热力学方法在药学中应用

1热力学方法在药学中的应用李倩化学工程学院化工0303班200311081摘要本文通过对热力学在药物研究中的应用，叙述了物理化学在药学领域内的应用前景，并提示了新的边缘学科的广阔空间。论述了热力学在药物制剂研究中的方法和思路。热力学与药理学中受体研究相结合的思维方法。介绍了热力学在药物相互作用研究中的应用和对细菌的热力学研究。并介绍了物理化学在骨组织愈合及肌肉组织中的应用。关键词热力学应用物理化学自然科学有若干分支，其中以大量基本粒子构成宏观体系为研究对象的科学之一就有物理化学。热力学第二定律指出，大量粒子构成的孤立体系中，自发变化朝着消除差别、均匀，混乱度增加，作功能力减小的方向进行。本文试图通过热力学在药物研究中的应用，以说明物理化学中的热力学在药学领域内的应用前景。1.药物制剂热力学研究１.１药物晶型热力学特性与疗效自19世纪20年代发现磷酸钠有两种晶型以来，药物多晶型现象引起了人们极大的兴趣。尤其是本世纪60年代以后，由于人们对晶型进行了结晶化学和热力学方面的研究，加之生物药剂学的发展，从而对于药物的晶型变化以及晶型对药品质量与临床药效影响的认识逐渐深入，其重要意义日益受到人们的重视。１.2药物晶型热力学研究的实用价值1.2.1晶型不同的药物其理化性质可能有所不同。且生物利用度也可能有一定差别。药物的各种晶型之间可发生相互的变型，可分为两种变型：一种为单变过程(不可逆变型)；另一种为双变过程(可边变型)。对于单变型的两种晶型，在常温下必有一种较为稳定。药物品型的转变过程是相变及相平衡的物理过程，这一过程与其热力学特性密切相关。因此，在药物多晶型的研究中，不仅要检测出其不2同的晶型，而且还要搞洁多晶型在转型中的热力学关系。1.2.2有关晶型热力学参数如溶解热、熔化热、嫡及自由能等的测定，往往有助于选择适当的药物品型，并且对晶型稳定性的判别、晶型转型条件的控制以及生物利用度的提高等方面都有实际的价值。(1)用于药物晶型的研究。药物晶型不同会引起热输．自由能、熔点等热力学参数的不同。Abutar等人对甲灭酸与无味氯霉素的热力学数据进行比较时发现。在甲灭酸两种晶型中H比I具有稍高的溶解热，两者之间仪差4.18干焦/摩尔，自由能也仅比I型的大1.05干焦/摩尔；而无味氯霉素B型的镕解热比A型的高26.75干焦/摩尔，B型的自由能比A型的大3.24千焦/摩尔。所以，他们认为，甲灭酸z与H型之间的生物活镀没有什么差别，而无味霉8素A与B型之间却有显著的差异。据报道，溶解量热法现已用于研究At内酰胺抗生素、千氟唾嗓、消炎请和磺胺堕吐等药品的晶型差别。此外．熔点分析也是研究药品晶型转变的有力工具，因为不同晶型的药品往往只表现在熔点的不同上，用一船化学分桥方法是无法区分的。应用Dsc或DTA(差热分析法)不仅可区分不同的晶型，还可以观察药物晶型转变和熔化过程的变化。例如，无味氯8素晶型A与B的混合物Dsc曲线如图所示，可以看到在368K处有一个熔化吸热峰为B型，363K处有第二个熔化吸热峰为人型，若特镕化物冷却再测所得的结晶时，别仅显示358K的一个熔化吸热峰。(2)用于药物多晶型相对稳定性的研究。，在药构研究、模型设计到生产制备时，应该考虑药物晶型与稳定性、溶解度、生物利用度等方面的关系。由于亚稳定型易于转变为稳定型而影响疗效，故要采取有效措施来仿制转型，以保证药物的生物有效性。(3)用于控制药物品型措施的研究。在药品生产、使用及贮存过程中，注意按制药物晶型转型条件，可避免有效晶型转变为无效晶型或促使无效晶型转变为3有效晶型。综上所述，可以认为将药物晶型的热力学特性与人体内生物利用度的大小联系起来进行研究是一个很有意义的课题，这为探讨药物活性与药效的关系提供了三个很好的启示。1.3β一环糊精与阿斯匹林包合反应的热力学研究[1]由于阿斯匹林分子是部分地嵌入β-CD的空穴中，故使得β-CD的热运动受到限制，因而获得较大的烙变Av，同时由于β-CD包台物的形成使Ag被限制在β-凹空穴周围，因而亦产生较大的不利嫡变∆S。