利用太赫兹光谱技术探究水对PVP/VA分子迁移率的影响

《Molecular Pharmaceutics》：Probing the Influence of Water on the Molecular Mobility of PVP/VA using Terahertz Spectroscopy

　　湿度对聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物（PVP/VA）分子动力学及玻璃化转变温度（Tg）的影响研究。采用太赫兹时间域光谱（THz-TDS）和差示扫描量热法（DSC）分析不同湿度（8.5%-75%）下PVP/VA的吸水特性及动态变化，发现水分显著降低Tg（从367 K降至275 K），并通过非线性温度依赖吸收系数揭示水分子与PVP/VA的氢键作用及分子扩散机制，证实低水平吸湿即可大幅提升聚合物链运动能力，为固体分散体稳定性评估提供新方法。

　　水的存在对无定形固体分散体（ASDs）的物理稳定性具有深远影响，主要通过改变聚合物分子的运动性来实现。本研究聚焦于分析低水平吸水对无定形聚（乙烯基吡咯烷酮-共聚-乙烯基乙酸酯）（PVP/VA）的分子动力学和玻璃化转变行为的影响。PVP/VA是一种在制药领域广泛应用的共聚物，因其在提高药物溶解度和生物利用度方面的潜力而受到重视。然而，由于其无定形结构的热力学不稳定性，这类材料容易发生药物晶体化，从而影响其有效性。因此，深入理解水对聚合物结构和动态特性的影响对于设计稳定且有效的药物配方至关重要。

为了探讨这一问题，研究团队采用了一种结合变量温度太赫兹时域光谱（THz-TDS）和差示扫描量热法（DSC）的多维分析方法。通过将PVP/VA样品在不同相对湿度（RH 8.5%至75%）下进行条件处理，并在80至420 K的温度范围内进行THz-TDS测量，研究者能够揭示水分对分子运动性的影响。DSC结果确认了水分的塑化效应，显示随着水分的增加，玻璃化转变温度（Tg）显著下降，从367 K降至275 K。这表明，水分的吸收不仅改变了聚合物的物理状态，还对分子运动性产生了重要影响。

THz-TDS作为一种非侵入性分析工具，其在分子动力学研究中的应用具有独特优势。THz光谱能够灵敏地捕捉分子结构、分子间振动和水合状态的变化。在本研究中，THz吸收系数与水分含量之间的线性关系在低温下尤为显著，表明THz-TDS能够有效反映水分对聚合物动态行为的影响。此外，THz数据还揭示了水分在不同温度区间对聚合物结构的复杂影响，包括吸收峰的红移和振幅的变化，这些现象可能与水分与聚合物之间的氢键相互作用有关。

研究发现，即使在名义上干燥的样品中，仍然存在高温度下的吸收平台，这可能意味着有紧密结合的残留水分。而随着水分含量的增加，样品中开始出现更多松散结合的水分，这些水分在加热过程中更容易蒸发。通过将THz数据与DSC结果相结合，研究者进一步分析了水分对聚合物运动性的增强作用。特别是在较高水分含量的样品中，这种增强作用可能达到饱和极限，表明水分对聚合物动态行为的影响存在一定的阈值。

此外，研究还通过拟合函数对THz吸收数据进行了分析，以提取水分对分子运动性的影响。拟合函数α(T) = AT + B + C/T揭示了与Tg和子Tg动态（T12和T23）相关的特征温度，这些温度对水分含量高度敏感。随着水分含量的增加，T12（低到中间温度的交点）呈系统性下降，而T23（中间到高温度的交点）则表现出先下降后上升的趋势，这可能与样品在高温下的物理变化有关，如微裂纹或空隙的形成，这些变化可能影响THz信号的测量。

研究还通过分析吸收系数的自然对数与温度之间的关系，分离出水分蒸发和聚合物运动性的贡献。蒸发速率和运动速率的计算表明，水分不仅增加了基线吸收，还显著增强了聚合物运动性随温度变化的敏感性。随着水分含量的增加，运动速率呈现上升趋势，尤其是在较高水分含量的样品中，运动速率的增加可能达到饱和状态，表明水分对聚合物运动性的促进作用存在一定的极限。

综上所述，本研究通过THz-TDS和DSC的结合，揭示了水分对PVP/VA分子动态行为的复杂影响。水分的存在不仅改变了聚合物的玻璃化转变温度，还通过增强分子运动性影响了无定形系统的稳定性。这些发现为理解水分在制药材料中的作用提供了新的视角，并为优化药物配方的稳定性提供了科学依据。THz-TDS作为一种非破坏性的分析技术，能够提供分子层面的动态信息，这对于评估无定形固体分散体的长期稳定性具有重要意义。