寸在100nm以下,其制備簡(jiǎn)易且穩(wěn)定性良好［2］。一方面微乳廣泛應(yīng)用于各種納米粒子的制備［3－4］,另一方面其對(duì)皮膚、粘膜具有較好的滲透性［5－7］,也可用作藥物載體。W/O型微乳液的相結(jié)構(gòu)隨增溶水量的增加從油包水轉(zhuǎn)變?yōu)殡p連續(xù)相,最后發(fā)生相分離(如圖1)。微乳的相結(jié)構(gòu)不但對(duì)制備納米粒子時(shí)粒徑與形態(tài)有重要影響,且對(duì)于應(yīng)用于經(jīng)皮給藥的微乳的載藥量也有著直接影響。因此研究微乳體系相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變具有重要應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)微乳相結(jié)構(gòu)變化采用的研究方法主要有目測(cè)法、電導(dǎo)法、紫外-可見光光度法、流變法、動(dòng)態(tài)光散射法、投射電鏡法、差示掃描量熱法、全反射傅立葉紅外光譜等［8］技術(shù)。而目測(cè)法、電導(dǎo)法、紫外可見光光度法和流變法是從宏觀角度研究相轉(zhuǎn)變過程中微乳粒子的相互作用,其中目測(cè)法是判斷從微乳區(qū)域到相分離最簡(jiǎn)單和常用的方法［9－10］,常以此方法繪制偽三元相圖;電導(dǎo)法對(duì)于微乳連續(xù)相類型的檢測(cè)具有高靈敏度,適于判斷微乳的相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象［8］;流變法在低粘度體系中由于含水量對(duì)粘度影響小而導(dǎo)致靈敏度低,因而僅限于中高粘度體系;分光光度法在檢測(cè)相結(jié)構(gòu)變化時(shí)需要用到水溶性和油溶性染料作為光學(xué)探針［9］,操作相對(duì)繁瑣。動(dòng)態(tài)光散射和透射電鏡均為研究微乳粒徑的常用方法,由于微乳以液態(tài)膠束形式存在,所以采用透射電鏡很可能在干燥制樣過程中喪失原有形態(tài),而光散射屬于原位檢測(cè)技術(shù),其結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)意義,更適合微乳的表征。另外差示掃描量熱法與紅外光譜均可用于探索微乳相結(jié)構(gòu)變化中水的存在狀態(tài)。紅外光譜利用對(duì)水的O—H伸縮振動(dòng)峰的多元高斯函數(shù)擬合可得到不同形式水的近似理論比例［11］,在直觀性和精確性方面遜于熱分析。因此按照簡(jiǎn)單、有效、靈敏度高和適用范圍廣的原則,電導(dǎo)法、目測(cè)法、差示掃描量熱法(DSC)以及動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)4種方法適于從微乳粒子的相互作用、微乳粒徑及分布和微乳中水存在形式的轉(zhuǎn)變不同角度反映微乳相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。且該一系列方法適用于各種微乳體系。為微乳作為藥物載體和納米微反應(yīng)器的研究和應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。本文選用生物相容性良好的卵磷脂為表面活性劑［12］,正丙醇為助表面活性劑,選用滋潤(rùn)和軟化作用良好的肉豆蔻酸異丙酯(IPM)為油相［13］,配成W/O型微乳后,采用電導(dǎo)法、目測(cè)法、差示掃描量熱法(DSC)以及動(dòng)態(tài)光散射法(DLS),從不同角度系統(tǒng)地研究了微乳相結(jié)構(gòu)隨含水量的變化,從而為微乳在藥物載體、納米材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1納米粒度儀和差示掃描量熱dscDDS-W型精密電導(dǎo)率儀(上海理達(dá)儀器有限公司);ZetasizerNanoZS型納米激光粒度儀(英國(guó)馬爾文);204F1Phoenixlue4d2型差示掃描量熱儀(德國(guó)耐馳);卵磷脂、肉豆蔻酸異丙酯、正丙醇(分析純,阿拉丁試劑公司)。