第九章 表面活性剂
内 容 提 要
表面活性剂在药物制剂的制备中被广泛应用,
其结构特征是具有亲水性与亲脂性两种基团,
其作用是能显著降低分散系的表面(界面)张
力,因此可用作乳化剂、助悬剂、增溶剂、促
吸收剂、润湿剂、起泡剂与消泡剂、去污剂等,
是药用乳剂、悬浊剂、脂质体等的重要辅料。
本章重点讨论表面活性剂的基本性质(如 CMC
值,HLB值,Krafft点与昙点等)与测定方法
等 。
第一节 表面活性剂分类
一, 表面活性剂 [1~ 3]
纯液体在一定温度有一定的表面张力,是液体的物
理常数。
当在水中加入无机盐或糖类物质时,则水的表面张
力略有升高;
当在水中加入低级脂肪醇、脂肪酸时,则水的表面
张力下降,称此类物质为水的表面活性物质。
当在水中加入油酸钠、十二烷基硫酸钠时,则水的
表面张力能够显著的降低,称此类物质为该溶剂的表
面活性剂 (surfactant)。
表面活性剂分子的结构特征是由具有极性
的亲水基和非极性的亲油基组成,而且两部分
分处两端。因此,表面活性剂具有既亲水又亲
油的两亲性质,但具有两亲性的分子不一定都
是表面活性剂。
二, 表面活性剂的类型 [4~ 6]
表面活性剂分类方法有多种,根据来源可分为天然表
面活性剂与合成表面活性剂;
根据溶解性质可分为水溶性表面活性剂与油溶性表面
活性剂;
根据极性基团的解离性质分为离子型表面活性剂与非
离子型表面活性剂两大类;
再根据离子型表面活性剂所带电荷,又分为阳离子、
阴离子、两性离子表面活性剂。每类中又可根据亲水
或亲油基团分为不同的种类。
常用的表面活性剂分类如下:
( 一 ) 阴离子表面活性剂
1.高级脂肪酸盐 通式,RCOO- M+,如硬脂酸钠, 钙,
镁等 。
2.硫酸盐 通式,ROSO3- M+, 如十二烷基硫酸钠,
十六醇硫酸钠等 。
3.磺酸盐 烷基磺酸盐通式,RSO3- M+, 如二己基琥
珀酸磺酸钠 。
烷基苯基磺酸盐通式,RC6H5SO3- M+, 如十二烷基
苯磺酸钠等 。
4.胆盐 如甘胆酸钠、牛胆磺酸钠等。
( 二 ) 阳离子表面活性剂
1.胺盐型 [RNH3+]X-,[R2NH2+]X-,如氯
苄甲乙胺等 。
2.季铵盐型 [R1R2N+R3R4]X-,如洁尔灭、
新洁尔灭等。
(三)两性离子表面活性剂
1.氨基酸型 RN+ H2CH2CH2COO-
2.磷脂类 磷脂类表面活性剂可用于医药品、营
养品、化妆品、食品中,有广泛的应用前途。
磷脂可用于静注用乳剂与脂质体的制备,具有
更重要的意义。磷脂是天然表面活性剂,含有
磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸等,
将磷脂中主要的分子结构式表示如下:
磷脂酰部分 头基 名称 缩写
磷脂酰胆碱 PC
磷脂酰乙醇胺 PE
磷脂酰色氨酸 PS
磷脂酰甘油 PG
磷脂酸 PA
磷脂酰肌醇 PI
其中, R1与 R2是 C14至 C20羧酸, 有时是不饱和酸 。 油酸和软脂酸是这些
位置上最常见的取代基 。 一般常见的 X取代基是乙醇胺, -O-(CH2)2-NH2
和胆碱, -O-(CH2)2-N+(CH3)3,磷脂酰胆碱也叫卵磷脂 。
3.甜菜碱型 通式,R(CH3)2N+CH2COO-
( 四 ) 非离子型表面活性剂
1.多元醇型
(1) 脱水山梨醇脂肪酸酯类(司盘型,Span) 通式:
该表面活性剂为脂肪酸与山梨醇脱水而环合。其系列品种有
span 20( 脱水山梨醇单月桂酸酯),span 40 (脱水山梨醇单棕
榈酸酯 ); span 60( 脱水山梨醇单硬脂酸酯); span 65( 脱水
山梨醇三硬脂酸酯); span 80 ( 脱水山梨醇单油酸酯); span
85 ( 脱水山梨醇三油酸酯)。
O
OH
OHOH
CH 2 O O C R
(2) 聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯类(吐温型,Tween) 通式:
其系列品种有 Tween 20( 聚氧乙烯脱水山梨醇单月桂酸酯),
Tween 40( 聚氧乙烯脱水山梨醇单棕榈酸酯),Tween 60( 聚
氧乙烯脱水山梨醇单硬脂酸酯),Tween 80( 聚氧乙烯脱水山
梨醇单油酸酯),Tween 85( 聚氧乙烯脱水山梨醇三油酸酯)。
O CH 2 O O C R
O ( C 2 H 4 O ) y H
O ( C 2 H 4 O ) zH
H ( C 2 H 4 O ) x O
2.聚氧乙烯型
(1) 酯型 通式,RCOOCH2(CH2OCH2)nCH2OH是聚氧
乙烯二醇基; n是聚合度;是卖泽 (Myrij)类表面活性
剂, 如聚氧乙烯 40硬脂酸酯 (polyoxyl 40 stearate)。
(2) 醚型 通式,RO(CH2OCH2)nH,是苄泽 (Brij)类表
面活性剂。如 Brij 30与 Brij 35是不同分子量的聚合物
等。
3.聚氧乙烯-聚氧丙烯型
泊洛沙姆, 国外商品名 ( 普朗尼克 pluronic) 美国
NF名 Poloxamer,本品为聚氧乙烯丙烯嵌段共聚物,
其化学结构式为 HO-(C2H4O)a-(CHCH2(CH3)O)b-
(C2H4O)a-H其中 b至少为 15,(C2H4O)a,a为化合物总
量的 10~80% 。
本品有很多种, 从分子量 1000到 7000以上 。 泊洛沙
姆是新型的优良乳化剂, 食品添加剂, 增溶剂, 分散
剂, 高级化妆品辅助剂, 由于其无毒, 无抗原性, 无
致敏性, 无刺激性, 化学性质稳定, 不溶血, 是目前
能应用于静脉注射乳剂的一种合成的乳化剂, 在药物
制剂中得到普遍的重视和广泛的应用 。
泊洛沙姆是各种不同分子量的聚氧乙烯聚氧丙烯的
嵌段共聚物的一系列产品的总称, 但其单体比例可以
调节变化, 理论上可以有无数种此类产品, 目前实际
应用的不下几十种, 其中以 F68( Poloxamer188) 最为
常用 。
泊洛沙姆以聚氧丙烯为亲油基, 聚氧乙烯为亲水基 。
化合物分子量以及分子中环氧乙烷或环氧丙烷含量的
比例不同, 其物理性质也不同 。
4.蔗糖脂肪酸酯
药用蔗糖脂肪酸酯 (sucrose esters,简称 SE)是国内
研制成功的一类非离子型表面活性剂 。
这类化合物由蔗糖分子中一个或数个羟基与脂肪酸
( 硬脂酸, 软脂酸, 棕榈酸等 ) 酯化而成 。 SE是单酯,
双酯及三酯的混合物, 改变其比例, 其亲水性就发生
变化, 同时 HLB值也可在 1~16内范围变化 。 由于 SE分
子中同时存在性质相反的两亲性基团结构, 且保持一
定的均衡性, 因此具有较好的降低表面张力的作用 。
其最大特点是无毒, 无味, 无嗅, 无刺激性, 在体
内能降解成脂肪酸和蔗糖, 兼具营养价值 。 SE已被广
泛用于食品, 日用化学及制糖等工业 。
五 ) 高分子型表面活性剂
这类表面活性剂的相对分子质量往往在数千以上, 有时达数十
万;分子内有极性和非极性部分, 它又可分为非离子型, 阴离子
型, 阳离子型和两性离子型 。
聚氧乙烯聚氧丙烯二醇醚是非离子型:
聚丙烯酸钠是阴离子型,
CHCH 3
CH 2
O (C 3 H 6 O) m ( C 2 H 4 O) n H
O (C 3 H 6 O) m ( C 2 H 4 O) n H
( C H 2 C H ) n
C O O N a
聚 -4-乙烯溴化十二烷基吡啶是阳离子型表面活性剂 。
常用的水溶性高分子化合物, 如蛋白质, 树脂, 海藻
酸钠, 羧甲基纤维素钠, 聚丙烯酰胺, 聚乙二醇等,
都是高分子表面活性剂 。
第二节 表面活性剂的理化性质与生物性

一, 临界胶束浓度
表面活性剂在溶液中超过一定浓度时会从单体
( 单个离子或分子 ) 缔合成为胶态聚合物, 即胶束
( 或称胶团 ) 。 开始形成胶束的浓度称为临界胶束浓
度 (critical micelle concentration) 或称临界胶团浓
度, 用 CMC表示 。 当溶液中形成胶束后溶液的性质如
渗透压, 浓度, 界面张力, 摩尔电导等都存在突变现
象, 如图 9-1[7,8]。
现在认为胶束的大小范围相当窄,每个胶束约含有
50~200个单体。例如十二烷基硫酸钠的胶束量在
12000到 40000之间,胶束量的大小随离子强度的增加
而增大。
图 9-1 胶态电解质溶液 —十二烷基硫酸钠的性质
( 一 ) 胶束的形成, 大小与形状
表面活性剂水溶液的浓度达到 CMC值时,形成胶
束。那么胶束是怎样形成的呢?
