《Journal of Molecular Liquids》：Effects of alcohols and diols on the micellization and interfacial behavior of Solutol? HS15 in industrial formulation engineering
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本研究系统探究了不同链长醇和二醇对Solutol? HS15非离子表面活性剂胶束化、结构特征及界面行为的影响。通过整合云点分析、动态光散射、小角中子散射、氢核磁共振及表面张力测量，揭示了分子结构、疏水性及氢键能力如何调控胶束稳定性和形态。短链醇（如乙醇、丙醇）通过增强聚氧乙烯链段水合作用提高云点并减小胶束尺寸；而中长链醇（丁醇、己醇、辛醇）通过增强疏水相互作用促进胶束膨胀并降低云点。相反，二醇通过形成广泛的氢键网络显著稳定胶束、增加云点并提升表面弹性。温度变化进一步诱导胶束形态从球形向椭球形转变。实验结果为设计具有优化溶解性、稳定性和界面性能的表面活性剂基制剂提供了分子机制依据，适用于制药、化妆品及工业领域。
Kinjal Solanki | Deep Bhalani | Olga Yu. Milyaeva | Ketan Kuperkar | Sugam Kumar | Vinod K. Aswal | Sadafara A. Pillai
印度古吉拉特邦苏拉特市Kosamba地区，Biltech附近，GETCO，NH-8号公路，P P Savani大学科学学院，邮编394125
摘要
本研究系统地探讨了不同链长的醇类和二醇类物质对非离子表面活性剂Solutol? HS15的胶束化、结构特性及界面行为的影响。通过结合浊点分析、动态光散射（DLS）、小角中子散射（SANS）、1H核磁共振（1H NMR）光谱和表面张力测定的综合实验方法，阐明了这些添加剂的分子结构、疏水性和氢键能力如何调节胶束的稳定性和形态。短链醇类如乙醇和丙醇通过增强聚氧乙烯链段的水合作用提高浊点并减小胶束尺寸，而中链和长链醇类（包括丁醇、异丁醇、己醇和辛醇）则能渗透到疏水核心中，促进胶束膨胀并降低浊点。相比之下，二醇类物质表现出强烈的稳定作用，能与PEG单元形成广泛的氢键网络，从而减小胶束尺寸、提高浊点并显著增强表面弹性。温度进一步加剧了这些趋势，导致胶束从球形转变为椭圆形。1H NMR结果证实了醇类和二醇类在胶束内的不同分配情况，而表面张力和压缩等温线揭示了特别是在含二醇体系中的协同界面结构效应。总体而言，这些发现为理解醇类和二醇类共溶剂如何调控Solutol? HS15的自组装提供了分子层面的见解，为设计具有优化溶解性、稳定性和界面性能的表面活性剂基配方提供了有力框架，适用于制药、化妆品和工业领域。
引言
基于表面活性剂的体系因其能够自组装成胶束而在工业应用中具有重要意义。其物理化学性质不仅取决于所使用的表面活性剂类型，还受醇类、盐类及其他共溶剂等添加剂的影响[1]、[2]、[3]、[4]。这些添加剂对胶束结构和热力学行为的影响是开发有效配方时的关键考虑因素[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。胶束与添加剂之间的相互作用是系统研究的重要部分，有助于开发稳定的高效载体，以提高难溶于水的药物的溶解度，从而增强其生物利用度，并为设计满足特定治疗需求的药物配方提供可能[10]。除了制药应用外，胶束还广泛用于化妆品中，可改善疏水性活性成分的溶解性，并稳定乳液（如面霜、乳液和胶束清洁剂）[11]、[12]、[13]。因此，了解表面活性剂与胶束之间的相互作用对于开发化妆品至关重要，以确保配方随时间发展并提升产品的稳定性、功效和安全性。
醇类在各种添加剂中尤为独特，因为它们同时具有亲水（亲水）和疏水（疏水）成分，能够直接影响并稳定胶束的结构/尺寸。水、表面活性剂和醇类混合体系的复杂性源于其中亲水部分与疏水部分之间的平衡。醇类含有羟基，可与水分子形成氢键，改变溶剂的极性、界面张力和胶束的堆积方式[14]、[15]。醇类中的碳链长度决定了它们是主要位于胶束-水界面还是渗透到胶束的疏水核心中，从而直接影响胶束的形态（尺寸、形状、聚集数）[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。短链醇类（最多三个碳原子）与水混溶，有望通过降低形成胶束的驱动力来提高胶束的临界聚集浓度（CMC）[20]、[21]、[22]、[23]。然而，长链或中链醇类通常作为共表面活性剂发挥作用，其烷基部分嵌入胶束的疏水层，而羟基部分靠近胶束-水界面，从而影响胶束的稳定性与形态。因此，醇类在胶束中的位置直接影响胶束的稳定性和形态[22]、[24]、[25]、[26]、[28]。此外，二醇类引入的结构差异进一步揭示了不同醇类衍生物对胶束系统的影响。二醇类含有两个羟基，由于具有更强的氢键能力和连接水分子与表面活性剂头基团的能力，从而增加了复杂性，显著影响胶束的曲率、水合状态和稳定性[29]、[30]。
