凝聚和相分离

凝聚和相分离
《制剂技术百科全书·凝聚和相分离》聚合物溶解度和相分离的热力学模型，部分聚合物去溶剂导致的聚合物凝聚，三元体系中聚合物2-聚合物3排斥引起的凝聚，聚合物在三元体系中非共价交联的凝聚，凝聚法以及相关产品工业上的应用。

引言
聚合物溶解度和相分离的热力学模型
1．用于描述由温度变化和添加非溶剂引起凝聚的经典模型
2．用互相作用参数X来描述聚合物2-聚合物3之间排斥引起的凝聚
3．用于描述聚合物凝聚的新方法
部分聚合物去溶剂导致的聚合物凝聚（简单凝聚）
1．过程描述
2．材料
3．关键步骤和产品特性
4．应用
三元体系中聚合物2-聚合物3排斥引起的凝聚
1．过程描述
2．材料
3．关键步骤与产品特性
4．应用
聚合物在三元体系中非共价交联的凝聚
1．原理与机制
2．有效的聚合物-聚合物凝聚的大分子特性
3．特性
4．应用
5．细胞包裹的凝聚法
5.1过程
5.2细胞包裹的例子
6．规模放大
7．在分析中的应用
凝聚法以及相关产品工业上的应用
结论
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引言
聚合物凝聚法是种具有很长历史的且广泛应用的方法，常用于液态或固态药物或者细胞等生物材料的可逆性凝胶化或者微囊化。

国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）把凝聚法定义为一种用于把胶体体系分离为两个液相体系的方法。

该法被认为是和沉淀法不同的方法，后者通常是指发生在不稳定的胶体体系中的凝结或者絮凝。

凝聚法（coacervation）这个概念最早是由Bungenborge de Jong和Kruyt于1929年提出的，用来指一种由于状态的热力学条件改变使得水性的胶体溶液发生分离，产生其中一个富含胶体（如凝聚层）而另一个含有很少胶体的两个液相的过程。

根据不同的相分离机制，凝聚可以分为简单的、复杂的凝聚。

在简单的凝聚中，聚合物通常被如硫酸钠等电解质从溶液中盐析出来，或者是由于在溶液中添加乙醇等与水互溶的非溶剂的去溶剂化作用，以及改变温度等作用析出来；相反，复杂的凝聚是由带相反电荷的聚合物之间的相互引力作用来实现的。

凝聚法最早是由National Cash Register Company于20世纪50年代末应用于商业上的，用来开发“无碳的”碳复印纸。

最近，聚合物凝聚领域得到了长足地发展，出现了凝聚系统更加精细和完整的分类（表1）。

其他的用于微囊化的凝聚法的分类方法和相关的原理也有不少文献以实例来进行阐述。

在本章中，我们将凝聚作为溶剂中的一种或两种高分子之间的现象进行讨论，虽然相同的现象也可能存在于肝素阴离子、庆大霉素或者吗啡阳离子等离子型或强极性的药物之间，胆酸、十二烷基磺酸钠等阴离子表面活性剂和某些带正电荷的抗抑郁药之间，以及在硫酸根离子存在时的带阴离子的DNA和带正电荷的明胶、壳聚糖之间。

更进一步说，类似于凝聚的现象也正在越来越广泛地应用于“智能”高分子之中，这些高分子可以由一些很小的诸如pH、温度和离子强度等环境的变化引起可逆的构型上的或者宏观上的变
化。

这些聚合物在本质上是聚离子的单体或者缔合物，常用于环境敏感型的药物输送、生物分离、生物传感器或者具有疏水/亲水可转换的表面的材料。

表1 常见的聚合物凝聚的水系统和有机系统的分类
1）组分数：1为聚合物凝聚的溶剂；2指凝聚的聚合物；3指凝聚剂。

方程中也可将该数字标为下标。

2）P0，P+，P-分别指非离子，阳离子和阴离子聚合物。

3）非水系统在制药技术中没有描述。

4）P-和P+或二价和三价反离子为凝聚相的集成组分。

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根据本章对于凝聚法的分类（表1），聚合物凝聚通常可以在水性或有机溶液中、二元或三元体系中观察到。