有利的烙变补偿了不利的嫡变，结果在所有温度下都可得到负的自由能变化(∆Go＝∆Ho—T∆So)，因而包合作用为一自发过程，包合作用是烙效应起支配作用。而AH。值又小于一般化学反应的数值，故可知包合作用无任何共价键形成，包合物分子间是通过氢镍、范得华力等作用而结合的。综上所述，阿斯匹林与p一环糊精形成包合物后能增加阿斯匹林的溶解度，其溶解度相图为水溶性丸型。包合作用的原动力是分子间氢键和范得华力等作用的结果，包合为阿斯匹林的应用提供一定参考价值．2.热力学在药理中的应用2.1药物—受体相互作用的热力学分析[1]药理学资料的热力学分析为了解其它技术得不到的药物—受体相互作用的分子过程提供了一个有力的方法。本其适用于分析—6物作用初始阶段信息从配体传导到生物系统。这种分析的内涵是对本局药物—受体相互作用的推动力的定量测定。另外，热力学分析的详细解释可为了解药物—受体相互作用的潘在机制(超出其它参数分辨能力)提供线索。2.2药理学资料的热力学分析是研究发生在药物—受体相互作用中的物理化学变化的一个革新方法。由于它早在70年代已用于放射标记配体结合资料中，所以热力学分析已为探明其它技术所不能得到的药物—受体相互作用的分子过程提供了一个大有潜力的方法，使人们能够精确测定药物—受体相互作用中比解离常数更重要的参数，可帮助澄清伴随药物—受体作用的分子过程，有助于阐明配体对受体“吸引”的力以及激动剂的效率。2.3钙阻抗剂的离子交换反应动力学和热力学研究[1]离子交换材脂是一种功能高分子材料，为研究某些药物离子的交换反应特性用以指导新型离子交换树脂控释给药系统的设计，选择钙通道阻滞剂盐酸维拉帕米和盐酸地尔硫卓作为模4型药物，以00l*7树脂作为药物载体，研究了该材脂与上述药物的交换反应动力学和热力学。结果表明，盐酸维拉帕米、盐酸地尔硫卓与001*7树脂的交换率随温度的升高而增加，温度升高可显著提高材脂的载药量。25℃交换反应达平衡时，两药物的平衡常数Kl分别为0.0527和0.5635，说明盐酸地尔硫卓易与树脂发生交换反应，即此树脂对药物的亲和力大；两药物与树脂交换反应的自由能变化∆G·(kJ/mol)分别为7.291和1.421，说明交换反应不能自发进行，交换反应热∆Hm。(kJ/mol)分别为85.36和58.28，说明交换反应为吸热反应，温度升高有利于向交换反应方向进行：交换反应嫡变∆S。＞0说明交换反应是熵变增加的反应。通过上述研究，可为新型离子交换树脂释药系统的设计提供坚实的理论基础。3.典型药物的热力学研究3.1聚乙二醇6000与青蒿素分散作用的热力学研究[1]青篙素(QHs)为新型抗疟疾药物．其水溶性、油溶性均较差。有文献报道QH5经与聚乙二醉6000(PEG—6D00)形成共沉淀物后，溶出速率有所增加,但热力学性质的研究末见报道。本实验通过对QH5表现溶解度的研究，进而计算其热力学参数．由热力学参数可控知分子分散作用的原动力，为QHS剂型研究等提供参考。由于QHS分子分散于PEG—6000中，分子之间的作用力披破坏，又有可能QHS与PEG—600D分子间形成氢镶作用的缘故．使得共沉淀物中的分子的热运动受到限制，因而获得较大的焓变△H。；同时由于QHS分子被限制在P2G—6000分子的中间，因而亦产生较大的负熵变△S。有利的焓变补偿了不利的熵变，结果在所试验的温度下都可得到负的自由能变化(△G＝△H一T△S)，因而共沉淀形成是一自发过程。分散作用是烙效应起支配作用，而且△H。值又较一般的化学反应为小，所以认为载体与药物分子之间具有氢镶、范德华力等综合作用，而无共价镶形成。综上所述QHS与PEG—6000形成共沉淀物后能够增加QHS的溶解度，其溶解度为水溶性AL型。分散作用的原动力是分子之间的氢镶和范德华力等作用的结果，制成的共沉淀物对QHS的制剂研究具有一定的参考价值。3.2普自卡因青蒿素的结晶热力学[1]晶溶液体系的超溶解特性的研究大致可分为间接法、直接法和诱导期法等三类?56，。