Wprowadzenie
Poli(kwas mlekowy) (PLA) jest biodegradowalnym polimerem pochodzącym z zasobów naturalnych, takich jak kukurydza iarch, który w ostatnich latach cieszy się dużym zainteresowaniem. Jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych biodegradowalnych polimerów na rynku ze względu na dostępność, niski koszt produkcji, a gdy pochodzi z naturalnych zrównoważonych źródeł, jest prawdziwie odnawialnym polimerem. Kwas mlekowy jest często łączony z kwasem glikolowym w celu utworzenia kopolimeru poli(kwasu mlekowego i glikolowego) (PLGA), który może mieć różny skład kwasu mlekowego i glikolowego. Będąc wszechstronnym polimerem, jest on wykorzystywany w wielu różnych zastosowaniach, od produkcji dodatków (druk 3D) po jednorazowe sztućce, biodegradowalne szwy, dostarczanie leków lub jako biodegradowalne opakowania.
Powszechnie wiadomo, że właściwości objętościowe polimerów są silnie uzależnione od ich właściwości molekularnych. Najczęściej przyjmuje się, że najsilniejszym wyznacznikiem wytrzymałości polimeru jest jego masa cząsteczkowa.
Jednak w przypadku kopolimerów, takich jak PLGA, jest również prawdopodobne, że skład kopolimeru będzie również silnie wpływał na te właściwości.
W niniejszej nocie aplikacyjnej wykorzystano również technologie Malvern do zbadania związku między właściwościami molekularnymi i masowymi PLA i PLGA. Reologia rotacyjna jest wykorzystywana do badania lepkości stopu, podczas gdy masa cząsteczkowa i lepkość wewnętrzna są mierzone za pomocą wielodetektorowego GPC Malvern.
Metody
Zmierzono sześć próbek komercyjnie dostępnych substancji, w tym:
- PLA
- PLGA z 75% LA i 25% GA (PLGA(75:25))
- PLGA z 65% LA i 35% GA (PLGA (63:35))
- Trzy próbki PLGA z 50% LA i 50% GA (PLGA (50:50)) o różnych masach cząsteczkowych.
W przypadku reologii rotacyjnej próbki scharakteryzowano za pomocą reometru rotacyjnego Kinexus Ultra+. Próbki mierzono w temperaturze 150°C przy użyciu aktywnego wkładu z płytą Peltiera z równoległą płytą o geometrii 20 mm. Ze względu na biodegradowalny charakter PLA, jest on podatny na degradację, dlatego pomiary przeprowadzono podczas przedmuchiwania azotem, aby zmniejszyć ryzyko degradacji oksydacyjnej podczas analizy.
W przypadku wielodetektorowego GPC Malvern próbki rozpuszczono w THF i rozdzielono na dwóch kolumnach SVB ze złożem mieszanym Malvern T6000M. GPC przeprowadzono w systemie Malvern OMNISEC, obejmującym współczynnik załamania światła (RI), rozpraszanie światła (rozpraszanie światła pod kątem prostym (RALS) i rozpraszanie światła pod małym kątem (LALS)) oraz detektory wiskozymetryczne.
Wyniki testów
Przeprowadzono dwa eksperymenty. W pierwszym eksperymencie trzy próbki PLGA(50:50) zmierzono za pomocą reometrii rotacyjnej i wielodetektorowej GPC. Reprezentatywny chromatogram "PLGA (50:50) 2" przedstawiono na rysunku 1.
Tabela 1 podsumowuje wyniki dla trzech próbek. Próbki zostały zmierzone w dwóch egzemplarzach. Jak widać, wystąpiły znaczne różnice w masach cząsteczkowych trzech próbek, w zakresie od T11 KDa do 69 KDa. Reometr rotacyjny Kinexus został następnie użyty do zbadania lepkości stopu przy zerowym ścinaniu, która zazwyczaj jest skorelowana z masą cząsteczkową próbki.
Tabela 1: Zmierzone dane molekularne dla próbek PLGA (50:50) w pierwszym eksperymencie
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Pomiar | Średnia | % RSD | Średnia | % RSD | Średnia | % 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 |
| Odzysk (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Jak widać na rysunku 2, krzywe lepkości wykazują dobrą tendencję w zależności od masy cząsteczkowej trzech próbek. Próbka 1 ma najniższą masę cząsteczkową i najniższą lepkość. Próbki 2 i 3 mają wyższe masy cząsteczkowe i odpowiednio wyższe lepkości. Ten rodzaj trendu masy cząsteczkowej jest typowy i dobrze odpowiada naszym oczekiwaniom.
Kolejne badanie przeprowadzono na PLA i trzech różnych kopolimerach, PLGA (65:25), PLGA (75:25) i PLGA (50:50) 2 z poprzedniego zestawu próbek. Dane dotyczące masy cząsteczkowej przedstawiono w tabeli 2. Jak widać, masy cząsteczkowe próbek wahają się od 11 KDa do 64 KDa.
