將鈣鹽加入含有藻酸（ alginic acid ）組成之凝膠劑中，其主要目的為何？

本題觀念：

本題主要考查 藻酸鹽（Alginate）的凝膠化機制，特別是金屬離子（如鈣離子）與藻酸分子之間的交互作用。

選項分析

• A. 改變酸鹼度 (Change pH)：
  • 錯誤。雖然藻酸鹽的凝膠化會受 pH 值影響（例如藻酸在低 pH 下會形成酸凝膠），但添加鈣鹽（如氯化鈣、碳酸鈣）的主要化學目的並非調節 pH 值。鈣鹽在此是作為交聯劑（Cross-linking agent）。
• B. 改變黏稠度 (Change viscosity)：
  • 正確。藻酸（或其鈉鹽）是由曼古醛酸（Mannuronic acid, M）和古羅醛酸（Guluronic acid, G）組成的線性聚合物。當加入二價金屬陽離子（如 $Ca^{2+}$）時，鈣離子會嵌入聚合物鏈中 G-段（G-blocks）形成的空穴中，形成特殊的「蛋盒結構（Egg-box model）」。
  • 這種離子與聚合物之間的螯合作用會造成高分子鏈之間的交聯（Cross-linking）。
  • 交聯作用會限制高分子鏈的運動，導致系統的黏稠度（Viscosity）顯著上升，最終形成半固體狀的凝膠（Gel）。因此，在凝膠劑處方中加入鈣鹽的主要目的是利用此機制來增加黏度或形成凝膠結構。
• C. 使生成沉澱 (Cause precipitation)：
  • 錯誤。雖然從化學溶解度角度看，海藻酸鈣（Calcium alginate）是不溶於水的，且在稀溶液中加入過量鈣離子可能會產生絮狀沉澱；但在製備「凝膠劑（Gel）」的藥劑學情境下，目標是形成均勻、具有黏彈性的網狀結構（凝膠），而非讓固體顆粒從液體中分離沈降（沉澱）。因此，「改變黏稠度」是更精確描述凝膠劑製備目的之術語。
• D. 調整溶解度 (Adjust solubility)：
  • 錯誤。雖然交聯確實降低了藻酸鹽的溶解度使其形成凝膠，但「調整溶解度」通常指助溶或增溶。此處加入鈣鹽的直接工藝目的是為了獲得凝膠的流變性質（即黏度與結構強度），而非單純為了改變溶解度參數。

答案解析

藥劑學中，藻酸鹽（Alginate）常被用作增稠劑或凝膠基質。其凝膠化機制主要依賴離子交聯（Ionotropic gelation）。 當鈣鹽（提供 $Ca^{2+}$）加入含有藻酸或藻酸鈉的配方中時，鈣離子會與藻酸分子中的古羅醛酸（G-blocks）結合，形成穩定的「蛋盒模型」交聯結構。這個過程會將流動的液體轉變為高黏度的半固體凝膠。例如在抗胃食道逆流的藥物（如 Gaviscon）中，碳酸鈣釋放的鈣離子會與藻酸反應，強化（增加黏度）在胃酸表面形成的泡沫層（Raft），使其更堅固以阻擋胃酸。 因此，加入鈣鹽的主要目的是改變（增加）黏稠度以形成凝膠結構。

核心知識點

1. 蛋盒模型 (Egg-box model)：描述藻酸鹽（Alginate）與二價陽離子（主要是 $Ca^{2+}$）交聯形成凝膠的分子機制。鈣離子被包夾在兩條藻酸鏈的 G-blocks 之間。
2. 凝膠化因子：
   • 聚合物：藻酸鈉（Sodium Alginate）。
   • 交聯劑：鈣鹽（如 $CaCl_2$, $CaCO_3$, Calcium Gluconate）。
   • 結果：黏度上升（Viscosity increases） $\rightarrow$ 形成凝膠（Gelation）。
3. 臨床應用：
   • 牙科印模材：利用藻酸鉀與鈣鹽反應快速固化。
   • 傷口敷料：藻酸鈣敷料（Calcium Alginate Dressings）吸收滲液後形成凝膠，保持傷口濕潤。
   • 抗逆流藥物：形成高黏度物理屏障。

參考資料

1. Alginate hydrogels: Preparation, properties, and applications - 說明鈣離子交聯機制及黏度變化。
2. Rheological Properties of Sodium Alginate in Solution - 探討藻酸鹽溶液流變性質與鈣離子凝膠化關係。