Mengukur perubahan terkait degradasi dalam berat molekul dan reologi selama pemrosesan polikaprolakton
Pendahuluan
Polycaprolactone (PCL) adalah polimer sintetis yang baru-baru ini mendapat perhatian lebih berkat kemampuannya untuk terurai secara alami. Penggunaannya yang paling umum adalah dalam pembuatan poliuretan atau sebagai pemlastis untuk polimer lain seperti PVC. Polimer ini juga sering digunakan dalam pencetakan dan pembuatan prototipe berkat suhu lelehnya yang rendah dan digunakan sebagai bahan baku dalam beberapa sistem manufaktur aditif (pencetakan 3D). Akhirnya, ini juga digunakan dalam beberapa aplikasi pengiriman obat sebagai mekanisme pelepasan kontrol, dengan cara yang sama seperti asam polilaktat (PLA) atau asam polylacticco-glikolat (PLGA). Keuntungan potensial dibandingkan PLA dan PLGA adalah bahwa PCL memiliki tingkat degradasi yang lebih lambat dan oleh karena itu memungkinkan pelepasan obat yang lebih lambat.
Seperti halnya semua polimer, sifat molekul PCL (misalnya, berat molekul) akan sangat memengaruhi sifat curahnya seperti kekuatan, ketangguhan, dan aliran leleh. Karena dapat terurai secara hayati, PCL berisiko tinggi mengalami degradasi selama proses seperti ekstrusi untuk pencetakan, terutama pada suhu tinggi. Beberapa mekanisme telah dijelaskan dalam literatur untuk mengurangi risiko ini. Misalnya, ekstrusi dengan adanya karbon dioksida (CO2) dapat mengurangi viskositas aliran leleh PCL dengan bertindak sebagai 'pelumas molekuler'. Mengurangi viskositas polimer mengurangi suhu di mana ekstrusi dapat dilakukan dan dengan demikian dapat melindungi polimer dari degradasi selama proses [1].
Dalam catatan aplikasi ini, sampel PCL yang tersedia secara komersial diekstrusi sendiri dan dengan adanyaCO2. Reometri rotasi digunakan untuk mempelajari viskositas leleh polimer, sedangkan pengukuran Malvern GPC dilakukan terhadap sampel perawan sebelum dan sesudah ekstrusi.
Metode
Sampel PCL diekstrusi menggunakan ekstruder atas bangku Rondol pada kecepatan sekrup 30 rpm melalui cetakan celah 1 mm baik dengan adanya (150 ° C) maupun tidak adanya (160 ° C)CO2 [1].
Viskositas lelehan sampel juga diukur pada rotational rheometer Kinexus Ultra+ menggunakan kartrid pelat peltier tudung aktif pada suhu 150 °C dan pelat paralel dengan diameter 20 mm dan celah pengukuran 1 mm. Sapuan frekuensi dilakukan untuk menentukan viskositas kompleks sampel. Pengukuran dilakukan di bawah pembersihan nitrogen untuk mengurangi risiko terjadinya degradasi oksidatif.
Ketiga sampel diukur dengan GPC multi-detektor pada sistem Malvern OMNISEC termasuk indeks bias (RI), UV-Vis, hamburan cahaya (hamburan cahaya sudut kanan (RALS) dan hamburan cahaya sudut rendah (LALS)), dan detektor viskometer (IV). Sampel dilarutkan hingga konsentrasi sekitar 3 mg/ml dan dipisahkan di atas dua kolom SVB mixed bed Malvern T6000M.
Hasil Tes
Gambar 1 menunjukkan kromatogram sampel PCL murni. Seperti yang dapat dilihat, sampel terselesaikan dengan baik dan signal-to-noise yang baik di semua detektor. Kromatogram telah dilapiskan dengan pengukuran berat molekul dan viskositas intrinsik.
Gambar 2 menunjukkan overlay detektor RI, RALS dan viskometer untuk sampel perawan, diekstrusi dan diekstrusi denganCO2. Kromatogram menunjukkan pengukuran rangkap tiga dari setiap sampel yang dilapiskan. Small perbedaan terlihat pada detektor yang berbeda. Meskipun perbedaannya terlihat small, pengulangan pengukuran sangat baik.
Tabel 1 menunjukkan hasil numerik yang dihitung untuk sampel-sampel ini. PCL murni memiliki berat molekul terukur rata-rata 114,6 KDa. Setelah ekstrusi, ini turun menjadi 103,8 KDa; namun, ketikaCO2 disuntikkan langsung ke dalam laras ekstruder, ini memungkinkan ekstrusi berlangsung pada suhu 10 ° C lebih rendah. Efek bersih dari penggunaanCO2 dan suhu ekstrusi yang lebih rendah adalah untuk mengurangi degradasi polimer sekitar 40% dan mempertahankan berat molekul pada 108,1 KDa. Tren yang serupa, meskipun kurang terdefinisi dengan baik, diamati pada parameter terukur lainnya seperti viskositas intrinsik dan jari-jari hidrodinamik untuk sampel.
Sampel kemudian diukur pada rheometer rotasi untuk melihat bagaimana sifat curahnya (viskositas lelehan) dipengaruhi oleh perubahan molekuler ini. Viskositas leleh biasanya sangat bergantung pada berat molekul sampel. Tren yang sama juga terlihat pada data reologi rotasi.
