Polykaprolaktonin hajoamisen ymmärtäminen ja minimointi käsittelyn aikana käyttämällä reologiaa ja monianturista GPC:tä

Johdanto

Polykaprolaktoni (PCL) on synteettinen polymeeri, joka on viime aikoina saanut yhä enemmän huomiota biologisesti hajoavuutensa ansiosta. Yleisimmin sitä käytetään polyuretaanien valmistuksessa tai muiden polymeerien, kuten PVC:n, pehmittimenä. Sitä käytetään myös usein muotinvalmistuksessa ja prototyyppien valmistuksessa sen alhaisen sulamislämpötilan ansiosta, ja sitä käytetään raaka-aineena joissakin lisäainevalmistusjärjestelmissä (3D-tulostus). Sitä käytetään myös joissakin lääkkeiden jakelusovelluksissa vapautumisen säätelymekanismina samalla tavalla kuin polymaitohappoa (PLA) tai polymaitokoliglykolihappoa (PLGA). Mahdollinen etu PLA:han ja PLGA:han verrattuna on se, että PCL:n hajoamisnopeus on hitaampi, minkä vuoksi lääkkeen vapautuminen voi olla hitaampaa.

Kuten kaikkien polymeerien kohdalla, PCL:n molekyyliominaisuudet (esim. molekyylipaino) vaikuttavat voimakkaasti sen bulkkiominaisuuksiin, kuten lujuuteen, sitkeyteen ja sulavirtaukseen. Koska PCL on biologisesti hajoava, se on suuressa vaarassa hajota prosessien, kuten muottiinpuristamisen, aikana, erityisesti korkeissa lämpötiloissa. Kirjallisuudessa on kuvattu joitakin mekanismeja tämän riskin vähentämiseksi. Esimerkiksi ekstruusio hiilidioksidin (_CO2) läsnä ollessa voi vähentää PCL:n sulavirtauksen viskositeettia toimimalla "molekyylisenä voiteluaineena". Polymeerin viskositeetin pienentäminen vähentää lämpötilaa, jossa ekstruusio voidaan suorittaa, ja voi siten suojata polymeeriä hajoamiselta prosessin aikana [1].

Tässä sovellusohjeessa kaupallisesti saatavilla olevaa PCL-näytettä ekstrudoitiin yksinään ja_CO2:n läsnä ollessa. Polymeerin sulaviskositeettia tutkittiin rotaatioreometrialla, ja neitseellisestä näytteestä tehtiin Malvern GPC -mittauksia ennen ekstruusiota ja sen jälkeen.

Menetelmät

PCL-näyte ekstrudoitiin Rondol-pöytäekstruuderin avulla ruuvin kierrosnopeudella 30 rpm 1 mm:n halkaistun suulakkeen läpi sekä_{hiilidioksidin} läsnäollessa (150 °C) että ilman (160 °C) [1].

Näytteiden sulaviskositeetit mitattiin myös Kinexus Ultra+ -rotaatioreometrillä, jossa käytettiin aktiivista huppupeltier-levypatruunaa 150 °C:n lämpötilassa ja yhdensuuntaisia levyjä, joiden halkaisija oli 20 mm ja mittausväli 1 mm. Näytteen kompleksisen viskositeetin määrittämiseksi suoritettiin taajuuspyyhkäisy. Mittaus suoritettiin typpipuhdistuksessa hapettumisen riskin vähentämiseksi.

Kolme näytettä mitattiin monidetektorisella GPC:llä Malvern OMNISEC -järjestelmällä, joka sisälsi taitekerroin (RI), UV-Vis, valon sironta (oikeakulmainen valon sironta (RALS) ja matalakulmainen valon sironta (LALS)) ja viskosimetri (IV) -ilmaisimet. Näytteet liuotettiin noin 3 mg/ml:n konsentraatioihin ja erotettiin kahdessa Malvern T6000M mixed bed SVB-kolonnissa.

Testitulokset

Kuvassa 1 on neitseellisen PCL-näytteen kromatogrammi. Kuten voidaan nähdä, näyte erottuu hyvin ja signaali-kohina on hyvä kaikilla detektoreilla. Kromatogrammin päälle on asetettu mitattu molekyylipaino ja luontainen viskositeetti.

Kuvassa 2 esitetään RI-, RALS- ja viskosimetri-ilmaisimien päällekkäisnäytteet neitseellisistä, suulakepuristetuista ja_{hiilidioksidin} kanssa suulakepuristetuista näytteistä. Kromatogrammeissa on päällekkäin kunkin näytteen kolminkertaiset mittaukset. Small Erot näkyvät eri ilmaisimissa. Vaikka erot näyttävät small, mittausten toistettavuus on erinomainen.

Taulukossa 1 esitetään näiden näytteiden lasketut numeeriset tulokset. Neitseellisen PCL:n keskimääräinen mitattu molekyylipaino on 114,6 KDa. Ekstruusioinnin jälkeen se on laskenut 103,8 KDa:iin; kun_{hiilidioksidia} kuitenkin ruiskutettiin suoraan ekstruuderin tynnyriin, ekstruusio voitiin suorittaa 10 °C alhaisemmassa lämpötilassa._{Hiilidioksidin} käytön ja alhaisemman ekstruusiolämpötilan nettovaikutus oli lieventää polymeerin hajoamista noin 40 prosentilla ja säilyttää molekyylipaino 108,1 KDa:ssa. Samankaltainen, joskin huonommin määritetty suuntaus on havaittavissa muissa mitatuissa parametreissa, kuten näytteiden ominaista viskositeettia ja hydrodynaamista sädettä tarkasteltaessa.

