Inleiding
Poly(melkzuur) (PLA) is een biologisch afbreekbaar polymeer afgeleid van natuurlijke bronnen zoals maïszetmeel, dat de afgelopen jaren veel aandacht heeft gekregen. Het is een van de meest voorkomende biologisch afbreekbare polymeren op de markt vanwege de beschikbaarheid, de lage productiekosten en wanneer het is afgeleid van natuurlijke duurzame bronnen, is het een echt hernieuwbaar polymeer. Melkzuur wordt vaak gecombineerd met glycolzuur om het copolymeer poly(melkzuur-coglycolzuur) (PLGA) te vormen, dat verschillende samenstellingen van melkzuur en glycolzuur kan hebben. Omdat het een veelzijdig polymeer is, wordt het gebruikt in een groot aantal toepassingen, van additieve vervaardiging (3D-printen) tot wegwerpbestek, biologisch afbreekbare hechtingen, toediening van medicijnen of als biologisch afbreekbare verpakking.
Het wordt algemeen erkend dat de bulkeigenschappen van polymeren sterk afhankelijk zijn van hun moleculaire eigenschappen. Meestal wordt aangenomen dat het moleculaire gewicht de sterkste bepalende factor is voor de sterkte van een polymeer.
Bij copolymeren zoals PLGA is het echter ook waarschijnlijk dat de samenstelling van het copolymeer deze eigenschappen sterk beïnvloedt.
Deze toepassingsnotitie maakt ook gebruik van Malvern-technologieën om de relatie tussen de moleculaire en bulkeigenschappen van PLA en PLGA te onderzoeken. Rotatie reologie wordt gebruikt om de smeltviscositeit te bestuderen, terwijl het moleculaire gewicht en de intrinsieke viscositeit worden gemeten met de Malvern multidetector GPC.
Methoden
Zes monsters van commercieel verkrijgbare stoffen werden gemeten, waaronder:
- PLA
- PLGA met 75% LA en 25% GA (PLGA(75:25))
- PLGA met 65% LA en 35% GA (PLGA (63:35))
- Drie monsters van PLGA met 50% LA en 50% GA (PLGA (50:50)) met verschillende molecuulgewichten.
Voor de rotatierheologie werden de monsters gekarakteriseerd met een Kinexus Ultra+ rotatierheometer. De monsters werden gemeten bij 150 °C met behulp van een actieve peltierplaatcartridge met een parallelle plaat met een geometrie van 20 mm. Omdat PLA biologisch afbreekbaar is, is het gevoelig voor degradatie en daarom werden de metingen uitgevoerd onder spoeling met stikstof om het risico van oxidatieve degradatie tijdens de analyse te verminderen.
Voor de Malvern multi-detector GPC werden de monsters opgelost in THF en gescheiden over twee Malvern T6000M gemengd-bed SVB-kolommen. De GPC werd uitgevoerd op een Malvern OMNISEC systeem met brekingsindex (RI), lichtverstrooiing (right angle light scattering (RALS) en low angle light scattering (LALS)) en viscositeitsdetectoren.
Testresultaten
Er werden twee experimenten uitgevoerd. In het eerste experiment werden drie monsters van PLGA(50:50) gemeten met roterende reometrie en met multi-detector GPC. Een representatief chromatogram van 'PLGA (50:50) 2' wordt getoond in figuur 1.
Tabel 1 vat de resultaten van de drie monsters samen. De monsters werden in tweevoud gemeten. Zoals te zien is, waren er significante verschillen in de molecuulgewichten van de drie monsters, variërend van T11 KDa tot 69 KDa. De Kinexus rotatie reometer werd vervolgens gebruikt om de 'zero-shear' smeltviscositeit te bestuderen, waarvan gewoonlijk wordt aangenomen dat deze correleert met het molecuulgewicht van een monster.
Tabel 1: Gemeten moleculaire gegevens voor de PLGA (50:50)-monsters in het eerste experiment
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Meting | Gemiddelde | % RSD | Gemiddelde | % RSD | Gemiddelde | % 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 |
| Terugwinning (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Zoals te zien is in figuur 2, evolueren de viscositeitscurves goed met het molecuulgewicht van de drie monsters. Monster 1 heeft het laagste molecuulgewicht en de laagste viscositeit. Monsters 2 en 3 hebben hogere molecuulgewichten en navenant hogere viscositeiten. Dit soort molecuulgewichttrend is typisch en komt overeen met onze verwachtingen.
Een volgende studie werd uitgevoerd op PLA en drie verschillende copolymeren, PLGA (65:25), PLGA (75:25) en PLGA (50:50) 2 uit de vorige monsterset. De gegevens over het molecuulgewicht staan in tabel 2. Zoals te zien is, variëren de molecuulgewichten van de monsters tussen 11 KDa en 64 KDa.