了解醇类和二醇类在胶束中的协同作用有助于针对特定工业应用定制自组装结构[31]、[32]。许多研究人员一直在深入探讨这些共溶剂对胶束性质的影响。例如，Bouchemal等人[33]研究了1,2-丙二醇在不同浓度下对Pluronic F127胶束化的影响，发现1,2-丙二醇降低了CMC，使胶束化自由能变得更负，并在高浓度下同时降低了胶束化的焓和熵，表明其有利于胶束化。Shah等人[34]研究了阳离子表面活性剂在水-醇混合物中的胶束化行为，发现高浓度醇类减少了凝聚力和介电常数，从而改变了胶束化及相关物理化学性质。Din等人[35]通过动态光散射研究了丁醇和己醇对双子表面活性剂胶束的影响，发现丁醇对胶束尺寸影响不大，而戊醇和己醇则显著增加了胶束尺寸，表明长链醇类对调节胶束尺寸的重要性。Kumar等人[28]分析了三种C16型阳离子表面活性剂在水溶液中的自组装行为，发现1-丁醇促进了胶束形成，而1,4-丁二醇则抑制了胶束化，导致胶束形态和聚集方式的变化。Chakrabarti等人[1]研究了不同链长的醇类和二醇类对接枝共聚物和非离子表面活性剂浊化行为的影响，发现短链醇类提高了浊点，1-丁醇降低了浊点，而二醇类的效果依次为丁二醇 > 丙二醇 > 乙二醇。Kumar等人[36]研究了1-辛醇对阳离子表面活性剂溶液胶束化的影响，观察到胶束从椭圆形转变为棒状，溶液行为从粘性流体变为弹性凝胶。这些发现表明，可以通过调控醇类-表面活性剂相互作用来控制胶束的形态和稳定性，从而设计出具有增强溶解性、控制释放和改善物理化学性能的功能性系统。
由于醇类的特殊性质，它们在各种添加剂中独树一帜，因为它们同时具有亲水（亲水）和疏水（疏水）成分，能够直接影响并稳定胶束的结构/尺寸。水、表面活性剂和醇类混合体系的复杂性源于其中亲水部分与疏水部分之间的平衡。醇类中的羟基使其能够与水分子形成氢键，改变溶剂的极性、界面张力和胶束的堆积方式[14]、[15]。醇类碳链的长度决定了它们是主要位于胶束-水界面还是渗透到胶束的疏水核心中，直接影响胶束的形态（尺寸、形状、聚集数）[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。短链醇类（最多三个碳原子）与水混溶，有望通过降低形成胶束的驱动力来提高CMC[20]、[21]、[22]、[23]。然而，长链或中链醇类倾向于稳定胶束，因为它们作为共表面活性剂，其烷基部分嵌入胶束的疏水层，而羟基部分靠近胶束-水界面。因此，醇类在胶束中的位置会影响胶束的稳定性和形态。因此，醇类在胶束内的位置直接影响胶束的稳定性和形态[22]、[24]、[25]、[26]、[28]。除了这些发现外，二醇类引入的结构差异进一步揭示了不同醇类衍生物对胶束系统的影响。二醇类含有两个羟基，由于其更强的氢键能力和连接水分子与表面活性剂头基团的能力，引入了额外的复杂性，显著影响胶束的曲率、水合状态和稳定性[29]、[30]。
了解醇类和二醇类在胶束中的协同作用有助于针对特定工业应用定制自组装结构[31]、[32]。许多研究人员一直在深入探讨这些共溶剂对胶束性质的影响。例如，Bouchemal等人[33]研究了1,2-丙二醇对Pluronic F127胶束化的影响，发现1,2-丙二醇降低了CMC，使胶束化自由能变得更负，并在高浓度下同时降低了胶束化的焓和熵，表明其有利于胶束化。在相关研究中，Shah等人[34]研究了阳离子表面活性剂在水-醇混合物中的胶束化行为，发现高浓度醇类减少了凝聚力和介电常数，从而改变了胶束化及相关物理化学性质。Din等人[35]通过动态光散射研究了丁醇和己醇对双子表面活性剂胶束的影响，发现丁醇对胶束尺寸影响不大，而戊醇和己醇显著增加了胶束尺寸，表明长链醇类对调节胶束尺寸的重要性。Kumar等人[28]分析了三种C16型阳离子表面活性剂在水溶液中的自组装行为，发现1-丁醇促进了胶束形成，而1,4-丁二醇抑制了胶束化，导致胶束形态和聚集方式的变化。Chakrabarti等人[1]研究了不同链长的醇类和二醇类对接枝共聚物和非离子表面活性剂浊化行为的影响，发现短链醇类提高了浊点，1-丁醇降低了浊点，而二醇类的效果依次为丁二醇 > 丙二醇 > 乙二醇。Kumar等人[36]研究了1-辛醇对阳离子表面活性剂溶液胶束化的影响，观察到胶束从椭圆形转变为棒状，再到蠕虫状，同时溶液行为从粘性流体变为弹性凝胶，随着醇浓度的增加。这些发现表明，可以利用醇类-表面活性剂相互作用来控制胶束的形态和稳定性，从而设计出具有增强溶解性、控制释放和改善物理化学性能的功能性系统。
