Hydroksypropylometyloceluloza (HPMC) jest powszechnie stosowanym rozpuszczalnym w wodzie polimerem, szeroko stosowanym w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym i przemysłowym, szczególnie w przygotowywaniu żeli. Jego właściwości fizyczne i zachowanie rozpuszczania mają znaczący wpływ na skuteczność w różnych zastosowaniach. Temperatura żelowania żelu HPMC jest jedną z jego kluczowych właściwości fizycznych, która bezpośrednio wpływa na jego działanie w różnych preparatach, takich jak kontrolowane uwalnianie, tworzenie filmu, stabilność itp.
1. Struktura i właściwości HPMC
HPMC to rozpuszczalny w wodzie polimer uzyskany przez wprowadzenie dwóch podstawników, hydroksypropylu i metylu, do szkieletu cząsteczkowego celulozy. Jego struktura cząsteczkowa zawiera dwa rodzaje podstawników: hydroksypropyl (-CH2CHOHCH3) i metyl (-CH3). Czynniki takie jak różna zawartość hydroksypropylu, stopień metylacji i stopień polimeryzacji będą miały istotny wpływ na rozpuszczalność, żelowanie i właściwości mechaniczne HPMC.
W roztworach wodnych AnxinCel®HPMC tworzy stabilne roztwory koloidalne, tworząc wiązania wodorowe z cząsteczkami wody i wchodząc w interakcje ze szkieletem celulozowym. Gdy zmienia się środowisko zewnętrzne (takie jak temperatura, siła jonowa itp.), interakcja między cząsteczkami HPMC ulega zmianie, co prowadzi do żelowania.
2. Definicja i czynniki wpływające na temperaturę żelowania
Temperatura żelowania (Gelation Temperature, T_gel) odnosi się do temperatury, w której roztwór HPMC zaczyna przechodzić ze stanu ciekłego w stały, gdy temperatura roztworu wzrośnie do pewnego poziomu. W tej temperaturze ruch łańcuchów cząsteczkowych HPMC zostanie ograniczony, tworząc trójwymiarową strukturę sieciową, co skutkuje substancją przypominającą żel.
Na temperaturę żelowania HPMC wpływa wiele czynników, jednym z najważniejszych jest zawartość hydroksypropylu. Oprócz zawartości hydroksypropylu, inne czynniki wpływające na temperaturę żelowania to masa cząsteczkowa, stężenie roztworu, wartość pH, rodzaj rozpuszczalnika, siła jonowa itp.
3. Wpływ zawartości hydroksypropylu na temperaturę żelu HPMC
3.1 Wzrost zawartości hydroksypropylu powoduje wzrost temperatury żelu
Temperatura żelowania HPMC jest ściśle związana ze stopniem podstawienia hydroksypropylu w jej cząsteczce. Wraz ze wzrostem zawartości hydroksypropylu wzrasta liczba podstawników hydrofilowych w łańcuchu cząsteczkowym HPMC, co skutkuje zwiększoną interakcją między cząsteczką a wodą. Ta interakcja powoduje dalsze rozciąganie łańcuchów cząsteczkowych, zmniejszając tym samym siłę interakcji między łańcuchami cząsteczkowymi. W pewnym zakresie stężeń zwiększenie zawartości hydroksypropylu pomaga zwiększyć stopień hydratacji i sprzyja wzajemnemu uporządkowaniu łańcuchów cząsteczkowych, dzięki czemu struktura sieciowa może zostać utworzona w wyższej temperaturze. Dlatego temperatura żelowania zwykle wzrasta wraz ze wzrostem zawartości hydroksypropylu.
HPMC o wyższej zawartości hydroksypropylu (takie jak HPMC K15M) ma tendencję do wykazywania wyższej temperatury żelowania przy tym samym stężeniu niż AnxinCel®HPMC o niższej zawartości hydroksypropylu (takie jak HPMC K4M). Dzieje się tak, ponieważ wyższa zawartość hydroksypropylu utrudnia cząsteczkom interakcje i tworzenie sieci w niższych temperaturach, co wymaga wyższych temperatur, aby przezwyciężyć to uwodnienie i promować interakcje międzycząsteczkowe w celu utworzenia trójwymiarowej struktury sieciowej.
3.2 Zależność pomiędzy zawartością hydroksypropylu a stężeniem roztworu
Stężenie roztworu jest również ważnym czynnikiem wpływającym na temperaturę żelowania HPMC. W roztworach HPMC o wysokim stężeniu oddziaływania międzycząsteczkowe są silniejsze, więc temperatura żelowania może być wyższa, nawet jeśli zawartość hydroksypropylu jest niższa. Przy niskich stężeniach oddziaływanie między cząsteczkami HPMC jest słabe, a roztwór jest bardziej podatny na żelowanie w niższych temperaturach.
Gdy zawartość hydroksypropylu wzrasta, mimo że hydrofilowość wzrasta, do utworzenia żelu nadal wymagana jest wyższa temperatura. Zwłaszcza w warunkach niskiego stężenia temperatura żelowania wzrasta znaczniej. Dzieje się tak, ponieważ HPMC o wysokiej zawartości hydroksypropylu trudniej jest indukować interakcje między łańcuchami cząsteczkowymi poprzez zmiany temperatury, a proces żelowania wymaga dodatkowej energii cieplnej, aby przezwyciężyć efekt hydratacji.
3.3 Wpływ zawartości hydroksypropylu na proces żelowania
W pewnym zakresie zawartości hydroksypropylu proces żelowania jest zdominowany przez interakcję między hydratacją a łańcuchami cząsteczkowymi. Gdy zawartość hydroksypropylu w cząsteczce HPMC jest niska, hydratacja jest słaba, interakcja między cząsteczkami jest silna, a niższa temperatura może sprzyjać tworzeniu się żelu. Gdy zawartość hydroksypropylu jest wyższa, hydratacja jest znacznie zwiększona, interakcja między łańcuchami cząsteczkowymi staje się słabsza, a temperatura żelowania wzrasta.
Wyższa zawartość hydroksypropylu może również powodować zwiększenie lepkości roztworu HPMC, co czasami powoduje podwyższenie temperatury początkowej żelowania.
Zawartość hydroksypropylu ma istotny wpływ na temperaturę żelowaniaHPMC. Wraz ze wzrostem zawartości hydroksypropylu, hydrofilowość HPMC wzrasta, a interakcja między łańcuchami cząsteczkowymi słabnie, więc temperatura żelowania zwykle wzrasta. Zjawisko to można wyjaśnić mechanizmem interakcji między hydratacją a łańcuchami cząsteczkowymi. Poprzez dostosowanie zawartości hydroksypropylu w HPMC można uzyskać precyzyjną kontrolę temperatury żelowania, optymalizując w ten sposób wydajność HPMC w zastosowaniach farmaceutycznych, spożywczych i innych zastosowaniach przemysłowych.
Czas publikacji: 04-01-2025