هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC) هو بوليمر عديد السكاريد شبه اصطناعي شائع الاستخدام في الطب والأغذية والصناعات الكيميائية وغيرها من المجالات. تُعد خصائص ذوبانه من أهم المجالات البحثية والتطبيقية.
1. البنية الجزيئية وخصائص الذوبان لـ HPMC
HPMC مركب بوليمري قابل للذوبان في الماء، يُحصل عليه عن طريق تعديل السليلوز بالأثير. وحدته البنائية هي β-D-جلوكوز، ويرتبط بروابط 1،4-جليكوسيدية. البنية الرئيسية لسلسلة HPMC مشتقة من السليلوز الطبيعي، ولكن تُستبدل بعض مجموعات الهيدروكسيل بمجموعات ميثوكسي (-OCH₃) ومجموعات هيدروكسي بروبيل (-CH₂CH(OH)CH₃)، مما يجعله يختلف في سلوكه الذوباني عن السليلوز الطبيعي.
يؤثر التركيب الجزيئي لـ HPMC بشكل كبير على ذوبانيته. تُعدّ درجة الاستبدال (DS) والاستبدال المولي (MS) لـ HPMC معيارين مهمين يحددان خصائص ذوبانيته. كلما ارتفعت درجة الاستبدال، زاد عدد مجموعات الهيدروكسيل في الجزيء المُستبدلة بمجموعات ميثوكسي أو هيدروكسي بروبيل كارهة للماء، مما يزيد من ذوبان HPMC في المذيبات العضوية ويُقلل من ذوبانه في الماء. على العكس، عندما تكون درجة الاستبدال منخفضة، يكون HPMC أكثر حبًا للماء في الماء، ويكون معدل ذوبانه أسرع.
2. آلية إذابة HPMC
إن ذوبان HPMC في الماء هو عملية فيزيائية وكيميائية معقدة، وتتضمن آلية إذابته الخطوات التالية بشكل أساسي:
مرحلة البلل: عند ملامسة HPMC للماء، تُشكّل جزيئات الماء أولًا غشاءً ترطيبيًا على سطحه لتغليف جزيئاته. في هذه العملية، تتفاعل جزيئات الماء مع مجموعتي الهيدروكسيل والميثوكسي في جزيئات HPMC عبر روابط هيدروجينية، مما يُؤدي إلى تبليل جزيئات HPMC تدريجيًا.
مرحلة الانتفاخ: مع اختراق جزيئات الماء، تبدأ جزيئات HPMC بامتصاص الماء والانتفاخ، ويزداد حجمها، وترتخي سلاسلها الجزيئية تدريجيًا. تتأثر قدرة HPMC على الانتفاخ بوزنها الجزيئي ومستبدلاتها. كلما زاد الوزن الجزيئي، طالت مدة الانتفاخ؛ وكلما زادت محبة المستبدل للماء، زادت درجة الانتفاخ.
مرحلة الذوبان: عندما تمتص جزيئات HPMC كمية كافية من الماء، تبدأ السلاسل الجزيئية بالانفصال عن الجسيمات وتنتشر تدريجيًا في المحلول. تتأثر سرعة هذه العملية بعوامل مثل درجة الحرارة ومعدل التحريك وخصائص المذيب.
يُظهر HPMC عمومًا ذوبانية جيدة في الماء، خاصةً في درجة حرارة الغرفة. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه عند ارتفاع درجة الحرارة إلى مستوى معين، يُظهر HPMC ظاهرة "الهلام الحراري"، أي أن ذوبانية هذه المادة تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة. ويعود ذلك إلى تكثيف حركة جزيئات الماء عند درجات الحرارة العالية وزيادة التفاعل الكاره للماء بين جزيئات HPMC، مما يؤدي إلى ترابط جزيئي وتكوين بنية هلامية.
3. العوامل المؤثرة على ذوبان HPMC
تتأثر قابلية ذوبان HPMC بعوامل عديدة، منها خصائصها الفيزيائية والكيميائية والظروف الخارجية. من أهم هذه العوامل:
درجة الاستبدال: كما ذُكر سابقًا، يؤثر نوع وعدد البدائل في HPMC بشكل مباشر على ذوبانيتها. كلما زادت البدائل، قلّت المجموعات المحبة للماء في الجزيء، وتراجعت ذوبانيتها. على العكس، كلما قلّت البدائل، زادت محبة HPMC للماء، وتحسنت ذوبانيتها.
