التوصيف الجزيئي والكتلي لعينات PLA و PLGA باستخدام قياس الانسيابية و GPC متعدد الكواشف - استكشاف العلاقة بين الخصائص الجزيئية والخصائص الانسيابية الكلية للبوليمرات القابلة للتحلل الحيوي

مقدمة

بولي (حمض اللبنيك) (PLA) هو بوليمر قابل للتحلل الحيوي مشتق من موارد طبيعية مثل نشا الذرة، وقد حظي باهتمام كبير في السنوات الأخيرة. وهو واحد من أكثر البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي انتشارًا في السوق نظرًا لتوفره وانخفاض تكلفة إنتاجه وعندما يُشتق من مصادر طبيعية مستدامة، فهو بوليمر متجدد حقًا. وغالبًا ما يتم دمج حمض اللاكتيك مع حمض الجليكوليك لتكوين البوليمر المشترك (بوليمر بوليمر (حمض اللاكتيك-حمض الجليكوليك) (PLGA)، والذي يمكن أن يحتوي على تركيبة مختلفة من أحماض اللاكتيك والجليكوليك. وباعتباره بوليمر متعدد الاستخدامات، فإنه يُستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات بدءًا من التصنيع المضاف (الطباعة ثلاثية الأبعاد) إلى أدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة أو الغرز القابلة للتحلل أو توصيل الأدوية أو كتغليف قابل للتحلل.

ومن المعروف على نطاق واسع أن الخصائص السائبة للبوليمرات تعتمد بشدة على خصائصها الجزيئية. والأكثر شيوعًا، يُفترض أن أقوى محدد لقوة البوليمر هو وزنه الجزيئي.

ومع ذلك، في البوليمرات المشتركة مثل PLGA، من المحتمل أيضًا أن تؤثر تركيبة البوليمر المشترك بقوة على تلك الخواص.

وتستخدم هذه المذكرة التطبيقية أيضًا تقنيات مالفيرن لاستكشاف العلاقة بين الخواص الجزيئية والجزئية للبوليمر PLA و PLGA. تُستخدم الريولوجيا الدورانية لدراسة اللزوجة الذائبة، بينما يُقاس الوزن الجزيئي واللزوجة الجوهرية باستخدام جهاز مالفيرن متعدد الكواشف GPC.

الأساليب

تم قياس ست عينات من المواد المتاحة تجاريًا بما في ذلك:

• PLA
• PLGA مع 75% LA و25% GA (PLGA(75:25))
• PLGA بنسبة 65% LA و35% GA (PLGA (63:35))
• ثلاث عينات من PLGA مع 50% LA و50% GA (PLGA (50:50)) بأوزان جزيئية مختلفة.
  

بالنسبة لعلم الانسيابية الدورانية، تم توصيف العينات باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus Ultra+. تم قياس العينات عند درجة حرارة 150 درجة مئوية باستخدام خرطوشة صفيحة بلتيرية ذات غطاء نشط مع هندسة صفيحة متوازية 20 مم. نظرًا لطبيعة جيش التحرير الشعبى الصينى القابل للتحلل الحيوي، فإنه عرضة للتحلل وبالتالي تم إجراء القياسات أثناء التطهير بالنيتروجين لتقليل خطر التحلل التأكسدي أثناء التحليل.

بالنسبة إلى تحليل GPC متعدد الكواشف في مالفيرن (Malvern)، تم إذابة العينات في THF وفصلها عبر عمودين من مالفيرن T6000M مختلطين من SVB. تم تشغيل GPC على نظام Malvern OMNISEC من مالفيرن بما في ذلك معامل الانكسار (RI)، والتشتت الضوئي (تشتت الضوء بزاوية قائمة (RALS) وتشتت الضوء بزاوية منخفضة (LALS))، وكاشفات مقياس اللزوجة.

نتائج الاختبار

تم إجراء تجربتين. في التجربة الأولى، تم قياس ثلاث عينات من PLGA (50:50) بواسطة قياس الانسيابية الدورانية وبواسطة جهاز تحليل جزيئات المواد الكيميائية متعدد الكواشف. يظهر في الشكل 1 مخطط لوني تمثيلي لعينة "PLGA (50:50) 2".

يلخص الجدول 1 نتائج العينات الثلاث. تم قياس العينات في نسختين. وكما يمكن أن نرى، كانت هناك اختلافات كبيرة في الأوزان الجزيئية للعينات الثلاث، حيث تراوحت بين T11 KDa و69 KDa. استُخدم بعد ذلك مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus لدراسة اللزوجة الذائبة "صفر القص"، والتي يُفترض عادةً أنها ترتبط بالوزن الجزيئي للعينة.

الجدول 1: البيانات الجزيئية المقيسة لعينات PLGA (50:50) في التجربة الأولى

كما يتضح من الشكل 2، تتماشى منحنيات اللزوجة بشكل جيد مع الوزن الجزيئي للعينات الثلاث. تتميز العينة 1 بأقل وزن جزيئي وأقل لزوجة. وتحتوي العيّنتان 2 و3 على أوزان جزيئية أعلى ولزوجة أعلى في المقابل. هذا النوع من اتجاه الوزن الجزيئي نموذجي ويتوافق جيدًا مع توقعاتنا.

ثم أُجريت دراسة لاحقة على PLA وثلاثة بوليمرات مشتركة مختلفة، PLGA (65:25) و PLGA (75:25) و PLGA (50:50) 2 من مجموعة العينات السابقة. تظهر بيانات الوزن الجزيئي في الجدول 2. كما يمكن ملاحظة أن الأوزان الجزيئية للعينات تتراوح بين 11 KDa و64 KDa.

