Κατανόηση και ελαχιστοποίηση της υποβάθμισης της πολυκαπρολακτόνης κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας με χρήση ρεολογίας και GPC πολλαπλών ανιχνευτών

Εισαγωγή

Η πολυκαπρολακτόνη (PCL) είναι ένα συνθετικό πολυμερές που έχει πρόσφατα λάβει αυξανόμενη προσοχή χάρη στη βιοδιασπασιμότητά του. Η πιο συνηθισμένη χρήση του είναι στην κατασκευή πολυουρεθάνης ή ως πλαστικοποιητής για άλλα πολυμερή όπως το PVC. Χρησιμοποιείται επίσης συχνά στη χύτευση και την κατασκευή πρωτοτύπων χάρη στη χαμηλή θερμοκρασία τήξης του και χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη σε ορισμένα συστήματα προσθετικής κατασκευής (τρισδιάστατης εκτύπωσης). Τέλος, χρησιμοποιείται επίσης σε ορισμένες εφαρμογές χορήγησης φαρμάκων ως μηχανισμός ελεγχόμενης απελευθέρωσης, με τον ίδιο τρόπο όπως το πολυγαλακτικό οξύ (PLA) ή το πολυγαλακτικό-γλυκολικό οξύ (PLGA). Ένα πιθανό πλεονέκτημα σε σχέση με το PLA και το PLGA είναι ότι το PCL έχει βραδύτερο ρυθμό αποικοδόμησης και επομένως μπορεί να επιτρέψει βραδύτερη απελευθέρωση φαρμάκου.

Όπως συμβαίνει με όλα τα πολυμερή, οι μοριακές ιδιότητες της PCL (π.χ. μοριακό βάρος) επηρεάζουν έντονα τις ιδιότητες του όγκου της, όπως η αντοχή, η ανθεκτικότητα και η ροή τήγματος. Ως βιοδιασπώμενη, η PCL διατρέχει υψηλό κίνδυνο αποικοδόμησης κατά τη διάρκεια διεργασιών όπως η εξώθηση για χύτευση, ιδίως σε υψηλές θερμοκρασίες. Στη βιβλιογραφία έχουν περιγραφεί ορισμένοι μηχανισμοί για τη μείωση αυτού του κινδύνου. Για παράδειγμα, η εξώθηση παρουσία διοξειδίου του άνθρακα (_CO2) μπορεί να μειώσει το ιξώδες ροής τήγματος της PCL δρώντας ως "μοριακό λιπαντικό". Η μείωση του ιξώδους του πολυμερούς μειώνει τη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί η εξώθηση και θα μπορούσε έτσι να προστατεύσει το πολυμερές από την υποβάθμιση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας [1].

Στο παρόν σημείωμα εφαρμογής, ένα δείγμα PCL που διατίθεται στο εμπόριο εξηθήθηκε μόνο του και παρουσία_CO2. Για τη μελέτη του ιξώδους τήγματος του πολυμερούς χρησιμοποιήθηκε περιστροφική ρεομετρία, ενώ πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις Malvern GPC στο παρθένο δείγμα πριν και μετά την εξώθηση.

Μέθοδοι

Το δείγμα PCL εξηθήθηκε χρησιμοποιώντας έναν επιτραπέζιο εξωθητήρα Rondol με ταχύτητες κοχλία 30 στροφών ανά λεπτό μέσω μιας μήτρας με σχισμή 1 mm τόσο παρουσία (150 °C) όσο και απουσία (160 °C)_CO2 [1].

Τα ιξώδη τήγματος των δειγμάτων μετρήθηκαν επίσης σε ένα περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus Ultra+ με τη χρήση κασέτας πλάκας Peltier ενεργού κουκούλας στους 150°C και παράλληλων πλακών με διάμετρο 20 mm και διάκενο μέτρησης 1 mm. Πραγματοποιήθηκε σάρωση συχνότητας για τον προσδιορισμό του σύνθετου ιξώδους του δείγματος. Η μέτρηση πραγματοποιήθηκε υπό πλύση αζώτου για να μειωθεί ο κίνδυνος εμφάνισης οξειδωτικής αποδόμησης.

