Introdução
O poli(ácido láctico) (PLA) é um polímero biodegradável derivado de recursos naturais, como o milho e oarch, que tem recebido atenção significativa nos últimos anos. É um dos polímeros biodegradáveis mais predominantes no mercado devido à disponibilidade, ao baixo custo de produção e, quando derivado de fontes naturais sustentáveis, é um polímero verdadeiramente renovável. O ácido lático é frequentemente combinado com o ácido glicólico para formar o copolímero poli(ácido lático-coglicólico) (PLGA), que pode ter uma composição variável de ácidos lático e glicólico. Por ser um polímero versátil, ele é usado em uma ampla variedade de aplicações, desde a manufatura aditiva (impressão 3D) até talheres descartáveis, suturas biodegradáveis, administração de medicamentos ou como embalagem biodegradável.
É amplamente reconhecido que as propriedades gerais dos polímeros dependem muito de suas propriedades moleculares. Em geral, supõe-se que o maior determinante da resistência de um polímero seja o seu peso molecular.
Entretanto, em copolímeros como o PLGA, é provável que a composição do copolímero também afete fortemente essas propriedades.
Esta nota de aplicação também usa as tecnologias da Malvern para explorar a relação entre as propriedades moleculares e de massa do PLA e do PLGA. A reologia rotacional é usada para estudar a viscosidade daTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão, enquanto o peso molecular e a viscosidade intrínseca são medidos usando o GPC multidetector da Malvern.
Métodos
Seis amostras de substâncias disponíveis comercialmente foram medidas, incluindo:
- PLA
- PLGA com 75% de LA e 25% de GA (PLGA (75:25))
- PLGA com 65% de LA e 35% de GA (PLGA (63:35))
- Três amostras de PLGA com 50% de LA e 50% de GA (PLGA (50:50)) com diferentes pesos moleculares.
Para a reologia rotacional, as amostras foram caracterizadas usando um reômetro rotacional Kinexus Ultra+. As amostras foram medidas a 150 °C usando um cartucho de placa peltier de capô ativo com uma geometria de placa paralela de 20 mm. Devido à natureza biodegradável do PLA, ele é suscetível à degradação e, portanto, as medições foram realizadas durante a purga com nitrogênio para reduzir o risco de degradação oxidativa durante a análise.
Para o GPC de múltiplos detectores da Malvern, as amostras foram dissolvidas em THF e separadas em duas colunas SVB de leito misto Malvern T6000M. O GPC foi executado em um sistema OMNISEC da Malvern, incluindo índice de refração (RI), dispersão de luz (dispersão de luz em ângulo reto (RALS) e dispersão de luz em ângulo baixo (LALS)) e detectores de viscosímetro.
Resultados do teste
Foram realizados dois experimentos. No primeiro experimento, três amostras de PLGA (50:50) foram medidas por reometria rotacional e por GPC com vários detectores. Um cromatograma representativo de "PLGA (50:50) 2" é mostrado na figura 1.
A tabela 1 resume os resultados das três amostras. As amostras foram medidas em duplicata. Como pode ser observado, houve diferenças significativas nos pesos moleculares das três amostras, variando de T11 KDa a 69 KDa. O reômetro rotacional Kinexus foi então usado para estudar a viscosidade deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão de "cisalhamento zero", que normalmente se supõe estar correlacionada com o peso molecular de uma amostra.
Tabela 1: Dados moleculares medidos para as amostras de PLGA (50:50) no primeiro experimento
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Medição | Média | % RSD | Média | % RSD | Média | % 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 |
| Recuperação (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Como pode ser visto na Figura 2, as curvas de viscosidade apresentam uma boa tendência com o peso molecular das três amostras. A amostra 1 tem o menor peso molecular e a menor viscosidade. As amostras 2 e 3 têm pesos moleculares mais altos e viscosidades correspondentemente mais altas. Esse tipo de tendência de peso molecular é típico e está de acordo com nossas expectativas.
Um estudo subsequente foi realizado com PLA e três copolímeros diferentes, PLGA (65:25), PLGA (75:25) e PLGA (50:50) 2 do conjunto de amostras anterior. Os dados de peso molecular são mostrados na tabela 2. Como pode ser visto, os pesos moleculares das amostras variam entre 11 KDa e 64 KDa.
