فهم وتقليل تحلل البولي كابرولاكتون أثناء المعالجة باستخدام الريولوجيا ومحلول كشافات متعددة GPC

مقدمة

بولي كابرولاكتون (PCL) هو بوليمر اصطناعي حظي مؤخراً باهتمام متزايد بفضل قابليته للتحلل الحيوي. واستخدامه الأكثر شيوعًا هو في تصنيع البولي يوريثان أو كمادة ملدنة للبوليمرات الأخرى مثل PVC. وغالبًا ما يستخدم أيضًا في التشكيل والنماذج الأولية بفضل درجة حرارة انصهاره المنخفضة ويستخدم كمادة وسيطة في بعض أنظمة التصنيع المضافة (الطباعة ثلاثية الأبعاد). أخيرًا، يُستخدم أيضًا في بعض تطبيقات توصيل الأدوية كآلية للتحكم في إطلاق الأدوية، بنفس طريقة استخدام حمض البولي لاكتيك (PLA) أو حمض البولي لاكتيككو-جليكوليك (PLGA). وتتمثل الميزة المحتملة مقارنةً بحمض PLA و PLGA في أن PCL لديه معدل تحلل أبطأ، وبالتالي قد يسمح بإطلاق أبطأ للدواء.

وكما هو الحال مع جميع البوليمرات، ستؤثر الخصائص الجزيئية لمادة PCL (على سبيل المثال، الوزن الجزيئي) بقوة على خصائصها السائبة مثل القوة والمتانة والتدفق الذائب. نظرًا لكونه قابل للتحلل الحيوي، فإن PCL معرض لخطر التحلل أثناء عمليات مثل البثق للقولبة، خاصةً في درجات الحرارة العالية. وقد تم وصف بعض الآليات في الأدبيات لتقليل هذا الخطر. على سبيل المثال، يمكن أن يقلل البثق في وجود ثاني أكسيد الكربون (_CO2) من لزوجة التدفق الذائب للكلور ثنائي الفينيل متعدد الكلور من خلال العمل ك "مادة تشحيم جزيئية". إن تقليل لزوجة البوليمر يقلل من درجة الحرارة التي يمكن عندها إجراء البثق وبالتالي يمكن أن يحمي البوليمر من التدهور أثناء العملية [1].

في هذه المذكرة التطبيقية، تم بثق عينة متاحة تجاريًا من PCL بمفردها وفي وجود _ثاني أكسيد الكربون. تم استخدام قياس الانسيابية الدورانية لدراسة لزوجة ذوبان البوليمر، بينما تم إجراء قياسات مالفيرن GPC للعينة البكر قبل البثق وبعده.

الأساليب

تم بثق عينة PCL باستخدام جهاز بثق علوي منضدية Rondol بسرعات لولبية تبلغ 30 دورة في الدقيقة من خلال قالب بفتحة 1 مم في وجود (150 درجة مئوية) وغياب (160 درجة مئوية) من _ثاني أكسيد الكربون [1].

كما تم قياس اللزوجة الذائبة للعينات أيضًا على مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus Ultra+ باستخدام خرطوشة صفيحة بلاتير ذات غطاء نشط عند درجة حرارة 150 درجة مئوية وألواح متوازية بقطر 20 مم وفجوة قياس 1 مم. تم إجراء مسح ترددي لتحديد اللزوجة المعقدة للعينة. أُجري القياس تحت تطهير بالنيتروجين لتقليل خطر حدوث تدهور تأكسدي.

تم قياس العينات الثلاث بواسطة جهاز GPC متعدد الكواشف على نظام Malvern OMNISEC بما في ذلك معامل الانكسار (RI) والأشعة فوق البنفسجية المرئية والأشعة فوق البنفسجية المرئية والتشتت الضوئي (تشتت الضوء بزاوية قائمة (RALS) وتشتت الضوء بزاوية منخفضة (LALS)) وكاشفات مقياس اللزوجة (IV). تم إذابة العينات بتركيزات تبلغ 3 مجم/مل تقريبًا وفصلها على عمودين من مالفيرن T6000M مختلطين من SVB.

نتائج الاختبار

يوضح الشكل 1 مخططًا لونيًا لعينة PCL البكر. وكما هو واضح، فإن العينة محلولة بشكل جيد والإشارة إلى الضوضاء جيدة في جميع أجهزة الكشف. تم تراكب المخطط اللوني مع الوزن الجزيئي المقيس واللزوجة الجوهرية.

يُظهر الشكل 2 تراكبًا لكاشفات RI وRALS ومقياس اللزوجة للعينات البكر والمقذوفة والمقذوفة مع _ثاني أكسيد الكربون. تُظهر المخططات اللونية قياسات ثلاثية لكل عينة متراكبة. تظهر اختلافات صغيرة في الكواشف المختلفة. على الرغم من أن الاختلافات تبدو صغيرة، إلا أن قابلية تكرار القياسات ممتازة.

يوضح الجدول 1 النتائج العددية المحسوبة لهذه العينات. يبلغ متوسط الوزن الجزيئي المقاس للكلوريد متعدد الفينيل متعدد الكلور البكر 114.6 KDa. وبعد البثق، انخفض هذا الوزن الجزيئي إلى 103.8 KDa؛ ومع ذلك، عندما تم حقن ثاني أكسيد _{الكربون} مباشرةً في ماسورة الطارد، سمح ذلك بحدوث البثق عند درجة حرارة أقل بمقدار 10 درجات مئوية. كان التأثير الصافي لاستخدام ثاني _أكسيد الكربون وانخفاض درجة حرارة البثق هو التخفيف من تدهور البوليمر بنسبة 40% تقريبًا والحفاظ على الوزن الجزيئي عند 108.1 كيلو دالتون. لوحظ اتجاه مماثل، وإن كان أقل تحديدًا في المعلمات المقاسة الأخرى مثل اللزوجة الجوهرية ونصف القطر الهيدروديناميكي للعينات.

