Разбиране и свеждане до минимум на деградацията на поликапролактона по време на обработка с помощта на реология и мултидетекторна GPC

Въведение

Поликапролактонът (PCL) е синтетичен полимер, на който напоследък се обръща все по-голямо внимание благодарение на неговата биоразградимост. Най-често той се използва в производството на полиуретани или като пластификатор за други полимери, например PVC. Често се използва и при формоване и създаване на прототипи благодарение на ниската си температура на топене и се използва като суровина в някои системи за адитивно производство (3D принтиране). И накрая, той се използва и в някои приложения за доставка на лекарства като механизъм за контролирано освобождаване, по същия начин като полимлечната киселина (PLA) или полимлечногликолната киселина (PLGA). Потенциално предимство пред PLA и PLGA е, че PCL има по-бавна скорост на разграждане и следователно може да позволи по-бавно освобождаване на лекарството.

Както при всички полимери, молекулярните свойства на PCL (напр. молекулно тегло) оказват силно влияние върху обемните му свойства, като здравина, твърдост и течливост при топене. Тъй като е биоразградим, PCL е изложен на висок риск от разграждане по време на процеси като екструдиране за формоване, особено при високи температури. В литературата са описани някои механизми за намаляване на този риск. Например екструдирането в присъствието на въглероден диоксид (_CO2) може да намали вискозитета на потока на стопилката на PCL, като действа като "молекулярен лубрикант". Намаляването на вискозитета на полимера намалява температурата, при която може да се извърши екструдирането, и по този начин би могло да предпази полимера от деградация по време на процеса [1].

В тази приложна бележка наличен в търговската мрежа образец на PCL е екструдиран самостоятелно и в присъствието на_CO2. За изследване на вискозитета на стопилката на полимера е използвана ротационна реометрия, а за девствената проба преди и след екструдирането са направени измервания на Malvern GPC.

Методи

Пробата от PCL е екструдирана с помощта на настолен екструдер Rondol при скорост на шнека 30 об/мин през матрица с прорез 1 mm както в присъствие (150 °C), така и в отсъствие (160 °C) на_CO2 [1].

Вискозитетът на стопилката на пробите също е измерен на ротационен реометър Kinexus Ultra+, като е използван активен касетофон с пелтиеви плочи при 150 °C и паралелни плочи с диаметър 20 mm и измервателна междина 1 mm. Извършено е честотно преливане, за да се определи комплексният вискозитет на пробата. Измерването е извършено под продухване с азот, за да се намали рискът от възникване на окислително разграждане.

Трите проби бяха измерени чрез мултидетекторна ГПХ на система Malvern OMNISEC, включваща детектори за показател на пречупване (RI), UV-Vis, разсейване на светлината (правоъгълно разсейване на светлината (RALS) и нискоъгълно разсейване на светлината (LALS)) и вискозиметър (IV). Пробите бяха разтворени до концентрации от приблизително 3 mg/ml и разделени на две колони Malvern T6000M със смесен слой SVB.

Резултати от тестовете

На фигура 1 е показана хроматограма на пробата от първичен PCL. Както може да се види, пробата е добре разграничена и съотношението сигнал/шум е добро за всички детектори. Хроматограмата е покрита с измереното молекулно тегло и вътрешен вискозитет.

На фигура 2 са показани наслагвания на RI, RALS и вискозиметричните детектори за първичните, екструдираните и екструдираните с_CO2 проби. Хроматограмите показват трикратни измервания на всяка проба, които се наслагват. Small разликите са видими при различните детектори. Въпреки че разликите изглеждат small, повторяемостта на измерванията е отлична.

В таблица 1 са показани изчислените числени резултати за тези проби. Първичният PCL има средно измерено молекулно тегло от 114,6 KDa. След екструдирането то е спаднало до 103,8 KDa; когато обаче_CO2 е бил впръскан директно в цевта на екструдера, това е позволило екструдирането да се осъществи при температура с 10°C по-ниска. Нетният ефект от използването на_CO2 и по-ниската температура на екструдиране е бил смекчаване на деградацията на полимера с около 40% и запазване на молекулното тегло на 108,1 KDa. Подобна, макар и по-слабо изразена тенденция, се наблюдава и при други измерени параметри, като вътрешен вискозитет и хидродинамичен радиус за образците.

