【doc】表面活性剂泊洛沙姆188临界胶束浓度的模拟计算

表面活性剂泊洛沙姆188临界胶束浓度的模
拟计算
世界科学技术一中医药现代化★专题讨论
摘要:建立了一种介观模拟计算表面活性剂临界胶柬浓度(cMc)的方法.以非离子表面活性剂
泊洛沙姆l88为研究对象,计算了其在298K下的临界胶束浓度(cMC),分析了泊洛沙姆l88在水中
相行为和有序参数的变化,为表面活性剂增溶作用的研究提供了基础.
关键词:介观动力学临界胶束浓度泊洛沙姆l88
(r
新药研发过程中由于许多新活性成分的溶解度
很小,影响其生物利用度和成药性,药剂工业在新药
开发中为此付出了约40%的工作量…;尤其在中药药
剂研究中,由于中药成分复杂多样,提高难溶性成分
的溶解度是中药亟待解决的问题之一.常用增溶方
法包括调节pH值,采用复溶剂,加入助溶剂,胶束增
溶,包合以及乳化或微乳化等,其中利用表面活性剂
进行增溶是一种重要的方法.
表面活性剂的增溶机理与其在水中形成的胶束
有关.当表面活性剂在其稀溶液中达到临界胶束浓
度(CMc)时,被增溶物质进入疏水性的胶束内核而
使其溶解度增大.因此,临界胶束浓度(CMc)是考察
表面活性剂增溶作用的重要参数.实验测定cMc的
方法主要有核磁共振法,紫外分光光度法,光散射
法,蒸气压法,溶解度法,比色法(染料吸附法),电导
法,表面张力法等『2_.介观模拟方法是近年来应用较
广泛的一种计算机模拟技术,已在共聚物相分离,
收稿日期:2008—06—14
修回日期:2OH08一O8一【)4
油一水表面活性剂体系,洗涤作用中的临界过程,逆
变胶束,乳胶种子形成,高分子混和增溶剂等方面应
用f3l.本文以非离子表面活性剂泊洛沙姆l88为载
体,介绍了采用介观动力学(MesoDyn)模拟来计算
cMc的方法,讨论了泊洛沙姆l88在水中形成胶束
的相分离过程.
一
,材料和方法
1.材料
研究平台:AccelrVs公司的Materiajsstudio4.1研
究平台
研究对象:泊洛沙姆188(E00嚣E0),结构式
为HO(C:H40)7q(CH60)28(C:H0)H,总分子量约为
900O【4..
2.壅
主要采用介观模拟中的介观动力学模拟(Meso—
Dyn).为了表征体系的化学性质,在进行模拟计算
时,需确定两个重要参数:各重复单元的Gaussian链
以及不同组分问的相互作用能.
★国有中医药管理局中医药行业科研专项(2007O8【】(】6):符合中药特点的增溶性药用辅料的筛选与评价,负责人:杨明;北京市重点实验室
(JD10HD26O538),负责人:乔延江;中药抗病毒有效物质基础研究(编号:xK10O270569),负责人:乔延江.
★★联系人:乔延江,本刊编委,教授,博士生导师,主要研究方向:中药信息工程,中药新药研发,Email:**************.
[D以dScence∽dcnofo.r帅.厂砌nse9dcner肌derd0]26
2008第十卷第五期★V o1.10No.5
对于前者,模拟中用"弹簧和珠子"(sngand
bead)来表示Gaussian链,弹簧模拟珠子之间的伸缩
行为,代表了相同片段之间的连接,其链长由最初的
全原子结构决定;每个珠子表示一个统计单元,代表
多个真实单体的组合.在Gaussian链中,所有的珠子
具有相同的体积,原始体系的粗粒化程度影响着链
的拓扑结构.因此,Gaussian链的选择是介观动力学
模拟中一个非常重要的方面.泊洛沙姆真实分子链
长和Gaussian链之间遵循如下的换算关系f51:
量:4.3.
戈
这里x和Y分别代表嵌段共聚物中E0和P0链段
的单体数,x和Y分别表示Gaussian链中珠子A和
B的数目(A和B分别表示E0和PO嵌段).
对于后者,即体系中珠子间的相互作用参数可
采用原子模拟方法,经验值,以及实验数据如蒸
气压数据同等得出.最简单的方法是基于正规溶液理论(regularsolutiontheoIIy),且FloIy—Huggins数x与组分的溶解度参数6有关系.溶剂和聚合物之间的
Fl0ry—Huggins参数计算如下:
(一).+(2)
V一是参比体积(如单体的体积),熵对混合能xs的贡献可以忽略不计,因为与别的项相比,它的值非常的
小I9I,故可以忽略不计.溶解度参数8与体系中每种组分的内聚能密度E/V有关,其定义如下:
6=E/(3)
因此计算8之前首先要计算内聚能.可采用MaterialsStu(1io中的Amorph0usCell模块对系统进行动力学模拟得到内聚能值(E),也可直接采用
B1ends计算得到F1ory—Huggins参数.
二,实验结果与讨论
1.模拟参数的计算结果
高斯链的拓扑结构由公式(1)计算,不同组分之
间的相互作用参数采用Bjends模块计算,结果见表I 和表2(A表示EO珠子,B代表P0珠子,w代表水
珠子).
其它模拟参数选择如下:模拟格子选择32nm×
32nm×32nm的模拟格子,珠子之间的键为d=1.2nm, 扩散系数为l0cm.体系的噪音系数n=75.019,
模拟步幅△下=50ns,模拟温度T=298K,总的模拟时间为1ms(共计200o0steps).
