Înțelegerea și minimizarea degradării policaprolactonei în timpul procesării utilizând reologia și GPC cu detectoare multiple

Introducere

Policaprolactona (PCL) este un polimer sintetic care a primit recent o atenție sporită datorită biodegradabilității sale. Cea mai frecventă utilizare a acestuia este în fabricarea poliuretanilor sau ca plastifiant pentru alți polimeri, cum ar fi PVC. De asemenea, este adesea utilizat în turnare și prototipare datorită temperaturii sale scăzute 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 și este utilizat ca materie primă în unele sisteme de fabricație aditivă (imprimare 3D). În cele din urmă, este utilizat și în unele aplicații de administrare a medicamentelor ca mecanism de eliberare controlată, în același mod ca acidul polilactic (PLA) sau acidul polilacticco-glicolic (PLGA). Un potențial avantaj față de PLA și PLGA este faptul că PCL are o rată de degradare mai lentă și, prin urmare, poate permite eliberarea mai lentă a medicamentului.

Ca în cazul tuturor polimerilor, proprietățile moleculare ale PCL (de exemplu, greutatea moleculară) îi vor afecta în mod semnificativ proprietățile în vrac, cum ar fi rezistența, duritatea și fluiditatea 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. Fiind biodegradabil, PCL prezintă un risc ridicat de degradare în timpul proceselor precum extrudarea pentru turnare, în special la temperaturi ridicate. Unele mecanisme au fost descrise în literatura de specialitate pentru a reduce acest risc. De exemplu, extrudarea în prezența dioxidului de carbon (_CO2) poate reduce vâscozitatea fluxului 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 a PCL, acționând ca un "lubrifiant molecular". Scăderea vâscozității polimerului reduce temperatura la care se poate efectua extrudarea și ar putea astfel să protejeze polimerul de degradare în timpul procesului [1].

În această notă de aplicare, o probă de PCL disponibilă în comerț a fost extrudată singură și în prezența_CO2. Reometria rotațională a fost utilizată 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 a polimerului, în timp ce s-au efectuat măsurători Malvern GPC ale probei virgine înainte și după extrudare.

Metode

Eșantionul de PCL a fost extrudat cu ajutorul unui extrudor Rondol de masă, la viteze ale șurubului de 30 rpm, printr-o matriță cu fantă de 1 mm, atât în prezența (150 °C), cât și în absența (160 °C)_CO2 [1].

Vâscozitatea topiturii probelor a fost, de asemenea, măsurată pe un reometru rotațional Kinexus Ultra+ folosind un cartuș cu plăci peltier cu capotă activă la 150 °C și plăci paralele cu un diametru de 20 mm și un spațiu de măsurare de 1 mm. Pentru a determina vâscozitatea complexă a probei, s-a efectuat o scanare de frecvență. Măsurarea a fost efectuată sub o purjare cu azot pentru a reduce riscul de apariție a degradării oxidative.

Cele trei probe au fost măsurate prin GPC multidetector pe un sistem Malvern OMNISEC care include detectoare de indice de refracție (RI), UV-Vis, dispersie a luminii [dispersie a luminii în unghi drept (RALS) și dispersie a luminii în unghi mic (LALS)] și viscometru (IV). Probele au fost dizolvate la concentrații de aproximativ 3 mg/ml și separate pe două coloane SVB cu pat mixt Malvern T6000M.

Rezultatele testelor

Figura 1 prezintă o cromatogramă a probei de PCL virgin. După cum se poate observa, proba este bine rezolvată, iar raportul semnal-zgomot este bun pe toate detectoarele. Cromatograma a fost suprapusă cu greutatea moleculară măsurată și vâscozitatea intrinsecă.

Figura 2 prezintă suprapuneri ale detectoarelor RI, RALS și viscometrului pentru probele virgine, extrudate și extrudate cu_CO2. Cromatogramele prezintă măsurători în triplu ale fiecărei probe suprapuse. Small diferențele sunt vizibile pe diferitele detectoare. Deși diferențele par small, repetabilitatea măsurătorilor este excelentă.

Tabelul 1 prezintă rezultatele numerice calculate pentru aceste probe. PCL virgin are o greutate moleculară medie măsurată de 114,6 KDa. După extrudare, aceasta a scăzut la 103,8 KDa; cu toate acestea, atunci când_CO2 a fost injectat direct în cilindrul extruderului, a permis ca extrudarea să aibă loc la o temperatură cu 10°C mai scăzută. Efectul net al utilizării_CO2 și al reducerii temperaturii de extrudare a fost atenuarea degradării polimerului cu aproximativ 40% și menținerea greutății moleculare la 108,1 KDa. O tendință similară, deși mai puțin bine definită, este observată în cazul altor parametri măsurați, cum ar fi vâscozitatea intrinsecă și raza hidrodinamică a probelor.

