Bevezetés
A poli(tejsav) (PLA) egy természetes erőforrásokból, például kukoricakeményítőből származó, biológiailag lebomló polimer, amely az utóbbi években jelentős figyelmet kapott. Ez az egyik legelterjedtebb biológiailag lebomló polimer a piacon, mivel rendelkezésre áll, alacsony az előállítási költsége, és ha természetes, fenntartható forrásokból származik, valóban megújuló polimer. A tejsavat gyakran kombinálják glikolsavval, hogy a poli(tejsav-koglikolsav) kopolimert (PLGA) alkossák, amely a tejsav és a glikolsav változó összetételű lehet. Mivel sokoldalú polimerről van szó, sokféle alkalmazásban használják, az additív gyártástól (3D nyomtatás) kezdve az eldobható evőeszközökön, a biológiailag lebomló varratokon, a gyógyszeradagoláson át a biológiailag lebomló csomagolásig.
Széles körben elismert tény, hogy a polimerek ömlesztett tulajdonságai erősen függnek molekuláris tulajdonságaiktól. Leggyakrabban azt feltételezik, hogy a polimer szilárdságának legerősebb meghatározója a molekulatömeg.
Az olyan kopolimerek esetében azonban, mint a PLGA, valószínű, hogy a kopolimer összetétele is erősen befolyásolja ezeket a tulajdonságokat.
Ez az alkalmazási közlemény a Malvern technológiáit is felhasználja a PLA és a PLGA molekuláris és ömlesztett tulajdonságai közötti kapcsolat feltárására. Az olvadék viszkozitásának vizsgálatára rotációs reológiát alkalmazunk, míg a molekulatömeget és az intrinsic viszkozitást a Malvern többdetektoros GPC-vel mérjük.
Módszerek
Hat mintát mértünk a kereskedelemben kapható anyagokból, köztük:
- PLA
- PLGA 75 % LA és 25 % GA tartalommal (PLGA(75:25))
- PLGA 65% LA-val és 35% GA-val (PLGA (63:35))
- Három minta PLGA 50% LA és 50% GA (PLGA (50:50)) különböző molekulatömeggel.
.
A rotációs reológiához a mintákat Kinexus Ultra+ rotációs reométerrel jellemeztük. A mintákat 150°C-on mértük egy aktív motorháztető peltier lemezes patron segítségével, 20 mm-es párhuzamos lemezgeometriával. Mivel a PLA biológiailag lebontható, hajlamos a lebomlásra, ezért a méréseket nitrogénnel történő átöblítés mellett végeztük, hogy csökkentsük az oxidatív lebomlás kockázatát az elemzés során.
A Malvern multi-detektoros GPC esetében a mintákat THF-ben oldottuk fel, és két Malvern T6000M vegyes ágyú SVB oszlopon választottuk szét. A GPC-t egy Malvern OMNISEC rendszeren futtattuk, amely törésmutató (RI), fényszórás (derékszögű fényszórás (RALS) és kisszögű fényszórás (LALS)) és viszkoziméter detektorokat tartalmazott.
Teszteredmények
Két kísérletet végeztünk. Az első kísérletben három PLGA(50:50) mintát mértünk rotációs reometriával és többdetektoros GPC-vel. A "PLGA (50:50) 2" reprezentatív kromatogramja az 1. ábrán látható.
Az 1. táblázat összefoglalja a három minta eredményeit. A mintákat két példányban mértük. Amint látható, a három minta molekulatömegei között jelentős különbségek voltak, T11 KDa és 69 KDa között. Ezután a Kinexus rotációs reométert használták a "nulla nyírású" olvadék viszkozitásának vizsgálatára, amelyről általában feltételezik, hogy korrelál a minta molekulatömegével.
1. táblázat: Az első kísérletben a PLGA (50:50) minták molekuláris adatainak mérése.
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Mérés | Átlag | % RSD | Átlag | % RSD | Átlag | % 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 |
| Visszanyerés (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Amint a 2. ábrán látható, a viszkozitási görbék jól követik a három minta molekulatömegének alakulását. Az 1. mintának van a legalacsonyabb molekulatömege és a legalacsonyabb viszkozitása. A 2. és 3. minta molekulatömege nagyobb, és ennek megfelelően a viszkozitása is magasabb. Ez a fajta molekulatömeg-trend jellemző, és jól megfelel a várakozásainknak.
Ezt követően a PLA és három különböző kopolimer, a PLGA (65:25), a PLGA (75:25) és a PLGA (50:50) 2 az előző mintasorozatból egy következő vizsgálatot végeztünk. A molekulatömegadatokat a 2. táblázat tartalmazza. Mint látható, a minták molekulatömege 11 KDa és 64 KDa között változik.
