Vad är Hydroxypropyl Methyl Cellulose & HPMC Capsule Guide

Vad är hydroxipropylmetylcellulosa - ett direkt svar

Hydroxipropylmetylcellulosa (HPMC) är en semisyntetisk polymer som härrör från naturlig cellulosa genom en serie kemiska modifieringssteg. Resultatet är ett vitt till benvitt luktfritt pulver som lätt löses i kallt vatten för att bilda en trögflytande, transparent gel. Till skillnad från många syntetiska polymerer är HPMC nonjonisk, vilket betyder att den inte bär någon elektrisk laddning i lösning - en egenskap som gör den exceptionellt stabil över ett brett pH-område på 3 till 11 och kompatibel med de flesta joniska föreningar som finns i farmaceutiska formuleringar.

I praktiska termer fungerar HPMC samtidigt som ett förtjockningsmedel, bindemedel, filmbildare och kontrollerad frisättningsmedel. Dess mångsidighet är anledningen till att den visas i ett så brett spektrum av industrier: från tablettbeläggningar och HPMC kapslar inom läkemedel, till kakellim i konstruktion, till oftalmiska droppar i medicintekniska produkter. Den globala HPMC-marknaden värderades till ungefär 1,2 miljarder USD 2023 och förväntas överträffa 1,8 miljarder USD till 2030 , vilket återspeglar hur grundläggande detta material har blivit.

Den här artikeln täcker kemin bakom HPMC, hur den tillverkas, dess funktionella egenskaper och var den levererar mest värde - med särskild uppmärksamhet på dess roll i vegetarisk kapseltillverkning.

Farmaceutisk hjälpämne
Vegetarisk kapsel
Kontrollerad frisättning
Byggtillsats
Livsmedelsklass E464

Kemin bakom HPMC: Substitutionsgrader som förändrar allt

Cellulosa i sig är en linjär polysackarid som består av glukosenheter sammanlänkade med beta-1,4-glykosidbindningar. Dess råa form är olöslig i vatten på grund av det täta vätebindande nätverket mellan polymerkedjor. För att göra cellulosa vattenlöslig och funktionellt användbar introducerar kemister två typer av substituentgrupper:

Metoxigrupper (–OCH3) — härledd från metylklorid; dessa bryter vätebindningar mellan kedjorna och uttrycks som "M" i HPMC.
Hydroxipropoxigrupper (–OCH2CHOHCH3) — härrör från propylenoxid; dessa ökar hydrofilicitet och uttrycks som "HP" i HPMC.

Förhållandet och mängden av dessa substituenter beskrivs av två parametrar: graden av metylsubstitution (DS) och molär substitution av hydroxipropyl (MS). Farmakopékvaliteter som USP, JP och EP klassificerar HPMC i fyra typer baserat på andelen metoxi- och hydroxipropoxiinnehåll:

Tabell 1: HPMC Farmakopétyper och deras substitutionsintervall
Typ	Metoxi % (vikt/vikt)	Hydroxipropoxi % (vikt/vikt)	Vanligt bruk
1828	16.5 – 20.0	23.0 – 32.0	Oftalmiska lösningar
2208	19.0 – 24.0	4,0 – 12,0	Matriser med utökad frisättning
2906	27.0 – 30.0	4,0 – 7,5	Filmbeläggningar
2910	28.0 – 30.0	7.0 – 12.0	HPMC kapselskal

Viskositet är den andra kritiska variabeln. En 2% vattenlösning av HPMC kan sträcka sig från så lågt som 3 mPa·s till så högt som 100 000 mPa·s beroende på polymerens molekylvikt. Lågviskösa kvaliteter (3–15 mPa·s) väljs för filmbeläggningsapplikationer där ett tunt, enhetligt skikt krävs. Högviskositetsgrader (4 000–100 000 mPa·s) används i tablettmatriser med kontrollerad frisättning där långsam gelbildning är mekanismen som styr läkemedelsfrisättningshastigheten.

En kemiskt viktig egenskap är HPMC:s termiska gelningsbeteende. Till skillnad från de flesta polymerer som gelar vid kylning bildar HPMC-lösningar en gel när de värms upp över cirka 60–80°C och återgår till flytande form vid kylning. Denna omvända termiska gelning utnyttjas i livsmedels- och läkemedelsbearbetning för att skapa strukturer som värms upp och löses upp igen vid kroppstemperatur.

