Reoloji ve Çoklu Dedektör GPC Kullanarak İşleme Sırasında Polikaprolakton Bozulmasını Anlamak ve En Aza İndirmek

Giriş

Polikaprolakton (PCL), biyolojik olarak parçalanabilirliği sayesinde son zamanlarda artan bir ilgi gören sentetik bir polimerdir. En yaygın kullanımı poliüretan üretiminde veya PVC gibi diğer polimerler için plastikleştirici olarak kullanılır. DüşükErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime sıcaklığı sayesinde kalıplama ve prototiplemede de sıklıkla kullanılır ve bazı eklemeli üretim (3D baskı) sistemlerinde hammadde olarak kullanılır. Son olarak, bazı ilaç dağıtım uygulamalarında polilaktik asit (PLA) veya polilaktiko-glikolik asit (PLGA) ile aynı şekilde bir kontrol salım mekanizması olarak da kullanılır. PLA ve PLGA'ya göre potansiyel bir avantaj, PCL'nin daha yavaş bir bozunma oranına sahip olması ve bu nedenle daha yavaş ilaç salınımına izin verebilmesidir.

Tüm polimerlerde olduğu gibi, PCL'nin moleküler özellikleri (örneğin moleküler ağırlık) mukavemet, tokluk ve eriyik akışı gibi yığın özelliklerini güçlü bir şekilde etkileyecektir. Biyolojik olarak parçalanabilen PCL, kalıplama için ekstrüzyon gibi işlemler sırasında, özellikle de yüksek sıcaklıklarda yüksek bir bozulma riski altındadır. Literatürde bu riski azaltmak için bazı mekanizmalar tanımlanmıştır. Örneğin, karbondioksit (_CO2) varlığında ekstrüzyon, bir 'moleküler yağlayıcı' olarak hareket ederek PCL'nin eriyik akış viskozitesini azaltabilir. Polimerin viskozitesinin azaltılması ekstrüzyonun gerçekleştirilebileceği sıcaklığı düşürür ve böylece polimeri işlem sırasında bozulmaya karşı koruyabilir [1].

Bu uygulama notunda, piyasada bulunan bir PCL örneği tek başına ve_CO2 varlığında ekstrüde edilmiştir. Polimerin eriyik viskozitesini incelemek için rotasyonel reometri kullanılırken, ekstrüzyondan önce ve sonra işlenmemiş numunenin Malvern GPC ölçümleri yapılmıştır.

Yöntemler

PCL numunesi, hem_CO2 varlığında (150°C) hem de yokluğunda (160°C) 1 mm yarıklı bir kalıptan 30 rpm vida hızlarında bir Rondol tezgah üstü ekstrüder kullanılarak ekstrüde edilmiştir [1].

Numunelerin eriyik viskoziteleri ayrıca Kinexus Ultra+ rotasyonel reometrede 150°C'de aktif başlık peltier plaka kartuşu ve 20 mm çapında ve 1 mm ölçüm aralığına sahip paralel plakalar kullanılarak ölçülmüştür. Numunenin kompleks viskozitesini belirlemek için bir frekans taraması gerçekleştirilmiştir. Ölçüm, oksidatif bozulma riskini azaltmak için azot tahliyesi altında gerçekleştirilmiştir.

Üç numune, kırılma indisi (RI), UV-Vis, ışık saçılması (dik açılı ışık saçılması (RALS) ve düşük açılı ışık saçılması (LALS)) ve viskozimetre (IV) dedektörlerini içeren bir Malvern OMNISEC sisteminde çok dedektörlü GPC ile ölçülmüştür. Örnekler yaklaşık 3 mg/ml konsantrasyona kadar çözülmüş ve iki Malvern T6000M karışık yataklı SVB kolonu üzerinde ayrılmıştır.

Test Sonuçları

Şekil 1'de işlenmemiş PCL numunesinin kromatogramı gösterilmektedir. Görülebileceği gibi, numune iyi çözülmüştür ve sinyal-gürültü tüm dedektörlerde iyidir. Kromatogram, ölçülen moleküler ağırlık ve içsel viskozitelerle üst üste bindirilmiştir.

Şekil 2, işlenmemiş, ekstrüde edilmiş ve_CO2 ile ekstrüde edilmiş numuneler için RI, RALS ve viskozimetre dedektörlerinin üst üste bindirilmiş hallerini göstermektedir. Kromatogramlar, her bir numunenin üst üste bindirilmiş üç kopya ölçümünü göstermektedir. Small farklı dedektörlerde farklılıklar görülebilir. Farklılıklar small görünse de ölçümlerin tekrarlanabilirliği mükemmeldir.

Tablo 1 bu numuneler için hesaplanan sayısal sonuçları göstermektedir. İşlenmemiş PCL'nin ölçülen ortalama moleküler ağırlığı 114,6 KDa'dır. Ekstrüzyondan sonra bu 103,8 KDa'ya düşmüştür; ancak_CO2 doğrudan ekstrüderin namlusuna enjekte edildiğinde, ekstrüzyonun 10°C daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleşmesini sağlamıştır._CO2 kullanımının ve daha düşük ekstrüzyon sıcaklığının net etkisi, polimerin bozunmasını yaklaşık %40 oranında azaltmak ve moleküler ağırlığı 108,1 KDa'da tutmak olmuştur. Benzer, ancak daha az iyi tanımlanmış bir eğilim, numuneler için içsel viskozite ve hidrodinamik yarıçap gibi ölçülen diğer parametrelerde de gözlenmiştir.