这些体系的凝聚过程有3种主要的机理：（1）在二元或三元体系中聚合物的去溶剂化作用；（2）在一种相同的溶剂中的两种不同性质的聚合物：聚合物2和聚合物3之间的相互排斥作用，如在三元体系中；（3）聚离子化合物和对应的聚反离子化合物之间的相互作用，如在三体系中的相同溶剂中的聚阳离子化合物和聚阴离子化合物之间相互作用、聚氢离子供体化合物和聚氢离子受体化合物之间的相互作用均可以导致聚合物凝聚。

因此，聚合物凝聚是聚合物-聚合物（同类的）、聚合物-溶剂、聚合物-凝聚剂或者聚离子
化合物-聚反离子化合物等分子之间互相作用的直接结果。

在更加详细地考查各种体系之前掌握一些聚合物溶液性质的基础知识，对于理解凝聚或者基于聚合物相分离的微囊化工艺的优化是大有裨益的。

溶解在溶剂中的聚合物被一圈溶剂分子包裹着，溶剂通常通过氢键或范德华力将聚合物的官能团溶剂化。

溶剂化层的包裹作用阻止了链片段之间通过氢键、范德华力及离子键的作用相互接近。

相邻链片段之间互相吸引的价键力等次级作用力能通过影响使溶剂化层变薄来降低溶剂化的包裹作用，进而形成互相纠缠的网状结构，甚至形成非共价力的、弱的交联结构。

聚合物链的去溶剂化是产生相分离的一种机制；在某些情况下却是产生凝胶化作用而不是相分离作用。

降低溶剂化作用的因素包括：温度的变化、相对分子质量的增加、对于聚离子化合物来说两元体系中的变化、二元或三元体系中聚合物浓度的变化。

一个非常有效提高聚合物溶液浓度的方法是降低可供聚合物溶剂
化的溶剂分子数。

在实际操作中，还可以在聚合物溶液（三元体系）中加入诸如电解质或者第二种聚合物的非溶剂。

此处所指的非溶剂是对于要凝聚的聚合物溶解性能很差的所有溶剂。

电解质或非溶剂的加入可以结合一部分聚合物的溶剂。

这种对于溶剂化溶剂的竞争作用将导致聚合物分子去溶剂化作用，使得以凝聚或沉淀的方式产生相分离。

当电解质用于聚合物的去溶剂化时，这种现象称为盐析现象。

在水性体系中，脱水的有效性，即特定形式的去溶剂化作用，遵循所谓Hofmeister或易溶顺序，即按照对胶体体系盐析能力从小到大对电解质的排列：NH4+＜K+＜Na+＜Ca2+＜Mg2+和Cl-＜乙酸根＜SO42-＜酒石酸根＜HPO42-＜枸橼酸根（这里只是列举了药剂中常应用的一些例子）。

只有当至少有两种不同的作离子、非极性物质或者弱极性的聚合物（聚合物2和聚合物3）在一个共同的溶剂中，混合才会产生相分离的情况。

这个过程是一个热力学控制的过程，可以用下面的理论来解释。

聚合物在溶剂中溶解的过程通常是一个吸热的过程（其混合焓是正的，△Sm），因此会阻碍溶解。

要使聚合物溶解，需要熵的增加（△Sm为正），比如说，由于聚合物的分子链在溶液中需要较大的摩尔体积，所以聚合物的溶解过程会干扰溶剂的排列（或者说晶格的破坏），这将导致熵的增加。

