Molekylär- och bulkkarakterisering av PLA- och PLGA-prover med hjälp av reometri och multidetektor-GPC - Undersökning av förhållandet mellan molekylära egenskaper och reologiska bulkegenskaper hos biologiskt nedbrytbara polymerer

Inledning

Poly(mjölksyra) (PLA) är en biologiskt nedbrytbar polymer som framställs av naturresurser som majsstärkelse och som har fått stor uppmärksamhet under de senaste åren. Det är en av de vanligaste biologiskt nedbrytbara polymererna på marknaden eftersom den är lättillgänglig, har låg produktionskostnad och är en verkligt förnybar polymer när den utvinns ur naturliga, hållbara källor. Mjölksyra kombineras ofta med glykolsyra för att bilda sampolymeren poly(mjölksyra-glykolsyra) (PLGA), som kan ha varierande sammansättning av mjölksyra och glykolsyra. Eftersom det är en mångsidig polymer används den i en mängd olika applikationer, från additiv tillverkning (3D-printing) till engångsbestick, biologiskt nedbrytbara suturer, läkemedelstillförsel eller som biologiskt nedbrytbara förpackningar.

Det är allmänt erkänt att polymerers bulkegenskaper är starkt beroende av deras molekylära egenskaper. Oftast antas den starkaste bestämningsfaktorn för en polymers styrka vara dess molekylvikt.

I sampolymerer som PLGA är det emellertid också troligt att sampolymersammansättningen också starkt påverkar dessa egenskaper.

I den här applikationsnoten används Malvern-teknik för att undersöka förhållandet mellan molekyl- och bulkegenskaperna hos PLA och PLGA. Rotationsreologi används för att studera smältviskositet, medan molekylvikt och intrinsisk viskositet mäts med Malvern multidetektor GPC.

Metoder

Sex prover av kommersiellt tillgängliga ämnen mättes, däribland

• PLA
• PLGA med 75 % LA och 25 % GA (PLGA (75:25))
• PLGA med 65 % LA och 35 % GA (PLGA (63:35))
• Tre prover av PLGA med 50% LA och 50% GA (PLGA (50:50)) med olika molekylvikter.
  

För rotationsreologin karakteriserades proverna med hjälp av en Kinexus Ultra+ rotationsreometer. Proverna mättes vid 150°C med hjälp av en peltierplattpatron med aktiv huva och en parallellplatta med 20 mm geometri. Eftersom PLA är biologiskt nedbrytbart är det känsligt för nedbrytning, och därför utfördes mätningarna med kväve för att minska risken för oxidativ nedbrytning under analysen.

För Malvern multidetektor GPC löstes proverna upp i THF och separerades över två Malvern T6000M SVB-kolonner med blandad bädd. GPC kördes på ett Malvern OMNISEC-system inklusive brytningsindex (RI), ljusspridning (rätvinklig ljusspridning (RALS) och lågvinklig ljusspridning (LALS)) och viskosimeterdetektorer.

Testresultat

Två experiment utfördes. I det första experimentet mättes tre prover av PLGA (50:50) med rotationsreometri och med GPC med flera detektorer. Ett representativt kromatogram av "PLGA (50:50) 2" visas i figur 1.

I tabell 1 sammanfattas resultaten för de tre proverna. Proverna mättes i duplikat. Som framgår fanns det betydande skillnader i molekylvikterna för de tre proverna, från T11 KDa till 69 KDa. Kinexus rotationsreometer användes sedan för att studera smältviskositeten vid "nollskjuvning", som normalt antas korrelera med ett provs molekylvikt.

Tabell 1: Uppmätta molekylära data för PLGA (50:50)-proverna i det första experimentet

Som framgår av figur 2 följer viskositetskurvorna molekylvikten väl för de tre proverna. Prov 1 har den lägsta molekylvikten och den lägsta viskositeten. Prov 2 och 3 har högre molekylvikt och motsvarande högre viskositet. Den här typen av molekylviktstrend är typisk och stämmer väl överens med våra förväntningar.

En efterföljande studie utfördes sedan på PLA och tre olika sampolymerer, PLGA (65:25), PLGA (75:25) och PLGA (50:50) 2 från den tidigare provuppsättningen. Molekylviktsdata visas i tabell 2. Som framgår varierar molekylvikterna för proverna mellan 11 KDa och 64 KDa.

