Розчини високомолекулярних сполук (стр. 3 из 9)
1.6 В'язкість розчинів ВМС
По характері в’язкої течії рідинні дисперсні системи поділяються на дві груп:
1) безструктурні системи, частки яких більш-менш вільні і майже не взаємодіють один з одним (розчини низькомолекулярних речовин, розведені емульсії, суспензії і золі);
2) структуровані системи – містять частки, взаємодіючі один з одним і з дисперсійним середовищем (розчини ВМС, концентровані емульсії і суспензії).
Системи першої групи підкоряються законам Пуазейля і Ньютона: кількість рідини, що протікає через капіляр в одиницю часу, змінюється прямо пропорційно тиску, а коефіцієнт в'язкості є величиною постійної і не залежить від градієнта чи швидкості тиску, прикладеного до капілярного віскозиметра.
Структуровані системи не підкоряються законам Пуазейля і Ньютона. Обчислена по відповідному рівнянню в'язкість таких систем має перемінне значення і є функцією градієнта швидкості. У таких систем чим вище тиск, під яким відбувається витікання рідини по капілярі, тим більше швидкість витікання, тобто тим нижче величина в'язкості, знайдена досвідченим шляхом. При розгляді поводження структурованих систем мова йде про удавану, чи ефективну в'язкість nудав, тому що в'язкість рідини від швидкості витікання не залежить. Аномальна в’язка течія рідких систем другої групи обумовлено виникненням у їхньому об’ємі внутрішніх структур.
Найбільш сприятливі умови для утворення таких структур спостерігається в розчинах ВМС, тому що в більшості випадків макромолекули ВМС мають лінійну будову, причому довжина їх набагато перевищує розміри в інших напрямках. Навіть при невеликій концентрації розчину під впливом межмолекулярных сил макрочастки неміцно зчіплюються і переплітаються одина з одною, утворюючи просторову молекулярну сітку-каркас, що перешкоджає витіканню розчину по капіляру віскозиметра. З підвищенням тиску пухкий молекулярний каркас руйнується, нитки макромолекул розпрямляються й орієнтуються своєю довгою віссю в напрямку потоку, у результаті чого знижується гідродинамічний опір і збільшується швидкість витікання розчину. Обчислена по рівнянню Ньютона чи Пуазейля в'язкість падає зі збільшенням прикладеного тиску доти, поки не відбудеться досить повна орієнтація часток. При подальшому підвищенні тиску швидкість витікання в деякому інтервалі значень градієнта швидкості не змінюється, а потім починає зростати внаслідок переходу ламінарного витікання рідини в турбулентне.
Аналогічна залежність в'язкості від швидкості плину спостерігається в концентрованих емульсій і суспензій. Крапельки дисперсної фази в емульсіях зі зростанням прикладеного тиску і збільшенням швидкості витікання подовжуються, перетворюючи з кульок в еліпсоїди. Це полегшує витікання і веде до зниження в'язкості.
Розглянемо вплив концентрації на в'язкість безструктурних і структурованих систем. Для безструктурних систем залежність в'язкості від концентрації виражається рівнянням А. Эйнштейна:
де
η – в’язкість розчину
η0 – в’язкість розчинника
φ – концентрація речовини
З рівняння випливає, що між в'язкістю системи і змістом у ній дисперсної фази існує лінійна залежність. Результати, обчислені з рівняння Эйнштейна, добре погодяться з досвідченими даними при малих концентраціях дисперсної фази і сферичній формі часток.
Для розчинів ВМС формула Эйнштейна незастосовна. Обгрунтована на досвіді в'язкість розчинів ВМС завжди значно вище обчисленої і не росте лінійно з ростом концентрації (особливо сильний ріст в'язкості спостерігається в області високих концентрацій). В'язкість розчинів ВМС зростає при стоянні. Усі ці аномалії відбуваються через схильність розчинених високомолекулярних речовин до утворення структур. При нагріванні і механічному впливі міцність внутрішніх структур зменшується і в'язкість розчинів ВМС падає. На в'язкість розчинів ВМС сильний вплив роблять малі добавки деяких мінеральних речовин. Наприклад, невеликі кількості солей кальцію дуже сильно підвищують в'язкість розчинів нітроцелюлози і желатини.
Для розведених розчинів ВМС із довгими молекулами Г. Штаудингер знайшов наступну залежність між в'язкістю і концентрацією речовини в розчині:
де
n-n0 / n0 - питома в'язкість nпит (вона показує відносне збільшення в'язкості чистого розчинника при додатку до нього високомолекулярної речовини);
М – молекулярна маса речовини;
с – концентрація розчину;
Км – константа для кожного полимергомологического ряду (порядку 10-4). По рівнянню Штаудингера можна обчислювати молекулярну масу ВМС.
Концентрацію розчину виражають в основних молях (кмоль) на літр (м3). Основний моль – число грамів, рівне молекулярній масі мономера, з якого була отримана молекула полімера. Наприклад, у поліетилена «основний» мольний розчин повинний містити 28 г. полімера в 1 л (чи 28 кг у 1 м3).
