Истинные растворы высокомолекулярных соединений

Высокомолекулярными веществами (ВМВ) называются соединения, состоящие из больших молекул (макромолекул) с молекулярной массой от нескольких тысяч до миллиона и более. Макромолекулы имеют форму длинных вытянутых или свёрнутых в клубки цепей или сферических глобул. В настоящее время в медицине используют свыше трёх тысяч наименований ВМВ.

Классификации и свойства ВМВ

Существует несколько классификаций ВМВ (по химическому составу основной цепи, по способности к диссоциации и т. д.). С технологической точки зрения, наиболее важными являются классификации по способу получения и по применению:

По способу получения:

· Природные ВМС

– белки – животные по происхождению (желатин, желатоза, коллаген и др. в том числе ферменты: пепсин, трипсин, дезоксирибонуклеаза и т. д.);

– высшие полисахариды (крахмал, целлюлоза и её производные, декстрины, пектиновые вещества, слизи, камеди);

· Синтетические и полусинтетические ВМВ

– карбоцепные: поливиниловый спирт, полистерол, поливинилпирролидон и т. д.;

– гетероцепные: производные целлюлозы: метилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, полигликоли, полиамиды и т. д.

По применению ВМВ:

· Лекарственные вещества;

· Вспомогательные вещества (основы или компоненты основ для мазей и суппозиториев, эмульгаторы, стабилизаторы, пролонгаторы и др.).

По пространственной структуре:

Линейные (производные целлюлозы)

Разветвленные (амилопектин крахмала)

Сетчатые (желатин)

Некоторые ВМВ применяют как лекарственные и как вспомогательные вещества.

Вследствие большой молекулярной массы ВМВ нелетучи, не перегоняются с водяным паром, не имеют определённой температуры плавления, отличаются высокой вязкостью, чувствительны к факторам внешней среды. Большинство ВМВ представляют собой аморфные или твёрдые стеклообразные массы, или эластические тела. Растворы ВМВ являются разновидностью истинных растворов и являются однофазными молекулярно-дисперсными системами (степень дисперсности 10-7-10-9 м).

Большие размеры молекул являются причиной значительного своеобразия в свойствах и поведении растворов ВМВ. Хотя макромолекулы не обнаруживаются в электронном микроскопе, растворы ВМВ обладают способностью светорассеивания, приводящей к опалесценции. Молекулы ВМВ - дифильны, т. е. содержат атомные группы обоих типов. К числу полярных атомных групп относятся: - СООН, -NH₂, -ОН и т. д. Эти радикалы хорошо взаимодействуют с водой, гидратируются, они гидрофильны. К числу неполярных, гидрофобных радикалов относятся: -СН₃, -СН₂, -С₆Н₅ и т. п. Они сольватируются неполярными жидкостями (бензол, петролейный эфир и т. д.) и могут гидратироваться. В молекулах ВМВ всегда значительно преобладают полярные группы, в связи с чем, попадая в воду, они ведут себя как высокогидрофильные вещества.

Растворы ВМВ занимают промежуточное положение между истинными и коллоидными растворами. С истинными растворами их объединяет: молекулярная степень дисперсности, физико-химическая природа растворения, процесс растворения, самопроизвольность процесса растворения, а так же агрегативная и термодинамическая устойчивость. К свойствам характерным для коллоидных растворов относятся слабая степень диффузии, непрозрачность в отражённом свете, большая молекулярная масса, однако в отличие от коллоидных растворов, растворы ВМВ представляют собой однофазную, гомогенную систему. Растворению ВМВ всегда предшествует набухание.

Набухание – это самопроизвольный процесс увеличения объёма ВМВ за счёт поглощения низкомолекулярного растворителя. Процесс набухания протекает в две стадии: первая стадия - происходит гидратация (сольватация) макромолекул ВМВ молекулами растворителя. Процесс сопровождается выделением теплоты набухания и сжатием системы. На второй стадии растворитель проникает между макромолекулами ВМВ, заполняя свободные пространства. Сначала растворитель проникает благодаря капиллярным силам, а далее начинает проникать внутрь набухающего тела в нарастающем количестве благодаря гидратации полярных групп ВМВ (ориентировочно, карбоксильная группа удерживает четыре молекулы воды, гидроксильная - три, кето- и альдегидная группа по две и т. д.). Гидратация ослабляет межмолекулярные связи. Образующиеся просветы заполняются новыми молекулами растворителя. Раздвиганию звеньев и цепей макромолекул способствуют также и осмотические явления. Макромолекулы получив способность к тепловому движению, начинают медленно диффундировать в фазу растворителя.

