Введение
Поли(молочная кислота) (PLA) - это биоразлагаемый полимер, получаемый из природных ресурсов, таких как кукурузаarch, которому в последние годы уделяется большое внимание. Это один из самых распространенных биоразлагаемых полимеров на рынке благодаря доступности, низкой стоимости производства и получению из природных устойчивых источников, что делает его по-настоящему возобновляемым полимером. Молочную кислоту часто соединяют с гликолевой кислотой для получения сополимера поли(молочно-когликолевой кислоты) (PLGA), который может иметь различный состав молочной и гликолевой кислот. Будучи универсальным полимером, он используется в самых разных областях - от аддитивного производства (3D-печати) до одноразовой посуды, биоразлагаемых швов, доставки лекарств или биоразлагаемой упаковки.
Широко известно, что объемные свойства полимеров сильно зависят от их молекулярных свойств. Чаще всего считается, что самым сильным фактором, определяющим прочность полимера, является его молекулярный вес.
Однако в сополимерах, таких как PLGA, вероятно, что состав сополимера также сильно влияет на эти свойства.
В этой статье используются технологии Malvern для изучения взаимосвязи между молекулярными и объемными свойствами PLA и PLGA. Вращательная реология используется для изучения вязкости расплава, а молекулярная масса и собственная вязкость измеряются с помощью многодетекторного ГПХ Malvern.
Методы
Были измерены шесть образцов коммерчески доступных веществ, включая:
- PLA
- PLGA с 75% LA и 25% GA (PLGA(75:25))
- PLGA с 65% LA и 35% GA (PLGA (63:35))
- Три образца PLGA с 50% LA и 50% GA (PLGA (50:50)) с различными молекулярными массами.
Для определения реологии вращения образцы характеризовались с помощью реометра Kinexus Ultra+. Образцы измерялись при 150°C с использованием активного колпака с пластиной Пельтье и параллельной пластиной геометрией 20 мм. Поскольку PLA является биоразлагаемым материалом, он подвержен деградации, поэтому измерения проводились при продувке азотом, чтобы снизить риск окислительной деградации во время анализа.
Для многодетекторной ГПХ Malvern образцы растворяли в THF и разделяли на двух SVB-колонках Malvern T6000M со смешанным слоем. ГПХ проводили на системе Malvern OMNISEC, включающей детекторы показателя преломления (ПП), светорассеяния (светорассеяние под прямым углом (RALS) и светорассеяние под малым углом (LALS)) и вискозиметр.
Результаты испытаний
Было проведено два эксперимента. В первом эксперименте три образца PLGA(50:50) были измерены методом вращательной реометрии и многодетекторной ГПХ. Репрезентативная хроматограмма "PLGA (50:50) 2" показана на рисунке 1.
В таблице 1 приведены результаты измерений трех образцов. Образцы были измерены в двух экземплярах. Как видно, молекулярные массы трех образцов значительно различались и составляли от T11 KDa до 69 KDa. Затем ротационный реометр Kinexus был использован для исследования вязкости расплава при нулевом сдвиге, которая, как правило, коррелирует с молекулярной массой образца.
Таблица 1: Измеренные молекулярные данные для образцов PLGA (50:50) в первом эксперименте
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Измерение | Среднее | % RSD | Среднее | % RSD | Среднее | % RSD |
| RV (мл) | 20.03 | 0 | 018.53 | 0.05088 | 18.17 | 0.01297 |
| Mn (г/моль) | 7.860 | 8.801 | 24.850 | 0.3569 | 37,010 | 5.037 |
| Mw (г/моль) | 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 (дл/г) | 0.1463 | 0.5835 | 0.3343 | 0.1945 | 0.429 | 0.7332 |
| Rh(ŋ)w (нм) | 2.871 | 1.432 | 5.949 | 0.1864 | 7.436 | 0.8545 |
| М-Н а | 0.6633 | 8.223 | 0.5424 | 14.6 | 0.5521 | 0.515 |
| M-H log K (дл/г) | -3.507 | -6.258 | -2.975 | -12.36 | -3.012 | -0.4615 |
| Восстановление (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Как видно на рисунке 2, кривые вязкости хорошо зависят от молекулярной массы трех образцов. Образец 1 имеет самую низкую молекулярную массу и самую низкую вязкость. Образцы 2 и 3 имеют более высокую молекулярную массу и, соответственно, более высокую вязкость. Такая тенденция изменения молекулярного веса является типичной и соответствует нашим ожиданиям.
Последующее исследование было проведено на PLA и трех различных сополимерах, PLGA (65:25), PLGA (75:25) и PLGA (50:50) 2 из предыдущего набора образцов. Данные по молекулярной массе представлены в таблице 2. Как видно, молекулярные массы образцов варьируются от 11 КДа до 64 КДа.