在临界胶束浓度时水分子的强大凝聚力把表面活性
剂分子从其周围挤开,迫使表面活性剂分子的亲油基
和亲水基各自互相接近,排列成亲油基在内、亲水基
在外的球形缔合体,即胶束。
因此胶束的形成并不是由于亲油基和水分子间的斥
力或亲油基彼此间的 Vander waals引力所致,而是受
水分子的排挤所致,
通常, 几十到几百个 ( 50~200) 表面活性剂分子形
成一个胶束, 胶束中表面活性剂分子的数目称为聚集
数 ( n) 。 聚集数乘以表面活性剂的相对分子质量得相
对胶束质量 。 胶束是表面活性剂的亚微观聚集体, 是
动态聚集体, 即能迅速分解和重生 。
在胶束形成的过程中,表面活性剂分子的热运动
和胶束外部的亲水基之间的静电排斥都不利于胶束的
形成。所以,增加亲油基、降低温度和加入无机盐都
能使 n增大,CMC值减小。不同类型的表面活性剂所
形成的胶束有不同的形状,如下所述。
1.离子型表面活性剂胶束 Hartley首先发现, 浓度比
临界胶束浓度稍大, 并且无其它添加剂存在时, 胶束
为球状, 见图 9-2a。 表面活性剂的烃链呈混乱状态指
向球心, 亲水基排列在球的表面, 并吸引一些溶液中
带有相反电荷的离子在其周围 。 光散射法对胶束的研
究也证实了大于 CMC值的一定浓度范围内, 胶束呈球
状, 且缔合度不变 。
图 9-2 离子型表面活性剂胶束
Debye根据光散射实验发现, 在浓溶液中, 胶束呈棒
状, 见图 9-2b。 表面活性剂的亲水基指向棒状胶束的
表面, 亲油基指向棒的内部 。 这种胶束使大量表面活
性剂分子的烃链与水的接触面积减小, 具有更高的热
力学稳定性 。 浓度更大时, 棒状胶团聚集成束, 周围
是溶剂, 见图 9-2c。 McBain发现, 浓度再大时, 胶束
合并为层状胶束, 见图 9-2d。 水溶液中若存在无机盐,
即使表面活性剂的浓度不大, 胶束也总是棒状 。
若在表面活性剂浓溶液中加入适量的非极性液体, 则
可形成亲水基指向胶束内, 烃链指向非极性液体的胶
束, 称为反胶束 。
2.非离子型表面活性剂胶束 非离子型表面活性剂的亲
水基多为聚氧乙烯基 (CH2CH2O)n。 该种表面活性剂不
解离成离子, 不同于离子型表面活性剂, 因此形成的
胶束形状也与离子型表面活性剂的胶束形状不同, 聚
氧乙烯基的聚合度较大时, 常温下的胶束呈网状;升
温时, 聚氧乙烯基与水分子之间的氢键被破坏, 发生
失水, 则胶束变为球状 。
浓度大的非离子型表面活性剂水溶液极粘稠。根据对聚
氧乙烯壬基苯基醚 CH3(CH2)7CH2C6H4O(C2H4O)17H浓
溶液的粘弹性的测定,推测胶团互相接近而成网状结
构,如图 9-3a所示,水只存在于胶团间的薄层空间内。
3a 3b
Becher 等 测 定 了 聚 氧 乙 烯 十 二 烷 基 醚
CH3(CH2)10CH2(OCH2CH2O)nH (n=8,12,23) 水溶
液的光散射和粘度等, 研究胶束的形状, 认为分子的
聚集数不同时, 胶束的形状也不同 。 聚集数大于 150
时, 表面活性剂分子纵向排列成圆棒状胶束, 如图 9-
3b所示 。
3.高分子型表面活性剂胶束 一些高分子型表面活性剂,
如聚醚 HO(C2H4O)l(C3H6O)m(C2H4O)nH,其分子很长,
在溶液中卷曲, 聚氧丙烯基成为内核, 聚氧乙烯基指
向表面的胶束 。 如图 9-4所示 。
图 9-4 高分子型表面活性剂胶束 图 9-5 混合胶束
( 实线为在纸的水平面上, 虚线为在纸的垂直面上 )
4.混合胶束 若在胶束溶液中加入碳原子数为 6以上的
高级醇, 则醇分子嵌入胶束的表面活性剂分子之间,
形成如图 9-5所示的混合胶束, 胶束表面的总电荷不变,
只是醇分子嵌入的部位使胶束的表面积扩大 。 因之电
荷密度减小, 同种离子间的斥力也减小, CMC值就增
大 。
由两种离子型表面活性剂所形成的混合胶束也与上述
的胶束相似。
(二)外界条件对临界胶束浓度值的影响
1.温度对 CMC值的影响 离子型表面活性剂在水中的溶
解度有限, 随温度升高而缓慢增大, 一般 CMC值随升
温略增大, 这是因为升温使分子热运动加剧, 不利于
形成胶束 。
非离子型表面活性剂则不然,澄清溶液加热至某
一温度时溶液突然浑浊,表明温度升高使溶解度降低,
CMC值降低。
2.外加电解质对 CMC值的影响 在表面活性剂溶液中加入
强电解质能降低 CMC值, 一般对离子型表面活性剂的
影响尤其显著, 这是因为电解质离子与带相反电荷的
表面活性剂离子之间存在静电作用 。
3.外加有机物对 CMC值的影响 在表面活性剂溶液中加
入醇、酸、胺等有机物,对 CMC值影响比较复杂。一
般长链的极性有机物对表面活性剂的 CMC值的影响显
著。例如醇、酸、胺等化合物随烃链增长,使离子型
表面活性剂的 CMC值减小,而醇类对非离子型表面活
性剂的 CMC值影响恰好相反。
(三)临界胶束浓度的测定
由于表面活性剂的物理性质在临界胶束浓度附近的较
小范围内会发生突变, 所以利用此特性, 可测定 CMC
值 。 测定方法有多种, 下面只介绍二种常用的方法 。
1.表面张力法 表面活性剂水溶液的表面张力开始时随溶
液浓度增大而急剧下降, 当达到 CMC值后, 这种下降
则变得缓慢或不再下降 。 因此, 以表面张力对浓度的
对数作图, 曲线的转折点即为 CMC值, 如图 9-6所示 。
图 9-6 庚基乙二醇十二烷基醚的表面张力与浓度的关系
此法简便, 最常用;可同时作吸附等温线;对表面活
性大或小的表面活性剂, 其测定的灵敏度相近, 而其
它一些方法 ( 如电导法, 渗透压法, 折射法等 ) 的灵
敏度则随 CMC值的增大而下降;不受无机盐的干扰;
对离子型和非离子型表面活性剂都适用 。
当有少量极性有机物杂质 ( 高表面活性的醇, 胺, 酸
等 ) 存在时, 曲线往往在 CMC值附近转折不明显, 并
出现最低点, 因此不易测准 CMC值 。
2.电导法 以表面活性剂溶液的摩尔电导率对浓度或浓
度的平方根作图,准确性以后者为最好,因为浓度低
时是直线,CMC值时摩尔电导率随浓度的平方根变化
很大。曲线的转折点即为 CMC值,如图 9-7所示。
图 9-7 十二烷基磺酸水溶液的电导率与浓度的关系
二, 亲水亲油平衡值 ( HLB)
表面活性剂是由亲水基团和亲油基团所组成,其亲
水性和亲油性的强弱是影响表面活性剂性能的主要因
素。
每一种表面活性剂都有一定的亲水基团具有亲水能
力,并对亲油基团的亲油能力具有一定的平衡关系,
这种关系称亲水亲油平衡值 [9]。 (Hydrophile-
lipophile balance)即 HLB值,是个相对值。
Griffin提出用 HLB值来表示某些非离子表面活性剂的亲水性
的大小。规定不含疏水基团的聚乙二醇 HLB=20,而无亲水基的
石蜡的 HLB=0。 并以下式计算其它非离子表面活性剂的 HLB值。
可以看出, 亲水基重量所占的比例越大时亲水性也愈大 。
也有规定亲油性强的油酸的 HLB值为 1,而亲水性强的油酸钠的
HLB值为 18,由此可以相对地定出其他表面活性剂的 HLB值 。 根
据 HLB值就可以大致估计该表面活性剂的用途 。
HLB= 5
)(
100 ?