随着测量技术的发展，各种更为精密的测量仪器以及更为先进的研究方法的应用，超溶解度的测定方法也有了崭新5的发展。激光法作为间接测定法之一，就是近年来出现的一种新方法，它具有灵敏度和准确度高、简便易行、适用范围广、动态响应快等优点。3.3水溶液中萘普生和阿斯匹林分子复合物的热力学研究水溶液中萘普生和阿斯匹林分子复合物的热力学研究内蒙古医学院学报1999年6月第21卷第2期陈理李峰确证萘普生随教阿斯匹林配体浓度增大，而溶解性呈线性增大的规律。通过紫外光谱法，用Job连续递变法，确定了它们之间分子复合物的形成比为1：1，测定了形成常数，推算了有关热力学常数，证实了阿斯匹林对落普生的增溶是彼此形成了分子复合物。4.细菌及其与药物的作用的热力学研究4.1Schiff碱药物与细菌作用的热力学研究[1]在不同温度条件下利用微量热法测定了大肠扦菌以及大肠杆菌在6种SchiH眩药制下的生长热谱，找出了该细菌生长的最佳生长温度，获得了该细菌在不同温度条件及抑制情况下生长代谢的速率常数．并借助化学反应中分子碰迪理论计算了该细菌生长的生长活化能．在此基础上借用化学反应速率的活化络合物理论模型对大肠杆菌生长代谢的生化反应进行了热力学分析．4.2布鲁氏茵脂多糖的热力学测定[1]应用几种热分析技术对布鲁氏茵的脂多糖进行了测定。发现布鲁氏茵的脂多糖具有一定的热谱特征，并据此获得了参试样品的热力学参数。它对于研究布氏茵的物理化学性质、结构特征以及布氏茵的分类鉴定都具重要意义。5.生物工程学中的热力学研究5.1骨愈合的生物热力学[1]细胞必须服从物理学和化学定律。力学法则及能量转化法则既适用于蒸汽机，也适用于细胞。有关骨的机械力学定律-Wlff定律己经建立一个世纪，该定律使得对骨组织结构、功能及其愈合、重建的方式得到了较为深入的了解，而使骨生物力学成为现代骨科学的基础学科之一。但关于骨能量代谢的学科尚未建立.成绩骨是高度有序的组织。其大体结构、显微、亚显微直至基质分子排列均严格遵棱特定的序列，这是以高度分化的细胞功能为前提的。根据热力学第二定律，6任何孤立的系统内无序的程度只能增加骨组织是身体的支架，不同部位的骨其承受的外力冲击量是惊人的。无论骨的结构多么完美，这些冲击量的累积将很快导致骨貉内在组成的完全破坏。但显然这一事实并未发生。当破坏性应力加于督路造成其序列完全中断对，骨组织能以内在的能力将其修复到损伤前的状态，这在死亡的骨路是不可思议的。从能力学上看这似乎违背了热力学定律。问题的答案是：骨是有生命的器官，细胞不是孤立系统。细胞与环境之间存在物质与能量交换。生物从摄台中获得负熵以维持内在的有序，通过生物能转化而使骨的愈合成为可能。此为骨愈合的热力学基础，也是有生命与无生命的根本差别。最有应用前景的为热成像技术用于骨愈合成骨代谢研究。人为恒温动物，但人体备部分温度不完全相同．由于生理或病理原因，局部组织的产热和放热条件不同，人体上有一定的温度分布图像，叫温度图。得到温度图的方法为热成像技术，所用的工具为热成像仪。使用热成像仪可在无任何损伤的前提下反映局部能量代谢及温度变化，从而获得骨愈合程度及代谢水平的参数，可望在不久的将来广泛应用于临床。5.2肌红蛋白和血红蛋白氧饱和度的热力学分析[1]用热力学分析方法对肌红蛋白和血红蛋白免饱和度进行分析。方法从热力学角度，利用Gibbs自由能、熵、内能等概念进行分析。结果得出了与试验结果及前人分析相符合的结果。结论利用热力学方法对肌红蛋白和血红蛋白氧饱和度进行分析是可行的。LuknStryerL从化学平衡的角度对肌红蛋白氧饱和度进行了分析，Hill引入了协作性的概念，也是从化学平衡的角度对血红蛋白氧饱和度进行了分析．都得出了基本上与试验结果相符合的结果。由于血液和组织液中的变化过程是等温等压过程，本文将从热力学角度建立热力学分析模型，利用Gibbs自由能、熵、内能等概念对肌红蛋白和血红蛋白氧饱和度进行分析，以助于研究肌体的生理状态。利