Таблица 2: Измеренные молекулярные данные для четырех образцов PLA и PLGA, сравниваемых во втором эксперименте
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Измерение | Среднее | % RSD | Среднее | % RSD | Среднее | % RSD | Среднее | % RSD |
| RV (мл) | 20.01 | 0.08247 | 18.53 | 0.05088 | 18.66 | 0.06317 | 18.12 | 0 |
| Mn (г/моль) | 8,083 | 15.92 | 24,850 | 0.3569 | 19,240 | 10.25 | 40,110 | 1.745 |
| Mw (г/моль) | 10,950 | 2.807 | 45,650 | 0.3572 | 34,870 | 1.548 | 64,260 | 0.8879 |
| МВт/МН | 1.369 | 13.14 | 1.837 | 3.96E-04 | 1.821 | 8.709 | 1.607 | 0.8569 |
| IVw (дл/г) | 0.1942 | 1.039 | 0.3343 | 0.1945 | 0.3497 | 1.279 | 0.5631 | 0.2247 |
| Rh(ŋ)w (нм) | 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 (дл/г) | -3.344 | -1.504 | -2.975 | -12.36 | -3.534 | -9.343 | -3.39 | -0.162 |
| Восстановление (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Поскольку эти образцы имеют разный состав, их различные структуры можно сравнить на графике Марка-Хоувинка. График Марка-Хоувинка показывает внутреннюю вязкость в зависимости от молекулярной массы. Он позволяет сравнивать структуры полимеров с разной молекулярной массой. Чаще всего он используется для изучения разветвленности полимеров, но также показывает различия между линейными молекулами с разным составом, как в сополимерах PLA и PLGA. На рисунке 3 показаны наложенные друг на друга диаграммы Марка-Хоувинкаots для четырех образцов. Результаты приведены в двух экземплярах.
Как видно, каждый полимер имеет свою линию на графике Марка-Хоувинка, которая отражает конформацию или плотность молекулы в растворе. На графике видно, что PLA является наиболее открытым/вытянутым из всех образцов. По мере увеличения содержания гликолевой кислоты полимеры становятся все более плотно упакованными в растворе. Внутренняя вязкость - это мера вклада образца в вязкость раствора, поэтому она может не совсем точно коррелировать с вязкостью расплава, но график Марка-Хоувинка показывает четкую тенденцию изменения конформации, зависящую от содержания гликолевой кислоты. Результаты реологии для этих четырех образцов показаны на рисунке 4.
Как видно из данных, в измерениях вязкости расплава прослеживается четкая тенденция, но она не коррелирует с молекулярной массой. В то время как образец PLA обладает самой низкой молекулярной массой и имеет самую низкую вязкость, образец с самой высокой молекулярной массой - PLGA (75:25) - имеет вторую низкую вязкость. Образец PLGA (50:50) имеет самую высокую вязкость, несмотря на то, что у него только вторая по величине молекулярная масса.
Тенденция в данном случае в гораздо большей степени зависит от содержания гликолевой кислоты: образец с наибольшим содержанием гликолевой кислоты имеет самую высокую вязкость, а образец с наименьшим содержанием гликолевой кислоты (PLA) - самую низкую.
Очевидно, что вязкость расплава будет зависеть от комбинации обоих этих параметров, однако четко выраженная корреляция между содержанием гликолевой кислоты и вязкостью, по-видимому, доминирует в общей взаимосвязи.
Стоит отметить, что образец с самой низкой внутренней вязкостью на графике Марка-Хоувинка имеет самую высокую вязкость расплава по данным реологии. Это противоречит ожиданиям, но позволяет найти объяснение. Поскольку молекулы в образце PLGA (50:50) более компактны и плотно упакованы в полимер, у полимерных цепей остается меньше свободного объема для рептации и самоорганизации. Это увеличивает сопротивление течению и, следовательно, вязкость расплава.
Выводы
Данные, представленные в этой заявке, наглядно демонстрируют, как использование дополнительных технологий определения характеристик полимеров может дать превосходное представление о поведении таких полимеров, как PLA и PLGA. Хотя общепринято, что объемные свойства (такие как вязкость расплава) полимеров тесно связаны с молекулярными свойствами (такими как молекулярная масса), другие факторы, такие как состав сополимера, также могут быть значимыми факторами.
В данном исследовании для изучения вязкости расплава использовалась вращательная реология, а для определения молекулярных свойств ряда образцов PLA и PLGA - многодетекторный ГПХ Malvern. Четкая корреляция молекулярной массы наблюдалась для образцов PLGA одинакового состава, но при изменении состава также наблюдалась сильная корреляция для содержания гликолевой кислоты. Подобные выводы можно сделать только при полной характеристике интересующих образцов. Проводя такие измерения, можно полностью понять, как молекулярные свойства влияют на объемные характеристики.
Контролируя такие параметры, специалисты по исследованиюarcи разработчики продуктов могут создавать полимеры с множеством идеальных свойств. Например, для доставки лекарств можно выбрать сополимер PLGA, который обладает хорошей вязкостью расплава для формования, но при этом имеет необходимую скорость деградации для хорошо контролируемого временного высвобождения препарата. Таким образом, можно разработать продукты с лучшими контролируемыми эксплуатационными характеристиками, сниженной частотой отказов и более высокой стоимостью.