實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q超純水。1.2微乳體系表面微乳含水量對(duì)粒徑的影響根據(jù)本課題組前期實(shí)驗(yàn)所得的優(yōu)化微乳配方(專利公開號(hào):CN103142477A):選用卵磷脂為表面活性劑、正丙醇為助表面活性劑、肉豆蔻酸異丙酯(IPM)為油相、純水為水相。其中表面活性劑與助表面活性劑的質(zhì)量比(Km)為1∶2,混合表面活性劑(即表面活性劑與助表面活性劑的混合物,用Smix表示)與油相的體積比為4∶6。隨著此體系中含水量的增大,通過以下測(cè)試方法研究其相結(jié)構(gòu)的變化。1.2.1濁點(diǎn)法實(shí)驗(yàn)根據(jù)以上的微乳配方,配制5mLSmix-IPM混合液。然后用移液槍向混合液中精確滴加水,每次50μL,充分?jǐn)嚢韬笥^察溶液是否變渾濁。記錄微乳恰好渾濁前的加入水量,即發(fā)生相轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。為獲得直觀效果,用照片記錄微乳液體系不同含水量時(shí)是否澄清(含水質(zhì)量百分比分別為0.99%、1.96%、2.91%、3.85%、4.76%、5.66%、6.54%、7.41%、8.26%、9.09%、9.91%、10.71%、11.50%)。1.2.2電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)在25℃條件下,根據(jù)上述微乳配方,配制5mLSmix-IPM混合液。用移液槍在此混合液中精確滴加水,每次滴加50μL(含水質(zhì)量百分比分別為0.99%、1.96%、2.91%、3.85%、4.76%、5.66%、6.54%、7.41%、8.26%、9.09%、9.91%、10.71%、11.50%、12.28%、13.04%、13.79%),每次滴完水后攪拌片刻使溶液混合均勻,再將電導(dǎo)儀的電極插入到樣品溶液中,待讀數(shù)穩(wěn)定后,記錄電導(dǎo)值,并繪制微乳體系電導(dǎo)率隨含水量變化的曲線圖。根據(jù)溶液電導(dǎo)值的變化來判定微乳從W/O型過渡到雙連續(xù)相型再到相分離的轉(zhuǎn)變。1.2.3動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)實(shí)驗(yàn)根據(jù)上述微乳配方,配制5mLSmix-IPM混合液。用移液槍向此混合液中精確滴加水,具體滴加方法與“1.2.1”相同,將所得不同含水量的微乳用0.45μm的微孔濾膜過濾后,分別取2mL放入四面通光的玻璃樣品池中,再裝入納米激光粒度儀中測(cè)試粒徑。設(shè)定儀器測(cè)試溫度為25℃,測(cè)試的光路散射角為173°,平衡時(shí)間為2min,且每個(gè)重復(fù)測(cè)定3次。通過測(cè)定微乳粒徑和表征其分布的PDI值來研究其相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。1.2.4差示掃描量熱法(DSC)實(shí)驗(yàn)配制不同含水量微乳(配方與“1.2.1”相同),用移液槍各吸取20μL微乳液放入鋁制坩堝中,精確稱量樣品質(zhì)量。為防止揮發(fā),快速蓋上坩堝蓋子并壓制密封。以空的密封鋁制坩堝為參比,將樣品和參比放入DSC爐體對(duì)應(yīng)位置。該測(cè)試采用機(jī)械制冷,測(cè)試條件設(shè)定為:在25℃平衡3min,然后從25℃逐步冷卻至-60℃,冷卻速度為10K/min,同時(shí)采用氮?dú)庾鳛榇祾邭怏w,吹掃速度為30mL/min。記錄樣品的吸放熱隨溫度的變化曲線。2結(jié)果與討論2.1體系電導(dǎo)率的日變化2.1.1濁點(diǎn)法濁點(diǎn)法是表征微乳相結(jié)構(gòu)變化的最直觀、簡(jiǎn)單的方法,常用于判斷微乳相分離轉(zhuǎn)變點(diǎn)。