Comprendre et minimiser la dégradation du polycaprolactone au cours du traitement à l'aide de la rhéologie et de la GPC multidétecteur

Introduction

Le polycaprolactone (PCL) est un polymère synthétique qui a récemment fait l'objet d'une attention croissante en raison de sa biodégradabilité. Son utilisation la plus courante est la fabrication de polyuréthanes ou comme plastifiant pour d'autres polymères tels que le PVC. Il est également souvent utilisé dans le moulage et le prototypage grâce à sa faible Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion et sert de matière première dans certains systèmes de fabrication additive (impression 3D). Enfin, il est également utilisé dans certaines applications d'administration de médicaments comme mécanisme de libération contrôlée, de la même manière que l'acide polylactique (PLA) ou l'acide polylactique-co-glycolique (PLGA). Un avantage potentiel par rapport au PLA et au PLGA est que le PCL a une vitesse de dégradation plus lente et peut donc permettre une libération plus lente du médicament.

Comme pour tous les polymères, les propriétés moléculaires du PCL (par exemple, le poids moléculaire) affectent fortement ses propriétés globales telles que la résistance, la ténacité et l'écoulement à l'état fondu. Étant biodégradable, le PCL présente un risque élevé de dégradation au cours de processus tels que l'extrusion ou le moulage, en particulier à des températures élevées. Certains mécanismes ont été décrits dans la littérature pour réduire ce risque. Par exemple, l'extrusion en présence de dioxyde de carbone (_CO2) peut réduire la viscosité du PCL à l'état fondu en agissant comme un "lubrifiant moléculaire". La diminution de la viscosité du polymère réduit la température à laquelle l'extrusion peut être réalisée et pourrait ainsi protéger le polymère de la dégradation au cours du processus [1].

Dans cette note d'application, un échantillon de PCL disponible dans le commerce a été extrudé seul et en présence de_CO2. La rhéométrie rotationnelle a été utilisée pour étudier la viscosité à l'état fondu du polymère, tandis que des mesures de CPG de Malvern ont été effectuées sur l'échantillon vierge avant et après l'extrusion.

Méthodes

L'échantillon de PCL a été extrudé à l'aide d'une extrudeuse de table Rondol à des vitesses de vis de 30 tr/min à travers une filière à fente de 1 mm, à la fois en présence (150 °C) et en l'absence (160 °C) de_CO2 [1].

Les viscosités à l'état fondu des échantillons ont également été mesurées sur un rhéomètre rotatif Kinexus Ultra+ à l'aide d'une cartouche de plaques à peltier à capot actif à 150°C et de plaques parallèles d'un diamètre de 20 mm et d'une fente de mesure de 1 mm. Un balayage de fréquence a été effectué pour déterminer la viscosité complexe de l'échantillon. La mesure a été effectuée sous une purge d'azote afin de réduire le risque de dégradation oxydative.

Les trois échantillons ont été mesurés par CPG multidétecteur sur un système OMNISEC de Malvern comprenant des détecteurs d'indice de réfraction (RI), UV-Vis, de diffusion de la lumière (diffusion de la lumière à angle droit (RALS) et diffusion de la lumière à angle bas (LALS)) et de viscosimètre (IV). Les échantillons ont été dissous à des concentrations d'environ 3 mg/ml et séparés sur deux colonnes SVB Malvern T6000M à lit mixte.

Résultats des tests

La figure 1 montre un chromatogramme de l'échantillon vierge de PCL. Comme on peut le voir, l'échantillon est bien résolu et le rapport signal/bruit est bon sur tous les détecteurs. Le chromatogramme a été superposé à la masse moléculaire et à la viscosité intrinsèque mesurées.

La figure 2 montre des superpositions des détecteurs RI, RALS et du viscosimètre pour les échantillons vierges, extrudés et extrudés avec du_CO2. Les chromatogrammes montrent des mesures en trois exemplaires de chaque échantillon superposé. Small différences sont visibles sur les différents détecteurs. Bien que les différences apparaissent sur small, la répétabilité des mesures est excellente.

Le tableau 1 présente les résultats numériques calculés pour ces échantillons. Le PCL vierge a une masse moléculaire moyenne mesurée de 114,6 KDa. Après l'extrusion, cette masse est tombée à 103,8 KDa. Toutefois, l'injection de_CO2 directement dans le cylindre de l'extrudeuse a permis d'extruder à une température inférieure de 10°C. L'effet net de l'utilisation du_CO2 et de la température d'extrusion plus basse a été d'atténuer la dégradation du polymère d'environ 40 % et de maintenir le poids moléculaire à 108,1 KDa. Une tendance similaire, bien que moins bien définie, est observée dans d'autres paramètres mesurés tels que la viscosité intrinsèque et le rayon hydrodynamique des échantillons.