当第二种聚合物（聚合物3）加至含有聚合物2的相同溶剂的溶液中，这两种聚合物将主要通过范德华力相互作用，这种作用与其相对分子质量成正比。

这种相互作用将会产生实际上为吸热的能量变化，而这种通过互相混合产生的焓的增加由于只有一小部分聚合物分子参与所以显得卜分小。

因此，由于不同的聚合物互相混合会导致自由能的增加，体系会产生两个不同的相，其中每一个相都含有较多的热力学相对更稳定的一种聚合物。

和前面提到的机制相反，带有相反电荷的聚离子对，或者可以高度极化的聚合物对，或者聚离子给体和
聚离子受体对，可以很好地相互作用，因为负的△Hm引起的自由能是负的。

因此，它们可以在共同的溶剂中共存，甚至它们之间的相互作用强到负的△Hm可以超过它们在共同的溶剂中得到的熵值。

在这种情况下，两种聚合物就形成复合物从溶剂中析出。

聚合物复合物可以以固体颗粒形式沉淀下来，也可以保持部分的溶解状态（复合物凝集），这取决于聚合物复合物和溶剂互相作用的焓的大小。

聚离子化合物和低相对分子质量的二价或三价反离子混合，如Ca2+、Mg2+、Al3+、Zn2+、二价的酒石酸阴离子等，聚合物链可以形成强的非共价键的交联，从而形成相对紧密的网状结构，这也是一种机制。

通常，聚合物凝聚的所有机理都涉及某种相分离，因此可以产生一定密度的凝聚微粒。

这些微粒可以包含一定的附加成分，如溶解的药物或固体表面的沉积物，后者通常用于加入体系中固体粒子的包衣，如药物颗粒或活的细胞。

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聚合物溶解度和相分离的热力学模型
凝聚法的基本方面长时间来已经被经典的研究所彻底覆盖，如Bungenberg de Jong和Kruyt对于离子体系的凝聚的研究以及伪Dobry等对非离子体系的研究。

聚合物-溶剂的相互作用和聚合物相分离的基本的热力学条件也已经由Flory进行了很好的阐述。

在本章以下部分，将从机械和热力学的角度简单介绍一下聚合物的相分离过程。

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1．用于描述由温度变化和添加非溶剂引起凝聚的经典模型
在20世纪40年代初期，Flory和Huggins分别提出了用于描述聚合物溶液的晶格模型，并引入了互相作用的参数x。

这个参数随着溶剂溶解能力的下降而增加，因此，热力学上的良溶剂的相互作用参数较小。

在实践中，大多数的聚合物-溶剂组合的x值为0.2~0.6。

并且，该理论预测只要相互作用参数小于临界值（xc），聚合物就可以溶解于某溶剂中，而在指定的温度下临界值取决于溶解的聚合物的聚合度Xc
对于高相对分子质量的聚合物，xc接近于0.5。

逐渐加入非溶剂（x值较大），相分离依x减小的顺序
产生，此时，x＜xc。

此外，x还取决于温度，这个经常会用溶解度的相图表示，这种相图描述了单相或双相体系与聚合物体积分数及温度的关系。

x在凝聚的应用是非常有限的，因为x不是一个常量，取决于聚合物的浓度、相对分子质量和温度；并且，聚合物-溶剂对的x很难测定，而且对于多组分体系测定x也不方便；最后，x作为一个复合值还受氢键的影响。

更加常用的是用于描述聚合物溶解度的溶解度参数，它最早由Hildebrand和Scott应用于描述弥散的相互作用力的大小，后来Hansen进行了延伸，用弥散度（δd）、极性（δp）和氢键（δh）来描述对相互作用能的贡献。

常用于估算聚合物2在溶剂（下标为1）的溶解度范围的公式为
根据Van Krevelen的理论，聚合物要有良好的溶解度，△δ最大不应该超过5MPa0.5。

这个规律可以应用于具有恒定浓度的聚合物溶液。

然而，如果逐渐添加非溶剂，溶剂会在凝聚相和连续液体间分配，凝聚相的组成会发生逐渐的改变。

假设连续相只有溶剂和非溶剂，凝聚相为溶剂和聚合物，两个相的溶解度参数可以用以下公式计算：
式中：φ1，连续相、φ1，凝聚相、φ2和φ3分别表示连续相中溶剂的体积分数、凝聚相中溶剂的体积分数、聚合物和非溶剂的体积分数。