След това пробите са измерени на ротационен реометър, за да се види как тези молекулни промени са повлияли на обемните им свойства (вискозитет на стопилката). Вискозитетът на стопилката обикновено е силно зависим от молекулното тегло на пробата. Същата тенденция изглежда е налице и в данните от ротационната реология.

Таблица 1: Резултати от измерванията на трите проби от PLC с помощта на мултидетекторната SEC

Както се вижда от фигура 3, вискозитетът на стопилката е най-висок при първичния PCL. Пробата, екструдирана в отсъствие на_CO2, има по-нисък вискозитет на стопилката. Това частично се смекчава чрез екструдиране на пробата в присъствие на_CO2 при по-ниска температура на екструдиране.

Накрая бяха проучени данните от мултидетекторната GPC, за да се види дали има някакви промени в структурата на PCL в резултат на екструдирането. Графиката на Марк-Хууинк показва вътрешния вискозитет като функция на молекулното тегло и следователно може да се използва за оценка на промените в молекулната структура и конформация. Той се използва най-често при изследване на разклоняването на полимерите.

На пръв поглед графиката на Марк-Хууинк за пробите от PCL изглежда, че те се наслагват добре и няма промени в структурата на полимера. При по-внимателно вглеждане обаче се оказва, че пробата, екструдирана при липса на_CO2 (т.е. най-разградената), също е претърпяла small промяна в структурата. На фигура 4 е показано наслагването на трикратни измервания, което демонстрира повторяемостта на тази изключително small, но ясна разлика.

Тази промяна може да се дължи на влошаване на разклоняването на пробата, но се смята, че тази проба е линейна. Потенциално може да бъде свързана и с small разлики, причинени от известна хидратация на полимера, който не е бил изсушен преди експериментите. Независимо от това, тази констатация предоставя интересен път за по-нататъшни потенциални изследвания.

Заключения

Резултатите, показани в тази приложна бележка, демонстрират как условията на обработка могат да повлияят както на основните, така и на обемните свойства на полимер като PCL. Тук се вижда, че молекулното тегло и вискозитетът на стопилката на проба от PCL спадат, когато пробата е екструдирана в отсъствие на_CO2 при 150°C. Този ефект обаче беше частично смекчен чрез включването на_CO2 по време на процеса на екструдиране. Взаимодействайки с някои от молекулите в пробата,_CO2 ефективно действа като "молекулен лубрикант", за да намали вискозитета на пробата. По този начин той означава, че PCL може да бъде екструдиран при по-ниска температура, а това от своя страна предпазва полимера от част от наблюдаваното разграждане.

Тази разлика е успешно наблюдавана на молекулно ниво с помощта на мултидетекторна GPC и на обемно ниво с помощта на ротационна реометрия. По този начин и двете технологии могат да се използват за корелация на промените на молекулно ниво с тези, наблюдавани в крайния продукт.

Намаленият вискозитет на стопилката, който се дължи на по-ниското молекулно тегло, вероятно ще повлияе на всяка форма, произведена с този образец. Вероятно е също така да повлияе на кристалността и механичните свойства, а впоследствие, в случай на приложения за доставка на лекарства, да повлияе на времето за освобождаване на лекарството. Поради това всички продукти, създадени от него, е по-вероятно да имат по-широки допуски и по-големи вариации. От друга страна, чрез екструдиране с_CO2 този ефект е смекчен и използването на тази процедура вероятно ще защити характеристиките на продукта.

Използването на множество технологии за характеризиране на полимера позволява ясно измерване и разбиране на основните промени, които настъпват в полимера по време на екструдирането и обработката. Чрез разбирането и контролирането на тези промени чрез стратегии като екструдиране с_CO2 производителите могат да поддържат по-високо качество на продукта и по-строг контрол върху качеството на продукта, като намалят отказите и увеличат стойността на продукта.