A polikaprolakton degradáció megértése és minimalizálása a feldolgozás során a reológia és a többdetektoros GPC segítségével

Bevezetés

A polikaprolakton (PCL) egy szintetikus polimer, amely a közelmúltban egyre nagyobb figyelmet kapott biológiai lebonthatóságának köszönhetően. Leggyakoribb felhasználása a poliuretánok gyártása vagy más polimerek, például a PVC lágyítószereként. Alacsony Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérsékletének köszönhetően gyakran használják formázáshoz és prototípusok készítéséhez is, és alapanyagként használják egyes additív gyártási (3D nyomtatási) rendszerekben. Végezetül, a poli-tejsavhoz (PLA) vagy a poli-tejsav-ko-glikolsavhoz (PLGA) hasonlóan egyes gyógyszeradagolási alkalmazásokban is használják, mint szabályozott felszabadulási mechanizmust. A PLA-val és a PLGA-val szembeni potenciális előnye, hogy a PCL lassabban bomlik, és ezért lassabb hatóanyag-felszabadulást tesz lehetővé.

Mint minden polimer esetében, a PCL molekuláris tulajdonságai (pl. a molekulatömeg) nagymértékben befolyásolják az ömlesztett tulajdonságait, például a szilárdságot, a szívósságot és az olvadékáramlást. Mivel a PCL biológiailag lebontható, nagy a kockázata annak, hogy lebomlik az olyan eljárások során, mint például a formázáshoz használt extrudálás, különösen magas hőmérsékleten. A szakirodalomban leírtak néhány mechanizmust e kockázat csökkentésére. Például a szén-dioxid (_CO2) jelenlétében történő extrudálás csökkentheti a PCL olvadékfolyási viszkozitását, mivel "molekuláris kenőanyagként" működik. A polimer viszkozitásának csökkentése csökkenti azt a hőmérsékletet, amelyen az extrudálás elvégezhető, és ezáltal megvédheti a polimert a folyamat során bekövetkező degradációtól [1].

Ebben az alkalmazásban egy kereskedelmi forgalomban kapható PCL-mintát extrudáltak önmagában és_CO2 jelenlétében. A polimer olvadékviszkozitásának vizsgálatára rotációs reometriát alkalmaztak, míg a szűz mintán Malvern GPC méréseket végeztek az extrudálás előtt és után.

Módszerek

A PCL-mintát egy Rondol asztali extruderrel extrudáltuk 30 fordulat/perc csigasebességgel egy 1 mm-es résdugón keresztül,_CO2 jelenlétében (150 °C) és hiányában (160 °C) [1].

A minták olvadékviszkozitását Kinexus Ultra+ rotációs reométeren is megmértük, 150 °C-on aktív csuklyás peltier lemezkazettát használva, 20 mm átmérőjű, 1 mm mérési hézagú párhuzamos lemezekkel. A minta komplex viszkozitásának meghatározásához frekvencia-söprést végeztünk. A mérést nitrogénes öblítés mellett végeztük, hogy csökkentsük az oxidatív degradáció bekövetkezésének kockázatát.

A három mintát többdetektoros GPC-vel mértük egy Malvern OMNISEC rendszeren, amely törésmutató (RI), UV-Vis, fényszórás (derékszögű fényszórás (RALS) és kisszögű fényszórás (LALS)), valamint viszkoziméter (IV) detektorokat tartalmazott. A mintákat körülbelül 3 mg/ml koncentrációig oldottuk, és két Malvern T6000M vegyeságyas SVB oszlopon választottuk szét.

Teszteredmények

Az 1. ábra a szűz PCL minta kromatogramját mutatja. Amint látható, a minta jól felbontható, és a jel-zaj viszony minden detektoron jó. A kromatogramot a mért molekulatömeggel és az intrinsic viszkozitásokkal fedtük le.

A 2. ábra az RI, a RALS és a viszkoziméter detektorok átfedéseit mutatja a szűz, az extrudált és a_CO2-vel extrudált minták esetében. A kromatogramok az egyes minták háromszoros méréseit mutatják egymásra helyezve. Small A különböző detektorokon láthatóak a különbségek. Bár a különbségek a small láthatóak, a mérések megismételhetősége kiváló.

Az 1. táblázat mutatja az e mintákra vonatkozó számított számszerű eredményeket. A szűz PCL átlagos mért molekulatömege 114,6 KDa. Az extrudálás után ez 103,8 KDa értékre csökkent; amikor azonban_CO2-t fecskendeztünk közvetlenül az extruder hordójába, ez lehetővé tette, hogy az extrudálás 10°C-kal alacsonyabb hőmérsékleten történjen. A_CO2 használatának és az alacsonyabb extrudálási hőmérsékletnek a nettó hatása az volt, hogy a polimer degradációját mintegy 40%-kal mérsékelte, és a molekulatömeget 108,1 KDa értéken tartotta. Hasonló, bár kevésbé jól meghatározott tendencia figyelhető meg más mért paraméterek, például a minták saját viszkozitása és hidrodinamikai sugara esetében is.