虽然式（3）和式（4）只是经验公式，有效性受到限制，但是在制药技术上常用来改善包衣液的溶剂混合、膜的形成和微囊化。

如果非溶剂在聚合物溶液中可以溶解的话，只对于单相的体系可以计算出凝聚相的平均溶解度系数。

由于聚合物的溶解度参数不能直接从蒸发能计算出来，从官能团的黏结性以及假定这些性质可以加和等方面，人们提出了很多的计算方法。

而且，可以用已知溶解度参数的多种不同的溶剂来区分聚合物凝聚的良溶剂和不良溶剂。

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2．用互相作用参数X来描述聚合物2-聚合物3之间排斥引起的凝聚
理论上对于基于聚合物-聚合物排斥导致的聚合物相分离，需要把义参数的概念推广到在同一个溶剂体系中的两个聚合物之中。

在这种情形下，Scott定义了相分离的临界条件为
式中，下标1、2和3分别代表溶剂、凝聚的聚合物（聚合物2）和第几种聚合物（聚合物3；凝聚剂）。

如果聚合物2-聚合物3之间的相互作用参数x2，3从试验估计的或者从官能团的贡献计算得出的溶解度参数近似得到[式（6）]：
这样，溶剂（φ1）和两种聚合物（φ2，φ3）的临界体积分数就可以通过以下公式计算出来了：
除非两个聚合物的溶解度参数非常接近，如果x2，3＞（xc）2，3，聚合物将因不相容而产生相分离。

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3．用于描述聚合物凝聚的新方法
另外一个用来描述聚合物凝聚的有意思的方法是VanOss提出来的，他用界面间相同或不同分子之间的相互作用情况定义了简单凝聚和复杂凝聚的条件。

在这个模型里，聚合物2在一种溶剂（下标为1）里的溶解度s取决于界面相互作用的自由能△G212：
根据这个公式，液相中的聚合物分子的溶解度会随着正的的值的增加而增加，因为这样，聚合物
分子之间互相排斥也增加了，从而使弥散度得以增加。

如果以＜0，溶解度会随着分子之间的相互吸
引而下降。

在大多数制剂体系中，主要由分子的非极性的Lifshitz-van derWaals力（）以及Lewis酸／碱作用（）构成。

可以用下式表示：
这个公式右侧的后半部分描述了Lewis酸／碱作用。

如果在一个三元体系中，两个不同的聚合物2和聚
合物3溶于同一个溶剂1中，则可以表示为
对于所有的仅有Van der Waals作用力的体系，液相中聚合物2和聚合物3界面作用能减小为
在由聚合物2-聚合物3排斥引起的凝聚过程中，凝聚的条件为＞0，在非极性体系中，当
’或时，该条件可以得到满足。

