Forståelse og minimering af nedbrydning af polycaprolacton under forarbejdning ved hjælp af reologi og multidetektor-GPC

Introduktion

Polycaprolacton (PCL) er en syntetisk polymer, der på det seneste har fået stigende opmærksomhed takket være sin bionedbrydelighed. Dets mest almindelige anvendelse er til fremstilling af polyuretaner eller som blødgøringsmiddel til andre polymerer som PVC. Det bruges også ofte til støbning og prototyper takket være sin lave Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur og bruges som råmateriale i nogle systemer til additiv fremstilling (3D-print). Endelig bruges det også i nogle applikationer til lægemiddelafgivelse som en kontrolleret frigivelsesmekanisme på samme måde som polymælkesyre (PLA) eller polylacticco-glycolic acid (PLGA). En potentiel fordel i forhold til PLA og PLGA er, at PCL har en langsommere nedbrydningshastighed og derfor kan give mulighed for langsommere lægemiddelfrigivelse.

Som med alle polymerer vil PCL's molekylære egenskaber (f.eks. molekylvægt) i høj grad påvirke dens bulk-egenskaber som styrke, sejhed og smelteflow. Da PCL er bionedbrydeligt, er der stor risiko for NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning under processer som ekstrudering til støbning, især ved høje temperaturer. I litteraturen er der beskrevet nogle mekanismer til at reducere denne risiko. For eksempel kan ekstrudering i nærvær af kuldioxid (_CO2) reducere PCL's smelteviskositet ved at fungere som et "molekylært smøremiddel". Ved at nedsætte polymerens viskositet reduceres den temperatur, ved hvilken ekstruderingen kan udføres, og derved kan polymeren beskyttes mod NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning under processen [1].

I denne applikationsnote blev en kommercielt tilgængelig prøve af PCL ekstruderet alene og i nærvær af_CO2. Rotationsreometri blev brugt til at undersøge polymerens smelteviskositet, mens Malvern GPC-målinger blev foretaget af den jomfruelige prøve før og efter ekstrudering.

Metoder

PCL-prøven blev ekstruderet ved hjælp af en Rondol-bænkekstruder med en skruehastighed på 30 o/min gennem en 1 mm slidsdyse både ved tilstedeværelse (150 °C) og fravær (160 °C) af_CO2 [1].

Prøvernes smelteviskositet blev også målt på et Kinexus Ultra+ rotationsreometer ved hjælp af en peltierpladepatron med aktiv hætte ved 150 °C og parallelle plader med en diameter på 20 mm og en måleafstand på 1 mm. Der blev udført et frekvenssweep for at bestemme prøvens komplekse viskositet. Målingen blev udført under udrensning af 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.

De tre prøver blev målt med multidetektor-GPC på et Malvern OMNISEC-system med detektorer for brydningsindeks (RI), UV-Vis, lysspredning (retvinklet lysspredning (RALS) og lavvinklet lysspredning (LALS)) og viskosimeter (IV). Prøverne blev opløst til koncentrationer på ca. 3 mg/ml og adskilt over to Malvern T6000M mixed bed SVB-kolonner.

Testresultater

Figur 1 viser et kromatogram af den nye PCL-prøve. Som man kan se, er prøven godt opløst, og signal-støjforholdet er godt på tværs af alle detektorer. Kromatogrammet er blevet overlejret med målt molekylvægt og egenviskositet.

Figur 2 viser overlejringer af RI-, RALS- og viskosimeterdetektorerne for de jomfruelige, ekstruderede og ekstruderede med_CO2-prøver. Kromatogrammerne viser tredobbelte målinger af hver prøve overlejret. Small forskelle er synlige på de forskellige detektorer. Selvom forskellene ser ud til at være small, er gentagelsesnøjagtigheden af målingerne fremragende.

Tabel 1 viser de beregnede numeriske resultater for disse prøver. Den jomfruelige PCL har en gennemsnitlig målt molekylvægt på 114,6 KDa. Efter ekstrudering er den faldet til 103,8 KDa, men da_CO2 blev sprøjtet direkte ind i ekstruderens cylinder, kunne ekstruderingen finde sted ved en temperatur, der var 10 °C lavere. Nettoeffekten af brugen af_CO2 og den lavere ekstruderingstemperatur var at mindske nedbrydningen af polymeren med omkring 40 % og fastholde molekylvægten på 108,1 KDa. En lignende, men mindre veldefineret tendens ses i andre målte parametre som den indre viskositet og den hydrodynamiske radius for prøverne.

