ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΣΜΟΥ ΙΞΩΔΟΥΣ IEK ΑΜΑΡΟΥΣΙΟΥ Τμήμα: Τεχνικός Φαρμάκων Καλλυντικών και Παρεμφερών Προϊόντων Εξάμηνο: Γ Εργαστήριο Φαρμακευτικής Φυσικής ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΣΜΟΥ ΙΞΩΔΟΥΣ Αθήνα 2012

1. Τριχοειδικά ιξωδόμετρα Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στη μέτρηση της ταχύτητας ροής των προς εξέταση υγρών, διαμέσου τριχοειδών σωλήνων, υπό την επίδραση της βαρύτητας ή εξωτερικός εφαρμοζόμενης πιέσεως. Είναι όργανα που χρησιμοποιούνται για τα νευτωνικά υγρά Δύο τύπους κυρίως χρησιμοποιούμαι: Ιξωδόμετρο Ostwald Ιξωδόμετρο Ubbelohde.

1.2 Ιξωδόμετρο Ostwald Το ιξωδόμετρο αυτό είναι σωλήνας τύπου U που στο ένα σκέλος του σχηματίζει στένωση (τριχοειδής σωλήνας) μέσα από την οποία διέρχεται το προς μελέτη υγρό (Σχήμα). Στην πράξη το υγρό εισέρχεται στο ιξωδόμετρο διαμέσου του σκέλους (Β), μέχρις ότου το επίπεδο φτάσει στο σημείο (Ζ). Για να μη διαβρεχτούν τα τοιχώματα του σωλήνα (Β), πάνω από τη χαραγή (Ζ), η εισαγωγή γίνεται με ένα λεπτό σιφώνιο. Εν συνεχεία το ιξωδόμετρο στερεώνεται σε ένα λουτρό σταθερής θερμοκρασίας και αφού ρυθμιστεί ο όγκος του διαλύματος, μετά την αποκατάσταση της θερμοκρασίας, το υγρό με εμφύσηση ή αναρρόφηση μεταφέρεται στο σκέλος (Α), μέχρις ότου ο μηνίσκος φτάσει στο σημείο (Χ). Ακολούθως αφήνεται να περάσει ελεύθερα από το (α) στο (β) μέσα από τη στένωση και μετράται ο χρόνος που απαιτείται για να μεταβεί ο μηνίσκος από τη χαραγή (Χ) στη χαραγή (Ψ).

1.2 Ιξωδόμετρο Ostwald

1.3 Ιξωδόμετρο Ubbelohde Αποτελεί τροποποίηση του ιξωδομέτρου τύπου- U του Ostwald. To Ιξωδόμετρο αυτό διαθέτει και τρίτο σκέλος (Γ) (Σχήμα) και με αυτό τον τρόπο αποφεύγονται οι δυσκολίες που παρουσιάζονται με την ρύθμιση του όγκου του υγρού ξανά στο ιξωδόμετρο κατά τη λήψη σειράς μετρήσεων σε διάφορες θερμοκρασίες.

1.3 Ιξωδόμετρο Ubbelohde

1.4 Υπολογισμός του ιξώδους Ο υπολογισμός του ιξώδους σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα αυτής της μεθόδου γίνεται με τη χρήση της εξίσωσης του Poiseuille: u= V/t= π ΔP r4/ 8 n l Όπου u= ταχύτητα ροής, V= ο όγκος του υγρού που ρέει σε χρόνο t, t= ο χρόνος ροής, ΔP= η διαφορά πίεσης μεταξύ των άκρων του σωλήνα, l= μήκος του σωλήνα, r= ακτίνα του σωλήνα και n= ο συντελεστής ιξώδους του υγρού Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να μετασχηματιστεί στην n= K ρ t Το δε κινηματικό ιξώδες δίνεται από τον τύπο n= Κ t όπου Κ= σταθερά του ιξωδομέτρου σε s/ sec ή cm2/ sec2

