Molekylær og bulkkarakterisering af PLA- og PLGA-prøver ved hjælp af reometri og multidetektor-GPC - udforskning af forholdet mellem molekylære karakteristika og reologiske bulkegenskaber for biologisk nedbrydelige polymerer

Introduktion

Poly(mælkesyre) (PLA) er en bionedbrydelig polymer, der stammer fra naturlige ressourcer som majsstivelse, og som har fået stor opmærksomhed i de senere år. Det er en af de mest udbredte bionedbrydelige polymerer på markedet på grund af tilgængelighed, lave produktionsomkostninger, og når den stammer fra naturlige bæredygtige kilder, er det en virkelig vedvarende polymer. Mælkesyre kombineres ofte med glykolsyre for at danne copolymeren poly(mælkesyre-coglykolsyre) (PLGA), som kan have varierende sammensætning af mælkesyre og glykolsyre. Da det er en alsidig polymer, bruges den i en lang række applikationer fra additiv fremstilling (3D-print) til engangsbestik, biologisk nedbrydelige suturer, lægemiddelafgivelse eller som biologisk nedbrydelig emballage.

Det er almindeligt anerkendt, at polymerers bulk-egenskaber er stærkt afhængige af deres molekylære egenskaber. Oftest antages det, at den stærkeste faktor for en polymers styrke er dens molekylvægt.

Men i copolymerer som PLGA er det også sandsynligt, at copolymersammensætningen i høj grad vil påvirke disse egenskaber.

Denne applikationsnote bruger også Malvern-teknologier til at udforske forholdet mellem PLA's og PLGA's molekylære egenskaber og bulk-egenskaber. Rotationsreologi bruges til at studere smelteviskositet, mens molekylvægten og den indre viskositet måles ved hjælp af Malvern multidetektor GPC.

Metoder

Seks prøver af kommercielt tilgængelige stoffer blev målt, herunder:

• PLA
• PLGA med 75 % LA og 25 % GA (PLGA (75:25))
• PLGA med 65 % LA og 35 % GA (PLGA (63:35))
• Tre prøver af PLGA med 50 % LA og 50 % GA (PLGA (50:50)) med forskellige molekylvægte.
  

Til rotationsreologien blev prøverne karakteriseret ved hjælp af et Kinexus Ultra+ rotationsreometer. Prøverne blev målt ved 150 °C ved hjælp af en peltierpladepatron med aktiv hætte og en parallelplade med en geometri på 20 mm. Da PLA er biologisk nedbrydeligt, er det modtageligt for NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, og derfor blev målingerne udført under rensning med nitrogen for at reducere risikoen for oxidativ NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning under analysen.

Til Malvern multi-detektor GPC blev prøverne opløst i THF og adskilt over to Malvern T6000M mixed-bed SVB-kolonner. GPC blev kørt på et Malvern OMNISEC-system med brydningsindeks (RI), lysspredning (retvinklet lysspredning (RALS) og lavvinklet lysspredning (LALS)) og viskosimeterdetektorer.

Testresultater

Der blev udført to eksperimenter. I det første eksperiment blev tre prøver af PLGA (50:50) målt ved rotationsreometri og ved multidetektor-GPC. Et repræsentativt kromatogram af 'PLGA (50:50) 2' er vist i figur 1.

Tabel 1 opsummerer resultaterne af de tre prøver. Prøverne blev målt i to eksemplarer. Som det kan ses, var der betydelige forskelle i molekylvægten for de tre prøver, der varierede fra T11 KDa til 69 KDa. Kinexus' rotationsreometer blev derefter brugt til at undersøge smelteviskositeten ved nulforskydning, som typisk antages at korrelere med en prøves molekylvægt.

Tabel 1: Målte molekylære data for PLGA (50:50)-prøverne i det første eksperiment

Som det fremgår af figur 2, følger viskositetskurverne godt molekylvægten for de tre prøver. Prøve 1 har den laveste molekylvægt og den laveste viskositet. Prøve 2 og 3 har højere molekylvægt og tilsvarende højere viskositet. Denne form for molekylvægtstendens er typisk og stemmer godt overens med vores forventninger.

En efterfølgende undersøgelse blev derefter udført på PLA og tre forskellige copolymerer, PLGA (65:25), PLGA (75:25) og PLGA (50:50) 2 fra det tidligere prøvesæt. Molekylvægtdataene er vist i tabel 2. Som man kan se, varierer molekylvægten for prøverne mellem 11 KDa og 64 KDa.