Hur hydroxypropylmetylcellulosa tillverkas

Kommersiell HPMC-produktion följer en väletablerad heterogen reaktionsprocess. Rå cellulosa - vanligtvis härrörd från trämassa eller raffinerade bomullslinters med en renhet över 96% alfa-cellulosa - är utgångsmaterialet. Tillverkningssekvensen omfattar fem huvudsteg:

01 Alkalisering: Renad cellulosa blötläggs i en koncentrerad natriumhydroxidlösning (18–50 %) i 30–60 minuter. Detta sväller cellulosastrukturen och omvandlar hydroxylgrupper till alkoxidjoner (–ONa), vilket gör dem reaktiva mot företringsmedlen.
02 Eterifiering: Metylklorid (CH3Cl) och propylenoxid (PO) införs samtidigt under tryck i en reaktor. Temperaturer varierar vanligtvis från 50°C till 80°C. De två reagensen tävlar om de aktiverade alkoxidställena, och förhållandet mellan dessa reagens bestämmer de slutliga DS- och MS-värdena för produkten.
03 Rening: Råprodukten innehåller resterande NaCl, natriumglykolat och överskott av reagens. Varmvattentvätt (80–95°C) löser upp dessa biprodukter medan HPMC förblir olösligt vid förhöjda temperaturer på grund av dess termiska gelningsegenskaper - en smart användning av själva beteendet som definierar det färdiga materialet.
04 Torkning och fräsning: Den tvättade HPMC-kakan torkas i spray- eller flashtorkar till en fukthalt under 5 %, mals sedan till den önskade partikelstorleken. Farmaceutiska kvaliteter kräver vanligtvis att 98 % passerar genom en 100-mesh sikt.
05 Blandning och kvalitetstestning: Batcher blandas för att säkerställa enhetlighet i viskositet och substitution, testas sedan mot farmakopéspecifikationer inklusive förlust vid torkning, rester vid antändning, tungmetaller och viskositet.

Produktionsutbyten är starkt beroende av förhållandet mellan använda reagens och reaktionstid. Industriella anläggningar som producerar HPMC av farmaceutisk kvalitet arbetar vanligtvis i reaktorskalor på 5 000–20 000 liter, med satscykeltider på 8–12 timmar. Processens energikrävande karaktär gör att tillverkningskvalitet och processkonsistens är nära kopplade till utrustningskvalitet och processkontrollsystem.

HPMC-kapsel: varför hydroxipropylmetylcellulosa ersatte gelatin vid kapseltillverkning

HPMC-kapseln - även kallad en vegetarisk kapsel eller växtbaserad kapsel - representerar den mest framträdande enskilda farmaceutiska applikationen för denna polymer. Gelatin, som härrör från animaliskt kollagen (främst nötkreatur och svin ben och hudar), var det material som valdes för kapslar med hårda skal i över ett sekel. HPMC-kapslar började ersätta gelatin på 1990-talet eftersom begränsningarna för gelatin blev kommersiellt betydande.

Viktiga funktionella skillnader mellan HPMC-kapsel och gelatinkapsel

Skillnaderna mellan en HPMC-kapsel och en standard gelatinkapsel går långt utöver materiellt ursprung:

~ Fuktkänslighet
Gelatinkapselskal kräver 13–15 % fukt för att förbli flexibla. HPMC kapselskal fungerar stabilt vid en fukthalt så låg som 3–7 %, mycket överlägsen för fuktkänsliga fyllningar och lagring i torrt klimat.
~ Tvärbindningsmotstånd
Gelatin reagerar med spåraldehyder i hjälpämnen såsom polyetylenglykoler för att bilda pellicle filmer, sakta ner upplösningen. HPMC genomgår inte denna reaktion, vilket gör HPMC-kapslar till en direkt lösning på tvärbindningsfel.
~ Dietacceptabilitet
En HPMC-kapsel är 100 % växtbaserad, acceptabel för vegetarianer, veganer, halalkonsumenter och kosherkonsumenter utan att kräva separat certifiering för själva skalet.
~ Upplösningsprofil
I standardlösningsmedier (pH 6,8, 37°C) sönderfaller en HPMC-kapsel vanligtvis inom 15–30 minuter – jämförbart med gelatin men utan dess temperaturberoende känslighet under 37°C.

