Hydroksypropylometyloceluloza (HPMC) jest powszechnie stosowanym, rozpuszczalnym w wodzie polimerem, szeroko stosowanym w farmacji, kosmetykach, żywności i przemyśle, zwłaszcza do wytwarzania żeli. Jego właściwości fizyczne i zachowanie podczas 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, np. kontrolowane uwalnianie, tworzenie filmu, stabilność itp.
1. Struktura i właściwości HPMC
HPMC to rozpuszczalny w wodzie polimer otrzymywany przez wprowadzenie dwóch podstawników, hydroksypropylu i metylu, do szkieletu molekularnego celulozy. Jego struktura molekularna 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, zachowanie żelujące i właściwości mechaniczne HPMC.
W roztworach wodnych AnxinCel®HPMC tworzy stabilne roztwory koloidalne, tworząc wiązania wodorowe z cząsteczkami wody i wchodząc w interakcję ze swoim szkieletem na bazie celulozy. Kiedy zmienia się środowisko zewnętrzne (takie jak temperatura, siła jonowa itp.), interakcja między cząsteczkami HPMC ulegnie zmianie, co spowoduje żelowanie.
2. Definicja i czynniki wpływające na temperaturę żelowania
Temperatura żelowania (temperatura żelowania, T_gel) odnosi się do temperatury, w której roztwór HPMC zaczyna przechodzić z cieczy w ciało stałe, gdy temperatura roztworu wzrasta do pewnego poziomu. W tej temperaturze ruch łańcuchów molekularnych HPMC zostanie ograniczony, tworząc trójwymiarową strukturę sieciową, w wyniku czego powstanie substancja przypominająca żel.
Na temperaturę żelowania HPMC wpływa wiele czynników, jednym z najważniejszych jest zawartość hydroksypropylu. Oprócz zawartości hydroksypropylu inne czynniki wpływające na temperaturę żelu obejmują masę cząsteczkową, stężenie roztworu, wartość pH, rodzaj rozpuszczalnika, siłę jonową itp.
3. Wpływ zawartości hydroksypropylu na temperaturę żelu HPMC
3.1 Wzrost zawartości hydroksypropylu prowadzi do wzrostu temperatury żelu
Temperatura żelowania HPMC jest ściśle związana ze stopniem podstawienia hydroksypropylowego w jego cząsteczce. Wraz ze wzrostem zawartości hydroksypropylu wzrasta liczba hydrofilowych podstawników w łańcuchu molekularnym HPMC, co skutkuje zwiększoną interakcją pomiędzy cząsteczką i wodą. Ta interakcja powoduje dalsze rozciąganie łańcuchów molekularnych, zmniejszając w ten sposób siłę oddziaływania między łańcuchami molekularnymi. W pewnym zakresie stężeń zwiększenie zawartości hydroksypropylu pomaga zwiększyć stopień uwodnienia i sprzyja wzajemnemu ułożeniu łańcuchów molekularnych, dzięki czemu w wyższej temperaturze może powstać struktura sieciowa. 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 interakcję 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, dlatego temperatura żelowania może być wyższa, nawet jeśli zawartość hydroksypropylu jest niższa. Przy niskich stężeniach interakcja między cząsteczkami HPMC jest słaba, a roztwór prawdopodobnie żeluje w niższych temperaturach.
Gdy zawartość hydroksypropylu wzrasta, pomimo wzrostu hydrofilowości, do wytworzenia żelu nadal wymagana jest wyższa temperatura. Zwłaszcza w warunkach niskiego stężenia temperatura żelowania wzrasta bardziej znacząco. Dzieje się tak, ponieważ HPMC o wysokiej zawartości hydroksypropylu trudniej jest wywołać interakcje między łańcuchami molekularnymi 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 zdominowany jest przez oddziaływanie pomiędzy łańcuchami hydratacyjnymi i molekularnymi. Gdy zawartość hydroksypropylu w cząsteczce HPMC jest niska, uwodnienie jest słabe, oddziaływanie między cząsteczkami jest silne, a niższa temperatura może sprzyjać tworzeniu się żelu. Gdy zawartość hydroksypropylu jest wyższa, hydratacja jest znacznie zwiększona, oddziaływanie między łańcuchami molekularnymi staje się słabsze, a temperatura żelowania wzrasta.
Wyższa zawartość hydroksypropylu może również prowadzić do wzrostu lepkości roztworu HPMC, co czasami powoduje wzrost temperatury początku żelowania.
Zawartość hydroksypropylu ma istotny wpływ na temperaturę żelowaniaHPMC. Wraz ze wzrostem zawartości hydroksypropylu wzrasta hydrofilowość HPMC i słabnie oddziaływanie między łańcuchami molekularnymi, w związku z czym zwykle wzrasta temperatura jego żelowania. Zjawisko to można wyjaśnić mechanizmem interakcji pomiędzy łańcuchami hydratacyjnymi i molekularnymi. Dostosowując zawartość 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 stycznia 2025 r