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Fick擴散定律與擴散係數

科目:專技 - 藥劑學(包括生物藥劑學)|題數:15
Fick擴散定律與擴散係數
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建立於 2026年10月25日

學習重點 皮膚與胃腸道的被動擴散可用 Fick 定律描述;掌握濃度差、擴散係數、分配係數、面積及膜厚的影響。 區分總穿透速率、通量、擴散係數與穿透係數,並能用一致的長度與體積單位計算。 由 Stokes-Einstein 方程式判斷擴散係數與絕對溫度、黏度、粒子半徑及各常數的關係。 掌握 Higuchi 方程式的平方根形式及參數意義,辨認總濃度、溶解度與分配係數的差異。 核心觀念 一、Fick 定律與被動擴散 藥物因濃度差而由高濃度處向低濃度處移動,屬於被動擴散。皮膚吸收與胃腸道黏膜的被動吸收,主要依循Fick 擴散定律。 基本形式為 J = −D·dC/dx。J 是通量,D 是擴散係數,dC/dx 是濃度隨距離的變化;負號表示淨移動方向朝向濃度降低處。 促進擴散雖然也順濃度梯度、不直接消耗代謝能量,但需經載體,具有飽和性,不能直接套用單純被動擴散的線性速率式描述其全部行為。考試辨認 Fick 定律的典型用途時,應選被動擴散。 Beer-Lambert 定律描述吸光度;Stokes 定律涉及粒子在流體中的阻力及沉降;Moore 定律與半導體發展相關。辨認皮膚被動吸收時,關鍵是 Fick 定律。 二、膜穿透公式與正反比 在穩態、膜性質與擴散係數固定等條件下,總穿透速率為: dQ/dt = D·S·K·ΔC/h每單位面積的通量為:J = D·K·ΔC/h。 參數意義其他條件固定時對速率的影響 D藥物在膜內的擴散係數正比 S有效穿透面積正比 K 或 PC膜相與供應相間的分配係數正比 ΔC膜兩側溶液的濃度差正比 h膜或障壁層厚度反比 ΔC 是濃度差;嚴格而言,濃度梯度還包含距離因素,均質膜內可用濃度差除以膜厚表示。遇到以 ΔC 表示濃度差的公式,膜厚 h 仍須放在分母。 若受體端維持匯流條件(sink condition),其濃度接近零,則 ΔC 約等於供應端已溶解藥物的濃度。劑型中的總藥量不一定等於已溶解濃度;加入超過溶解度的未溶解藥物,不代表瞬間穿透速率會等比例增加。 供應端為飽和溶液時,可用溶解度表示其溶解濃度;在 D、K、h 等條件固定下,溶解度提高可提高公式中的濃度項。不能脫離這些條件,將溶解度與吸收速率一概視為固定的正比關係。 三、穿透係數與面積的定義差異 通常定義P = D·K/h,因此 J = P·ΔC,總速率則為 dQ/dt = S·P·ΔC。此時 P 的單位為 cm/s,面積另列。 另有教材將面積一併併入總穿透常數,寫成 dQ/dt = P·ΔC,此時該 P 相當於 D·S·K/h,單位為 cm³/s。作答須先看公式如何定義 P,不能把兩種寫法的單位混用。 若題目採用包含表面積的合併寫法,擴散係數、分配係數及表面積皆列入該常數;藥物濃度仍在 P 之外,是擴散的驅動因素。 四、單位與穿透速率計算 物理量意義常用單位 dQ/dt單位時間通過的總藥量mg/s J每單位面積、每單位時間通過的藥量mg/(cm²·s) D擴散係數cm²/s P = DK/h穿透係數cm/s K兩相平衡濃度的比值無單位 確認題目求的是總速率或通量;總速率必須乘有效面積。 圓形膜面積用 S = πr²;若給直徑,先除以二求半徑。 統一長度單位:1 mm = 0.1 cm;體積換算為 1 mL = 1 cm³。 代入 D·S·K·ΔC/h,最後確認單位約分為 mg/s。 若公式只寫 D·PC·ΔC/h,通常表示通量、單位面積的速率,或已省略固定面積;不能因此認為總穿透速率與面積無關。 五、擴散係數與 Stokes-Einstein 方程式 球形粒子在連續流體中,可用 D = RT/(6πηrNₐ) = kB·T/(6πηr) 描述。T 為絕對溫度,η 為介質黏度,r 為粒子半徑,R 為氣體常數,Nₐ 為亞佛加厥常數,kB = R/Nₐ。 T 在分子:其他條件固定時,D 與絕對溫度成正比。 η、r 在分母:介質越黏、粒子越大,D 越小。 R 在分子、Nₐ 在分母:考公式參數關係時,分別判為正比、反比;兩者本身都是物理常數。 常見介質的擴散快慢可記為氣體 > 水 > 膠水 > 固態聚合物,其中氣體的擴散係數通常最大。此為典型比較,不宜只用黏度一項概括所有介質的擴散機制。 六、Higuchi 方程式與軟膏釋放 Higuchi 模型描述特定條件下藥物由均質軟膏或基質釋放。常見假設包括初始藥物均勻分布、總濃度高於溶解度、D 固定、外部維持匯流條件,且基質膨潤或侵蝕可忽略。 以 q 表示每單位面積累積釋放量,A 表示基質內藥物總濃度: q = [D·Cs·(2A − Cs)·t]^(1/2) 當 A 遠大於 Cs,可簡化為: q = (2A·D·Cs·t)^(1/2)微分後:dq/dt = [A·D·Cs/(2t)]^(1/2)。 部分教材以 Q 表示上述每單位面積釋放量,因此也寫成 dQ/dt = [A·D·Cs/(2t)]^(1/2)。若 Q 指整個製劑的總釋放量,則須再乘釋放面積。 式中的 A 是總濃度,Cs 是藥物在基質中的溶解度,D 是擴散係數,t 是時間。此均質基質公式不含獨立的分配係數項;不能據此推論所有釋放系統都不受相間分配影響。 累積釋放量與時間平方根成正比,瞬時釋放速率則與時間平方根成反比,因此並非固定速率釋放。 常考陷阱 把 D 或 K 放分母、把 h 放分子:Fick 膜穿透式中,D、面積、K、濃度差在分子,膜厚在分母。 把促進擴散當成單純被動擴散:判斷關鍵是是否需要載體及是否具有飽和性。 把濃度併入 P:濃度差是另乘的驅動因素;面積是否併入,須依 P 的定義判斷。 把速率與係數單位互換:總擴散速率為 mg/s,擴散係數為 cm²/s。 認為黏度、半徑或亞佛加厥常數與 D 成正比:三者都位於 Stokes-Einstein 式分母。 Higuchi 式寫成對數、漏開根號或把 D 放分母:簡化速率式必須是 [ADCs/(2t)]^(1/2)。 把 Higuchi 的 A 當面積,或加入分配係數:A 是基質內總濃度;本單元的均質基質式不含分配係數。 記憶口訣 Fick:「擴散、面積、分配、濃差在上,厚度在下。」 Stokes-Einstein:「RT 上,六πηrN 下。」 Higuchi 速率:「ADCs 除二時,再開根號。」 單位:「速率量除時,D 是面除時。」

