Introducere
Poli(acidul lactic) (PLA) este un polimer biodegradabil derivat din resurse naturale, cum ar fi amidonul de porumb, care a primit o atenție semnificativă în ultimii ani. Acesta este unul dintre cei mai răspândiți polimeri biodegradabili de pe piață datorită disponibilității, costului scăzut de producție și, atunci când este derivat din surse naturale durabile, este un polimer cu adevărat regenerabil. Acidul lactic este adesea combinat cu acidul glicolic pentru a forma copolimerul poli(acid lactic-coglicolic) (PLGA), care poate avea o compoziție variabilă de acid lactic și glicolic. Fiind un polimer versatil, acesta este utilizat într-o mare varietate de aplicații, de la fabricarea aditivă (imprimare 3D) la tacâmuri de unică folosință, suturi biodegradabile, administrarea de medicamente sau ca ambalaj biodegradabil.
Este larg recunoscut faptul că proprietățile masive ale polimerilor depind puternic de proprietățile lor moleculare. Cel mai adesea, se presupune că cel mai puternic determinant al rezistenței unui polimer este greutatea sa moleculară.
Cu toate acestea, în cazul copolimerilor precum PLGA, este probabil ca și compoziția copolimerului să afecteze puternic aceste proprietăți.
Această notă de aplicare utilizează, de asemenea, tehnologiile Malvern pentru a explora relația dintre proprietățile moleculare și cele voluminoase ale PLA și PLGA. Reologia rotațională este utilizată pentru a studia vâscozitatea topiturii, în timp ce greutatea moleculară și vâscozitatea intrinsecă sunt măsurate cu ajutorul GPC multidetector Malvern.
Metode
Au fost măsurate șase probe de substanțe disponibile în comerț, inclusiv:
- PLA
- PLGA cu 75% LA și 25% GA (PLGA(75:25))
- PLGA cu 65% LA și 35% GA (PLGA (63:35))
- Trei probe de PLGA cu 50% LA și 50% GA [PLGA (50:50)] cu diferite greutăți moleculare.
Pentru reologia rotațională, probele au fost caracterizate utilizând un reometru rotațional Kinexus Ultra+. Eșantioanele au fost măsurate la 150 ° C utilizând un cartuș cu placă peltier cu hotă activă, cu o geometrie a plăcii paralele de 20 mm. Datorită faptului că PLA este biodegradabil, acesta este susceptibil la degradare și, prin urmare, măsurătorile au fost efectuate în timpul purjării cu azot pentru a reduce riscul de degradare oxidativă în timpul analizei.
Pentru GPC multidetector Malvern, probele au fost dizolvate în THF și separate prin două coloane SVB cu pat mixt Malvern T6000M. GPC a fost efectuată pe un sistem Malvern OMNISEC care include detectoare de indice de refracție (RI), de împrăștiere a luminii [împrăștiere a luminii în unghi drept (RALS) și împrăștiere a luminii în unghi mic (LALS)] și vâscozimetru.
Rezultatele testelor
Au fost efectuate două experimente. În primul experiment, trei probe de PLGA (50:50) au fost măsurate prin reometrie rotațională și prin GPC multidetector. O cromatogramă reprezentativă a "PLGA (50:50) 2" este prezentată în figura 1.
Tabelul 1 rezumă rezultatele celor trei probe. Probele au fost măsurate în duplicat. După cum se poate observa, au existat diferențe semnificative în greutățile moleculare ale celor trei probe, variind de la T11 KDa la 69 KDa. Reometrul rotațional Kinexus a fost apoi utilizat pentru a studia vâscozitatea de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire "cu forfecare zero", care se presupune că este în general corelată cu greutatea moleculară a unei probe.
Tabelul 1: Date moleculare măsurate pentru probele PLGA (50:50) în primul experiment
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Măsurare | Medie | % RSD | Media | % RSD | Media | % 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 |
| Recuperare (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
După cum se poate observa în figura 2, curbele de vâscozitate au o tendință bună cu greutatea moleculară a celor trei probe. Proba 1 are cea mai mică greutate moleculară și cea mai mică vâscozitate. Probele 2 și 3 au greutăți moleculare mai mari și vâscozități corespunzător mai mari. Acest tip de tendință a greutății moleculare este tipic și corespunde așteptărilor noastre.
Un studiu ulterior a fost efectuat pe PLA și trei copolimeri diferiți, PLGA (65:25), PLGA (75:25) și PLGA (50:50) 2 din setul de probe anterior. Datele privind greutatea moleculară sunt prezentate în tabelul 2. După cum se poate observa, greutățile moleculare pentru probe variază între 11 KDa și 64 KDa.
