透皮吸收渗透系数计算

发布时间：2026-04-16 阅读量：30 作者：生物检测中心

透皮吸收渗透系数计算：原理、方法与应用

渗透系数（Kp，单位常用 cm/h 或 cm/s）是评价药物或化学物质透皮吸收能力的关键参数。它量化了物质在浓度梯度驱动下，穿越皮肤屏障的效率，在新药研发、化妆品安全评估、外用制剂优化及经皮毒理学研究中至关重要。本文将系统阐述其计算原理、实验方法与核心影响因素。

一、理论基础：菲克扩散定律

透皮吸收过程主要遵循菲克第一扩散定律。在达到稳态时（即单位时间透过皮肤的药量恒定），物质透过单位面积的速率（通量 J）与药物在皮肤外用制剂中的浓度（供体浓度 Cd）成正比：

J = Kp × Cd

  • J (Flux): 稳态透皮速率，单位通常为 μg/cm²/h 或 mmol/cm²/h。
  • Kp (Permeability Coefficient): 渗透系数，单位通常为 cm/h。
  • Cd (Donor Concentration): 供体室中药物的初始（或饱和）浓度，单位通常为 μg/mL 或 mmol/L。
 

因此，Kp 的本质定义是单位浓度梯度下物质通过单位面积皮肤的稳态扩散速率。

二、核心实验方法：体外扩散池实验

测定 Kp 的标准方法是体外垂直扩散池法（Franz 扩散池最为常用）。

1. 实验装置：

  • 供体室 (Donor Compartment): 放置含有被测物质的制剂溶液或半固体。
  • 皮肤样品: 夹在供体室和受体室之间。常用离体人皮、猪皮、鼠皮（裸鼠或无毛鼠）或人工膜。需评估皮肤来源、厚度及完整性（常用跨表皮水分流失或电阻法检测）。
  • 受体室 (Receptor Compartment): 装有适宜的接收介质（如生理盐水磷酸盐缓冲液 PBS，常加入表面活性剂如聚山梨酯 80 或醇类以提高难溶物质的溶解度并维持漏槽条件）。持续搅拌确保浓度均一。
  • 恒温水浴: 保持体系温度在皮肤生理温度（通常 32 ± 1°C）。
 

2. 实验步骤：

  1. 将处理好的皮肤样本（表皮或全皮）固定在供体室与受体室之间，角质层面向供体室。
  2. 向受体室注入预热的接收介质。
  3. 向供体室加入定量被测物质的溶液/混悬液/制剂。
  4. 在预设时间点（如 1, 2, 4, 6, 8, 24 小时）从受体室取样一定体积，并立即补充等温等体积的新鲜受体介质（维持漏槽条件和体积恒定）。
  5. 使用适当分析方法（如 HPLC, LC-MS/MS，荧光分光光度法等）测定各时间点取样中化合物的浓度。
 

3. 数据处理与 Kp 计算：

(1) 计算累积渗透量 (Q, μg/cm²):

 
 
 
Qn = (Cn × Vr + Σ(Ci × Vs)) / A
  • Qn: 第 n 个取样点的累积渗透量。
  • Cn: 第 n 次取样时受体液中药物浓度 (μg/mL)。
  • Vr: 受体室总体积 (mL)。
  • Ci: 第 i 次取样时受体液中药物浓度 (μg/mL)。
  • Vs: 每次取样体积 (mL)。
  • Σ(Ci × Vs): 第 n 次取样前所有取样点药物浓度乘以对应取样体积之和 (即之前取走的药物总量，μg)。
  • A: 皮肤有效扩散面积 (cm²)。
 

(2) 绘制 Q-t 曲线：
以累积渗透量 Q 为纵坐标（Y 轴），时间 t 为横坐标（X 轴）作图。

(3) 确定稳态通量 (Jss):
在 Q-t 曲线达到稳态线性区域后（通常为曲线线性上升部分），对该线性段数据进行线性回归，拟合直线方程为：

 
 
