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(2)性质 ①化学反应性 纤维素分子中每个葡萄糖单元均有3个醇羟基，纤维素分子中 存在的大量羟基对纤维素的性质有决定性的影响，它们可以发生 氧化、醚化、酯化反应，分子间氢键，吸水润胀，接枝共聚等。 羟基的反应活性与其羟基类型有关。以酯化为例，伯醇羟基的反 应速度最快。 ②氢键的作用 纤维素大分子中存在大量的羟基，它们可以在纤维素分子内 或分子间形成缔合氢键，也可以与其他分子(如溶剂水及其他极 性物质 )形成氢键。一般来说，纤维素中结晶区内的羟基都已经 形成氢键，而在无定形区，则有少量没有形成氢键的游离羟基， 所以水分子可以进入无定形区，与分子链上的游离羟基形成氢键 ，发生膨化作用。当分子中纤维素氢键的破裂和重新生成时，对 纤维素物料的性质如吸湿性、溶解度以及反应能力等都有影响。
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(2)纤维素的物理结构改性 ①纤维素的物理结构改性与粉状纤维素 将植物纤维材料纤维浆，用17.5%NaOH(或24%KOH)溶液在 20℃处理，不溶解的部分(称α-纤维素)中包括纤维浆中的纤维素 与抗碱的半纤维素，用转鼓式干燥器制成片状，再经机械粉碎 即得粉状纤维素，又称纤维素絮。 粉状纤维素呈白色，无臭，无味，具有纤维素的通性，不同细 度的粉末的流动性和堆密度不一，国外有多种商品规格，其大小 从35-300μm不等，或呈粒状，在相对湿度为60%时，平衡吸湿量 大都在10%以下，特细的规格，吸湿量较大。粉状纤维素的聚合 度约为500，相对分子质量约为2.43×105，不含木素、鞣酸和树 脂等杂质。 粉状纤维素(powdered cellulose)美国、英国、欧洲及日本药典 已收载。
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③吸湿与解吸
在纤维素的无定形区，链分子中的羟基只是部分的形成氢键， 还有部分是游离的，这部分游离的羟基，易与极性水分子形成氢 键缔合，产生吸湿(水)作用。纤维素吸水后干燥的失水过程，称 为解吸。纤维素吸水后再干燥的失水量，与环境的相对湿度有关， 纤维素在经历不同湿度的环境后，其平衡含水量的变化存在滞后 现象。即吸附时的吸着量低于解吸时的吸着量，如下图所示。
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⑤降解 a. 热降解 纤维素原料在受热条件下，可发生水解和氧化降解。随加热温 度变化形成降解程度不同的产物。 在20～150℃，只进行纤维素的解吸(脱水蒸气，CO2、CO等吸 着物)； 150～240℃产生葡萄糖基脱水； 240～400℃则断裂纤维素分子中的苷键(C-O-C)和C-C键，产 生新的化合物(如焦油等)和低分子挥发性化合物； ≥400℃时，则纤维素结构的残余部分进行芳构化，逐渐形成石 墨结构，即石墨化。 b. 机械降解 纤维素原料经磨碎、压碎或强烈压缩时，受机械作用，纤维素 可发生降解，结果聚合度下降。机械降解后的纤维素比受氧化、 水解或热降解的纤维素具有更大的反应能力。
纤维素的分子构象及分子链内氢键的形成示意
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b. 碱水解 纤维素对碱在一般情况下是比较稳定的，但在高温下，也会产 生碱性水解。 2. 来源与物理改性 (1)来源 纤维素是植物纤维的主要组分之一，广泛存在于自然界中，占 植物界碳含量的50%以上。全世界年生成量约1000亿吨。。药用 纤维素的主要原料来自棉纤维，少数来自木材。棉纤维含纤维素 91%以上，木材含纤维素较低，约在40%以上。研究表明，不论 是棉花或木材所含的纤维素，其天然状态具有近乎相同的平均聚 合度(约10000左右)，经受蒸煮或漂白过程，纤维素的聚合度会 显著下降。
纤维素经醋酸酯化后，分子结构中多了乙酰基，只保留少量羟 基，降低了结构的规整性，因此，其耐热性提高，不易燃烧，吸 湿性变小，电绝缘性提高。根据取代基的含量不同，其在有机溶 剂中的溶解度差异很大，不同类型的醋酸纤维素在药剂学常用的 有机溶剂中的溶解度见下表。