1.3 Υπολογισμός του ιξώδους Άσκηση Ο προσδιορισμός του ιξώδους ενός δείγματος υγρού, που έχει πυκνότητα 1.12 g/cm3, γίνεται με τη χρήση ιξωδομέτρου τύπου Ostwald, με σταθερά Κ= 5.10-4 s/sec. Υπολογίστε α) το ιξώδες του υγρού και β) το κινηματικό του ιξώδες αν ο χρόνος που απαιτείται για να περάσει το υγρό μέσα από τον τριχοειδή σωλήνα του ιξωδομέτρου, είναι 12 min. Λύση: Α) n= K ρ t= 5 10-4 X 1.12 X 12 X60sec= 0,4032 p ή 40,32 cp B) n= K t= 5 10-4 X 12 X 60 sec= 0,36 s ή 36 cs

2. Περιστροφικά Ιξωδόμετρα Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στη μέτρηση της ταχύτητας μετατοπίσεως ή της δύναμης μετατοπίσεως υγρών. Τα περισσότερα εύχρηστα είναι: Τα ιξωδόμετρα ομόκεντρων κύκλων Τα ιξωδόμετρα κώνου- πλάκας στην ίδια κατηγορία ανήκουν και τα Ιξωδόμετρα βασιζόμενα στο νόμο του Stoke

2.1 Ιξωδόμετρα ομόκεντρων κύκλων Ένα απλό παράδειγμα του τύπου αυτού φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί: Ο εξωτερικός κύλινδρος που είναι και ο περιέκτης του προς εξέταση υγρού μπορεί να περιστρέφεται με μεταβαλλόμενη ταχύτητα. Ο εσωτερικός κύλινδρος, αιωρείται ελεύθερα, με τη βοήθεια σύρματος που μπορεί να συστρέφεται.

2.1 Ιξωδόμετρα ομόκεντρων κύκλων Όταν περιστρέφεται ο εξωτερικός κύλινδρος, το υγρό που βρίσκεται μεταξύ των δύο κυλίνδρων χώρο κινείται, με ταυτόχρονη μετάδοση ροπής στρέψεως στον εσωτερικό κύλινδρο. Η προκύπτουσα που εξασκείται στον εσωτερικό κύλινδρο, καταγράφεται σε ειδικά προσαρμοσμένο καταγραφέα. Με την προϋπόθεση ότι κατά τον προσδιορισμό, λαμβάνει χώρα συνεχής ροή του υγρού υπό μορφή λεπτής στιβάδας, μπορεί να υπολογιστεί το ιξώδες του από τον τύπο: n= c M/ 4πhω (1/ r12- 1/r22) όπου M= ροπή στρέψεως, c= σταθερά στρέψεως του σύρματος, h= ύψος του εσωτερικού κυλίνδρου, ω= γωνιακή ταχύτητα εξωτερικού κυλίνδρου (rpm), r1, r2= ακτίνες εσωτερικού και εξωτερικού κυλίνδρου

2.1 Ιξωδόμετρα ομόκεντρων κύκλων Στην περίπτωση συγκεκριμένου ιξωδομέτρου οι τιμές c, h, r1 και r2 είναι σταθερές και επομένως η προηγούμενη εξίσωση γίνεται: n= M/ ω x c / 4πh (1/ r12- 1/r22)= K M/ω Κ= σταθερά του οργάνου Τα ιξωδόμετρα αυτά χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του ιξώδους σε μη νευτωνικά συστήματα εμφανίζοντας κάποια μειονεκτήματα όπως: α) θερμότητα τριβής, β) ανομοιόμορφη ταχύτητα μετατόπισης, γ) απώλειες της ροπής στρέψεως, κλπ. Γι’ αυτό χρησιμοποιούνται συντελεστές διόρθωσης που προσδιορίζονται πειραματικά σε κάθε περίπτωση.

2.2 Ιξωδόμετρο κώνου- πλάκας Αυτός ο τύπος όπως φαίνεται και στο σχήμα αποτελείται από ένα ελαφρώς κωνικό δίσκο, η κορυφή του οποίου μόλις αγγίζει μια επίπεδη πλάκα. Η πλάκα αυτή περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα και μετράται η ροπή στρέψεως που μεταδίδεται διαμέσου του δείγματος, στον κώνο.