Numuneler daha sonra yığın özelliklerinin (eriyik viskozitesi) bu moleküler değişikliklerden nasıl etkilendiğini görmek için bir rotasyonel reometrede ölçülmüştür. Eriyik viskozitesi tipik olarak bir numunenin moleküler ağırlığına güçlü bir şekilde bağlıdır. Aynı eğilimin rotasyonel reoloji verilerinde de mevcut olduğu görülmektedir.

Tablo 1: Çoklu dedektör SEC aracılığıyla üç PLC numunesi için ölçülen sonuçlar

Şekil 3'te görülebileceği gibi, işlenmemiş PCL en yüksek eriyik viskozitesine sahiptir._CO2 yokluğunda ekstrüde edilen numune daha düşük bir eriyik viskozitesine sahiptir. Bu durum, numunenin_CO2 varlığında daha düşük bir ekstrüzyon sıcaklığında ekstrüde edilmesiyle kısmen hafifletilmiştir.

Son olarak, ekstrüzyonun bir sonucu olarak PCL yapısında herhangi bir değişiklik olup olmadığını görmek için çoklu dedektör GPC verileri incelenmiştir. Mark-Houwink grafiği, moleküler ağırlığın bir fonksiyonu olarak içsel viskoziteyi gösterir ve bu nedenle moleküler yapı ve konformasyondaki değişiklikleri değerlendirmek için kullanılabilir. En yaygın olarak polimer dallanma çalışmalarında kullanılır.

PCL numuneleri için Mark-Houwink grafiğine ilk bakışta iyi örtüştükleri ve polimer yapısında herhangi bir değişiklik olmadığı görülmektedir. Bununla birlikte, daha yakından incelendiğinde,_CO2 yokluğunda ekstrüde edilen numunenin (yani en çok bozunmuş olanın) yapısında da bir small değişiklik olduğu görülmektedir. Şekil 4, bu son derece small ancak net farkın tekrarlanabilirliğini gösteren üçlü ölçümlerin üst üste bindirilmesini göstermektedir.

Bu değişiklik numune dallanmasının bozulmasından kaynaklanıyor olabilir, ancak bu numunenin doğrusal olduğuna inanılıyordu. Ayrıca, deneylerden önce kurutulmamış olan polimerin bir miktar hidrasyonundan kaynaklanan small farklılıklarla da ilgili olabilir. Bununla birlikte, bu bulgu daha ileri potansiyel araştırmalar için ilginç bir yol sağlamaktadır.

Sonuçlar

Bu uygulama notunda gösterilen sonuçlar, işleme koşullarının PCL gibi bir polimerin hem temel hem de yığın özelliklerini nasıl etkileyebileceğini göstermektedir. Burada, bir PCL numunesinin moleküler ağırlığı ve eriyik viskozitesinin, numune 150°C'de_CO2 yokluğunda ekstrüde edildiğinde düştüğü görülmüştür. Bununla birlikte, bunun etkisi ekstrüzyon işlemi sırasında_CO2 'nin dahil edilmesiyle kısmen hafifletilmiştir._CO2, numune içindeki bazı moleküllerle etkileşime girerek, numunenin viskozitesini azaltmak için etkili bir şekilde 4'moleküler yağlayıcı' görevi görür. Bunu yaparken, PCL'nin daha düşük bir sıcaklıkta ekstrüde edilebileceği anlamına gelir ve bu da polimeri gözlemlenen bozulmanın bir kısmından korur.

Bu fark, çok dedektörlü GPC kullanılarak moleküler düzeyde ve rotasyonel reometri kullanılarak yığın düzeyinde başarıyla gözlemlenmiştir. Bu şekilde, her iki teknoloji de moleküler seviyedeki değişiklikleri nihai üründe gözlemlenenlerle ilişkilendirmek için kullanılabilir.

Daha düşük bir moleküler ağırlıktan kaynaklanan düşük eriyik viskozitesinin bu numune ile üretilen herhangi bir kalıbı etkilemesi muhtemeldir. Aynı zamandaKristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik ve mekanik özellikleri de etkilemesi muhtemeldir ve daha sonra, ilaç dağıtım uygulamaları söz konusu olduğunda, ilaç salım zamanlamalarını etkileyecektir. Bu nedenle, bu numuneden üretilen ürünlerin daha geniş performans toleranslarına ve daha fazla varyasyona sahip olması muhtemeldir. Öte yandan,_CO2 ile ekstrüzyon sayesinde bu etki azaltılmıştır ve bu prosedürün kullanılması muhtemelen ürünün performansını koruyacaktır.

Polimeri karakterize etmek için birden fazla teknolojinin kullanılması, ekstrüzyon ve işleme sırasında polimerde meydana gelen temel değişikliklerin net bir şekilde ölçülmesini ve anlaşılmasını sağlar. Üreticiler,_CO2 ile ekstrüzyon gibi stratejilerle bu değişiklikleri anlayıp kontrol ederek daha yüksek ürün kalitesi ve ürün kalitesi üzerinde daha sıkı kontrol sağlayabilir, arızaları azaltabilir ve ürün değerini artırabilir.