Eșantioanele au fost apoi măsurate pe un reometru rotațional pentru a vedea cum proprietățile lor voluminoase (vâscozitatea topiturii) au fost afectate de aceste modificări moleculare. Vâscozitatea topiturii este, de obicei, puternic dependentă de greutatea moleculară a unei probe. Aceeași tendință pare să fie prezentă în datele reologiei rotaționale.

Tabelul 1: Rezultate măsurate pentru cele trei probe PLC cu ajutorul SEC multidetector

După cum se poate observa în figura 3, PCL virgin are cea mai mare vâscozitate 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. Eșantionul extrudat în absența_CO2 are o vâscozitate a topiturii mai scăzută. Acest lucru este parțial atenuat prin extrudarea probei în prezența_CO2 la o temperatură de extrudare mai scăzută.

În cele din urmă, datele GPC multidetector au fost studiate pentru a vedea dacă au existat modificări în structura PCL ca urmare a extrudării. Diagrama Mark-Houwink arată vâscozitatea intrinsecă în funcție de greutatea moleculară și, prin urmare, poate fi utilizată pentru a evalua modificările structurii și conformației moleculare. Acesta este cel mai frecvent utilizat în studiul ramificării polimerilor.

La prima vedere a graficului Mark-Houwink pentru probele de PCL, se pare că acestea se suprapun bine și că nu există modificări în structura polimerului. Cu toate acestea, la o examinare mai atentă, se pare că proba extrudată în absența oricărui_CO2 (adică cea mai degradată) a suferit, de asemenea, o schimbare small în structură. Figura 4 prezintă suprapunerea măsurătorilor în triplu exemplar, demonstrând repetabilitatea acestei diferențe extrem de small, dar clară.

Această schimbare ar putea fi cauzată de o degradare a ramificării probei, cu toate acestea, această probă a fost considerată a fi liniară. De asemenea, ar putea fi legată de diferențele small cauzate de o anumită hidratare a polimerului care nu a fost uscat înainte de experimente. Cu toate acestea, această constatare oferă o cale interesantă pentru potențiale investigații ulterioare.

Concluzii

Rezultatele prezentate în această notă de aplicare demonstrează modul în care condițiile de procesare pot afecta atât proprietățile subiacente, cât și pe cele masive ale unui polimer precum PCL. În acest caz, s-a observat că greutatea moleculară și 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 a unei probe de PCL au scăzut atunci când proba a fost extrudată în absența_CO2 la 150°C. Cu toate acestea, efectul a fost parțial atenuat prin includerea de_CO2 în timpul procesului de extrudare. Prin interacțiunea cu unele dintre moleculele din probă,_CO2 acționează efectiv ca un 4"lubrifiant molecular" pentru a reduce vâscozitatea probei. În acest fel, PCL poate fi extrudat la o temperatură mai scăzută, ceea ce, la rândul său, protejează polimerul de o parte din degradarea observată.

Această diferență a fost observată cu succes la nivel molecular utilizând GPC multidetector și la nivel masiv utilizând reometria rotațională. În acest fel, ambele tehnologii pot fi utilizate pentru a corela modificările la nivel molecular cu cele observate în produsul final.

Vâscozitatea redusă a topiturii care rezultă dintr-o greutate moleculară mai mică este susceptibilă să afecteze orice matriță produsă cu această probă. De asemenea, este posibil să afecteze cristalinitatea și proprietățile mecanice și, ulterior, în cazul aplicațiilor de administrare a medicamentelor, să influențeze termenele de eliberare a medicamentelor. Prin urmare, este mai probabil ca orice produs creat din aceasta să aibă toleranțe de performanță mai largi și variații mai mari. Pe de altă parte, prin extrudarea cu_CO2, acest efect a fost atenuat și utilizarea acestei proceduri ar proteja probabil performanța produsului.

Utilizarea mai multor tehnologii pentru caracterizarea polimerului permite măsurarea și înțelegerea clară a modificărilor subiacente care au loc la polimer în timpul extrudării și prelucrării. Prin înțelegerea și controlul acestor modificări prin strategii precum extrudarea cu_CO2, producătorii pot menține o calitate superioară a produselor și un control mai strict asupra calității produselor, reducând eșecurile și crescând valoarea produselor.