Táblázat: A második kísérletben összehasonlított négy PLA- és PLGA-mintára mért molekuláris adatok
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Mérés | Átlag | % RSD | Átlagos | % RSD | Átlag | % RSD | Átlag | % 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 |
| Visszanyerés (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Mivel ezek a minták különböző összetételűek, különböző szerkezetük Mark-Houwink-diagramon összehasonlítható. A Mark-Houwink-diagram az intrinsic viszkozitást mutatja a molekulatömeg függvényében. Ez lehetővé teszi a polimerszerkezetek összehasonlítását különböző molekulatömegek mellett. Leggyakrabban a polimerek elágazódásának tanulmányozására használják, de a különböző összetételű lineáris molekulák közötti különbségeket is jelzi, mint a PLA és PLGA kopolimerek esetében. A 3. ábra a négy mintára vonatkozó Mark-Houwink-ábrákat mutatja egymásra helyezve. Az eredmények két példányban vannak feltüntetve.
Mint látható, minden polimernek saját vonala van a Mark-Houwink-diagramon, amely a molekula oldatban lévő konformációját vagy SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségét jelzi. Az ábrán látható, hogy a PLA a minták közül a legnyitottabb/nyújtottabb. A glikolsavtartalom növekedésével a polimerek egyre sűrűbbé válnak az oldatban. Az intrinzik viszkozitás a minta hozzájárulását méri az oldat viszkozitásához, így nem feltétlenül korrelál pontosan az olvadék viszkozitásával, de a Mark-Houwink diagram egyértelmű tendenciát mutat a glikolsavtartalomtól függő konformációban. A négy minta reológiai eredményeit a 4. ábra mutatja.
Amint az adatokból látható, az olvadék viszkozitásának méréseiben egyértelmű tendencia figyelhető meg, de ez nem korrelál a molekulatömeggel. Míg a PLA minta rendelkezik a legalacsonyabb molekulatömeggel és a legalacsonyabb viszkozitással, addig a legnagyobb molekulatömegű minta a PLGA (75:25), amely a második legalacsonyabb viszkozitással rendelkezik. A PLGA (50:50) minta rendelkezik a legnagyobb viszkozitással annak ellenére, hogy csak a második legnagyobb molekulatömeggel rendelkezik.
A tendencia ebben az esetben sokkal inkább függ a glikolsavtartalomtól, a legnagyobb glikolsavtartalmú minta mutatja a legnagyobb viszkozitást, a legkevesebb glikolsavat tartalmazó minta (PLA) pedig a legalacsonyabb viszkozitást.
Az olvadék viszkozitása nyilvánvalóan e két paraméter kombinációjától függ, azonban a glikolsavtartalom és a viszkozitás közötti jól meghatározott összefüggés látszik dominálni az általános kapcsolatot.
Érdemes megjegyezni, hogy a Mark-Houwink-diagramon a legalacsonyabb belső viszkozitású minta rendelkezik a reológiai adatok szerint a legmagasabb olvadékvizkozitással. Ez ellentétes volt a várakozásokkal, de magyarázatot sugall. Mivel a PLGA (50:50) mintában a molekulák tömörebbek és sűrűbben vannak a polimerben, a polimerláncok számára kevesebb szabad térfogat áll rendelkezésre, hogy reptatálódjanak és szerveződjenek. Ez tehát növeli az áramlási ellenállásukat, majd az olvadék viszkozitását.
Következtetések
Az ebben az alkalmazási jegyzetben bemutatott adatok elegánsan megmutatják, hogy a kiegészítő polimerjellemző technológiák alkalmazása hogyan nyújthat kiváló betekintést az olyan polimerek viselkedésébe, mint a PLA és a PLGA. Bár széles körben elfogadott, hogy a polimerek ömlesztett tulajdonságai (például az olvadék viszkozitása) szorosan kapcsolódnak a molekuláris tulajdonságokhoz (például a molekulatömeghez), más tényezők, például a kopolimer összetétele is jelentős tényező lehet.
Ebben a tanulmányban az olvadék viszkozitásának vizsgálatára rotációs reológiát, míg a PLA- és PLGA-minták sorozatának molekuláris tulajdonságainak jellemzésére a Malvern multi-detektoros GPC-t használták. Az azonos összetételű PLGA-minták esetében egyértelmű molekulatömegbeli korrelációt tapasztaltak, de amikor az összetételt is változtatták, erős korrelációt figyeltek meg a glikolsavtartalom esetében. Ilyen jellegű meglátásokat csak az érdeklődésre számot tartó minták teljes körű jellemzésével lehet megfigyelni. Az ilyen mérések elvégzése során lehet teljes mértékben megérteni, hogy a molekuláris tulajdonságok hogyan befolyásolják az ömlesztett teljesítményt.
Az ilyen paraméterek szabályozásával a kutatók és a termékfejlesztők többszörösen ideális tulajdonságokkal rendelkező polimereket fejleszthetnek ki. Például olyan PLGA kopolimert lehet választani egy gyógyszeradagolási alkalmazáshoz, amely jó olvadékviszkozitással rendelkezik a formázáshoz, ugyanakkor rendelkezik a gyógyszer jól szabályozott időzített felszabadulásához szükséges lebomlási sebességgel is. Ezáltal olyan termékek fejleszthetők ki, amelyek jobban szabályozott teljesítményjellemzőkkel, csökkentett hibaaránnyal és magasabb értékkel rendelkeznek.