然而在极性系统中，凝聚只能由式（11）预测。

与简单凝聚不同，四元体系中的复杂凝聚只有当聚合物分子相互吸引才会发生，因而界面自由能为负。

Van-Oss理论的明显优势在于可以获得表面张力参数，对于给定的溶质，γ2可以通过接触角和Young 方程确定。

此外，这些参数还可由Van Krevelen描述的聚合物官能团贡献理论上得到。

另外，对于氢键起重要作用的系统，Van-Oss模型是否有效还有疑问，因为界面张力的测定不能说明氢键作用力。

部分聚合物去溶剂导致的聚合物凝聚（简单凝聚）
1．过程描述
简单聚合物凝聚是基于二元或三元体系的聚合物去溶剂化。

部分聚合物的去溶剂化可以通过改变聚合物溶液温度、在聚合物溶液中增加一种难溶性溶剂（或非溶剂），或者通过电解质的“盐析”来实现。

凝聚相可能在搅拌的平衡相中形成液滴或者在给定的固体或液体表面沉积成膜，如固体药物颗粒或者药物水溶液的液滴。

在这两种情况下，凝聚物通过分子间物理作用或共价交联而稳定，这种稳定性可以通过改变pH或温度或者加入交联剂而实现。

在制剂技术中，简单凝聚，与其他类型的聚集一样，经常用于包裹药物制成微囊或者微骨架，这两种微粒可以称之为微球。

如果要将一种药物包裹在凝聚的聚合物中，就将该药物的固体或液体形式溶解或分散在聚合物溶液中。

因此，两种常用的聚合物可以用来阐述简单聚合的原理。

常见的简单凝聚过程多用明胶。

明胶的简单凝聚通常采用与能够水相溶的非溶剂，如乙醇或盐，如硫酸钠。

这样明胶分子在高于凝胶点的温度下部分去溶剂化，从而导致富含明胶的液体相与含少量明胶的饱和溶液分离（图1）。

最后，凝聚液滴在饱和溶液中通过物理或者共价交联而硬化（例如，通过调整等电点的pH，或者加入戊二醛或甲醛）。

图1 明胶-水-乙醇的三元相图。

圈示两相共存的区域，即凝聚相和平衡相。

双曲线下的区域表示两相系统（点A、B、C、D)，双曲线上方的区域代表示明胶溶于水-乙醇混合物的单相系统。

箭头（点E、C、F）表示在初浓度为20％明胶溶液中的加入乙醇。

大约乙醇浓度达到18％时发生相分离（点C）。

在给定组成（点F），两相由点D（40％乙醇和60％水的平衡相）和点B（凝聚相组成约为46％的明胶，15％的乙醇和39％的水）组成所谓连接线（虚线）的两边。

平衡相和凝聚相的比值，
按质量计算，由D-F/F-B的比值给出
常用于简单凝聚的聚合物有纤维素衍生物，特别是乙基纤维素（EC）。

几乎所有的纤维素醚都是水溶性的，EC和纤维素酯类是不溶于水或者是部分溶于水的，其溶解度与pH有关。

对于EC的凝聚，甲苯是首选的良溶剂而环乙烷是不良溶剂。

在EC溶液中逐渐加入环乙烷会引起聚合物去溶剂化。

另外，EC可以溶于热环乙烷中，逐渐冷却至室温会产生相分离。

在这两种情况下，凝聚膜或液滴可以在大体积的环乙烷中硬化，从而形成物理交联。

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2．材料
明胶和纤维素衍生物是在制剂中最常用于简单凝聚的聚合物，尽管其他聚合物也可以成功用这种方法制备微囊。

原则上，只要聚合物可以实现部分去溶剂化，那么这种聚合物就可以用来作为囊材。

用于简单凝聚的聚合物包括聚苯乙烯、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯、聚丙交酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、壳聚糖／PVA-混合物、白蛋白、酪蛋白，以及蔬菜蛋白如豌豆球蛋白和豆球蛋白。

建议读者参阅该领域的综述，以获得更详细的信息。

在水溶液体系中加入非溶剂引起简单凝聚，乙醇、丙酮、二氧六环、异丙醇和丙醇等都是引起聚合物去溶剂化和相分离首选的溶剂。

在有机体系中主要的非溶剂有石油醚、环乙烷和液体石蜡等。

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3．关键步骤和产品特性
简单凝聚包含4个主要步骤：①聚合物去溶剂化的相分离；②形成液滴或凝聚物在给定表面沉积；③凝聚相固化；④微粒或表面包衣材料的分离。

凝聚是非常复杂的物理-化学现象，许多因素都会影响最后产品的性质。

有机及水溶液体系的简单凝聚取决于给定温度下材料的分子间相互作用力，还有是否存在对凝聚相有高亲和性的固体或液体表面，以及聚合物去溶剂化速率和流体动力学过程，如扩散、层流和湍流运动。

