第十三章流變學

1、十三章 流變學,江蘇大學藥學院,一、概述 二、彈性形變和粘性流動 三、流變性質(zhì) 四、流變學在藥劑中的應用與發(fā)展,概 要,,,,,一、概 述流變學是研究物體變形和流動的科學，1929年美國化學家Bingham和Crawford首先提出流變學概念變形在固體或液體（氣體）中都存在，流動可視為一種非可逆性的變形 物體的二重性：即對外力常表現(xiàn)為彈性和粘性的雙重特性,,二、彈性形變和粘性流動 彈性形變（ela

2、stic deformation）：給固體施加外力時，固體就變形，外力解除時，固體就恢復到原有形狀，這種可逆的形狀變化就是彈性形變 應變：彈性變形時，與原形狀相比變形的比率稱為應變，應變分為常規(guī)應變（延伸應變）和剪切應變。,延伸應變時，S=γE ；剪切應變時，S=γG ； S為應力， ?為應變，E為延伸彈性率，G為剪切剛性率。彈性率大，能夠發(fā)生變形的彈性界限就小，物理性質(zhì)表現(xiàn)為硬度大，有脆性，容易破壞；彈性率小，表示物質(zhì)

3、柔軟有韌性，不宜破壞。 例如：聚苯乙烯塑料E為3.4×1010，明膠E為2.4×106，后者的韌性大，不易破碎。,粘性流動 粘性流動的重要特點是液體內(nèi)部流動的速度是不一樣的。粘性是液體內(nèi)部所存在的阻礙液體流動的摩擦力，就是內(nèi)摩擦 剪切速度反映了流體流動的粘性特征。,,三、流變性質(zhì),(一) 牛頓流動 牛頓粘度法則：剪切速度D與剪切力S成正比，S=F/A=ηD，F(xiàn)為A面積上所施加的力，η稱為粘度系數(shù)，或稱動力

4、粘度，簡稱粘度。流度：η的倒數(shù)，即1/η 運動粘度：液體的粘度η與同溫度的密度ρ之比值η/ρ，再乘以106,牛頓液體 ：服從牛頓定律的液體 牛頓流動 ：牛頓液體的流動形式 牛頓液體的特點：一般為低分子的純液體或稀溶液一定溫度下，牛頓液體的粘度η只是溫度的函數(shù)牛頓液體的粘度隨溫度升高而減小，粘度與溫度的關(guān)系可用Andrade公式表示： η=Aexp（E/RT）

5、 A－常數(shù)，E－流動活化能，R－氣體常數(shù)，T－絕對溫度,流動曲線： 剪切速度D隨剪切力S而變化的曲線流動方程式： 表征流動曲線的數(shù)學方程式,牛頓流體：D=S/η,,(二)非牛頓流動非牛頓液體 ：高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏劑以及固體－液體的混合不均勻體系 分類：塑性流動、假塑性流動、脹性流動、觸變流動,⑴ 塑性流動（plastic flow） 塑性液體的流動方程為：D=（S－S0）/η

6、pl,S0 －屈服值； ηpl －塑性粘度,,特點：屈服值 粘度先小后不變,在制劑中表現(xiàn)為塑性流動的劑型有濃度較高的乳劑和混懸劑 ：氧化鋅在礦物油中的混懸液，藥用硫酸鋇混懸液，糊狀粘土等,塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖,,⑵ 假塑性流動（pseudoplastic flow） 假塑性流動的公式是：D=Sn/ηa,,ηa－表觀粘度；n>1,特點：切變稀化,在制劑中表現(xiàn)為假塑性流動的主要是某些親水性高分子溶液以及微粒分散體系處于

7、絮凝狀態(tài)的液體，比如甲基纖維素、海藻酸鈉等鏈狀高分子的1％水溶液。,假塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖,⑶ 脹性流動（dilatant flow） 脹性流動的流動方程與假塑性流動相同，都是D=Sn/ηa，其中n<1。,,特點：切變稠化,符合脹性流動的制劑主要是含有大量細小固體微粒的高濃度混懸劑，如50％淀粉混懸劑、糊劑等。,脹性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖,⑷ 觸變流動（thixotropic flow） 觸變性：上行線和下行線不重合而是包圍

8、成一定面積的現(xiàn)象 液體的觸變性表現(xiàn)為當我們攪拌普魯卡因、青霉素注射液或某些軟膏時，其粘度下降，易于流動，放置一段時間后又恢復原來的粘度的現(xiàn)象。,,特點：等溫條件下溶膠和凝膠的可逆轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生觸變流動的原因,曲線方程： η=Sn/D 上行線，D較小，η較大 η=S/D 下行線，D較大，η較小 對于同一S值，η沒有完全恢復，產(chǎn)生滯后微觀結(jié)構(gòu)： 對流體施加的剪切力消除后，被破壞了的液體內(nèi)部