Tabell 2: Uppmätta molekylära data för de fyra PLA- och PLGA-proverna som jämfördes i det andra experimentet

Eftersom dessa prover har olika sammansättning kan deras olika strukturer jämföras i ett Mark-Houwink-diagram. Ett Mark-Houwink-diagram visar intrinsikala viskositeten som en funktion av molekylvikten. Det gör det möjligt att jämföra polymerstrukturer vid en rad olika molekylvikter. Det används oftast för att studera polymerförgreningar, men visar också skillnader mellan linjära molekyler med olika sammansättning, som i PLA- och PLGA-sampolymererna. Figur 3 visar överlagrade Mark-Houwink-plottar för de fyra proverna. Resultaten visas i duplikat.

Som synes har varje polymer sin egen linje i Mark-Houwink-diagrammet, som representerar molekylens konformation, eller TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet, i lösning. Diagrammet här visar att PLA är det mest öppna/förlängda av proverna. När glykolsyrainnehållet ökar blir polymererna alltmer tätt packade i lösningen. Intrinsisk viskositet är ett mått på ett provs bidrag till lösningens viskositet och korrelerar därför kanske inte exakt med smältviskositeten, men Mark-Houwink-diagrammet visar en tydlig trend i konformation som är beroende av glykolsyrahalten. Reologiresultaten för dessa fyra prover visas i figur 4.

Som framgår av data finns det en tydlig trend i mätningarna av smältviskositeten, men denna korrelerar inte med molekylvikten. Medan PLA-provet har den lägsta molekylvikten och har den lägsta viskositeten, är provet med den högsta molekylvikten PLGA (75:25) som har den näst lägsta viskositeten. PLGA (50:50)-provet har den högsta viskositeten trots att det bara har den näst högsta molekylvikten.

Trenden i detta fall verkar vara mycket mer beroende av glykolsyrainnehållet, där provet med högst glykolsyrainnehåll uppvisar högst viskositet och provet med lägst glykolsyra (PLA) uppvisar lägst viskositet.

Det är uppenbart att smältviskositeten beror på en kombination av båda dessa parametrar, men den väldefinierade korrelationen mellan glykolsyrahalt och viskositet verkar dominera det övergripande förhållandet.

Det är värt att notera att det prov som har den lägsta intrinsikala viskositeten i Mark-Houwink-diagrammet har den högsta smältviskositeten enligt reologidata. Detta var tvärtemot förväntningarna men antyder en förklaring. Eftersom molekylerna i PLGA (50:50)-provet är mer kompakta och tätt packade i polymeren finns det mindre fri volym för polymerkedjorna att reptatera och organisera sig på. Detta ökar därför deras flödesmotstånd och därefter deras smältviskositet.

Slutsatser

De data som presenteras i den här applikationsnoten visar på ett elegant sätt hur användningen av kompletterande polymerkarakteriseringstekniker kan ge utmärkta insikter i beteendet hos polymerer som PLA och PLGA. Även om det är allmänt accepterat att polymerers bulkegenskaper (t.ex. smältviskositet) är starkt kopplade till molekylära egenskaper (t.ex. molekylvikt) kan andra faktorer, t.ex. sampolymersammansättning, också vara viktiga faktorer.

I denna studie användes rotationsreologi för att studera smältviskositet medan Malvern GPC med flera detektorer användes för att karakterisera de molekylära egenskaperna hos en serie PLA- och PLGA-prover. En tydlig molekylviktskorrelation sågs för PLGA-prover med samma sammansättning, men när sammansättningen varierades observerades även en stark korrelation för glykolsyrainnehållet. Den här typen av insikter kan bara observeras med en fullständig karakterisering av intressanta prover. Genom att göra sådana mätningar är det möjligt att fullt ut förstå hur de molekylära egenskaperna påverkar bulkprestandan.

Genom att kontrollera sådana parametrar kan forskare och produktutvecklare utveckla polymerer med flera idealiska egenskaper. För läkemedelstillförsel kan man t.ex. välja en PLGA-sampolymer som har god smältviskositet för gjutning, men som också har den nedbrytningshastighet som krävs för en välkontrollerad tidsbestämd frisättning av läkemedlet. På så sätt kan produkter utvecklas som har bättre kontrollerade prestandaegenskaper, lägre felfrekvens och högre värde.