Introduzione
Il poli(acido lattico) (PLA) è un polimero biodegradabile derivato da risorse naturali come il maisarch, che ha ricevuto una notevole attenzione negli ultimi anni. È uno dei polimeri biodegradabili più diffusi sul mercato grazie alla sua disponibilità, ai bassi costi di produzione e, se ricavato da fonti naturali sostenibili, è un polimero realmente rinnovabile. L'acido lattico è spesso combinato con l'acido glicolico per formare il copolimero poli(acido lattico-coglicolico) (PLGA), che può avere una composizione variabile di acido lattico e glicolico. Essendo un polimero versatile, viene utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni, dalla fabbricazione additiva (stampa 3D) alle posate monouso, alle suture biodegradabili, alla somministrazione di farmaci o come imballaggio biodegradabile.
È ampiamente riconosciuto che le proprietà di massa dei polimeri dipendono fortemente dalle loro proprietà molecolari. Più comunemente, si ritiene che il fattore determinante della resistenza di un polimero sia il suo peso molecolare.
Tuttavia, nei copolimeri come il PLGA, è probabile che anche la composizione del copolimero influisca fortemente su tali proprietà.
Questa nota applicativa utilizza anche le tecnologie Malvern per esplorare la relazione tra le proprietà molecolari e di massa di PLA e PLGA. La reologia rotazionale viene utilizzata 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, mentre il peso molecolare e la viscosità intrinseca vengono misurati con la GPC multidetettore Malvern.
Metodi
Sono stati misurati sei campioni di sostanze disponibili in commercio, tra cui:
- PLA
- PLGA con 75% LA e 25% GA (PLGA(75:25))
- PLGA con 65% LA e 35% GA (PLGA (63:35))
- Tre campioni di PLGA con 50% LA e 50% GA (PLGA (50:50)) con diversi pesi molecolari.
Per la reologia rotazionale, i campioni sono stati caratterizzati utilizzando un reometro rotazionale Kinexus Ultra+. I campioni sono stati misurati a 150°C utilizzando una cartuccia a piastra peltier a cappa attiva con una geometria a piastra parallela di 20 mm. Essendo il PLA biodegradabile, è suscettibile di degradazione e pertanto le misure sono state eseguite con spurgo di azoto per ridurre il rischio di degradazione ossidativa durante l'analisi.
Per la GPC multi-detector Malvern, i campioni sono stati disciolti in THF e separati su due colonne SVB a letto misto Malvern T6000M. La GPC è stata eseguita su un sistema Malvern OMNISEC che comprende rivelatori di indice di rifrazione (RI), di diffusione della luce (diffusione della luce ad angolo retto (RALS) e ad angolo basso (LALS)) e di viscosimetro.
Risultati del test
Sono stati eseguiti due esperimenti. Nel primo esperimento, tre campioni di PLGA (50:50) sono stati misurati mediante reometria rotazionale e GPC multi-detector. La figura 1 mostra un cromatogramma rappresentativo di "PLGA (50:50) 2".
La tabella 1 riassume i risultati dei tre campioni. I campioni sono stati misurati in doppio. Come si può notare, ci sono state differenze significative nei pesi molecolari dei tre campioni, che vanno da T11 KDa a 69 KDa. Il reometro rotazionale Kinexus è stato quindi utilizzato 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 "a taglio zero", che si presume sia tipicamente correlata al peso molecolare di un campione.
Tabella 1: dati molecolari misurati per i campioni di PLGA (50:50) nel primo esperimento
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Misura | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % 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 |
| Recupero (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Come si può vedere nella figura 2, le curve di viscosità hanno un buon andamento con il peso molecolare dei tre campioni. Il campione 1 ha il peso molecolare più basso e la viscosità più bassa. I campioni 2 e 3 hanno pesi molecolari più elevati e, di conseguenza, viscosità più elevate. Questo tipo di andamento del peso molecolare è tipico e corrisponde alle nostre aspettative.
Un successivo studio è stato eseguito sul PLA e su tre diversi copolimeri, PLGA (65:25), PLGA (75:25) e PLGA (50:50) 2 del set di campioni precedente. I dati sui pesi molecolari sono riportati nella tabella 2. Come si può notare, i pesi molecolari dei campioni variano tra 11 KDa e 64 KDa.
