Introduction
Le poly(acide lactique) (PLA) est un polymère biodégradable dérivé de ressources naturelles telles que l'amidon de maïs, qui a fait l'objet d'une attention particulière ces dernières années. C'est l'un des polymères biodégradables les plus répandus sur le marché en raison de sa disponibilité, de son faible coût de production et, lorsqu'il est dérivé de sources naturelles durables, il s'agit d'un polymère véritablement renouvelable. L'acide lactique est souvent combiné à l'acide glycolique pour former le copolymère poly(acide lactique-coglycolique) (PLGA), qui peut avoir une composition variable d'acides lactique et glycolique. Ce polymère polyvalent est utilisé dans une grande variété d'applications, de la fabrication additive (impression 3D) à la coutellerie jetable, en passant par les sutures biodégradables, l'administration de médicaments ou les emballages biodégradables.
Il est largement reconnu que les propriétés globales des polymères dépendent fortement de leurs propriétés moléculaires. Le plus souvent, on considère que le poids moléculaire est le principal déterminant de la résistance d'un polymère.
Cependant, dans le cas de copolymères tels que le PLGA, il est également probable que la composition du copolymère affecte fortement ces propriétés.
Cette note d'application utilise également les technologies de Malvern pour explorer la relation entre les propriétés moléculaires et globales du PLA et du PLGA. La rhéologie rotationnelle est utilisée pour étudier la viscosité à l'état fondu, tandis que la masse moléculaire et la viscosité intrinsèque sont mesurées à l'aide du GPC multidétecteur de Malvern.
Méthodes
Six échantillons de substances disponibles dans le commerce ont été mesurés :
- PLA
- PLGA avec 75 % de LA et 25 % de GA (PLGA(75:25))
- PLGA avec 65% LA et 35% GA (PLGA (63:35))
- Trois échantillons de PLGA avec 50 % de LA et 50 % de GA (PLGA (50:50)) avec différents poids moléculaires.
Pour la rhéologie rotationnelle, les échantillons ont été caractérisés à l'aide d'un rhéomètre rotatif Kinexus Ultra+. Les échantillons ont été mesurés à 150°C à l'aide d'une cartouche de plaques à effet Peltier à hotte active avec une géométrie de plaques parallèles de 20 mm. En raison de sa nature biodégradable, le PLA est susceptible de se dégrader et les mesures ont donc été effectuées en purgeant avec de l'azote afin de réduire le risque de dégradation oxydative au cours de l'analyse.
Pour la CPG multidétecteur de Malvern, les échantillons ont été dissous dans du THF et séparés sur deux colonnes SVB à lit mixte Malvern T6000M. La GPC a été réalisée sur un système OMNISEC de Malvern comprenant des détecteurs d'indice de réfraction (RI), 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.
Résultats des tests
Deux expériences ont été réalisées. Dans la première expérience, trois échantillons de PLGA (50:50) ont été mesurés par rhéométrie rotative et par CPG multidétecteur. Un chromatogramme représentatif du "PLGA (50:50) 2" est présenté à la figure 1.
Le tableau 1 résume les résultats des trois échantillons. Les échantillons ont été mesurés en double. Comme on peut le voir, il y a des différences significatives dans les poids moléculaires des trois échantillons, allant de T11 KDa à 69 KDa. Le rhéomètre rotatif Kinexus a ensuite été utilisé pour étudier la viscosité à l'état fondu "sans cisaillement", qui est généralement supposée être en corrélation avec la masse moléculaire d'un échantillon.
Tableau 1 : Données moléculaires mesurées pour les échantillons de PLGA (50:50) dans la première expérience
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Mesure | Moyenne | % RSD | Moyenne | % RSD | Moyenne | % 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 |
| Récupération (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Comme on peut le voir dans la figure 2, les courbes de viscosité évoluent bien en fonction de la masse moléculaire des trois échantillons. L'échantillon 1 a le poids moléculaire le plus faible et la viscosité la plus basse. Les échantillons 2 et 3 ont des poids moléculaires plus élevés et des viscosités correspondantes plus élevées. Ce type d'évolution de la masse moléculaire est typique et correspond bien à nos attentes.
Une étude ultérieure a été réalisée sur le PLA et trois copolymères différents, PLGA (65:25), PLGA (75:25) et PLGA (50:50) 2 de la série d'échantillons précédente. Les données relatives au poids moléculaire sont présentées dans le tableau 2. Comme on peut le voir, les poids moléculaires des échantillons varient entre 11 KDa et 64 KDa.