ثم تم قياس العينات بعد ذلك على مقياس الانسيابية الدورانية لمعرفة كيف تأثرت خواصها السائبة (اللزوجة الذائبة) بهذه التغيرات الجزيئية. عادةً ما تعتمد اللزوجة الذائبة بشدة على الوزن الجزيئي للعينة. ويبدو أن الاتجاه نفسه موجود في بيانات الريولوجيا الدورانية.

الجدول 1: النتائج المقاسة لعينات المجلس التشريعي الفلسطيني الثلاث عن طريق جهاز SEC متعدد الكواشف

كما يتضح من الشكل 3، فإن PCL البكر له أعلى لزوجة ذائبة. وتتميز العينة المبثوقة في غياب ثاني أكسيد _{الكربون} بلزوجة ذوبان أقل. ويتم تخفيف ذلك جزئيًا عن طريق بثق العينة في وجود _CO2 عند درجة حرارة بثق أقل.

وأخيرًا، تمت دراسة بيانات GPC متعددة الكواشف لمعرفة ما إذا كانت هناك أي تغييرات في بنية PCL نتيجة للبثق. يُظهر مخطط مارك-هوينك اللزوجة الجوهرية كدالة للوزن الجزيئي وبالتالي يمكن استخدامه لتقييم التغيرات في التركيب الجزيئي والتشكيل. وهو الأكثر استخدامًا في دراسة تفرع البوليمر.

للوهلة الأولى على مخطط مارك-هوينك لعينات PCL، يبدو للوهلة الأولى أنها متراكبة بشكل جيد ولا توجد تغييرات في بنية البوليمر. ومع ذلك، عند الفحص الدقيق، يبدو أن العينة المبثوقة في غياب أي _ثاني أكسيد الكربون (أي الأكثر تدهورًا) قد خضعت أيضًا لتغير بسيط في البنية. يوضح الشكل 4 تراكب القياسات الثلاثية التي توضح إمكانية تكرار هذا الاختلاف الصغير للغاية ولكن الواضح.

يمكن أن يكون هذا التغير ناتجًا عن تدهور تفرع العينة، ومع ذلك، يُعتقد أن هذه العينة كانت خطية. ومن المحتمل أيضًا أن يكون ذلك مرتبطًا باختلافات صغيرة ناجمة عن بعض الترطيب في البوليمر الذي لم يجف قبل إجراء التجارب. ومع ذلك، توفر هذه النتيجة مجالًا مثيرًا للاهتمام لمزيد من التحقيقات المحتملة.

الاستنتاجات

توضح النتائج الموضحة في هذه المذكرة التطبيقية كيف يمكن أن تؤثر ظروف المعالجة على كل من الخصائص الأساسية والجزئية للبوليمر مثل PCL. هنا، لوحظ انخفاض الوزن الجزيئي واللزوجة الذائبة لعينة PCL عند بثق العينة في غياب _CO2 عند درجة حرارة 150 درجة مئوية. ومع ذلك، تم تخفيف تأثير ذلك جزئيًا عن طريق تضمين _CO2 أثناء عملية البثق. ومن خلال التفاعل مع بعض الجزيئات داخل العينة، يعمل ثاني أكسيد _{الكربون} بفعالية كـ4 "مادة تشحيم جزيئية" لتقليل لزوجة العينة. ويعني ذلك أنه يمكن بثق PCL عند درجة حرارة أقل، وهذا بدوره يحمي البوليمر من بعض التدهور الملحوظ.

وقد لوحظ هذا الاختلاف بنجاح على المستوى الجزيئي باستخدام GPC متعدد الكواشف، وعلى المستوى السائب باستخدام قياس الانسيابية الدورانية. وبهذه الطريقة، يمكن استخدام كلتا التقنيتين لربط التغييرات على المستوى الجزيئي بتلك التي لوحظت في المنتج النهائي.

من المرجح أن تؤثر اللزوجة الذائبة المنخفضة الناتجة عن انخفاض الوزن الجزيئي على أي قالب يتم إنتاجه بهذه العينة. ومن المحتمل أيضًا أن يؤثر على التبلور والخصائص الميكانيكية، وبالتالي، في حالة تطبيقات توصيل الأدوية، سيؤثر على توقيت إطلاق الدواء. وبالتالي من المرجح أن يكون لأي منتجات يتم إنشاؤها منه تفاوتات أكبر في الأداء وتباين أكبر. ومن ناحية أخرى، من خلال البثق باستخدام _ثاني أكسيد الكربون تم التخفيف من هذا التأثير، ومن المرجح أن يؤدي استخدام هذا الإجراء إلى حماية أداء المنتج.

يسمح استخدام تقنيات متعددة لتوصيف البوليمر بقياس وفهم واضح للتغيرات الأساسية التي تحدث للبوليمر أثناء البثق والمعالجة. من خلال فهم هذه التغييرات والتحكم فيها من خلال استراتيجيات مثل البثق باستخدام _ثاني أكسيد الكربون، يمكن للمصنعين الحفاظ على جودة أعلى للمنتج وتحكم أكثر إحكامًا في جودة المنتج، مما يقلل من حالات الفشل ويزيد من قيمة المنتج.