Въведение
Поли(млечна киселина) (PLA) е биоразградим полимер, получен от природни ресурси като царевично нишесте, на който се обръща значително внимание през последните години. Той е един от най-разпространените биоразградими полимери на пазара поради наличността, ниските производствени разходи и когато се извлича от устойчиви природни източници, той е истински възобновяем полимер. Млечната киселина често се комбинира с гликолова киселина, за да се образува съполимерът поли(млечно-когликолова киселина) (PLGA), който може да има различен състав на млечната и гликоловата киселина. Тъй като е универсален полимер, той се използва в широк спектър от приложения - от адитивно производство (3D принтиране) до прибори за хранене за еднократна употреба, биоразградими шевове, доставка на лекарства или като биоразградима опаковка.
Широко известно е, че обемните свойства на полимерите силно зависят от техните молекулни свойства. Най-често се приема, че най-силният определящ фактор за здравината на даден полимер е неговото молекулно тегло.
При съполимери като PLGA обаче е вероятно съставът на съполимера също да оказва силно влияние върху тези свойства.
В тази приложна бележка се използват и технологиите на Malvern, за да се изследва връзката между молекулните и обемните свойства на PLA и PLGA. Ротационната реология се използва за изследване на вискозитета на стопилката, докато молекулното тегло и вътрешният вискозитет се измерват с помощта на многодетекторната GPC на Malvern.
Методи
Бяха измерени шест проби от налични в търговската мрежа вещества, включително:
- PLA
- PLGA със 75% LA и 25% GA (PLGA(75:25))
- PLGA с 65% LA и 35% GA (PLGA (63:35))
- Три проби от PLGA с 50% LA и 50% GA (PLGA (50:50)) с различни молекулни тегла.
За ротационната реология пробите бяха характеризирани с помощта на ротационен реометър Kinexus Ultra+. Пробите бяха измерени при 150°C с помощта на активен касетофон с пелтиева плоча с паралелна плоча с геометрия 20 mm. Поради естеството на PLA, който е биоразградим, той е податлив на разграждане и поради това измерванията бяха извършени при продухване с азот, за да се намали рискът от окислително разграждане по време на анализа.
За мултидетекторната GPC на Malvern пробите бяха разтворени в THF и разделени в две колони Malvern T6000M със смесено легло SVB. GPC е извършена на система Malvern OMNISEC, включваща детектори за показателя на пречупване (RI), за разсейване на светлината (правоъгълно разсейване на светлината (RALS) и нискоъгълно разсейване на светлината (LALS)) и вискозиметър.
Резултати от тестовете
Проведени са два експеримента. При първия експеримент три проби от PLGA(50:50) бяха измерени чрез ротационна реометрия и мултидетекторна GPC. Представителна хроматограма на "PLGA (50:50) 2" е показана на фигура 1.
В таблица 1 са обобщени резултатите от трите проби. Пробите са измерени в два екземпляра. Както може да се види, има значителни разлики в молекулните тегла на трите проби, вариращи от T11 KDa до 69 KDa. След това ротационният реометър Kinexus беше използван за изследване на вискозитета на стопилката при нулево срязване, за който обикновено се приема, че корелира с молекулното тегло на пробата.
Таблица 1: Измерени молекулярни данни за пробите от PLGA (50:50) в първия експеримент
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Измерване | Средна стойност | % RSD | Средна стойност | % RSD | Средна стойност | % RSD |
| RV (ml) | 20.03 | 0 | 018.53 | 0.05088 | 18.17 | 0.01297 |
| Mn (g/mol) | 7.860 | 8.801 | 24.850 | 0.3569 | 37,010 | 5.037 |
| Mw (g/mol) | 11.350 | 1.394 | 45.650 | 0.3572 | 68.980 | 0.7617 |
| Mw/Mn | 1.449 | 7.411 | 1.837 | 3.96E-04 | 1.866 | 4.276 |
| IVw (dL/g) | 0.1463 | 0.5835 | 0.3343 | 0.1945 | 0.429 | 0.7332 |
| Rh(ŋ)w (nm) | 2.871 | 1.432 | 5.949 | 0.1864 | 7.436 | 0.8545 |
| M-H a | 0.6633 | 8.223 | 0.5424 | 14.6 | 0.5521 | 0.515 |
| M-H log K (dL/g) | -3.507 | -6.258 | -2.975 | -12.36 | -3.012 | -0.4615 |
| Възстановяване (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Както може да се види на фигура 2, кривите на вискозитета имат добра тенденция в зависимост от молекулното тегло на трите проби. Образец 1 има най-ниско молекулно тегло и най-нисък вискозитет. Образци 2 и 3 имат по-високи молекулни тегла и съответно по-висок вискозитет. Този вид тенденция на молекулното тегло е типична и отговаря добре на нашите очаквания.
След това беше извършено последващо изследване на PLA и три различни съполимера - PLGA (65:25), PLGA (75:25) и PLGA (50:50) 2 от предишния набор от проби. Данните за молекулното тегло са показани в таблица 2. Както може да се види, молекулните тегла на пробите варират между 11 KDa и 64 KDa.
