1、第五节 生物高分子材料的力学性能,为保证药品不受污染，保证包装材料在有效期内没有理化与力学性能变化，因此，对药用高分子材料的力学性能有一定要求。应力与应变 生物材料的粘弹性,应变：当材料受到外力作用时，他的几何形状和尺寸大小将发生变化，这种变化称为应变。 如果外力为张力F，在F作用下原有长度l0为材料，产生伸长的形变为dl，则张力应变定义为单位长度上的伸长，称伸长率。=dl/l0,应力与应变,E为弹性模量或杨氏模量，单位为dyn/cm2(=10-1Pa)。E代表材料的刚性量度，E越大则越不易变形。,使单位面积材料断裂所需的最大张力为抗张强度（又称抗拉强度、断裂强度、极限强度），单位以kg/cm
2、2表示。聚合物经受极限拉伸，发生断裂之前的过程中，应力与应变的关系曲线又称拉伸曲线。,当温度很低时（TTg），应力随应变成正比的增加，最后应变不到10%就发生断裂（如曲线所示）；当温度稍升高些，但仍在Tg以下，应力-应变曲线上出现了一个转折点B，成为屈服点。应力在B点达到一个极大值，成为屈服应力。过了B点应力反而降低，试样应变增大。但由于温度仍然较低，继续拉伸，试样便发生断裂，总的应变也没有超过20%（如曲线所示）,如果温度再升高到Tg以下几十度的范围内时，拉伸的应力-应变曲线如曲线所示，屈服点之后，试样在不增加外力或者外力增加不大的情况下能发生很大的应变（甚至可能有百分之几百）。在后一阶段，
3、曲线又出现较明显的上升，直到最后断裂。断裂点C的应力称为断裂应力；对应的应变称为断裂伸长率。,温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在不大的应力下，便可以发展高弹性变，曲线不再出现屈服点，而呈现一段较长的平台，即在不明显增加应力时，应变有很大的发展，直到试验断裂前，曲线才有出现急剧地上升，如曲线所示。,黏弹性（viscoelcsticity）是高分子材料的重要特性之一，理想弹性体受到外力之后，瞬间达到平衡，形变与时间无关；而理想黏性体受到外力作用后，形变随时间呈线性发展，而高分子材料的形变性质是与时间有关的，这种关系介于理想弹体与理想黏弹体之间。,生物材料的黏弹性,右图为不同材料在恒应力下形变与时
4、间的关系,高聚物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。根据高分子材料受到外部作用的情况不同，可观察到不同类型的松弛现象，最基本的有：蠕变、应力松弛，滞后和力学损耗。,（一）蠕变蠕变是高分子材料在固定应力作用下的形变随时间延长而增加的现象。一切聚合物在形变时都具有蠕变现象。蠕变是一种复杂的分子运动行为，聚合物的结构、环境温度及作用力大小都影响蠕变的过程，分子链的柔性对蠕变的影响很大，最简单的蠕变可用下面简单的关系式描述：,蠕变过程（包括外加力及去外力时）随时间t的发展变化见下图：,（二）应力松弛所谓应力松弛（stress relaxation），就是在恒定温度和变形保持不变的情况下，高聚物内部的
5、应力随时间增加而衰减的现象。例如拉伸一块未交联的橡胶到一定长度，并保持长度不变，随着时间的增长，这块橡胶的回弹力会逐渐减小，这是因为里面的应力在慢慢的减小，甚至可以减小到零。此时应力与时间也成指数关系。,式中， 是起始应力， 是松弛时间,下图表示聚合物处于不同力学状态下的应力松弛曲线，当温度远超过Tg时，链段运动受到的内摩擦力很小，应力松弛很快， 很小。反之，当TTg时，应力松弛很慢， 很大，如常温下的塑料。只有在Tg附近几十度范围大，应力松弛现象才比较明显。,（三）滞后现象与力学损耗当材料在交变应力作用下，形变落后于应力变化的现象成为滞后现象。它的发生是由于链段运动时受内摩擦力的作用，链段运
6、动跟不上外力变化。所以形变落后于应力，有一个相位差。形变随时间的变化（t）可用下式表示：,式中， 是形变最大值，是外力变化的角频率越大说明链段运动困难,当应力变化和形变的变化相一致时，没有滞后现象，每次形变所做的功等于恢复原状时取得的功，没有功的消耗。如果形变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，则每一循环变化中就要消耗功，称为力学损耗，有时也称为内耗。,前面讨论的蠕变和应力松弛，是静态力学松弛过程，而在交变应力、应变作用下发生的滞后现象和力学损耗，则是动态力学松弛，因此也称后一力学松弛过程为高聚物的动态力学性质或动态黏弹性。,第六节 药用高分子材料的传质过程与药物分子的扩散,在药物制剂中，药
7、物通过高分子材料的扩散概括起来说有两种：一类是贮存装置，另一类是骨架装置。药物一般是溶解或分散在装置中。药物由装置的扩散过程有以下几个步骤：药物溶出并进入周围的聚合物或孔隙；由于存在浓度梯度，药物分子扩散通过聚合物屏障；药物由聚合物降解吸附；药物扩散进入体液或介质。,上述扩散过程中，药物分子通过聚合物屏障是至关重要的一步，在一般无孔的聚合物中，药物分子的渗透与扩散主要发生在无定形区域，而在结晶区域，药物分子较难通过，如果把聚合物分子链运动视为不随时间而变化，即无松弛特性，在一般情况下，这种药物分子扩散可视为符合Fick定律： J=-DdC/dx 式中，J-溶质通量，mol/cm2sC-溶质浓度
8、，mol/cm3 X-垂直于有效扩散面积的位移，cmD-溶质扩散系数，cm2/s,药物通过高分子材料播磨的扩散,在药剂学的实际应用中，药物通过薄膜的扩散常见的有胶囊壁扩散或聚合物褒义层的扩散。药物与聚合物之间的亲和力、聚合物的结晶度对药物的扩散性影响甚为显著。固体聚合物的晶区是大多数药物分子不可穿透的屏障，扩散分子必须绕过它。晶区分子所占的百分比越大，分子的运动越慢。在无孔固体聚合物的扩散中，自然是更为困难的过程，需要移动聚合物链才能使药物分子通过。,对于无孔隙的固体聚合物薄膜来说，由于聚合物两侧的浓度差很大，在很长的释放时间内，其差值几乎是常数，如果J和D为常数，当膜厚度为h时，可得下式：,
9、J=CDK/h,式中，C-薄膜两侧的溶质浓度差，mg/cm3K-溶质分配系数DK/h-溶质渗透系数（P），cm/s,由上式可知，D、K值越大，则P值越大，故选择聚合物时，应注意药物与聚合物在热力学上的相容性，否则药物是很难通过聚合物薄膜扩散的。上式的意义很明显，药物通过聚合物薄膜的释放，应呈灵级，或接近零级。,药物通过高分子材料骨架的扩散,对于分散于疏水性骨架中的药物扩散，根据质量平衡原理，Higuchi做了一些数学处理，得到如下公式：M=（2CsDWt）1/2,药物通过无孔聚合物的扩散过程是在大分子链的间隙进行，任何导致扩散屏障增加的形态的改变，都会引起有效扩散面积的相应减少，以及大分子流动性的下降。对药物扩散系数的控制可以通过控制交联度、支化度、结晶度、大分子晶粒大小及添加助剂来实现。,Thank you!,
