Misurazione delle variazioni del peso molecolare e della reologia legate alla degradazione durante la lavorazione del policaprolattone
Introduzione
Il policaprolattone (PCL) è un polimero sintetico che recentemente ha ricevuto una crescente attenzione grazie alla sua biodegradabilità. Il suo impiego più comune è nella produzione di poliuretani o come plastificante per altri polimeri come il PVC. Viene inoltre spesso utilizzato per lo stampaggio e la prototipazione grazie alla sua bassaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione ed è usato come materia prima in alcuni sistemi di produzione additiva (stampa 3D). Infine, viene utilizzato anche in alcune applicazioni per la somministrazione di farmaci come meccanismo di controllo del rilascio, allo stesso modo dell'acido polilattico (PLA) o dell'acido polilattico-co-glicolico (PLGA). Un potenziale vantaggio rispetto al PLA e al PLGA è che il PCL ha un tasso di degradazione più lento e quindi può consentire un rilascio più lento del farmaco.
Come per tutti i polimeri, le proprietà molecolari del PCL (ad esempio, il peso molecolare) influiscono fortemente sulle sue proprietà di massa, come la resistenza, la tenacità e la fluidità. Essendo biodegradabile, il PCL è ad alto rischio di degradazione durante processi come l'estrusione per lo stampaggio, in particolare ad alte temperature. In letteratura sono stati descritti alcuni meccanismi per ridurre questo rischio. Ad esempio, l'estrusione in presenza di anidride carbonica (CO2) può ridurre la viscosità del flusso diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione del PCL agendo come "lubrificante molecolare". La diminuzione della viscosità del polimero riduce la temperatura a cui può essere eseguita l'estrusione e potrebbe quindi proteggere il polimero dalla degradazione durante il processo [1].
In questa nota applicativa, un campione di PCL disponibile in commercio è stato estruso da solo e in presenza diCO2. Per studiare la viscosità diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione del polimero è stata utilizzata la reometria rotazionale, mentre sul campione vergine sono state effettuate misure GPC Malvern prima e dopo l'estrusione.
Metodi
Il campione di PCL è stato estruso con un estrusore da banco Rondol a una velocità della vite di 30 rpm attraverso una matrice con fessura da 1 mm sia in presenza (150 °C) che in assenza (160 °C) diCO2 [1].
Le viscosità diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione dei campioni sono state misurate anche su un reometro rotazionale Kinexus Ultra+ utilizzando una cartuccia di piastre peltier a cappa attiva a 150°C e piastre parallele con un diametro di 20 mm e una distanza di misurazione di 1 mm. Per determinare la viscosità complessa del campione è stato eseguito un frequency sweep. La misura è stata condotta sotto spurgo di azoto per ridurre il rischio di degradazione ossidativa.
I tre campioni sono stati misurati mediante GPC multi-detector su un sistema Malvern OMNISEC che comprende rivelatori di indice di rifrazione (RI), UV-Vis, light scattering (right-angle light scattering (RALS) e low-angle light scattering (LALS)) e viscosimetro (IV). I campioni sono stati disciolti a concentrazioni di circa 3 mg/ml e separati su due colonne SVB a letto misto Malvern T6000M.
Risultati del test
La Figura 1 mostra un cromatogramma del campione di PCL vergine. Come si può notare, il campione è ben risolto e il rapporto segnale/rumore è buono in tutti i rivelatori. Il cromatogramma è stato sovrapposto al peso molecolare e alla viscosità intrinseca misurati.
La Figura 2 mostra la sovrapposizione dei rivelatori RI, RALS e del viscosimetro per i campioni vergini, estrusi ed estrusi conCO2. I cromatogrammi mostrano le misure in triplo di ciascun campione sovrapposte. Small differenze sono visibili sui diversi rivelatori. Sebbene le differenze appaiano small, la ripetibilità delle misure è eccellente.
La Tabella 1 mostra i risultati numerici calcolati per questi campioni. Il PCL vergine ha un peso molecolare medio misurato di 114,6 KDa. Dopo l'estrusione, questo peso è sceso a 103,8 KDa; tuttavia, quando laCO2 è stata iniettata direttamente nella canna dell'estrusore, ha permesso che l'estrusione avvenisse a una temperatura inferiore di 10°C. L'effetto netto dell'uso dellaCO2 e della temperatura di estrusione più bassa è stato quello di mitigare la degradazione del polimero di circa il 40% e di mantenere il peso molecolare a 108,1 KDa. Una tendenza simile, anche se meno ben definita, è stata osservata in altri parametri misurati, come la viscosità intrinseca e il raggio idrodinamico dei campioni.