如圖2所示,在5mLSmix-IPM混合液中,隨著水量的增加,微乳從W/O狀態(tài)到雙連續(xù)相的整個(gè)過程中,溶液均勻透明,且離心或放置不分層。而當(dāng)微乳中加入水量超過600μL(10.71%)時(shí),溶液變渾濁,且靜置分層,此時(shí)水量超過微乳增溶的極限而發(fā)生分相。因此,通過濁點(diǎn)法可以直觀地確定微乳由雙連續(xù)相型轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾蛛x型的轉(zhuǎn)變點(diǎn)是含水量10.71%。2.1.2電導(dǎo)法在評(píng)價(jià)微乳的結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)方面,電導(dǎo)法已被證明是一種方便且可靠的測(cè)試方法。當(dāng)微乳體系中加入水量較少時(shí),存在一個(gè)臨界點(diǎn)被研究者認(rèn)為是滲透理論點(diǎn)［14］,在這個(gè)臨界點(diǎn),油包水液滴形成并運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞、聚結(jié)和分裂。圖3表示微乳的電導(dǎo)率隨含水量增大的曲線變化,當(dāng)微乳的含水率從0.99%(圖中A點(diǎn))增加到3.85%(圖中B點(diǎn))的過程中,曲線的斜率較小,即體系的電導(dǎo)率增加較為緩慢。此時(shí)認(rèn)為AB段微乳處于W/O狀態(tài),這是由于作為連續(xù)相的IPM幾乎不導(dǎo)電,微乳液的導(dǎo)電性由液滴的導(dǎo)電性決定,而液滴均處于獨(dú)立存在狀態(tài),且嵌入在不導(dǎo)電的油相中,所以這些液滴對(duì)于電導(dǎo)的貢獻(xiàn)非常小。當(dāng)水油體積比較低時(shí),分散相體積分?jǐn)?shù)的增大主要在于增加分散相的數(shù)目,因此,電導(dǎo)率呈線性緩慢增加。在含水量從3.85%增至10.71%(圖中C點(diǎn))的過程中,導(dǎo)電率曲線的斜率較大,即導(dǎo)電率迅速變大。研究認(rèn)為B點(diǎn)為滲濾閾值,隨著W/O型微乳液滴的數(shù)量增大,會(huì)導(dǎo)致液滴間由于相互吸引而發(fā)生頻繁的粘性碰撞,這種粘性碰撞的直接結(jié)果是導(dǎo)致在油連續(xù)相中形成狹窄而細(xì)小的水管或通道,并組成電導(dǎo)鏈,使反離子通過這些窄通道運(yùn)動(dòng)［15］,從而使得體系的導(dǎo)電率快速上升并最終達(dá)到最大值,即BC段,此時(shí)的微乳處于雙連續(xù)相型,由粘性碰撞形成的導(dǎo)電鏈相互交錯(cuò)成網(wǎng)絡(luò),體系處于油、水皆為局部連續(xù)的過渡態(tài)中間結(jié)構(gòu),B(含水3.85%)點(diǎn)為微乳由W/O相轉(zhuǎn)變?yōu)殡p連續(xù)相的臨界點(diǎn)。對(duì)于這種現(xiàn)象,Bue56ettcher提出微乳體系的電導(dǎo)可用EMT理論進(jìn)行解釋［16］:式(1)中σm和σd分別代表連續(xù)相和分散相的電導(dǎo)率,ue788代表分散相的體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于油包水微乳體系,連續(xù)相是油相,其電導(dǎo)率極低,因此將連續(xù)相的電導(dǎo)率σm視為無限接近于零,則方程可以簡(jiǎn)化為:由式(2)可見,體系的電導(dǎo)率主要取決于分散相的體積分?jǐn)?shù)ue788,且體系電導(dǎo)率隨著ue788的增大而增大,這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。圖3中C點(diǎn)為電導(dǎo)率的最大值,之后電導(dǎo)率下降,研究認(rèn)為當(dāng)含水量大于10.71%時(shí)微乳處于相分離狀態(tài)?？