Prøverne blev derefter målt på et rotationsreometer for at se, hvordan deres bulk-egenskaber (smelteviskositet) blev påvirket af disse molekylære ændringer. Smelteviskositet er typisk stærkt afhængig af en prøves molekylvægt. Den samme tendens ser ud til at være til stede i rotationsreologidataene.

Tabel 1: Målte resultater for de tre PLC-prøver ved hjælp af multidetektoren SEC

Som det fremgår af figur 3, har det jomfruelige PCL den højeste smelteviskositet. Prøven, der er ekstruderet i fravær af_CO2, har en lavere smelteviskositet. Dette afhjælpes delvist ved at ekstrudere prøven i nærvær af_CO2 ved en lavere ekstruderingstemperatur.

Endelig blev multidetektor-GPC-dataene undersøgt for at se, om der var sket ændringer i PCL-strukturen som følge af ekstruderingen. Mark-Houwink-plottet viser den iboende viskositet som en funktion af molekylvægten og kan derfor bruges til at vurdere ændringer i molekylær struktur og konformation. Det er mest almindeligt brugt i studiet af polymerforgreninger.

Ved første øjekast på Mark-Houwink-plottet for PCL-prøverne ser det ud til, at de overlapper hinanden godt, og at der ikke er nogen ændringer i polymerstrukturen. Men ved nærmere eftersyn ser det ud til, at den prøve, der er ekstruderet uden_CO2 (dvs. den mest nedbrudte), også har undergået en small strukturændring. Figur 4 viser et overlay af tre målinger, der viser gentagelsesmulighederne for denne ekstremt small men tydelige forskel.

Denne ændring kan skyldes en forringelse af prøveforgreningen, men denne prøve blev anset for at være lineær. Det kunne også potentielt være relateret til small forskelle forårsaget af en vis hydrering af polymeren, som ikke blev tørret ud før eksperimenterne. Ikke desto mindre giver dette resultat en interessant mulighed for yderligere potentielle undersøgelser.

Konklusioner

Resultaterne i denne applikationsnote viser, hvordan behandlingsbetingelserne kan påvirke både de underliggende egenskaber og masseegenskaberne for en polymer som PCL. Her så man, at molekylvægten og smelteviskositeten for en PCL-prøve faldt, når prøven blev ekstruderet i fravær af_CO2 ved 150 °C. Effekten af dette blev dog delvist afbødet ved at inkludere_CO2 under ekstruderingsprocessen. Ved at interagere med nogle af molekylerne i prøven fungerer_CO2 effektivt som et 4'molekylært smøremiddel', der reducerer prøvens viskositet. På den måde betyder det, at PCL kan ekstruderes ved en lavere temperatur, og det beskytter igen polymeren mod noget af den observerede NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning.

Denne forskel blev med succes observeret på molekylært niveau ved hjælp af multidetektor-GPC og på bulkniveau ved hjælp af rotationsreometri. På denne måde kan begge teknologier bruges til at korrelere ændringer på molekylært niveau med dem, der observeres i det endelige produkt.

Den reducerede smelteviskositet, der kommer fra en lavere molekylvægt, vil sandsynligvis påvirke enhver form, der er produceret med denne prøve. Det vil sandsynligvis også påvirke krystalliniteten og de mekaniske egenskaber, og i tilfælde af anvendelse til lægemiddelafgivelse vil det efterfølgende påvirke tidspunktet for lægemiddelafgivelse. Det er derfor mere sandsynligt, at de produkter, der fremstilles af den, har større tolerancer og større variation. På den anden side blev denne effekt mindsket ved at ekstrudere med_CO2, og brugen af denne procedure vil sandsynligvis beskytte produktets ydeevne.

Brugen af flere teknologier til at karakterisere polymeren giver mulighed for en klar måling og forståelse af de underliggende ændringer, der sker med polymeren under ekstrudering og forarbejdning. Ved at forstå og kontrollere disse ændringer gennem strategier som ekstrudering med_CO2 kan producenterne opretholde en højere produktkvalitet og en strammere kontrol med produktkvaliteten, hvilket reducerer antallet af fejl og øger produktværdien.