Introducción
El poli(ácido láctico) (PLA) es un polímero biodegradable derivado de recursos naturales como el almidón de maíz, que ha recibido gran atención en los últimos años. Es uno de los polímeros biodegradables más extendidos en el mercado debido a su disponibilidad, bajo coste de producción y, cuando se deriva de fuentes naturales sostenibles, es un polímero verdaderamente renovable. El ácido láctico suele combinarse con el ácido glicólico para formar el copolímero poli(ácido láctico-coglicólico) (PLGA), que puede tener una composición variable de ácidos láctico y glicólico. Al ser un polímero versátil, se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde la fabricación de aditivos (impresión 3D) hasta cubiertos desechables, suturas biodegradables, administración de fármacos o como envase biodegradable.
Es un hecho ampliamente reconocido que las propiedades a granel de los polímeros dependen en gran medida de sus propiedades moleculares. Por lo general, se considera que el factor determinante de la resistencia de un polímero es su peso molecular.
Sin embargo, en copolímeros como el PLGA, también es probable que la composición del copolímero afecte fuertemente a esas propiedades.
En esta nota de aplicación también se utilizan las tecnologías de Malvern para explorar la relación entre las propiedades moleculares y a granel del PLA y el PLGA. La reología rotacional se utiliza para estudiar la viscosidad de la masa fundida, mientras que el peso molecular y la viscosidad intrínseca se miden utilizando el GPC multidetector de Malvern.
Métodos
Se midieron seis muestras de sustancias disponibles en el mercado, a saber
- PLA
- PLGA con 75% de LA y 25% de GA (PLGA(75:25))
- PLGA con 65% de LA y 35% de GA (PLGA (63:35))
- Tres muestras de PLGA con 50% de LA y 50% de GA (PLGA (50:50)) con diferentes pesos moleculares.
Para la reología rotacional, las muestras se caracterizaron utilizando un reómetro rotacional Kinexus Ultra+. Las muestras se midieron a 150°C utilizando un cartucho de placa peltier de campana activa con una geometría de placa paralela de 20 mm. Debido a la naturaleza biodegradable del PLA, es susceptible a la degradación y, por lo tanto, las mediciones se realizaron mientras se purgaba con nitrógeno para reducir el riesgo de degradación oxidativa durante el análisis.
Para la GPC multidetector Malvern, las muestras se disolvieron en THF y se separaron en dos columnas SVB de lecho mixto Malvern T6000M. La GPC se realizó en un sistema Malvern OMNISEC que incluía detectores de índice de refracción (RI), dispersión de luz (dispersión de luz en ángulo recto (RALS) y dispersión de luz en ángulo bajo (LALS)) y viscosímetro.
Resultados de las pruebas
Se realizaron dos experimentos. En el primer experimento, se midieron tres muestras de PLGA(50:50) por reometría rotacional y por GPC multidetector. En la figura 1 se muestra un cromatograma representativo de "PLGA (50:50) 2".
La tabla 1 resume los resultados de las tres muestras. Las muestras se midieron por duplicado. Como puede observarse, había diferencias significativas en los pesos moleculares de las tres muestras, que oscilaban entre T11 KDa y 69 KDa. A continuación, se utilizó el reómetro rotacional Kinexus para estudiar la viscosidad de fusión de "corte cero", que normalmente se supone que está correlacionada con el peso molecular de una muestra.
Tabla 1: Datos moleculares medidos para las muestras de PLGA (50:50) en el primer experimento
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Medida | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % RSD |
| VR (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 |
| Recuperación (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Como puede verse en la figura 2, las curvas de viscosidad siguen una buena tendencia con el peso molecular de las tres muestras. La muestra 1 tiene el menor peso molecular y la menor viscosidad. Las muestras 2 y 3 tienen pesos moleculares más altos y viscosidades correspondientemente más altas. Este tipo de tendencia del peso molecular es típico y se ajusta bien a nuestras expectativas.
A continuación se realizó un estudio con PLA y tres copolímeros diferentes, PLGA (65:25), PLGA (75:25) y PLGA (50:50) 2 del conjunto de muestras anterior. Los datos de peso molecular se muestran en la tabla 2. Como puede observarse, los pesos moleculares de las muestras varían entre 11 KDa y 64 KDa.
