第十三章流變學(xué)

1、十三章 流變學(xué),江蘇大學(xué)藥學(xué)院,一、概述 二、彈性形變和粘性流動(dòng) 三、流變性質(zhì) 四、流變學(xué)在藥劑中的應(yīng)用與發(fā)展,概 要,,,,,一、概 述流變學(xué)是研究物體變形和流動(dòng)的科學(xué)，1929年美國(guó)化學(xué)家Bingham和Crawford首先提出流變學(xué)概念變形在固體或液體（氣體）中都存在，流動(dòng)可視為一種非可逆性的變形 物體的二重性：即對(duì)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(dòng) 彈性形變（ela

2、stic deformation）：給固體施加外力時(shí)，固體就變形，外力解除時(shí)，固體就恢復(fù)到原有形狀，這種可逆的形狀變化就是彈性形變 應(yīng)變：彈性變形時(shí)，與原形狀相比變形的比率稱(chēng)為應(yīng)變，應(yīng)變分為常規(guī)應(yīng)變（延伸應(yīng)變）和剪切應(yīng)變。,延伸應(yīng)變時(shí)，S=γE ；剪切應(yīng)變時(shí)，S=γG ； S為應(yīng)力， ?為應(yīng)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(dòng) 粘性流動(dòng)的重要特點(diǎn)是液體內(nèi)部流動(dòng)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(dòng)的摩擦力，就是內(nèi)摩擦 剪切速度反映了流體流動(dòng)的粘性特征。,,三、流變性質(zhì),(一) 牛頓流動(dòng) 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(chēng)為粘度系數(shù)，或稱(chēng)動(dòng)力

4、粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度。流度：η的倒數(shù)，即1/η 運(yùn)動(dòng)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(dòng) ：牛頓液體的流動(dòng)形式 牛頓液體的特點(diǎn)：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(dòng)活化能，R－氣體常數(shù)，T－絕對(duì)溫度,流動(dòng)曲線： 剪切速度D隨剪切力S而變化的曲線流動(dòng)方程式： 表征流動(dòng)曲線的數(shù)學(xué)方程式,牛頓流體：D=S/η,,(二)非牛頓流動(dòng)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(lèi)：塑性流動(dòng)、假塑性流動(dòng)、脹性流動(dòng)、觸變流動(dòng),⑴ 塑性流動(dòng)（plastic flow） 塑性液體的流動(dòng)方程為：D=（S－S0）/η

6、pl,S0 －屈服值； ηpl －塑性粘度,,特點(diǎn)：屈服值 粘度先小后不變,在制劑中表現(xiàn)為塑性流動(dòng)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(dòng)（pseudoplastic flow） 假塑性流動(dòng)的公式是：D=Sn/ηa,,ηa－表觀粘度；n>1,特點(diǎn)：切變稀化,在制劑中表現(xiàn)為假塑性流動(dòng)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(dòng)（dilatant flow） 脹性流動(dòng)的流動(dòng)方程與假塑性流動(dòng)相同，都是D=Sn/ηa，其中n<1。,,特點(diǎn)：切變稠化,符合脹性流動(dòng)的制劑主要是含有大量細(xì)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(dòng)（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(dāng)我們攪拌普魯卡因、青霉素注射液或某些軟膏時(shí)，其粘度下降，易于流動(dòng)，放置一段時(shí)間后又恢復(fù)原來(lái)的粘度的現(xiàn)象。,,特點(diǎn)：等溫條件下溶膠和凝膠的可逆轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生觸變流動(dòng)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(duì)于同一S值，η沒(méi)有完全恢復(fù)，產(chǎn)生滯后微觀結(jié)構(gòu)： 對(duì)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(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)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?fàn)顟B(tài)時(shí)形成很牢固的有一定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凝膠，當(dāng)劇烈震動(dòng)時(shí)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，凝膠狀態(tài)變?yōu)榭闪鲃?dòng)狀態(tài)，靜置后又重新恢復(fù)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(chēng)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(lái)的面積，即滯后面積，是衡量觸變性大小的定量指標(biāo)

10、 觸變性大小可以用時(shí)間觸變性系數(shù)B和拆散觸變性系數(shù)M來(lái)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(shí)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(shí)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(shí)間；ω是旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的角速度,(三)粘彈性（viscoel

11、asticity）粘彈性：應(yīng)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(yīng)力時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間而減少的現(xiàn)象。,對(duì)物質(zhì)附加一定的重量時(shí)，表現(xiàn)為一定的伸展性或形變，而且隨時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱(chēng)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(cè)定方法,,四、流變學(xué)在藥劑中的應(yīng)用與發(fā)展,流變學(xué)在藥劑中廣泛應(yīng)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(yīng)用更多。(一)流變學(xué)在混懸劑中的應(yīng)用 原則：具有觸變性的助懸劑對(duì)混懸劑的穩(wěn)定性十分有利，在同時(shí)使用混合助懸劑時(shí)應(yīng)選擇具有塑性和假塑性流動(dòng)的高分子化合物為佳。

13、 示例：教材P312，圖14-3,(二)流變學(xué)在乳劑中的應(yīng)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(lèi)型和濃度 稀乳劑表現(xiàn)為牛頓流動(dòng)，高濃度乳劑表現(xiàn)為塑性流動(dòng)的特性 乳劑粒徑較大時(shí)，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(lèi)也會(huì)影響乳劑的流動(dòng)性，乳化劑粘度越高，制劑粘度越大,(三)流變學(xué)在半固體制劑中的應(yīng)用通過(guò)研究半固體制劑基質(zhì)的流變學(xué)

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(cè)定制劑的粘度 在軟膏劑中，常用凡士林作為基質(zhì)，制備時(shí)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(xué)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(jìn)入腔道后如果有適宜的粘度會(huì)增加藥物的吸收,(四)流變學(xué)在貯庫(kù)制劑處方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 混懸劑的長(zhǎng)效治療作用，與藥物在注射部位形成的球形貯庫(kù)的“堅(jiān)固性”、比表面積和流動(dòng)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(guò)細(xì)的粉末的混懸液也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生很高的屈服值而堵塞針頭,(五)流變學(xué)性質(zhì)對(duì)生物利用度的影響藥物的擴(kuò)散系數(shù)與粘度成反比，說(shuō)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?xún)?nèi)時(shí)呈牛頓流體狀態(tài)，超過(guò)這一濃度即顯示非牛頓流體的性質(zhì),(六)流變學(xué)的發(fā)展 ⑴ 精神流變學(xué)（psychorheology）

16、用流變學(xué)參數(shù)對(duì)皮膚或粘膜的觸覺(jué)進(jìn)行對(duì)比研究的學(xué)科人們口腔中的粗糙感、滑潤(rùn)感、微粒感等就是由于包括粘性、彈性、塑性在內(nèi)的流變學(xué)參數(shù)量的不同而感知的軟膏劑的硬度、稠度等皮膚感覺(jué)，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(xué)（haemorheology）血液流變學(xué)就是研究人和動(dòng)物體內(nèi)血液流動(dòng)和細(xì)胞變形，以及血液與血管、心臟之間相互作用的科學(xué)，是生物流變學(xué)的一個(gè)分支血液流變學(xué)的研究對(duì)象、內(nèi)容包括血管的流變性、血液的流動(dòng)性、