Tabel 2: Målte molekylære data for de fire PLA- og PLGA-prøver, der blev sammenlignet i det andet eksperiment

Da disse prøver har forskellige sammensætninger, kan deres forskellige strukturer sammenlignes i et Mark-Houwink-plot. Et Mark-Houwink-plot viser den iboende viskositet som en funktion af molekylvægten. Det giver mulighed for at sammenligne polymerstrukturer ved en række molekylvægte. Det bruges oftest til at studere polymerforgreninger, men indikerer også forskelle mellem lineære molekyler med forskellige sammensætninger, som i PLA- og PLGA-copolymererne. Figur 3 viser overlejrede Mark-Houwink-plots for de fire prøver. Resultaterne er vist i duplikat.

Som man kan se, har hver polymer sin egen linje på Mark-Houwink-plottet, som repræsenterer molekylets konformation eller TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed i opløsning. Plottet her viser, at PLA er den mest åbne/udstrakte af prøverne. Efterhånden som indholdet af glykolsyre stiger, bliver polymererne mere og mere tætpakkede i opløsning. Intrinsisk viskositet er et mål for en prøves bidrag til opløsningens viskositet, så den korrelerer måske ikke nøjagtigt med smelteviskositeten, men Mark-Houwink-plottet viser en klar tendens i konformation, der er afhængig af glykolsyreindholdet. Reologiresultaterne for disse fire prøver er vist i figur 4.

Som det fremgår af dataene, er der en klar tendens i målingerne af smelteviskositeten, men den korrelerer ikke med molekylvægten. Mens PLA-prøven har den laveste molekylvægt og har den laveste viskositet, er prøven med den højeste molekylvægt PLGA (75:25), som har den næstlaveste viskositet. PLGA (50:50)-prøven har den højeste viskositet på trods af, at den kun har den næsthøjeste molekylvægt.

Tendensen i dette tilfælde ser ud til at være langt mere afhængig af glykolsyreindholdet, hvor prøven med det højeste glykolsyreindhold viser den højeste viskositet, og prøven med mindst glykolsyre (PLA) viser den laveste viskositet.

Det er klart, at smelteviskositeten vil afhænge af en kombination af begge disse parametre, men den veldefinerede sammenhæng mellem glykolsyreindhold og viskositet ser ud til at dominere det overordnede forhold.

Det er værd at bemærke, at prøven med den laveste iboende viskositet i Mark-Houwink-plottet har den højeste smelteviskositet i henhold til reologidataene. Dette var i modstrid med forventningerne, men antyder en forklaring. Da molekylerne i PLGA (50:50)-prøven er mere kompakte og tætpakkede i polymeren, er der mindre fri volumen for polymerkæderne til at reptatere og organisere sig selv. Dette øger derfor deres modstand mod flow og efterfølgende deres smelteviskositet.

Konklusioner

De data, der præsenteres i denne applikationsnote, viser elegant, hvordan brugen af komplementære polymerkarakteriseringsteknologier kan give fremragende indsigt i opførslen af polymerer som PLA og PLGA. Selv om det er almindeligt accepteret, at polymerers bulk-egenskaber (f.eks. smelteviskositet) er stærkt forbundet med molekylære egenskaber (f.eks. molekylvægt), kan andre faktorer, som f.eks. copolymersammensætning, også være vigtige faktorer.

I denne undersøgelse blev rotationsreologi brugt til at studere smelteviskositet, mens Malvern multi-detektor GPC blev brugt til at karakterisere de molekylære egenskaber af en række PLA- og PLGA-prøver. Der blev set en klar molekylvægtskorrelation for PLGA-prøver med samme sammensætning, men da sammensætningen også blev varieret, blev der observeret en stærk korrelation for glykolsyreindholdet. Denne form for indsigt kan kun observeres med en fuld karakterisering af de pågældende prøver. Ved at foretage sådanne målinger er det muligt fuldt ud at forstå, hvordan de molekylære egenskaber påvirker den samlede ydeevne.

Ved at kontrollere sådanne parametre kan forskere og produktudviklere udvikle polymerer med flere ideelle egenskaber. For eksempel kan man vælge en PLGA-copolymer til lægemiddelafgivelse, som har en god smelteviskositet til støbning, men som også har de nødvendige nedbrydningshastigheder til en velkontrolleret tidsbestemt frigivelse af lægemidlet. På den måde kan der udvikles produkter med bedre kontrollerede egenskaber, reducerede fejlrater og højere værdi.