Набухание может быть неограниченным и ограниченным. Неограниченное набухание заканчивается растворением: соединение поглощает растворитель, а затем при той же температуре переходит в раствор. При ограниченном набухании ВМВ поглощает растворитель, а само а нём не растворяется (образуется студень) т. к. сохраняются прочные мостики, которые растворитель не в состоянии разорвать. Для получения раствора необходима дополнительная энергия, обычно тепловая.

На этих свойствах основано деление ВМВ на ограниченно и неограниченно набухающие. ВМВ с изодиаметрической формой молекул (сферической, глобулярной) - белки, в т. ч. ферменты - гликоген, пепсин, трипсин и т. д. обычно представляют собой порошкообразные вещества и при растворении почти не набухают, а растворы этих веществ не обладают высокой вязкостью даже при сравнительно больших концентрациях, и подчиняются закону диффузии и закону осмотического давления Вант-Гоффа. Растворение веществ со сферической формой молекул мало отличается от процесса растворения низкомолекулярных веществ. Дисперсионная связь между такими молекулами невелика, молекулы легко гидратируются и переходят в раствор. Такие ВМВ называют неограниченно набухающими, стадия набухания непосредственно переходит в растворение. ВМВ с сильно ассиметричными, вытянутыми молекулами (желатин, целлюлоза, и её производные) при растворении сильно набухают и образуют высоковязкие растворы не подчиняющиеся закономерностям растворения низкомолекулярных веществ – таки ВМВ называют ограниченно набухающими. Набухание является первой стадией растворения таких ВМВ.

На величину набухания оказывают влияние следующие факторы:

– форма макромолекул ВМВ: с изодиаметрическими макромолекулами (пепсин, лидаза, трипсин) при растворении набухают незначительно; с ассиметрическими макромолекулами (желатин, целлюлоза и её производные) при растворении набухают;

– температура: для получения раствора желатина и крахмала необходимо повышение температуры, что способствует переходу нерастворимого при комнатной температуре студня в раствор, а для получения раствора метилцеллюлозы необходимо понижение температуры;

– наличие в прописи электролитов и водоотнимающих веществ, представляющих собой лекарственные вещества, при этом величина набухания уменьшается;

– степень измельчённости ВМВ: предварительное измельчение увеличивает скорость набухания;

– срок годности ВМВ (особенно для белков).

Растворы ВМВ обладают значительной вязкостью поэтому их процеживают через крупнопористый материал - марлю, вату или фильтруют через крупнопористые стеклянные фильтры. Растворы ВМВ - устойчивые системы, однако, при определённых условиях возможно нарушение устойчивости, что приводит к высаливанию, коацервации, студнеобразованию, синерезису. Фармацевт должен это учитывать, т. к. лекарственные формы с нарушенной устойчивостью отпуску не подлежат.

Высаливание – это выпадение в осадок ВМВ, вызываемое добавлением к раствору достаточно больших количеств низкомолекулярных электролитов или водоотнимающих веществ (сахарный сироп, спирт, глицерин). Высаливание наступает вследствие дегиратации (десольватации) макромолекул ВМВ. Для предотвращения высаливания низкомолекулярные электролиты и водоотнимающие вещества следует добавить к раствору ВМВ в виде растворов небольшими порциями при помешивании.

Коацервация - образование двух жидких фаз, одна из которых концентрированный раствор ВМВ, а вторая разбавленный раствор ВМВ. Коацервация наступает после добавления к раствору ВМВ низкомолекулярного электролита (простая коацервация) или высокомолекулярного электролита (комплексная коацервация).

В процессе хранения и при определённых условиях растворы ВМВ теряют свою текучесть, т. е. переходят в студни. Процесс называется студнеобразованием, он происходит в результате образования пространственной структуры за счёт взаимодействия негидратированных участков макромолекул. В начальной стадии студнеобразования возможен переход студня в раствор под действием механических сил (встряхивание, перемешивание) - явление тиксотропии. Поэтому при отпуске лекарственной формы следует сделать предупредительную надпись "Перед употреблением взбалтывать" (для обеспечения точности дозирования гетерогенной системы), "Хранить в прохладном, защищённом от света месте" (быстро подвергаются микробной порче).

В процессе хранения студня возможно отделение низкомолеклярного растворителя от студня - явление синерезиса.

Дата добавления: 2014-01-15