Introducción

Una familia de moléculas clave de interés para la industria farmacéutica son aquellas derivadas de la celulosa, como la hidroxiétil celulosa y otras. Estas macromoléculas se utilizan típicamente como modificadores de viscosidad en diversos productos, como gotas para los ojos y cremas hidratantes, así como excipientes en muchas otras aplicaciones. El análisis típico de los derivados de la celulosa se ha centrado en determinar la distribución del peso molecular y la viscosidad intrínseca de la muestra. El objetivo principal es comprender cómo la adición del derivado de celulosa a un proceso o solución existente afectará la viscosidad.

Calcular incorrectamente la cantidad de celulosa necesaria para modificar la viscosidad puede dar como resultado no alcanzar el incremento deseado (en el caso de cantidades insuficientes) o aumentar drásticamente los costos de bombeo y otros procesos (en el caso de cantidades excesivas). Al analizar la celulosa antes de mezclarla con la solución existente, el usuario puede determinar cuánto añadir, cómo mezclar o clasificar la muestra, o si debe buscar otra fuente de celulosa si el lote analizado no cumple con las especificaciones.

La cromatografía de permeación en gel (GPC, por sus siglas en inglés), o de manera equivalente, la cromatografía por exclusión de tamaño (SEC), es una técnica ampliamente utilizada para caracterizar una gran variedad de macromoléculas, desde polímeros fabricados en masa hasta proteínas. Esta técnica permite medir los momentos del peso molecular, la distribución del peso molecular, la viscosidad intrínseca y/o el tamaño hidrodinámico de estas macromoléculas. La Figura 1 muestra un sistema completo de GPC.

Esta nota de aplicación describe los análisis de una variedad de derivados de celulosa solubles en agua utilizando el sistema de triple detección OMNISEC, así como las sutiles, pero distintivas diferencias entre estos derivados que el sistema OMNISEC puede identificar.

Figura 1: Sistema GPC de Triple Detección OMNISEC de Malvern

Resultados de GPC

Se prepararon cuatro muestras de derivados de celulosa para análisis por GPC en una fase móvil acuosa de 0.05M Na₂SO₄. Las muestras incluyeron hidroxiétilcelulosa (HEC), hidroxi propilcelulosa (HPC), hidroxi propilmetilcelulosa (HPMC) y hidroxi butilmetilcelulosa (HBMC).

La Figura 2 muestra un cromatograma típico de triple detección utilizando las muestras de HEC como ejemplo. En esta figura, la señal del detector de índice de refracción aparece en rojo, la señal del viscosímetro en azul, la señal de dispersión de luz en ángulo recto (RALS) en verde y la dispersión de luz en ángulo bajo (LALS) en negro. Además, el peso molecular calculado en cada volumen de retención se muestra en dorado para visualizar la distribución del peso molecular de la muestra.

Figura 2: Cromatograma de triple detección de HEC.

Resumen de Resultados

La Tabla 1 a continuación compara los datos moleculares obtenidos para las cuatro muestras de derivados de celulosa. Los valores presentados incluyen los momentos de la distribución del peso molecular (Mn, Mw y Mz), la viscosidad intrínseca ([η]) y el radio hidrodinámico (Rh).

La Tabla 1 muestra que la muestra de HPC tiene la menor viscosidad intrínseca ([η]) y la muestra de HBMC tiene la más alta. De manera similar, la muestra de HPC presenta el menor peso molecular promedio (Mw), mientras que la muestra de HBMC registra el más alto. Esta tendencia de aumento de Mw junto con el incremento de [η] es esperada, y estos cálculos solo proporcionan valores promedio para la totalidad de las muestras.

Una forma más completa y detallada de visualizar el efecto de estas diferentes muestras sobre la viscosidad de una solución es mediante un gráfico de Mark-Houwink, como se muestra en la Figura 3. Este gráfico presenta la [η] de la muestra en función de cada Mw a lo largo de toda la distribución del peso molecular.

Las muestras que están más compactas en solución aparecen más abajo en el gráfico para un peso molecular dado, mientras que las muestras con estructuras más abiertas aparecen más arriba. Correspondientemente, las muestras con una estructura más abierta (más arriba en el gráfico) tienden a incrementar más la viscosidad de una solución en comparación con las muestras de mayor densidad.

Figura 3: Gráfico de superposición de Mark-Houwink de inyecciones duplicadas de muestras de HEC (negro y verde), HPC (rojo y violeta), HPMC (gris y cian) y HBMC (azul y oliva).

Al observar la Figura 3, se concluye que la muestra de HPC es la más densa, mientras que la muestra de HBMC es la menos densa. También es posible comparar derivados de celulosa con estructuras similares, notando que HEC es menos denso que HPC, y HBMC es menos denso que HPMC. A primera vista, esto podría parecer contradictorio, ya que la cadena de alquilo más larga aumenta la densidad en la primera comparación (HEC y HPC) y la disminuye en la segunda (HPMC y HBMC). La explicación más probable para esto es la diferencia en el grado de sustitución de los grupos metilo, etilo, propilo o butilo, lo cual se desconoce en estas muestras.

Conclusiones

En este estudio, el sistema OMNISEC de Malvern se utilizó para analizar una pequeña selección de muestras de derivados de celulosa. Las diferencias entre las muestras se evidencian claramente tanto en términos de peso molecular y su distribución, como en su estructura molecular, a través del gráfico de Mark-Houwink.

Las diferencias observadas entre las muestras podrían ser utilizadas por la industria farmacéutica para correlacionar las propiedades moleculares con su rendimiento, por ejemplo, como excipientes o modificadores de viscosidad. En el futuro, la caracterización de estas muestras permitirá clasificarlas o combinarlas adecuadamente para garantizar que se logren de manera consistente las características de rendimiento deseadas.

El desempeño del sistema OMNISEC, en términos de su sensibilidad para la dispersión de luz y el índice de refracción, junto con su facilidad de uso y robustez (incluyendo el viscosímetro de autobalance y el puente intercambiable por el usuario), lo posiciona como el sistema líder para realizar este tipo de mediciones.

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