الوزن الجزيئي: يتناسب الوزن الجزيئي لـ HPMC طرديًا مع زمن ذوبانه. كلما زاد الوزن الجزيئي، كانت عملية الذوبان أبطأ. ويرجع ذلك إلى أن السلسلة الجزيئية لـ HPMC ذات الوزن الجزيئي الكبير تكون أطول، وتكون الجزيئات أكثر تشابكًا، مما يُصعّب على جزيئات الماء اختراقها، مما يُؤدي إلى تباطؤ معدلات الانتفاخ والذوبان.
درجة حرارة المحلول: تُعد درجة الحرارة أحد العوامل الرئيسية المؤثرة على ذوبان مركبات HPMC. تذوب هذه المركبات أسرع في درجات الحرارة المنخفضة، بينما قد تُشكل هلامًا عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يُقلل من ذوبانيتها. لذلك، عادةً ما تُحضّر مركبات HPMC في ماء منخفض الحرارة لتجنب التجلط عند درجات الحرارة المرتفعة.
نوع المذيب: لا يقتصر ذوبان HPMC على الماء فحسب، بل يذوب أيضًا في بعض المذيبات العضوية، مثل الإيثانول والكحول الأيزوبروبيل، إلخ. تعتمد قابلية ذوبانه في المذيبات العضوية على نوع وتوزيع البدائل. في الظروف العادية، تكون قابلية ذوبان HPMC في المذيبات العضوية ضعيفة، ويلزم إضافة كمية مناسبة من الماء لتسهيل ذوبانه.
قيمة الرقم الهيدروجيني: تتمتع HPMC بتسامح معين مع قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول، ولكن في ظل الظروف الحمضية والقلوية الشديدة، تتأثر ذوبانيتها. بشكل عام، تتمتع HPMC بذوبانية أفضل في نطاق الرقم الهيدروجيني من 3 إلى 11.
4. تطبيق HPMC في مجالات مختلفة
إن قابلية ذوبان HPMC تجعلها مفيدة في العديد من المجالات:
المجال الصيدلاني: يُستخدم HPMC بشكل شائع كمواد طلاء، ومواد لاصقة، وعوامل إطلاق متواصل للأقراص الصيدلانية. في طلاءات الأدوية، يُمكن لـ HPMC تكوين طبقة موحدة لتحسين ثبات الدواء؛ وفي التركيبات ذات الإطلاق المتواصل، يُنظم HPMC معدل إطلاق الدواء من خلال التحكم في معدل ذوبانه، مما يضمن وصول الدواء لفترة طويلة.
صناعة الأغذية: يُستخدم HPMC في صناعة الأغذية كمُكثِّف ومستحلب ومُثبِّت. بفضل قابليته العالية للذوبان في الماء وثباته الحراري، يُمكنه توفير قوام ونكهة مُناسبين لمجموعة مُتنوعة من الأطعمة. في الوقت نفسه، تمنعه طبيعته غير الأيونية من التفاعل مع مُكونات الطعام الأخرى، وتُحافظ على ثباته الفيزيائي والكيميائي.
الصناعة الكيميائية اليومية: يُستخدم HPMC غالبًا كمُكثِّف ومستحلب في منتجات مثل الشامبو والبلسم وكريمات الوجه. بفضل قابليته العالية للذوبان في الماء وتأثيره المُكثِّف، يُوفر HPMC تجربة استخدام ممتازة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكنه التفاعل مع المكونات النشطة الأخرى لتعزيز فعالية المنتج.
مواد البناء: في قطاع البناء، يُستخدم HPMC كمكثّف وعامل احتجاز للماء في ملاط الأسمنت، ومواد لاصقة البلاط، والطلاءات. يُحسّن HPMC قابلية تشغيل هذه المواد بفعالية، ويطيل عمرها الافتراضي، ويزيد من مقاومتها للتشقق.
نظرًا لكونه مادة بوليمرية عالية الذوبان، يتأثر سلوك ذوبان HPMC بعوامل عديدة، مثل البنية الجزيئية، ودرجة الحرارة، وقيمة الرقم الهيدروجيني، وغيرها. في مجالات تطبيقية مختلفة، يمكن تحسين ذوبان HPMC بتعديل هذه العوامل لتلبية الاحتياجات المختلفة. لا يقتصر تأثير ذوبان HPMC على أدائه في المحاليل المائية فحسب، بل يؤثر أيضًا بشكل مباشر على وظائفه في الصناعات الدوائية، والغذائية، والكيميائية اليومية، والبناء.
وقت النشر: ١٤ أكتوبر ٢٠٢٤