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醋酸纤维素或二醋酸纤维素比三醋酸纤维素更易溶于有机溶剂。 醋酸纤维素的乙酰基含量下降，亲水性增加，水的渗透性增加， 三醋酸纤维素含乙酰基量最大，熔点最高，因而限制它与增塑剂 的配伍应用，并且也限制了水的渗透性。国产的二醋酸纤维素在 25℃、相对湿度95%时，吸水量约10%，熔点在260℃以上(同时 分解)。
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⑥水解性 a．酸水解 与淀粉(特别是直链淀粉)分子中苷键(α-1,4-苷键)在酸性条件下 水解相比，纤维素分子中苷键要稳定的多。后者需要在浓酸(常用 浓硫酸或浓盐酸)催化或较高温度条件下，才能与水作用，形成相 应的降解产物。其机理可能是纤维素分子构象(见下图)中，前一 个吡喃葡萄糖基的1位氧(具孤对电子)与后一个吡喃葡萄糖基4位 羟基氢形成分子内氢键缔合，使苷键原子处于相对封闭状态，结 果在水解时氢质子不易接近苷键氧原子，需要破坏这部分氢键即 在更为激烈的条件才能使纤维素的β-1,4-苷键开裂。
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(2)制备
醋酸纤维素系将纯化的纤维素为原料，以硫酸为催化剂，加过 量的醋酐，使全部酯化成三醋酸纤维素，然后水解降低乙酰基含 量，达到所需酯化度的醋酸纤维素由溶液中沉淀出来，经洗涤、 干燥后，得固态产品，其酯化反应式如下。
(3)应用 醋酸纤维素和二醋酸纤维素常供药用，缓释和控释包衣材料多 用后者。缓释和控释制剂所用的二醋酸纤维素的平均相对分子质 量约为50000，为白色疏松小粒、条状物或片状粉末，无毒，不 溶于水、乙醇、碱溶液；溶于丙酮、氯仿、醋酸甲酯和二氧六环 等有机溶剂，溶液有良好的成膜性能。与同样方法制得的乙基纤 维素膜相比更牢固和坚韧。
第三节 纤维素及其衍生物
一、纤维素 1. 纤维素的结构与性质 (1)化学结构 纤维素(cellulose)大分子的结构单元是D-吡喃式葡萄糖基。每 个纤维素分子是由Mr/162=n个葡萄糖基构成，其分子式为 (C6H10O5)n。式中n为葡萄糖基数目，称为聚合度，n的数值为几 百至几千乃至一万以上，随纤维素的来源、制备方法和测定方法 而异。纤维素分子为极长链线型多糖高分子化合物，它与直链淀 粉相似，没有分枝。
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纤维素大分子的D-葡萄糖基间互以β-1,4-苷键连接，其证明是 纤维素水解过程中会先形成一些中间产物，如纤维素四糖、纤 维素三糖和纤维素二糖等，这些水解中间产物相邻的两个葡萄 糖基是以β-1,4-苷键结合而成的，其链结构如下所示。
纤维素分子中处于两个末端的葡萄糖基性质不同，对整个纤 维素分子来说，一端具有还原性的隐形醛基，另一端没有，故 整个大分子具有极性并呈现出方向性。
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PH 型 Avicel 又根据其粒度大小分为 PH-101 、 PH-102 和 PH103等，其中PH-101最常用，PH型Avicel具有改善粉体压缩成 型性、流动性的作用，且具有良好的混合性和吸附性。 Avicel PH还有一些新的型号，其对于片剂的成形性、崩解性 都具有不同程度的提高。PH-102具有PH-101同样的成形性、崩 解性，由于平均粒径增大为100μm，流动性得到改善。 微晶纤维素是其系列产品的总称。型号和种类繁多的微晶纤维 素给药用辅料的选用提供了多样性。
微晶纤维素PH型广泛用作口服片剂及胶囊剂的稀释剂和吸附 剂，常用浓度为20%-90%，适用于湿性制粒及直接压片； 用作崩解剂时的浓度为5%-15%，用作抗黏附剂的浓度为5%20%。 微晶纤维素的另一重要应用是用作药物制剂的缓释材料。