الجدول 2: البيانات الجزيئية المقاسة لعينات PLA و PLGA الأربعة المقارنة في التجربة الثانية

نظرًا لأن هذه العينات لها تركيبات مختلفة، يمكن مقارنة تركيباتها المختلفة على مخطط مارك-هوينك. يوضح مخطط مارك-هوينك اللزوجة الجوهرية كدالة للوزن الجزيئي. يسمح بمقارنة هياكل البوليمر في مجموعة من الأوزان الجزيئية. ويُستخدم بشكل شائع لدراسة تفرع البوليمر ولكنه يشير أيضًا إلى الاختلافات بين الجزيئات الخطية ذات التركيبات المختلفة، كما هو الحال في البوليمرات المشتركة PLA و PLGA. يوضح الشكل 3 مخططات مارك-هوينك المتراكبة للعينات الأربع. تظهر النتائج في نسختين.

كما يمكن ملاحظة أن كل بوليمر له خطه الخاص على مخطط مارك-هوينك الذي يمثل تشكيل الجزيء أو كثافته في المحلول. يوضح المخطط هنا أن PLA هو الأكثر انفتاحًا/امتدادًا بين العينات. ومع زيادة محتوى حمض الجليكوليك، تصبح البوليمرات أكثر كثافة في المحلول. تُعد اللزوجة الجوهرية مقياسًا لمساهمة العينة في لزوجة المحلول، لذا قد لا ترتبط تمامًا باللزوجة الذائبة، لكن مخطط مارك-هوينك يُظهر اتجاهًا واضحًا في التشكل يعتمد على محتوى حمض الجليكوليك. تظهر نتائج الريولوجيا لهذه العينات الأربع في الشكل 4.

كما يتضح من البيانات، هناك اتجاه واضح في قياسات اللزوجة الذائبة ولكن هذا لا يرتبط بالوزن الجزيئي. في حين أن عينة PLA تمتلك أقل وزن جزيئي ولها أقل لزوجة، فإن العينة ذات الوزن الجزيئي الأعلى هي PLGA (75:25) التي لديها ثاني أقل لزوجة. وتتمتع عينة PLGA (50:50) بأعلى لزوجة على الرغم من أنها تمتلك ثاني أعلى وزن جزيئي فقط.

يبدو أن الاتجاه في هذه الحالة أكثر اعتمادًا على محتوى حمض الجليكوليك، حيث تظهر العينة التي تحتوي على أعلى محتوى من حمض الجليكوليك أعلى لزوجة والعينة التي تحتوي على أقل حمض جليكوليك (PLA) أقل لزوجة.

من الواضح أن اللزوجة الذائبة ستعتمد على مزيج من هاتين المعلمتين، ومع ذلك، يبدو أن العلاقة المحددة جيدًا بين محتوى حمض الجليكوليك واللزوجة تهيمن على العلاقة الكلية.

تجدر الإشارة إلى أن العينة ذات اللزوجة الجوهرية الأقل في مخطط مارك-هوينك لديها أعلى لزوجة ذائبة وفقًا لبيانات الريولوجيا. كان هذا مخالفًا للتوقعات ولكنه يشير إلى تفسير لذلك. ونظرًا لأن الجزيئات في عينة PLGA (50:50) تكون أكثر إحكامًا وكثافة في البوليمر، فإن هناك حجمًا حرًا أقل لسلاسل البوليمر لتعيد تنظيم نفسها. وهذا يزيد بالتالي من مقاومتها للتدفق وبالتالي يزيد من لزوجة الذوبان.

الاستنتاجات

توضح البيانات المقدمة في هذه المذكرة التطبيقية بأناقة كيف يمكن أن يوفر استخدام تقنيات توصيف البوليمر التكميلية رؤى ممتازة في سلوك البوليمرات مثل PLA و PLGA. على الرغم من أنه من المقبول على نطاق واسع أن الخصائص السائبة (مثل اللزوجة الذائبة) للبوليمرات ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الجزيئية (مثل الوزن الجزيئي) فإن عوامل أخرى، مثل تركيبة البوليمر المشترك يمكن أن تكون عوامل مهمة أيضًا.

في هذه الدراسة، استُخدمت الريولوجيا الدورانية لدراسة اللزوجة الذائبة بينما استُخدم جهاز مالفيرن متعدد الكواشف GPC لتوصيف الخواص الجزيئية لسلسلة من عينات PLA و PLGA. ولوحظ وجود ارتباط واضح للوزن الجزيئي لعينات PLGA من نفس التركيبة، ولكن عند تنوع التركيب أيضًا، لوحظ وجود ارتباط قوي لمحتوى حمض الجليكوليك. لا يمكن ملاحظة هذه الأنواع من الرؤى إلا من خلال التوصيف الكامل للعينات ذات الأهمية. ومن خلال إجراء مثل هذه القياسات، من الممكن فهم كيفية تأثير الخصائص الجزيئية على الأداء الكلي بشكل كامل.

ومن خلال التحكم في مثل هذه المعلمات، يمكن للباحثين ومطوري المنتجات تطوير بوليمرات ذات خصائص مثالية متعددة. على سبيل المثال، يمكن اختيار بوليمر مشترك PLGA لتطبيق توصيل الدواء الذي يتمتع بلزوجة ذائبة جيدة للقولبة ولكن لديه أيضًا معدلات التحلل المطلوبة لإطلاق الدواء في الوقت المناسب. عند القيام بذلك، يمكن تطوير منتجات تتمتع بخصائص أداء أفضل منضبطة ومعدلات فشل أقل وقيمة أعلى.