Förstå och minimera nedbrytning av polykaprolakton under bearbetning med hjälp av reologi och GPC med flera detektorer

Inledning

Polykaprolakton (PCL) är en syntetisk polymer som på senare tid har fått allt större uppmärksamhet tack vare sin biologiska nedbrytbarhet. Den vanligaste användningen är vid tillverkning av polyuretaner eller som mjukgörare för andra polymerer, t.ex. PVC. Den används också ofta vid gjutning och prototyptillverkning tack vare sin låga Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur och används som råvara i vissa system för additiv tillverkning (3D-printing). Slutligen används den också i vissa läkemedelstillämpningar som en kontrollerad frisättningsmekanism, på samma sätt som polymjölksyra (PLA) eller polylaktisk koglykolsyra (PLGA). En potentiell fördel jämfört med PLA och PLGA är att PCL har en långsammare nedbrytningshastighet och därför kan möjliggöra en långsammare frisättning av läkemedel.

Som med alla polymerer kommer PCL:s molekylära egenskaper (t.ex. molekylvikt) att starkt påverka dess bulkegenskaper som styrka, seghet och smältflöde. PCL är biologiskt nedbrytbart och löper därför stor risk att brytas ned under processer som extrudering och gjutning, särskilt vid höga temperaturer. Vissa mekanismer har beskrivits i litteraturen för att minska denna risk. Extrudering i närvaro av koldioxid (_CO2) kan t.ex. minska PCL:s viskositet i smältflödet genom att fungera som ett "molekylärt smörjmedel". Genom att minska polymerens viskositet sänks den temperatur vid vilken extruderingen kan utföras och polymeren kan därmed skyddas från nedbrytning under processen [1].

I den här applikationsnoten extruderades ett kommersiellt tillgängligt PCL-prov ensamt och i närvaro av_CO2. Rotationsreometri användes för att studera polymerens smältviskositet, medan Malvern GPC-mätningar gjordes av det jungfruliga provet före och efter extrudering.

Metoder

PCL-provet extruderades med hjälp av en Rondol bordsextruder med skruvhastigheter på 30 rpm genom en 1 mm slitsad matris både i närvaro (150 °C) och frånvaro (160 °C) av_CO2 [1].

Provernas smältviskositet mättes också på en Kinexus Ultra+ rotationsreometer med en peltierplattpatron med aktiv huva vid 150 °C och parallella plattor med en diameter på 20 mm och en mätspalt på 1 mm. Ett frekvenssvep utfördes för att bestämma provets komplexa viskositet. Mätningen utfördes under kvävgasrening för att minska risken för oxidativ nedbrytning.

De tre proverna mättes med multidetektor-GPC på ett Malvern OMNISEC-system med detektorer för brytningsindex (RI), UV-Vis, ljusspridning (rätvinklig ljusspridning (RALS) och lågvinklig ljusspridning (LALS)) och viskosimeter (IV). Proverna löstes upp till koncentrationer på ca 3 mg/ml och separerades över två Malvern T6000M SVB-kolonner med blandad bädd.

Testresultat

Figur 1 visar ett kromatogram av det jungfruliga PCL-provet. Som synes är provet väl upplöst och signal/brusförhållandet är bra i alla detektorer. Kromatogrammet har överlagrats med uppmätt molekylvikt och intrinsikala viskositeter.

Figur 2 visar överlagringar av RI-, RALS- och viskosimeterdetektorerna för de jungfruliga, extruderade och extruderade med_CO2-proverna. Kromatogrammen visar tredubbla mätningar av varje prov som överlagrats. Small skillnader är synliga på de olika detektorerna. Även om skillnaderna verkar small är mätningarnas repeterbarhet utmärkt.

Tabell 1 visar de beräknade numeriska resultaten för dessa prover. Den jungfruliga PCL har en genomsnittlig uppmätt molekylvikt på 114,6 KDa. Efter extrudering har den sjunkit till 103,8 KDa, men när_CO2 injicerades direkt i extruderns cylinder kunde extruderingen ske vid en temperatur som var 10°C lägre. Nettoeffekten av användningen av_CO2 och den lägre extruderingstemperaturen var att nedbrytningen av polymeren minskade med cirka 40% och att molekylvikten bibehölls på 108,1 KDa. En liknande, men mindre väldefinierad trend observeras i andra uppmätta parametrar som intrinsikal viskositet och hydrodynamisk radie för proverna.