Tämän jälkeen näytteet mitattiin rotaatioreometrillä, jotta nähtiin, miten nämä molekyylimuutokset vaikuttivat niiden bulkkiominaisuuksiin (sulaviskositeettiin). Sulaviskositeetti on tyypillisesti voimakkaasti riippuvainen näytteen molekyylipainosta. Sama suuntaus näyttäisi vallitsevan myös rotaatioreologisissa tiedoissa.

Taulukko 1: Mittaustulokset kolmesta PLC-näytteestä monimittausmenetelmällä (SEC)

Kuten kuvasta 3 nähdään, neitseellisen PCL:n sulaviskositeetti on korkein. Ilman_CO2: ta ekstrudoidun näytteen sulaviskositeetti on alhaisempi. Tätä voidaan osittain lieventää ekstrudoimalla näyte_CO2: n läsnä ollessa alhaisemmassa ekstrudointilämpötilassa.

Lopuksi tutkittiin monidetektorisen GPC:n tietoja, jotta voitiin nähdä, oliko PCL:n rakenteessa tapahtunut muutoksia ekstruusiosta johtuen. Mark-Houwink-kuvaaja osoittaa sisäisen viskositeetin molekyylipainon funktiona, joten sitä voidaan käyttää molekyylirakenteen ja konformaation muutosten arviointiin. Sitä käytetään yleisimmin polymeerien haarautumisen tutkimisessa.

Ensi silmäyksellä PCL-näytteiden Mark-Houwink-kuvaaja näyttää siltä, että ne ovat hyvin päällekkäin eikä polymeerin rakenteessa tapahdu muutoksia. Tarkemmin tarkasteltuna näyttää kuitenkin siltä, että ilman_{hiilidioksidia} ekstrudoidussa näytteessä (eli näytteessä, joka on eniten hajonnut) on myös tapahtunut small rakennemuutos. Kuvassa 4 esitetään kolmen mittauskerran päällekkäiset mittaukset, jotka osoittavat tämän erittäin small mutta selvän eron toistettavuuden.

Tämä muutos voi johtua näytteen haarautumisen heikkenemisestä, mutta tämän näytteen uskottiin olevan lineaarinen. Se voi myös mahdollisesti liittyä small eroihin, jotka johtuvat polymeerin jonkinasteisesta hydratoitumisesta, sillä polymeeriä ei kuivattu ennen kokeita. Tämä havainto tarjoaa kuitenkin mielenkiintoisen tien mahdollisille lisätutkimuksille.

Päätelmät

Tässä sovellusmuistiossa esitetyt tulokset osoittavat, miten käsittelyolosuhteet voivat vaikuttaa sekä PCL:n kaltaisen polymeerin perusominaisuuksiin että sen bulkkiominaisuuksiin. Tässä PCL-näytteen molekyylipainon ja sulaviskositeetin havaittiin laskevan, kun näytettä ekstrudoitiin ilman_{hiilidioksidia} 150 °C:ssa. Tämän vaikutusta kuitenkin lievennettiin osittain lisäämällä_{hiilidioksidia} ekstruusioprosessin aikana. Vuorovaikutuksessa joidenkin näytteessä olevien molekyylien kanssa_{hiilidioksidi} toimii tehokkaasti 4 "molekyylien voiteluaineena", joka vähentää näytteen viskositeettia. Näin se tarkoittaa, että PCL voidaan ekstrudoida alhaisemmassa lämpötilassa, mikä puolestaan suojaa polymeeriä joiltakin havaituilta hajoamistoimilta.

Tämä ero havaittiin onnistuneesti molekyylitasolla käyttämällä monidetektorista GPC:tä ja irtotavaran tasolla käyttämällä rotaatioreometriaa. Näin molempia tekniikoita voidaan käyttää korreloimaan molekyylitason muutokset lopputuotteessa havaittujen muutosten kanssa.

Pienemmästä molekyylipainosta johtuva alhaisempi sulan viskositeetti vaikuttaa todennäköisesti kaikkiin tällä näytteellä valmistettuihin muotteihin. Se vaikuttaa todennäköisesti myös kiteisyyteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin, ja lääkkeenjakelusovelluksissa se vaikuttaa lääkkeen vapautumisen ajoitukseen. Tästä näytteestä valmistetuilla tuotteilla on näin ollen todennäköisemmin laajemmat suorituskyvyn toleranssit ja suuremmat vaihtelut. Toisaalta ekstrudoimalla_{hiilidioksidilla} tätä vaikutusta lievennettiin, ja tämän menettelyn käyttö todennäköisesti suojaa tuotteen suorituskykyä.

Useiden tekniikoiden käyttö polymeerin karakterisoinnissa mahdollistaa polymeerin taustalla olevien muutosten selkeän mittaamisen ja ymmärtämisen ekstruusiossa ja prosessoinnissa. Ymmärtämällä ja hallitsemalla näitä muutoksia strategioiden, kuten_{hiilidioksidin} kanssa tapahtuvan ekstruusioprosessin, avulla valmistajat voivat ylläpitää parempaa tuotelaatua ja tiukempaa tuotteen laadun valvontaa, vähentää vikoja ja lisätä tuotteen arvoa.