Pendahuluan
Poli (asam laktat) (PLA) adalah polimer biodegradable yang berasal dari sumber daya alam seperti pati jagung, yang telah mendapat perhatian signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Ini adalah salah satu polimer biodegradable yang paling umum di pasar karena ketersediaan, biaya produksi yang rendah dan ketika berasal dari sumber daya alam yang berkelanjutan, ini adalah polimer yang benar-benar terbarukan. Asam laktat sering dikombinasikan dengan asam glikolat untuk membentuk poli (asam laktat-koglikolat) kopolimer (PLGA), yang dapat memiliki komposisi asam laktat dan glikolat yang bervariasi. Sebagai polimer serbaguna, polimer ini digunakan dalam berbagai macam aplikasi mulai dari pembuatan aditif (pencetakan 3D) hingga alat makan sekali pakai, jahitan yang dapat terurai secara hayati, pengantaran obat, atau sebagai kemasan yang dapat terurai secara hayati.
Telah diakui secara luas bahwa sifat-sifat curah polimer sangat bergantung pada sifat-sifat molekulernya. Umumnya, penentu terkuat dari kekuatan polimer diasumsikan sebagai berat molekulnya.
Namun, dalam kopolimer seperti PLGA, kemungkinan besar komposisi kopolimer juga akan sangat mempengaruhi sifat-sifat tersebut.
Catatan aplikasi ini juga menggunakan teknologi Malvern untuk mengeksplorasi hubungan antara sifat molekuler dan bulk PLA dan PLGA. Reologi rotasi digunakan untuk mempelajari viskositas leleh, sedangkan berat molekul dan viskositas intrinsik diukur menggunakan GPC multidetektor Malvern.
Metode
Enam sampel zat yang tersedia secara komersial diukur termasuk:
- PLA
- PLGA dengan 75% LA dan 25% GA (PLGA (75:25))
- PLGA dengan 65% LA dan 35% GA (PLGA (63:35))
- Tiga sampel PLGA dengan 50% LA dan 50% GA (PLGA (50:50)) dengan berat molekul yang berbeda.
Untuk reologi rotasi, sampel dikarakterisasi menggunakan reometer rotasi Kinexus Ultra+. Sampel diukur pada suhu 150°C menggunakan kartrid pelat peltier tudung aktif dengan geometri pelat paralel 20 mm. Karena sifat PLA yang dapat terurai secara hayati, PLA rentan terhadap degradasi dan oleh karena itu, pengukuran dilakukan sambil dibersihkan dengan nitrogen untuk mengurangi risiko degradasi oksidatif selama analisis.
Untuk GPC multi-detektor Malvern, sampel dilarutkan dalam THF dan dipisahkan pada dua kolom SVB mixed-bed Malvern T6000M. GPC dijalankan pada sistem OMNISEC Malvern termasuk indeks bias (RI), hamburan cahaya (hamburan cahaya sudut kanan (RALS) dan hamburan cahaya sudut rendah (LALS)), dan detektor viskometer.
Hasil Tes
Ada dua percobaan yang dilakukan. Pada percobaan pertama, tiga sampel PLGA (50:50) diukur dengan reometri rotasi dan GPC multi-detektor. Kromatogram representatif dari 'PLGA (50:50) 2' ditunjukkan pada gambar 1.
Tabel 1 merangkum hasil dari ketiga sampel. Sampel diukur dalam rangkap dua. Seperti yang dapat dilihat, terdapat perbedaan yang signifikan pada berat molekul ketiga sampel, mulai dari T11 KDa hingga 69 KDa. Rheometer rotasi Kinexus kemudian digunakan untuk mempelajari viskositas lelehan 'geser-nol', yang biasanya diasumsikan berkorelasi dengan berat molekul sampel.
Tabel 1: Data molekuler yang diukur untuk sampel PLGA (50:50) pada percobaan pertama
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Pengukuran | Rata-rata | % RSD | Rata-rata | % RSD | Rata-rata | % 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 |
| Pemulihan (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Seperti yang dapat dilihat pada gambar 2, kurva viskositas memiliki tren yang baik dengan berat molekul ketiga sampel. Sampel 1 memiliki berat molekul terendah dan viskositas terendah. Sampel 2 dan 3 memiliki berat molekul yang lebih tinggi dan viskositas yang lebih tinggi pula. Tren berat molekul seperti ini adalah tipikal dan sesuai dengan harapan kami.
Studi selanjutnya kemudian dilakukan pada PLA dan tiga kopolimer yang berbeda, PLGA (65:25), PLGA (75:25) dan PLGA (50:50) 2 dari kumpulan sampel sebelumnya. Data berat molekul ditunjukkan pada tabel 2. Seperti yang dapat dilihat, berat molekul untuk sampel bervariasi antara 11 KDa dan 64 KDa.
