Úvod
Poly(kyselina mléčná) (PLA) je biologicky odbouratelný polymer získávaný z přírodních zdrojů, jako je kukuřičný škrob, kterému se v posledních letech věnuje značná pozornost. Je to jeden z nejrozšířenějších biologicky rozložitelných polymerů na trhu díky dostupnosti, nízkým výrobním nákladům, a pokud je získáván z přírodních udržitelných zdrojů, jedná se o skutečně obnovitelný polymer. Kyselina mléčná se často kombinuje s kyselinou glykolovou a vytváří kopolymer poly(kyselina mléčná-koglykolová) (PLGA), který může mít různé složení kyseliny mléčné a glykolové. Jelikož se jedná o univerzální polymer, používá se v široké škále aplikací od aditivní výroby (3D tisk) po jednorázové příbory, biologicky odbouratelné šicí materiály, podávání léčiv nebo jako biologicky odbouratelné obaly.
Je všeobecně známo, že objemové vlastnosti polymerů jsou silně závislé na jejich molekulárních vlastnostech. Nejčastěji se předpokládá, že nejsilnějším určujícím faktorem pevnosti polymeru je jeho molekulová hmotnost.
U kopolymerů, jako je PLGA, je však pravděpodobné, že tyto vlastnosti silně ovlivňuje i složení kopolymeru.
V této aplikační poznámce jsou také použity technologie společnosti Malvern ke zkoumání vztahu mezi molekulovými a objemovými vlastnostmi PLA a PLGA. Ke studiu viskozity taveniny se používá rotační reologie, zatímco molekulová hmotnost a vlastní viskozita se měří pomocí vícedetektorové GPC společnosti Malvern.
Metody
Bylo změřeno šest vzorků komerčně dostupných látek, včetně:
- PLA
- PLGA se 75 % LA a 25 % GA (PLGA(75:25))
- PLGA s 65 % LA a 35 % GA (PLGA (63:35))
- Tři vzorky PLGA s 50 % LA a 50 % GA (PLGA (50:50)) s různými molekulovými hmotnostmi.
Pro rotační reologii byly vzorky charakterizovány pomocí rotačního reometru Kinexus Ultra+. Vzorky byly měřeny při teplotě 150 °C pomocí aktivní kapotové peltierovy deskové kazety s paralelní deskou o geometrii 20 mm. Vzhledem k povaze PLA, který je biologicky odbouratelný, je náchylný k degradaci, a proto byla měření prováděna při proplachování dusíkem, aby se snížilo riziko oxidační degradace během analýzy.
Pro vícedetektorovou GPC Malvern byly vzorky rozpuštěny v THF a rozděleny na dvou SVB kolonách Malvern T6000M se smíšeným ložem. GPC probíhala na systému Malvern OMNISEC zahrnujícím detektory indexu lomu (RI), rozptylu světla (pravoúhlý rozptyl světla (RALS) a nízkoúhlý rozptyl světla (LALS)) a viskozimetrické detektory.
Výsledky testů
Byly provedeny dva experimenty. V prvním experimentu byly tři vzorky PLGA(50:50) měřeny rotační reometrií a multidetektorovou GPC. Reprezentativní chromatogram "PLGA (50:50) 2" je uveden na obrázku 1.
Tabulka 1 shrnuje výsledky tří vzorků. Vzorky byly měřeny ve dvou opakováních. Jak je vidět, byly zjištěny významné rozdíly v molekulových hmotnostech tří vzorků, které se pohybovaly od T11 KDa do 69 KDa. Rotační reometr Kinexus byl poté použit ke studiu viskozity taveniny při nulovém smyku, o níž se obvykle předpokládá, že koreluje s molekulovou hmotností vzorku.
Tabulka 1: Naměřené molekulární údaje pro vzorky PLGA (50:50) v prvním experimentu
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Měření | Průměr | % RSD | Průměr | % RSD | Průměr | % 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 |
| Výtěžnost (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Jak je patrné z obrázku 2, křivky viskozity mají dobrý trend v závislosti na molekulové hmotnosti všech tří vzorků. Vzorek 1 má nejnižší molekulovou hmotnost a nejnižší viskozitu. Vzorky 2 a 3 mají vyšší molekulové hmotnosti a odpovídajícím způsobem vyšší viskozitu. Tento druh trendu molekulové hmotnosti je typický a dobře odpovídá našim očekáváním.
Následná studie pak byla provedena na PLA a třech různých kopolymerech, PLGA (65:25), PLGA (75:25) a PLGA (50:50) 2 z předchozího souboru vzorků. Údaje o molekulových hmotnostech jsou uvedeny v tabulce 2. Jak je vidět, molekulové hmotnosti vzorků se pohybují v rozmezí od 11 KDa do 64 KDa.
