Medición de los cambios relacionados con la degradación en el peso molecular y la reología durante el procesado de policaprolactona
Introducción
La policaprolactona (PCL) es un polímero sintético que últimamente ha recibido cada vez más atención gracias a su biodegradabilidad. Su uso más común es en la fabricación de poliuretanos o como plastificante de otros polímeros como el PVC. También se utiliza a menudo en el moldeo y la creación de prototipos gracias a su baja Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión y se emplea como materia prima en algunos sistemas de fabricación aditiva (impresión 3D). Por último, también se utiliza en algunas aplicaciones de administración de fármacos como mecanismo de liberación controlada, del mismo modo que el ácido poliláctico (PLA) o el ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA). Una ventaja potencial sobre el PLA y el PLGA es que el PCL tiene una tasa de degradación más lenta y, por lo tanto, puede permitir una liberación más lenta del fármaco.
Como ocurre con todos los polímeros, las propiedades moleculares de la PCL (por ejemplo, el peso molecular) afectarán en gran medida a sus propiedades generales, como la resistencia, la dureza y el flujo de fusión. Al ser biodegradable, el PCL presenta un alto riesgo de degradación durante procesos como la extrusión para el moldeo, especialmente a altas temperaturas. En la literatura se han descrito algunos mecanismos para reducir este riesgo. Por ejemplo, la extrusión en presencia de dióxido de carbono (CO2) puede reducir la viscosidad de flujo de fusión del PCL actuando como "lubricante molecular". La disminución de la viscosidad del polímero reduce la temperatura a la que puede realizarse la extrusión y, por tanto, podría proteger al polímero de la degradación durante el proceso [1].
En esta nota de aplicación, se extruyó una muestra comercial de PCL solo y en presencia deCO2. Se utilizó reometría rotacional para estudiar la viscosidad de fusión del polímero, mientras que se realizaron mediciones de GPC Malvern de la muestra virgen antes y después de la extrusión.
Métodos
La muestra de PCL se extruyó utilizando un extrusor de sobremesa Rondol a velocidades de tornillo de 30 rpm a través de una matriz con ranura de 1 mm, tanto en presencia (150 °C) como en ausencia (160 °C) deCO2 [1].
También se midieron las viscosidades de fusión de las muestras en un reómetro rotacional Kinexus Ultra+ utilizando un cartucho de placa peltier de campana activa a 150 °C y placas paralelas con un diámetro de 20 mm y una separación de medición de 1 mm. Se realizó un barrido de frecuencia para determinar la viscosidad compleja de la muestra. La medición se realizó bajo una purga de nitrógeno para reducir el riesgo de que se produjera una degradación oxidativa.
Las tres muestras se midieron mediante GPC multidetector en un sistema Malvern OMNISEC que incluía detectores de índice de refracción (RI), UV-Vis, dispersión de luz (dispersión de luz en ángulo recto [RALS] y dispersión de luz en ángulo bajo [LALS]) y viscosímetro (IV). Las muestras se disolvieron a concentraciones de aproximadamente 3 mg/ml y se separaron en dos columnas SVB de lecho mixto Malvern T6000M.
Resultados de las pruebas
La figura 1 muestra un cromatograma de la muestra de PCL virgen. Como puede verse, la muestra está bien resuelta y la relación señal-ruido es buena en todos los detectores. El cromatograma se ha superpuesto con el peso molecular medido y las viscosidades intrínsecas.
La figura 2 muestra superposiciones de los detectores RI, RALS y viscosímetro para las muestras virgen, extruida y extruida conCO2. Los cromatogramas muestran mediciones por triplicado de cada muestra superpuesta. Small diferencias son visibles en los diferentes detectores. Aunque las diferencias parecen small, la repetibilidad de las mediciones es excelente.
La tabla 1 muestra los resultados numéricos calculados para estas muestras. El PCL virgen tiene un peso molecular medio medido de 114,6 KDa. Tras la extrusión, éste ha descendido a 103,8 KDa; sin embargo, cuando se inyectóCO2 directamente en el barril de la extrusora, permitió que la extrusión tuviera lugar a una temperatura 10°C inferior. El efecto neto del uso deCO2 y de la menor temperatura de extrusión fue mitigar la degradación del polímero en torno a un 40% y mantener el peso molecular en 108,1 KDa. Se observa una tendencia similar, aunque menos definida, en otros parámetros medidos, como la viscosidad intrínseca y el radio hidrodinámico de las muestras.
A continuación, se midieron las muestras en un reómetro rotacional para ver cómo afectaban estos cambios moleculares a sus propiedades de masa (viscosidad de fusión). La viscosidad de fusión suele depender en gran medida del peso molecular de la muestra. La misma tendencia parece estar presente en los datos de reología rotacional.