Tabel 2: Data molekuler terukur untuk empat sampel PLA dan PLGA yang dibandingkan dalam percobaan kedua
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Pengukuran | Rata-rata | % RSD | Rata-rata | % RSD | Rata-rata | % RSD | Rata-rata | % 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 |
| Pemulihan (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Karena sampel-sampel ini memiliki komposisi yang berbeda, maka struktur yang berbeda dapat dibandingkan pada plot Mark-Houwink. Plot Mark-Houwink menunjukkan viskositas intrinsik sebagai fungsi berat molekul. Hal ini memungkinkan untuk membandingkan struktur polimer pada berbagai berat molekul. Hal ini paling sering digunakan untuk mempelajari percabangan polimer tetapi juga menunjukkan perbedaan antara molekul linier dengan komposisi yang berbeda, seperti pada kopolimer PLA dan PLGA. Gambar 3 menunjukkan plot Mark-Houwink yang dilapiskan untuk keempat sampel. Hasil ditampilkan dalam rangkap dua.
Seperti yang dapat dilihat, setiap polimer memiliki garisnya sendiri pada plot Mark-Houwink, yang mewakili konformasi molekul, atau kerapatan, dalam larutan. Plot di sini menunjukkan bahwa PLA adalah yang paling terbuka/terpanjang dari sampel. Ketika kandungan asam glikolat meningkat, polimer menjadi semakin padat dalam larutan. Viskositas intrinsik adalah ukuran kontribusi sampel terhadap viskositas larutan sehingga mungkin tidak berkorelasi persis dengan viskositas leleh, tetapi plot Mark-Houwink menunjukkan tren yang jelas dalam konformasi yang bergantung pada kandungan asam glikolat. Hasil reologi untuk keempat sampel ini ditunjukkan pada gambar 4.
Seperti yang dapat dilihat pada data, ada tren yang jelas dalam pengukuran viskositas leleh tetapi hal ini tidak berkorelasi dengan berat molekul. Sementara sampel PLA memiliki berat molekul terendah dan memiliki viskositas terendah, sampel dengan berat molekul tertinggi adalah PLGA (75:25) yang memiliki viskositas terendah kedua. Sampel PLGA (50:50) memiliki viskositas tertinggi meskipun hanya memiliki berat molekul tertinggi kedua.
Tren dalam kasus ini tampaknya jauh lebih bergantung pada kandungan asam glikolat, dengan sampel yang memiliki kandungan asam glikolat tertinggi menunjukkan viskositas tertinggi dan sampel dengan asam glikolat paling sedikit (PLA) menunjukkan viskositas terendah.
Jelas, viskositas lelehan akan bergantung pada kombinasi kedua parameter ini, namun, korelasi yang terdefinisi dengan baik antara kandungan asam glikolat dan viskositas tampaknya mendominasi hubungan keseluruhan.
Perlu dicatat bahwa sampel dengan viskositas intrinsik terendah pada plot Mark-Houwink memiliki viskositas leleh tertinggi berdasarkan data reologi. Hal ini bertentangan dengan ekspektasi, namun dapat memberikan penjelasan. Karena molekul dalam sampel PLGA (50:50) lebih kompak dan padat di dalam polimer, maka volume bebas bagi rantai polimer untuk mengulang dan mengatur dirinya sendiri menjadi lebih sedikit. Oleh karena itu, hal ini meningkatkan ketahanannya terhadap aliran dan kemudian viskositas lelehnya.
Kesimpulan
Data yang disajikan dalam catatan aplikasi ini secara elegan menunjukkan bagaimana penggunaan teknologi karakterisasi polimer pelengkap dapat menawarkan wawasan yang sangat baik tentang perilaku polimer seperti PLA dan PLGA. Meskipun secara luas diterima bahwa sifat-sifat bulk (seperti viskositas leleh) polimer sangat terkait dengan sifat-sifat molekuler (seperti berat molekul), faktor-faktor lain, seperti komposisi kopolimer juga dapat menjadi faktor yang signifikan.
Dalam penelitian ini, reologi rotasi digunakan untuk mempelajari viskositas leleh sementara GPC multi-detektor Malvern digunakan untuk mengkarakterisasi sifat molekuler dari serangkaian sampel PLA dan PLGA. Korelasi berat molekul yang jelas terlihat untuk sampel PLGA dengan komposisi yang sama tetapi ketika komposisi juga bervariasi, korelasi yang kuat diamati untuk kandungan asam glikolat. Wawasan semacam ini hanya dapat diamati dengan karakterisasi penuh dari sampel yang diminati. Dengan melakukan pengukuran tersebut, dimungkinkan untuk memahami sepenuhnya bagaimana sifat molekuler mempengaruhi kinerja massal.
Dengan mengontrol parameter tersebut, peneliti dan pengembang produk dapat mengembangkan polimer dengan berbagai sifat ideal. Sebagai contoh, kopolimer PLGA dapat dipilih untuk aplikasi pengiriman obat yang memiliki viskositas leleh yang baik untuk pencetakan tetapi juga memiliki tingkat degradasi yang diperlukan untuk pelepasan obat yang terkontrol dengan baik. Dengan demikian, produk dapat dikembangkan yang memiliki karakteristik kinerja terkontrol yang lebih baik, tingkat kegagalan yang lebih rendah, dan nilai yang lebih tinggi.