はじめに
ポリ乳酸（PLA）は、コーンスターチなどの天然資源から得られる生分解性ポリマーで、近年大きな注目を集めている。入手が容易で生産コストが低く、持続可能な天然資源に由来する場合、真に再生可能なポリマーであることから、市場で最も普及している生分解性ポリマーのひとつである。乳酸はしばしばグリコール酸と組み合わされ、乳酸とグリコール酸の組成を変えることができる共重合体ポリ乳酸-コグリコール酸（PLGA）を形成します。汎用性の高いポリマーであるため、積層造形（3Dプリンティング）から使い捨て刃物、生分解性縫合糸、薬物送達、生分解性包装まで、幅広い用途で使用されている。
ポリマーのバルク特性は、その分子特性に強く依存することが広く認識されている。最も一般的には、ポリマーの強度を決定する最も強い要因はその分子量であると考えられている。
しかし、PLGAのようなコポリマーでは、コポリマーの組成もこれらの特性に強く影響すると考えられます。
このアプリケーションノートでは、PLAとPLGAの分子特性とバルク特性の関係を探るために、マルバーンの技術も使用しています。溶融粘度の研究には回転レオロジーを使用し、分子量と固有粘度はマルバーンのマルチ検出器GPCを使用して測定します。
方法
商業的に入手可能な物質を含む6つの試料が測定された：
- PLA
- LA75％、GA25％のPLGA（PLGA(75:25)
- 65%LAと35%GAのPLGA（PLGA(63:35)
- LA50%およびGA50%のPLGA(PLGA(50:50))で、分子量が異なる3種類の試料。
。
回転レオロジーについては、Kinexus Ultra+回転レオメータを使用して試料を特性評価しました。平行平板20mm形状のアクティブフードペルチェプレートカートリッジを用い、試料を150℃で測定した。PLAは生分解性という性質上、劣化の影響を受けやすいため、測定は窒素パージしながら行い、分析中の酸化劣化のリスクを低減しました。
マルバーンのマルチ検出器GPCでは、試料をTHFに溶解し、2本のMalvern T6000MミックスベッドSVBカラムで分離した。GPCは、屈折率（RI）、光散乱（直角光散乱（RALS）および低角光散乱（LALS））、粘度計検出器を含むMalvern OMNISECシステムで実行した。
テスト結果
2つの実験を行った。最初の実験では、PLGA(50:50)の3つの試料を回転レオメーターとマルチ検出器GPCで測定した。PLGA (50:50) 2」の代表的なクロマトグラムを図1に示す。
表1は、3つの試料の結果をまとめたものです。試料は二重測定した。見てわかるように、3つの試料の分子量には大きな違いがあり、T11 KDaから69 KDaの範囲であった。次に、Kinexus回転粘度計を使用して、一般的に試料の分子量と相関があると想定される「ゼロせん断」溶融粘度を調べました。
表1：最初の実験におけるPLGA（50:50）試料の測定分子データ
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| 測定値 | 平均値 | RSD | 平均 | RSD | 平均 | 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(↪Ll_14B)w (nm) | 2.871 | 1.432 | 5.949 | 0.1864 | 7.436 | 0.8545 |
| M-H | 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 |
| 回収率(%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
図2からわかるように、粘度曲線は3つの試料の分子量とよく連動している。試料1は分子量が最も低く、粘度も最も低い。試料2と試料3は分子量が高く、それに応じて粘度も高くなっている。このような分子量の傾向は一般的であり、我々の予想によく合致している。
続いて、PLAと3つの異なる共重合体、PLGA（65:25）、PLGA（75:25）、PLGA（50:50）2について研究を行った。分子量データを表2に示す。見てわかるように、試料の分子量は11KDaから64KDaの間で変化している。
表2：2回目の実験で比較した4種類のPLAとPLGA試料の分子測定データ
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| 測定値 | 平均値 | RSD | 平均 | RSD | 平均 | RSD | 平均 | 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(↪Ll_14B)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 |
| 回収率(%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
これらの試料は組成が異なるため、その構造の違いをMark-Houwinkプロットで比較することができる。Mark-Houwinkプロットは、分子量の関数として固有粘度を示す。Mark-Houwinkプロットでは、分子量の異なるポリマーの構造を比較することができます。ポリマーの分岐を調べるのに最もよく使われるが、PLAとPLGAのコポリマーのように、組成の異なる直鎖分子間の違いを示すこともある。図3は、4つの試料のMark-Houwinkプロットを重ねて示したものである。結果は重複して示されている。
見てわかるように、各ポリマーはMark-Houwinkプロット上に独自の線を持ち、これは溶液中の分子のコンフォメーション、すなわち密度を表している。このプロットは、PLAが試料の中で最も開いていることを示している。グリコール酸含量が増加するにつれて、ポリマーは溶液中でますます密になります。固有粘度は溶液粘度に対する試料の寄与を示す指標であるため、溶融粘度とは正確に相関しないかもしれませんが、Mark-Houwinkプロットはグリコール酸含量に依存するコンフォメーションの明確な傾向を示しています。これら4つの試料のレオロジー結果を図4に示す。
データからわかるように、溶融粘度測定には明確な傾向があるが、これは分子量とは相関しない。PLA試料は分子量が最も低く、粘度も最も低いが、分子量が最も高い試料はPLGA（75：25）で、粘度は2番目に低い。PLGA（50:50）試料は、2番目に高い分子量しか持たないにもかかわらず、粘度が最も高くなっています。
この場合の傾向はグリコール酸含量にはるかに依存しているようで、グリコール酸含量が最も高い試料が最も高い粘度を示し、グリコール酸含量が最も低い試料（PLA）が最も低い粘度を示している。
明らかに、溶融粘度はこれら両方のパラメーターの組み合わせに依存するが、グリコール酸含量と粘度の間の明確な相関関係が全体的な関係を支配しているように見える。
Mark-Houwinkプロットで固有粘度が最も低い試料が、レオロジーデータでは最も高い溶融粘度を示したことは注目に値する。これは予想に反していたが、説明を示唆している。PLGA(50:50)試料の分子はポリマー中でよりコンパクトに密に充填されているため、ポリマー鎖がレプタイトし、それ自身を組織化するための自由体積が少ない。そのため、流動に対する抵抗が大きくなり、結果として溶融粘度が高くなる。
結論
このアプリケーションノートで紹介するデータは、相補的なポリマー特性評価技術を用いることで、PLAやPLGAのようなポリマーの挙動について、いかに優れた洞察が得られるかをエレガントに示している。ポリマーのバルク特性（溶融粘度など）が分子特性（分子量など）と強く関連していることは広く受け入れられていますが、コポリマー組成などの他の要因も重要な要因となり得ます。
本研究では、回転粘度レオロジーを用いて溶融粘度を測定する一方、Malvernマルチ検出器GPCを用いて一連のPLAおよびPLGA試料の分子特性を測定した。同じ組成のPLGA試料では明確な分子量相関が見られたが、組成を変化させるとグリコール酸含量にも強い相関が見られた。このような洞察は、対象となる試料の完全な特性評価によってのみ観察できる。このような測定を行うことで、分子特性がバルク性能にどのように影響するかを完全に理解することができる。
このようなパラメーターをコントロールすることで、研究者や製品開発者は、複数の理想的な特性を持つポリマーを開発することができる。例えば、PLGAコポリマーを薬物送達の用途に選ぶと、成型に適した溶融粘度を持ちながら、薬物の時間制御された放出に必要な分解速度も備えている。そうすることで、より制御された性能特性、故障率の低減、より高い価値を持つ製品を開発することができる。