 
Q = Jss × t + L
  • Jss：拟合直线的斜率，即为稳态透皮速率（μg/cm²/h）。
  • L：拟合直线的截距，理论上应与 X 轴（时间轴）相交于滞后期（Lag Time, Tlag = -L/Jss）处。
 

(4) 计算渗透系数 (Kp):

 
 
 
Kp = Jss / Cd
  • Jss: 稳态透皮速率 (μg/cm²/h)。
  • Cd: 供体室中药物的初始浓度或饱和溶解度 (μg/mL)。注意：Cd 的单位是 μg/mL，Jss 是 μg/cm²/h。因此，计算得到的 Kp 单位通常是 cm/h（因为 (μg/cm²/h) / (μg/mL) = (μg/cm²/h) * (mL/μg) = mL/cm²/h，而 1 mL = 1 cm³，所以 mL/cm²/h = cm³/cm²/h = cm/h）。
 

三、关键影响因素

理解影响 Kp 的因素对于实验设计和结果解读至关重要：

  • 皮肤屏障特性：
    • 来源与部位： 人皮（腹部、背部、胸腹部皮肤较薄渗透性高）是金标准，动物皮（猪耳皮常用）需谨慎外推。身体不同部位差异显著。
    • 皮肤状态： 年龄（新生儿及老年人皮肤渗透性常更高）、完整性（破损、疾病如湿疹、银屑病会显著增加 Kp）、角质层水合程度（水合度高通常增加 Kp）。
  • 化合物性质：
    • 分子量 (MW)： 通常分子量越小 (< 500 Da)，渗透性越好。
    • 脂溶性/水溶性平衡： 辛醇/水分配系数 (log P) 是重要指标。过高亲脂性（log P > 3）或过高亲水性（log P < 0）通常不利于渗透。最佳 log P 通常在 1-3 范围内。需同时具有一定水溶性以在角质层和活性表皮/真皮中分配。
    • 熔点： 低熔点化合物在皮肤角质层脂质中的溶解度通常更高。
    • 解离状态 (pKa)： 非解离态分子比离子态分子更容易渗透角质层脂质双分子层。溶液的 pH 影响化合物的解离程度。
  • 实验条件：
    • 受体介质: 必须维持良好的漏槽条件（浓度小于饱和溶解度的 10%），确保能溶解足够量的渗透药物且不损害皮肤。pH 和离子强度应接近生理条件。
    • 温度: 严格控制接近皮肤表面温度（32°C）。温度升高会增加分子动能和扩散速率。
    • 供体浓度: 对于饱和系统（如混悬液），Cd 应使用药物的饱和溶解度。对于溶液系统，Cd 即实际浓度。
    • 搅拌速度: 受体室充分搅拌以消除边界层阻力。
  • 制剂因素： （对于复杂制剂）
    • 辅料（促渗剂、溶剂、表面活性剂、聚合物等）会显著影响药物在皮肤表面的释放、分配及皮肤屏障功能。
 

四、渗透系数的意义与验证

  • 预测体内吸收： Kp 是预测外用药物全身暴露量或局部生物利用度的基础参数之一。结合应用面积、剂量和暴露时间，可估算进入体循环的药物量。
  • 比较渗透性能: 用于筛选候选药物、评估不同配方或促渗剂的效果。
  • 风险评估: 评估化妆品成分或环境化学物经皮吸收的潜在风险。
  • 验证: 可靠的体外 Kp 值常需与体内药动学数据（如尿液排泄法、微透析法、皮肤活检法）进行相关性分析验证（体外-体内相关性 IVIVC）。
 

