药用高分子材料第三章高分子材料的物理化学性质

由上式可以调节混合溶剂的溶度参数， 使混合溶剂的溶度参数与聚合物相近，以达 到更好的溶解性能。
2. 极性相似相溶原则

对于非晶态极性聚合物不仅要求溶剂的溶 度参数与聚合物接近，而且还要求溶剂的极 性与聚合物也接近才能使之溶解。例如：聚 乙烯醇是极性的，它可以溶于极性溶剂水或 乙醇中，但在非极性苯溶剂中则很难溶解。
某些水凝胶的溶胀性能随外界溶胀条件（温度、介 质pH、离子强度、某些化学反应以及光、电等）的 变化而发生极大的甚至是不连续的改变。从而导致 水凝胶发生溶胀或收缩突变。目前研究最多的是: pH 型或温度敏感型水凝胶。 3. 水凝胶的应用 由于水凝胶的上述溶胀行为和良好的物理化学 性能和生物相容性，所以在药剂学领域有许多应用， 例如：一些缓释性药物的载体、水性软膏基质等。
第三章高分子材料的物理化学性质




第一节 高分子溶液性质 第二节 高分子的分子量及其分布 第三节 聚合物的力学状态及性质 第四节 药物通过聚合物的扩散
第一节 高分子溶液性质
一.
溶胀与溶解 二. 聚合物的溶度参数与测量 三. 溶剂的选择 四.凝胶
一. 溶胀与溶解
小分子有机物可以很快地溶于各种溶剂中，但高 分子化合物的这一过程却十分缓慢，通常要过夜，甚 至数天才能观察到溶解。高分子溶解的第一步是溶胀， 由于高分子难以摆脱分子间相互作用而在溶剂中扩散， 所以第一步总是体积较小的溶剂分子先扩散进入高分 子中使之溶胀。如果是线形高分子，由溶胀会逐渐变 为溶解；如果是交联高分子，只能达到溶胀平衡而不 溶解。基于上述原因，一般来说：高分子有较好的抗 化学性，即抗酸、抗碱和抗有机溶剂的侵蚀性能。
四.凝胶
(一)凝胶的结构与性质
1. 凝胶的结构和类型 凝胶（gel）是一类溶胀的三维网状高分 子，在它们的网状结构孔隙中填充了大量的 液体介质，这样一种分散体系（网络结构和 填充液体互相分割，各自都不是连续的）被 称为凝胶。根据高分子交联键（形成网状结 构的基础）性质的不同，凝胶又可以分为化 学凝胶和物理凝胶两类。其中化学凝胶是指

电解质对胶凝的影响比较复杂。 有时对 胶凝有促进作用，有时则有阻止作用，其中 阴离子对胶凝的影响较大，一般当盐浓度较 大时，硫酸根离子和氯离子加速胶凝，而碘 离子和硫氰根离子则阻滞胶凝作用。
凝胶的超显微结构示意图 （ S — 溶剂化层； a — 凝胶结合点）
2.凝胶的性质 凝胶具有以下性质: （1）触变性：物理凝胶受搅拌、震荡等 外力作用时，其网状结构易于破坏而成流体； 当外力作用停止后，又可恢复成半固体凝胶 结构。这种凝胶和溶胶流体之间的相互转变 过程，被称为触变性(thixotropy)。此外，凝 胶还具有一定的屈服值(yield value )、弹性 和粘性。 （2）溶胀性：溶胀是指凝胶吸收液体后 自身体积明显变大的现象。溶胀可分为两个 阶段。首先，溶剂分子钻入凝胶大分子中并
吡啶
水 乙醚
23.3
47.8 15.1
四氯化碳
三氯甲烷 二氯甲烷 甲苯 二氧六环 二甲基甲酰胺 甲酸
17.6
19.0 19.8 18.2 20.4 24.5 27.6
一些溶剂的溶度参数
溶剂名称 甲醇 乙醇 1-丙醇 29.6 26.0 24.4 溶度参数（MPa）1/2
2-丙醇
1-辛醇 醋酸乙酯 醋酸异戊酯 正己烷 正十六烷 二硫化碳
与其作用形成溶剂化层，此过程伴有放热和体积收 缩现象（指凝胶体积的增加要小于吸收的液体体 积）；在此之后，溶剂液体分子继续向里面渗透， 凝胶体积也大大增加。 凝胶溶胀性的大小可用溶胀度(swelling capacity)加以衡量。溶胀度是指在一定温度下，单 位重量或体积的凝胶能吸收液体的极限量。影响溶 胀度的主要因素有液体的性质、温度、电解质及pH 等。其中: 液体的性质不同,溶胀度有很大差异;温度
氢键高分子；同样溶剂按极性也可分为弱亲
电子溶剂、强亲电子溶剂、给电子高分子和 氢键溶剂。 在溶剂与高分子的溶度参数相近 时，凡属亲电子性溶剂能和给电子性高分子 进行“溶剂化”而易于溶解；同样给电子性 溶剂能和亲电子性高分子“溶剂化”而易于 溶解；溶剂和高分子基团之间形成氢键，也 有利于溶解。
一些高分子的极性分类 弱亲电子性高分子 聚氯乙烯 聚乙烯 聚丙烯 聚四氟乙烯 给电子性高分子 聚碳酸酯 聚醚 聚酰胺 强亲电子性或氢键 高分子 聚丙烯酸 聚丙烯腈 聚乙烯醇