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二、纤维素衍生物 在历史上，无机酸酯--硝酸纤维素是最早被合成的酯，第一 个被应用于生命科学领域的是有机酸酯--醋酸纤维素。 纤维素的结构改造一般是按葡萄糖单体中三个羟基的化学反 应特性(酯化、醚化、交联和接枝)来分类。 在药剂学领域中被应用的纤维素衍生物的结构通式见下图， 这些化学改性的纤维素不仅能大大改善药物剂型的加工，而且 显著影响药物传递过程。
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国外市场上还有RC型微晶纤维素，称为胶态纤维素或可分 散纤维素，也是把水解后的α-纤维素作为原料，用机械磨碎 法破坏天然存在的聚集体，使其成为微细的结晶，为了防止 干燥时的再凝聚，常与亲水性分散剂(如含8.5%-11%的羧甲 基纤维素钠)一起磨碎，然后干燥制成。 b. 种类与性能
不同的原料和不同的加工工艺，制得的微晶纤维素具有不同 的性质和性能，形成了国内外市场上各种商品牌号的微晶纤维 素。常见的牌号有Avicel(美国)、KC-W和RC-N(日本)、SolkaFlok(意大利)等。而同一牌号又分为不同的型号，如FMC公司 (美国)生产的商品Avicel有PH型和RC型之分。
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分散性：微晶纤维素在水中经强力搅拌或匀质器作用，易于 分散生成奶油般的凝胶体。胶态微晶纤维素因含有亲水性分散 剂，在水中能形成稳定的悬浮液，呈白色、不透明的“奶油” 或凝胶状。
反应性能：与纤维素相似，微晶纤维素不溶于稀酸、有机溶剂 和油类，但在稀碱液中少部分溶解，大部分膨化。但与一般纤维 素溶解浆相比，尽管微晶纤维素有较高的结晶度，却在羧甲基化、 乙酰化、酯化过程中表现出较高的反应性能，这对于制备化学改 性的纤维素衍生物极为有利，可使生产中原材料消耗下降，反应 条件温和，经济效益提高。
某种纤维素的脱水吸附滞后现象
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④溶胀性 纤维素在碱液中能产生溶胀，这一点在纤维素衍生物的合成 上有很大的意义。 纤维素的有限溶胀可分为结晶区间溶胀和结晶区内溶胀。 纤维素溶胀能力的大小取决于碱金属离子水化度，碱金属离 子的水化度又随离子半径而变化，离子半径越小，其水化度越 大，如氢氧化钠的溶胀能力大于氢氧化钾； 纤维素的溶胀是放热反应，温度降低，溶胀作用增加； 对同一种碱液并在同一温度下，纤维素的溶胀随其浓度而增 加，至某一浓度，溶胀程度达最高值。
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微晶纤维素为高度多孔性颗粒或粉末，呈白色，易流动。不溶 于水、稀酸、氢氧化钠液和大多数有机溶剂。具有压缩成型作用、 黏合作用和崩解作用。
可压性：微晶纤维素具有高度变形性，可被压制成有一定形状 和坚实程度的压缩物，极具可压性。一般以压制的片剂的硬度衡 量可压性。 吸附性：微晶纤维素具有较大的比表面积，且比表面积随无定 形区含量的增高而增大，它可以吸附其他物质如水、油和药物等。 一般微晶纤维素可吸收2-3倍量的水，1.2-1.4倍量的油，对药物也 有较大的容纳性。微晶纤维素吸水可膨胀，使成型的片剂崩解。
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②纤维素的物理结构改性与微晶纤维素 a. 来源与制法 植物纤维由千百万微细纤维所组成，在高倍电子显微镜下可 见微细纤维存在两种不同结构区域，一是结晶区，另一是无定 形区。将结晶度高的纤维经强酸水解除去其中的无定形部分， 所得聚合度约为220，相对分子质量约为36000的结晶性纤维即 为微晶纤维素。 目前，国内外商业微晶纤维素的制法如下：将细纤维所制得的 α-纤维素，用2.5mol· L-1盐酸在105℃煮沸15min，除去无定形部 分，过滤，结晶用水洗及氨水洗，再经剧烈搅拌分散，喷雾干燥 形成粉末状微晶纤维素 。这种微晶纤维素广泛用于固体制剂以 改善粉体的性能，国外市场上称为PH型微晶纤维素，中国药典 (2000年版)二部已收载。