Таблица 2: Измерени молекулярни данни за четирите проби от PLA и PLGA, сравнени във втория експеримент
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Измерване | Средна стойност | % RSD | Средна стойност | % RSD | Средна стойност | % RSD | Средна стойност | % RSD |
| RV (ml) | 20.01 | 0.08247 | 18.53 | 0.05088 | 18.66 | 0.06317 | 18.12 | 0 |
| Mn (g/mol) | 8,083 | 15.92 | 24,850 | 0.3569 | 19,240 | 10.25 | 40,110 | 1.745 |
| Mw (g/mol) | 10,950 | 2.807 | 45,650 | 0.3572 | 34,870 | 1.548 | 64,260 | 0.8879 |
| Mw/Mn | 1.369 | 13.14 | 1.837 | 3.96E-04 | 1.821 | 8.709 | 1.607 | 0.8569 |
| IVw (dL/g) | 0.1942 | 1.039 | 0.3343 | 0.1945 | 0.3497 | 1.279 | 0.5631 | 0.2247 |
| Rh(ŋ)w (nm) | 3.134 | 1.886 | 5.949 | 0.1864 | 5.522 | 1.248 | 7.996 | 0.3095 |
| M-H a | 0.6553 | 1.96 | 0.5424 | 14.6 | 0.6835 | 10.72 | 0.6588 | 0.1613 |
| M-H log K (dL/g) | -3.344 | -1.504 | -2.975 | -12.36 | -3.534 | -9.343 | -3.39 | -0.162 |
| Възстановяване (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Тъй като тези образци имат различен състав, различните им структури могат да бъдат сравнени на графиката на Марк-Хууинк. Графиката на Марк-Хувинк показва вътрешния вискозитет като функция на молекулното тегло. Той позволява сравняване на структурите на полимерите при различни молекулни тегла. Най-често се използва за изучаване на разклоняването на полимерите, но също така показва разликите между линейни молекули с различен състав, както е при съполимерите PLA и PLGA. На фигура 3 са показани припокриващи се графики на Марк-Хувинк за четирите проби. Резултатите са показани в два екземпляра.
Както може да се види, всеки полимер има своя собствена линия на графиката на Марк-Хувинк, която представя конформацията или плътността на молекулата в разтвора. Графиката тук показва, че PLA е най-отвореният/разширеният от пробите. С увеличаване на съдържанието на гликолова киселина полимерите стават все по-плътно опаковани в разтвора. Вътрешният вискозитет е мярка за приноса на пробата към вискозитета на разтвора, така че може да не корелира точно с вискозитета на стопилката, но графиката на Марк-Хууинк показва ясна тенденция в конформацията, която зависи от съдържанието на гликолова киселина. Реологичните резултати за тези четири проби са показани на фигура 4.
Както се вижда от данните, има ясна тенденция в измерванията на вискозитета на стопилката, но тя не корелира с молекулното тегло. Докато пробата от PLA притежава най-ниско молекулно тегло и има най-нисък вискозитет, пробата с най-високо молекулно тегло е PLGA (75:25), която има втория най-нисък вискозитет. Пробата от PLGA (50:50) е с най-висок вискозитет, въпреки че има едва второто по големина молекулно тегло.
Тенденцията в този случай изглежда е много по-зависима от съдържанието на гликолова киселина, като пробата с най-високо съдържание на гликолова киселина показва най-висок вискозитет, а пробата с най-малко гликолова киселина (PLA) показва най-нисък вискозитет.
Ясно е, че вискозитетът на стопилката ще зависи от комбинацията от двата параметъра, но добре дефинираната корелация между съдържанието на гликолова киселина и вискозитета изглежда доминира в цялостната зависимост.
Заслужава да се отбележи, че пробата с най-нисък вътрешен вискозитет в графиката на Марк-Хувинк има най-висок вискозитет на стопилката според реологичните данни. Това противоречи на очакванията, но предполага обяснение. Тъй като молекулите в пробата от PLGA (50:50) са по-компактни и плътно опаковани в полимера, има по-малко свободен обем, в който полимерните вериги могат да се репликират и организират. Следователно това увеличава съпротивлението им при течене, а впоследствие и вискозитета на стопилката.
Заключения
Данните, представени в тази приложна бележка, показват по елегантен начин как използването на допълнителни технологии за характеризиране на полимери може да даде отлична представа за поведението на полимери като PLA и PLGA. Въпреки че е широко прието, че обемните свойства (като вискозитета на стопилката) на полимерите са силно свързани с молекулните свойства (като молекулното тегло), други фактори, като състава на съполимера, също могат да бъдат значими фактори.
В това изследване за изследване на вискозитета на стопилката е използвана ротационна реология, а за характеризиране на молекулните свойства на серия от проби от PLA и PLGA е използван мултидетекторен GPC на Malvern. За пробите от PLGA с един и същ състав е наблюдавана ясна корелация между молекулното тегло, но когато съставът също е променян, е наблюдавана силна корелация за съдържанието на гликолова киселина. Подобни прозрения могат да се наблюдават само при пълно охарактеризиране на интересуващите ни проби. При извършването на такива измервания е възможно да се разбере напълно как молекулярните свойства влияят върху обемните характеристики.
Чрез контролиране на такива параметри изследователите и разработчиците на продукти могат да разработят полимери с множество идеални свойства. Например за приложение за доставяне на лекарства може да се избере PLGA съполимер, който има добър вискозитет на стопилката за формоване, но също така има необходимите скорости на разграждане за добре контролирано по време освобождаване на лекарството. По този начин могат да бъдат разработени продукти, които имат по-добре контролирани експлоатационни характеристики, намалени проценти на грешки и по-висока стойност.