溶胀度法是在一定温度下,将交联度相同 的高分子分别放在一系列溶度参数不同的溶 剂中使其溶胀,测定平衡溶胀度,聚合物在不同 的溶剂中溶胀度不同,只有当溶剂的溶度参数 与聚合物的溶度参数相等或最接近时,它的溶 胀最好。因此,可以将溶胀度最大溶剂所对应 的溶度参数作为该聚合物的溶度参数。
三. 溶剂的选择

ΔΕ1 δ = V 1

1 2
，
ΔΕ2 δ = V 2
1 2
式中Δ Ε 为内聚能(J);V为体积(cm3)
聚合物溶度参数的测定
聚合物的溶度参数可用粘度法或溶胀度 法测定。 粘度法是将聚合物溶解在各种溶度参数 与聚合物相似的溶剂中,分别在同一浓度、同 一温度下测定这些聚合物溶液的特性粘度,因 为聚合物在良溶剂中的舒展最好、特性粘度 最大,所以将特性粘度最大时所用溶剂的溶度 参数δ 值看作该聚合物的溶度参数。
2. 水凝胶的溶胀行为及其影响因素 离子型水凝胶由于其结构中功能基团的 电离作用，而具有特殊的溶胀性能。例如： 离子型水凝胶因其高分子骨架中-COOH、 -SO3、-NH2 基团的电离作用而增加了它们的 亲水性。同时由于其电离程度的增加，而使 其网络中高分子链上存在大量具有相同电荷 的电离基团。这些基团的静电斥力导致高分 子链进一步的伸展并与水分子接触。从而大 大增加了它们的吸水保水能力。
二. 聚合物的溶度参数与测量
聚合物的溶度参数 聚合物的溶解或溶胀实际上是聚合物与溶剂之 间的扩散、渗透以至充分融合的过程。因此,它必然 与聚合物与聚合物、溶剂与溶剂、以及聚合物与溶 剂之间的相互作用,即它们的内聚能(范德华力与氢 键力)有关。 聚合物或溶剂的溶度参数等于它们的内聚能密 度的平方根,而内聚能密度即是单位体积的内聚能。
22.8
23.3 17.5 18.5 8
18.8 36.2
如果不能找到一个很好的溶剂,则使用混合 溶剂体系，有时效果更好。对于混合溶剂的 溶度参数可由下式计算,得出： δ混=Ψ1δ1+Ψ2δ2


