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玻璃化转变温度：基础及其在制药领域的应用

玻璃化转变温度（Tg）是用于改变药物与聚合物分子物理性质的重要工具。

部分结晶态及无定形态固体均会表现出Tg。加热过程中，某些固体熔化，若经

骤冷处理，不会结晶，而是转变为类似玻璃的无定形固体形态。这种玻璃化现象

的产生，源于在Tg温度下分子动态停滞并形成无序状态。玻璃态中的分子/原

子仅发生振动，而不存在平动与转动。从本质上看，在Tg温度下，玻璃态（玻

璃化、无定形）固体会转变为橡胶态（粘性液体）。分子结构变化、冷却速率、

添加剂引入等诸多因素均会对Tg产生影响。差示扫描量热法、弹性模量测定、

宽线核磁共振等技术，可用于测量物质的Tg。通过改变Tg，能够改善材料的溶

解性能、生物利用度，以及加工和处理特性。

关键词：无定形；结晶态；玻璃化转变温度

引言

近年来，制药行业的主要研究重点在于对现有药物分子的改造，而非耗费巨

额成本搜寻新化学实体（NCE）。通过对现有药物分子进行物理化学修饰以及改

进药物递送技术，可最大限度地发挥现有药物分子的生物制药效益。对于某些药

物分子和聚合物而言，玻璃化转变温度（Tg）是用于改变其物理性质的工具。

通过了解Tg，人们可将材料保持为结晶态或无定形态、粘性/橡胶态/过冷液态，

以及低粘性液态。当固体熔化时，会发生固-液转变。在对熔融固体进行骤冷时，

熔化的液体通过中间阶段（即过冷液体）转化为固体。随着温度显著下降，过冷

液体转变为玻璃态（无定形）固体。固体保持玻璃态的临界温度（低于该温度时

为玻璃态，高于该温度时变为粘性液态）即为Tg。结晶态固体向无定形态的转

变，主要目的是提高药物分子的溶解度。

玻璃化转变现象

玻璃化转变是部分结晶态和无定形态固体表现出的现象。若对这类固体加热，

它们不会熔化，骤冷时也不会结晶，而是转变为类似玻璃的无定形固体形态。当

相同的熔融液体以非缓慢速率冷却时，分子的动能不足以阻碍相邻分子的键合，

从而开始形成晶体。对于更有序的晶体系统的形成，分子必须从当前位置移动到

能量更优的位置。随着温度进一步下降，若冷却速率足够快，分子运动减缓，最

终无法到达能量更优的位置。此时，物质在特定温度（即Tg）发生动态停滞，

形成无序玻璃态。玻璃态中的分子/原子仅发生振动，不存在平动和转动。这种

结晶态固体转变为玻璃态的过程称为玻璃化。研究发现，该过程与冷却速率、熔

化温度下的纯净度、粘度，以及冷却时液体堆积与玻璃态或结晶态的相似性有关。

固体熔化过程（Tm）发生在高于Tg的温度。图1a和b展示了在Tg和Tm温度

下，横轴为给定热量、纵轴为温度的关系。³

图1：温度（T）与热量关系图；(a)熔点，(b)玻璃化转变温度

100%结晶聚合物的曲线不连续，存在由熔化温度导致的断点，该断点处固

体吸热但温度不上升，这部分热量称为熔化潜热。此处，曲线断点高温侧的斜率

更陡，对应热容的增加，斜率变陡反映熔点以上热容的增加。

对于图1b（100%无定形聚合物），加热的聚合物无断点。无定形固体仅在

玻璃化转变温度处显示斜率变化，斜率增加表明热容增加。尽管在Tg处可观察

到热容变化，但无定形固体没有断点和熔化潜热。

在Tg温度下，固体的硬度、体积、断裂伸长率和杨氏模量会发生变化。部

分聚合物在玻璃态（Tg以下）时，如聚苯乙烯、聚（甲基丙烯酸甲酯），质地

坚硬易碎，其Tg高于室温；部分聚合物在橡胶态（Tg以上）时，如聚异戊二烯、

聚丁苯橡胶等橡胶弹性体，质地柔软有弹性，其Tg低于室温。

固体的比容（Vsp）是另一个随温度变化而改变的因素，如图2所示。在该

图中，从Tm（熔点）开始，热量供应不会提升液体温度，反而仅有比容增加，

之后才缓慢出现温度上升。若以不同速率冷却这种熔融液体，会得到不同的Tg

（玻璃化转变温度）：快速冷却对应高Tg（Tg1），缓慢冷却则对应较低的Tg

（Tg2）。

图2：形成玻璃的固体的比容随温度变化关系图，其中Vsp为比容，Tm为熔点，Tg1和

Tg2为玻璃化转变温度

比热（Cp）是与固体相关的另一参数，其随温度变化而改变。从图3a可清

晰看到，过冷液体比热最大，且在接近Tg时降至较低值。比热快速下降的温度

取决于液体冷却速率，两种不同冷却速率会产生两条不同曲线。在比熵-温度图

（图3b）中，液体和过冷液体的斜率最大（此时Cp最大）。随着温度下降，

过冷液体与晶体的熵值迅速趋近。在液体熔化温度下，其熵值高于晶体，因