羥丙基纖維素的結構、制備及其應用研究進展*

王裕曉，張永勤，王鵬博，許文廷

( 青島科技大學化工學院，山東青島 266042)

羥丙基纖維素（hydroxypropyl cellulose,簡稱HPC），是纖維素羥丙基化的產物。纖維素（cellulose）是葡萄糖以β-1,4 糖苷鍵鏈接而成的大分子多糖，由于其不溶于水和一般的有機溶劑，這大大限制了其潛在的應用價值[1]。羥丙基的引入使纖維素分子內和分子間的氫鍵結合力減弱，進而極大地改善了其水溶性[2]。羥丙基纖維素具有良好的生物相容性[3]、可降解性[4]、可食性和熱塑性[5]。

1 結構特點

纖維素是由 D- 吡喃型葡萄糖單元(AGU) 以β-1,4糖苷鍵鏈接而成的大分子多糖，是自然界中含量豐富的天然高分子[6-7]。由于纖維素不溶于水和一般的有機溶劑，這極大地限制了其進一步研發(fā)與應用。通過羥丙基化所得到的羥丙基纖維素是一種非離子型纖維素醚，相比于天然的纖維素來說，HPC 在溶液中的溶解度得到極大的改善，具有良好的水溶性[2-3]。在羥丙基纖維素的吡喃環(huán)結構中有三個活潑的羥基，兩個仲羥基和一個伯羥基，分別位于C2、C3 和C6 位上[8-9]，C2 位和C6 位羥基的反應活性要高于C3 位上的羥基的活性，根據空間位阻理論 C6 位羥基更易反應[10-13]，其結構如圖1 所示。

圖1 羥丙基纖維素分子結構簡圖Fig.1 Molecular structure of hydroxypropyl cellulose

2 制備方法

醚化反應是先將纖維素與氫氧化鈉溶液作用生成堿纖維素，再將堿纖維素與醚化劑（環(huán)氧丙烷）反應，經過處理后得到羥丙基纖維素[14-16]。因HPC 的水溶性不同分為兩種制備工藝。一種是制備水不溶性羥丙基纖維素，通常先將纖維素浸入氫氧化鈉進行堿化得到堿纖維素，將得到的堿纖維素加入環(huán)氧丙烷進行反應，然后加入鹽酸進行中和，進而經過洗滌、過濾和干燥得到成品[17]。另一種是制備水溶性羥丙基纖維素，與上述工藝類似，只是中和后需用有機溶劑反復沉淀和洗滌、干燥得到成品[14]。在羥丙基化過程中，堿化可催化環(huán)氧丙烷開環(huán)，便于環(huán)氧丙烷與纖維素分子充分接觸以加速羥丙基化反應。升高溫度可使環(huán)氧丙烷獲得更大動能，便于其滲入并與纖維素充分接觸，以加速反應進程，然而，溫度過高會導致環(huán)氧丙烷水解，并繼續(xù)與環(huán)氧丙烷反應，使羥丙基化程度減低[18-20]。

3 質量控制方法

HPC 的分子量一般在6 萬～120 萬。根據HPC 的羥丙氧基含量不同，可分為低取代羥丙基纖維素(L-HPC)和高取代羥丙基纖維素(H-HPC) 兩大類。羥丙氧基含量在20% 以下的為L-HPC，羥丙氧基含量在20%～80% 的為H-HPC[21]，前者不溶于水，后者溶于水。其羥丙基化的程度，即羥丙基化度，會直接影響其物化性能，如溶解性、吸濕性、保濕性和粘度等，因此羥丙基纖維素的取代度測定方法至關重要。

3.1 氣相色譜法

氣相色譜法為刊載在藥典中的經典方法，如中國藥典、美國藥典等，主要用于L-HPC 和羥丙基甲基纖維素的測定[22]。各藥典中所述方法類似，只是色譜柱和測試條件略有差異。如中國藥典選用的色譜柱為填充柱[23]，美國藥典則用毛細管色譜柱[24]。兩者規(guī)定的氣相色譜法測羥丙氧基含量，結果較為準確，且專屬性和靈敏性較高，但是所應用的填充柱或者毛細管色譜柱均不易獲得，成本較高。

3.2 容量法

2010 版中國藥典二部附錄中對羥丙氧基含量測定的方法有兩種，第一法為氣相色譜法，第二法便為容量法[23]，用容量法進行含量測定，具有操作簡便、可重復性強等特點，但是一般情況下化學分析法所得結果的專屬性較差，并且因為存在缺陷，在2015 版的中國藥典中已經取消了此種方法。

3.3 核磁共振氫譜法（1H-NMR）

核磁共振氫譜法的原理是分子中的氫元素處于不同的化學環(huán)境中，因此當其受到電磁波照射發(fā)生躍遷時產生不同的化學位移值，具有不同的峰面積。可以根據接入羥丙基基團之后的C-1 位質子峰(A)、次甲基和亞甲基的峰面積(B)、端甲基的峰面積(C) 三者之間的關系，按照公式計算出羥丙氧基的含量和取代度[25]：取代度 =7c × C / [3 × (A + B + C)]。

3.4 分光光度法

該法的主要原理為：在加熱環(huán)境下，多糖分子上的羥丙氧基基團與濃硫酸反應水解為丙二醇，繼續(xù)反應，丙二醇在濃硫酸作用下生成丙醇和烯醇式丙醇，兩者與茚三酮反應顯色，可以在590nm 測定其吸光度值[23]，濃度與吸光度值符合朗伯- 比爾定律，具有一定的線性，但由于顯色產物的穩(wěn)定性較差，必須在顯色5min 準時測定，致使方法的重復性較差。