Tabela 2: Dados moleculares medidos para as quatro amostras de PLA e PLGA comparadas no segundo experimento
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Medida | Média | % RSD | Média | % RSD | Média | % RSD | Média | % 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 |
| Recuperação (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Como essas amostras têm composições diferentes, suas diferentes estruturas podem ser comparadas em um gráfico de Mark-Houwink. Um gráfico de Mark-Houwink mostra a viscosidade intrínseca como uma função do peso molecular. Ele permite a comparação de estruturas de polímeros em uma faixa de pesos moleculares. É mais comumente usado para estudar a ramificação de polímeros, mas também indica diferenças entre moléculas lineares com composições diferentes, como nos copolímeros de PLA e PLGA. A Figura 3 mostra a sobreposição de Mark-Houwink plots para as quatro amostras. Os resultados são mostrados em duplicata.
Como pode ser visto, cada polímero tem sua própria linha no gráfico de Mark-Houwink, que representa a conformação da molécula, ou DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade, em solução. O gráfico aqui mostra que o PLA é a mais aberta/extendida das amostras. À medida que o teor de ácido glicólico aumenta, os polímeros se tornam cada vez mais densamente compactados em solução. A viscosidade intrínseca é uma medida da contribuição de uma amostra para a viscosidade da solução, portanto, pode não se correlacionar exatamente com a viscosidade deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão, mas o gráfico de Mark-Houwink mostra uma tendência clara na conformação que depende do teor de ácido glicólico. Os resultados de reologia para essas quatro amostras são mostrados na figura 4.
Como pode ser visto nos dados, há uma tendência clara nas medições de viscosidade deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão, mas isso não se correlaciona com o peso molecular. Enquanto a amostra de PLA possui o menor peso molecular e tem a menor viscosidade, a amostra com o maior peso molecular é a PLGA (75:25), que tem a segunda menor viscosidade. A amostra de PLGA (50:50) tem a maior viscosidade, apesar de ter apenas o segundo maior peso molecular.
A tendência nesse caso parece ser muito mais dependente do teor de ácido glicólico, com a amostra que possui o maior teor de ácido glicólico apresentando a maior viscosidade e a amostra com o menor teor de ácido glicólico (PLA) apresentando a menor viscosidade.
Obviamente, a viscosidade daTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão dependerá de uma combinação desses dois parâmetros; no entanto, a correlação bem definida entre o teor de ácido glicólico e a viscosidade parece dominar a relação geral.
Vale a pena observar que a amostra com a menor viscosidade intrínseca no gráfico de Mark-Houwink tem a maior viscosidade de fusão de acordo com os dados de reologia. Isso foi contrário às expectativas, mas sugere uma explicação. Como as moléculas da amostra de PLGA (50:50) são mais compactas e densamente compactadas no polímero, há menos volume livre para as cadeias de polímero se reptarem e se organizarem. Isso, portanto, aumenta sua resistência ao fluxo e, consequentemente, sua viscosidade de fusão.
Conclusões
Os dados apresentados nesta nota de aplicação mostram de forma elegante como o uso de tecnologias complementares de caracterização de polímeros pode oferecer excelentes percepções sobre o comportamento de polímeros como PLA e PLGA. Embora seja amplamente aceito que as propriedades em massa (como a viscosidade de fusão) dos polímeros estejam fortemente vinculadas às propriedades moleculares (como o peso molecular), outros fatores, como a composição do copolímero, também podem ser fatores significativos.
Neste estudo, a reologia rotacional foi usada para estudar a viscosidade de fusão, enquanto o GPC com vários detectores Malvern foi usado para caracterizar as propriedades moleculares de uma série de amostras de PLA e PLGA. Uma clara correlação de peso molecular foi observada para amostras de PLGA da mesma composição, mas quando a composição também foi variada, uma forte correlação foi observada para o conteúdo de ácido glicólico. Esses tipos de percepções só podem ser observados com uma caracterização completa das amostras de interesse. Ao fazer essas medições, é possível entender completamente como as propriedades moleculares afetam o desempenho em massa.
Com o controle desses parâmetros, os desenvolvedores de produtos e a researchers podem desenvolver polímeros com várias propriedades ideais. Por exemplo, um copolímero de PLGA pode ser escolhido para uma aplicação de administração de medicamentos que tenha uma boa viscosidade de fusão para moldagem, mas que também tenha as taxas de degradação necessárias para uma liberação cronometrada e bem controlada do medicamento. Dessa forma, podem ser desenvolvidos produtos com características de desempenho mais bem controladas, taxas de falha reduzidas e maior valor.