含水量对wo型微乳相结构的影响

含水量对wo型微乳相结构的影响

微乳液是由表面活性剂、辅助表面活性剂、水（或生理盐水）和油（烃）等组成的自发获得的一个方程，并以各种成分（如微乳液）为单位形成的一个透明、各向同性的油-水分散体系1'。根据水油比的不同可以分为水包油型、油包水型和双连续相型体系。单相的微乳液其胶束尺寸在100nm以下,其制备简易且稳定性良好［2］。一方面微乳广泛应用于各种纳米粒子的制备［3－4］,另一方面其对皮肤、粘膜具有较好的渗透性［5－7］,也可用作药物载体。W/O型微乳液的相结构随增溶水量的增加从油包水转变为双连续相,最后发生相分离(如图1)。微乳的相结构不但对制备纳米粒子时粒径与形态有重要影响,且对于应用于经皮给药的微乳的载药量也有着直接影响。因此研究微乳体系相结构的转变具有重要应用价值。针对微乳相结构变化采用的研究方法主要有目测法、电导法、紫外-可见光光度法、流变法、动态光散射法、投射电镜法、差示扫描量热法、全反射傅立叶红外光谱等［8］技术。而目测法、电导法、紫外可见光光度法和流变法是从宏观角度研究相转变过程中微乳粒子的相互作用,其中目测法是判断从微乳区域到相分离最简单和常用的方法［9－10］,常以此方法绘制伪三元相图;电导法对于微乳连续相类型的检测具有高灵敏度,适于判断微乳的相转变现象［8］;流变法在低粘度体系中由于含水量对粘度影响小而导致灵敏度低,因而仅限于中高粘度体系;分光光度法在检测相结构变化时需要用到水溶性和油溶性染料作为光学探针［9］,操作相对繁琐。动态光散射和透射电镜均为研究微乳粒径的常用方法,由于微乳以液态胶束形式存在,所以采用透射电镜很可能在干燥制样过程中丧失原有形态,而光散射属于原位检测技术,其结果具有统计意义,更适合微乳的表征。另外差示扫描量热法与红外光谱均可用于探索微乳相结构变化中水的存在状态。红外光谱利用对水的O—H伸缩振动峰的多元高斯函数拟合可得到不同形式水的近似理论比例［11］,在直观性和精确性方面逊于热分析。因此按照简单、有效、灵敏度高和适用范围广的原则,电导法、目测法、差示扫描量热法(DSC)以及动态光散射法(DLS)4种方法适于从微乳粒子的相互作用、微乳粒径及分布和微乳中水存在形式的转变不同角度反映微乳相结构转变的过程。且该一系列方法适用于各种微乳体系。为微乳作为药物载体和纳米微反应器的研究和应用提供重要的技术支持。本文选用生物相容性良好的卵磷脂为表面活性剂［12］,正丙醇为助表面活性剂,选用滋润和软化作用良好的肉豆蔻酸异丙酯(IPM)为油相［13］,配成W/O型微乳后,采用电导法、目测法、差示扫描量热法(DSC)以及动态光散射法(DLS),从不同角度系统地研究了微乳相结构随含水量的变化,从而为微乳在药物载体、纳米材料等领域的应用提供理论依据。1实验部分1.1纳米粒度仪和差示扫描量热dscDDS-W型精密电导率仪(上海理达仪器有限公司);ZetasizerNanoZS型纳米激光粒度仪(英国马尔文);204F1Phoenixlue4d2型差示扫描量热仪(德国耐驰);卵磷脂、肉豆蔻酸异丙酯、正丙醇(分析纯,阿拉丁试剂公司)。实验用水为Milli-Q超纯水。1.2微乳体系表面微乳含水量对粒径的影响根据本课题组前期实验所得的优化微乳配方(专利公开号:CN103142477A):选用卵磷脂为表面活性剂、正丙醇为助表面活性剂、肉豆蔻酸异丙酯(IPM)为油相、纯水为水相。其中表面活性剂与助表面活性剂的质量比(Km)为1∶2,混合表面活性剂(即表面活性剂与助表面活性剂的混合物,用Smix表示)与油相的体积比为4∶6。随着此体系中含水量的增大,通过以下测试方法研究其相结构的变化。1.2.1浊点法实验根据以上的微乳配方,配制5mLSmix-IPM混合液。然后用移液枪向混合液中精确滴加水,每次50μL,充分搅拌后观察溶液是否变浑浊。记录微乳恰好浑浊前的加入水量,即发生相转变的临界点。为获得直观效果,用照片记录微乳液体系不同含水量时是否澄清(含水质量百分比分别为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电导率实验在25℃条件下,根据上述微乳配方,配制5mLSmix-IPM混合液。用移液枪在此混合液中精确滴加水,每次滴加50μL(含水质量百分比分别为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%),每次滴完水后搅拌片刻使溶液混合均匀,再将电导仪的电极插入到样品溶液中,待读数稳定后,记录电导值,并绘制微乳体系电导率随含水量变化的曲线图。