4 應用

HPC 在醫(yī)藥、食品、紡織、環(huán)境等領域具有廣泛的應用價值。

4.1 HPC 在醫(yī)藥領域的應用

HPC 是醫(yī)藥領域比較常用的藥劑輔料，常用來做穩(wěn)定劑、增稠劑[16]、崩解劑、粘結劑[26]和緩釋材料[27]等。

4.1.1 作為緩控釋劑

口服給藥一直是緩控釋制劑給藥的主要途徑，Qi X等將HPC、碳酸氫鈉和海藻酸鈉混合直接壓片，研制了氧氟沙星緩釋漂浮片劑，片劑可在30s 內立即浮起，并可在無胃蛋白酶的模擬胃液(SGF, pH 1.2) 中持續(xù)浮起12h，顯示出良好的漂浮特性，與市售的普通釋放片劑TaiLiBiTuo1 相比，改良片劑延長了藥物在胃部的停留時間，且相對生物利用度為172.19%[28]。Bielska D 等將HPC 形成的納米微球用作藥物載體，研究了姜黃素被包封在HPC 納米微球內的釋放情況，證實了HPC 形成的納米微球具有熱敏性，其具有一定的溫度感應控釋特性[26]。

4.1.2 作為藥物的促溶劑

許多藥物由于水溶性差而導致口服生物利用度低，使用親水聚合物制備這些藥物的非晶固體分散體可以顯著提高它們的溶解度。Sarode A L 等以HPC 為載體，制備了非洛地平固體分散體，結果表明固體分散體可以增加難溶性藥物非洛地平的溶出度并且能夠提高這類藥物的生物利用度[29]。

4.1.3 作為黏膜黏附制劑

鼻黏膜制劑藥物通過黏膜吸收，避免了肝臟的首過效應，提高藥物的生物利用度。HPC 對鼻腔粉劑藥物吸收的影響取決于藥物的通透性和溶解度，利用其吸水后可以產生一定粘度的特性，延長了藥物在鼻粘膜的滯留時間。Tanaka A 等采用不同規(guī)格的HPC 作為輔料，研究了HPC 對鼻腔粉劑藥物吸收的影響，添加結果表明，添加HPC 的藥物制劑可增加高溶性和低滲透性藥物的鼻吸收作用，是一種有價值和前景的制劑方法[30]。

4.2 HPC 在食品領域的應用

HPC 作為食品添加劑可以改善食品的口味和外觀。如將HPC 用作巧克力的涂層，能夠有效避免冷凍儲存時巧克力出現軟化的現象[31]。由于HPC 具有良好的成膜性，所制得的膜不僅可以直接食用，還易被生物降解、不透氧等優(yōu)點，因此可以制作方便食品中的耐油包裝袋等，Leminen V 等在塑料涂層中添加HPC 研究其耐油性能，研究表明在HPC 涂層配方中加入滑石粉、明膠和乳膠等添加劑，提高了涂層中的耐油性能[32]。

4.3 HPC 在紡織領域的應用

HPC 在紡織工業(yè)中的應用主要是作為吸附劑和增稠劑等，其作為吸附劑的突出優(yōu)點是生物可降解性和可再生性。Hassanpour S 等將HPC-PIA 納米凝膠作為一種新型的陽離子吸附劑，在染料濃度為130mg/L，pH=5.6，反應接觸時間為5min 時，可以得到最佳吸附量761mg/g，同時與其他吸附劑相比，HPC-PIA 納米凝膠對亞甲基藍具有更高的親和力[33]； Chen P 等制備了一種新型環(huán)保型染料吸附劑PC-mosz/HPC 水凝膠，顯著增強了對亞甲基藍的吸附性能，可以在暴露于陽光下而降解，能夠循環(huán)使用[34]。HPC 作為增稠劑可用于活性染料的印花中，相較經常使用的海藻酸鈉，HPC 作為增稠劑所得的印花樣品更耐摩擦、耐洗滌，得到的纖維織物具有良好的受染性和顏色的均勻性[35]，同時HPC 更易得、更經濟。

4.4 HPC 在環(huán)境中的應用

主要體現在金屬防腐蝕中的應用。HPC 具有活性基團羥基而具有緩蝕功能[36]，作為一種金屬防腐蝕綠色環(huán)保型緩蝕劑得到廣泛的應用，Nwanonenyi S C 等研究了HPC 在0.5M H2SO4中對鋼碳腐蝕的抑制性能，通過動電位極化曲線數據計算緩蝕效率，發(fā)現在30℃下測定的緩蝕效率為76.43%，同時在HPC 中添加鹵化物，如加入KI，其緩蝕效率提高到89.73%，同時隨著濃度的增加，緩蝕效率逐漸提高[37]。

5 展望

通過羥丙基化的方法，提高了溶解性，從而拓展了其應用范圍。然而，HPC 的質量控制方法仍是目前制約其應用的關鍵限速步驟。雖然羥丙基取代度的測定方法眾多，但是集靈敏度、準確度、簡便、快速、低成本為一體的方法尚未發(fā)現，因此建立一種易于實現且可靠的測定羥丙基取代度的標準方法正是當下所需。這對于進一步研究HPC 的理化性質及其在醫(yī)藥、食品、紡織等領域的應用性開拓具有更廣闊的發(fā)展前景。