Τα τρία δείγματα μετρήθηκαν με GPC πολλαπλών ανιχνευτών σε σύστημα Malvern OMNISEC που περιλαμβάνει ανιχνευτές δείκτη διάθλασης (RI), UV-Vis, σκέδασης φωτός (σκέδαση φωτός υπό ορθή γωνία (RALS) και σκέδαση φωτός υπό χαμηλή γωνία (LALS)) και ιξωδόμετρο (IV). Τα δείγματα διαλύθηκαν σε συγκεντρώσεις περίπου 3 mg/ml και διαχωρίστηκαν σε δύο στήλες SVB μικτής κλίνης Malvern T6000M.

Αποτελέσματα δοκιμών

Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται ένα χρωματογράφημα του δείγματος παρθένου PCL. Όπως φαίνεται, το δείγμα διαχωρίζεται καλά και το σήμα προς θόρυβο είναι καλό σε όλους τους ανιχνευτές. Το χρωματογράφημα έχει επικαλυφθεί με το μετρούμενο μοριακό βάρος και το εγγενές ιξώδες.

Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται επικαλύψεις των ανιχνευτών RI, RALS και ιξωδόμετρου για τα δείγματα παρθένου, εξηλασμένου και εξηλασμένου με_CO2. Τα χρωματογραφήματα παρουσιάζουν τριπλές μετρήσεις κάθε δείγματος σε επικάλυψη. Small είναι ορατές οι διαφορές στους διαφορετικούς ανιχνευτές. Αν και οι διαφορές εμφανίζονται small, η επαναληψιμότητα των μετρήσεων είναι εξαιρετική.

Ο πίνακας 1 παρουσιάζει τα υπολογισμένα αριθμητικά αποτελέσματα για τα δείγματα αυτά. Η παρθένα PCL έχει μέσο μετρούμενο μοριακό βάρος 114,6 KDa. Μετά την εξώθηση, αυτό έχει πέσει στα 103,8 KDa. Ωστόσο, όταν_{το CO2} εγχύθηκε απευθείας στην κάννη του εξωθητή, επέτρεψε την εξώθηση να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασία 10°C χαμηλότερη. Το καθαρό αποτέλεσμα της χρήσης του_CO2 και της χαμηλότερης θερμοκρασίας εξώθησης ήταν να μετριαστεί η αποικοδόμηση του πολυμερούς κατά περίπου 40% και να διατηρηθεί το μοριακό βάρος στα 108,1 KDa. Παρόμοια, αν και λιγότερο καλά καθορισμένη τάση παρατηρείται και σε άλλες μετρούμενες παραμέτρους, όπως το εγγενές ιξώδες και η υδροδυναμική ακτίνα για τα δείγματα.

Στη συνέχεια, τα δείγματα μετρήθηκαν σε περιστροφικό ρεόμετρο για να διαπιστωθεί πώς επηρεάζονται οι ιδιότητες όγκου τους (ιξώδες τήγματος) από αυτές τις μοριακές αλλαγές. Το ιξώδες τήγματος εξαρτάται συνήθως σε μεγάλο βαθμό από το μοριακό βάρος ενός δείγματος. Η ίδια τάση φαίνεται να υπάρχει και στα δεδομένα της περιστροφικής ρεολογίας.

Πίνακας 1: Μετρημένα αποτελέσματα για τα τρία δείγματα PLC με τη βοήθεια του πολυ-ανιχνευτή SEC

Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, το παρθένο PCL έχει το υψηλότερο ιξώδες τήγματος. Το δείγμα που εξωθείται απουσία_CO2 έχει χαμηλότερο ιξώδες τήγματος. Αυτό μετριάζεται εν μέρει με την εξώθηση του δείγματος παρουσία_CO2 σε χαμηλότερη θερμοκρασία εξώθησης.

Τέλος, μελετήθηκαν τα δεδομένα GPC πολλαπλών ανιχνευτών για να διαπιστωθεί εάν υπήρξαν αλλαγές στη δομή της PCL ως αποτέλεσμα της εξώθησης. Το διάγραμμα Mark-Houwink δείχνει το εγγενές ιξώδες ως συνάρτηση του μοριακού βάρους και μπορεί επομένως να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση των αλλαγών στη μοριακή δομή και διαμόρφωση. Χρησιμοποιείται συνηθέστερα στη μελέτη της διακλάδωσης των πολυμερών.

