Εισαγωγή
Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) είναι ένα βιοδιασπώμενο πολυμερές που προέρχεται από φυσικούς πόρους όπως το καλαμπόκι starch, το οποίο έχει λάβει σημαντική προσοχή τα τελευταία χρόνια. Είναι ένα από τα πιο διαδεδομένα βιοδιασπώμενα πολυμερή στην αγορά λόγω της διαθεσιμότητας, του χαμηλού κόστους παραγωγής και όταν προέρχεται από φυσικές βιώσιμες πηγές, είναι ένα πραγματικά ανανεώσιμο πολυμερές. Το γαλακτικό οξύ συνδυάζεται συχνά με το γλυκολικό οξύ για να σχηματίσει το συμπολυμερές πολυ(γαλακτικό-κογλυκολικό οξύ) (PLGA), το οποίο μπορεί να έχει διαφορετική σύνθεση γαλακτικού και γλυκολικού οξέος. Καθώς πρόκειται για ένα πολυμερές που είναι ευέλικτο, χρησιμοποιείται σε μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών, από την πρόσθετη κατασκευή (τρισδιάστατη εκτύπωση) έως τα μαχαιροπήρουνα μίας χρήσης, τα βιοδιασπώμενα ράμματα, τη χορήγηση φαρμάκων ή ως βιοδιασπώμενη συσκευασία.
Είναι ευρέως αναγνωρισμένο ότι οι ιδιότητες των πολυμερών στον όγκο εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις μοριακές τους ιδιότητες. Συνήθως, ο ισχυρότερος καθοριστικός παράγοντας της αντοχής ενός πολυμερούς θεωρείται ότι είναι το μοριακό του βάρος.
Ωστόσο, σε συμπολυμερή όπως το PLGA, είναι επίσης πιθανό ότι η σύνθεση του συμπολυμερούς επηρεάζει επίσης έντονα αυτές τις ιδιότητες.
Το παρόν σημείωμα εφαρμογής χρησιμοποιεί επίσης τεχνολογίες της Malvern για να διερευνήσει τη σχέση μεταξύ των μοριακών και των χύδην ιδιοτήτων των PLA και PLGA. Η περιστροφική ρεολογία χρησιμοποιείται για τη μελέτη του ιξώδους τήγματος, ενώ το μοριακό βάρος και το ενδογενές ιξώδες μετριούνται με τη χρήση του πολυφασματικού GPC της Malvern.
Μέθοδοι
Μετρήθηκαν έξι δείγματα εμπορικά διαθέσιμων ουσιών, μεταξύ των οποίων:
- PLA
- PLGA με 75% LA και 25% GA (PLGA(75:25))
- PLGA με 65% LA και 35% GA (PLGA (63:35))
- Τρία δείγματα PLGA με 50% LA και 50% GA (PLGA (50:50)) με διαφορετικά μοριακά βάρη.
Για την περιστροφική ρεολογία, τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν με τη χρήση ενός ρεομέτρου περιστροφής Kinexus Ultra+. Τα δείγματα μετρήθηκαν στους 150°C με τη χρήση κασέτας ενεργού πλάκας peltier με καπό με γεωμετρία παράλληλης πλάκας 20 mm. Λόγω της φύσης του PLA που είναι βιοαποικοδομήσιμο, είναι ευαίσθητο στην αποικοδόμηση και, ως εκ τούτου, οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν ενώ καθαρίζονταν με άζωτο για να μειωθεί ο κίνδυνος οξειδωτικής αποικοδόμησης κατά τη διάρκεια της ανάλυσης.
Για την GPC πολλαπλών ανιχνευτών Malvern, τα δείγματα διαλύθηκαν σε THF και διαχωρίστηκαν σε δύο στήλες SVB μικτής κλίνης Malvern T6000M. Η GPC διεξήχθη σε σύστημα Malvern OMNISEC που περιλαμβάνει ανιχνευτές δείκτη διάθλασης (RI), σκέδασης φωτός (σκέδαση φωτός υπό ορθή γωνία (RALS) και σκέδαση φωτός υπό χαμηλή γωνία (LALS)) και ιξωδόμετρο.
Αποτελέσματα δοκιμών
Πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα. Στο πρώτο πείραμα, τρία δείγματα PLGA (50:50) μετρήθηκαν με περιστροφική ρεομετρία και με GPC πολλαπλών ανιχνευτών. Ένα αντιπροσωπευτικό χρωματογράφημα του "PLGA (50:50) 2" παρουσιάζεται στο σχήμα 1.