由于醇类和二醇类的效果高度依赖于其所掺入的表面活性剂基质，因此选择合适的表面活性剂和共表面活性剂对于制备稳定有效的配方至关重要[37]。与非离子表面活性剂相比，阴离子和阳离子表面活性剂由于刺激性较低、皮肤耐受性和毒性更好而更受青睐[38]。在非离子表面活性剂中，Solutol? HS15因其生物相容性、低毒性和较高的亲水-疏水平衡（HLB）值（14至16）而受到广泛关注[39]。其结构由单酯和二酯聚甘油（12-羟基硬脂酸）及其亲脂部分和约30%的自由聚乙二醇（PEG）组成。室温下呈黄白色糊状，接近30°C时液化[1]。许多研究人员研究了各种添加剂对Solutol? HS15的胶束化和溶解行为的影响。Hu等人[40]研究了不同添加剂对辅酶Q10-Solutol? HS15胶束溶液浊化行为的影响，发现电解质和糖类通常降低浊点，精氨酸和色氨酸等氨基酸则提高浊点，而聚乙二醇的效果取决于分子量，高分子量的PEG显著降低浊点。Bhalani等人[39]研究了变性剂对Solutol? HS15胶束行为的影响，发现这些添加剂提高了浊点并减小了胶束尺寸，其中二甲脲的解胶束效果最强，其次是甲脲和尿素。
尽管已有这些进展，但关于醇类和二醇类链长对Solutol? HS15胶束化影响的系统研究仍然有限，因此开展了本研究。本研究探讨了不同链长的疏水醇类和二醇类对Solutol? HS15自组装和胶束化行为的影响。详细研究了这些添加剂对界面和胶束化行为以及胶束结构的影响。特别关注了醇类和二醇类的作用，因为它们碳链长度的系统性变化可以提供对胶束系统的深入理解，并区分醇类是在胶束相和连续相之间分配还是直接融入胶束的情况。为了详细研究这些效应，采用了多种实验技术。通过相行为研究确定浊点，动态光散射（DLS）测量胶束尺寸，小角中子散射（SANS）用于探测尺寸和形态，提供关于聚集行为和醇类及二醇类链长影响的见解。此外，1H核磁共振（1H NMR）光谱用于研究表面活性剂组分与醇类或二醇类分子之间的分子水平相互作用。最后，动态表面弹性和动态表面张力测量提供了关于界面胶束性质的进一步见解，有助于了解胶束的稳定性。通过整合这些技术，本研究全面揭示了醇类和二醇类链长如何决定Solutol? HS15胶束的结构和界面性质，为设计具有定制功能的表面活性剂基胶束系统提供了理论基础。
材料
Solutol? HS15由BASF公司（印度）提供，无需进一步纯化即可使用。乙醇、丙醇、乙二醇、1,2-丙二醇、1,4-丁二醇、1-丁醇、异丁醇、1-己醇和1-辛醇均从Sigma-Aldrich（印度）采购，为分析纯度（AR）级别。所有溶液的制备均使用双蒸馏水。本研究中使用的化学物质均无需进一步纯化。Solutol? HS15、醇类和二醇类的化学结构如下：
醇类存在下Solutol? HS15的相行为
浊点（CP）基于胶束溶液中相分离的开始时间确定。具体而言，测试了含不同浓度醇类和二醇类的5% w/v Solutol? HS15胶束溶液的CP。当5% w/v的Solutol? HS15水溶液缓慢加热时，达到一个特征性的相分离温度，系统从清澈的均匀溶液转变为两种不同的液体
结论
本研究的目的是探讨不同链长的醇类和二醇类对非离子表面活性剂Solutol? HS15的胶束化、结构组织和界面性质的影响。结果一致表明，这些添加剂与Solutol? HS15的相互作用受其分子结构、疏水性和氢键能力的显著影响。
作者贡献声明
Kinjal Solanki：撰写初稿、软件开发、方法论设计、实验实施、数据分析。Deep Bhalani：撰写初稿、软件开发、方法论设计、资金筹集、数据分析、数据整理。Olga Yu. Milyaeva：撰写初稿、验证结果、软件开发、方法论设计、资金筹集、数据分析、数据整理。Ketan Kuperkar：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调。Sugam Kumar：撰写、审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
DB感谢DST INSPIRE奖学金（参考编号：DST/INSPIRE/03/2023/002013）的支持，SP感谢UGC-DAE CSR通过合作研究计划（CRS）项目编号CRS/2022-23/03/856提供的财务支持。O.Yu.M.感谢俄罗斯科学基金会（项目编号23-73-10021）对表面性质研究的资助。