?
?
亲水基重量疏水基重量
亲水基重量
非离子型表面活性剂的 HLB值约处于 1~20之间, 离
子型表面活性剂的 HLB值约处于 1~40之间 。 HLB值是
指定数, 它反映的是表面活性剂分子中两种基团的作
用大小和平衡后的相互关系 。 表面活性剂的 HLB值小
则亲油性强, HLB值大, 则亲水性强 。
HLB值大小可以确定乳剂的类型, HLB值小的油溶
性乳化剂可形成 W/O型乳剂; HLB值较大的水溶性乳
化剂可形成 O/W型乳剂, 但 HLB值不能说明乳化能力
的大小 。
混合乳化剂的 HLB值, 对非离子型表面活性剂可按
组 成 乳 化 剂 的 各 成 分 重 量 百 分 比 加 以 计 算 。
HLBA,B = HLBA·A% + HLBB·B%
对于一个已知的或给定的油相, 用不同 HLB值的乳化
剂将其乳化时, 必有一个 HLB值为最适 HLB值, 此时
形成的乳剂最稳定 。
常用表面活性剂的 HLB值如表 9-1。 HLB的测定方法,
参见有关文献 。 [8,9]
化学组成 商品名称 HLB
油酸 1.0
脱水山梨醇三油酸酯 Span 85 1.8
脱水山梨醇硬脂酸酯 Span 65 2.1
脱水山梨醇单油酸酯 Span 80 4.3
脱水山梨醇单硬脂酸酯 Span 60 4.7
聚氧乙烯月桂酸酯 -2 LAE-2 6.1
脱水山梨醇单棕榈酸酯 Span 40 6.7
脱水山梨醇单月桂酸酯 Span 20 8.6
聚氧乙烯油酸酯 -4 OE 4 7.7
聚氧乙烯十二醇醚 -4 MOA 4 9.5
二 [十二烷基 ]二甲基氯化

10.0
十四烷基苯磺酸钠 ABS 11.7
油酸三乙醇胺 FM 12.0
聚氧乙烯壬基苯酚醚 -9 OP-9 13.0
聚氧乙烯十二胺 -5 13.0
聚氧乙烯辛基苯酚醚 -10 TritonX-10(Tx-10) 13.5
聚氧乙烯脱水山梨醇单硬脂酸

Tween 60 14.9
聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯 Tween 80 15.0
十二烷基三甲基氯化铵 DTC 15.0
聚氧乙烯十二烷 -15 15.3
聚氧乙烯脱水山梨醇棕榈酸单

Tween 40 15.6
聚氧乙烯硬脂酸酯 -30 SE 30 16.0
聚氧乙烯硬脂酸酯 -40 SE 40 16.7
聚氧乙烯脱水山梨醇月桂
酸单酯
Tween 20 16.7
聚氧乙烯辛基苯酚醚 -30 Tx-30 17.0
油酸钠 钠皂 18.2
油酸钾 钾皂 20.0
十六烷基乙基吗啉基乙基
硫酸盐
阿特拉斯 G263 25~30
十二烷基硫酸钠 AS 40
[注 ]表中化学名称后的阿拉伯数代表氧乙烯基团数
三,Krafft点与昙点
( 一 ) Krafft点 [10]
对于离子型表面活性剂, 例如十二烷基硫酸钠在水中
的溶解度随温度变化曲线 AKB,如图 9-8。
图 9-8 十二烷基硫酸钠在水中的溶解度与温度关系
可以看出随温度升高,其溶解度在某一温度 K点急
剧升高,转折点 K对应的温度称克拉费特点 (Krafft
point)。
而此点对应的溶解度即为该离子型表面活性剂的临
界胶团浓度(图中虚线对应浓度)。
当溶液中表面活性剂的浓度未超过溶解度时,在区
域 Ⅰ 为溶液状态 AK线以下;当继续加入表面活性剂时,
则有表面活性剂析出,在区域 Ⅱ AKB线以上;此时再
升高温度,体系又成为澄明溶液,KB曲线以下(区域
Ⅲ ),但与 Ⅰ 相不同,相 Ⅲ 是表面活性剂的胶束溶液。
Krafft点是离子型表面活性剂的特征值,Krafft点也
是表面活性剂应用温度的下限,或者说,只有在温度
高于 Krafft点表面活性剂才能更好的发挥作用。
如十二烷基硫酸钠的 Krafft点为 8℃,而十二烷基磺
酸钠的 Krafft点为 70℃,在室温条件下使用,前者作
增溶剂为好,后者的 Krafft点高就不够理想,
( 二 ) 昙点 ( Cloud Point) [11]
非离子型表面活性剂在水溶液中的溶解度随温度升
高 而下降, 使溶 液变浊, 称此 变浊温 度为昙 点
( Cloud point), 亦称浊点 。
昙点是非离子型表面活性剂的特征值 。 此类表面活
性剂的昙点在 70~100℃, 例如吐温 20为 90℃ ;吐温
60为 76℃ ;吐温 80为 93℃ 。 吐温类产生昙点的原因是
温度升高, 聚氧乙烯链与水之间的氢键断裂, 水合能
力下降, 溶解度反而减小, 溶液变浊出现昙点, 冷却
时氢键重新形成, 又澄明 。 在聚氧乙烯链相同时, 碳
氢链越长, 则昙点越低;在碳氢链长相同时, 聚氧乙
烯链越长则昙点越高 。
四、表面活性剂的生物学性质 [12~ 14]
( 一 ) 表面活性剂对药物吸收的影响 [16~ 18]
研究发现表面活性剂的存在可能增进药物的
吸收也可能降低药物的吸收, 取决于多种因素
的影响 。
如果药物被增溶在胶束内, 并可以顺利从
胶束内扩散或胶束本身迅速与胃肠粘膜融合,
则增加吸收, 例如吐温 80明显促进螺内酯的口
服吸收 。
表面活性剂能溶解生物膜脂质, 增加上皮细胞的
通透性, 从而改善吸收,
如十二烷基硫酸钠改进头孢菌素钠, 四环素, 磺胺
脒, 氨基苯磺酸等药物的吸收 。 吐温 80和吐温 85增加
一些难溶性药物的吸收, 则是因其在胃肠中形成高粘
度团块, 降低了胃排空速率 。
但当聚氧乙烯类或纤维素类表面活性剂增加胃液粘
度而阻止药物向粘膜面的扩散时, 则吸收速率随粘度
上升而降低 。
(二)表面活性剂与蛋白质的作用
蛋白质分子结构中氨基酸的羧基在碱性条件下发生
解离而带有负电荷,在酸性条件下则结构中的氨基或
胍基发生解离而带有正电荷。
因此在两种不同带电情况下,分别与阳离子表面活
性剂或阴离子表面活性剂发生电性结合。
此外,表面活性剂还可能破坏蛋白质二维结构中的
盐键、氢键和疏水键,从而使蛋白质各残基之间的交
联作用减弱,螺旋结构变得无序或受到破坏,最终使
蛋白质发生变性。
(三)表面活性剂的毒性
一般而言, 阳离子表面活性剂的毒性最大, 其次是
阴离子表面活性剂, 非离子表面活性剂毒性最小 。 两
性离子表面活性剂的毒性小于阳离子表面活性剂 。
表面活性剂用于静脉给药的毒性大于口服 。 一些表
面活性剂的口服和静脉注射的半数致死量 ( LD50) 见
表 9-2。 其中, 仍以非离子表面活性剂毒性较低, 如供
静脉注射的 Poloxamer188毒性很低, 麻醉小鼠可耐受
静脉注射 10%该溶液 10ml。
表 9-2 一些表面活性剂的半数致死量 LD50( mg/kg小鼠)
品名 口服 静脉注射
苯扎氯铵(洁尔灭) 350 30
氯化十六烷基吡啶 200 30
脂肪酸磺酸钠 1 600~6 500 60~350
蔗糖单脂肪酸酯 20 000 56~78
吐温 20 >25 000 3 750
吐温 80 >25 000 5 800
Poloxamer188 15 000 7 700
聚氧乙烯甲基蓖麻油醚 6 640
阳离子及阴离子表面活性剂不仅毒性较大, 而且还
有较强的溶血作用 。
例如 0.001%十二烷基硫酸钠溶液就有强烈的溶血作
用 。
非离子表面活性剂的溶血作用较轻微, 在聚氧乙烯
基非离子性表面活性剂中, 以吐温类的溶血作用最小,
其顺序为:聚氧乙烯烷基醚 >聚氧乙烯烷芳基醚 >聚氧
乙烯脂肪酸酯 >吐温类;吐温 20>吐温 60>吐温 40>吐温
80。 目前吐温类表面活性剂仍用于某些肌肉注射液中 。
(四)表面活性剂的刺激性
虽然各类表面活性剂都可以用于外用制剂, 但长期应