2.2 Ιξωδόμετρο κώνου- πλάκας Το ιξώδες μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση: n= 3θ/2πr3 M/ω Όπου θ= γωνία μεταξύ κώνου και πλάκας, r= ακτίνα του κώνου, Μ= ροπή στρέψεως του κώνου, ω= γωνιακή ταχύτητα της πλάκας (rpm) Επειδή οι τιμές θ και r για συγκεκριμένο ιξωδόμετρο είναι σταθερές η παραπάνω εξίσωση γράφεται: n=K M/ω Όπου Κ= σταθερά του οργάνου

2.2 Ιξωδόμετρο κώνου- πλάκας ΑΣΚΗΣΗ Για το προσδιορισμό του ιξώδους ενός κολλυρίου διαλύματος υδρόξυ-αιθύλ κελουλόζης χρησιμοποιείται ιξωδόμετρο κώνου- πλάκας. Υπολογίστε το ιξώδες του όταν η γωνιακή ταχύτητα της πλάκας είναι 65 rpm και η ροπή στρέψεως του κώνου είναι 125. H K του οργάνου είναι 1.3. Λύση: n= 1,3 X 125/65= 2.5 poise

2.2 Ιξωδόμετρα με βάση το νόμο του Stokes Στο σχήμα που ακολουθεί εμφανίζεται ένα τέτοιο ιξωδόμετρο. Η λειτουργία αυτού του ιξωδομέτρου αυτού βασίζεται στο νόμο του Stokes, που αναφέρει ότι το σώμα που πέφτει διαμέσου υγρού υφίσταται αντίσταση από αυτό. Τροφοδοσία: ελεύθερη όπου το υλικό τροφοδοτείται με σχετικά χαμηλό ρυθμό, ώστε το προϊόν να απομακρύνεται εύκολα από τη συσκευή και Σαγγαλιστική όπου η μηχανή διατηρείται γεμάτη και εμποδίζεται η εκφόρτωση του προϊόντος, οπότε το υλικό θα παραμένει μέσα στο θραυστήρα για μεγαλύτερη χρονική περίοδο. Όταν το υλικό περνά μία φορά έχουμε τη διεργασιά ανοικτού κυκλώματος, ενώ όταν το προϊον παραμενη εντός του θραυστικού με τα σπασμένα σωμάτια να επανατροφοδοτούνται για άλεση τότε μιλάμε για κλειστού κυκλώματος θραύση.

2.2 Ιξωδόμετρα με βάση το νόμο του Stokes Υπό την επίδραση της βαρύτητας αρχικά λαμβάνει χώρα επιταχυνόμενη κίνηση, στη συνέχεια όμως η κίνηση γίνεται ομαλή, όταν η δύναμη της βαρύτητας εξισορροπηθεί από την αντίσταση του υγρού. Οπότε το ιξώδες προκύπτει από τον τύπο: n= d2g(ρ- ρ’)/ 18u όπου d= διάμετρος σφαίρας g= επιτάχυνση της βαρύτητας ρ= πυκνότητα σφαίρας ρ’= πυκνότητα υγρού u= h/t οριακή ταχύτητα πτώσεως σφαίρας

2.3 Επίδραση της θερμοκρασίας στο ιξώδες Το ιξώδες συνήθως μειώνεται με την ανύψωση της θερμοκρασίας. Η μείωση του ιξώδους είναι από 1 μέχρι 10% ανά βαθμό κελσίου. Το αντίθετο αποτέλεσμα μπορεί να συμβεί σε αρκετές περιπτώσεις υδατικών διαλυμάτων συνθετικών πολυμερών όπως της μεθυλ-κελλουλόζης που με την αύξηση της θερμοκρασίας σχηματίζει γέλη Η μείωση του ιξώδους που παρατηρείται με την αύξηση της θερμοκρασίας, ως επί το πλείστον, συχνά εκφράζεται από την εξίσωση: n= Ae B/RT Όπου Α και Β είναι σταθερές για δεδομένο υγρό R= σταθερά των αερίων Τ= απόλυτη θερμοκρασία

3. Ιδιότητες ροής συστημάτων διασποράς Η παρουσία διεσπαρμένων σωματιδίων, σε ένα υγρό μέσο διασποράς, προκαλεί παραμόρφωση στην ομαλότητα της ροής του υγρού γύρω από τα σωματίδια, στα οποία αντίθετα προκαλείται πρόσθετη κατανάλωση ενέργειας. Το ιξώδες του συστήματος επομένως αυξάνει. Μία ποσοτική έκφραση αυτού του αποτελέσματος παρέχει η εξίσωση του Einstein: n/ no= (1+ 25φ) Όπου: n= Ιξώδες του συστήματος διασποράς no= Ιξώδες του υγρού μέσου διασποράς φ= V1/V2 (V1 ο όγκος της διασπαρμένης φάσης και V2 ο συνολικός όγκος του συστήματος) Η χρήση της εξίσωσης αυτής περιορίζεται σε συστήματα διασποράς όπου τα διεσπαρμένα σωματίδια είναι σφαιρικά και ομοιόμορφα