Tabella 2: Dati molecolari misurati per i quattro campioni di PLA e PLGA messi a confronto nel secondo esperimento
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Misurazione | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % 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 |
| Recupero (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Poiché questi campioni hanno composizioni diverse, le loro diverse strutture possono essere confrontate su un grafico di Mark-Houwink. Il grafico di Mark-Houwink mostra la viscosità intrinseca in funzione del peso molecolare. Consente di confrontare le strutture dei polimeri a una serie di pesi molecolari. È più comunemente usato per studiare la ramificazione dei polimeri, ma indica anche le differenze tra molecole lineari con composizioni diverse, come nei copolimeri PLA e PLGA. La Figura 3 mostra la sovrapposizione di Mark-Houwink plots per i quattro campioni. I risultati sono mostrati in duplice copia.
Come si può notare, ogni polimero ha una propria linea sul grafico di Mark-Houwink, che rappresenta la conformazione, o densità, della molecola in soluzione. Il grafico mostra che il PLA è il più aperto/esteso dei campioni. All'aumentare del contenuto di acido glicolico, i polimeri diventano sempre più densi in soluzione. La viscosità intrinseca è una misura del contributo di un campione alla viscosità della soluzione, quindi potrebbe non essere correlata esattamente alla 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, ma il grafico di Mark-Houwink mostra una chiara tendenza alla conformazione che dipende dal contenuto di acido glicolico. I risultati della reologia per questi quattro campioni sono riportati nella figura 4.
Come si può notare dai dati, vi è una chiara tendenza nelle misurazioni della 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, ma questa non è correlata al peso molecolare. Mentre il campione di PLA possiede il peso molecolare più basso e ha la viscosità più bassa, il campione con il peso molecolare più alto è il PLGA (75:25) che ha la seconda viscosità più bassa. Il campione di PLGA (50:50) ha la viscosità più alta nonostante abbia solo il secondo peso molecolare più alto.
L'andamento in questo caso sembra dipendere molto di più dal contenuto di acido glicolico, con il campione con il più alto contenuto di acido glicolico che mostra la viscosità più alta e il campione con il minor contenuto di acido glicolico (PLA) che mostra la viscosità più bassa.
Chiaramente, 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 dipenderà da una combinazione di entrambi i parametri, tuttavia la correlazione ben definita tra contenuto di acido glicolico e viscosità sembra dominare la relazione complessiva.
Vale la pena notare che il campione con la viscosità intrinseca più bassa nel grafico di Mark-Houwink ha la viscosità di fusione più alta secondo i dati reologici. Questo dato è contrario alle aspettative, ma suggerisce una spiegazione. Poiché le molecole del campione PLGA (50:50) sono più compatte e dense nel polimero, c'è meno volume libero per le catene polimeriche per reptarsi e organizzarsi. Di conseguenza, aumenta la resistenza al flusso e, di conseguenza, la viscosità di fusione.
Conclusioni
I dati presentati in questa nota applicativa dimostrano elegantemente come l'uso di tecnologie complementari per la caratterizzazione dei polimeri possa offrire eccellenti approfondimenti sul comportamento di polimeri come il PLA e il PLGA. Sebbene sia ampiamente accettato che le proprietà di massa (come la viscosità di fusione) dei polimeri siano fortemente legate alle proprietà molecolari (come il peso molecolare), anche altri fattori, come la composizione del copolimero, possono essere significativi.
In questo studio, la reologia rotazionale è stata utilizzata per studiare la viscosità di fusione, mentre la GPC multi-detector Malvern è stata utilizzata per caratterizzare le proprietà molecolari di una serie di campioni di PLA e PLGA. È stata osservata una chiara correlazione del peso molecolare per i campioni di PLGA della stessa composizione, ma quando la composizione è stata variata, è stata osservata una forte correlazione per il contenuto di acido glicolico. Questo tipo di informazioni può essere osservato solo con una caratterizzazione completa dei campioni di interesse. Effettuando tali misurazioni, è possibile comprendere appieno come le proprietà molecolari influenzino le prestazioni di massa.
Controllando tali parametri, i ricercatori diarce gli sviluppatori di prodotti possono sviluppare polimeri con molteplici proprietà ideali. Ad esempio, per un'applicazione di drug delivery si potrebbe scegliere un copolimero PLGA che abbia una buona viscosità di fusione per lo stampaggio, ma che abbia anche i tassi di degradazione richiesti per un rilascio temporizzato e ben controllato del farmaco. In questo modo, si possono sviluppare prodotti con caratteristiche di prestazione meglio controllate, tassi di fallimento ridotti e un valore più elevato.