هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز (HPMC) هو مشتق شائع الاستخدام من السليلوز، وله تطبيقات واسعة، في الطب والأغذية ومواد البناء ومستحضرات التجميل. HPMC هو بوليمر شبه صناعي غير أيوني، خامل، يتميز بذوبان ممتاز في الماء، وسماكة، وقوة التصاق، وتكوين طبقة رقيقة.
بنية وخصائص HPMC
HPMC هو سليلوز مُعدّل يُنتج بتفاعل السليلوز مع كلوريد الميثيل وأكسيد البروبيلين. يحتوي تركيبه الجزيئي على مُستبدلات ميثيل وهيدروكسي بروبيل، مما يمنحه خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة، مثل قابلية ذوبان ممتازة، وحماية غروانية، وخصائص تكوين غشاء رقيق. يمكن تقسيم HPMC إلى عدة مواصفات وفقًا لاختلاف المُستبدلات، ولكل منها قابلية ذوبان واستخدامات مختلفة في الماء.
ذوبانية HPMC في الماء
آلية الذوبان
يتفاعل HPMC مع جزيئات الماء عبر روابط هيدروجينية لتكوين محلول. تتضمن عملية ذوبانه اختراق جزيئات الماء تدريجيًا بين سلاسله الجزيئية، مما يُضعف تماسكها، فتنتشر سلاسل البوليمر في الماء لتكوين محلول متجانس. ترتبط ذوبانية HPMC ارتباطًا وثيقًا بوزنها الجزيئي، ونوع المُستبدل، ودرجة الاستبدال. وبشكل عام، كلما زادت درجة استبدال المُستبدل، زادت ذائبية HPMC في الماء.
تأثير درجة الحرارة على الذوبان
تُعد درجة الحرارة أحد العوامل المهمة التي تؤثر على ذائبية HPMC. وتختلف ذائبية HPMC في الماء باختلاف درجة الحرارة:
نطاق درجة حرارة الذوبان: يصعب ذوبان HPMC في الماء البارد (عادةً أقل من 40 درجة مئوية)، ولكنه يذوب أسرع عند تسخينه إلى 60 درجة مئوية أو أعلى. بالنسبة لـ HPMC منخفض اللزوجة، عادةً ما تكون درجة حرارة الماء حوالي 60 درجة مئوية هي درجة الذوبان المثالية. أما بالنسبة لـ HPMC عالي اللزوجة، فقد يصل نطاق درجة حرارة الذوبان الأمثل إلى 80 درجة مئوية.
التجلط أثناء التبريد: عند تسخين محلول HPMC إلى درجة حرارة معينة (عادةً 60-80 درجة مئوية) أثناء الذوبان، ثم تبريده ببطء، يتكون هلام حراري. يصبح هذا الهلام الحراري مستقرًا بعد تبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ويمكن إعادة توزيعه في الماء البارد. تُعد هذه الظاهرة بالغة الأهمية لتحضير محاليل HPMC لأغراض محددة (مثل كبسولات الأدوية ممتدة المفعول).
كفاءة الذوبان: عمومًا، تُسرّع درجات الحرارة المرتفعة عملية تحلل البوليمرات عالية الأداء (HPMC). ومع ذلك، قد تؤدي درجة الحرارة المرتفعة جدًا إلى تحلل البوليمر أو انخفاض لزوجة الذوبان. لذلك، عند التشغيل الفعلي، يجب اختيار درجة حرارة الذوبان المناسبة لتجنب التحلل غير الضروري وتغيرات الخصائص.
تأثير الرقم الهيدروجيني على الذوبان
نظرًا لكونه بوليمرًا غير أيوني، فإن ذوبان مركبات HPMC في الماء لا يتأثر مباشرةً بقيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول. ومع ذلك، قد تؤثر ظروف الرقم الهيدروجيني القاسية (مثل البيئات الحمضية أو القلوية القوية) على خصائص ذوبان مركبات HPMC:
الظروف الحمضية: في ظل الظروف الحمضية القوية (الرقم الهيدروجيني < 3)، قد تتدمر بعض الروابط الكيميائية لـ HPMC (مثل الروابط الأثيرية) بفعل الوسط الحمضي، مما يؤثر على ذوبانيتها وتشتتها. ومع ذلك، في نطاق الأحماض الضعيفة العامة (الرقم الهيدروجيني 3-6)، تظل HPMC قابلة للذوبان بشكل جيد. الظروف القلوية: في ظل الظروف القلوية القوية (الرقم الهيدروجيني > 11)، قد تتحلل HPMC، ويحدث ذلك عادةً نتيجة تفاعل التحلل المائي لسلسلة هيدروكسي بروبيل. أما في ظل الظروف القلوية الضعيفة (الرقم الهيدروجيني 7-9)، فلا تتأثر ذوبانية HPMC بشكل كبير.
طريقة إذابة HPMC
من أجل إذابة HPMC بشكل فعال، يتم استخدام الطرق التالية عادةً:
طريقة التشتت بالماء البارد: يُضاف مسحوق HPMC تدريجيًا إلى الماء البارد مع التحريك المستمر لتوزيعه بالتساوي. تمنع هذه الطريقة تكتل HPMC مباشرةً في الماء، ويشكل المحلول طبقة غروانية واقية. ثم يُسخّن تدريجيًا إلى 60-80 درجة مئوية لإذابته تمامًا. هذه الطريقة مناسبة لإذابة معظم HPMC.
طريقة التشتت بالماء الساخن: يُضاف HPMC إلى الماء الساخن ويُحرَّك بسرعة ليذوب بسرعة عند درجة حرارة عالية. هذه الطريقة مناسبة لـ HPMC عالية اللزوجة، ولكن يجب الانتباه إلى التحكم في درجة الحرارة لتجنب التحلل.
طريقة التحضير المسبق للمحلول: أولاً، يُذاب HPMC في مذيب عضوي (مثل الإيثانول)، ثم يُضاف الماء تدريجيًا لتحويله إلى محلول مائي. هذه الطريقة مناسبة لتطبيقات خاصة تتطلب ذوبانًا عاليًا.
ممارسة الذوبان في التطبيقات العملية
في التطبيقات العملية، يجب تحسين عملية إذابة مركبات HPMC وفقًا لاستخدامات محددة. على سبيل المثال، في المجال الدوائي، عادةً ما يكون من الضروري تكوين محلول غرواني متجانس وثابت للغاية، ويتطلب الأمر تحكمًا صارمًا في درجة الحرارة ودرجة الحموضة (pH) لضمان اللزوجة والنشاط البيولوجي للمحلول. في مواد البناء، تؤثر قابلية ذوبان مركبات HPMC على خصائص تكوين الأغشية ومقاومة الضغط، لذا يجب اختيار أفضل طريقة إذابة مع مراعاة الظروف البيئية المحددة.
تتأثر قابلية ذوبان HPMC في الماء بعوامل عديدة، منها درجة الحرارة ودرجة الحموضة (pH). بشكل عام، تذوب HPMC بشكل أسرع في درجات الحرارة العالية (60-80 درجة مئوية)، ولكنها قد تتحلل أو تقل قابليتها للذوبان في ظروف pH شديدة. لذلك، في التطبيقات العملية، من الضروري اختيار درجة حرارة الذوبان ونطاق pH المناسبين وفقًا للاستخدام المحدد والظروف البيئية لـ HPMC لضمان ذوبانها وأدائها الجيد.
وقت النشر: ٢٥ يونيو ٢٠٢٤