소개
폴리(젖산)(PLA)는 옥수수 전분과 같은 천연 자원에서 추출한 생분해성 폴리머로, 최근 몇 년간 큰 주목을 받고 있습니다. 가용성과 저렴한 생산 비용으로 인해 시장에서 가장 널리 사용되는 생분해성 폴리머 중 하나이며, 지속 가능한 천연 자원에서 추출할 경우 진정한 재생 가능한 폴리머입니다. 젖산은 종종 글리콜산과 결합하여 공중합체 폴리(젖산-코글리콜산)(PLGA)를 형성하며, 젖산과 글리콜산의 구성이 다양할 수 있습니다. 다용도 폴리머인 이 소재는 적층 제조(3D 프린팅)부터 일회용 식기, 생분해성 봉합사, 약물 전달 또는 생분해성 포장재에 이르기까지 다양한 용도로 사용됩니다.
폴리머의 벌크 특성은 분자 특성에 크게 좌우된다는 사실은 널리 알려져 있습니다. 일반적으로 폴리머의 강도를 결정하는 가장 강력한 요인은 분자량으로 간주됩니다.
그러나 PLGA와 같은 공중합체의 경우 공중합체 구성도 이러한 특성에 큰 영향을 미칠 가능성이 높습니다.
이 애플리케이션 노트에서는 Malvern 기술을 사용하여 PLA와 PLGA의 분자 및 벌크 특성 간의 관계를 살펴봅니다. 회전 유변학은 용융 점도를 연구하는 데 사용되며, 분자량과 고유 점도는 Malvern 다중 검출기 GPC를 사용하여 측정합니다.
방법
시중에서 판매되는 6가지 물질 샘플을 측정했습니다:
- PLA
- 75% LA와 25% GA가 함유된 PLGA(PLGA(75:25))
- LA 65%, GA 35%의 PLGA(PLGA (63:35))
- 분자량이 다른 50% LA 및 50% GA (PLGA (50:50))의 세 가지 샘플.
회전 유변학의 경우, 키넥서스 울트라+ 회전 레오미터를 사용하여 샘플을 특성화했습니다. 샘플은 평행 플레이트 20mm 형상의 액티브 후드 펠티에 플레이트 카트리지를 사용하여 150°C에서 측정했습니다. 생분해성인 PLA의 특성상 분해되기 쉽기 때문에 분석 중 산화적 분해의 위험을 줄이기 위해 질소로 퍼지하면서 측정을 수행했습니다.
Malvern 다중 검출기 GPC의 경우, 샘플을 THF에 용해하고 두 개의 Malvern T6000M 혼합 베드 SVB 컬럼에 걸쳐 분리했습니다. 굴절률(RI), 광 산란(직각 광 산란(RALS) 및 저각 광 산란(LALS)) 및 점도계 검출기를 포함한 Malvern OMNISEC 시스템에서 GPC를 실행했습니다.
테스트 결과
두 가지 실험이 수행되었습니다. 첫 번째 실험에서는 회전 레오메트리와 다중 검출기 GPC를 사용하여 3개의 PLGA(50:50) 샘플을 측정했습니다. 'PLGA (50:50) 2'의 대표적인 크로마토그램은 그림 1에 나와 있습니다.
표 1은 세 샘플의 결과를 요약한 것입니다. 샘플은 중복 측정되었습니다. 보시다시피, 세 샘플의 분자량은 T11 KDa에서 69 KDa까지 상당한 차이가 있었습니다. 그런 다음 키넥서스 회전 레오미터를 사용하여 일반적으로 시료의 분자량과 상관관계가 있다고 가정되는 '제로 전단' 용융 점도를 연구했습니다.
표 1: 첫 번째 실험에서 PLGA(50:50) 샘플의 측정된 분자 데이터
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| 측정값 | 평균 | % RSD | 평균 | % RSD | 평균 | 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 로그 K(dL/g) | -3.507 | -6.258 | -2.975 | -12.36 | -3.012 | -0.4615 |
| 복구율(%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
그림 2에서 볼 수 있듯이 점도 곡선은 세 샘플의 분자량에 따라 잘 추세를 보입니다. 샘플 1은 분자량이 가장 낮고 점도가 가장 낮습니다. 샘플 2와 3은 분자량이 더 높고 그에 따라 점도도 더 높습니다. 이러한 종류의 분자량 추세는 일반적이며 우리의 예상과 잘 부합합니다.
그런 다음 이전 샘플 세트의 PLA와 세 가지 다른 공중합체, PLGA(65:25), PLGA(75:25) 및 PLGA(50:50) 2에 대해 후속 연구를 수행했습니다. 분자량 데이터는 표 2에 나와 있습니다. 표에서 볼 수 있듯이 샘플의 분자량은 11KDa에서 64KDa까지 다양합니다.