A mintákat ezután rotációs reométeren mértük, hogy lássuk, hogyan befolyásolják ömlesztett tulajdonságaikat (olvadék viszkozitása) ezek a molekuláris változások. Az olvadék viszkozitása jellemzően erősen függ a minta molekulatömegétől. Úgy tűnik, hogy ugyanez a tendencia a rotációs reológiai adatokban is jelen van.

1. táblázat: A három PLC-mintára vonatkozó mérési eredmények a többdetektoros SEC segítségével

Amint a 3. ábrán látható, a szűz PCL-nek van a legmagasabb olvadási viszkozitása. A_CO2 hiányában extrudált minta olvadékviszkozitása alacsonyabb. Ezt részben enyhíti a minta_CO2 jelenlétében, alacsonyabb extrudálási hőmérsékleten történő extrudálása.

Végül a többdetektoros GPC-adatokat is megvizsgálták, hogy kiderüljön, történt-e bármilyen változás a PCL szerkezetében az extrudálás következtében. A Mark-Houwink-diagram az intrinsic viszkozitást mutatja a molekulatömeg függvényében, és ezért felhasználható a molekulaszerkezetben és a konformációban bekövetkezett változások értékelésére. Leggyakrabban a polimerek elágazódásának tanulmányozására használják.

A PCL-minták Mark-Houwink-diagramjának első pillantásra úgy tűnik, hogy jól fedik egymást, és nincsenek változások a polimer szerkezetében. Közelebbről megvizsgálva azonban úgy tűnik, hogy a_CO2 nélkül extrudált minta (azaz a legjobban lebomlott minta) is small szerkezetváltozáson ment keresztül. A 4. ábra a háromszoros mérések átfedését mutatja, amely ennek a rendkívül small de egyértelmű különbségnek az ismételhetőségét mutatja.

Ez a változás a minta elágazásának romlásából adódhat, azonban ezt a mintát lineárisnak hitték. Lehetséges, hogy ez a small eltérésekkel is összefügghet, amelyeket a polimer némi hidratálódása okoz, amelyet a kísérletek előtt nem szárítottak ki. Mindazonáltal ez a megállapítás érdekes lehetőséget nyújt további lehetséges vizsgálatokra.

Következtetések

Az ebben az alkalmazásban bemutatott eredmények azt mutatják, hogy a feldolgozási körülmények hogyan befolyásolhatják egy polimer, például a PCL alap- és ömlesztett tulajdonságait. Itt egy PCL minta molekulatömege és olvadékviszkozitása csökkent, amikor a mintát_CO2 hiányában, 150°C-on extrudálták. Ennek hatását azonban részben enyhítette a_CO2 bevitele az extrudálási folyamat során. A_CO2 a mintában lévő molekulák egy részével kölcsönhatásba lépve 4 "molekuláris kenőanyagként" hatékonyan csökkenti a minta viszkozitását. Ez azt jelenti, hogy a PCL alacsonyabb hőmérsékleten extrudálható, ami viszont megvédi a polimert a megfigyelt degradáció egy részétől.

Ezt a különbséget molekuláris szinten többdetektoros GPC-vel, ömlesztett szinten pedig rotációs reometriával sikerült megfigyelni. Ily módon mindkét technológia felhasználható a molekuláris szintű változások és a végtermékben megfigyelt változások korrelálására.

Az alacsonyabb molekulatömegből adódó csökkent olvadékviszkozitás valószínűleg hatással lesz minden olyan formára, amelyet ezzel a mintával állítanak elő. Valószínűleg a kristályosságot és a mechanikai tulajdonságokat is befolyásolja, és ezt követően, a hatóanyag-leadási alkalmazások esetében a hatóanyag-kibocsátás időzítését is befolyásolná. Az ebből készült termékek ezért nagyobb valószínűséggel rendelkeznek szélesebb teljesítménytűréssel és nagyobb eltérésekkel. Másrészt a_CO2-vel történő extrudálással ez a hatás mérséklődött, és ennek az eljárásnak az alkalmazása valószínűleg megóvja a termék teljesítményét.

A polimer jellemzésére szolgáló többféle technológia alkalmazása lehetővé teszi a polimerrel az extrudálás és a feldolgozás során végbemenő alapvető változások egyértelmű mérését és megértését. Ezen változások megértésével és ellenőrzésével olyan stratégiák révén, mint például a_CO2-vel történő extrudálás, a gyártók magasabb termékminőséget és szigorúbb termékminőség-ellenőrzést tarthatnak fenn, csökkentve a hibák számát és növelve a termék értékét.