根据溶液电导值的变化来判定微乳从W/O型过渡到双连续相型再到相分离的转变。1.2.3动态光散射法(DLS)实验根据上述微乳配方,配制5mLSmix-IPM混合液。用移液枪向此混合液中精确滴加水,具体滴加方法与“1.2.1”相同,将所得不同含水量的微乳用0.45μm的微孔滤膜过滤后,分别取2mL放入四面通光的玻璃样品池中,再装入纳米激光粒度仪中测试粒径。设定仪器测试温度为25℃,测试的光路散射角为173°,平衡时间为2min,且每个重复测定3次。通过测定微乳粒径和表征其分布的PDI值来研究其相结构的转变。1.2.4差示扫描量热法(DSC)实验配制不同含水量微乳(配方与“1.2.1”相同),用移液枪各吸取20μL微乳液放入铝制坩埚中,精确称量样品质量。为防止挥发,快速盖上坩埚盖子并压制密封。以空的密封铝制坩埚为参比,将样品和参比放入DSC炉体对应位置。该测试采用机械制冷,测试条件设定为:在25℃平衡3min,然后从25℃逐步冷却至-60℃,冷却速度为10K/min,同时采用氮气作为吹扫气体,吹扫速度为30mL/min。记录样品的吸放热随温度的变化曲线。2结果与讨论2.1体系电导率的日变化2.1.1浊点法浊点法是表征微乳相结构变化的最直观、简单的方法,常用于判断微乳相分离转变点。如图2所示,在5mLSmix-IPM混合液中,随着水量的增加,微乳从W/O状态到双连续相的整个过程中,溶液均匀透明,且离心或放置不分层。而当微乳中加入水量超过600μL(10.71%)时,溶液变浑浊,且静置分层,此时水量超过微乳增溶的极限而发生分相。因此,通过浊点法可以直观地确定微乳由双连续相型转变为相分离型的转变点是含水量10.71%。2.1.2电导法在评价微乳的结构特征和性质方面,电导法已被证明是一种方便且可靠的测试方法。当微乳体系中加入水量较少时,存在一个临界点被研究者认为是渗透理论点［14］,在这个临界点,油包水液滴形成并运动发生碰撞、聚结和分裂。图3表示微乳的电导率随含水量增大的曲线变化,当微乳的含水率从0.99%(图中A点)增加到3.85%(图中B点)的过程中,曲线的斜率较小,即体系的电导率增加较为缓慢。此时认为AB段微乳处于W/O状态,这是由于作为连续相的IPM几乎不导电,微乳液的导电性由液滴的导电性决定,而液滴均处于独立存在状态,且嵌入在不导电的油相中,所以这些液滴对于电导的贡献非常小。当水油体积比较低时,分散相体积分数的增大主要在于增加分散相的数目,因此,电导率呈线性缓慢增加。在含水量从3.85%增至10.71%(图中C点)的过程中,导电率曲线的斜率较大,即导电率迅速变大。研究认为B点为渗滤阈值,随着W/O型微乳液滴的数量增大,会导致液滴间由于相互吸引而发生频繁的粘性碰撞,这种粘性碰撞的直接结果是导致在油连续相中形成狭窄而细小的水管或通道,并组成电导链,使反离子通过这些窄通道运动［15］,从而使得体系的导电率快速上升并最终达到最大值,即BC段,此时的微乳处于双连续相型,由粘性碰撞形成的导电链相互交错成网络,体系处于油、水皆为局部连续的过渡态中间结构,B(含水3.85%)点为微乳由W/O相转变为双连续相的临界点。对于这种现象,Bue56ettcher提出微乳体系的电导可用EMT理论进行解释［16］:式(1)中σm和σd分别代表连续相和分散相的电导率,ue788代表分散相的体积分数。对于油包水微乳体系,连续相是油相,其电导率极低,因此将连续相的电导率σm视为无限接近于零,则方程可以简化为:由式(2)可见,体系的电导率主要取决于分散相的体积分数ue788,且体系电导率随着ue788的增大而增大,这与本实验结果一致。图3中C点为电导率的最大值,之后电导率下降,研究认为当含水量大于10.71%时微乳处于相分离状态。可能是当含水量超过临界值后,微乳的界面膜开始发生破坏,油水开始发生分相,界面膜变得紧绷,流动性下降,界面张力增大,阻碍了液滴水分子的相互作用和电荷传递,从而使体系电导值下降,这一临界点C(含水10.71%),即可认为是微乳体系由单相的双连续相向相分离转变的临界点。这一结果与目测法的结果一致。2.1.3动态光散射法(DLS)动态光散射技术可以检测上亿个粒子的统计学结果,具有测试速度快、样品量少的特点,不但可以测试纳米粒子的粒径,而且可以测试其分布。如表1中所示,本研究的微乳体系的粒径随着含水量的增大,先变小后变大。含水量从0.99%增至5.66%的过程中,粒径逐渐变小,这可能是因为卵磷脂无增溶水的情况下,会在油相中自组装成层状或棒状的胶束,如表1所示,其粒径为(34.23±0.65)nm。