外用凝胶透皮吸收测试的 pH 值调节对透皮吸收效果的影响研究

外用凝胶是皮肤科及局部治疗领域的经典剂型，其通过皮肤局部给药实现药效，透皮吸收效果直接关联药物能否有效到达靶组织。透皮吸收的核心过程是药物穿过角质层（皮肤主要屏障）、表皮层至真皮层的转运，而凝胶基质的pH值是调控这一过程的关键因素——它不仅影响皮肤屏障的完整性，还会改变药物的理化性质与基质的物理状态。深入探讨pH值调节对透皮吸收的影响，是优化外用凝胶处方、提升临床药效的重要科学基础。

外用凝胶透皮吸收的核心机制

外用凝胶的透皮吸收主要依赖两条途径：一是通过角质层细胞间的脂质通道（占比约90%），二是通过毛囊、汗腺等皮肤附属器（占比约10%）。其中，角质层的脂质双分子层结构是药物穿透的主要障碍，只有脂溶性高、分子量小（通常＜500Da）的药物分子能顺利通过。凝胶基质的作用是将药物分散或溶解，形成稳定的给药系统，其性质（如黏度、亲水性、电荷）会直接影响药物在皮肤表面的滞留时间与渗透速率。

例如，亲水性凝胶（如卡波姆凝胶）能在皮肤表面形成一层水化膜，延长药物与皮肤的接触时间，但过度亲水会导致药物难以穿透脂溶性的角质层；而加入少量脂溶性成分（如丙二醇）的凝胶，则能同时兼顾滞留与渗透。不过，这些性质都可能因pH值的变化而改变，进而影响最终的透皮效果。

此外，皮肤的主动转运机制（如载体介导的转运）对透皮吸收的贡献较小，但当药物分子的解离状态因pH改变而变化时，主动转运的效率也可能受到间接影响——比如解离型药物难以与载体结合，导致转运量下降。

皮肤生理pH与凝胶pH的相互作用机制

健康皮肤表面的pH值通常维持在4.5-6.0之间（呈弱酸性），这一酸性环境由皮肤分泌的皮脂（含游离脂肪酸）、汗液（含乳酸）及角质细胞的代谢产物共同维持，是皮肤屏障功能的重要组成部分。当外用凝胶的pH值偏离皮肤生理pH时，会直接影响角质层的完整性。

比如，若凝胶pH＞7.0（碱性），会中和皮肤表面的酸性物质，破坏角质层脂质的氢键与疏水相互作用，导致脂质双分子层松散，通透性增加——此时药物的透皮速率可能暂时上升，但长期使用会损伤角质细胞，导致皮肤屏障功能下降，甚至引发干燥、脱屑等不良反应。

反之，若凝胶pH＜4.0（强酸性），会刺激皮肤的神经末梢，引发刺痛感，同时可能导致角质层蛋白质变性，破坏细胞间连接（如桥粒），使皮肤屏障的完整性受损。不过，弱酸性凝胶（pH4.0-5.0）若与皮肤生理pH接近，则可能轻度软化角质层，增加药物的渗透能力，同时不会对屏障造成不可逆损伤。

需要注意的是，皮肤的pH调节能力有限——当凝胶的pH偏离生理范围过大（如pH＞8.0或pH＜3.0），皮肤无法快速中和，会导致局部pH持续异常，进而显著影响透皮吸收的稳定性与安全性。

pH值对药物分子解离状态的调控作用

药物的解离状态是影响透皮吸收的关键理化性质之一，而pH值是调控解离的核心因素。根据Henderson-Hasselbalch方程，弱酸药物（HA）的解离度取决于pH与pKa的差值：当pH＜pKa时，药物以分子型（HA）为主；当pH＞pKa时，以离子型（A⁻）为主。弱碱药物（B）则相反：当pH＞pKa时，以分子型（B）为主；当pH＜pKa时，以离子型（BH⁺）为主。

分子型药物的脂溶性更高，能更好地穿透角质层的脂质通道；而离子型药物因极性大，难以透过脂溶性屏障，透皮速率显著降低。例如，水杨酸（pKa=3.0，弱酸）在pH=4.0的凝胶中，分子型占比约90%，透皮率比pH=6.0（分子型占比约10%）的凝胶高5-10倍；而利多卡因（pKa=7.9，弱碱）在pH=8.0的凝胶中，分子型占比约70%，透皮率远高于pH=6.0（分子型占比约1%）的凝胶。