用或高浓度使用可能出现皮肤或粘膜损害 。 例如季铵
盐类化合物浓度高于 1%即可对皮肤产生损害, 十二烷
基硫酸钠产生损害浓度为 20%以上 。 吐温类对皮肤和
粘膜的刺激性很低, 但一些聚氧乙烯醚类表面活性剂
浓度在 5%以上即产生损害作用 。
第三节 表面活性剂在药物制剂中的应用
表面活性剂的应用, 除一部分具有药理作用
及直接用于消毒, 杀菌, 防腐之外, 常用于油
的乳化, 难溶药物的增溶, 悬浊液的分散与助
悬, 增加药物的稳定性, 促进药物的吸收, 固
体表面的润湿, 起泡与消泡, 去垢等作用, 在
此仅讨论其在药物制剂中的主要作用 。
一, 表面活性剂的乳化作用
( 一 ) 降低界面张力
当水相与油相混合时, 加入表面活性剂 ( 乳化剂 ) 可
降低油水的界面张力, 分散成稳定的乳剂 。 但要根据
所用油及乳剂的类型选择适宜的乳化剂 。
( 二 ) 形成牢固的乳化膜
乳化剂降低油水界面张力的同时被吸附于乳滴的表
面上,并有规律地定向排列形成膜,可阻止乳滴的合
并。在乳滴周围形成的乳化剂膜称为乳化膜。乳化剂
在乳滴表面上排列越整齐,乳化膜就越牢固,乳剂也
就越稳定。乳化膜有三种类型:
1.单分子乳化膜 表面活性剂分子被吸附于乳滴表面,
有规律地定向排列成单分子乳化剂层, 增加乳剂的稳
定性 。 若乳化剂为离子型表面活性剂, 则乳化膜本身
带有电荷, 由于电荷互相排斥, 阻止乳滴合并, 使乳
剂更加稳定 。
2.多分子乳化膜 亲水性高分子化合物类乳化剂, 在乳
剂形成时被吸附于乳滴的表面, 形成多分子乳化剂层,
称多分子乳化膜, 阻止乳滴合并, 也增加分散介质的
粘度, 使乳剂更稳定 。 如阿拉伯胶作乳化剂就能形成
多分子乳化膜 。
3.固体微粒乳化膜 作为乳化剂使用的固体微粒对水
相和油相有不同的亲合力,因而对油、水两相表面张
力有不同程度的降低,在乳化过程中固体微粒被吸附
于乳滴表面,在乳滴表面上排列成固体微粒膜,起阻
止乳滴合并的作用,增加乳剂的稳定性。如硅皂土等
乳化剂。
(三)表面活性剂乳化能力表示法
乳化能力大小通常用乳化剂溶解在液体 ( 有机溶剂
或水 ) 时所能降低该液体的表面张力来衡量, 表示方
法有三种:
1.效率 (efficiency) 将溶剂(水)的表面张力 σ降至
某一定值所需的表面活性剂的浓度,以比较各表面活
性剂的乳化效率,即浓度越小,乳化效率越高。
2.效力 (effestiveness,efficacy) 它是以加入表面活性
剂后使溶剂 ( 水 ) 的表面张力降至的最低值来衡量的,
实际上是以表面活性剂溶液在临界胶团浓度时的表面
张力来表示,即以表面活性剂溶液的 σCMC来比较其效
力, σCMC小则其乳化效力高 。
3.效果 (effects) 是以一定浓度的表面活性剂溶液 ( 通
常为 1g/L), 所能降低的表面张力来表示 。 降低越多,
效果越好 。
二、表面活性剂的润湿作用 [15]
在固/液界面体系中加入表面活性剂后可以降低固
液界面张力,从而降低固体与液体的接触角,对固体
表面起润湿作用。因此,作为润湿剂的表面活性剂,
要求分子中的亲水基和亲油基应该具有适宜平衡,其
HLB值一般在 7~11之间,并应有适宜的溶解度。
三、表面活性剂的增溶作用
表面活性剂在水溶液中达到 CMC值后, 一些水不溶性
或微溶性物质在胶束溶液中的溶解度可显著增加, 形
成透明胶体溶液, 这种作用称为增溶 (solubilization)。
在药剂中, 一些挥发油, 脂溶性维生素, 体激素等许
多难溶性药物常可借此增溶, 形成澄明溶液或提高浓
度 。
( 一 ) 最大增溶浓度 ( MAC)
胶束增溶体系是热力学稳定体系, 也是热力学平衡
体系 。 在 CMC值以上, 随着表面活性剂用量的增加,
胶束数量增加, 增溶量也应增加 。 当表面活性剂用量
固定时, 增溶质达到饱和的浓度即为最大增溶浓度
(maximum additive concentration,MAC)。
例如, 1g十二烷基硫酸钠可增溶 0.262g黄体酮, 1g
吐温 80和吐温 20可分别增溶 0.19g和 0.25g丁香油 。
( 二 ) 表面活性剂增溶作用的应用
1.增溶相图 增溶体系是指溶剂, 增溶剂和增溶质
组成的三元体系, 三元体系的最佳配比常通过实验制
作三元相图来确定 。
图 9-9是薄荷油 -吐温 20-水的三元相图, 两曲线上的
各点均为出现混浊或由浊变清的比例点, 以曲线为分
界限, 表明在两相区 Ⅱ, Ⅳ 内的任一比例均不能制得
澄明溶液;在两相区 Ⅰ, Ⅲ 内任一比例均可制得澄明
溶液, 但只有沿曲线的切线上方区域内的任意配比,
如 A点 ( 代表 7.5%薄荷油, 42.5%吐温 20和 50%水 ),
在加水稀释时才不会出现混浊 。
图 9-9 薄荷油 -吐温 20-水三元相图( 20℃ )
有些增溶剂的增溶能力可因组分的加入顺序不同
而出现差别。一般认为,将增溶质与增溶剂先行混合
要比增溶剂先与水混合的效果好。
另外,在增溶药物时,达到增溶平衡(即维持稳定
的澄明或混浊状态)往往需要较长的时间。在实际应
用中仅用二元相图选择配比,直接在已知浓度的表面
活性剂溶液中加入不同量增溶质至平衡(产生混浊或
沉淀)即可。
2.解离药物的增溶 解离性药物往往因其水溶性, 增溶
的可能性较小, 甚至溶解度降低 。
当解离药物与带有相反电荷的表面活性剂混合时,
在不同配比下可能出现增溶, 形成可溶性复合物或不
溶性复合物等复杂情况 。
一般而言, 表面活性剂的烃链越长, 即疏水性越强,
出现不溶性复合物的可能性越大 。
解离药物与非解离表面活性剂的配伍很少形成不
溶性复合物 。 对弱酸碱性药物 pH值可明显影响药物的
增溶量, 对于弱酸性药物而言, 在偏酸性环境中有较
大的增溶;对于弱碱性药物, 则在偏碱性条件下有更
多的增溶;作为两性离子则在等电点时有最大增溶量 。
3.多组分增溶质的增溶 制剂中存在多种组分时,对主
药的增溶效果取决于各组分与表面活性剂的相互作用,
例如多种组分与主药竞争同一增溶位置而使增溶量减
小;或者某一组分吸附或结合表面活性剂分子造成对
主药的增溶量减小;但某些组分也可扩大胶束体积而
增加对主药的增溶等,如苯甲酸可增加羟苯甲酯在聚
氧乙烯脂肪醇醚溶液中的溶解,而二氯酚则减少其溶
解。
4.抑菌剂的增溶 抑菌剂或其它抗菌药物在表面活性剂
溶液中往往被增溶而降低活性, 在这种情况下必须增
加用量 。 如果在表面活性剂溶液中的溶解度越高, 要
求的抑菌浓度就越大 。 羟苯甲酯和丁酯的抑菌浓度比
甲酯或乙酯低得多, 但是, 在表面活性剂溶液中, 却
需要更高的浓度才能达到相同的抑菌效果, 因为丙酯
和丁酯更容易在胶束中增溶 。
四, 表面活性剂的起泡和消泡作用
泡沫是一层很薄的液膜包围着气体, 是气体分散在
液体中的分散体系 。
如中草药的乙醇或水浸出液含有皂甙, 蛋白质, 树
胶以及其它高分子化合物, 当剧烈搅拌或蒸发浓缩时
可产生稳定的泡沫 。
这些表面活性剂通常有较强的亲水性和较高的 HLB值,
在溶液中可降低溶液的界面张力而使泡沫稳定, 称这
些物质为起泡剂 ( foaming agent) 。
在产生稳定的泡沫情况下,加入一些 HLB值为 1~3的亲
油性较强的表面活性剂,则可与泡沫液层争夺液膜表
面而吸附在泡沫表面上,代替原来的起泡剂,而其本
身并不能形成稳定的液膜,故使泡沫破坏,这种用来
消除泡沫的表面活性剂称为消泡剂( antifoaming
agent)。 少量的辛醇、戊醇、醚类、硅酮等也可起到
消泡作用。
五、表面活性剂的去污作用
