Johdanto
Poly(maitohappo) (PLA) on luonnonvaroista, kuten maissitärkkelyksestä, peräisin oleva biohajoava polymeeri, joka on saanut viime vuosina paljon huomiota. Se on yksi markkinoiden yleisimmistä biohajoavista polymeereistä, koska se on saatavilla, sen tuotantokustannukset ovat alhaiset ja se on todella uusiutuva polymeeri, kun se on peräisin luonnon kestävistä lähteistä. Maitohappo yhdistetään usein glykolihappoon, jolloin muodostuu kopolymeeri poly(maito-glykolihappo) (PLGA), jonka maito- ja glykolihappokoostumus voi vaihdella. Koska se on monipuolinen polymeeri, sitä käytetään monenlaisissa sovelluksissa, kuten lisäaineiden valmistuksessa (3D-tulostus), kertakäyttöisissä ruokailuvälineissä, biohajoavissa ompeleissa, lääkkeiden annostelussa tai biohajoavissa pakkauksissa.
On yleisesti tunnustettu, että polymeerien bulkkiominaisuudet riippuvat voimakkaasti niiden molekyyliominaisuuksista. Yleisimmin oletetaan, että polymeerin lujuuden vahvin määrittäjä on sen molekyylipaino.
PLGA:n kaltaisissa kopolymeereissä on kuitenkin todennäköistä, että myös kopolymeerin koostumus vaikuttaa voimakkaasti näihin ominaisuuksiin.
Tässä sovellusmuistiossa käytetään Malvernin teknologioita PLA:n ja PLGA:n molekyyli- ja bulkkiominaisuuksien välisen suhteen tutkimiseen. Pyörimisreologiaa käytetään sulan viskositeetin tutkimiseen, kun taas molekyylipaino ja luontainen viskositeetti mitataan Malvernin monidetektori-GPC:llä.
Menetelmät
Kuusi näytettä kaupallisesti saatavilla olevista aineista mitattiin, mukaan lukien:
- PLA
- PLGA, jossa on 75 % LA:ta ja 25 % GA:ta (PLGA(75:25))
- PLGA, jossa on 65 % LA:ta ja 35 % GA:ta (PLGA (63:35))
- Kolme näytettä PLGA:ta, jossa on 50 % LA:ta ja 50 % GA:ta (PLGA (50:50)), joiden molekyylipainot vaihtelevat.
.
Pyörimisreologiaa varten näytteet karakterisoitiin Kinexus Ultra+ -pyörimisreometrillä. Näytteet mitattiin 150 °C:n lämpötilassa käyttäen aktiivista hupun peltier-levypatruunaa, jonka geometria on 20 mm:n yhdensuuntainen levy. Koska PLA on biologisesti hajoavaa, se on altis hajoamiselle, ja siksi mittaukset suoritettiin samalla kun se huuhdottiin typellä hapettuvan hajoamisen riskin vähentämiseksi analyysin aikana.
Malvernin monidetektori-GPC:tä varten näytteet liuotettiin THF:ään ja erotettiin kahdessa Malvern T6000M sekoituskerroksisessa SVB-kolonnissa. GPC suoritettiin Malvern OMNISEC -järjestelmällä, joka sisälsi taitekerroin (RI), valonsironta (oikeakulmainen valonsironta (RALS) ja matalakulmainen valonsironta (LALS)) ja viskosimetri-ilmaisimet.
Testitulokset
Kaksi koetta suoritettiin. Ensimmäisessä kokeessa mitattiin kolme PLGA(50:50)-näytettä rotaatioreometrialla ja monidetektori-GPC:llä. Kuvassa 1 on esitetty PLGA (50:50) 2:n edustava kromatogrammi.
Taulukossa 1 esitetään yhteenveto kolmen näytteen tuloksista. Näytteet mitattiin kahtena kappaleena. Kuten voidaan nähdä, kolmen näytteen molekyylipainoissa oli merkittäviä eroja, jotka vaihtelivat T11 KDa:sta 69 KDa:iin. Tämän jälkeen Kinexus-rotaatioreometrillä tutkittiin sulan "nollaviskositeettia", jonka oletetaan yleensä korreloivan näytteen molekyylipainon kanssa.
Taulukko 1: Mitatut molekyylitiedot PLGA-näytteistä (50:50) ensimmäisessä kokeessa.
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Mittaus | Keskiarvo | % RSD | Keskiarvo | % RSD | Keskiarvo | % 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 |
| Saanto (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Kuten kuvasta 2 nähdään, viskositeettikäyrät kehittyvät hyvin kolmen näytteen molekyylipainon mukaan. Näytteellä 1 on alhaisin molekyylipaino ja alhaisin viskositeetti. Näytteillä 2 ja 3 on korkeammat molekyylipainot ja vastaavasti korkeammat viskositeetit. Tällainen molekyylipainon suuntaus on tyypillinen ja vastaa hyvin odotuksiamme.
Seuraavaksi tehtiin tutkimus PLA:lle ja kolmelle eri kopolymeerille, PLGA (65:25), PLGA (75:25) ja PLGA (50:50) 2 edellisestä näytesarjasta. Molekyylipainotiedot esitetään taulukossa 2. Kuten nähdään, näytteiden molekyylipainot vaihtelevat 11 KDa:n ja 64 KDa:n välillä.