此外，药物的解离状态还会影响其在凝胶基质中的溶解度：离子型药物的水溶性更高，能在凝胶中溶解更多，但透皮率低；分子型药物的水溶性较低，可能导致凝胶中药物析出，影响制剂的稳定性。因此，pH调节需平衡溶解度与透皮率——比如，对于弱酸药物，需选择pH略低于pKa的范围，既能保证一定的溶解度，又能维持较高的分子型比例。

值得注意的是，某些药物的pKa会因凝胶基质的成分（如防腐剂、保湿剂）而发生变化，因此在处方设计时，需综合考虑基质对pKa的影响，再调整pH值。

pH值对凝胶基质物理性质的影响

凝胶基质的物理性质（如黏度、流变学特性、溶胀度）直接影响药物在皮肤表面的分布与渗透。而多数凝胶基质（如卡波姆、羧甲基纤维素钠）的性质高度依赖pH值。

以常用的卡波姆基质为例，它是一种丙烯酸交联聚合物，分子链上带有大量羧基（-COOH）。在酸性条件下（pH＜5.0），羧基未解离，分子链呈卷曲状态，无法形成有效的三维网络结构，凝胶的黏度极低，甚至呈液态——此时药物容易从凝胶中流失，无法在皮肤表面滞留，透皮效果差。

当pH调节至6.0-7.0时，羧基解离为-COO⁻，分子链因静电排斥而伸展，形成疏松的三维网络结构，凝胶的黏度显著增加（可达10000-100000 mPa·s），能有效将药物固定在皮肤表面，延长接触时间。若pH继续升高至＞8.0，卡波姆的分子链可能因过度解离而发生降解，导致黏度下降，凝胶的稳定性降低。

对于其他基质，如羟丙基甲基纤维素（HPMC），pH值对其黏度的影响较小（在pH3.0-9.0范围内黏度稳定），但如果凝胶中含有离子型药物（如氯化钠），pH变化会影响药物与基质的电荷相互作用，进而改变凝胶的流变学性质——比如，当pH升高时，离子型药物的电荷密度增加，可能与HPMC的羟基形成氢键，导致凝胶的弹性模量上升，药物的扩散速率下降。

体外透皮测试中pH调节的实验设计要点

体外透皮测试（如Franz扩散池法）是评价外用凝胶透皮效果的常用方法，而pH调节是实验设计的关键环节。首先，需选择合适的缓冲液来维持凝胶与接收液的pH稳定——常用的缓冲液包括醋酸-醋酸钠缓冲液（pH3.0-5.5）、磷酸盐缓冲液（PBS，pH5.5-8.0）、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液（pH3.0-6.0）。

缓冲液的选择需考虑药物的稳定性：例如，若药物对磷酸盐敏感（如某些抗生素），则应选择醋酸缓冲液；若药物在酸性条件下易降解，则选择PBS。此外，缓冲液的离子强度也需控制（通常为0.1-0.2 M），过高的离子强度会影响凝胶基质的溶胀度，进而干扰透皮结果。

实验过程中，需定时监测凝胶表面与接收液的pH值（通常每2-4小时测一次），确保pH波动不超过±0.2——若pH变化过大，需调整缓冲液的浓度或更换缓冲体系。例如，当使用卡波姆凝胶时，若接收液的pH逐渐下降（因卡波姆的羧基解离释放H⁺），需增加缓冲液的浓度（如从0.1 M PBS改为0.2 M PBS），以维持pH稳定。

另外，皮肤样品的选择也需考虑pH的影响——通常使用人离体皮肤或猪皮（与人类皮肤结构相似），实验前需将皮肤浸泡在生理pH的缓冲液中（如pH5.5的PBS）1-2小时，恢复皮肤的生理状态，避免因皮肤本身pH异常导致实验结果偏差。

不同皮肤部位pH差异对透皮效果的影响

人体不同部位的皮肤pH值存在显著差异：面部（尤其是额头、脸颊）的pH约为5.0，背部约为5.5，四肢（如前臂）约为5.8，足底（因汗液分泌多）约为6.5-7.0。这种差异主要由皮肤的皮脂腺密度、汗液分泌量及角质层厚度决定——皮脂腺密度高的部位（如面部），皮脂分泌多，pH更低；角质层厚的部位（如足底），pH更高。