Іноді в'язкість розчинів ВМС виражають через приведену в'язкість.
Відношення nуд / с називається приведеною (до одиниці концентрації) в'язкістю. Здавалося б, що приведена в'язкість для того самого полімеру не повинна залежати від концентрації. Однак дослідження показали, що приведена в'язкість звичайно зростає з підвищенням концентрації полімера.
2. Класифікація та біофармацевтична оцінка ВМС
2.1 Принципи класифікації ВМС
Високомолекулярні сполуки прийнято класифікувати за такими ознаками:
1. За джерелами одержання: природні ВМС (білки, ферменти, пектини, камеді, полисахариди, рослинні слизи, у т.ч. густі і сухі екстракти, багато смол та ін.), напівсинтетичні ВМС (ефіри целюлози – метилцелюлоза, натрій-карбоксиметилцелю-лоза, ацетилфталілцелюлоза) і синтетичні (полівініловий спирт, полівінілацетат, полі-вінілпіролідон, полісилоксани, поліетиленоксиди та ін.).
2. За здатністю до розчинення: обмежено і необмежено набухаючі.
3. За застосуванням: лікарські (пепсин, трипсин, панкреатин та ін.) і допоміжні речовини (стабілізатори суспензій і емульсій, основи для мазей, супозиторіїв, плівкоутворювачі, жироцукри та ін.).
2.2 Крохмаль та його похідні
В аптечній практиці з природних ВМС найширше застосовують вищі полісахариди загальної формули (С4Н10О5)п. Представник цієї групи ВМС – крохмаль. Офіцинальними є 4 сорти крохмалю, що допускаються до вживання з медичними цілями: пшеничний, кукурудзяний, рисовий і картопляний. Велику частину сухої маси крохмалів складають полісахариди (97,3–98,9 %), решту – білкові речовини (0,28–1,5 %), клітковина (0,2–0,69 %), мінеральні речовини (0,3–0,62 %). Основна частина крохмалю – амілаза й амілопектин.
Молекули амілази являють собою слабко розгалужені частки, що складаються з глікозидних залишків (до 700), зв'язаних між собою головними валентностями. Молекулярна маса її знаходиться в межах 32000–160000. Амілаза розчиняється в гарячій воді з утворенням прозорого розчину. Амілопектин має складнішу будову і складається з більш розгалужених молекул, які містять до 2000 глікозидних залишків; молекулярна маса його знаходиться в межах 100000–1000000. Зміст амілопектину в крохмалі складає 10–20 %. Перехід крохмалю в розчин може відбуватися тільки при нагріванні, зерна крохмалю набухають, відбувається їх розрив і утворюється густа рідина – крохмальний клейстер у вигляді в'язкого гідрозолю. Різні сорти крохмалю мають різні температури клейстеризації. Найнижча температура клейстеризації в картопляному крохмалі (55–60 °С) і найвища у рисовому (70–80 °С).
Для попередження утворення грудок, що погано розподіляються у воді, крохмаль спочатку змішують з холодною водою, після чого розчиняють у киплячій воді.
Розчини крохмалю називають: слиз крохмалю, крохмальний відвар чи крохмальний клейстер.
Крохмаль використовують у різних лікарських формах: у порошках, присипках, пігулках, у вигляді 2 % розчинів для внутрішнього застосування і клізм; 4–7 % розчини крохмалю на воді очищеній та гліцерині використовують як основи для мазей; 10 % розчини крохмалю використовують як стабілізатор для суспензій і емульсій.
Шляхом обробки крохмалю ферментами (мальтозою), мінеральними кислотами, окисляючими речовинами при нагріванні одержують різні похідні крохмалю. Наприклад, розчинні крохмалі одержують після обробки розчином кислоти з наступним висушуванням.
Декстрин – продукт розщеплення макромолекули крохмалю при швидкому нагріванні або в присутності кислот на дрібніші молекули – полісахариди крохмалю того ж складу, що і крохмаль.
Водні розчини декстрину мають високу в'язкість і велику склеюючу здатність. Завдяки цьому за допомогою декстрину можна одержувати хороші пілюльні маси. Декстрин широко використовується як емульгатор у ряді країн (Німеччина, США та ін.) у вигляді декстринового слизу – для емульгування рідких лікарських речовин, що не змішуються з водою.
Похідні крохмалю краще розчинні у воді і більш стійкі. їх використовують як допоміжні речовини при виробництві таблеток, а розчини як основи для мазей. У результаті життєдіяльності спеціального виду бактерій утворюється високомолекулярний полісахарид – декстран, молекулярна маса якого знаходиться в межах від 15000 до 150000; 6 % розчин декстрану з молекулярною масою 50000–60000, відомий під назвою поліглюкін, використовують для внутрішньовенного введення як кровозамінник. Це прозора безбарвна рідина без запаху з рН від 4,5 до 6,5.