去污剂或洗涤剂 ( detergent) 是用于除去污垢的表面
活性剂, HLB值一般为 13~16。 常用的去污剂有油酸钠
和其它脂肪酸的钠盐, 钾盐, 十二烷基硫酸钠或烷基
磺酸钠等阴离子性表面活性剂 。 去污剂的机理较为复
杂, 包括对污物表面的润湿, 分散, 乳化或增溶, 起
泡等多种过程 。
六、表面活性剂的消毒和杀菌作用
大多数阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂都
可用作消毒剂, 少数阴离子表面活性剂也有类似作用,
如甲酚皂, 甲酚磺酸钠等 。
表面活性剂的消毒和杀菌作用可归结于它们与细菌
生物膜蛋白质的强烈相互作用使之变性或破坏 。
这些消毒剂在水中都有比较大的溶解度, 根据使用浓
度, 可分别用于手术前皮肤消毒, 伤口或粘膜消毒,
器械消毒和环境消毒等 。
如苯扎溴铵为一种广谱杀菌剂 。 皮肤消毒, 局部湿敷
和器械消毒分别用 0.5%苯扎溴铵醇溶液, 0.02%苯扎
溴铵水溶液和 0.05%苯扎溴铵水溶液 ( 含 0.5%亚硝酸
钠 ) 。
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第十章 药物微粒分散系的理论基础
内 容 提 要
药物微粒分散系(微乳剂、脂质体、毫微囊、
纳米球等)作为给药系统在体内分布具有一定
的选择性、缓释延效性、减小毒副作用等特点,
成为靶向制剂研究的重要部分,因此引起药学
界的重视。
本章并不是按照药物的分散微粒剂型分别讨论,
而是对微粒分散系具有共性的问题进行讲述。
主要对溶胶、缔合胶体制剂、囊泡与脂质体、
亚微乳、微乳等微粒分散制剂的基本特性与物
理稳定性进行较深入的讨论,并对纳米技术在
微粒分散制剂中的应用作简要介绍。
第一节 微粒分散系的种类
药物微粒分散系包括混悬液 ( Suspension), 溶
胶 ( Sol), 乳剂 ( Emulsion), 多 层 乳 剂
( Multiple emulsion), 亚 微 乳 剂
( Submicronized emulsion), 微 乳 剂
( Microemulsion),
脂质体 ( Liposome), 微囊 ( Microcapsale),
毫微囊 ( Mano capsale), 微球剂 ( Microsphere)
等 。
根据国际纯粹化学和应用化学联合会 (IUPAC)的
规定, 凡直径在 1nm~1000nm范围内的微粒均可
认 为 是 胶 体 给 药 系 统 ( Collid Disperse
System,CDS) 。
近年来胶体给药系统的研究比较活跃,其主要
原因是此类给药系统在体内分布具有一定的选
择性;有缓释并延长药物疗效的作用;提高药
物的生物利用度与疗效;减少副作用与毒性;
减少药物对组织的刺激性;可降低药物使用剂
量与提高药物稳定性等。此类给药系统是靶向
制剂研究的重要部分。
微粒分散药物制剂的研究所遇到的主要问题是
稳定性不好,并且符合注射用辅料较少。
下面只就其基本特征与物理稳定性问题作一简
要介绍。
一、溶胶 [1,2]
溶胶( Sol) 是微多相分散系,亦称为疏
液胶体( Lyophobic collid) 或疏液溶胶
( Lyophobic sol)。 其分散微粒的大小
是在 1nm~100nm范围,具有极大的相表
面能,是热力学不稳定体系。
溶胶的基本特性是具有多相性,高度分
散性和聚结不稳定性。溶胶剂目前在药
典中收载较少。
二、缔合胶体 [3]
缔合胶体( association colloids) 是由表面活
性剂在水溶液中达到临界胶束浓度时产生的胶
束,其大小约在 30~80 ?,它具有溶胶的一些
特性,并呈溶液状态,故亦称缔合胶体溶液。
可分为胶束( O/ W型)与反胶束( W/ O
型)。如十二烷基磺酸钠在水溶液中浓度为
0.232%时,即形成胶束,每个胶束的分子数
约为 125个,总的平均胶束分子量约为 36000。
聚氧乙烯十八碳醇醚
CH3(CH2)17O(CH2CH2O)18H在水溶液中浓度为
0.0134%时,形成胶束,每个胶束的分子数约
为 105个,胶束平均分子量为 11000。
可以说所有表面活性剂在水溶液中达到
一定浓度时,均能形成缔合胶体。而表
面活性剂对药物的增溶作用多是由缔合
胶体增溶。
三、囊泡与脂质体
囊泡 ( Vesicls) 是一种球形或椭圆形的单室或
多室的封闭双层结构,不易变形而且具有渗透
性,类似于生物膜。由具有衣架式(即一个极
性基有两个非极性基尾巴)的表面活性剂在水
溶液中形成的囊泡称为表面活性剂囊泡。
对于单烃链表面活性剂,要求烃链之间有双键、
苯环等。这种具有偶极的部分促进双分子层的
形成。
脂质体( liposomes) [4~8]是囊泡的一种,是将
磷脂分散在水中自然形成双分子层或多层囊泡,
每层均为磷脂分子的双分子层,其厚度约为
4nm~5nm(40 ?~50 ?),囊泡中央和各层之间
被水相隔开,具有类似生物膜结构的双分子囊
泡。
脂质体一般按其大小与结构特性分为小单室脂
质体( Small unilamellarvesicles,SUV) 是具
有脂质双分子层的最小囊泡,直径约为 25nm;
中等单室脂质体 (intermediate-sized
unilamellar vesicles,IUV)是直径在
100nm~1000nm的单室囊泡;多室脂质体
(multilamellar vesicles,MLV)是多层囊泡,直
径在 100nm~1000nm不等,其磷脂双分子层有
五层或更多,大单室脂质体 (large unilamellar
vesicles,LUV)是直径大于 1000nm的单层磷脂
双分子囊泡。
四、亚微乳与微乳
( 一 ) 亚微乳
1.亚微乳 乳剂中分散液滴大小在
100nm~1000nm之间的乳剂称为亚微乳
( submicronized emulson) [9~ 15]。
外观呈乳状,常用粒径可控在
200nm~500nm。 临床应用的静脉滴注脂
肪乳剂就属于亚微乳剂,其中分散油滴
平均在 1μ m,最大为 2 μ m。
2.亚微乳的组成 由油相、水相、乳化剂
和调渗剂组成。
油相多为植物油,如大豆油、芝麻油、
葵花子油、红花油等;乳化剂有大豆卵
磷脂、蛋黄卵磷脂、泊洛沙姆 188(F68)等;
调渗剂有葡萄糖、山梨醇、甘油等。
3.亚微乳的形成理论 亚微乳的形成理论
尚未建立,但对乳化剂在乳剂形成中的
作用已逐渐认识,提出了界面吸附膜学
说,认为乳化剂在降低两相界面张力的
同时,乳化剂被吸附于液滴周围,有规
律地排列在液滴界面形成吸附膜。
界面吸附屏障阻碍液滴合并,使乳剂稳
定。
界面膜的强度与紧密程度直接影响乳剂
的稳定性,而膜的强度与紧密程度主要
决定于乳化剂的结构与用量。乳化剂种
类不同,则界面吸附不同。
亚微乳存在的问题是物理稳定性差,存
在分散相液滴合并变大的趋势,因此静
脉注射脂肪乳剂有效期一般定为 1.5年,
有待进一步提高药物制剂的稳定性。
( 二 ) 微乳 [16~ 20]
1.微乳 乳剂中分散微粒大小介于 50nm~100nm,
透 明 或 半 透 明 液 体 的 乳 剂 称 为 微 乳
( micronized emulsion) 。 可作为一种理想的
新型药物释放体系 。
2.微乳的组成 由油、水、乳化剂和辅助剂四
种组分组成。乳化剂用量较大,约占总量的
20%~30%,至少也要占 10%,同时必须加入
极性有机物作辅助剂,常用的辅助剂是中等链
长的醇类和适宜 HLB值的非离子型表面活性剂,