Hur HPMC kapselskal tillverkas

Att tillverka ett HPMC kapselskal är tekniskt sett mer krävande än att tillverka ett gelatinskal. Gelatin bildar en gel vid kylning, vilket möjliggör en enkel doppnings- och kylningsprocess. HPMC geler vid uppvärmning, så tillverkningslinjen måste konstrueras annorlunda. Två huvudsakliga produktionstekniker används i branschen:

Termisk gelningsprocess: Stålstift förvärmda till 60–70°C doppas i en kall HPMC-lösning (10–20°C). När stiften kommer i kontakt med den kalla lösningen gelar HPMC på den varma stiftytan och bildar ett skal. Detta är den process som utvecklats för Vcaps produktlinje.
Gelningsmedelsassisterad process: Karragenaner eller andra hydrokolloider läggs till HPMC-lösningen för att möjliggöra stiftdoppningsprocesser analoga med gelatin, vilket gör det möjligt för tillverkare med befintlig gelatinutrustning att konvertera till HPMC-kapselproduktion med färre modifieringar.

Efter doppning torkas skalen, tas bort från stiften, trimmas till längden och sammanfogas till kompletta kapslar. Storlek 0 HPMC kapselskal kan hålla 0,5–0,7 ml fyllnadsmaterial, tillräckligt för majoriteten av standarddoser för läkemedel och nutraceutical.

Tillämpningar av HPMC-kapslar över sektorer

Farmaceutiska läkemedel: API:er som är hygroskopiska, aldehydiska eller avsedda för muslimska eller judiska marknader formuleras rutinmässigt i HPMC-kapslar. Läkemedel som är benägna att gelatintvärbindning omformuleras i HPMC-kapselskal.
Nutraceuticals och kosttillskott: Produkter som marknadsförs som helt naturliga, växtbaserade eller veganska kräver ett kapselskal som inte är animaliskt. År 2022 stod växtbaserade kapslar för en uppskattning 35–40 % av den globala försäljningen av hårda kapslar per enhetsvolym.
Probiotika: Den låga fuktbalansen hos ett HPMC-kapselskal (3–5 %) jämfört med gelatin (13–15 %) ger en överlägsen skyddande barriär, vilket förlänger hållbarheten mätbart för levande bakterier.
Vätskefyllda kapslar: HPMC-kapslar kan förses med band (hermetiskt förseglade) för att kapsla in flytande eller halvfasta fyllningar – avgörande för självemulgerande läkemedelstillförselsystem och lipidbaserade formuleringar.

Kärnfunktionella egenskaper hos hydroxipropylmetylcellulosa över applikationer

För att förstå vad hydroxipropylmetylcellulosa gör i ett givet system måste man titta på dess kärnfysikaliska och kemiska beteenden i detalj. Dessa egenskaper avgör vilken kvalitet som väljs och hur formuleringar utformas runt materialet.

Reologi och viskositetskontroll

HPMC-lösningar är pseudoplastiska (skjuvförtunning): viskositeten minskar när skjuvhastigheten ökar. Detta är idealiskt för sprejbeläggningsapplikationer där lösningen måste kunna pumpas under tryck genom ett munstycke (hög skjuvning, låg viskositet) men måste vidhäfta och bygga upp en filmtjocklek när den väl avsatts på en tablettyta (låg skjuvning, hög viskositet återställd). Standard kommersiella kvaliteter inkluderar:

HPMC E3 — 2,4–3,6 mPa·s — tunnfilmsbeläggningar, ögondroppar
HPMC E5 — 4,0–6,0 mPa·s — filmbeläggningar som kräver något mer konstruktion
HPMC E15 — 12–18 mPa·s — barriärbeläggningar och tablettbindemedel
HPMC K4M — 3 000–5 600 mPa·s — matristabletter med kontrollerad frisättning
HPMC K100M — 75 000–140 000 mPa·s — mycket retardanta läkemedelsfrisättningsmatriser

30–70 MPa HPMC-filmens draghållfasthet
60–90°C Termisk gelningstemperatur (LCST)
42–50 mN/m Ytspänning (1 % lösning)
3–11 Stabilt pH-område