Tableau 2 : Données moléculaires mesurées pour les quatre échantillons de PLA et de PLGA comparés dans la deuxième expérience
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Mesure | Moyenne | % RSD | Moyenne | % RSD | Moyenne | % RSD | Moyenne % RSD | % 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 |
| Récupération (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Comme ces échantillons ont des compositions différentes, leurs différentes structures peuvent être comparées sur un graphique de Mark-Houwink. Le diagramme de Mark-Houwink montre la viscosité intrinsèque en fonction de la masse moléculaire. Il permet de comparer les structures des polymères pour une gamme de poids moléculaires. Il est le plus souvent utilisé pour étudier la ramification des polymères, mais il indique également les différences entre les molécules linéaires de compositions différentes, comme dans les copolymères PLA et PLGA. La figure 3 montre des diagrammes de Mark-Houwink superposés pour les quatre échantillons. Les résultats sont présentés en double.
Comme on peut le voir, chaque polymère a sa propre ligne sur le tracé de Mark-Houwink, qui représente la conformation ou la densité de la molécule en solution. Le graphique montre ici que le PLA est le plus ouvert/étendu des échantillons. À mesure que la teneur en acide glycolique augmente, les polymères deviennent de plus en plus denses en solution. La viscosité intrinsèque est une mesure de la contribution d'un échantillon à la viscosité de la solution et peut donc ne pas être en corrélation exacte avec la viscosité à l'état fondu, mais le graphique de Mark-Houwink montre une tendance claire dans la conformation qui dépend de la teneur en acide glycolique. Les résultats rhéologiques pour ces quatre échantillons sont présentés dans la figure 4.
Comme on peut le voir dans les données, il y a une tendance claire dans les mesures de la viscosité à l'état fondu, mais elle n'est pas en corrélation avec le poids moléculaire. Alors que l'échantillon de PLA possède le poids moléculaire le plus faible et a la viscosité la plus basse, l'échantillon avec le poids moléculaire le plus élevé est le PLGA (75:25) qui a la deuxième viscosité la plus basse. L'échantillon de PLGA (50:50) a la viscosité la plus élevée bien qu'il n'ait que la deuxième masse moléculaire la plus élevée.
La tendance dans ce cas semble dépendre beaucoup plus de la teneur en acide glycolique, l'échantillon ayant la teneur en acide glycolique la plus élevée présentant la viscosité la plus élevée et l'échantillon ayant la teneur en acide glycolique la plus faible (PLA) présentant la viscosité la plus basse.
Il est clair que la viscosité à l'état fondu dépendra d'une combinaison de ces deux paramètres, mais la corrélation bien définie entre la teneur en acide glycolique et la viscosité semble dominer la relation globale.
Il convient de noter que l'échantillon présentant la viscosité intrinsèque la plus faible dans le diagramme de Mark-Houwink a la viscosité à l'état fondu la plus élevée d'après les données rhéologiques. Ce résultat est contraire aux attentes mais suggère une explication. Étant donné que les molécules de l'échantillon PLGA (50:50) sont plus compactes et plus denses dans le polymère, il y a moins de volume libre pour que les chaînes de polymère se replient et s'organisent. Cela augmente donc leur résistance à l'écoulement et, par conséquent, leur viscosité à l'état fondu.
Conclusions
Les données présentées dans cette note d'application montrent élégamment comment l'utilisation de technologies complémentaires de caractérisation des polymères peut offrir d'excellents aperçus du comportement de polymères tels que le PLA et le PLGA. Bien qu'il soit largement admis que les propriétés globales (telles que la viscosité à l'état fondu) des polymères sont fortement liées aux propriétés moléculaires (telles que le poids moléculaire), d'autres facteurs, tels que la composition du copolymère, peuvent également jouer un rôle important.
Dans cette étude, la rhéologie rotationnelle a été utilisée pour étudier la viscosité à l'état fondu, tandis que la CPG multidétecteur de Malvern a été utilisée pour caractériser les propriétés moléculaires d'une série d'échantillons de PLA et de PLGA. Une corrélation claire entre les poids moléculaires a été observée pour les échantillons de PLGA de même composition, mais lorsque la composition a été modifiée, une forte corrélation a été observée pour la teneur en acide glycolique. Ce type d'observations ne peut être réalisé qu'avec une caractérisation complète des échantillons d'intérêt. En effectuant de telles mesures, il est possible de comprendre pleinement comment les propriétés moléculaires affectent les performances globales.
En contrôlant ces paramètres, les chercheurs et les développeurs de produits peuvent mettre au point des polymères dotés de multiples propriétés idéales. Par exemple, un copolymère PLGA pourrait être choisi pour une application d'administration de médicaments qui présente une bonne viscosité à l'état fondu pour le moulage, mais aussi les taux de dégradation requis pour une libération temporelle bien contrôlée du médicament. Ce faisant, il est possible de développer des produits dont les caractéristiques de performance sont mieux contrôlées, dont les taux d'échec sont réduits et dont la valeur est plus élevée.