胶体与表面化学原理在实际中的应用

胶体与表面化学原理在实际中的应用胶体与表面化学原理在实际中的应用李猛 钱楠 高云飞徐州医学院 药学院 11药物制剂班摘要 胶体与表面化学虽然原属物理化学的一个分支，却是物理化学的一个重要组成部分，是一门应用性极强的学科，它所研究的领域涉及到化学、物理学、材料科学、环境科学、生物化学等，是诸学科的交叉和重叠。因此，它的应用领域是极其广泛的。本文将对交替于表面化学的原理作初步的探讨并列举胶体与表面化学在制药工程以及其他领域的应用。 关键词 胶体与界面 分散体系 医药 应用引言 研究分散体系（除小分子分散体系以外的胶体分散体系和一般粗分散体系）和界面现象的物理化学分支学科。胶体和表面化学的研究和应用，实际上可追溯到远古时代。如中国史前时期陶器的制造；4000年以前巴比伦楔形文字碑文中有关油膜(不溶单分子膜)的记载；肥皂以及皂角一类天然表面活性剂（洗涤剂）的应用；毛细现象的研究等等。但作为一种科学，直到20世纪才得到具有本身特色的迅速发展。1胶体早在1861年，英国化学家T.格雷姆（Graham）在研究不同物质水中的扩散速度时发现有两类物质，他把扩散速度慢的、不易结晶的、易成粘稠状的一类物质称为胶体（colloid），而把扩散速度快的、易结晶的、不易成粘稠状的一类物质称为晶体（crystal）。在胶体体系中，胶体质点成为一个相，周围的介质为另一相。此种质点分布于介质中的体系称为分散体系：胶体质点分散于介质中的体系即为胶体分散体系，可分为3种基本类型：憎液溶胶（lyophobic colloid），简称溶胶（sol）、亲液胶体（lyophilic colloid）和缔合溶胶（association colloid）。下表列举了几类溶胶的实例。表 溶胶分类的实例 分散相为气相 分散相为液相 分散相为固相气溶胶 雾 烟、尘液溶胶 灭火泡沫 牛奶、石油 油漆、泥浆固溶胶 浮石、泡沫塑料 珍珠、某些宝石 有色玻璃 胶体研究的许多结果可以应用于高分子体系，从而大大推动了高分子的研究，高分子化学的部分领域也就归入胶体化学的范畴。经典的胶体体系是热力学不稳定体系，是一相（质点）分布在另一相(介质)中的多相分散体系；而高分子质点分散在介质中的这种胶体体系却是热力学稳定的体系，是均相溶液，即高分子溶于溶剂而形成的溶液。如同小分子的溶液一样,只要溶剂不挥发,高分子溶液就可以永久存在。胶体质点与经典化学所研究的分子不同的另一特点，是其形状的千差万别，从完全对称的球形和比较对称的椭球形,到极不对称的不规则薄片,以至细长的线条。这将对体系的性质，特别是流变性质有重大影响。例如高分子溶液、钻井泥浆、油漆涂料、胶团溶液，以及乳状液、泡沫等的粘度、弹性、塑性及触变性等皆与质点的形状和结构有关（见非牛顿流体）。研究此种关系的学科即胶体化学中的流变学。分散相的粒径在1100nm之间的交体分散系统，表现出与其他类型分散系统不同的动力学性质、光学性质、流变性质、电学性质和稳定性。目前胶体分散系统的基本原理已广泛应用于石油、冶金、造纸、橡胶、塑料、电子、食品等工业领域，以及生物学、土壤学、生物化学、医学、气象学、地质学等其他学科。因此，胶体分散系统的研究已经从胶体化学发展成为一门独立的学科。胶体科学与生物科学和医药科学密切相关，如人体各部分的组织是含水的胶体，其生理功能及新陈代谢与胶体性质有关，对其病理机制的研究，药物疗效的探索都需要胶体溶液的知识。又如，在药物制剂工艺、药物分散状态与功效以及纳米技术和新材料的应用研究中也离不开胶体科学的基本原理。因此，掌握胶体的基本概念、基本理论与技术，对药学工作者是十分必要的。2. 表面化学相界面是指两相之间具有几个分子层厚度的过渡区。根据形成界面的物质的聚集状态可将界面分为气-液、气-固、液-液、液-固、固-固界面。习惯上将一相为气体的界面成为表面(surface),其他称界面（interface），界面也常被称为表面。表面现象（surface phenomena）是自然界随处可见的现象。表面化学的基本原理和方法在物理学、化学、生物学等学科以及化工、环保、采矿、材料、土壤、食品、医药等领域有着广泛的应用。特别是药学领域，从药物的合成、提取、分离、分析、制剂的制备、制剂性质、药物在体内的作用和代谢等均与表面化学有关，用表面化学原理可在不同层面分析、解释和解决药学中的相关问题。表面化学的研究发展的实际影响并不仅仅在于学术研究，还涉及到农业和化学工业研发的多个方面。