تأثير محتوى هيدروكسي بروبيل على درجة حرارة هلام HPMC

هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC) هو بوليمر قابل للذوبان في الماء شائع الاستخدام، ويُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الدوائية ومستحضرات التجميل والأغذية والصناعة، وخاصةً في تحضير الهلام. لخصائصه الفيزيائية وسلوكه في الذوبان تأثير كبير على فعاليته في تطبيقات مختلفة. تُعد درجة حرارة تجلط هلام HPMC إحدى خصائصه الفيزيائية الرئيسية، والتي تؤثر بشكل مباشر على أدائه في مختلف المستحضرات، مثل الإطلاق المتحكم به، وتكوين الغشاء، والثبات، وغيرها.

1. بنية وخصائص HPMC

HPMC هو بوليمر قابل للذوبان في الماء، يُحصل عليه بإضافة بديلين، هما هيدروكسي بروبيل وميثيل، إلى الهيكل الجزيئي للسليلوز. يحتوي تركيبه الجزيئي على نوعين من البدائل: هيدروكسي بروبيل (-CH2CHOHCH3) وميثيل (-CH3). تؤثر عوامل مثل اختلاف محتوى هيدروكسي بروبيل، ودرجة الميثيل، ودرجة البلمرة بشكل كبير على قابلية ذوبان HPMC، وسلوك التبلور، وخواصه الميكانيكية.

في المحاليل المائية، يُكوّن AnxinCel®HPMC محاليل غروانية مستقرة عن طريق تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء والتفاعل مع هيكله السليلوزيّ. مع تغيّر البيئة الخارجية (مثل درجة الحرارة، والقوة الأيونية، إلخ)، يتغير التفاعل بين جزيئات HPMC، مما يؤدي إلى التجلط.

2. تعريف درجة حرارة التجلط والعوامل المؤثرة فيها

تشير درجة حرارة التجلط (T_gel) إلى درجة الحرارة التي يبدأ عندها محلول HPMC بالتحول من الحالة السائلة إلى الصلبة عند ارتفاع درجة حرارة المحلول إلى مستوى معين. عند هذه الدرجة، تُقيد حركة سلاسل جزيئات HPMC، مُشكّلةً بنية شبكية ثلاثية الأبعاد، مما يُنتج مادة هلامية.

تتأثر درجة حرارة تجلط HPMC بعوامل عديدة، من أهمها محتوى الهيدروكسي بروبيل. بالإضافة إلى محتوى الهيدروكسي بروبيل، هناك عوامل أخرى تؤثر على درجة حرارة الهلام، منها الوزن الجزيئي، وتركيز المحلول، وقيمة الرقم الهيدروجيني (pH)، ونوع المذيب، والقوة الأيونية، وغيرها.

3. تأثير محتوى هيدروكسي بروبيل على درجة حرارة هلام HPMC

3.1 تؤدي زيادة محتوى هيدروكسي بروبيل إلى زيادة درجة حرارة الجل

ترتبط درجة حرارة تجلط هيدروكسي بروبيل (HPMC) ارتباطًا وثيقًا بدرجة استبدال الهيدروكسي بروبيل في جزيئه. مع زيادة محتوى الهيدروكسي بروبيل، يزداد عدد البدائل المحبة للماء في السلسلة الجزيئية لـ HPMC، مما يؤدي إلى تفاعل أقوى بين الجزيء والماء. يؤدي هذا التفاعل إلى تمدد السلاسل الجزيئية بشكل أكبر، مما يقلل من قوة التفاعل بينها. ضمن نطاق تركيز معين، تساعد زيادة محتوى الهيدروكسي بروبيل على تحسين درجة الترطيب، وتعزز الترتيب المتبادل للسلاسل الجزيئية، مما يسمح بتكوين بنية شبكية عند درجة حرارة أعلى. لذلك، عادةً ما ترتفع درجة حرارة التجلط مع ارتفاع محتوى الهيدروكسي بروبيل.

تميل مركبات HPMC ذات المحتوى العالي من هيدروكسي بروبيل (مثل HPMC K15M) إلى إظهار درجة حرارة تجلط أعلى عند نفس التركيز مقارنةً بمركبات AnxinCel®HPMC ذات المحتوى المنخفض من هيدروكسي بروبيل (مثل HPMC K4M). ويرجع ذلك إلى أن المحتوى العالي من هيدروكسي بروبيل يُصعّب على الجزيئات التفاعل وتكوين شبكات عند درجات حرارة منخفضة، مما يتطلب درجات حرارة أعلى للتغلب على هذا الترطيب وتعزيز التفاعلات بين الجزيئات لتكوين بنية شبكية ثلاثية الأبعاد.

3.2 العلاقة بين محتوى هيدروكسي بروبيل وتركيز المحلول

يُعد تركيز المحلول عاملاً هاماً يؤثر على درجة حرارة تجلط مركبات HPMC. في محاليل HPMC عالية التركيز، تكون التفاعلات بين الجزيئات أقوى، لذا قد تكون درجة حرارة التجلط أعلى حتى مع انخفاض محتوى الهيدروكسي بروبيل. أما في التركيزات المنخفضة، فيكون التفاعل بين جزيئات HPMC ضعيفاً، ويزداد احتمال تجلط المحلول عند درجات حرارة منخفضة.

مع زيادة محتوى الهيدروكسي بروبيل، ورغم ازدياد قابلية الماء، يلزم ارتفاع درجة الحرارة لتكوين الهلام. وتزداد درجة حرارة التجلط بشكل ملحوظ، خاصةً في ظل ظروف التركيز المنخفض. ويرجع ذلك إلى صعوبة تحفيز التفاعلات بين السلاسل الجزيئية في مركبات HPMC عالية المحتوى من الهيدروكسي بروبيل من خلال تغيرات درجة الحرارة، كما تتطلب عملية التجلط طاقة حرارية إضافية للتغلب على تأثير الترطيب.

3.3 تأثير محتوى هيدروكسي بروبيل على عملية التجلط

ضمن نطاق معين من محتوى الهيدروكسي بروبيل، يهيمن التفاعل بين الترطيب والسلاسل الجزيئية على عملية التجلط. عندما يكون محتوى الهيدروكسي بروبيل في جزيء HPMC منخفضًا، يكون الترطيب ضعيفًا، والتفاعل بين الجزيئات قويًا، ويمكن أن تُعزز درجة الحرارة المنخفضة تكوين الهلام. أما عندما يكون محتوى الهيدروكسي بروبيل أعلى، فيتعزز الترطيب بشكل ملحوظ، ويضعف التفاعل بين السلاسل الجزيئية، وترتفع درجة حرارة التجلط.

قد يؤدي ارتفاع محتوى هيدروكسي بروبيل أيضًا إلى زيادة لزوجة محلول HPMC، وهو التغيير الذي يؤدي أحيانًا إلى زيادة درجة حرارة بداية التجلط.

يؤثر محتوى هيدروكسي بروبيل بشكل كبير على درجة حرارة التجلطHPMCمع زيادة محتوى الهيدروكسي بروبيل، تزداد قابلية HPMC للماء، ويضعف التفاعل بين السلاسل الجزيئية، وبالتالي ترتفع درجة حرارة التجلط. يمكن تفسير هذه الظاهرة بآلية التفاعل بين الترطيب والسلاسل الجزيئية. من خلال ضبط محتوى الهيدروكسي بروبيل في HPMC، يمكن التحكم بدقة في درجة حرارة التجلط، مما يُحسّن أداء HPMC في التطبيقات الصيدلانية والغذائية وغيرها من التطبيقات الصناعية.