Filmbildande förmåga

När en vattenhaltig HPMC-lösning appliceras på ett substrat och torkas, bildar den en kontinuerlig, flexibel, transparent film. Den mekaniska styrkan hos denna film beror på polymerens molekylvikt och innehållet av mjukningsmedel. I farmaceutisk tablettbeläggning används mjukgörare som polyetylenglykol 400 eller propylenglykol vid 5–20 % av polymervikten för att förhindra filmsprickor under kompression eller lagring. HPMC-filmer uppvisar draghållfasthetsvärden på 30–70 MPa beroende på kvalitet och mjukningsmedelsnivå — jämförbar med gelatinfilmer men med överlägsen fuktstabilitet.

Termisk gelning och gelstyrka

Den lägre kritiska lösningstemperaturen (LCST) för HPMC i vatten ligger vanligtvis i intervallet 60–90°C, varierande med substitutionsgrad och koncentration. Över denna temperatur driver dehydrering av polymeren hydrofob aggregation och gelbildning. Gelen är termiskt reversibel - den återupplivas vid kylning. Gelstyrka vid 80°C för en 2% lösning är typiskt 10–50 Pa . Detta beteende utnyttjas specifikt i livsmedelstillämpningar såsom friterade beläggningar (gelén bildas under fritering och minskar oljeabsorptionen med upp till 40 % jämfört med obelagd produkt) och i HPMC-kapselskalsformning enligt beskrivningen ovan.

Ytaktivitet och gränssnittsbeteende

HPMC är milt amfifil på grund av de hydrofoba metylgrupperna fördelade längs den hydrofila cellulosaryggraden. Detta ger den milda ytaktiva egenskaper. Ytspänningen för en 1% vattenhaltig HPMC-lösning är ungefär 42–50 mN/m , jämfört med 72 mN/m för rent vatten. Denna ytaktivitet underlättar tablettfilmbeläggning genom att främja vätning av tablettytan och i suspensionsformuleringar genom att stabilisera dispergerade partiklar mot aggregation utan hårdheten hos konventionella ytaktiva ämnen.

Hydroxipropylmetylcellulosa i farmaceutisk tablettformulering

Utöver HPMC-kapseln spelar denna polymer flera distinkta funktionella roller i och runt fasta doseringsformer. Att förstå dessa funktioner är viktigt för formulerare som arbetar med oral läkemedelstillförsel.

Som bindemedel i våtgranulering

HPMC används som granuleringsbindemedel i koncentrationer på 2–10 % i granuleringsvätskan. Dess fördel gentemot traditionella bindemedel som PVP (polyvinylpyrrolidon) ligger i dess lägre hygroskopicitet - granulat producerade med HPMC som bindemedel absorberar mindre luftfuktighet under lagring, vilket är viktigt för fuktkänsliga aktiva ingredienser. Typiska HPMC-kvaliteter som används för granulering är E5 och E15 på grund av deras måttliga viskositet som tillåter kontrollerad vätskefördelning under blandning.

Som en matrisformare för kontrollerad frisättning

Den mest sofistikerade farmaceutiska användningen av HPMC är som det primära hjälpämnet i hydrofila matristabletter. När en HPMC-matristablett kommer i kontakt med vatten, hydratiseras och sväller polymeren på ytan snabbt och bildar ett gelskikt. Läkemedelsmolekyler måste diffundera genom detta gelskikt för att frigöras - och gelskiktets tjocklek och densitet är den hastighetskontrollerande barriären. Utgivningshastigheten kan ställas in genom:

Att välja HPMC-kvalitet: K100M ger långsammare frisättning än K15M vid motsvarande belastning
Justering av HPMC-laddning: vid 20 % HPMC i tabletten är läkemedelsfrisättning över 12 timmar typiskt; vid 40 % är 24-timmars releaseprofiler möjliga
Komprimering med lämplig hårdhet: tabletthårdhet över 8 kP säkerställer gelskiktets integritet

HPMC-baserade matrissystem är referensteknologin för oral administrering av läkemedel en gång dagligen. Produkter som metformin XR, diltiazem CD och nifedipinformuleringar använder HPMC som primär matris eller beläggningsmaterial. Mekanismen är välkänd, regulatoriska inlämningar med HPMC-matriser accepteras globalt, och uppskalning från labb till kommersiell produktion är förutsägbar – tre egenskaper som gör HPMC till standardvalet för utvecklingsteam med kontrollerad frisättning.