1、清洗铂金表面的碳氧化物；2、空调系统中的氟利昂，通过小冰晶体表面化学反应破坏臭氧层；3、金属表面暴露在空气中时生锈；4、电子工业中，制作半导体元件；5、人造肥料中所含的氨，是通过氮和氢在金属表面生成。3胶体和表面化学多相(胶体)分散体系中，由于质点很小，相与相间的界面面积极大,故有很可观的界面自由能,体系易于向降低界面自由能的方向发生变化。根据界面热力学，物质分子在界面上的富集必然导致界面自由能的降低,即大的界面自由能的存在使吸附现象得以产生。大面积的体系最易发生吸附，因此活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛等就成了广义的胶体体系（虽然这些体系与原来胶体的定义并不相符）。基于同一原因，前述的粗分散体系，如泡沫、乳状液、泥浆、水煤浆等等也成为胶体化学的研究对象。物质世界中，界面是无所不在的，上述体系有着大的表面积或界面积，表面或界面上发生变化必然影响整个体系的性质。因此研究表（界）面性质科学的表面化学，是胶体化学中极其重要和不可分割的一部分，二者常被联系在一起而名为胶体和表面化学。 表面化学促进了许多工业和技术的发展，如能源开发（包括石油开采、煤流态化即水煤浆和油煤混合物、太阳能利用）、催化、矿物浮选、胶片生产、印染、色谱、液膜分离、海水淡化、医药的分散和乳化及其应用、“轻水”泡沫灭火、以及人工降雨等。 物质世界中的生命现象也与胶体和表面化学密切相关，可以说生物体即是一种高级的极其复杂的胶体体系，其中存在着各式各样的胶体（亲液胶体、缔合胶体、乳状液以及凝胶等）和各种界面 (生物膜-体液界面是其中重要的一种)。所以胶体化学和表面化学的规律在生命现象中有重要的作用；而研究胶体化学和表面化学的许多方法和原理也常用以研究生命科学。生物膜的研究即为一典型例子。胶体和表面化学中关于表面吸附膜、单（双）分子膜、胶团以及囊泡的研究,就是对细胞膜很好的模拟(或半模拟),由此可以了解成膜分子在膜中的定向排列，以及膜在传质、传能过程中所起的作用，进而探索生命的奥秘。生物体中存在的表面活性物质,如胆盐及其与磷脂的混合物,以及肺表面活性剂等，可以称之为生物表面活性剂。它们在生物体内所起的作用和发生的变化过程，在许多方面实际上就是典型的胶体和表面化学的作用和过程。 在物质世界中，无处不有分散体系，表面和界面也无所不在，故胶体和表面化学与其他学科以及生产有着广泛而密切的联系。大至宇宙、天文、气象、地理，小至细胞，皆有胶体和界面存在；在所有医药、工、农业生产中，几乎很难找到与胶体和表面化学无关的现象。4、胶体与表面化学在实际中的应用洗涤剂的去污作用洗涤剂的去污作用是一个很复杂的过程，它与渗透、乳化、分散、增溶以及起泡等各种因素有关，不同的污垢，要求不同的洗涤剂。理论原理：表面活性物质的分子能定向地排列于任意两相之间的界面层中产生正吸附，使界面的不饱和力场得到某种程度的补偿，从而降低界面张力，使系统的表面吉布斯函数降低，稳定性增加。生活现实表明由于水的界面张力大，而且润湿性差，只靠水是不能去污的。加入洗涤剂后洗涤剂分子以亲油基向固体表面或污垢的方式吸附，结果在机械力作用下污垢开始从固体表面脱落洗涤剂分子在干净固体表面和污垢粒子表面上形成吸附层或增溶，使污垢脱离固体表面而悬浮在水相中很容易被水冲走。一种好的洗涤剂应能吸附在固（如织物）-水界面和污垢-水界面上，表面活性剂一般都能吸附在水-气界面上使表面张力降低，有利于形成泡沫，但这并不表示它必然是一种好的洗涤剂，根据起泡的多少来判断洗涤剂的好坏实际上是人们的一种误解。例如：非离子型表面活性剂一般有很好的洗涤效果，但并不是好的起泡剂，表面活性剂产生泡沫的多少不是唯一判断洗涤剂好坏的指标，在工业上或用洗衣机洗涤时人们都喜欢用低泡洗涤剂。单独使用洗涤剂中的有效成分（如C2C4烷基苯磺酸钠）其去污效果并不显著，只有添加某些助剂后，才能进一步提高去污力，例如：Na2CO3、三聚磷酸钠、羟甲基纤维素或甲基纤维素等，称为污垢悬浮剂，对洗下的污垢起到分散作用，其中三聚磷酸钠等是最好的和应用最广的助剂，它与水中Ca2+和Mg2+形成不被织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积。