例如正丁醇、乙二醇、丙二醇、甘油、聚甘油
酯等。
3.微乳的形成机理 微乳从外观看是由
微小粒子而形成的透明或半透明溶液,
是能够自发形成的热力学稳定体系 。 对
其形成有以下两种观点:
( 1) Schulman观点:认为在微乳形成
过程中,表面活性剂可以使油 -水界面张
力下降,加入辅助剂后使界面张力进一
步降低,甚至降为负值,界面张力下降
起着重要作用。此为负表面张力学说。
( 2) Adamson观点:不同意界面张力学
说,他认为是由表面活性剂形成胶束或
胶束膨胀。如同将油增溶于水介质中而
形成微乳。因此 Friberg将微乳视为胶束
或反胶束溶液。
关于微乳的本质与形成机理至今看法还
不一致。但根据实验事实,多数学者认
为微乳是介于亚微乳与胶束溶液之间的
一种分散体系,是它们相互过渡的一种
分散系。
因此也有将微乳称为胶束乳状液。
第二节 药物微粒分散系的性质
微粒分散系的性质包括微粒分散系动力
学性质、光散射性质、电学性质、稳定
性等,这些在物理化学中已有讲述。
本节主要分析讨论与用药安全、体内吸
收、分布、发挥药效有关的性质。
一、药物微粒粒径大小与体内
吸收分布
微粒分散制剂可供静脉、动脉注射,亦可用于
口服、皮下注射或植入,还可供肌肉注射、关
节腔内注射、眼内及鼻腔用药等。
在临床治疗上,静注微粒的大小有严格要求,
80%以上微粒在 1μ m附近,一般不大于 5μ m,
以防止堵塞血管与产生静脉炎;在癌症的化疗
中,将较大微粒进行动脉栓塞,治疗肝癌、肾
癌等,已显示其独特的优点。
微粒粒径大小与体内吸收分布有关:
0.1~0.2μ m的微粒注射在静、动脉,可迅速被
网状内皮系统的巨噬细胞从血流中清除,最终
到达肝脏。枯丕氏细胞的溶酶体中,小于 50
nm的微粒能穿过肝脏内皮,或通过淋巴转运
至脾和骨髓,也可到达肿瘤组织;大于 7μ m
的微粒,静注后可被肺部机械地滤取。
含药微粒一方面可使肿瘤部位血管闭锁,切断
对肿瘤的营养,另一方面可使肿瘤细胞内的药
物浓度较高且持久,而在体循环中的药物浓度
相对较低,因而大大提高疗效,降低毒副作用。
脂质体静脉注射后优先被富含网状内皮系统的
组织,如肝、脾等摄取,利用这一被动靶向性
特点,可使药物或免疫调节剂用于杀灭那些生
长周期与网状内皮系统有关的寄生虫及网状内
皮系统的白细胞时尤为有效。
但含药脂质体静脉注射后被肝、脾、骨、血的
巨噬细胞群吸收所引起的潜在毒性,亦应引起
注意。
人体红血球粒径为 6μ m~7μ m,人肺毛细血管
直径为 2μ m。 但红细胞可以通过,这是由于
红细胞有较大的弹性,可伸展的缘故,一般弹
性小的微粒则不能通过。
二、微粒中药物的渗漏与释放
( 一 ) 微粒中药物的渗漏
微粒分散药物制剂中,药物的渗漏也是
此类制剂的重要质量指标。
有的脂质体在制备时包裹率较高,但放
置时很快渗漏,对药物没有良好的滞留
性,就起不了脂质体药物制剂作用。
因此防止药物渗漏与降低渗漏速度是必
须研究的。
1.影响药物渗漏的因素
( 1) 药物的性质, 如果药物与双分子膜
紧密结合, 则不易渗漏;
( 2) 极性较大的药物分子也不易通过双
分子膜 。 小分子比大分子药物容易通过
双分子膜, 渗漏快, 如蛋白质分子等大
分子基本不能通过双分子膜;
( 3)双分子膜的流动性,在双分子膜中
加入胆固醇分子可以显著地降低双分子
膜的流动性,降低药物的渗漏速度;
( 4) Ca2+离子可使膜的粘性增大, 流动
性减小, 亦可降低渗漏速度;
( 5) 在双分子膜中加入吐温 -80时可显
著地增加药物的渗漏速度;
( 6) 磷脂分子上脂肪酸的不饱和度越大,
膜流动性越大, 药物渗漏速度越快;
( 7) 血液中的高密度脂蛋白 (HDL),血
红蛋白, 磷脂酶等都能破坏双分子膜,
使药物渗漏速度增加, 这是在药物制剂
配伍使用时应当注意的 。
2.微粒分散药物制剂中药物渗漏动力学
药物的渗漏速度在初期阶段符合一级反应动力
学 。 药物制剂在某时间 t渗漏量为 Qt,药物制剂
完全没渗漏所包裹的量 Q0,渗漏速度常数 kR,
其渗漏速度方程为
ln(Q0-Qt)=-kR+lnQ0 (10-1)
Qt=Q0[1-exp(-kRt)] (10-2)
由 (10-1)式可知,以 ln(Q0-Qt)对 t作图成直线,
由直线斜率可求得渗漏速度常数 kR。 这样由
(10-2)式可以计算任意时间 t的渗漏药物量 Qt。
例如对甲氨喋呤 (MTX)脂质体的渗漏速度研究
表明:药物的量与荧光强度 F成正比, 因此可
以荧光强度表示 MTX脂质体渗漏速度方程式 。
测得在 25℃ 下 MTX脂质体在磷酸盐缓冲液
(pH7.2),5%葡萄糖注射液, 0.9%生理盐水注
射液中的渗漏速度方程式如下:
磷酸盐缓冲液 (pH 7.2),Ft=69.49(1-e-0.4851t),
t1/2=1.43h
5%葡萄糖注射液, Ft=37.92(1-e-0.1555t),
t1/2=4.46h
0.9%生理盐水注射液, Ft=35.82(1-e-0.1184t),
t1/2=5.85h
实验结果说明在生理盐水中渗漏速度缓
慢,但在实际临床应用时,也要考虑电
解质对微粒分散药物制剂稳定性的影响,
易促使微粒聚结,因此常常是与葡萄糖
注射液配伍使用。
( 二 ) 微粒中药物的释放机理
微粒分散药物制剂中药物的释放与渗漏
是相关的, 渗漏只是包封在微粒中的药
物由于膜的破裂而渗出, 用于考察放置
过程对药物包裹率降低的影响 。
药物的释放是涉及给药后药物如何在体
内作用部位释放的问题 。 微粒中药物释
放取决于药物在微粒内所处的部位和微
粒载体的性质 。 药物既有完全包封在微
粒中的 ;也有被微粒表面吸附的;还有在
浅表层和孔隙内的药物 。 不同部位的药
物释放速度不同, 如图 10-1。
图 10-1 药物在微粒中所处部位示意图
1.药物在微粒上所处部位与药物释放之
间的关系
( 1) 微粒表面吸附的药物释放:通过药
物溶解或脱吸附释放, 释放速度取决于
药物在释放介质中的溶解度, 药物在微
粒中所处的物理状态, 药物与微粒的亲
和力 。
若药物释放速度符合零级动力学方程式
Q0-Qt=Q0-kt (10-3)
式中,Q0——微粒中初始药物量; Qt——药物
释放量; k——药物释放速度常数; t——释放
时间。
若药物释放速度符合一级反应动力学, 方程则
为,
ln(Q0-Qt)=lnQ0-kt
或 Qt=Q0(1-e-kt) (10-4)
即药物从微粒中释放量随时间变化是递减函数
关系 。
( 2) 浅表层和孔隙内药物, 释放时要受
扩散控制, 符合 Higuchi方程式 。
( 3) 深层部位药物, 亦是要通过扩散释
放药物, 因此也符合 Higuchi方程式, 即
为:
Q0-Qt=Q0-kt1/2 (10-5)
即微粒中药物含量随时间的开方而成比
例地减少。
2.乳剂中药物的释放
当药物在油相中存在时, 受扩散控制,
其释放速度方程为:
( 10-6)
式中, Qt——任一时间 t时药物释放量;
r0——油滴的半径; ρ ——粒子 (油滴 )的
密度; D——扩散系数; Δ C——油滴表
面与溶液间的药物浓度差 。
CDCtDrQ t ???? 2120 )2(4 ??
若药物在 W/O型乳剂的外侧油相和内侧
水滴中为均一的分散体系, 乳剂中药物
释放, 基于扩散机制, 则依据二元扩散
模式, 水相中药物浓度的消失速度是药
物释放的控制步骤, 此速度方程为:
( 10-7)
式中, C0——水相中药物的初浓度; k—
—水相中药物消失速度常数 。
]e x p [0 ktkCdtdc ???