Tabel 1: Hasil pengukuran untuk tiga sampel PLC dengan menggunakan multi-detektor SEC
PLC perawan | PLC diekstrusi | PLC yang diekstrusi +CO2 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
Pengukuran | Rata-rata | % RSD | Rata-rata | % RSD | Rata-rata | % RSD |
| RV (mL) | 16.84 | 0.01142 | 16.9 | 0.08211 | 16.87 | 0.04973 |
| Mn (g/mol) | 73,660 | 0.7468 | 66,380 | 1.656 | 69,420 | 0.5563 |
| Mw (g/mol) | 114,600 | 0.1184 | 103,800 | 0.1682 | 103,11 | 0.1908 |
| Mw/Mn | 1.556 | 0.6447 | 1.564 | 1.656 | 1.557 | 0.4961 |
| IVw (dL/g) | 1.244 | 0.1226 | 1.183 | 0.01061 | 1.186 | 0.5057 |
| Rh(ŋ) w (nm) | 12.7 | 0.06067 | 12.6 | 0.0539 | 12.24 | 0.2383 |
| M-H a | 0.6797 | 1.494 | 0.6806 | 2.391 | 0.694 | 1.775 |
| M-H log K (dL/g) | -3.327 | -1.552 | -3.323 | -2.454 | -3.402 | -1.871 |
| Pemulihan (%) | 98.44 | 0.03634 | 94.54 | 0.08072 | 97.3 | 0.2655 |
Seperti yang dapat dilihat pada gambar 3, PCL murni memiliki viskositas leleh tertinggi. Sampel yang diekstrusi tanpa adanyaCO2 memiliki viskositas leleh yang lebih rendah. Hal ini sebagian dimitigasi dengan mengekstrusi sampel dengan adanyaCO2 pada suhu ekstrusi yang lebih rendah.
Terakhir, data GPC multi-detektor dipelajari untuk melihat apakah ada perubahan dalam struktur PCL sebagai akibat dari ekstrusi. Plot Mark-Houwink menunjukkan viskositas intrinsik sebagai fungsi berat molekul dan karenanya dapat digunakan untuk menilai perubahan dalam struktur dan konformasi molekul. Hal ini paling umum digunakan dalam studi percabangan polimer.
Pada pandangan pertama pada plot Mark-Houwink untuk sampel PCL, tampak bahwa sampel tersebut bertumpukan dengan baik dan tidak ada perubahan dalam struktur polimer. small Namun, setelah diperiksa lebih dekat, tampak bahwa sampel yang diekstrusi tanpa adanyaCO2 (yaitu yang paling terdegradasi) juga mengalami perubahan struktur. Gambar 4 menunjukkan hamparan pengukuran rangkap tiga yang menunjukkan pengulangan yang sangat small tetapi perbedaannya sangat jelas.
Perubahan ini bisa jadi disebabkan oleh degradasi percabangan sampel, namun, sampel ini diyakini linier. Hal ini juga berpotensi terkait dengan small perbedaan yang disebabkan oleh beberapa hidrasi polimer yang tidak dikeringkan sebelum percobaan. Namun demikian, temuan ini memberikan jalan yang menarik untuk penyelidikan potensial lebih lanjut.
Kesimpulan
Hasil yang ditunjukkan dalam catatan aplikasi ini menunjukkan bagaimana kondisi pemrosesan dapat memengaruhi sifat dasar dan sifat massal polimer seperti PCL. Di sini, berat molekul dan viskositas leleh sampel PCL terlihat turun ketika sampel diekstrusi tanpa adanyaCO2 pada suhu 150°C. Namun, efek dari hal ini sebagian dimitigasi dengan dimasukkannyaCO2 selama proses ekstrusi. Dengan berinteraksi dengan beberapa molekul di dalam sampel,CO2 secara efektif bertindak sebagai 'pelumas molekuler' untuk mengurangi viskositas sampel. Dengan demikian, ini berarti PCL dapat diekstrusi pada suhu yang lebih rendah, dan ini, pada gilirannya, melindungi polimer dari beberapa degradasi yang diamati.
Perbedaan ini berhasil diamati pada tingkat molekuler dengan menggunakan GPC multi-detektor, dan pada tingkat massal dengan menggunakan reometri rotasi. Dengan cara ini, kedua teknologi tersebut dapat digunakan untuk mengkorelasikan perubahan pada tingkat molekuler dengan perubahan yang diamati pada produk akhir.
Viskositas lelehan yang berkurang yang berasal dari berat molekul yang lebih rendah kemungkinan besar akan memengaruhi cetakan yang diproduksi dengan sampel ini. Hal ini juga cenderung memengaruhi Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas dan sifat mekanik, dan selanjutnya, dalam kasus aplikasi pengiriman obat, akan memengaruhi waktu pelepasan obat. Oleh karena itu, produk apa pun yang dibuat darinya cenderung memiliki toleransi kinerja yang lebih luas dan variasi yang lebih besar. Di sisi lain, dengan mengekstrusi denganCO2, efek ini dimitigasi dan menggunakan prosedur ini kemungkinan besar akan melindungi kinerja produk.
Penggunaan berbagai teknologi untuk mengkarakterisasi polimer memungkinkan pengukuran dan pemahaman yang jelas tentang perubahan mendasar yang terjadi pada polimer selama ekstrusi dan pemrosesan. Dengan memahami dan mengendalikan perubahan ini melalui strategi seperti ekstrusi denganCO2, produsen dapat mempertahankan kualitas produk yang lebih tinggi dan kontrol yang lebih ketat pada kualitas produk, mengurangi kegagalan dan meningkatkan nilai produk.