Som filmbeläggning för tabletter med omedelbar frisättning

Filmbeläggningar med omedelbar frisättning tjänar skyddande, estetiska och funktionella syften. HPMC-baserade beläggningssystem – i kombination med mjukgörare, pigment och anti-klibbmedel som talk – representerar det mest använda beläggningssystemet vid tillverkning av fasta orala doseringar. En standardbeläggningsformel kan innehålla 60–70 % HPMC (E5- eller E6-kvalitet), 15–20 % PEG 400, 10–15 % titandioxid och spårmängder av färgämne. Applicerad med 1–3 % viktökning på en tablettkärna ger en HPMC-filmbeläggning:

Fuktskydd: ångöverföringshastighet reducerad med 40–70 % jämfört med obelagd kärna
Ljusskydd: beläggningar som innehåller titandioxid blockerar UV-våglängder under 380 nm
Smakmaskering: filmtjocklek på 50–100 mikrometer minskar avsevärt bitter API-uppfattning
Ytans glans och utseende för patientens acceptans

Hydroxypropyl Methyl Cellulose Beyond Pharmaceuticals: Konstruktion, mat och personlig vård

Medan HPMC kapslar och farmaceutiska tillämpningar får mest teknisk uppmärksamhet, konsumerar bygg- och livsmedelsindustrin tillsammans en större volym HPMC än läkemedel på tonnagebasis.

Bygg- och kakellim

I cementbaserade kakellim, injekteringsbruk och plåster fungerar HPMC som ett vattenretentionsmedel och bearbetbarhetsmodifierare. Ett kakellim utan HPMC torkar för snabbt — cementen vid gränsytan härdar innan adekvat vidhäftning sker, och vidhäftningsstyrkan sjunker med upp till 50 %. Lägger till HPMC kl 0,2–0,5 % av den totala torrvikten behåller blandningsvattnet i murbruksbädden, vilket säkerställer fullständig återfuktning av cementen och dramatiskt förbättrad öppentid (fönstret under vilket kakel kan justeras efter applicering). Den förtjockande effekten av HPMC ger även limmet icke-sjunkande egenskaper - plattor som appliceras på vertikala ytor glider inte innan limmet stelnar.

Livsmedelsindustrins applikationer

HPMC är godkänd som livsmedelstillsats E464 i EU och är allmänt erkänd som säker (GRAS) i USA. I livsmedelstillämpningar fungerar den som emulgeringsmedel, förtjockningsmedel och fettersättning. Tre applikationer sticker ut:

Oljebarriär i stekt mat: Appliceras som beläggning på potatisprodukter eller kött före stekning, gelar HPMC vid stektemperatur och skapar en fysisk barriär mot oljepenetration. Studier har visat oljereduktion på 35–45 % i HPMC-belagd stekt kyckling jämfört med obelagda kontroller.
Glutenfri bakning: I bröd som gjorts utan vetemjöl ger HPMC med 1–3 % av mjölvikten gasretention under jäsning och skorpstruktur under gräddning, vilket möjliggör acceptabel konsistens i rismjöl eller tapiokabaserade bröd.
Lågkalorigeler och pålägg: HPMC:s förmåga att bilda fasta geler vid låga koncentrationer gör den användbar i pålägg med reducerat fettinnehåll och dessertgeler där kaloritätheten måste minimeras samtidigt som texturen bevaras.

Personlig vård och kosmetika

I formuleringar för personlig vård fungerar HPMC som ett förtjockningsmedel, filmbildare och stabilisator. Schampon, balsam och hårgeléer använder HPMC i 0,5–2 % för att uppnå önskad viskositet och textur. Ögondroppar använder HPMC av farmaceutisk kvalitet med 0,3–1 % som ett smörjande och viskositetshöjande medel – förlänger kontakttiden för det aktiva ämnet med ögonytan. Konstgjorda tårprodukter baserade på HPMC har använts sedan 1970-talet och är fortfarande en av de mest rekommenderade behandlingarna för torra ögon i världen.