加入水后,水分子会被表面活性剂包裹形成W/O微液滴(如图1左)。同时随着含水量的增加,卵磷脂胶束逐渐转变为W/O型的微液滴,液滴整体数量增大。在该过程中,卵磷脂胶束与W/O液滴共存。由表1可知W/O液滴的粒径小于卵磷脂胶束,随着含水量的增加,W/O液滴的比例逐渐增大,从而导致整体统计学粒径逐渐变小。因此含水量从0.99%到5.66%的粒径减小过程可认为处于W/O相结构。当含水量进一步增至某一临界值时,微乳中的卵磷脂胶束全部转化为W/O液滴,造成液滴数量急剧增多,从而导致液滴间相互碰撞的几率增大,这种粘性碰撞导致微乳体系内部的水分子发生大量的聚集与融合,形成了微水池。而在这个临界点存在液滴碰撞形成聚集态和聚集态分散成液滴的动态平衡［13］。这个动态过程也反映在PDI值(PDI值用于表征粒径的分布,值越大,则分布越宽)上。由表1中含水量5.66%的PDI值可知,由于这种动态过程的存在造成在该含水量时粒径分布最宽,达到0.587±0.070。由此可判断含水量5.66%是由W/O变为双连续相的转变点。而当含水量大于5.66%后,由于水分子聚集而形成微水池的比例和体积越来越大,从而表现在双连续相过程中粒径随着含水量的增大而增大。最终当含水量大于10.71%以后,粒径突然增大几个数量级,说明微乳体系发生了相分离,结果与目测法相一致。另外双连续相(含水量从5.66%~10.71%)结构下的PDI值大于W/O(含水量从0.99%~5.66%),说明双连续相结构中的水相体积呈无规律随机分布,比W/O结构中有表面活性剂自组装而成的液滴在分布上更宽。这一结果验证了图1示意图的假设。2.1.4差示扫描量热法(DSC)DSC法是一种用来测定微乳相结构变化的有效方法［17］,微乳中水分子的存在状态可通过DSC图谱来反映,从而可利用水分子的不同状态来对微乳体系相结构变化进行研究。图4为不同状态水随微乳相结构的变化,其中水的状态和分布可分为以下3个过程:1当含水量较小时,微乳处于W/O状态(图4A)。该状态下水分子被表面活性剂包裹成小液滴,水分子与表面活性剂的亲水段通过分子间氢键作用结合,称之为结合水(Boundwater),W/O状态下水分子主要以结合水形式存在于界面。2随着微乳含水量进一步增多,相结构转变为双连续相(图4B)。该状态下表面活性剂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结合水外,水相内部的水称之为自由水(Freewater)。体系中两种水状态共存,且自由水占主导。3当水量增加到超过表面活性剂可以增溶的极限时,一部分水会发生相分离(图4C)而处于表面活性剂或油相的疏水链间,呈热力学不稳定状态,静置会分层。这一部分水称为束缚水(Trappedwater)。而在相分离状态下,这3类水是同时存在的。对于卵磷脂/正丙醇/肉豆蔻酸异丙酯/水微乳体系,考察了不同含水量微乳的DSC曲线图(图5)。由图可见,在含水量从0%增至3.85%过程中,曲线上无水的结晶峰出现,这可能是因为微乳体系在这个阶段的水主要以结合水状态存在,结合水在界面与表面活性剂的亲水基团通过氢键或静电引力相互作用,这种结合力使得水分子在测试范围不出峰,由此可判断该过程处于W/O状态;而含水量为4.76%时,DSC曲线上出现水的结晶峰,且随含水量的增大其峰位向高温方向平移,同时峰面积增大。这些水的结晶峰可能是由自由水结晶产生的,由此可判定微乳进入双连续相状态,而转变点为3.85%。在双连续相结构下,随着含水量增大,水相中自由水的比例增大,使得水峰向纯水结晶的峰值(-16.2℃)偏移,同时增大的自由水量也反映在结晶峰面积上;而当含水量增加到11.50%时,水结晶峰由单峰变为两峰的叠加峰,因此可通过峰分离软件将叠加峰分为两个峰(图4A)。由此推断有两种状态水的结晶峰,即可能是自由水和束缚水两种状态水的结晶峰叠加。说明含水量为10.71%是双连续相向相分离转变的临界点,之后出现束缚水的结晶峰。2.24判定微乳中双连续相的判定本实验采用浊点法、电导法、动态光散射法(DLS)以及差示扫描量热法(DSC)4种测试方法研究了卵磷脂/正丙醇/肉豆蔻酸异丙酯/水微乳体系随着含水量增大相结构的变化与判定。这4类测试技术分别从微乳体系的透光率、导电性能、胶束粒径和水的存在状态四个角度表征相结构变化的转变点。结果显示,在判定微乳由双连续相转变为相分离时4种测试方法的结果一致,均在含水量大于10.71%时发生相分离,其中以浊点法最为简单直观。而在判定相结