I campioni sono stati poi misurati su un reometro rotazionale per vedere come le loro proprietà di massa (viscosità diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione) fossero influenzate da questi cambiamenti molecolari. La viscosità diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione è tipicamente fortemente dipendente dal peso molecolare di un campione. La stessa tendenza sembra essere presente nei dati della reologia rotazionale.
Tabella 1: Risultati misurati per i tre campioni di PLC mediante la SEC multi-detector
PLC vergine | PLC estruso | PLC estruso +CO2 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
Misura | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % 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 |
| Recupero (%) | 98.44 | 0.03634 | 94.54 | 0.08072 | 97.3 | 0.2655 |
Come si può vedere nella figura 3, il PCL vergine presenta la viscosità di fusione più elevata. Il campione estruso in assenza diCO2 ha una viscosità di fusione inferiore. Questo fenomeno è parzialmente mitigato dall'estrusione del campione in presenza diCO2 a una temperatura di estrusione inferiore.
Infine, i dati GPC multi-detector sono stati studiati per verificare se vi fossero cambiamenti nella struttura del PCL in seguito all'estrusione. Il grafico di Mark-Houwink mostra la viscosità intrinseca in funzione del peso molecolare e può quindi essere utilizzato per valutare i cambiamenti nella struttura e nella conformazione molecolare. È più comunemente utilizzato nello studio della ramificazione dei polimeri.
A prima vista, il grafico di Mark-Houwink per i campioni di PCL sembra sovrapporsi bene e non ci sono cambiamenti nella struttura del polimero. Tuttavia, a un'analisi più attenta, sembra che il campione estruso in assenza diCO2 (cioè il più degradato) abbia subito un small cambiamento di struttura. La Figura 4 mostra la sovrapposizione di misure in triplo che dimostrano la ripetibilità di questa small ma chiara differenza.
Questo cambiamento potrebbe essere dovuto a una degradazione della ramificazione del campione, che tuttavia è stato ritenuto lineare. Potrebbe anche essere legato a differenze di small causate da una certa idratazione del polimero, che non è stato asciugato prima degli esperimenti. Ciononostante, questo risultato fornisce un'interessante pista per ulteriori potenziali indagini.
Conclusioni
I risultati illustrati in questa nota applicativa dimostrano come le condizioni di lavorazione possano influenzare le proprietà di base e di massa di un polimero come il PCL. In questo caso, si è visto che il peso molecolare e la viscosità di fusione di un campione di PCL diminuivano quando il campione veniva estruso in assenza diCO2 a 150°C. Tuttavia, l'effetto di questo fenomeno è stato parzialmente mitigato dall'inclusione diCO2 durante il processo di estrusione. Interagendo con alcune molecole all'interno del campione, laCO2 agisce effettivamente come un "lubrificante molecolare" per ridurre la viscosità del campione. In questo modo, il PCL può essere estruso a una temperatura inferiore e questo, a sua volta, protegge il polimero da una parte della degradazione osservata.
Questa differenza è stata osservata con successo a livello molecolare utilizzando la GPC multi-detector e a livello di massa utilizzando la reometria rotazionale. In questo modo, entrambe le tecnologie possono essere utilizzate per correlare i cambiamenti a livello molecolare con quelli osservati nel prodotto finale.
La riduzione della viscosità della massa fusa, dovuta a un peso molecolare inferiore, può influire su qualsiasi stampo prodotto con questo campione. Inoltre, è probabile che influisca sulla cristallinità e sulle proprietà meccaniche e quindi, nel caso di applicazioni per la somministrazione di farmaci, sui tempi di rilascio del farmaco. È quindi più probabile che qualsiasi prodotto creato con questo campione abbia tolleranze di prestazione più ampie e una maggiore variazione. D'altra parte, l'estrusione conCO2 ha attenuato questo effetto e l'uso di questa procedura potrebbe proteggere le prestazioni del prodotto.
L'uso di più tecnologie per caratterizzare il polimero consente di misurare e comprendere chiaramente i cambiamenti che si verificano nel polimero durante l'estrusione e la lavorazione. Comprendendo e controllando questi cambiamenti attraverso strategie come l'estrusione conCO2, i produttori possono mantenere una qualità del prodotto più elevata e un controllo più stretto sulla qualità del prodotto, riducendo i fallimenti e aumentando il valore del prodotto.