Giriş
Poli(laktik asit) (PLA), mısırarch gibi doğal kaynaklardan elde edilen ve son yıllarda büyük ilgi gören biyolojik olarak parçalanabilen bir polimerdir. Bulunabilirliği, düşük üretim maliyeti ve doğal sürdürülebilir kaynaklardan elde edildiğinde gerçekten yenilenebilir bir polimer olması nedeniyle piyasadaki en yaygın biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerden biridir. Laktik asit genellikle glikolik asit ile birleştirilerek laktik ve glikolik asitlerin farklı bileşimlerine sahip olabilen kopolimer poli(laktik-koglikolik asit) (PLGA) oluşturulur. Çok yönlü bir polimer olarak, katkılı üretimden (3D baskı) tek kullanımlık çatal bıçak takımına, biyolojik olarak parçalanabilir dikişlere, ilaç dağıtımına veya biyolojik olarak parçalanabilir ambalajlara kadar çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır.
Polimerlerin yığın özelliklerinin büyük ölçüde moleküler özelliklerine bağlı olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir. En yaygın olarak, bir polimerin mukavemetinin en güçlü belirleyicisinin moleküler ağırlığı olduğu varsayılır.
Bununla birlikte, PLGA gibi kopolimerlerde, kopolimer bileşiminin de bu özellikleri güçlü bir şekilde etkilemesi muhtemeldir.
Bu uygulama notunda PLA ve PLGA'nın moleküler ve yığın özellikleri arasındaki ilişkiyi keşfetmek için Malvern teknolojileri de kullanılmaktadır. Eriyik viskozitesini incelemek için rotasyonel reoloji kullanılırken, moleküler ağırlık ve içsel viskozite Malvern multidetektör GPC kullanılarak ölçülür.
Yöntemler
Ticari olarak temin edilebilen maddelerden altı örnek ölçülmüştür:
- PLA
- 75 LA ve %25 GA içeren PLGA (PLGA(75:25))
- 65 LA ve %35 GA içeren PLGA (PLGA (63:35))
- Farklı molekül ağırlıklarına sahip %50 LA ve %50 GA (PLGA (50:50)) içeren üç PLGA örneği.
Rotasyonel reoloji için numuneler Kinexus Ultra+ rotasyonel reometre kullanılarak karakterize edilmiştir. Örnekler, 20 mm geometriye sahip paralel plakalı bir aktif başlık peltier plaka kartuşu kullanılarak 150°C'de ölçülmüştür. PLA'nın doğası gereği biyolojik olarak parçalanabilir olması nedeniyle bozunmaya karşı hassastır ve bu nedenle analiz sırasında oksidatif bozunma riskini azaltmak için ölçümler nitrojen ile temizlenirken gerçekleştirilmiştir.
Malvern çoklu dedektör GPC için numuneler THF içinde çözülmüş ve iki Malvern T6000M karışık yataklı SVB kolonu boyunca ayrılmıştır. GPC, kırılma indisi (RI), ışık saçılması (dik açılı ışık saçılması (RALS) ve düşük açılı ışık saçılması (LALS)) ve viskozimetre dedektörlerini içeren bir Malvern OMNISEC sisteminde çalıştırılmıştır.
Test Sonuçları
İki deney gerçekleştirilmiştir. İlk deneyde, üç PLGA(50:50) numunesi rotasyonel reometri ve çoklu dedektör GPC ile ölçülmüştür. 'PLGA (50:50) 2' için temsili bir kromatogram şekil 1'de gösterilmiştir.
Tablo 1 üç numunenin sonuçlarını özetlemektedir. Örnekler iki kopya olarak ölçülmüştür. Görülebileceği gibi, üç numunenin moleküler ağırlıkları arasında T11 KDa ile 69 KDa arasında değişen önemli farklılıklar vardı. Kinexus rotasyonel reometre daha sonra tipik olarak bir numunenin moleküler ağırlığı ile ilişkili olduğu varsayılan 'sıfır-kesme' eriyik viskozitesini incelemek için kullanılmıştır.
Tablo 1: İlk deneyde PLGA (50:50) numuneleri için ölçülen moleküler veriler
PLGA (50:50) 1 | PLGA (50:50) 2 | PLGA (50:50) 3 | ||||
| Ölçüm | Ortalama | rSD % | Ortalama | rSD % | Ortalama | 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 |
| Geri kazanım (%) | 106.3 | 0.2094 | 103.6 | 0.5221 | 102.9 | 0.04942 |
Şekil 2'de görülebileceği gibi, viskozite eğrileri üç numunenin moleküler ağırlığı ile iyi bir eğilim göstermektedir. Numune 1 en düşük moleküler ağırlığa ve en düşük viskoziteye sahiptir. Numune 2 ve 3 daha yüksek moleküler ağırlığa ve buna bağlı olarak daha yüksek viskoziteye sahiptir. Bu tür bir moleküler ağırlık eğilimi tipiktir ve beklentilerimize uygundur.
Daha sonra PLA ve üç farklı kopolimer, PLGA (65:25), PLGA (75:25) ve önceki numune setinden PLGA (50:50) 2 üzerinde bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Moleküler ağırlık verileri tablo 2'de gösterilmiştir. Görülebileceği gibi, numunelerin molekül ağırlıkları 11 KDa ile 64 KDa arasında değişmektedir.