因此，在任何体系中，应当仔细研究材料和工艺参数来完全控制该过程。

整体来说，简单凝聚是个相对较慢的过程，组分在分离相之间的扩散和分配可能需要很长时间才能达到平衡。

因此，这个过程通常发生在非平衡条件下。

这使得每一工艺步骤的速率和持续时间对于获得重现性的产品和防止不必要的凝聚和沉淀非常关键。

所有的问题，与对有机溶剂和有毒关键交联剂的大量需求将会阻碍这种工艺进入工业生产领域。

4．应用
正如我们所知，简单凝聚主要是作为学术界描述技术用于研究而不是制药工业。

Green最先描述了明胶简单凝聚用于包裹油滴。

在该研究中，钠或硫酸铵引发明胶凝聚。

从那以后，简单凝聚法就用于包裹食品、
矫味剂和药物。

纤维素衍生物的简单凝聚法可以用来包裹各种药物，如茶碱、布洛芬、吲哚美辛、阿霉素和尼卡地平。

这些药物微囊包裹的目的是减少胃刺激，隐藏不良味道，更重要的是达到缓释目的。

三元体系中聚合物2-聚合物3排斥引起的凝聚
1．过程描述
聚合物2-聚合物3排斥引起的凝聚中，聚合物3的添加可以引起溶于共溶剂1的两种聚合物的相分离。

这种相分离会产生黏稠的聚合物2的液相，即凝聚物，以及聚合物3的低黏度相，通常称为连续或不良聚合物相。

在搅拌作用下，凝聚物的液滴形成并分散于连续相中。

聚合物3在溶剂1中的溶解度应比聚合物2在此共溶剂中的溶解度要好。

对于颗粒产品，聚合物3应该作为凝聚物液滴的稳定剂以防止聚集。

另外，对于包裹生物活性材料而言，凝聚物对囊核应当有一定的流动性和高亲和性，而囊核对连续相的亲和性应当较低（见下文）。

最后，凝聚液滴仍因含大量溶剂1较软而很难分离。

在凝聚物液滴可作为分离的微球或微囊收集之前加入硬化剂使凝聚物液滴固化。

制备该凝聚工艺制备聚合物颗粒的典型实验过程见图2。

图2 聚合物2-聚合物3排斥凝聚工艺的实验过程
2．材料
多种聚合物可以用于聚合物2-聚合物3相互排斥引起凝聚的方法，其中可生物降解的聚丙交酯（PLA）和丙交酯-乙交酯共聚物（PLGA）已经用于药物微囊化和药物控释最引人关注。

PLA/PLGA可以溶于二氯乙烷或乙酸乙酯，加入另一种相对分子质量较低的聚合物如硅油（聚二甲基硅醚，PDMS）（100~1000mPa·s）就可以发生凝聚。

对于凝聚液滴的硬化，凝聚体混合物被转移到聚合物2的非溶剂中，如己烷、庚烷，或者低相对分子质量环硅醚［如八甲基环四硅氧烷（OMCTS）或十甲基环戊硅氧烷（DMCPS）等。

能够用此工艺形成凝聚微粒的其他类型的聚合物很少，如乙基纤维素、硝基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸醋酸纤维素、丙烯睛-苯乙烯共聚物和聚苯乙烯。

这些聚合物中，液态聚丁二烯（8~10kDa）可以作为凝聚剂。

凝聚液滴的硬化可以由凝聚聚合物随后的去溶剂化及形成范德华键或共价交联而实现。

在第一个工艺中，凝聚体混合物转移至聚合物2的非溶剂中，该溶剂对于聚合物3却是良溶剂。

这些硬化剂包括己烷、庚烷、极低相对分子质量的挥发性氧烷（OMCTS，DMCPS）。

在化学硬化过程中，加入交联剂（如戊二醛或二异腈）而硬化。

聚合物2交联的典型功能团是羟基，如纤维素醚和酯类中的羟基和氨基。

很自然，在前面提到的聚合物中加入一种非溶剂（例如，己烷、庚烷、液体石蜡或植物油）也可以去溶剂化而发生凝聚。

聚合物2-聚合物3排斥凝聚的优点是，通过控制聚合物3的加入最可以控制凝聚相的黏度和体积分数以及凝聚液滴的稳定性。

凝聚物性质的控制对于防止凝聚体聚集及保持生物活性材料的有效包裹很重要。

3．关键步骤与产品特性
聚合物2-聚合物3排斥得到凝聚体的典型特征是加入少量聚合物3后即发生相分离，这与聚合物去溶剂化不同。

在第一步中，聚合物3在聚合物2中形成分散相（图3），随着聚合物3的加入产生相转化，聚合物2相（凝聚体液滴）分散在聚合物3中。

继续加入聚合物3，溶剂由凝聚液滴中部分提取出来，从而增加了黏度及防止聚集的物理稳定性、凝聚体的最优稳定性一般当聚合物3体积分数在一定范围内时得到。

这个“稳定窗”由不同的研究者用不同类型的PLA和PLGA进行了测定。