Zrozumienie i minimalizacja degradacji polikaprolaktonu podczas przetwarzania przy użyciu reologii i wielodetektorowej GPC

Wprowadzenie

Polikaprolakton (PCL) to syntetyczny polimer, który w ostatnim czasie zyskuje coraz większą uwagę dzięki swojej biodegradowalności. Jego najczęstszym zastosowaniem jest produkcja poliuretanów lub jako plastyfikator do innych polimerów, takich jak PVC. Jest również często stosowany w formowaniu i prototypowaniu dzięki niskiej temperaturze topnienia i jest wykorzystywany jako surowiec w niektórych systemach produkcji addytywnej (druk 3D). Wreszcie, jest on również wykorzystywany w niektórych zastosowaniach związanych z dostarczaniem leków jako mechanizm kontrolowanego uwalniania, w taki sam sposób jak kwas polimlekowy (PLA) lub kwas polimlekowo-glikolowy (PLGA). Potencjalną przewagą nad PLA i PLGA jest to, że PCL ma wolniejsze tempo degradacji, a zatem może pozwolić na wolniejsze uwalnianie leku.

Podobnie jak w przypadku wszystkich polimerów, właściwości molekularne PCL (np. masa cząsteczkowa) będą miały silny wpływ na jego właściwości masowe, takie jak wytrzymałość, ciągliwość i przepływ stopu. Jako materiał biodegradowalny, PCL jest narażony na wysokie ryzyko degradacji podczas procesów takich jak wytłaczanie do formowania, szczególnie w wysokich temperaturach. W literaturze opisano pewne mechanizmy mające na celu zmniejszenie tego ryzyka. Na przykład, wytłaczanie w obecności dwutlenku węgla (_CO2) może zmniejszyć lepkość PCL w stanie stopionym, działając jako "smar molekularny". Zmniejszenie lepkości polimeru zmniejsza temperaturę, w której można przeprowadzić wytłaczanie, a tym samym może chronić polimer przed degradacją podczas procesu [1].

W niniejszej nocie aplikacyjnej dostępna na rynku próbka PCL była wytłaczana samodzielnie oraz w obecności_CO2. Reometrię rotacyjną wykorzystano do zbadania lepkości stopionego polimeru, podczas gdy pomiary Malvern GPC wykonano dla pierwotnej próbki przed i po wytłaczaniu.

Metody

Próbkę PCL wytłaczano za pomocą wytłaczarki stołowej Rondol przy prędkości obrotowej ślimaka wynoszącej 30 obr/min przez matrycę o szczelinie 1 mm zarówno w obecności (150°C), jak i przy braku (160°C)_CO2 [1].

Lepkość stopionych próbek zmierzono również za pomocą reometru rotacyjnego Kinexus Ultra+, wykorzystując wkład z płytkami peltiera w temperaturze 150°C i równoległe płytki o średnicy 20 mm i szczelinie pomiarowej 1 mm. Przeprowadzono przemiatanie częstotliwości w celu określenia złożonej lepkości próbki. Pomiar został przeprowadzony pod przedmuchem azotu, aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia degradacji oksydacyjnej.

Trzy próbki zostały zmierzone za pomocą wielodetektorowego GPC w systemie Malvern OMNISEC, obejmującym współczynnik załamania światła (RI), UV-Vis, rozpraszanie światła (rozpraszanie światła pod kątem prostym (RALS) i rozpraszanie światła pod niskim kątem (LALS)) oraz detektory wiskozymetryczne (IV). Próbki rozpuszczono do stężenia około 3 mg/ml i rozdzielono na dwóch kolumnach SVB ze złożem mieszanym Malvern T6000M.

Wyniki testów

Rysunek 1 przedstawia chromatogram pierwotnej próbki PCL. Jak widać, próbka jest dobrze rozdzielona, a stosunek sygnału do szumu jest dobry we wszystkich detektorach. Chromatogram został nałożony na zmierzoną masę cząsteczkową i lepkość wewnętrzną.

Rysunek 2 przedstawia nakładki detektorów RI, RALS i wiskozymetru dla próbek pierwotnych, wytłaczanych i wytłaczanych z_CO2. Chromatogramy przedstawiają nałożone na siebie potrójne pomiary każdej próbki. Small różnice są widoczne na różnych detektorach. Mimo że różnice są widoczne small, powtarzalność pomiarów jest doskonała.

Tabela 1 przedstawia obliczone wyniki liczbowe dla tych próbek. Średnia zmierzona masa cząsteczkowa pierwotnego PCL wynosi 114,6 KDa. Po wytłaczaniu masa ta spadła do 103,8 KDa; jednakże, gdy_CO2 został wstrzyknięty bezpośrednio do cylindra wytłaczarki, pozwoliło to na wytłaczanie w temperaturze o 10°C niższej. Efektem netto zastosowania_CO2 i niższej temperatury wytłaczania było złagodzenie degradacji polimeru o około 40% i utrzymanie masy cząsteczkowej na poziomie 108,1 KDa. Podobny, choć słabiej zdefiniowany trend zaobserwowano w przypadku innych mierzonych parametrów, takich jak lepkość wewnętrzna i promień hydrodynamiczny próbek.