Tablo 2: İkinci deneyde karşılaştırılan dört PLA ve PLGA örneği için ölçülen moleküler veriler
PLA | PLGA (50:50) 2 | PLGA (65:35) | PLGA (75:25) | |||||
| Ölçüm | Ortalama | rSD % | Ortalama | rSD % | Ortalama | rSD % | Ortalama | 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 |
| Geri kazanım (%) | 93.08 | 0.6369 | 103.6 | 0.5221 | 100 | 1.13 | 89.34 | 0.2382 |
Bu numuneler farklı bileşimlere sahip olduğundan, farklı yapıları bir Mark-Houwink grafiğinde karşılaştırılabilir. Mark-Houwink grafiği, moleküler ağırlığın bir fonksiyonu olarak içsel viskoziteyi gösterir. Polimer yapılarının bir dizi moleküler ağırlıkta karşılaştırılmasına olanak tanır. En yaygın olarak polimer dallanmasını incelemek için kullanılır, ancak PLA ve PLGA kopolimerlerinde olduğu gibi farklı bileşimlere sahip doğrusal moleküller arasındaki farkları da gösterir. Şekil 3'te dört numune için üst üste bindirilmiş Mark-Houwink plots gösterilmektedir. Sonuçlar çift olarak gösterilmiştir.
Görülebileceği gibi, her polimerin Mark-Houwink grafiğinde, molekülün çözeltideki konformasyonunu veya yoğunluğunu temsil eden kendi çizgisi vardır. Buradaki çizim PLA'nın örnekler arasında en açık/genişlemiş olanı olduğunu göstermektedir. Glikolik asit içeriği arttıkça, polimerler çözelti içinde giderek daha yoğun bir şekilde paketlenir. İçsel viskozite, bir numunenin çözelti viskozitesine katkısının bir ölçüsüdür, bu nedenle eriyik viskozitesi ile tam olarak ilişkili olmayabilir, ancak Mark-Houwink grafiği, glikolik asit içeriğine bağlı olan konformasyonda net bir eğilim göstermektedir. Bu dört numune için reoloji sonuçları şekil 4'te gösterilmiştir.
Verilerde görülebileceği gibi, eriyik viskozitesi ölçümlerinde net bir eğilim vardır, ancak bu moleküler ağırlıkla ilişkili değildir. PLA numunesi en düşük moleküler ağırlığa ve en düşük viskoziteye sahipken, en yüksek moleküler ağırlığa sahip numune ikinci en düşük viskoziteye sahip olan PLGA'dır (75:25). PLGA (50:50) numunesi sadece ikinci en yüksek moleküler ağırlığa sahip olmasına rağmen en yüksek viskoziteye sahiptir.
Bu durumdaki eğilim daha çok glikolik asit içeriğine bağlı görünmektedir; en yüksek glikolik asit içeriğine sahip numune en yüksek viskoziteyi gösterirken en az glikolik asit içeren numune (PLA) en düşük viskoziteyi göstermektedir.
Eriyik viskozitesinin bu parametrelerin her ikisinin kombinasyonuna bağlı olacağı açıktır, ancak glikolik asit içeriği ile viskozite arasındaki iyi tanımlanmış korelasyonun genel ilişkiye hakim olduğu görülmektedir.
Mark-Houwink grafiğinde en düşük içsel viskoziteye sahip numunenin reoloji verilerine göre en yüksek eriyik viskozitesine sahip olduğunu belirtmek gerekir. Bu beklentilerin aksine bir durumdur ancak bir açıklama önermektedir. PLGA (50:50) numunesindeki moleküller polimer içinde daha kompakt ve yoğun bir şekilde paketlendiğinden, polimer zincirlerinin reptasyon yapması ve kendilerini organize etmesi için daha az serbest hacim vardır. Bu da akmaya karşı direnci ve dolayısıyla eriyik viskozitesini artırmaktadır.
Sonuçlar
Bu uygulama notunda sunulan veriler, tamamlayıcı polimer karakterizasyon teknolojilerinin kullanımının PLA ve PLGA gibi polimerlerin davranışları hakkında nasıl mükemmel bilgiler sunabileceğini zarif bir şekilde göstermektedir. Polimerlerin yığın özelliklerinin (eriyik viskozitesi gibi) moleküler özelliklerle (moleküler ağırlık gibi) güçlü bir şekilde bağlantılı olduğu yaygın olarak kabul edilmekle birlikte, kopolimer bileşimi gibi diğer faktörler de önemli faktörler olabilir.
Bu çalışmada, eriyik viskozitesini incelemek için rotasyonel reoloji kullanılırken, bir dizi PLA ve PLGA numunesinin moleküler özelliklerini karakterize etmek için Malvern çok dedektörlü GPC kullanılmıştır. Aynı bileşime sahip PLGA numuneleri için net bir moleküler ağırlık korelasyonu görülmüştür, ancak bileşim de değiştirildiğinde, glikolik asit içeriği için güçlü bir korelasyon gözlenmiştir. Bu tür bilgiler ancak ilgilenilen numunelerin tam karakterizasyonu ile gözlemlenebilir. Bu tür ölçümler yapıldığında, moleküler özelliklerin yığın performansını nasıl etkilediğini tam olarak anlamak mümkündür.
Bu tür parametreleri kontrol ederek,arcve ürün geliştiricileri birden fazla ideal özelliğe sahip polimerler geliştirebilir. Örneğin, bir PLGA kopolimeri, kalıplama için iyi bir eriyik viskozitesine sahip olan ancak aynı zamanda ilacın iyi kontrol edilen zamanlı salınımı için gerekli bozunma oranlarına sahip olan bir ilaç dağıtım uygulaması için seçilebilir. Böylece daha iyi kontrol edilen performans özelliklerine, daha düşük arıza oranlarına ve daha yüksek değere sahip ürünler geliştirilebilir.