Wilhelmy吊片法測定磷脂溶液的表面張力等溫線

李遠(yuǎn)非，楊訓(xùn)方，王桂玲，郭瑩，王煦，李馨儒，周艷霞，謝英

北京大學(xué)藥學(xué)院，北京 100191

隨著藥劑學(xué)新技術(shù)的發(fā)展，新型藥物遞送系統(tǒng)如脂質(zhì)體(Liposomes)[1]、脂質(zhì)乳(Lipid emulsions，LE)[2]、膠束(Micelles)[3]以及脂質(zhì)納米粒(Lipid nanoparticles，LNPs)[4]等，在解決藥物溶解度、保護(hù)藥物穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)靶向遞送以及提高藥物治療指數(shù)等方面具有顯著的優(yōu)勢。在這些藥物遞送系統(tǒng)中，磷脂作為重要的組成部分起到了關(guān)鍵作用。其不僅可通過自組裝形成穩(wěn)定的類細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)囊泡用以裝載藥物[1,3]，還可作為表面活性劑降低納米粒與水之間的界面張力[2,4]，從而起到穩(wěn)定納米粒的作用。

磷脂作為雙親性分子，是一種有代表性的表面活性劑。磷酸甘油酯(phosphoglycerides，PG)是磷脂的主要存在形式[5]，其分子包含一個親水極性頭部和兩個疏水尾部，甘油骨架上1和2位羥基被脂肪酸酯化，3位羥基被連有其他基團(tuán)的磷酸基酯化(如圖1所示)。磷脂的表面活性與疏水脂肪酸的種類和親水端磷脂酸的極性有關(guān)，通常以芘探針法測定臨界膠束濃度表征其表面活性[6]。隨著界面張力儀的應(yīng)用開發(fā)，采用Wilhelmy吊片法[7]測定磷脂溶液的表面張力等溫線能夠獲得更多的分子性質(zhì)信息，如表面超量、臨界膠束濃度以及分子橫截面積等，這對于選擇磷脂種類、設(shè)計(jì)新型磷脂分子構(gòu)建新型藥物遞送系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 磷脂種類和分子結(jié)構(gòu)

在目前的藥學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，關(guān)于表面性質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容主要采用最大泡壓法測定乙酸的表面張力等溫線[8]。該實(shí)驗(yàn)研究體系簡單、測定方法單一，不能滿足現(xiàn)代教學(xué)要求。隨著新型表面活性劑的出現(xiàn)和科學(xué)測量儀器的進(jìn)步，及時更新教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，對于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)藥學(xué)創(chuàng)新人才具有重要意義。本文采用界面張力儀研究磷脂溶液的表面性質(zhì)，不僅能為磷脂的選擇應(yīng)用提供參考信息，還對于其他表面活性劑的評價具有一定的借鑒價值。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 使學(xué)生掌握界面張力儀的操作原理和使用方法；

(2) 學(xué)會數(shù)據(jù)處理，繪制表面張力等溫線，并計(jì)算磷脂的表面超量和分子橫截面積。

2 表面張力測量原理

Wilhelmy吊片法[7]測定液氣界面張力是基于垂直懸浮在界面中的鉑片上的拉力、表面張力、重力和浮力之間的平衡作用(如圖2所示)：

圖2 Wilhelmy吊片法測量原理示意圖

式中L為鉑片與液面接觸的周長，約為鉑片寬度的2倍；θ為接觸角，因鉑片經(jīng)過特殊處理，接觸角θ → 0，故cosθ ≈ 1；d為鉑片浸入液面的深度，實(shí)驗(yàn)過程中先將鉑片浸沒于溶液中，然后提升至浸沒深度d = 0時保持靜止，進(jìn)行測量。

因此，測量拉力F與表面張力σ的關(guān)系式為：

測量過程中，首先將鉑金片安裝在界面張力儀上，歸零，即F = mg，此時，σ = 0；當(dāng)鉑金片浸入樣品溶液后，界面張力儀測得F，經(jīng)過儀器內(nèi)算法的換算，溶液的表面張力可在界面張力儀中直接讀出。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 儀器和材料

二硬脂?；字Ｄ憠A(DSPC，MW= 790 Da，S01005，日本精化)和二棕櫚?；字Ｄ憠A(DPPC，MW= 733 Da，S01004，日本丘比) (上海艾偉拓醫(yī)藥科技有限公司)；氯仿、無水乙醇(北京市通廣精細(xì)化工公司)；樣品槽(C5227-60 mm，表面積S = 2.826 × 10-3m2，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，超純水系統(tǒng)(Synergy，法國密理博)；表面張力儀(Sigam703D，Biolin Scientific AB，瑞典)。

3.2 樣品溶液配制

分別準(zhǔn)確稱量DSPC和DPPC，以氯仿為溶劑配制2.0 mg?mL?1的DSPC和DPPC溶液。

3.3 溶液表面張力的測定

① 室溫(25 °C)下，將界面張力儀在空氣中調(diào)零，向樣品槽中加入40 mL超純水，升高樣品臺，使鉑金板浸入液面以下3 mm左右，然后緩慢降低樣品臺直到鉑金片下沿恰好與液面持平，待儀器示數(shù)穩(wěn)定，記錄數(shù)值，為水的表面張力；

② 用10 μL微量進(jìn)樣器在鉑金片附近水氣界面上加入1 μL樣品溶液(如圖3所示)，待儀器示數(shù)穩(wěn)定，記錄溶液的表面張力數(shù)值；