Les échantillons ont ensuite été mesurés à l'aide d'un rhéomètre rotatif afin de voir comment leurs propriétés globales (viscosité à l'état fondu) étaient affectées par ces changements moléculaires. La viscosité à l'état fondu dépend généralement fortement du poids moléculaire de l'échantillon. La même tendance semble être présente dans les données de rhéologie rotationnelle.

Tableau 1 : Résultats des mesures pour les trois échantillons de PLC au moyen du multidétecteur SEC

Comme le montre la figure 3, le PCL vierge présente la viscosité à l'état fondu la plus élevée. L'échantillon extrudé en l'absence de_CO2 présente une viscosité à l'état fondu plus faible. Ce phénomène est partiellement atténué par l'extrusion de l'échantillon en présence de_CO2 à une température d'extrusion plus basse.

Enfin, les données GPC multi-détecteurs ont été étudiées pour vérifier si l'extrusion avait entraîné des changements dans la structure du PCL. Le diagramme de Mark-Houwink montre la viscosité intrinsèque en fonction du poids moléculaire et peut donc être utilisé pour évaluer les changements dans la structure et la conformation moléculaires. Il est le plus souvent utilisé dans l'étude de la ramification des polymères.

À première vue, le diagramme de Mark-Houwink pour les échantillons de PCL semble bien se superposer et il n'y a pas de changement dans la structure du polymère. Cependant, en y regardant de plus près, il apparaît que l'échantillon extrudé en l'absence de_CO2 (c'est-à-dire le plus dégradé) a également subi un changement de structure ( small ). La figure 4 montre la superposition de trois mesures démontrant la répétabilité de cette différence extrêmement small mais claire.

Ce changement pourrait être dû à une dégradation de la ramification de l'échantillon, mais cet échantillon était considéré comme linéaire. Il pourrait également être lié aux différences small causées par une certaine hydratation du polymère qui n'a pas été séché avant les expériences. Quoi qu'il en soit, cette découverte constitue une piste intéressante pour d'autres recherches potentielles.

Conclusions

Les résultats présentés dans cette note d'application montrent comment les conditions de traitement peuvent affecter à la fois les propriétés sous-jacentes et les propriétés globales d'un polymère tel que le PCL. Ici, le poids moléculaire et la viscosité à l'état fondu d'un échantillon de PCL ont chuté lorsque l'échantillon a été extrudé en l'absence de_CO2 à 150°C. Toutefois, l'effet de ce phénomène a été partiellement atténué par l'inclusion de_CO2 au cours du processus d'extrusion. En interagissant avec certaines des molécules de l'échantillon, le_CO2 agit effectivement comme un "lubrifiant moléculaire" pour réduire la viscosité de l'échantillon. Ce faisant, le PCL peut être extrudé à une température plus basse, ce qui protège le polymère d'une partie de la dégradation observée.

Cette différence a été observée avec succès au niveau moléculaire à l'aide de la CPG multidétecteur et au niveau de la masse à l'aide de la rhéométrie rotationnelle. De cette manière, les deux technologies peuvent être utilisées pour corréler les changements au niveau moléculaire avec ceux observés dans le produit final.

La réduction de la viscosité à l'état fondu résultant d'un poids moléculaire plus faible est susceptible d'affecter tout moule produit avec cet échantillon. Elle est également susceptible d'affecter la cristallinité et les propriétés mécaniques et, par la suite, dans le cas des applications d'administration de médicaments, d'influencer les délais de libération des médicaments. Tout produit créé à partir de cet échantillon est donc plus susceptible d'avoir des tolérances de performance plus larges et des variations plus importantes. En revanche, l'extrusion au_CO2 a permis d'atténuer cet effet et l'utilisation de cette procédure est susceptible de protéger les performances du produit.

L'utilisation de plusieurs technologies pour caractériser le polymère permet de mesurer et de comprendre clairement les changements sous-jacents qui se produisent dans le polymère au cours de l'extrusion et de la transformation. En comprenant et en contrôlant ces changements grâce à des stratégies telles que l'extrusion au_CO2, les fabricants peuvent maintenir une qualité de produit supérieure et un contrôle plus strict de la qualité du produit, réduisant ainsi les défaillances et augmentant la valeur du produit.