赡苁钱?dāng)含水量超過臨界值后,微乳的界面膜開始發(fā)生破壞,油水開始發(fā)生分相,界面膜變得緊繃,流動(dòng)性下降,界面張力增大,阻礙了液滴水分子的相互作用和電荷傳遞,從而使體系電導(dǎo)值下降,這一臨界點(diǎn)C(含水10.71%),即可認(rèn)為是微乳體系由單相的雙連續(xù)相向相分離轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。這一結(jié)果與目測(cè)法的結(jié)果一致。2.1.3動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)可以檢測(cè)上億個(gè)粒子的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果,具有測(cè)試速度快、樣品量少的特點(diǎn),不但可以測(cè)試納米粒子的粒徑,而且可以測(cè)試其分布。如表1中所示,本研究的微乳體系的粒徑隨著含水量的增大,先變小后變大。含水量從0.99%增至5.66%的過程中,粒徑逐漸變小,這可能是因?yàn)槁蚜字瑹o增溶水的情況下,會(huì)在油相中自組裝成層狀或棒狀的膠束,如表1所示,其粒徑為(34.23±0.65)nm。加入水后,水分子會(huì)被表面活性劑包裹形成W/O微液滴(如圖1左)。同時(shí)隨著含水量的增加,卵磷脂膠束逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閃/O型的微液滴,液滴整體數(shù)量增大。在該過程中,卵磷脂膠束與W/O液滴共存。由表1可知W/O液滴的粒徑小于卵磷脂膠束,隨著含水量的增加,W/O液滴的比例逐漸增大,從而導(dǎo)致整體統(tǒng)計(jì)學(xué)粒徑逐漸變小。因此含水量從0.99%到5.66%的粒徑減小過程可認(rèn)為處于W/O相結(jié)構(gòu)。當(dāng)含水量進(jìn)一步增至某一臨界值時(shí),微乳中的卵磷脂膠束全部轉(zhuǎn)化為W/O液滴,造成液滴數(shù)量急劇增多,從而導(dǎo)致液滴間相互碰撞的幾率增大,這種粘性碰撞導(dǎo)致微乳體系內(nèi)部的水分子發(fā)生大量的聚集與融合,形成了微水池。而在這個(gè)臨界點(diǎn)存在液滴碰撞形成聚集態(tài)和聚集態(tài)分散成液滴的動(dòng)態(tài)平衡［13］。這個(gè)動(dòng)態(tài)過程也反映在PDI值(PDI值用于表征粒徑的分布,值越大,則分布越寬)上。由表1中含水量5.66%的PDI值可知,由于這種動(dòng)態(tài)過程的存在造成在該含水量時(shí)粒徑分布最寬,達(dá)到0.587±0.070。由此可判斷含水量5.66%是由W/O變?yōu)殡p連續(xù)相的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。而當(dāng)含水量大于5.66%后,由于水分子聚集而形成微水池的比例和體積越來越大,從而表現(xiàn)在雙連續(xù)相過程中粒徑隨著含水量的增大而增大。最終當(dāng)含水量大于10.71%以后,粒徑突然增大幾個(gè)數(shù)量級(jí),說明微乳體系發(fā)生了相分離,結(jié)果與目測(cè)法相一致。另外雙連續(xù)相(含水量從5.66%~10.71%)結(jié)構(gòu)下的PDI值大于W/O(含水量從0.99%~5.66%),說明雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)中的水相體積呈無規(guī)律隨機(jī)分布,比W/O結(jié)構(gòu)中有表面活性劑自組裝而成的液滴在分布上更寬。這一結(jié)果驗(yàn)證了圖1示意圖的假設(shè)。2.1.4差示掃描量熱法(DSC)DSC法是一種用來測(cè)定微乳相結(jié)構(gòu)變化的有效方法［17］,微乳中水分子的存在狀態(tài)可通過DSC圖譜來反映,從而可利用水分子的不同狀態(tài)來對(duì)微乳體系相結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究。