Με μια πρώτη ματιά στο διάγραμμα Mark-Houwink για τα δείγματα PCL, φαίνεται ότι επικαλύπτονται καλά και ότι δεν υπάρχουν αλλαγές στη δομή του πολυμερούς. Ωστόσο, με μια πιο προσεκτική εξέταση, φαίνεται ότι το δείγμα που εξηλασσόταν απουσία_CO2 (δηλαδή το πιο αποικοδομημένο) έχει επίσης υποστεί μια αλλαγή στη δομή small. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται η επικάλυψη των τριπλών μετρήσεων που αποδεικνύει την επαναληψιμότητα αυτής της εξαιρετικά small αλλά σαφούς διαφοράς.

Η αλλαγή αυτή θα μπορούσε να οφείλεται σε υποβάθμιση της διακλάδωσης του δείγματος, ωστόσο το δείγμα αυτό θεωρήθηκε γραμμικό. Θα μπορούσε επίσης ενδεχομένως να σχετίζεται με τις διαφορές small που προκαλούνται από κάποια ενυδάτωση του πολυμερούς το οποίο δεν είχε στεγνώσει πριν από τα πειράματα. Παρ' όλα αυτά, το εύρημα αυτό παρέχει μια ενδιαφέρουσα οδό για περαιτέρω πιθανές έρευνες.

Συμπεράσματα

Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτό το σημείωμα εφαρμογής καταδεικνύουν πώς οι συνθήκες επεξεργασίας μπορούν να επηρεάσουν τόσο τις υποκείμενες όσο και τις βασικές ιδιότητες ενός πολυμερούς όπως η PCL. Εδώ, παρατηρήθηκε ότι το μοριακό βάρος και το ιξώδες τήγματος ενός δείγματος PCL μειώθηκε όταν το δείγμα εξηθήθηκε απουσία_CO2 στους 150°C. Ωστόσο, η επίδραση αυτή μετριάστηκε εν μέρει με τη συμπερίληψη_CO2 κατά τη διαδικασία εξώθησης. Αλληλεπιδρώντας με ορισμένα από τα μόρια εντός του δείγματος,_{το CO2} δρα αποτελεσματικά ως 4 "μοριακό λιπαντικό" για τη μείωση του ιξώδους του δείγματος. Με τον τρόπο αυτό, σημαίνει ότι η PCL μπορεί να εξωθείται σε χαμηλότερη θερμοκρασία και αυτό, με τη σειρά του, προστατεύει το πολυμερές από μέρος της παρατηρούμενης υποβάθμισης.

Η διαφορά αυτή παρατηρήθηκε με επιτυχία σε μοριακό επίπεδο με τη χρήση GPC πολλαπλών ανιχνευτών και σε επίπεδο όγκου με τη χρήση ρεομετρίας περιστροφής. Με τον τρόπο αυτό, και οι δύο τεχνολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συσχέτιση των αλλαγών σε μοριακό επίπεδο με εκείνες που παρατηρούνται στο τελικό προϊόν.

Το μειωμένο ιξώδες τήγματος που προέρχεται από το χαμηλότερο μοριακό βάρος είναι πιθανό να επηρεάσει κάθε καλούπι που παράγεται με αυτό το δείγμα. Είναι επίσης πιθανό να επηρεάσει την κρυσταλλικότητα και τις μηχανικές ιδιότητες, και στη συνέχεια, στην περίπτωση εφαρμογών χορήγησης φαρμάκων, θα επηρεάσει τους χρόνους απελευθέρωσης φαρμάκων. Συνεπώς, οποιαδήποτε προϊόντα δημιουργηθούν από αυτό είναι πιθανότερο να έχουν ευρύτερες ανοχές απόδοσης και μεγαλύτερη διακύμανση. Από την άλλη πλευρά, με την εξώθηση με_CO2 η επίδραση αυτή μετριάστηκε και η χρήση αυτής της διαδικασίας πιθανόν να προστατεύει την απόδοση του προϊόντος.

Η χρήση πολλαπλών τεχνολογιών για τον χαρακτηρισμό του πολυμερούς επιτρέπει τη σαφή μέτρηση και κατανόηση των υποκείμενων αλλαγών που συμβαίνουν στο πολυμερές κατά τη διάρκεια της εξώθησης και της επεξεργασίας. Με την κατανόηση και τον έλεγχο αυτών των αλλαγών μέσω στρατηγικών όπως η εξώθηση με_CO2, οι κατασκευαστές μπορούν να διατηρήσουν υψηλότερη ποιότητα προϊόντος και αυστηρότερο έλεγχο της ποιότητας του προϊόντος, μειώνοντας τις αστοχίες και αυξάνοντας την αξία του προϊόντος.