2.模拟相图的变化及分析
本研究分别选取泊洛沙姆l88相对含量分别为1%,1.5%,1.6%,1.7%,2%,3%,5%,8%和24%(与之
对应,水的相对含量分别为99%,98.5%,98.4%,
98.3%,98%,97%,95%,92%和76%)进行模拟实验,
得到不同模拟时间下以PP0嵌段表示的聚集结构变化相图.结果表明,相对含量低于1.6%泊洛沙姆188 无法在水中形成胶束,而相对含量高于1.7%时能形成球形胶束.如图所示,图1a为相对含量1.6%下泊
洛沙姆188的最终相图,可看出此浓度下体系尚处
于均相阶段,尚未开始形成胶束;图1b为相对含量1.7%下的最终相图,可以清楚的看出此浓度下泊洛
沙姆l88已经开始形成球形胶;图lc和图ld分别是表1泊洛沙姆188的拓扑结构
表2体系中不同组分之间相互作用参数的计算
(a)1.6%
◆◇譬
27[0rzdScece(mdr,cnoZ0{g),朋oder】0￡on'z'6cd0nCnese胁dcne(znd(e"0Adc0] 一%
～
◇一
,
世界科学技术一中医药现代化★专题讨论
相对含量为2%和3%下的最终相图,表明形成的胶
束逐渐趋于稳定.经研究,初步确定泊洛沙姆188的
临界胶束浓度范围为1.6%～1.7%.
3.有序参数的变化及分析
有序参数(orderparameters)是指体系中某一组
分偏离同种介质的平均偏差,主要反映体系相分离
的过程和效果l1(】],是体系相分离和各组分相容程度的
综合体现.不同珠子有序参数之间的分离表明两种
分子问相互作用的开始,在本研
究体系中即意味着水和泊洛沙
姆188之间相互作用的开始.以
有序参数为指标可判断表面活
性剂是否形成了胶束.
以相对含量1.6%和1.7%
时有序参数随模拟时间的变化
图为例来说明.图2是相对含量
1.6%时泊洛沙姆l88在水中有
序参数随模拟时问的变化图,可
以看出在整个20000steps过程
中,有序参数几乎没有变化,即
没有形成胶束;而图3是1.7%
泊洛沙姆在水中有序参数随模
拟时间的变化图,可以看出在
0～2【)00steps之间时有序参数急
剧增加,说明此时开始形成胶
束.根据胶束形成过程可将有序
参数随时问的变化分为三个阶
段(图3):阶段I,有序参数变化
很小(0～60Osteps),表明模拟之
初体系处于均相状态,泊洛沙姆
188在水中的聚集尚未开始;阶
段II,有序参数急剧增加(600～
2400steps),此阶段耗时较短,约
为0.09ms,表明此时泊洛沙姆
l88开始在水中形成聚集体,初
始的球形胶束开始形成,且聚集
体形成的速度非常快;阶段III,
有序参数逐渐达到平衡,体系在
修复先前阶段形成的粗糙胶束,此阶段最为耗时
(2400～200O0steDs).通过有序参数的分析,可看出模
拟之初体系为均相,随着模拟时间的增加,逐渐发生
相分离,开始形成球形胶束,最后达到相平衡,共经
历了均相,胶束形成,平衡j个阶段.
4.临界胶束浓度的计算
本文通过模拟计算,确定泊洛沙姆l88cMc的范
围在相对含量为1.6%～1.7%之间,即1.74×10～1.85×
0己00040O060008O00lOO00120O014O0Ol6O00l8OO020000 Times}ep(steps)
Le孽end
——一
BeadE0一一Beadp0一BeadW
图21.6%泊洛沙姆在水中有序参数随模拟时间的变化
0Z000400060O0800OlO000l2O00l40OOl60001800O2OO00
Timeslep(steps)
Legend
——
B皂adE0一Beadp0—8eadW
图31.7%泊洛沙姆在水中有序参数随模拟时间的变化
[0rfd5cMe帆dc0logy.如mo凡D厂no凡nesedcne帆de0dcn]J28 2008第十卷第五期★V o1.10No.5
10mol?.与文献lll1中实验测定所得cMc值1.25×
1Omol?L相比,可看出模拟计算结果与实验结果虽
存在差异,但可为实验测定提供有效指导,为实验工作
者确定表面活性剂的cMc节省大量时间和经费.
三,结论
临界胶束浓度(cMc)是考察表面活性剂增溶作
用的重要参数.本文使用介观动力学方法建立了非
离子表面活性剂泊洛沙姆188临界胶束浓度的模拟
计算方法,为实验研究表面活性剂的增溶提供了参
考,并探讨了泊洛沙姆188在水中聚集行为的变化,
为实验观察提供了介观层次上的信息.本研究结果
为二元组分乃至多元组分之间相互作用的研究以及
药物制剂中增溶剂的选择提供了一定的指导.
中药成分复杂,许多活性成分由于难于溶解,生
物利用度差,制约了其在临床的应用.因此提高中药
活性成分的溶解性,对于中药新药的开发具有重要
意义.采用模拟计算的研究方法,可对给药系统中药
物,辅料之间的相互作用进行研究,揭示实验研究无
法阐明的内在过程,对于给药系统的开发及载体材
料的选取具有指导意义,为中药新型给药系统的开
发奠定了一定的基础.
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F0rmati0ninConcentratedAque0usS0lution0ftheTirblc—okPo1ymer
suf_actants(Ethylene0xi'lr113(Pr0pylene0xide)30(EthyleneOxide)13
and(Pmpylene0xide)19(EIhyleneOxi—de)33(Pr0pylene0xide)19.Ap—pljcafi0nofDyna瑚jcMean—Fje1dDensityFunctjona1rheory.Macm—
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Keyw0rds:Mes0Dyn,criticalmiceUc0ncentratn(CMC),P0loxamerl88
(责任编辑:王踽,责任译审:邹春申)
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