( 10-8)
式中, A——水滴的总表面积; D——药
物的扩散系数; P——药物在油水相的分
配系数; V——水相的体积; L——油相
厚度 。 由 (10-10)式可以看出分配系数大,
微粒粒径小, 则药物的消失速度常数大,
释放速度快 。
药物从微粒分散制剂中的释放速度方程
式, 由于微粒的组成与药物所处的部位
以及药物, 载体的性质不同, 必须根据
实验来确定, 尚不能用统一的某一方程
式概括 。
VLPADk ?
第三节 微粒分散系的稳定性
微粒分散药物制剂的稳定性应当包括以下几个
方面:
1,药物制剂的化学稳定性 (如主药与辅料的化
学稳定性等 );
2,药物制剂的物理稳定性 (如微粒粒径变化,
絮凝, 聚结, 乳析, 分层等 );
3,生物活性稳定性 (如药理生物活性, 过敏性,
溶血等 );
4,疗效稳定性 (如疗效是否随贮存而变化等 );
5.毒性稳定性 (如急毒、慢毒是否随放置变化
等 )。
本文重点讨论微粒分散系的物理稳定性
及其影响因素及提高稳定性的方法,因
为稳定性差是此类制剂难以广泛应用的
主要障碍之一。
一、微粒分散系的物理稳定性
[21]
微粒分散制剂是属于胶体分散系给药系
统,其稳定性主要是指某些性质的变化,
如微粒的大小、分散相的浓度、粘度、
ζ 电位变化等,可以用热力学稳定性、
动力稳定性、聚集稳定性来表征。
( 一 ) 热力学稳定性
微粒分散系是热力学不稳定体系, 具有巨大表面
的开放体系 。 根据热力学理论, 体系的 Gibbs自由
能 G是 T,P,ni,A,的函数 。 其微小变化为:
dG=-SdT+Vdp+∑μidni+σdA (10-9)
若在恒温, 恒压和恒 ζ条件下, 则
dG=∑μidni+σdA (10-10)
当体系组成一定时, dn=0,则得
dG=ζdA (10-11)
积分得,ΔG=σΔA (10-12)
ΔA是制备微粒分散系时体系表面积的改变值。
当 ζ为正值时,ΔG则增大,具有表面过剩自由
能。由最小能量原理可知,体系有从高能量自
动地向低能量变化的趋势,小粒子自动地聚集
成大粒子,使体系表面积减小,因此是热力学
不稳定体系。
当 ζ≤0时,是热力学稳定体系,故制备此类分
散系时均需加入稳定剂 (表面活性剂或某些电解
质离子 )吸附在微粒表面上,使 ζ降低,体系就
具有一定的稳定性。当在乳剂中加入高级醇类,
使 ζ≤0,就成为热力学上稳定的微乳剂。
1980年已制得热力学稳定的氢氧化铝溶胶,说
明制备热力学稳定的微粒分散系是可能的。
( 二 ) 动力稳定性
微粒分散系的动力稳定性是指在重力场
或离心场的作用下,微粒从分散介质中
析离的程度。
微粒分散系之所以具有一定的动力稳定
性是由于微粒的 Brown运动。是分散介
质中分子对微粒碰撞的结果,微粒在介
质分子的包围之中,介质的分子处于热
运动状态,从各个不同角度碰撞微粒,
使微粒向各个方向发生位移,而不停地
无秩序运动的结果。
当微粒的半径大于 1μm后, 微粒的平均位
移只有 0.656μm/s,已不显著, 在分散介
质中受重力场作用而匀速运动, 此时应
按 Stoke′s定律, 其沉降或上浮的速度 u以
下式表示:
(10-13)
式中,a——微粒的半径; g——重力加
速度; η——分散介质的粘度; ρ和 ρ0—
—微粒和分散介质的密度。
?
??
9
)(2 02 gau ??
当微粒半径 a>1μm后,则微粒就要沉降
或上浮,动力稳定性较差。因此为了减
小微粒沉降或上浮的速度,则通过增加
分散介质的粘度,加入增稠剂,调节微
粒与分散介质的密度差,使 ρ≈ρ0。 这样
可提高此微粒分散制剂的稳定性。
但最主要的是减小微粒的半径,当微粒
半径 a从 10μm减小为 1μm时,其沉降速
度从 4.36× 102μm/s降低为 4.36μm/s,相
差 100倍。
( 三 ) 聚集稳定性
微粒分散制剂的聚集稳定性是指体系的
分散度是否随时间变化而言的,如微小
粒子聚集形成新的大粒子并且不再分散,
则体系粒子数目减少,分散度降低,聚
集稳定性差。若微小粒子长期地不聚集,
则聚集稳定性高。
二,DLVO理论
( 一 ) 微粒间的相互作用
微粒间存在的作用力一般有以下五种:
( 1)范德华引力或电磁引力;( 2)静
电斥力;( 3) Born力 -短距离斥力;( 4)
空间力 -依赖于微粒界面上的分子的几何
形状和空间结构;( 5)溶剂化力 -这是
由于邻近粒子间吸附的溶剂量改变而引
起的作用力。
Derjaguin-Landau和 Verwey-Overbeek
四人以微粒间的相互吸引和相互排斥力
为基础,提出 DLVO理论,它能够比较完
善地解释电解质对微粒多相分散系稳定
性的影响。以下主要讨论粒子间的吸引
力和排斥力的计算。
1.两个球形粒子间的引力 -范德华引力
任何两个粒子之间都存在范德华引力, 它是多
个分子的色散力, 极性力和诱导偶极力之和,
其大小与粒子间距离的六次方成反比, 称为六
次律 。 对于两个体积相等的球形粒子, 若两球
表面间距离 H0比粒子半径 a小得多, 如图 10-2,
可近似得到两粒子间的引力势能:
( 10-14)
式中,A——Hamaker常数,与粒子性质(如单
位体积内的原子数、极化率等)有关,其数值
在 10-19~10-20J之间。
012 H
aAV
A ???
图 10-2 微粒间引力
( 10-14)式只适用于近距离的球形粒子
之间的吸引力,是在真空条件下推导得
到的,并未考虑溶剂的影响。
2.微粒间的排斥力
微粒有一定的聚集稳定性是由于微粒荷
电,具有静电斥力。静电斥力是由于微
粒荷电,在微粒表面形成双电层。 1947
年 Grahame进一步发展了 Stern双电层理
论。提出内、外 Helmholtz层,外
Helmholtz层由水化离子构成,并属于扩
散双电层范围。在此基础上 Bockris又提
出新的双电层结构,如图 10-11。
图 10-3 Bockris双电层结构图
1.胶体颗粒表面 (若系金属,则 ε=∝ ); 2,Stern层 ; 3,内 Helmholtz面 (IHP);
4,外 Helmholtz面 (OHP),亦系滑动面 ; 5,溶剂化 (或水化 )阳离子 ;
6,特性吸附的阴离子 ; 7,第一水层 (ε =6); 8,第二水层 (ε =32)
微粒间的静电斥力势能:若两球形粒子面之间
距离为 H,半径为 a,两球形粒子面的最短距离
为 H0,其微粒子间的斥力势能 VR为:
(10-15)
如果是低电势,
式中,Z——离子价数; e——电荷单位; ?0—
—微粒表面电势; kB——波兹曼常数; T——
热力学温度; n0——溶液中电解质浓度; κ —
—离子氛半径的倒数; ε ——介电常数; NA—
—阿佛加德罗常数。
)ex p (
64
0
2
0 HTkanV B
R ??
?? ??
Tk
Ze
B4
0?? ?
(10-17)式可以简化为:
(10-16)
这表明两球形微粒之间的相斥势能随 ?0
和 a的增加而升高,随 H0增加以指数形式
减少。
)e x p (21 020 HaV R ??? ???
( 二 ) 微粒间的势能曲线
微粒间的势能为吸引势能与相斥势能之
和, 若令总势能为 V,则
V = VA +VR (10-17)
如果微粒均为球形, 可将式 ( 10-15) 和
( 10-16) 代入 ( 10-17)
( 10-18)
以 V对 H作图,得到图 10-4,称为势能曲
线。
)e x p (6412 2
2
0 HTkan
H
aAV B ?
?
?? ?????