Tabelul 2: Date moleculare măsurate pentru cele patru probe PLA și PLGA comparate în cel de-al doilea experiment
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Măsurare | Medie | % RSD | Media | % RSD | Media | % RSD | Media | % 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 |
| Recuperare (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Deoarece aceste probe au compoziții diferite, structurile lor diferite pot fi comparate pe un grafic Mark-Houwink. Un grafic Mark-Houwink arată vâscozitatea intrinsecă în funcție de greutatea moleculară. Acesta permite compararea structurilor polimerice la o serie de greutăți moleculare. Acesta este cel mai frecvent utilizat pentru a studia ramificarea polimerilor, dar indică, de asemenea, diferențele dintre moleculele liniare cu compoziții diferite, ca în cazul copolimerilor PLA și PLGA. Figura 3 prezintă diagrame Mark-Houwink suprapuse pentru cele patru probe. Rezultatele sunt prezentate în duplicat.
După cum se poate observa, fiecare polimer are propria sa linie pe graficul Mark-Houwink, care reprezintă conformația sau densitatea moleculei în soluție. Diagrama de aici arată că PLA este cea mai deschisă/extinsă dintre probe. Pe măsură ce conținutul de acid glicolic crește, polimerii devin din ce în ce mai dens compactați în soluție. Vâscozitatea intrinsecă este o măsură a contribuției unei probe la vâscozitatea soluției, astfel încât este posibil să nu se coreleze exact cu vâscozitatea topiturii, dar graficul Mark-Houwink arată o tendință clară de conformație care depinde de conținutul de acid glicolic. Rezultatele reologiei pentru aceste patru probe sunt prezentate în figura 4.
După cum se poate observa în date, există o tendință clară în măsurătorile vâscozității topite, dar aceasta nu este corelată cu greutatea moleculară. În timp ce proba PLA posedă cea mai mică greutate moleculară și are cea mai mică vâscozitate, proba cu cea mai mare greutate moleculară este PLGA (75:25), care are a doua cea mai mică vâscozitate. Proba PLGA (50:50) are cea mai mare vâscozitate, deși are doar a doua cea mai mare greutate moleculară.
Tendința în acest caz pare să depindă mult mai mult de conținutul de acid glicolic, proba cu cel mai mare conținut de acid glicolic prezentând cea mai mare vâscozitate, iar proba cu cel mai mic conținut de acid glicolic (PLA) prezentând cea mai mică vâscozitate.
În mod clar, vâscozitatea topiturii va depinde de o combinație a acestor doi parametri, însă corelația bine definită dintre conținutul de acid glicolic și vâscozitate pare să domine relația generală.
Este demn de remarcat faptul că proba cu cea mai mică vâscozitate intrinsecă în graficul Mark-Houwink are cea mai mare vâscozitate a topiturii conform datelor reologice. Acest lucru a fost contrar așteptărilor, dar sugerează o explicație. Deoarece moleculele din proba PLGA (50:50) sunt mai compacte și mai dens ambalate în polimer, există mai puțin volum liber pentru lanțurile polimerice pentru a se repta și a se organiza. Prin urmare, acest lucru le crește rezistența la curgere și, ulterior, vâscozitatea topiturii.
Concluzii
Datele prezentate în această notă de aplicare arată în mod elegant modul în care utilizarea tehnologiilor complementare de caracterizare a polimerilor poate oferi o perspectivă excelentă asupra comportamentului unor polimeri precum PLA și PLGA. Deși este larg acceptat faptul că proprietățile masive (cum ar fi vâscozitatea la Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire) ale polimerilor sunt strâns legate de proprietățile moleculare (cum ar fi greutatea moleculară), alți factori, cum ar fi compoziția copolimerului, pot fi, de asemenea, factori semnificativi.
În acest studiu, reologia rotațională a fost utilizată pentru a studia vâscozitatea topiturii, în timp ce GPC multidetector Malvern a fost utilizat pentru a caracteriza proprietățile moleculare ale unei serii de probe PLA și PLGA. O corelație clară a greutății moleculare a fost observată pentru probele PLGA de aceeași compoziție, dar atunci când compoziția a fost variată, s-a observat o corelație puternică pentru conținutul de acid glicolic. Aceste tipuri de informații pot fi observate numai cu o caracterizare completă a probelor de interes. Efectuând astfel de măsurători, este posibil să se înțeleagă pe deplin modul în care proprietățile moleculare afectează performanța generală.
Prin controlul acestor parametri, cercetătorii și dezvoltatorii de produse pot dezvolta polimeri cu mai multe proprietăți ideale. De exemplu, ar putea fi ales un copolimer PLGA pentru o aplicație de administrare a medicamentelor care are o vâscozitate bună la Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire pentru turnare, dar care are și ratele de degradare necesare pentru o eliberare temporizată bine controlată a medicamentului. Astfel, pot fi dezvoltate produse care au caracteristici de performanță mai bine controlate, rate de eșec reduse și o valoare mai mare.