同一pH值的凝胶，在不同部位的透皮效果可能差异显著。例如，pH5.0的水杨酸凝胶，用在面部时，因面部皮肤pH与凝胶接近，角质层轻度软化，透皮率比用在前臂高约30%；而用在足底时，因足底pH更高，水杨酸的分子型比例下降（pH5.0＞pKa3.0），同时足底角质层厚，透皮率比面部低约50%。

此外，皮肤部位的屏障功能差异也会与pH相互作用：例如，面部皮肤的角质层较薄（约10-20 μm），当凝胶pH偏离生理范围时，屏障更容易被破坏，透皮速率的变化更明显；而足底皮肤的角质层厚（约100-200 μm），即使凝胶pH偏离较大，透皮速率的变化也相对较小。

因此，在制剂开发时，需根据目标给药部位调整pH值——比如，针对面部的凝胶，pH应更接近5.0；针对足底的凝胶，pH可适当调高至6.0-6.5，以平衡药物的解离状态与皮肤耐受性。

pH值与透皮吸收的量效关系及优化策略

pH值与透皮吸收效果之间存在典型的“钟形曲线”关系——即在某一pH范围内，透皮速率随pH升高而增加，达到峰值后，随pH继续升高而下降。这一曲线的形状由三个因素共同决定：药物的解离状态、皮肤屏障的完整性、凝胶基质的性质。

例如，某弱酸性药物（pKa=4.5）的凝胶，当pH从3.0升高至4.5时，药物的分子型比例从约95%降至50%，但此时凝胶基质（卡波姆）的黏度从1000 mPa·s升至50000 mPa·s，药物在皮肤表面的滞留时间延长，因此透皮速率仍呈上升趋势；当pH从4.5升高至6.0时，药物的分子型比例降至约10%，尽管基质黏度仍较高，但离子型药物难以穿透角质层，透皮速率开始下降；当pH＞7.0时，皮肤屏障被破坏，透皮速率可能再次上升，但此时皮肤刺激性显著增加。

优化pH值的关键是找到“有效透皮”与“皮肤安全”的平衡点。具体策略包括：（1）通过预实验确定药物的pKa与基质的pH敏感范围；（2）设计pH梯度实验（如pH3.0、4.0、5.0、6.0、7.0），测定各pH下的透皮速率与皮肤刺激性（如兔耳刺激性实验）；（3）选择透皮速率较高且刺激性在可接受范围内的pH值作为最优值。

例如，某治疗痤疮的过氧化苯甲酰凝胶，通过pH梯度实验发现，pH4.5时透皮速率最高（比pH5.5高25%），且皮肤刺激性评分（0-4分）为1.5（轻度刺激），符合临床要求；而pH4.0时透皮速率略高，但刺激性评分为2.5（中度刺激），因此选择pH4.5作为最终处方的pH值。

实际制剂开发中的pH调节案例

某外用抗生素凝胶（主要成分：克林霉素磷酸酯，pKa=7.7，弱碱）的原处方使用pH7.0的PBS作为缓冲液，体外透皮测试显示透皮率仅为12%（24小时）。通过机制研究发现，克林霉素磷酸酯在pH7.0时以离子型（BH⁺）为主（占比约85%），难以穿透角质层；同时，卡波姆基质在pH7.0时黏度适中，但药物的溶解度较低（约5 mg/mL）。

优化方案：将缓冲液改为醋酸-醋酸钠缓冲液（pH5.5），此时克林霉素磷酸酯的分子型占比升至约40%，溶解度提高至10 mg/mL；同时，卡波姆基质在pH5.5时的黏度为35000 mPa·s，能有效滞留药物。优化后的透皮率提升至35%（24小时），且皮肤刺激性实验显示，志愿者使用后仅出现轻度红斑（发生率10%），远低于原处方（发生率30%）。

另一案例是某中药提取物凝胶（主要成分：黄芩苷，pKa=4.0，弱酸），原处方pH6.0，透皮率仅为8%。通过pH调节实验发现，当pH降至4.0时，黄芩苷的分子型占比升至约90%，透皮率提高至28%；但pH4.0时，卡波姆基质的黏度仅为5000 mPa·s，药物容易流失。因此，在处方中加入0.1%的羟丙基甲基纤维素（HPMC），增加凝胶的黏度至20000 mPa·s，最终透皮率达到25%，同时保持了良好的皮肤耐受性。