Compreensão e minimização da degradação da policaprolactona durante o processamento usando reologia e GPC com vários detectores

Introdução

A policaprolactona (PCL) é um polímero sintético que recentemente tem recebido cada vez mais atenção graças à sua biodegradabilidade. Seu uso mais comum é na fabricação de poliuretanos ou como plastificante para outros polímeros, como o PVC. Ele também é usado com frequência em moldagem e prototipagem graças à sua baixaTemperaturas 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). temperatura de fusão e é usado como matéria-prima em alguns sistemas de manufatura aditiva (impressão 3D). Por fim, ele também é usado em algumas aplicações de administração de medicamentos como um mecanismo de liberação de controle, da mesma forma que o ácido polilático (PLA) ou o ácido polilático-co-glicólico (PLGA). Uma possível vantagem em relação ao PLA e ao PLGA é que o PCL tem uma taxa de degradação mais lenta e, portanto, pode permitir uma liberação mais lenta do medicamento.

Como acontece com todos os polímeros, as propriedades moleculares do PCL (por exemplo, peso molecular) afetarão fortemente suas propriedades gerais, como resistência, tenacidade e fluxo 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. Por ser biodegradável, o PCL corre um alto risco de degradação durante processos como extrusão para moldagem, especialmente em altas temperaturas. Alguns mecanismos foram descritos na literatura para reduzir esse risco. Por exemplo, a extrusão na presença de dióxido de carbono (_CO2) pode reduzir a viscosidade do fluxo 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 do PCL, atuando como um "lubrificante molecular". A diminuição da viscosidade do polímero reduz a temperatura na qual a extrusão pode ser realizada e, portanto, pode proteger o polímero da degradação durante o processo [1].

Nesta nota de aplicação, uma amostra de PCL disponível comercialmente foi extrudada sozinha e na presença de_CO2. A reometria rotacional foi usada 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 do polímero, enquanto as medições de Malvern GPC foram feitas na amostra virgem antes e depois da extrusão.

Métodos

A amostra de PCL foi extrudada usando uma extrusora de bancada Rondol a velocidades de parafuso de 30 rpm por meio de uma matriz com fenda de 1 mm, tanto na presença (150 °C) quanto na ausência (160 °C) de_CO2 [1].

As viscosidades 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 das amostras também foram medidas em um reômetro rotacional Kinexus Ultra+ usando um cartucho de placa peltier de capuz ativo a 150 °C e placas paralelas com um diâmetro de 20 mm e uma lacuna de medição de 1 mm. Foi realizada uma varredura de frequência para determinar a viscosidade complexa da amostra. A medição foi realizada sob uma purga de nitrogênio para reduzir o risco de ocorrência de degradação oxidativa.

As três amostras foram medidas por GPC com vários detectores em um sistema OMNISEC da Malvern, incluindo índice de refração (RI), UV-Vis, dispersão de luz (dispersão de luz em ângulo reto (RALS) e dispersão de luz em ângulo baixo (LALS)) e detectores de viscosímetro (IV). As amostras foram dissolvidas em concentrações de aproximadamente 3 mg/ml e separadas em duas colunas SVB de leito misto Malvern T6000M.

Resultados do teste

A Figura 1 mostra um cromatograma da amostra de PCL virgem. Como pode ser visto, a amostra é bem resolvida e a relação sinal-ruído é boa em todos os detectores. O cromatograma foi sobreposto ao peso molecular medido e às viscosidades intrínsecas.

A Figura 2 mostra as sobreposições dos detectores RI, RALS e viscosímetro para as amostras virgens, extrudadas e extrudadas com_CO2. Os cromatogramas mostram medições em triplicata de cada amostra sobreposta. Small diferenças são visíveis nos diferentes detectores. Embora as diferenças pareçam small, a repetibilidade das medições é excelente.

A Tabela 1 mostra os resultados numéricos calculados para essas amostras. O PCL virgem tem um peso molecular médio medido de 114,6 KDa. Após a extrusão, esse peso caiu para 103,8 KDa; no entanto, quando_{o CO2} foi injetado diretamente no cilindro da extrusora, ele permitiu que a extrusão ocorresse em uma temperatura 10°C mais baixa. O efeito líquido do uso de_CO2 e da temperatura de extrusão mais baixa foi atenuar a degradação do polímero em cerca de 40% e manter o peso molecular em 108,1 KDa. Uma tendência semelhante, embora menos bem definida, é observada em outros parâmetros medidos, como a viscosidade intrínseca e o raio hidrodinâmico das amostras.