五、示例计算

假设实验条件：

  • 供体浓度 (Cd)： 100 μg/mL (饱和水溶液)
  • 皮肤有效扩散面积 (A)： 1.0 cm²
  • 受体室体积 (Vr)： 7.0 mL
  • 取样体积 (Vs)： 每次 0.5 mL
  • 时间点及受体浓度 (HPLC测定):
    • t=2h: C2 = 0.85 μg/mL
    • t=4h: C4 = 2.10 μg/mL
    • t=6h: C6 = 3.50 μg/mL （稳态开始）
    • t=8h: C8 = 4.95 μg/mL
    • t=24h: C24 = 15.20 μg/mL
 

计算过程：

  1. 计算累积渗透量 Q (μg/cm²):

    • Q2 = [ (C2 * Vr) + 0 ] / A = [ (0.85 * 7.0) + 0 ] / 1.0 = 5.95 μg/cm²
    • Q4 = [ (C4 * Vr) + (C2 * Vs) ] / A = [ (2.10 * 7.0) + (0.85 * 0.5) ] / 1.0 = (14.70 + 0.425) / 1 = 15.125 μg/cm²
    • Q6 = [ (C6 * Vr) + (C2 * Vs + C4 * Vs) ] / A = [ (3.50 * 7.0) + (0.850.5 + 2.100.5) ] / 1.0 = (24.50 + (0.425 + 1.05)) / 1 = (24.50 + 1.475) = 25.975 μg/cm²
    • Q8 = [ (C8 * Vr) + (C2 * Vs + C4 * Vs + C6 * Vs) ] / A = [ (4.95 * 7.0) + (0.850.5 + 2.100.5 + 3.50*0.5) ] / 1.0 = (34.65 + (0.425 + 1.05 + 1.75)) / 1 = (34.65 + 3.225) = 37.875 μg/cm²
    • Q24 = [ (C24 * Vr) + (C2 * Vs + C4 * Vs + C6 * Vs + C8 * Vs + ... 之前所有取样点的 Ci * Vs 之和) ] / A, 计算原理同上。

  2. 绘制 Q-t 曲线： 将计算得到的 (t, Q) 点绘制在图上（为简化，本例仅展示稳态区域计算）。

  3. 确定 Jss (稳态通量): 假设 t=6h 和 t=8h 的数据点处于稳态线性区域。

    • Q6 = 25.975 μg/cm² (t6 = 6 h)
    • Q8 = 37.875 μg/cm² (t8 = 8 h)
    • 斜率 Jss = (Q8 - Q6) / (t8 - t6) = (37.875 - 25.975) / (8 - 6) = 11.9 / 2 = 5.95 μg/cm²/h
    • (更严谨的做法是用 t=6, 8, 24h 等更多稳态点进行线性回归求斜率)。

  4. 计算 Kp:
    Kp = Jss / Cd = (5.95 μg/cm²/h) / (100 μg/mL)
    注意单位换算: Cd = 100 μg/mL = 100 μg/cm³ (因为 1 mL = 1 cm³)
    Kp = 5.95 (μg/cm²/h) / 100 (μg/cm³) = 0.0595 cm/h
    (通常表示为 5.95 × 10⁻² cm/h)。

 

六、结论

透皮吸收渗透系数（Kp）是表征化合物穿越皮肤屏障能力的核心量化指标。通过标准化的体外扩散池实验（如 Franz 扩散池），精确测定化合物在稳态下的透皮速率（Jss），结合供体浓度（Cd），即可根据菲克定律（Kp = Jss / Cd）计算得出。严谨的实验设计（皮肤模型选择、受体介质配制、漏槽条件维持、温度控制）、规范的数据处理（累积渗透量计算、Q-t 曲线绘制、稳态 Jss 拟合）以及对诸多影响因素（化合物理化性质、皮肤屏障特性、实验条件）的充分认识，是获得可靠、可重复的 Kp 值的基础。Kp 值在药物经皮递送系统研发、外用制剂优化、化妆品功效成分评估以及化学物质经皮暴露风险分析等领域具有重要的理论与实践价值。

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