Tabela 2: Zmierzone dane molekularne dla czterech próbek PLA i PLGA porównanych w drugim eksperymencie
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Pomiar | Średnia | % RSD | Średnia | % RSD | Średnia | % RSD | Średnia | % 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 |
| Odzysk (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Ponieważ próbki te mają różne składy, ich różne struktury można porównać na wykresie Mark-Houwink. Wykres Mark-Houwink pokazuje lepkość wewnętrzną jako funkcję masy cząsteczkowej. Pozwala on na porównanie struktur polimerów o różnych masach cząsteczkowych. Jest on najczęściej stosowany do badania rozgałęzień polimerów, ale wskazuje również różnice między cząsteczkami liniowymi o różnym składzie, jak w przypadku kopolimerów PLA i PLGA. Rysunek 3 przedstawia nałożone na siebie wykresy Mark-Houwink plots dla czterech próbek. Wyniki przedstawiono w dwóch egzemplarzach.
Jak widać, każdy polimer ma własną linię na wykresie Mark-Houwink, która reprezentuje konformację lub gęstość cząsteczki w roztworze. Wykres pokazuje, że PLA jest najbardziej otwartą/rozciągniętą z próbek. Wraz ze wzrostem zawartości kwasu glikolowego polimery stają się coraz gęściej upakowane w roztworze. Lepkość wewnętrzna jest miarą udziału próbki w lepkości roztworu, więc może nie korelować dokładnie z lepkością stopu, ale wykres Mark-Houwink pokazuje wyraźny trend konformacji, który zależy od zawartości kwasu glikolowego. Wyniki reologii dla tych czterech próbek przedstawiono na rysunku 4.
Jak widać w danych, istnieje wyraźny trend w pomiarach lepkości stopu, ale nie koreluje on z masą cząsteczkową. Podczas gdy próbka PLA ma najniższą masę cząsteczkową i najniższą lepkość, próbka o najwyższej masie cząsteczkowej to PLGA (75:25), która ma drugą najniższą lepkość. Próbka PLGA (50:50) ma najwyższą lepkość, mimo że ma tylko drugą najwyższą masę cząsteczkową.
Tendencja w tym przypadku wydaje się być znacznie bardziej zależna od zawartości kwasu glikolowego, przy czym próbka o najwyższej zawartości kwasu glikolowego wykazuje najwyższą lepkość, a próbka o najmniejszej zawartości kwasu glikolowego (PLA) wykazuje najniższą lepkość.
Oczywiście lepkość stopu będzie zależeć od kombinacji obu tych parametrów, jednak dobrze zdefiniowana korelacja między zawartością kwasu glikolowego a lepkością wydaje się dominować w ogólnej zależności.
Warto zauważyć, że próbka o najniższej lepkości wewnętrznej na wykresie Mark-Houwink ma najwyższą lepkość stopu zgodnie z danymi reologicznymi. Było to sprzeczne z oczekiwaniami, ale sugeruje wyjaśnienie. Ponieważ cząsteczki w próbce PLGA (50:50) są bardziej zwarte i gęsto upakowane w polimerze, istnieje mniejsza wolna objętość dla łańcuchów polimerowych do reptacji i organizowania się. Zwiększa to zatem ich opór przepływu, a następnie lepkość stopu.
Wnioski
Dane przedstawione w niniejszej nocie aplikacyjnej w elegancki sposób pokazują, w jaki sposób zastosowanie komplementarnych technologii charakteryzacji polimerów może zapewnić doskonały wgląd w zachowanie polimerów, takich jak PLA i PLGA. Chociaż powszechnie przyjmuje się, że właściwości objętościowe (takie jak lepkość w stanie stopionym) polimerów są silnie związane z właściwościami molekularnymi (takimi jak masa cząsteczkowa), inne czynniki, takie jak skład kopolimeru, mogą być również istotnymi czynnikami.
W tym badaniu reologia rotacyjna została wykorzystana do zbadania lepkości stopu, podczas gdy wielodetektorowa GPC Malvern została wykorzystana do scharakteryzowania właściwości molekularnych serii próbek PLA i PLGA. Wyraźną korelację masy cząsteczkowej zaobserwowano dla próbek PLGA o tym samym składzie, ale gdy skład był również zróżnicowany, zaobserwowano silną korelację dla zawartości kwasu glikolowego. Tego rodzaju spostrzeżenia można zaobserwować tylko przy pełnej charakterystyce próbek będących przedmiotem zainteresowania. Wykonując takie pomiary, można w pełni zrozumieć, w jaki sposób właściwości molekularne wpływają na wydajność masową.
Kontrolując takie parametry, badaczearci twórcy produktów mogą opracowywać polimery o wielu idealnych właściwościach. Na przykład, do podawania leków można wybrać kopolimer PLGA, który ma dobrą lepkość stopu do formowania, ale ma również wymagane szybkości degradacji dla dobrze kontrolowanego uwalniania leku w czasie. W ten sposób można opracować produkty o lepiej kontrolowanej charakterystyce działania, zmniejszonej awaryjności i wyższej wartości.