Att välja rätt HPMC-klass: Vad köpare och formulerare behöver veta

Den kommersiella HPMC-marknaden erbjuder dussintals kvaliteter differentierade efter viskositet, substitutionstyp och partikelstorlek. Att navigera i det här landskapet kräver klarhet i programmets primära prestandakrav.

Tabell 2: HPMC Grade Selection Guide per applikation
Ansökan	Rekommenderat betyg	Viskositetsområde (2 % sol)	Nyckelparameter
HPMC kapselskal	E-serien, typ 2910	50–200 mPa·s	Låg fukt, filmflexibilitet
Beläggning av tablettfilm	E5 / E6	4–8 mPa·s	Filmens klarhet, vidhäftning
Matris med kontrollerad frisättning	K4M / K15M / K100M	3 000–140 000 mPa·s	Gelstyrka, erosionshastighet
Oftalmiska droppar	Typ 1828	3–15 mPa·s	Sterilitet, partikelfri
Kakellim / murbruk	Byggklass	40 000–80 000 mPa·s	Vattenretention, öppen tid
Livsmedelsbeläggning / förtjockningsmedel	E464 livsmedelskvalitet	50–4 000 mPa·s	Termisk gelning, säkerhet

När köpare köper HPMC för HPMC-kapselproduktion eller farmaceutisk användning specifikt, måste köpare verifiera följande i leverantörsdokumentationen: överensstämmelse med USP/NF-, JP- eller EP-monografier; certifikat för analysvärden för viskositet, förlust vid torkning, rester vid antändning och tungmetaller; frånvaro av detekterbar etylenoxid; och partikelstorleksfördelning som är relevant för den processutrustning som används.

För byggapplikationer skiftar fokus till vattenretentionsvärde, luftindragning och konsistens av viskositeten mellan produktionspartier. HPMC av konstruktionskvalitet krävs inte för att uppfylla farmakopéns renhetsstandarder och prissätts i enlighet därmed - vanligtvis 30–50 % lägre per kilo än ett material av farmaceutisk kvalitet med likvärdig viskositet.

Förvaring, stabilitet och hantering av hydroxipropylmetylcellulosa

HPMC-pulver är kemiskt stabilt under vanliga lagringsförhållanden. Torrt pulver lagrat i förseglade behållare vid temperaturer under 30°C och relativ luftfuktighet under 65 % behåller sina specifikationer i minst 3 år i de flesta tillverkarens angivna hållbarhetskrav. De primära nedbrytningsvägarna är:

Hydrolys: Vid extrema pH (under 2 eller över 12) och förhöjda temperaturer kan eterbindningar hydrolysera, vilket successivt minskar molekylvikten och viskositeten. Under normala lagringsförhållanden är detta försumbart.
Oxidation: Långvarig exponering för luft kan orsaka lätt missfärgning (gulning) vid förhöjda temperaturer. Detta är en estetisk fråga som inte påverkar funktionella prestanda i de flesta applikationer men kan vara relevant för transparenta filmbeläggningsapplikationer där färg är synlig.
Mikrobiell kontaminering: Vattenhaltiga HPMC-lösningar stödjer mikrobiell tillväxt. Lösningar bör beredas färska och användas inom 48 timmar, eller konserveras med acceptabla antimikrobiella medel i koncentrationer som är validerade för den specifika applikationen.

Att lösa HPMC-pulver på rätt sätt är en praktisk punkt som orsakar svårigheter i produktionsmiljöer. Eftersom HPMC hydratiserar kallt men dispergerar bäst i varmt vatten, är standardtekniken att dispergera pulvret i varmt vatten (80–90°C) där det inte löser sig utan väter ordentligt, kyler sedan dispersionen till under 40°C för att inducera upplösning. Direkt tillsats till kallt vatten resulterar i klumpbildning eftersom yttre partiklar återfuktar och bildar en gelhud innan de inre partiklarna vätas. Detta är en vanlig källa till viskositetsvariationer vid tillverkning - en korrekt förberedd HPMC-lösning med rätt koncentration och kvalitet ger mycket konsekventa resultat.

Lagringstemp Under 30°C
Max luftfuktighet Under 65 % RF
Lösning Använd inom 48 timmar
Hållbarhet (förseglad) Min. 3 år

Dela:

Webbmeny

Språk

Avsluta Meny