Proverna mättes sedan på en rotationsreometer för att se hur deras bulkegenskaper (smältviskositet) påverkades av dessa molekylära förändringar. Smältviskositeten är vanligtvis starkt beroende av ett provs molekylvikt. Samma trend verkar finnas i data från rotationsreologin.

Tabell 1: Mätresultat för de tre PLC-proverna med hjälp av multidetektorn SEC

Som framgår av figur 3 har den jungfruliga PCL:n den högsta smältviskositeten. Provet som extruderats i frånvaro av_CO2 har en lägre smältviskositet. Detta kan delvis mildras genom att provet extruderas i närvaro av_CO2 vid en lägre extruderingstemperatur.

Slutligen studerades GPC-data med flera detektorer för att se om det skett några förändringar i PCL-strukturen till följd av extruderingen. Mark-Houwink-diagrammet visar intrinsikala viskositeten som en funktion av molekylvikten och kan därför användas för att bedöma förändringar i molekylstruktur och konformation. Det används oftast vid studier av polymerförgreningar.

Vid första anblicken av Mark-Houwink-diagrammet för PCL-proverna ser det ut som om de överlagrar varandra väl och att det inte finns några förändringar i polymerstrukturen. Vid närmare granskning visar det sig dock att det prov som extruderats utan någon_CO2 (dvs. det mest nedbrutna) också har genomgått en strukturförändring small. Figur 4 visar en överlagring av tredubbla mätningar som visar att denna extremt small men tydliga skillnad är repeterbar.

Denna förändring kan bero på en försämring av provets förgrening, men detta prov ansågs vara linjärt. Det skulle också kunna vara relaterat till small skillnader som orsakas av viss hydrering av polymeren, som inte torkades ut före experimenten. Detta resultat utgör dock en intressant möjlighet för ytterligare potentiella undersökningar.

Slutsatser

Resultaten i denna applikationsnot visar hur processförhållandena kan påverka både de underliggande egenskaperna och bulkegenskaperna hos en polymer som PCL. Här kunde man se att molekylvikten och smältviskositeten för ett PCL-prov sjönk när provet extruderades i frånvaro av_CO2 vid 150°C. Effekten av detta mildrades dock delvis genom att_CO2 tillsattes under extruderingsprocessen. Genom att interagera med några av molekylerna i provet fungerar_CO2 effektivt som ett 4"molekylärt smörjmedel" för att minska provets viskositet. På så sätt innebär det att PCL kan extruderas vid en lägre temperatur, vilket i sin tur skyddar polymeren från en del av den observerade nedbrytningen.

Denna skillnad observerades framgångsrikt på molekylnivå med hjälp av GPC med flera detektorer och på bulknivå med hjälp av rotationsreometri. På så sätt kan båda teknikerna användas för att korrelera förändringar på molekylär nivå med dem som observeras i slutprodukten.

Den minskade smältviskositeten som följer av en lägre molekylvikt kommer sannolikt att påverka alla gjutformar som tillverkas med detta prov. Det är också sannolikt att kristalliniteten och de mekaniska egenskaperna påverkas, vilket i sin tur, när det gäller applikationer för läkemedelstillförsel, skulle påverka tidpunkten för frisättning av läkemedlet. Alla produkter som tillverkas av detta prov kommer därför sannolikt att ha bredare prestandatoleranser och större variation. Genom att extrudera med_CO2 mildrades å andra sidan denna effekt och genom att använda detta förfarande skulle produktens prestanda sannolikt skyddas.

Användningen av flera olika tekniker för att karakterisera polymeren möjliggör en tydlig mätning och förståelse av de underliggande förändringar som sker med polymeren under extrudering och bearbetning. Genom att förstå och kontrollera dessa förändringar med hjälp av strategier som extrudering med_CO2 kan tillverkarna upprätthålla en högre produktkvalitet och en striktare kontroll av produktkvaliteten, vilket minskar antalet fel och ökar produktvärdet.