Taulukko 2: Mitatut molekyylitiedot neljästä PLA- ja PLGA-näytteestä, joita verrattiin toisessa kokeessa
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Mittaus | Keskiarvo | % RSD | Keskiarvo | % RSD | Keskiarvo | % RSD | Keskiarvo | % 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 |
| Saanto (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Koska näillä näytteillä on erilainen koostumus, niiden erilaisia rakenteita voidaan verrata Mark-Houwinkin kaavion avulla. Mark-Houwink-kuvaaja osoittaa luontaisen viskositeetin molekyylipainon funktiona. Sen avulla voidaan vertailla polymeerirakenteita eri molekyylipainojen välillä. Sitä käytetään yleisimmin polymeerien haarautumisen tutkimiseen, mutta se osoittaa myös eroja koostumukseltaan erilaisten lineaaristen molekyylien välillä, kuten PLA:n ja PLGA:n kopolymeerien tapauksessa. Kuvassa 3 esitetään neljän näytteen päällekkäiset Mark-Houwink-kaaviot. Tulokset on esitetty kahtena kappaleena.
Kuten voidaan nähdä, jokaisella polymeerillä on oma viivansa Mark-Houwinkin kuvaajassa, joka edustaa molekyylin konformaatiota tai tiheyttä liuoksessa. Kuvio osoittaa, että PLA on näytteistä avoimin/laajin. Glykolihappopitoisuuden kasvaessa polymeerit pakkautuvat liuoksessa yhä tiiviimmin. Sisäinen viskositeetti mittaa näytteen osuutta liuoksen viskositeetissa, joten se ei välttämättä korreloi täsmälleen sulaviskositeetin kanssa, mutta Mark-Houwinkin kuvaaja osoittaa selkeän suuntauksen konformaatiossa, joka on riippuvainen glykolihappopitoisuudesta. Näiden neljän näytteen reologiset tulokset esitetään kuvassa 4.
Kuten tiedoista voidaan havaita, sulaviskositeettimittauksissa on selvä suuntaus, mutta se ei korreloi molekyylipainon kanssa. PLA-näytteellä on alhaisin molekyylipaino ja alhaisin viskositeetti, kun taas PLGA-näytteellä (75:25), jolla on korkein molekyylipaino, on toiseksi alhaisin viskositeetti. PLGA-näytteellä (50:50) on korkein viskositeetti, vaikka sen molekyylipaino on vasta toiseksi korkein.
Suuntaus näyttää tässä tapauksessa riippuvan paljon enemmän glykolihappopitoisuudesta, sillä näytteessä, jossa on suurin glykolihappopitoisuus, on suurin viskositeetti ja näytteessä, jossa on vähiten glykolihappoa (PLA), on pienin viskositeetti.
On selvää, että sulan viskositeetti on riippuvainen molempien parametrien yhdistelmästä, mutta glykolihappopitoisuuden ja viskositeetin välinen selkeä korrelaatio näyttää kuitenkin hallitsevan yleistä suhdetta.
On syytä huomata, että näytteellä, jolla on Mark-Houwinkin kuvaajassa alhaisin luontainen viskositeetti, on reologisten tietojen mukaan korkein sulaviskositeetti. Tämä oli vastoin odotuksia, mutta antaa viitteitä selityksestä. Koska PLGA (50:50) -näytteen molekyylit ovat tiiviimmin ja tiheämmin polymeerissä, polymeeriketjuilla on vähemmän vapaata tilavuutta reptoitua ja järjestäytyä. Tämä lisää niiden virtausvastusta ja siten sulaviskositeettia.
Päätelmät
Tässä sovellusmuistiossa esitetyt tiedot osoittavat tyylikkäästi, miten täydentävien polymeerien karakterisointitekniikoiden käyttö voi tarjota erinomaisen näkemyksen PLA:n ja PLGA:n kaltaisten polymeerien käyttäytymisestä. Vaikka yleisesti hyväksytäänkin, että polymeerien bulkkiominaisuudet (kuten sulaviskositeetti) ovat vahvasti sidoksissa molekyyliominaisuuksiin (kuten molekyylipainoon), myös muut tekijät, kuten kopolymeerin koostumus, voivat olla merkittäviä tekijöitä.
Tässä tutkimuksessa rotaatioreologiaa käytettiin sulaviskositeetin tutkimiseen, kun taas Malvernin moni-ilmaisimella varustettua GPC:tä käytettiin PLA- ja PLGA-näytteiden molekyyliominaisuuksien kuvaamiseen. Saman koostumuksen PLGA-näytteillä havaittiin selkeä molekyylipainokorrelaatio, mutta kun koostumusta myös vaihdeltiin, havaittiin vahva korrelaatio glykolihappopitoisuuden osalta. Tällaisia oivalluksia voidaan havaita vain, kun kiinnostavat näytteet karakterisoidaan täydellisesti. Tällaisia mittauksia tehtäessä on mahdollista ymmärtää täysin, miten molekyyliominaisuudet vaikuttavat bulkkisuorituskykyyn.
Tällaisia parametreja säätelemällä tutkijat ja tuotekehittäjät voivat kehittää polymeerejä, joilla on useita ihanteellisia ominaisuuksia. Esimerkiksi lääkkeenjakelusovellukseen voitaisiin valita PLGA-kopolymeeri, jolla on hyvä sulaviskositeetti muovausta varten mutta myös vaadittu hajoamisnopeus, jotta lääkkeen vapautuminen olisi hyvin hallittua ja ajoitettua. Näin voidaan kehittää tuotteita, joilla on paremmat hallitut suoritusominaisuudet, pienemmät vikamäärät ja suurempi arvo.