图 10-4 总势能曲线图
如图所示,VA只在很短距离内起作用,VR的作
用距离稍远些。当粒子逐渐接近时,首先起作
用的是相斥势能,如果粒子能克服 VR并作进一
步靠拢,直到某一距离时 VA才起作用,随后粒
子愈接近,VA的影响愈显著。势能曲线形状决
定于 VA 与 VR 的相对大小。
V(1)是斥力大于引力的势能曲线,有一最高点,
叫做斥力势垒,只有粒子的动能超过这一点时
才能聚沉,所以势垒的高低往往标志着微粒分
散系稳定性的大小。
V(2)曲线上没有势垒,表示在任何距离下斥力
都不能克服粒子之间的引力,因此会相互聚集,
最终产生沉淀。
DLVO理论可以定量说明电解质使溶胶发
生聚沉的价数规则,但对高分子聚合物
和非离子型表面活性剂的稳定作用不能
解释。
三、空间稳定理论
在微粒分散系中加入一定量的高分子化合物或
缔合胶体, 可显著提高体系的稳定性, 这种现
象称为高分子的保护作用, 近年来又称为空间
稳定性 ( steric stability) 。
由于 Hesselink,Vrij和 Overbeek所做的工作较
多,故称为 HVO理论。它是由于吸附高分子化
合物,在胶体粒子周围形成一薄层而稳定的。
而 DLVO理论是由于分散相粒子吸附了一层电
解质离子,产生静电斥力而稳定的。这些理论
与实验有较好的一致性,因此得到普遍认可 。
( 一 ) 高分子化合物在微粒表面的吸附
1.高分子溶液的特征
( 1) 高分子溶液中高分子在固体表面上的吸
附为多点吸附, 不易解吸;
( 2) 吸附达到平衡所需时间较长, 这是因为
微粒表面为多孔状, 而且高分子在固 /液界面上
可以有许多构型 。 分子量越大, 平衡时间越长;
( 3)高分子化合物的分子大小不一样,是多
级的,其吸附与多组分吸附相似,吸附时会发
生分级效应;
( 4)高分子溶液中的吸附,随温度升高而增
加,与低分子溶液的吸附不同。
2.高分子聚合物在固体微粒表面上的吸附构型
高分子在溶液中具有一定的挠曲性和一定数量
的活性基团,这些活性基团能吸附在固体微粒
表面上而使吸附的高分子具有一定形状。
其吸附的高分子构型取决于固体微粒和高分子
聚合物的性质以及它们之间的相互作用。如固
体微粒表面吸附点的数目、高分子聚合物的链
长与活性基团的数目和位置、高分子聚合物在
溶剂中的溶解度等都是影响其吸附构型的重要
因素。
这样可将吸附高分子聚合物的构型分成六种形
式,如图 10-5。
图 10-5 吸附高分子的构型
构型 a( 尾式吸附 ) 高分子以一端吸附在
固体微粒表面上, 亦称尾式吸附, 而其
余部分都伸展到溶液中形成一端吸附 。
构型 b( 环状吸附 ) 高分子链以二个或三
个活性基团吸附在固体微粒表面上, 则
形成环状吸附 。
构型 c( 平面多点吸附)高分子的所有活
性基都吸附在固体微粒表面,使整个分
子平躺在上面,则形成平面多活性基吸
附。
构型 d( 球状吸附 ) 当高分子聚合物分子量较
大, 或者它在溶剂中的溶解性较差时, 高分子
在溶液中往往是球形线团状, 而线团状的分子
仅以最小活性点吸附在固体微粒表面上形成球
状吸附 。 分子保持在溶液中的形状 。
构型 e( 链节分布吸附 ) 当高分子在固体微粒
表面吸附时, 高分子链节的密度随距固体微粒
表面距离而有一定分布 。 在固体微粒表面上链
节密度最大, 随着与固体微粒表面距离的增大
而减少 。
构型 f( 多层吸附 ) 当高分子在固体微粒表面吸
附后, 继续在吸附高分子上吸附, 则形成多层
吸附 。
实际上高分子化合物吸附比较复杂,而
且往往以几种吸附构型的混合形式出现,
主要为尾式、环式、卧式三种形式。
( 二 ) 高分子化合物的稳定作用
高分子化合物对微粒分散系的稳定作用主要体
现在以下几方面:高分子吸附层存在, 产生一
种新的斥力势能 ─ 空间斥力势能 ( Steric
Repulsive Energy); 高分子的存在减小微粒间
的 Hamaker常数, 因而也就减少了范德华引力
势能;带电高分子被吸附会增加微粒间的静电
斥力势能 。
总的势能 VT:
VT= VA + VR + VS ( 10-19)
式中,VA——吸引势能,VR——静电斥力势能,
VS——空间斥力势能。
1.空间斥力势能 VS
当两个带有高分子吸附层的微粒靠拢到
吸附层相互接触后,会出现以下情况,如
图 10-6。
图 10-6 吸附层被压缩
微粒吸附的高分子为刚棒状, 在相互作用区内,
吸附层被压缩而不能发生相互渗透 。 高分子伸
展受限制, 混乱度降低 (ΔS<0)而产生熵斥力势
能;
吸附高分子是弹性体时,则由于被压缩而产生
弹性斥力势能 VSE,当二粒子靠近到其距离小
于二倍体吸附层的厚度时,则吸附层受到压缩
形成一种弹性斥力势能 VSE;
若微粒吸附的高分子相互渗透, 两个粒
子吸附层的重叠区出现吸附高分子浓度
增大, 这样使重叠区出现过剩化学势,
与之相应的过剩渗透压产生的渗透斥力
势能 VS0构成空间斥力势能的一部分, 而
使微粒处于稳定状态;
当两个带高分子吸附层的粒子相互靠近
到其吸附层发生重叠时,在其重叠区的
高分子浓度将增加,相当于溶液浓缩过
程,有热焓变化 ΔH>0,因此产生焓斥力
势能 VSH。
空间斥力势能是由四部分组成 。
( 10-20)
式中, ——熵效应; ——弹性效应; —
—渗透效应; ——焓效应 。
HSOSESeSS VVVVV ????
2.吸附层的吸引势能
当二个粒子吸附高分子, 具有厚度为 δ的均匀
吸附层时, 它们之间的吸引势能为:
( 10-21)
式中,A——哈梅克常数;下标数字 0,1,3分
别表示溶剂、粒子、高分子。 A130 ——粒子与
溶剂被高分子分隔开时的哈梅克常数,Aeff —
—有效哈梅克常数。 H——粒子表面间距离;
δ——吸附高分子层的厚度。
? ? ? ? 2213121302303 122212 1 HAH AH AHAV e f fA ???? ???????? ??????
四、空缺稳定理论
1975年 B,Vincent等人首先发现自由聚合物对
胶体的稳定作用,它们并不吸附于微粒表面,
微粒表面上高分子的浓度低于体相溶液的浓度
是负吸附,在表面上形成一种空缺的表面层,
这种体系的高分子浓度达到一定程度以后,可
以起到稳定胶体的作用。
在微粒界面间的空间存在着自由高分子。微粒
相互靠近时,具有一定扩散能力的高分子从微
粒间的间隙中被挤走,致使在二个微粒间隙区
域内只有溶剂分子,而没有高分子,称为空缺
作用 (Depletion)。 在微粒之间存在斥力势能,
称此为空缺稳定 。
微粒分散系物理稳定理论研究,目前根
据稳定剂作用性质形成三种理论,其区
别如表 10-1。
表 10-1 微粒分散体系三种稳定理论
DLVO理论 空间稳定理论 空缺稳定理论
1.稳定剂性质 电解质 高分子化合物 高分子化合物
2.吸附性质 正吸附 正吸附 负吸附
3.稳定的本质 热力学亚稳定 热力学稳定 热力学亚稳定
4.微粒间相互
作用
长程范德华引力
VA
与扩散双电层
静电斥力
空间斥力势能 Vs
VS=VSe +VSE
+VSO +V
长程范德华力 VA
空缺层重叠产生
渗透吸附能及
△ G增大的斥力势

五、微粒分散系的凝结动力学
当微粒分散系中微粒表面的动电势 ζ 在临界电
势以下或接近为零时,微粒间相互作用时不存
在排斥势垒,VR=0,这时表现为快速凝结。
假设粒子是球形,并在粒子周围有引力场存在,
当第二个粒子进入引力场时,两个粒子就凝结
在一起。其特点是:微粒每一次碰撞都导致凝
结。图 10-6为粒子碰撞示意图。
r
2
2R
1R
图 10-7 微粒的碰撞
2
2
如果把两个粒子的碰撞过程看作类似双
分子反应过程, 并按二级反应动力学进
行处理, 对时间从 0~ t,相应粒子数从
n0~ nt积分, 则得:
式中,kr——快速凝结速度常数; n0——
初始时单位体积的粒子数; nt——t时间
单位体积的粒子数。
2
0nk
dt
dn
V r??? ( 10 - 22 )
tk
nn
r
t
??
0
11
*六、微粒分散系稳定性研究
方法
对微粒分散系的稳定性研究, 一般是以
分散系中微粒的大小及分布, 微粒分散
系的光学性质, 微粒荷电性质, 微粒系
统的流变性等变化为依据, 主要采取的
研究方法有浊度法, 光散射法, 漫反射
光谱法, 电导法, 动电位法, 沉降法,
离心沉降法直接测定微粒粒径大小变化,
有纳米微粒检测仪 NICOMP380,激光电
泳仪 ILS–380等, 详细参考文献 [22]。
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