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  1. 20.藥物經由皮膚吸收之被動擴散效應最主要是遵循: (A)Beer-Lambert law (B)Fick's law (C)Stokes' law (D)Moore's law
  2. 20.依Fick's law,藥物之皮膚吸收速率與下列何者成反比? (A)分配係數(partition coefficient)(B)藥物於劑型內之濃度(C)藥物...
  3. 63.有關Fick's law of diffusion,下列敘述何者正確?①用來探討facilitated diffusion的速率 ②用來探討passive diffusion的速率...
  4. 70.藥品在胃腸道經被動擴散被吸收的過程與穿透係數(P,permeability coefficient)成正比,下列何者不包括在P值內? (A)擴散係...
  5. 23 下列何者是 Fick’s Law?(PC: Partition coefficient;∆C: Concentration gradient;D: Diffusion coefficient;h: Thick...
  6. 38 藥物分子在下列何種狀況下之擴散係數最大? (A)氣體 (B)水 (C)膠水 (D)固態聚合物
  7. 57 口服藥物經胃腸吸收之過程,依 Fick’s 定律其擴散速率與下列參數呈正比關係,惟何項除外? (A)障壁層之厚度 (B)擴散係...
  8. 27 某一擴散槽半徑為2 cm,中間置一膜,膜厚1 mm,施藥室的藥物濃度為0.5 mg/mL,其擴散係數為2×10-7 cm2/s,分配係數為2,...