Tabel 2: Gemeten moleculaire gegevens voor de vier PLA- en PLGA-monsters die in het tweede experiment werden vergeleken
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Meting | Gemiddelde | % RSD | Gemiddelde | % RSD | Gemiddelde | % RSD | Gemiddelde | % 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 |
| Terugwinning (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Aangezien deze monsters verschillende samenstellingen hebben, kunnen hun verschillende structuren worden vergeleken op een Mark-Houwink-plot. Een Mark-Houwink-plot toont de intrinsieke viscositeit als functie van het molecuulgewicht. Hiermee kunnen polymeerstructuren bij verschillende molecuulgewichten worden vergeleken. De plot wordt meestal gebruikt om de vertakking van polymeren te bestuderen, maar geeft ook verschillen aan tussen lineaire moleculen met verschillende samenstellingen, zoals in de copolymeren PLA en PLGA. Figuur 3 toont overlappende Mark-Houwink plots voor de vier monsters. De resultaten worden in tweevoud getoond.
Zoals te zien is, heeft elk polymeer zijn eigen lijn op de Mark-Houwink plot, die de conformatie of DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het molecuul in oplossing weergeeft. De plot hier laat zien dat PLA de meest open/verlengde van de monsters is. Naarmate het glycolzuurgehalte toeneemt, worden de polymeren steeds dichter opeengepakt in oplossing. Intrinsieke viscositeit is een maat voor de bijdrage van een monster aan de oplossingsviscositeit en correleert dus mogelijk niet precies met smeltviscositeit, maar de Mark-Houwink plot toont een duidelijke trend in conformatie die afhankelijk is van het glycolzuurgehalte. De reologieresultaten voor deze vier monsters worden getoond in figuur 4.
Zoals te zien is in de gegevens, is er een duidelijke trend in de smeltviscositeitsmetingen, maar deze is niet gecorreleerd met het molecuulgewicht. Terwijl het PLA-monster het laagste molecuulgewicht heeft en de laagste viscositeit, is het monster met het hoogste molecuulgewicht PLGA (75:25), dat de op één na laagste viscositeit heeft. Het PLGA (50:50) monster heeft de hoogste viscositeit ondanks dat het slechts het op één na hoogste molecuulgewicht heeft.
De trend lijkt in dit geval veel meer afhankelijk te zijn van het glycolzuurgehalte, waarbij het monster met het hoogste glycolzuurgehalte de hoogste viscositeit heeft en het monster met het minste glycolzuur (PLA) de laagste viscositeit.
Het is duidelijk dat de smeltviscositeit afhankelijk is van een combinatie van beide parameters, maar de duidelijke correlatie tussen glycolzuurgehalte en viscositeit lijkt de algemene relatie te domineren.
Het is vermeldenswaard dat het monster met de laagste intrinsieke viscositeit in de Mark-Houwink-plot de hoogste smeltviscositeit heeft volgens de reologiegegevens. Dit was tegen de verwachting in, maar het suggereert wel een verklaring. Aangezien de moleculen in het PLGA (50:50) monster compacter en dichter opeengepakt zijn in het polymeer, is er minder vrij volume voor de polymeerketens om te reptureren en zich te organiseren. Dit verhoogt de stromingsweerstand en dus ook de smeltviscositeit.
Conclusies
De gegevens in deze toepassingsnotitie laten op elegante wijze zien hoe het gebruik van complementaire polymeerkarakteriseringstechnologieën uitstekende inzichten kan bieden in het gedrag van polymeren zoals PLA en PLGA. Hoewel algemeen wordt aangenomen dat de bulkeigenschappen (zoals smeltviscositeit) van polymeren sterk gekoppeld zijn aan moleculaire eigenschappen (zoals moleculair gewicht), kunnen andere factoren, zoals de samenstelling van het copolymeer, ook belangrijke factoren zijn.
In dit onderzoek werd rotationele reologie gebruikt om de smeltviscositeit te bestuderen, terwijl de Malvern multi-detector GPC werd gebruikt om de moleculaire eigenschappen van een reeks PLA- en PLGA-monsters te karakteriseren. Er werd een duidelijke correlatie in molecuulgewicht waargenomen voor PLGA-monsters van dezelfde samenstelling, maar toen de samenstelling ook werd gevarieerd, werd er een sterke correlatie waargenomen voor het glycolzuurgehalte. Dit soort inzichten kan alleen worden waargenomen met een volledige karakterisering van de monsters die van belang zijn. Door dergelijke metingen uit te voeren, is het mogelijk om volledig te begrijpen hoe de moleculaire eigenschappen de bulkprestaties beïnvloeden.
Door dergelijke parameters te controleren, kunnen onderzoekers en productontwikkelaars polymeren ontwikkelen met meerdere ideale eigenschappen. Er kan bijvoorbeeld een PLGA-copolymeer worden gekozen voor een geneesmiddeltoedieningstoepassing die een goede smeltviscositeit heeft om te vormen, maar ook de vereiste afbraaksnelheden heeft voor een goed gecontroleerde, getimede afgifte van het geneesmiddel. Op die manier kunnen producten worden ontwikkeld met beter gecontroleerde prestatiekenmerken, minder uitval en een hogere waarde.