Ο πίνακας 1 συνοψίζει τα αποτελέσματα των τριών δειγμάτων. Τα δείγματα μετρήθηκαν εις διπλούν. Όπως φαίνεται, υπήρχαν σημαντικές διαφορές στα μοριακά βάρη των τριών δειγμάτων, που κυμαίνονταν από T11 KDa έως 69 KDa. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε το περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus για τη μελέτη του ιξώδους τήγματος "μηδενικής διάτμησης", το οποίο συνήθως θεωρείται ότι συσχετίζεται με το μοριακό βάρος ενός δείγματος.
Πίνακας 1: Μετρούμενα μοριακά δεδομένα για τα δείγματα PLGA (50:50) στο πρώτο πείραμα
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Μέτρηση | Μέσος όρος | % RSD | Μέσος όρος | % RSD | Μέσος όρος | % 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 |
| Ανάκτηση (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Όπως φαίνεται στο σχήμα 2, οι καμπύλες ιξώδους παρουσιάζουν καλή τάση ανάλογα με το μοριακό βάρος των τριών δειγμάτων. Το δείγμα 1 έχει το χαμηλότερο μοριακό βάρος και το χαμηλότερο ιξώδες. Τα δείγματα 2 και 3 έχουν υψηλότερο μοριακό βάρος και αντίστοιχα υψηλότερο ιξώδες. Αυτού του είδους η τάση του μοριακού βάρους είναι τυπική και ανταποκρίνεται καλά στις προσδοκίες μας.
Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια επόμενη μελέτη σε PLA και τρία διαφορετικά συμπολυμερή, PLGA (65:25), PLGA (75:25) και PLGA (50:50) 2 από το προηγούμενο σύνολο δειγμάτων. Τα δεδομένα μοριακού βάρους παρουσιάζονται στον πίνακα 2. Όπως φαίνεται, τα μοριακά βάρη για τα δείγματα κυμαίνονται μεταξύ 11 KDa και 64 KDa.
Πίνακας 2: Μετρούμενα μοριακά δεδομένα για τα τέσσερα δείγματα PLA και PLGA που συγκρίθηκαν στο δεύτερο πείραμα
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Μέτρηση | Μέσος όρος | % RSD | Μέσος όρος | % RSD | Μέσος όρος | % RSD | Μέσος όρος | % 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 |
| Ανάκτηση (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Δεδομένου ότι τα δείγματα αυτά έχουν διαφορετική σύνθεση, οι διαφορετικές δομές τους μπορούν να συγκριθούν σε ένα διάγραμμα Mark-Houwink. Το διάγραμμα Mark-Houwink δείχνει το εγγενές ιξώδες ως συνάρτηση του μοριακού βάρους. Επιτρέπει τη σύγκριση των δομών των πολυμερών σε ένα εύρος μοριακών βαρών. Χρησιμοποιείται συνηθέστερα για τη μελέτη της διακλάδωσης των πολυμερών, αλλά δείχνει επίσης διαφορές μεταξύ γραμμικών μορίων με διαφορετικές συνθέσεις, όπως στα συμπολυμερή PLA και PLGA. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η επικάλυψη του Mark-Houwink plots για τα τέσσερα δείγματα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται εις διπλούν.
Όπως φαίνεται, κάθε πολυμερές έχει τη δική του γραμμή στο διάγραμμα Mark-Houwink, η οποία αντιπροσωπεύει τη διαμόρφωση ή την πυκνότητα του μορίου στο διάλυμα. Η γραφική παράσταση εδώ δείχνει ότι το PLA είναι το πιο ανοικτό/εκτεταμένο από τα δείγματα. Καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε γλυκολικό οξύ, τα πολυμερή γίνονται όλο και πιο πυκνά συσκευασμένα στο διάλυμα. Το εγγενές ιξώδες είναι ένα μέτρο της συμβολής ενός δείγματος στο ιξώδες του διαλύματος, οπότε μπορεί να μην συσχετίζεται ακριβώς με το ιξώδες τήγματος, αλλά το διάγραμμα Mark-Houwink δείχνει μια σαφή τάση στη διαμόρφωση που εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε γλυκολικό οξύ. Τα αποτελέσματα ρεολογίας για τα τέσσερα αυτά δείγματα παρουσιάζονται στο σχήμα 4.
Όπως φαίνεται από τα δεδομένα, υπάρχει μια σαφής τάση στις μετρήσεις του ιξώδους τήγματος, η οποία όμως δεν συσχετίζεται με το μοριακό βάρος. Ενώ το δείγμα PLA διαθέτει το χαμηλότερο μοριακό βάρος και έχει το χαμηλότερο ιξώδες, το δείγμα με το υψηλότερο μοριακό βάρος είναι το PLGA (75:25) το οποίο έχει το δεύτερο χαμηλότερο ιξώδες. Το δείγμα PLGA (50:50) έχει το υψηλότερο ιξώδες παρά το γεγονός ότι έχει μόνο το δεύτερο υψηλότερο μοριακό βάρος.