Tabulka 2: Naměřené molekulární údaje pro čtyři vzorky PLA a PLGA porovnávané ve druhém experimentu
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Měření | Průměr | % RSD | Průměr | % RSD | Průměr | % RSD | Průměr | % 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 |
| Výtěžnost (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Vzhledem k tomu, že tyto vzorky mají různé složení, lze jejich různé struktury porovnat na Mark-Houwinkově grafu. Markův-Houwinkův graf ukazuje vnitřní viskozitu jako funkci molekulové hmotnosti. Umožňuje porovnávat struktury polymerů při různých molekulových hmotnostech. Nejčastěji se používá ke studiu větvení polymerů, ale ukazuje také rozdíly mezi lineárními molekulami s různým složením, jako je tomu u kopolymerů PLA a PLGA. Na obrázku 3 jsou znázorněny překryté Mark-Houwinkovy grafy pro čtyři vzorky. Výsledky jsou zobrazeny ve dvou opakováních.
Jak je vidět, každý polymer má na Mark-Houwinkově grafu svou vlastní linii, která představuje konformaci nebo hustotu molekuly v roztoku. Z grafu je patrné, že PLA je ze všech vzorků nejvíce otevřený/roztažený. Se zvyšujícím se obsahem kyseliny glykolové se polymery v roztoku stále více a hustěji zabalují. Vnitřní viskozita je měřítkem příspěvku vzorku k viskozitě roztoku, takže nemusí přesně korelovat s viskozitou taveniny, ale Markův-Houwinkův graf ukazuje jasný trend v konformaci, který závisí na obsahu kyseliny glykolové. Výsledky reologie těchto čtyř vzorků jsou uvedeny na obrázku 4.
Jak je patrné z údajů, při měření viskozity taveniny je patrný jasný trend, který však nekoreluje s molekulovou hmotností. Zatímco vzorek PLA má nejnižší molekulovou hmotnost a má nejnižší viskozitu, vzorkem s nejvyšší molekulovou hmotností je PLGA (75:25), který má druhou nejnižší viskozitu. Vzorek PLGA (50:50) má nejvyšší viskozitu, přestože má pouze druhou nejvyšší molekulovou hmotnost.
Zdá se, že trend v tomto případě mnohem více závisí na obsahu kyseliny glykolové, přičemž vzorek s nejvyšším obsahem kyseliny glykolové vykazuje nejvyšší viskozitu a vzorek s nejmenším obsahem kyseliny glykolové (PLA) vykazuje nejnižší viskozitu.
Je zřejmé, že viskozita taveniny bude záviset na kombinaci obou těchto parametrů, avšak zdá se, že v celkovém vztahu převažuje dobře definovaná korelace mezi obsahem kyseliny glykolové a viskozitou.
Stojí za povšimnutí, že vzorek s nejnižší vlastní viskozitou v grafu Mark-Houwink má nejvyšší viskozitu taveniny podle reologických údajů. To bylo v rozporu s očekáváním, ale naznačuje to vysvětlení. Vzhledem k tomu, že molekuly ve vzorku PLGA (50:50) jsou v polymeru kompaktnější a hustěji zabalené, je zde menší volný objem pro polymerní řetězce, aby se mohly reptat a uspořádat. Tím se zvyšuje jejich odpor proti toku a následně i viskozita taveniny.
Závěry
Údaje uvedené v této aplikační poznámce elegantně ukazují, jak může použití doplňkových technologií charakterizace polymerů poskytnout vynikající vhled do chování polymerů, jako jsou PLA a PLGA. I když je všeobecně známo, že objemové vlastnosti polymerů (např. viskozita taveniny) jsou silně spojeny s molekulárními vlastnostmi (např. molekulovou hmotností), mohou být významnými faktory i jiné faktory, např. složení kopolymeru.
V této studii byla ke studiu viskozity taveniny použita rotační reologie, zatímco k charakterizaci molekulárních vlastností řady vzorků PLA a PLGA byla použita multidetektorová GPC Malvern. U vzorků PLGA stejného složení byla pozorována jasná korelace molekulové hmotnosti, ale když se měnilo i složení, byla pozorována silná korelace pro obsah kyseliny glykolové. Takovéto poznatky lze pozorovat pouze při úplné charakterizaci zájmových vzorků. Při provádění takových měření je možné plně pochopit, jak molekulární vlastnosti ovlivňují objemové vlastnosti.
Řízením takových parametrů mohou výzkumní pracovníci a vývojáři produktů vyvinout polymery s více ideálními vlastnostmi. Například pro aplikaci pro podávání léčiv lze vybrat kopolymer PLGA, který má dobrou viskozitu taveniny pro lisování, ale zároveň má požadovanou rychlost degradace pro dobře řízené časované uvolňování léčiva. Tímto způsobem lze vyvinout výrobky, které mají lépe řízené výkonnostní charakteristiky, nižší míru selhání a vyšší hodnotu.