Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) là một loại polyme tan trong nước thường được sử dụng, được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm và các lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong việc chế tạo gel. Các tính chất vật lý và hành vi hòa tan của nó có tác động đáng kể đến hiệu quả trong các ứng dụng khác nhau. Nhiệt độ tạo gel của gel HPMC là một trong những tính chất vật lý quan trọng của nó, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của nó trong các chế phẩm khác nhau, chẳng hạn như giải phóng có kiểm soát, hình thành màng, độ ổn định, v.v.
1. Cấu trúc và tính chất của HPMC
HPMC là một loại polyme tan trong nước thu được bằng cách đưa hai chất thay thế, hydroxypropyl và methyl, vào bộ khung phân tử cellulose. Cấu trúc phân tử của nó chứa hai loại chất thay thế: hydroxypropyl (-CH2CHOHCH3) và methyl (-CH3). Các yếu tố như hàm lượng hydroxypropyl khác nhau, mức độ methyl hóa và mức độ trùng hợp sẽ có tác động quan trọng đến độ hòa tan, hành vi tạo gel và tính chất cơ học của HPMC.
Trong dung dịch nước, AnxinCel®HPMC tạo thành dung dịch keo ổn định bằng cách hình thành liên kết hydro với các phân tử nước và tương tác với bộ khung nền cellulose của nó. Khi môi trường bên ngoài (như nhiệt độ, cường độ ion, v.v.) thay đổi, tương tác giữa các phân tử HPMC sẽ thay đổi, dẫn đến sự gel hóa.
2. Định nghĩa và các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ gel hóa
Nhiệt độ gel hóa (Gelation Temperature, T_gel) là nhiệt độ mà dung dịch HPMC bắt đầu chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn khi nhiệt độ dung dịch tăng lên đến một mức nhất định. Ở nhiệt độ này, chuyển động của các chuỗi phân tử HPMC sẽ bị hạn chế, hình thành nên cấu trúc mạng lưới ba chiều, tạo thành chất dạng gel.
Nhiệt độ gel hóa của HPMC bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, một trong những yếu tố quan trọng nhất là hàm lượng hydroxypropyl. Ngoài hàm lượng hydroxypropyl, các yếu tố khác ảnh hưởng đến nhiệt độ gel bao gồm trọng lượng phân tử, nồng độ dung dịch, giá trị pH, loại dung môi, cường độ ion, v.v.
3. Ảnh hưởng của hàm lượng hydroxypropyl đến nhiệt độ gel HPMC
3.1 Sự gia tăng hàm lượng hydroxypropyl dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ gel
Nhiệt độ tạo gel của HPMC có liên quan chặt chẽ đến mức độ thay thế hydroxypropyl trong phân tử của nó. Khi hàm lượng hydroxypropyl tăng, số lượng nhóm thế ưa nước trên chuỗi phân tử HPMC tăng lên, dẫn đến tương tác tăng cường giữa phân tử và nước. Tương tác này khiến các chuỗi phân tử kéo dài hơn, do đó làm giảm cường độ tương tác giữa các chuỗi phân tử. Trong một phạm vi nồng độ nhất định, việc tăng hàm lượng hydroxypropyl giúp tăng cường mức độ hydrat hóa và thúc đẩy sự sắp xếp lẫn nhau của các chuỗi phân tử, do đó có thể hình thành cấu trúc mạng ở nhiệt độ cao hơn. Do đó, nhiệt độ tạo gel thường tăng khi hydroxypropyl tăng theo hàm lượng tăng.
HPMC có hàm lượng hydroxypropyl cao hơn (như HPMC K15M) có xu hướng thể hiện nhiệt độ gel hóa cao hơn ở cùng nồng độ so với AnxinCel®HPMC có hàm lượng hydroxypropyl thấp hơn (như HPMC K4M). Điều này là do hàm lượng hydroxypropyl cao hơn khiến các phân tử khó tương tác và hình thành mạng lưới hơn ở nhiệt độ thấp hơn, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn để khắc phục quá trình hydrat hóa này và thúc đẩy tương tác giữa các phân tử để hình thành cấu trúc mạng lưới ba chiều.
3.2 Mối quan hệ giữa hàm lượng hydroxypropyl và nồng độ dung dịch
Nồng độ dung dịch cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhiệt độ tạo gel của HPMC. Trong dung dịch HPMC nồng độ cao, tương tác giữa các phân tử mạnh hơn, do đó nhiệt độ tạo gel có thể cao hơn ngay cả khi hàm lượng hydroxypropyl thấp hơn. Ở nồng độ thấp, tương tác giữa các phân tử HPMC yếu và dung dịch có nhiều khả năng tạo gel ở nhiệt độ thấp hơn.
Khi hàm lượng hydroxypropyl tăng, mặc dù tính ưa nước tăng, nhưng vẫn cần nhiệt độ cao hơn để tạo gel. Đặc biệt là trong điều kiện nồng độ thấp, nhiệt độ tạo gel tăng đáng kể hơn. Điều này là do HPMC có hàm lượng hydroxypropyl cao khó tạo ra tương tác giữa các chuỗi phân tử thông qua thay đổi nhiệt độ và quá trình tạo gel đòi hỏi năng lượng nhiệt bổ sung để khắc phục hiệu ứng hydrat hóa.
3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng hydroxypropyl đến quá trình tạo gel
Trong một phạm vi nhất định của hàm lượng hydroxypropyl, quá trình tạo gel bị chi phối bởi sự tương tác giữa hydrat hóa và chuỗi phân tử. Khi hàm lượng hydroxypropyl trong phân tử HPMC thấp, hydrat hóa yếu, tương tác giữa các phân tử mạnh và nhiệt độ thấp hơn có thể thúc đẩy sự hình thành gel. Khi hàm lượng hydroxypropyl cao hơn, hydrat hóa được tăng cường đáng kể, tương tác giữa các chuỗi phân tử trở nên yếu hơn và nhiệt độ tạo gel tăng lên.
Hàm lượng hydroxypropyl cao hơn cũng có thể dẫn đến tăng độ nhớt của dung dịch HPMC, sự thay đổi này đôi khi làm tăng nhiệt độ bắt đầu đông đặc.
Hàm lượng hydroxypropyl có tác động đáng kể đến nhiệt độ tạo gel củaHPMC. Khi hàm lượng hydroxypropyl tăng, tính ưa nước của HPMC tăng và tương tác giữa các chuỗi phân tử yếu đi, do đó nhiệt độ gel hóa của nó thường tăng. Hiện tượng này có thể được giải thích bằng cơ chế tương tác giữa hydrat hóa và chuỗi phân tử. Bằng cách điều chỉnh hàm lượng hydroxypropyl của HPMC, có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ gel hóa, do đó tối ưu hóa hiệu suất của HPMC trong dược phẩm, thực phẩm và các ứng dụng công nghiệp khác.
Thời gian đăng: 04-01-2025