3. Ιδιότητες ροής συστημάτων διασποράς Άσκηση Nα βρεθεί το ιξώδες, ενός συστήματος διασποράς, που σε 25 ml αυτού έχουν διασπαρθεί 2.875 g στερεού υπό μορφή σφαιρικών σωματιδίων πυκνότητας 1.15 g/cm3, όταν το ιξώδες του υγρού μέσου διασποράς είναι 25 cp. Λύση Το σύστημα θεωρείται ιδανικό οπότε εφαρμόζουμε την εξίσωση: φ= V1/ V2= (m/ρ)/V2= (2.875/1.15)/25= 0.1 p-1 n= no(1+2.5φ)= 0.25(1+2.5 Χ 01)= 0.25 Χ 1.25= 0.3125 poise ή 31.25 cp

4. Ρεολογικές Ιδιότητες εναιωρημάτων Τα περισσότερα συστήματα είναι θιξοτροπικά (πλαστικά ή ψευδοπλαστικά) συστήματα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός θιξοτροπίας τόσο βραδύτερος είναι ο ρυθμός καθίζησης των σωματιδίων, δηλαδή τόσο σταθερότερο είναι το εναιώρημα. Οι ρεολογικές ιδιότητες των εναιωρημάτων έχουν ιδιαίτερη σημασία κατά την παρασκευή φαρμακοτεχνικών σκευασμάτων της μορφής αυτής. Οι ιδιότητες αυτές θα πρέπει να είναι τέτοιες ώστε: α) Το παρασκεύασμα να χορηγείται εύκολα στον ασθενή (εύκολη λήψη δόσεως από τον περιέκτη ή εύκολη έγχυση διαμέσου βελόνας σύριγγας)

4. Ρεολογικές Ιδιότητες εναιωρημάτων Β) Να αποφεύγεται η καθίζηση, ή όταν λάβει χώρα να είναι εύκολη η επαναπαιώρηση του ιζήματος και να παραμένει έτσι τουλάχιστον μέχρι τη λήψη της δόσης. Γ) Το παρασκεύασμα να έχει καλή εμφάνιση και την ίδια για όλες τις παρτίδες. Για τη λήψη εναιωρημάτων με τις παραπάνω ιδιότητες χρησιμοποιούνται διάφοροι παράγοντες διαβροχής και διασποράς ή συνδυασμός τους που επιλέγεται πειραματικά στην εκάστοτε περίπτωση.

5. Ρεολογικές Ιδιότητες γαλακτωμάτων Πολύ αραιά γαλακτώματα έχουν Νευτωνικές ιδιότητες. Όσο πυκνότερη είναι η σύσταση τους εμφανίζουν ψευδοπλαστικό ή πλαστικό χαρακτήρα με υψηλή τιμή υποχωρήσεως, όπως είναι πολλά φαρμακευτικά γαλακτώματα. Όλα τα παραπάνω συστήματα χαρακτηρίζονται ότι κατά την ηρεμία είναι πυκνόρρευστα, γίνονται λεπτόρρευστα με την εφαρμογή δύναμης μετατόπισης για να επανέρθει στην πυκνή σύστασης στην κατάσταση ηρεμίας. Οι ιδιότητες αυτές είναι επιθυμητές για τον καταναλωτή, γιατί εξασφαλίζουν την συνεκτικότητα του σκευάσματος, όταν βρίσκεται στον περιέκτη ή πάνω στο δέρμα, επιτρέποντας όμως σε αυτό να ρέει εύκολα από τον περιέκτη όταν χρειάζεται να ληφθεί μία δόση φαρμάκου ή να απλώνεται στο δέρμα με μέτρια τριβή.

Βιβλιογραφία Φαρμακευτική τεχνολογία 1, Κο 10, Παπαϊωάννου Γ.