Tabla 1: Resultados medidos para las tres muestras de PLC mediante el multidetector SEC
PLC virgen | PLC extruido | PLC extruido +CO2 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
Medida | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % RSD |
| VR (mL) | 16.84 | 0.01142 | 16.9 | 0.08211 | 16.87 | 0.04973 |
| Mn (g/mol) | 73,660 | 0.7468 | 66,380 | 1.656 | 69,420 | 0.5563 |
| Mw (g/mol) | 114,600 | 0.1184 | 103,800 | 0.1682 | 103,11 | 0.1908 |
| Mw/Mn | 1.556 | 0.6447 | 1.564 | 1.656 | 1.557 | 0.4961 |
| IVw (dL/g) | 1.244 | 0.1226 | 1.183 | 0.01061 | 1.186 | 0.5057 |
| Rh(ŋ)w (nm) | 12.7 | 0.06067 | 12.6 | 0.0539 | 12.24 | 0.2383 |
| M-H a | 0.6797 | 1.494 | 0.6806 | 2.391 | 0.694 | 1.775 |
| M-H log K (dL/g) | -3.327 | -1.552 | -3.323 | -2.454 | -3.402 | -1.871 |
| Recuperación (%) | 98.44 | 0.03634 | 94.54 | 0.08072 | 97.3 | 0.2655 |
Como puede verse en la figura 3, el PCL virgen tiene la viscosidad de fusión más alta. La muestra extruida en ausencia deCO2 tiene una viscosidad de fusión más baja. Esto se mitiga parcialmente extruyendo la muestra en presencia deCO2 a una temperatura de extrusión más baja.
Por último, se estudiaron los datos de GPC multidetector para ver si se habían producido cambios en la estructura del PCL como resultado de la extrusión. El gráfico de Mark-Houwink muestra la viscosidad intrínseca en función del peso molecular y, por tanto, puede utilizarse para evaluar los cambios en la estructura y la conformación moleculares. Se utiliza sobre todo en el estudio de la ramificación de los polímeros.
A primera vista, parece que el gráfico Mark-Houwink de las muestras de PCL se superpone bien y que no hay cambios en la estructura del polímero. Sin embargo, si se observa más detenidamente, parece que la muestra extruida en ausencia deCO2 (es decir, la más degradada) también ha sufrido un cambio de estructura small. La figura 4 muestra la superposición de mediciones por triplicado que demuestra la repetibilidad de esta diferencia extremadamente small pero clara.
Este cambio podría deberse a una degradación de la ramificación de la muestra, sin embargo, se creía que esta muestra era lineal. También podría estar relacionado con las diferencias de small causadas por la hidratación del polímero, que no se secó antes de los experimentos. No obstante, este hallazgo proporciona una vía interesante para futuras investigaciones potenciales.
Conclusiones
Los resultados mostrados en esta nota de aplicación demuestran cómo las condiciones de procesado pueden afectar tanto a las propiedades subyacentes como a las propiedades a granel de un polímero como el PCL. En este caso, se observó que el peso molecular y la viscosidad de fusión de una muestra de PCL disminuían cuando la muestra se extruía en ausencia deCO2 a 150°C. Sin embargo, el efecto de esto se mitigó parcialmente mediante la inclusión de CO2 durante el proceso de extrusión. Sin embargo, este efecto se vio parcialmente mitigado por la inclusión deCO2 durante el proceso de extrusión. Al interactuar con algunas de las moléculas de la muestra,el CO2 actúa como un "lubricante molecular" que reduce la viscosidad de la muestra. Al hacerlo, significa que el PCL puede extruirse a una temperatura más baja, y esto, a su vez, protege al polímero de parte de la degradación observada.
Esta diferencia se observó con éxito a nivel molecular mediante GPC multidetector, y a nivel de masa mediante reometría rotacional. De este modo, ambas tecnologías pueden utilizarse para correlacionar los cambios a nivel molecular con los observados en el producto final.
Es probable que la menor viscosidad de la masa fundida derivada de un menor peso molecular afecte a cualquier molde producido con esta muestra. También es probable que afecte a la cristalinidad y a las propiedades mecánicas, y posteriormente, en el caso de aplicaciones de administración de fármacos, influiría en los tiempos de liberación del fármaco. Por lo tanto, es más probable que cualquier producto creado a partir de ella tenga tolerancias de rendimiento más amplias y una mayor variación. Por otra parte, al extruir conCO2 se atenuó este efecto y el uso de este procedimiento probablemente protegería el rendimiento del producto.
El uso de múltiples tecnologías para caracterizar el polímero permite una clara medición y comprensión de los cambios subyacentes que se están produciendo en el polímero durante la extrusión y el procesamiento. Al comprender y controlar estos cambios mediante estrategias como la extrusión conCO2, los fabricantes pueden mantener una mayor calidad del producto y un control más estricto de su calidad, reduciendo los fallos y aumentando el valor del producto.