圖4為不同狀態(tài)水隨微乳相結(jié)構(gòu)的變化,其中水的狀態(tài)和分布可分為以下3個(gè)過程:1當(dāng)含水量較小時(shí),微乳處于W/O狀態(tài)(圖4A)。該狀態(tài)下水分子被表面活性劑包裹成小液滴,水分子與表面活性劑的親水段通過分子間氫鍵作用結(jié)合,稱之為結(jié)合水(Boundwater),W/O狀態(tài)下水分子主要以結(jié)合水形式存在于界面。2隨著微乳含水量進(jìn)一步增多,相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p連續(xù)相(圖4B)。該狀態(tài)下表面活性劑中增溶的水量增大成簇,形成微水池的水分子除存在于界面上的結(jié)合水外,水相內(nèi)部的水稱之為自由水(Freewater)。體系中兩種水狀態(tài)共存,且自由水占主導(dǎo)。3當(dāng)水量增加到超過表面活性劑可以增溶的極限時(shí),一部分水會(huì)發(fā)生相分離(圖4C)而處于表面活性劑或油相的疏水鏈間,呈熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài),靜置會(huì)分層。這一部分水稱為束縛水(Trappedwater)。而在相分離狀態(tài)下,這3類水是同時(shí)存在的。對(duì)于卵磷脂/正丙醇/肉豆蔻酸異丙酯/水微乳體系,考察了不同含水量微乳的DSC曲線圖(圖5)。由圖可見,在含水量從0%增至3.85%過程中,曲線上無水的結(jié)晶峰出現(xiàn),這可能是因?yàn)槲⑷轶w系在這個(gè)階段的水主要以結(jié)合水狀態(tài)存在,結(jié)合水在界面與表面活性劑的親水基團(tuán)通過氫鍵或靜電引力相互作用,這種結(jié)合力使得水分子在測(cè)試范圍不出峰,由此可判斷該過程處于W/O狀態(tài);而含水量為4.76%時(shí),DSC曲線上出現(xiàn)水的結(jié)晶峰,且隨含水量的增大其峰位向高溫方向平移,同時(shí)峰面積增大。這些水的結(jié)晶峰可能是由自由水結(jié)晶產(chǎn)生的,由此可判定微乳進(jìn)入雙連續(xù)相狀態(tài),而轉(zhuǎn)變點(diǎn)為3.85%。在雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)下,隨著含水量增大,水相中自由水的比例增大,使得水峰向純水結(jié)晶的峰值(-16.2℃)偏移,同時(shí)增大的自由水量也反映在結(jié)晶峰面積上;而當(dāng)含水量增加到11.50%時(shí),水結(jié)晶峰由單峰變?yōu)閮煞宓寞B加峰,因此可通過峰分離軟件將疊加峰分為兩個(gè)峰(圖4A)。由此推斷有兩種狀態(tài)水的結(jié)晶峰,即可能是自由水和束縛水兩種狀態(tài)水的結(jié)晶峰疊加。說明含水量為10.71%是雙連續(xù)相向相分離轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn),之后出現(xiàn)束縛水的結(jié)晶峰。2.24判定微乳中雙連續(xù)相的判定本實(shí)驗(yàn)采用濁點(diǎn)法、電導(dǎo)法、動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)以及差示掃描量熱法(DSC)4種測(cè)試方法研究了卵磷脂/正丙醇/肉豆蔻酸異丙酯/水微乳體系隨著含水量增大相結(jié)構(gòu)的變化與判定。這4類測(cè)試技術(shù)分別從微乳體系的透光率、導(dǎo)電性能、膠束粒徑和水的存在狀態(tài)四個(gè)角度表征相結(jié)構(gòu)變化的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。結(jié)果顯示,在判定微乳由雙連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾蛛x時(shí)4種測(cè)試方法的結(jié)果一致,均在含水量大于10.71%時(shí)發(fā)生相分離,其中以濁點(diǎn)法最為簡(jiǎn)單直觀。而在判定相結(jié)