9、的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的恢復需要較長的時間，造成上行線和下行線的不重合。,勿與現(xiàn)象混淆,在制劑中，濃的混懸劑、乳劑及某些親水性高分子溶液，在靜止狀態(tài)時形成很牢固的有一定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凝膠，當劇烈震動時使內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，凝膠狀態(tài)變?yōu)榭闪鲃訝顟B(tài)，靜置后又重新恢復凝膠狀態(tài)。 塑性液體、假塑性液體、脹性液體中多數(shù)具有觸變性，它們分別稱為觸變性塑性液體、觸變性假塑性液體、觸變性脹性液體。,上行線、下行線所包圍起來的面積，即滯后面積，是衡量觸變性大小的定量指標

10、 觸變性大小可以用時間觸變性系數(shù)B和拆散觸變性系數(shù)M來表示 B是指在恒定剪切速度下，觸變性液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆散的速率隨時間變化的數(shù)值 B=（ηpl,1－ηpl,2）/（lnt2－lnt1） M是指增加單位剪切速度時單位面積剪切力的減少值 M=2（ηpl,1－ηpl,2）/（lnω2－lnω1）2ηpl為塑性粘度，；t是時間；ω是旋轉(zhuǎn)粘度計的角速度,(三)粘彈性（viscoel

11、asticity）粘彈性：應力緩和（stress relaxation）蠕變性(creep),高分子物質(zhì)或分散體系所具有的粘性（viscosity）和彈性（elasticity）的雙重特性。,物質(zhì)被施加一定的壓力而變形，并使其保持一定應力時，應力隨時間而減少的現(xiàn)象。,對物質(zhì)附加一定的重量時，表現(xiàn)為一定的伸展性或形變，而且隨時間變化，此現(xiàn)象稱為蠕變性。,粘彈性模型彈性模型（彈簧） ＋粘性模型（緩沖器）麥克斯韋爾（Max

12、well）模型：彈簧串聯(lián)緩沖器福格特（Voigt）模型：彈簧并聯(lián)緩沖器雙重粘彈性模型：若干粘彈性模型組合,(四) 流變性質(zhì)的測定方法,,四、流變學在藥劑中的應用與發(fā)展,流變學在藥劑中廣泛應用，特別是在混懸劑、乳劑、膠體溶液和一些軟膏劑、栓劑等半固體制劑中應用更多。(一)流變學在混懸劑中的應用 原則：具有觸變性的助懸劑對混懸劑的穩(wěn)定性十分有利，在同時使用混合助懸劑時應選擇具有塑性和假塑性流動的高分子化合物為佳。

13、 示例：教材P312，圖14-3,(二)流變學在乳劑中的應用 影響乳劑粘性的主要因素是制劑濃度、粒度分布和乳化劑的類型和濃度 稀乳劑表現(xiàn)為牛頓流動，高濃度乳劑表現(xiàn)為塑性流動的特性 乳劑粒徑較大時，在同樣平均粒徑條件下，粒度分布寬的系統(tǒng)比粒度分布窄的系統(tǒng)粘度要低 乳化劑種類也會影響乳劑的流動性，乳化劑粘度越高，制劑粘度越大,(三)流變學在半固體制劑中的應用通過研究半固體制劑基質(zhì)的流變學

14、特性，可以尋找適合的物質(zhì)混合使用，并且以此為依據(jù)調(diào)節(jié)和測定制劑的粘度 在軟膏劑中，常用凡士林作為基質(zhì)，制備時常常加入白蠟、液體石蠟等調(diào)節(jié)，目的就是為了改善凡士林的流變學性質(zhì) 在栓劑中，物料是熔融后加入模具的，并且有的栓劑在進入腔道后如果有適宜的粘度會增加藥物的吸收,(四)流變學在貯庫制劑處方設計中的應用 混懸劑的長效治療作用，與藥物在注射部位形成的球形貯庫的“堅固性”、比表面積和流動性質(zhì)有關(guān) 通針性：與藥物粉末粒子大小、

15、屈服值和滯后曲線的面積有關(guān)，較粗的藥物粉末或它們的絮凝粒子易阻塞針頭，而過細的粉末的混懸液也會因為產(chǎn)生很高的屈服值而堵塞針頭,(五)流變學性質(zhì)對生物利用度的影響藥物的擴散系數(shù)與粘度成反比，說明藥物的溶解速度隨溶媒粘度的增加而減小，這一理論既適合體內(nèi)又適合體外胃粘液中存在高分子量的粘蛋白，其濃度在2％以內(nèi)時呈牛頓流體狀態(tài)，超過這一濃度即顯示非牛頓流體的性質(zhì),(六)流變學的發(fā)展 ⑴ 精神流變學（psychorheology）

16、用流變學參數(shù)對皮膚或粘膜的觸覺進行對比研究的學科人們口腔中的粗糙感、滑潤感、微粒感等就是由于包括粘性、彈性、塑性在內(nèi)的流變學參數(shù)量的不同而感知的軟膏劑的硬度、稠度等皮膚感覺，也是由引起軟膏內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞的剪切力產(chǎn)生的,⑵ 血液流變學（haemorheology）血液流變學就是研究人和動物體內(nèi)血液流動和細胞變形，以及血液與血管、心臟之間相互作用的科學，是生物流變學的一個分支血液流變學的研究對象、內(nèi)容包括血管的流變性、血液的流動性、