圖3 磷脂溶液動態(tài)表面張力測定示意圖

③ 重復(fù)步驟②，繼續(xù)在同樣位置加入1 μL樣品溶液，記錄溶液表面張力；直至隨加入樣品量增加，溶液表面張力不再顯著降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

④ 下降樣品臺，輕輕取下鉑金板，用乙醇清洗后再用酒精燈燒結(jié)處理后備用。用蒸餾水清洗樣品槽3次，加入超純水，重復(fù)步驟①、②、③，測定下一個樣品溶液。

3.4 數(shù)據(jù)處理

① 記錄加樣體積對應(yīng)的表面張力；

② 采用OriginPro 2019b軟件繪制樣品溶液的表面張力–加樣量(σ–m)曲線；

③ 在σ–m曲線表面張力快速下降區(qū)和穩(wěn)定區(qū)分別做線性關(guān)系擬合，解二元一次方程組求同解，得到磷脂溶液的最低表面張力σmin和飽和吸附質(zhì)量mmax(μg)；

④ 根據(jù)下式求算飽和吸附量Γm(mol?m?2)，以及估測磷脂分子橫截面積A (m2)。

其中MDSPC= 790 g?mol?1，MDPPC= 733 g?mol?1，S = 2.826 × 10-3m2。并通過式(4)計(jì)算磷脂分子的截面積。

其中LA= 6.02 × 1023mol?1。

4 結(jié)果和討論

4.1 DSPC和DPPC的表面張力等溫線

DSPC與DPPC在結(jié)構(gòu)上具有相同的親水基頭部，僅DPPC中兩條疏水基烴鏈較DSPC少2個亞甲基(分子結(jié)構(gòu)如圖4A所示)。以氯仿為溶劑，2.0 mg?mL?1的DSPC或DPPC持續(xù)加入至水中均造成溶液表面張力的迅速下降(如圖4B、C所示)，符合表面活性劑的表面張力曲線特征。

圖4 (A) DSPC和DPPC的分子結(jié)構(gòu)；(B) DSPC溶液表面張力等溫線；(C) DPPC溶液表面張力等溫線

4.2 DSPC和DPPC的表面性質(zhì)

根據(jù)DSPC和DPPC溶液表面張力等溫線，計(jì)算得到兩種磷脂的表面性質(zhì)參數(shù)，如飽和吸附質(zhì)量mmax、飽和吸附量為Γm和分子橫截面積A，如表1所示。

表1 DSPC和DPPC的表面性質(zhì)參數(shù)

從結(jié)果可見，與DSPC比較，DPPC飽和吸附量Γm較高，分子橫截面積較小，與其分子結(jié)構(gòu)相符合。DPPC分子橫截面積與Chaban V[9]采用計(jì)算模擬測得的結(jié)果相一致，說明測定方法具有一定的可靠性。

5 實(shí)驗(yàn)拓展建議

磷脂在水溶液中的溶解度較低，易溶解在氯仿、乙醇等有機(jī)溶劑中[5]。采用界面張力儀測定磷脂水溶液的表面張力，需先將其溶解在有機(jī)溶劑中，然后滴加在水相進(jìn)行測定[9]。有機(jī)溶劑的加入有可能對磷脂溶液表面張力測定產(chǎn)生一定的影響。本文選擇了氯仿作為溶劑來測定磷脂溶液的表面張力等溫線，在具體教學(xué)實(shí)踐中，也可以選擇乙醇作為溶劑進(jìn)行磷脂溶液表面張力等溫線的測定，進(jìn)行拓展性實(shí)驗(yàn)。也可以安排學(xué)生對采用氯仿和乙醇為溶劑測量的結(jié)果進(jìn)行比較，說明導(dǎo)致兩者的行為出現(xiàn)差異的原因。此外，改變磷脂的氯仿溶液的濃度，也會影響表面張力的測量。可以安排學(xué)生準(zhǔn)確稱量適量DSPC，以氯仿為溶劑配制10.0 mg?mL?1、2.0 mg?mL?1、0.4 mg?mL?1DSPC溶液，采用3.3小節(jié)方法測定溶液的表面張力，并安排學(xué)生分析溶液濃度影響表面張力測量的原因，加深對表面膜結(jié)構(gòu)模型及其對表面張力影響的理解。拓展實(shí)驗(yàn)可在12學(xué)時內(nèi)完成。

6 結(jié)語

以磷脂作為代表性表面活性劑，應(yīng)用界面張力儀測定了DSPC和DPPC溶液的表面張力等溫線，計(jì)算了相應(yīng)的表面性質(zhì)參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)操作性強(qiáng)、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好、實(shí)驗(yàn)體系穩(wěn)定，能夠在4學(xué)時內(nèi)完成。通過對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與科研前沿的對接，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與藥學(xué)的銜接更加緊密，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地理解表面活性劑的性質(zhì)，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過拓展實(shí)驗(yàn)，也可以將該實(shí)驗(yàn)拓展設(shè)計(jì)成綜合實(shí)驗(yàn)，探究溶劑的選擇對于磷脂溶液表面張力等溫線測定的影響，可以讓學(xué)生理解體系中的分子相互作用，學(xué)會為表面活性劑測定體系選擇合適的溶劑。對于培養(yǎng)學(xué)生探索表面活性劑功能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提高分析問題解決問題的能力具有積極的意義。