Tabla 2: Datos moleculares medidos para las cuatro muestras de PLA y PLGA comparadas en el segundo experimento
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Medición | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % RSD |
| VR (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 |
| Recuperación (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Dado que estas muestras tienen diferentes composiciones, sus diferentes estructuras pueden compararse en un gráfico de Mark-Houwink. Un gráfico Mark-Houwink muestra la viscosidad intrínseca en función del peso molecular. Permite comparar las estructuras de los polímeros con distintos pesos moleculares. Se utiliza sobre todo para estudiar la ramificación de los polímeros, pero también indica las diferencias entre moléculas lineales con distintas composiciones, como en los copolímeros PLA y PLGA. La figura 3 muestra los gráficos Mark-Houwink superpuestos de las cuatro muestras. Los resultados se muestran por duplicado.
Como puede verse, cada polímero tiene su propia línea en el gráfico de Mark-Houwink, que representa la conformación o DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de la molécula en solución. El gráfico muestra que el PLA es la muestra más abierta/extendida. A medida que aumenta el contenido de ácido glicólico, los polímeros se compactan cada vez más en solución. La viscosidad intrínseca es una medida de la contribución de una muestra a la viscosidad de la solución, por lo que puede no correlacionarse exactamente con la viscosidad de fusión, pero el gráfico de Mark-Houwink muestra una clara tendencia en la conformación que depende del contenido de ácido glicólico. En la figura 4 se muestran los resultados reológicos de estas cuatro muestras.
Como puede observarse en los datos, existe una clara tendencia en las mediciones de la viscosidad de fusión, pero ésta no se correlaciona con el peso molecular. Mientras que la muestra de PLA posee el peso molecular más bajo y tiene la viscosidad más baja, la muestra con el peso molecular más alto es PLGA (75:25) que tiene la segunda viscosidad más baja. La muestra de PLGA (50:50) tiene la viscosidad más alta a pesar de tener sólo el segundo peso molecular más alto.
La tendencia en este caso parece depender mucho más del contenido de ácido glicólico, ya que la muestra con mayor contenido de ácido glicólico presenta la viscosidad más alta y la muestra con menos ácido glicólico (PLA) presenta la viscosidad más baja.
Evidentemente, la viscosidad de fusión dependerá de una combinación de ambos parámetros, sin embargo, la correlación bien definida entre el contenido de ácido glicólico y la viscosidad parece dominar la relación global.
Cabe señalar que la muestra con la viscosidad intrínseca más baja en el gráfico de Mark-Houwink tiene la viscosidad de fusión más alta según los datos reológicos. Esto es contrario a lo esperado, pero sugiere una explicación. Dado que las moléculas de la muestra de PLGA (50:50) son más compactas y están más densamente empaquetadas en el polímero, hay menos volumen libre para que las cadenas de polímero se reptan y organicen. Por tanto, esto aumenta su resistencia al flujo y, en consecuencia, su viscosidad de fusión.
Conclusiones
Los datos presentados en esta nota de aplicación muestran con elegancia cómo el uso de tecnologías complementarias de caracterización de polímeros puede ofrecer excelentes perspectivas sobre el comportamiento de polímeros como el PLA y el PLGA. Aunque está ampliamente aceptado que las propiedades a granel (como la viscosidad de fusión) de los polímeros están fuertemente ligadas a las propiedades moleculares (como el peso molecular), otros factores, como la composición del copolímero, también pueden ser factores significativos.
En este estudio se utilizó la reología rotacional para estudiar la viscosidad de la masa fundida, mientras que el GPC multidetector Malvern se empleó para caracterizar las propiedades moleculares de una serie de muestras de PLA y PLGA. Se observó una clara correlación de peso molecular para las muestras de PLGA de la misma composición, pero cuando se varió también la composición, se observó una fuerte correlación para el contenido de ácido glicólico. Este tipo de conclusiones sólo pueden observarse con una caracterización completa de las muestras de interés. Al realizar este tipo de mediciones, es posible comprender plenamente cómo afectan las propiedades moleculares al rendimiento global.
Controlando estos parámetros, los investigadores y desarrolladores de productos pueden desarrollar polímeros con múltiples propiedades ideales. Por ejemplo, se puede elegir un copolímero de PLGA para una aplicación de administración de fármacos que tenga una buena viscosidad de fusión para el moldeo, pero que también tenga los índices de degradación necesarios para una liberación cronometrada y bien controlada del fármaco. De este modo, se pueden desarrollar productos con características de rendimiento mejor controladas, menores tasas de fallo y mayor valor.