표 2: 두 번째 실험에서 비교한 4개의 PLA 및 PLGA 샘플에 대한 측정된 분자 데이터
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| 측정 | 평균 | % RSD | 평균 | % RSD | 평균 | rSD | 평균 | 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 로그 K(dL/g) | -3.344 | -1.504 | -2.975 | -12.36 | -3.534 | -9.343 | -3.39 | -0.162 |
| 복구율(%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
이러한 샘플의 구성이 서로 다르기 때문에 마크-호윙크 플롯에서 서로 다른 구조를 비교할 수 있습니다. 마크-호윙크 플롯은 분자량의 함수로서 고유 점도를 보여줍니다. 이를 통해 다양한 분자량 범위에서 폴리머 구조를 비교할 수 있습니다. 폴리머 분기를 연구하는 데 가장 일반적으로 사용되지만 PLA와 PLGA 공중합체에서와 같이 조성이 다른 선형 분자 간의 차이도 나타냅니다. 그림 3은 네 가지 샘플에 대한 중첩된 마크-후윙크 플롯을 보여줍니다. 결과는 중복으로 표시됩니다.
보시다시피, 각 폴리머는 용액에서 분자의 형태 또는 밀도를 나타내는 마크-후윙크 플롯에 고유한 선을 가지고 있습니다. 이 플롯은 PLA가 샘플 중 가장 개방/확장되어 있음을 보여줍니다. 글리콜산 함량이 증가함에 따라 폴리머는 용액에서 점점 더 조밀하게 밀집됩니다. 고유 점도는 용액 점도에 대한 시료의 기여도를 측정한 것이므로 용융 점도와 정확히 상관관계가 없을 수 있지만, 마크-호윙크 플롯은 글리콜산 함량에 따라 형태가 달라지는 명확한 경향을 보여줍니다. 이 네 가지 샘플에 대한 유변학 결과는 그림 4에 나와 있습니다.
데이터에서 볼 수 있듯이 용융 점도 측정에는 명확한 추세가 있지만 분자량과는 상관관계가 없습니다. PLA 샘플은 분자량이 가장 낮고 점도가 가장 낮은 반면, 분자량이 가장 높은 샘플은 PLGA(75:25)로 두 번째로 점도가 낮습니다. PLGA(50:50) 샘플은 분자량이 두 번째로 높지만 점도가 가장 높습니다.
이 경우의 경향은 글리콜산 함량에 훨씬 더 의존하는 것으로 보이며, 글리콜산 함량이 가장 높은 시료가 가장 높은 점도를 나타내고 글리콜산이 가장 적은 시료(PLA)가 가장 낮은 점도를 나타냅니다.
용융 점도는 이 두 파라미터의 조합에 따라 달라지지만, 글리콜산 함량과 점도 사이의 잘 정의된 상관관계가 전체 관계를 지배하는 것으로 보입니다.
마크-호윙크 플롯에서 고유 점도가 가장 낮은 샘플이 유변학 데이터에 따라 용융 점도가 가장 높다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이는 예상과는 상반된 결과이지만 설명이 가능합니다. PLGA(50:50) 샘플의 분자가 폴리머에 더 조밀하게 밀집되어 있기 때문에 폴리머 사슬이 스스로 리셉터링하고 조직화할 수 있는 자유 부피가 적습니다. 따라서 흐름에 대한 저항과 용융 점도가 증가합니다.
결론
이 애플리케이션 노트에 제시된 데이터는 상호 보완적인 폴리머 특성화 기술을 사용하면 PLA 및 PLGA와 같은 폴리머의 거동에 대한 탁월한 통찰력을 제공할 수 있는 방법을 우아하게 보여줍니다. 폴리머의 부피 특성(용융 점도 등)은 분자 특성(분자량 등)과 밀접한 관련이 있다는 것이 널리 알려져 있지만, 공중합체 구성과 같은 다른 요인도 중요한 요인이 될 수 있습니다.
이 연구에서는 회전 유변학을 사용하여 용융 점도를 연구하고 Malvern 다중 검출기 GPC를 사용하여 일련의 PLA 및 PLGA 샘플의 분자 특성을 특성화했습니다. 동일한 구성의 PLGA 샘플에서는 명확한 분자량 상관관계가 나타났지만, 구성이 다양해지면 글리콜산 함량과도 강한 상관관계가 관찰되었습니다. 이러한 종류의 인사이트는 관심 있는 샘플의 전체 특성 분석을 통해서만 관찰할 수 있습니다. 이러한 측정을 수행하면 분자 특성이 벌크 성능에 어떤 영향을 미치는지 완전히 이해할 수 있습니다.
이러한 파라미터를 제어함으로써 연구자와 제품 개발자는 여러 가지 이상적인 특성을 가진 폴리머를 개발할 수 있습니다. 예를 들어, 성형에 적합한 용융 점도를 가지면서도 약물의 시간 경과에 따른 방출을 잘 제어하는 데 필요한 분해율을 가진 PLGA 공중 합체를 약물 전달 용도로 선택할 수 있습니다. 이를 통해 성능 특성을 더 잘 제어하고 고장률을 줄이며 더 높은 가치를 지닌 제품을 개발할 수 있습니다.