Próbki zostały następnie zmierzone na reometrze rotacyjnym, aby sprawdzić, jak zmiany molekularne wpłynęły na ich właściwości masowe (lepkość stopu). Lepkość stopu jest zazwyczaj silnie zależna od masy cząsteczkowej próbki. Ten sam trend wydaje się być obecny w danych reologii rotacyjnej.

Tabela 1: Wyniki pomiarów dla trzech próbek PLC za pomocą wielodetektorowego SEC

Jak widać na rysunku 3, pierwotny PCL ma najwyższą lepkość w stanie stopionym. Próbka wytłaczana bez_CO2 ma niższą lepkość stopu. Jest to częściowo łagodzone przez wytłaczanie próbki w obecności_CO2 w niższej temperaturze wytłaczania.

Na koniec przeanalizowano dane GPC z wielu detektorów, aby sprawdzić, czy w wyniku wytłaczania nastąpiły jakiekolwiek zmiany w strukturze PCL. Wykres Mark-Houwink pokazuje lepkość wewnętrzną jako funkcję masy cząsteczkowej i dlatego może być wykorzystany do oceny zmian w strukturze molekularnej i konformacji. Jest on najczęściej wykorzystywany w badaniach nad rozgałęzianiem się polimerów.

Na pierwszy rzut oka na wykres Mark-Houwink dla próbek PCL wydaje się, że nakładają się one dobrze i nie ma zmian w strukturze polimeru. Jednak po bliższym przyjrzeniu się okazuje się, że próbka wytłaczana przy braku_CO2 (tj. najbardziej zdegradowana) również uległa zmianie w strukturze small. Rysunek 4 przedstawia nakładanie się potrójnych pomiarów demonstrujących powtarzalność tej niezwykle small ale wyraźnej różnicy.

Zmiana ta może być spowodowana degradacją rozgałęzienia próbki, jednak ta próbka była uważana za liniową. Może to być również potencjalnie związane z różnicami small spowodowanymi pewną hydratacją polimeru, który nie został wysuszony przed eksperymentami. Niemniej jednak odkrycie to stanowi interesującą drogę do dalszych potencjalnych badań.

Wnioski

Wyniki przedstawione w niniejszej nocie aplikacyjnej pokazują, w jaki sposób warunki przetwarzania mogą wpływać zarówno na podstawowe, jak i masowe właściwości polimeru, takiego jak PCL. W tym przypadku zaobserwowano spadek masy cząsteczkowej i lepkości stopu próbki PCL, gdy próbka była wytłaczana przy braku_CO2 w temperaturze 150°C. Jednak efekt ten został częściowo złagodzony przez włączenie_CO2 podczas procesu wytłaczania. Oddziałując z niektórymi cząsteczkami w próbce,_CO2 skutecznie działa jako 4 "smar molekularny", zmniejszając lepkość próbki. Oznacza to, że PCL może być wytłaczany w niższej temperaturze, co z kolei chroni polimer przed niektórymi obserwowanymi procesami degradacji.

Różnica ta została z powodzeniem zaobserwowana na poziomie molekularnym przy użyciu wielodetektorowej GPC oraz na poziomie objętościowym przy użyciu reometrii rotacyjnej. W ten sposób obie technologie można wykorzystać do skorelowania zmian na poziomie molekularnym z tymi obserwowanymi w produkcie końcowym.

Zmniejszona lepkość stopu wynikająca z niższej masy cząsteczkowej prawdopodobnie wpłynie na każdą formę wyprodukowaną z tej próbki. Prawdopodobnie wpłynie to również na krystaliczność i właściwości mechaniczne, a następnie, w przypadku zastosowań związanych z dostarczaniem leków, wpłynie na czas uwalniania leku. W związku z tym istnieje większe prawdopodobieństwo, że wszelkie produkty wytworzone z tej próbki będą miały szersze tolerancje wydajności i większą zmienność. Z drugiej strony, dzięki wytłaczaniu z_CO2 efekt ten został złagodzony, a zastosowanie tej procedury prawdopodobnie ochroniłoby wydajność produktu.

Zastosowanie wielu technologii do scharakteryzowania polimeru pozwala na wyraźny pomiar i zrozumienie podstawowych zmian zachodzących w polimerze podczas wytłaczania i przetwarzania. Dzięki zrozumieniu i kontrolowaniu tych zmian za pomocą strategii takich jak wytłaczanie z_CO2, producenci mogą utrzymać wyższą jakość produktu i ściślejszą kontrolę nad jakością produktu, zmniejszając liczbę awarii i zwiększając wartość produktu.