Η τάση σε αυτή την περίπτωση φαίνεται να εξαρτάται πολύ περισσότερο από την περιεκτικότητα σε γλυκολικό οξύ, με το δείγμα που διαθέτει την υψηλότερη περιεκτικότητα σε γλυκολικό οξύ να εμφανίζει το υψηλότερο ιξώδες και το δείγμα με το λιγότερο γλυκολικό οξύ (PLA) να εμφανίζει το χαμηλότερο ιξώδες.
Σαφώς, το ιξώδες τήγματος εξαρτάται από ένα συνδυασμό και των δύο αυτών παραμέτρων, ωστόσο, η σαφώς καθορισμένη συσχέτιση μεταξύ της περιεκτικότητας σε γλυκολικό οξύ και του ιξώδους φαίνεται να κυριαρχεί στη συνολική σχέση.
Αξίζει να σημειωθεί ότι το δείγμα με το χαμηλότερο εγγενές ιξώδες στο διάγραμμα Mark-Houwink έχει το υψηλότερο ιξώδες τήγματος σύμφωνα με τα ρεολογικά δεδομένα. Αυτό ήταν αντίθετο με τις προσδοκίες, αλλά υποδηλώνει μια εξήγηση. Δεδομένου ότι τα μόρια στο δείγμα PLGA (50:50) είναι πιο συμπαγή και πυκνά συσκευασμένα στο πολυμερές, υπάρχει λιγότερος ελεύθερος όγκος για τις πολυμερικές αλυσίδες να αναδιπλωθούν και να οργανωθούν. Αυτό επομένως αυξάνει την αντίστασή τους στη ροή και στη συνέχεια το ιξώδες τήγματος.
Συμπεράσματα
Τα δεδομένα που παρουσιάζονται σε αυτό το σημείωμα εφαρμογής δείχνουν με κομψό τρόπο πώς η χρήση συμπληρωματικών τεχνολογιών χαρακτηρισμού πολυμερών μπορεί να προσφέρει εξαιρετικές γνώσεις σχετικά με τη συμπεριφορά πολυμερών όπως το PLA και το PLGA. Ενώ είναι ευρέως αποδεκτό ότι οι ιδιότητες όγκου (όπως το ιξώδες τήγματος) των πολυμερών συνδέονται στενά με τις μοριακές ιδιότητες (όπως το μοριακό βάρος), άλλοι παράγοντες, όπως η σύνθεση του συμπολυμερούς, μπορεί επίσης να είναι σημαντικοί παράγοντες.
Στην παρούσα μελέτη, η περιστροφική ρεολογία χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη του ιξώδους τήγματος, ενώ η GPC πολλαπλών ανιχνευτών Malvern χρησιμοποιήθηκε για τον χαρακτηρισμό των μοριακών ιδιοτήτων μιας σειράς δειγμάτων PLA και PLGA. Παρατηρήθηκε σαφής συσχέτιση μοριακού βάρους για δείγματα PLGA της ίδιας σύνθεσης, αλλά όταν μεταβλήθηκε και η σύνθεση, παρατηρήθηκε ισχυρή συσχέτιση για την περιεκτικότητα σε γλυκολικό οξύ. Αυτού του είδους οι γνώσεις μπορούν να παρατηρηθούν μόνο με έναν πλήρη χαρακτηρισμό των δειγμάτων ενδιαφέροντος. Κάνοντας τέτοιες μετρήσεις, είναι δυνατόν να κατανοήσουμε πλήρως πώς οι μοριακές ιδιότητες επηρεάζουν την απόδοση του όγκου.
Ελέγχοντας αυτές τις παραμέτρους, η researcτης και οι προγραμματιστές προϊόντων μπορούν να αναπτύξουν πολυμερή με πολλαπλές ιδανικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να επιλεγεί ένα συμπολυμερές PLGA για μια εφαρμογή χορήγησης φαρμάκου το οποίο έχει καλό ιξώδες τήγματος για χύτευση αλλά και τους απαιτούμενους ρυθμούς αποικοδόμησης για μια καλά ελεγχόμενη χρονικά απελευθέρωση του φαρμάκου. Με τον τρόπο αυτό, μπορούν να αναπτυχθούν προϊόντα με καλύτερα ελεγχόμενα χαρακτηριστικά απόδοσης, μειωμένα ποσοστά αποτυχίας και υψηλότερη αξία.