Em seguida, as amostras foram medidas em um reômetro rotacional para verificar como suas propriedades em massa (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) foram afetadas por essas alterações moleculares. Normalmente, a viscosidade de fusão depende muito do peso molecular de uma amostra. A mesma tendência parece estar presente nos dados de reologia rotacional.

Tabela 1: Resultados medidos para as três amostras de PLC por meio do SEC multidetector

Como pode ser visto na figura 3, o PCL virgem tem a maior viscosidade de fusão. A amostra extrudada na ausência de_CO2 tem uma viscosidade de fusão mais baixa. Isso é parcialmente atenuado pela extrusão da amostra na presença de_CO2 em uma temperatura de extrusão mais baixa.

Por fim, os dados de GPC com vários detectores foram estudados para verificar se houve alguma alteração na estrutura do PCL como resultado da extrusão. O gráfico de Mark-Houwink mostra a viscosidade intrínseca como uma função do peso molecular e, portanto, pode ser usado para avaliar alterações na estrutura e na conformação molecular. Ele é mais comumente usado no estudo da ramificação de polímeros.

Em uma primeira olhada no gráfico de Mark-Houwink para as amostras de PCL, parece que elas se sobrepõem bem e que não há alterações na estrutura do polímero. No entanto, após uma inspeção mais detalhada, parece que a amostra extrudada na ausência de_CO2 (ou seja, a mais degradada) também passou por uma mudança de estrutura small. A Figura 4 mostra a sobreposição de medições em triplicata, demonstrando a repetibilidade dessa diferença extremamente small clara.

Essa alteração pode se dever a uma degradação da ramificação da amostra; no entanto, acreditava-se que essa amostra era linear. Ela também pode estar relacionada a diferenças small causadas por alguma hidratação do polímero que não foi seco antes dos experimentos. No entanto, essa descoberta oferece um caminho interessante para outras possíveis investigações.

Conclusões

Os resultados apresentados nesta nota de aplicação demonstram como as condições de processamento podem afetar as propriedades subjacentes e em massa de um polímero como o PCL. Aqui, observou-se que o peso molecular e a viscosidade de fusão de uma amostra de PCL caíram quando a amostra foi extrudada na ausência de_CO2 a 150°C. No entanto, o efeito disso foi parcialmente atenuado pela inclusão de_CO2 durante o processo de extrusão. Ao interagir com algumas das moléculas da amostra,_{o CO2} atua efetivamente como um "lubrificante molecular" para reduzir a viscosidade da amostra. Ao fazer isso, significa que o PCL pode ser extrudado em uma temperatura mais baixa, o que, por sua vez, protege o polímero de parte da degradação observada.

Essa diferença foi observada com sucesso em nível molecular usando GPC com vários detectores e em nível de massa usando reometria rotacional. Dessa forma, ambas as tecnologias podem ser usadas para correlacionar as alterações em nível molecular com aquelas observadas no produto final.

A viscosidade de fusão reduzida resultante de um peso molecular menor provavelmente afetará qualquer molde produzido com essa amostra. Também é provável que afete aCristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade e as propriedades mecânicas e, subsequentemente, no caso de aplicações de administração de medicamentos, influenciaria os tempos de liberação do medicamento. Portanto, é mais provável que qualquer produto criado a partir dela tenha tolerâncias de desempenho mais amplas e maior variação. Por outro lado, ao extrudar com_CO2, esse efeito foi atenuado e o uso desse procedimento provavelmente protegeria o desempenho do produto.

O uso de várias tecnologias para caracterizar o polímero permite uma medição e uma compreensão claras das alterações subjacentes que estão ocorrendo no polímero durante a extrusão e o processamento. Ao compreender e controlar essas alterações por meio de estratégias como a extrusão com_CO2, os fabricantes podem manter uma qualidade de produto mais alta e um controle mais rígido da qualidade do produto, reduzindo as falhas e aumentando o valor do produto.