表面活性剂对药物的增溶作用在药剂学中常遇到一些难溶于水的药物要配成水溶液的问题, 增加难溶物溶解度是一个重要的问题,在药剂学中常遇到一些难溶于水的药物要配成水目前主要的方法有: 体系中加入表面活性剂, 使难溶药物溶解在胶束内增加溶解度即增溶的方法; 体系中加入助溶剂, 使难溶药物与助溶剂形成溶解度较大的络合物而增加溶解度; 加酸、碱使难溶药物生成盐类以增加其溶解度; 改变药物分子的部分结构, 如在主药分子结构上导入亲水基团以增加溶解度; 应用非水溶剂或混合溶剂增加药物的溶解度; 制成固体分散体或环糊精包合物增加溶解度等。其中加入表面活性剂使难溶药物在胶束内增溶是目前用得较多, 也是较为重要的一种方法。增溶作用在药物制剂中有很多应用。可用于内服制剂、注射剂, 还可用于外用制剂。阳离子型表面活性剂因毒性较大极少应用于药物的增溶, 而非离子表面活性剂较阴离子表面活性剂温和, 刺激性小, 故内服制剂和注射剂所用的增溶剂大多属于非离子型表面活性剂, 如吐温类表面活性剂, 外用制剂所用的增溶剂以阴离子型表面活性剂为主, 如脂肪酸盐类。采用增溶的方法还有以下优点: 防止或减少药物氧化,由于药物被增溶在胶团之内, 与氧隔绝, 从而有效地防止了药物的氧化; 对于大多数药物, 加入增溶剂后还可增加对药物的吸收, 增强生理活性。微乳在制药中的应用微乳液是指一种液体以粒径在10 nm100 nm 的珠滴形式分散在另一种不相混溶的液体中形成的外观透明或半透明分散体系1 。微乳液与一般乳液有明显区别, 它们不仅粒子大小不同, 而且微乳液是可自发形成或稍加搅拌即可形成的外观透明、黏度较低、表面活性剂用量较高的热力学稳定体系。一般形成微乳液不仅需要油、水及乳化剂, 还需要加入相当量的助乳化剂(通常为醇类物质) 。 微乳是一种具有发展潜力的给药系统, 主要是用于药物载体。微乳作为药物载体具有如下特点: 首先微乳的制备较简单。在表面活性剂和助表面活性剂存在下两种互不相溶的液体按一定的比例形成的热力学稳定的透明或半透明的体系即为微乳。组成微乳的各组分只要符合一定的比例, 通过机械或其他手段混匀即可自发形成微乳, 与各组分加入顺序无关。其次微乳作为药物载体可以提供不同的给药方式, 有助于药物剂型转变。微乳作为药物载体, 可以用在口服、注射及外部给药上。此外, 微乳本身有油包水型、水包油型和双连续型, 因此对于不同的药物, 采用不同微乳类型,既可增溶水溶性药物, 也可增溶油溶性药物。微乳在各种剂型药物如口服药、注射给药和经皮给药中都有应用。口服给药服用方便、剂量易控, 是最常用的给药途径。在口服给药中, 固体药物、液体药物、片剂和胶囊剂在吸收上均存在一定的缺点, 而微乳口服后可经淋巴吸收, 避免了首过效应以及大分子通过胃肠道上皮细胞膜时的障碍, 药物直接和胃肠上皮细胞接触, 促进药物吸收, 提高生物利用度19 。此外微乳口服给药还可以提高药物的溶解度, 减少药物在体内的酶解。微乳是某些药物如甾体药物、激素、利尿药及抗生素的理想释放载体 。静脉注射可使药物迅速而准确地进入体循环。然而普通药物载体一般没有好的缓释效果, 对于一些疏水性药物, 由于自身的溶解度较小, 在体内达不到有效治疗浓度, 而微乳液作为药物载体由于其特点能较好地解决上述问题。微乳具有热力学稳定、可热压灭菌、滤膜过滤、黏度低、注射时不易引起疼痛的特点, 同时还具有注射体积小、靶向以及毒副作用小等特点。因此常用于难溶性药物的注射给药。在经皮给药中, 微乳的良好性能使它具有广阔前景。其促渗作用的机制为: 对难溶性药物的增溶作用可提高渗透浓度梯度; 增加角质层脂质双层流动性;破坏角质层水性通道; 微乳可以完整结构经毛囊吸收; 药物从微乳中析出后透皮吸收。此外, 由于微乳存在可过滤, 对药物溶解量大且可热压灭菌等特点, 因此可用于眼部给药和鼻腔黏膜给药。微乳作为药物载体虽然有许多优点, 但也存在一些不足: 微乳中表面活性剂和助表面活性剂的浓度较高, 其中一些表面活性剂和助表面活性剂对胃肠道黏膜有刺激性, 对全身有慢性毒性作用 ; 微乳液体系中药物的释放机理不很明确; 微乳液作为药物载体的靶向性比较差等。但随着对微乳体系研究的不断深入, 微乳在药剂学领域的应用将更加完善, 应用前景将更为广阔。5、结语正如引言中所提到的那样，胶体与表面化学所研究的对象是极广泛的。在我们的日常生活中，在工厂的生产制造中，在实验室的科学研究中，总会看到它们的影子。因此，以上所列举的几种实例仅仅触及到胶体与表面化学应用范围的几个方面，由于水平有限，分析用到的理论知识也只是胶体与表面化学理论最表层的东西。但我写这篇文章的主要目的是为了让大家了解我们所学知识的