（式中Ψ1和Ψ2，分别代表两种纯溶剂的体积分数； δ1和δ2分别代表两种纯溶剂的溶度参数。）

大分子提供共价键连接所形成网状结构的凝胶。一 般这类凝胶通过单体聚合或化学交联而成，它们不 能熔融，也不能溶解，结构非常稳定，被称为不可 逆凝胶。例如PST-DVB凝胶就属于这类凝胶。物理 凝胶是指大分子间通过非共价键（例如：氢键或范 德华力）互相连接，形成网状结构。物理凝胶的网 状结构具有可逆性，只要温度等外界条件改变，其 网状结构就会破坏，并重新成为链状分子溶于溶剂
聚甲基丙烯酸甲酯 聚碳酸酯 聚氯乙烯 二醋酸纤维素 聚乙烯醇 聚醋酸乙烯 纤维素 红细胞膜 生物膜质
19.4 19.4 19.8 22.3 25.8-39.0 19.6 32.1 21.1±0.8 17.8±2.1
一些溶剂的溶度参数
溶剂名称 丙酮 二甲基亚砜 溶度参数（MPa）1/2 20.4 26.6
可以分为电中性和离子型水凝胶两种。离子 型水凝胶又可以进一步分为阴离子、阳离子 和两性等类型。目前人们研究与应用比较多 的是离子型水凝胶。 传统的水凝胶对温度和pH等环境变化不 敏感；新近出现的水凝胶则对温度、pH、某 些化学反应以及光、电等所给予的刺激有明 确的应答。它们在新型药物制剂的研制开发 方面也有许多应用。

如何选择适当溶剂对药用高分子辅料进 行溶解或溶胀是药物剂型生产或使用过程中 经常遇到的问题。例如:薄膜包衣的制备、控 释膜中孔隙大小的控制以及药物活性成分与 高分子辅料相容程度的判断都需要掌握并利 用高分子溶解度及相容性的一般规律。通常, 高分子在不同溶剂中的溶解或溶胀遵循溶度 参数相近原则、极性相似相溶原则或溶剂化 原则。
中。例如：明胶溶液或聚乙烯醇水溶液冷却至一定 温度所形成的凝胶均为物理凝胶。其中，根据凝胶 中液体含量的多少又可分为冻胶（jelly，液体含量 高）和干凝胶（xerogel，液体含量较少）两种类 型。 高分子溶液转变为凝胶的过程称为胶凝作用。 影响胶凝的因素主要有高分子溶液浓度、温度和电 解质类型与含量等。每种高分子溶液均有一最低凝 胶浓度，低于此浓度则不能形成凝胶。此外，温度 越低越有利于胶凝。
1.溶度参数相近原则

对于一般的非极性(或弱极性)非晶态聚合 物，选择溶度参数与聚合物相近的溶剂，可 以很好的溶解或溶胀该聚合物。 通常聚合物 与溶剂二者的溶度参数相差值在±1.5以内时 可以较好溶解。所以可以用溶度参数δ作为选 择溶剂的参考数据。

一些高分子材料的溶度参数 高分子名称 聚乙烯 聚丙烯 溶度参数（MPa）1/2 16.2 16.6
3．溶剂化原则

有时溶度参数相近的聚合物-溶剂体系，不 一定都能很好互溶，例如：聚氯乙烯δ=19.8 （MPa）1/2和二氯乙烷的溶度参数δ=19.8（MPa） 1/2相同，但却不能互溶。前者只能溶于环己酮 δ=16.8（MPa）1/2中。 这一现象可用“溶剂化 原则”进行解释。溶剂化作用是溶剂与溶质相接 触时，二者之间产生的分子作用力，此作用力大 于溶质分子的内聚力，从而使溶质分子分离，并 溶于溶剂中。高分子按功能团可分为弱亲电子高 分子、强亲电子高分子、给电子高分子和
在凝胶中的透过性还和其所含溶剂的性质与 含量有关。总之，处于高溶胀状态的凝胶有 较大的平均孔径，有利于分子透过，含水的 孔道有利于可溶于水的物质通过。 凝胶骨架空隙的分子筛作用，使得各种 分子的通过选择性或通过速度受到一定影响。 药物的缓释，控释制剂的制备就是利用了亲 水凝胶的选择性透过和良好的生物相容性特 点。