La cromatografía por permeación en gel (GPC, por sus siglas en inglés) ha sido una técnica fundamental en la investigación y la industria de polímeros durante décadas. Esta técnica se utiliza principalmente para determinar el peso molecular y la distribución de peso molecular en muestras de polímeros.

La incorporación de detectores de dispersión de luz en línea y viscosímetros permitió la implementación de la GPC con detección triple, utilizada para determinar el peso molecular absoluto, el tamaño y la estructura de una muestra.

El sistema GPC de detección múltiple OMNISEC, de Malvern Panalytical, es una herramienta moderna, fácil de usar y mejorada. Este sistema cuenta con detectores de dispersión de luz y de índice de refracción (RI) altamente sensibles, proporcionando mediciones precisas en una amplia variedad de macromoléculas.

Con el desarrollo del sistema Waters ACQUITY Advanced Polymer Chromatography (APC), se han logrado avances significativos en cromatografía, permitiendo análisis de GPC de alta resolución y alta velocidad. Al combinar el potente sistema de detección múltiple OMNISEC REVEAL con el ACQUITY APC, es posible analizar polímeros mediante GPC avanzada, con mejoras en resolución, reducción en la concentración de muestras, menor uso de solventes y tiempos de análisis más cortos.

Evolución paralela de la GPC y la investigación en polímeros

La investigación sobre copolímeros en bloque ha crecido rápidamente desde la década de 1980, debido a su capacidad para formar sistemas ordenados complejos, lo que ha conducido a aplicaciones en múltiples campos. La autoensamblaje dirigido por cristalización de copolímeros en bloque en estado sólido ha permitido la comercialización de muchos copolímeros "en bloque" como elastómeros termoplásticos. Estos elastómeros se emplean como recubrimientos externos para fibras ópticas, adhesivos y en tecnologías de órganos artificiales.

Una aplicación potencialmente revolucionaria que actualmente está en investigación es el uso de copolímeros en bloque como vehículos para la liberación de fármacos. Los copolímeros en bloque se autoensamblan formando micelas que encapsulan tanto el bloque hidrofóbico como los fármacos hidrofóbicos. Este sistema de entrega dirigida no solo aumenta la eficacia del medicamento, sino que también reduce los efectos secundarios al evitar que los fármacos tóxicos lleguen a lugares no deseados.

Identificación de impurezas en copolímeros en bloque

La síntesis de este tipo de materiales se lleva a cabo mediante técnicas de polimerización que a menudo generan subproductos no deseados. La presencia de polímeros diferentes al copolímero en bloque objetivo puede comprometer el desempeño de la aplicación final, por lo que es crucial identificar estas impurezas. Por ejemplo, las impurezas de bloques simples pueden surgir debido a una iniciación deficiente durante la extensión de la cadena del bloque A o a una iniciación exógena no deseada del bloque B. Estas impurezas suelen ser difíciles de identificar mediante técnicas a granel como la resonancia magnética nuclear (RMN).

No obstante, utilizando la técnica de detección múltiple del sistema OMNISEC REVEAL combinado con el ACQUITY APC, es posible caracterizar diversos parámetros poliméricos en una sola medición rápida. Dos de estos parámetros, el peso molecular absoluto y la viscosidad intrínseca, se combinan para generar gráficos de Mark-Houwink, que permiten identificar diferencias químicas y estructurales entre muestras de polímeros.

A menudo, la detección de impurezas en copolímeros en bloque se basa únicamente en el aumento del peso molecular y la simetría del pico de retención. Sin embargo, esto supone que la región de menor peso molecular no contiene un copolímero en bloque, lo que requiere una caracterización adicional para confirmarlo. Para ello, la combinación del sistema de detección múltiple OMNISEC REVEAL y el ACQUITY APC se utilizó para diferenciar entre un copolímero en bloque AB y una impureza de bloque simple.

Métodos y materiales

 

Las muestras fueron separadas utilizando tres columnas Waters APC XT conectadas en serie: 450 Å, 200 Å y 125 Å. La fase móvil fue tetrahidrofurano (THF). Las muestras se dejaron disolver durante toda la noche para asegurar una disolución completa. Las soluciones analizadas se prepararon a una concentración de 6 mg/mL. Tanto los detectores como las columnas se mantuvieron a 35 °C para garantizar una buena separación y maximizar la estabilidad de la línea base.

Se utilizaron volúmenes de inyección de 10 a 20 μL (cargas de muestra de 0.06 a 0.12 mg) para adquirir los datos presentados en esta nota técnica.

Las muestras analizadas incluyen un copolímero en bloque de poli(etilenglicol) (PEG) y poli(ácido láctico) (PLA), denominado PEG-b-PLA, dos homopolímeros (PEG y PLA) y una mezcla de homo- y copolímeros con porcentajes de peso de homopolímeros de 2.5%, 5% y 10%. Los dos homopolímeros fueron seleccionados porque representan las impurezas poliméricas presentes tras la síntesis del copolímero en bloque.

 

Resultados y discusión

Caracterización de poli(etilenglicol), poli(ácido láctico) y un copolímero en bloque de poli(etilenglicol)-poli(ácido láctico)

Inicialmente, se analizaron individualmente los homopolímeros PEG y PLA, así como el copolímero en bloque PEG-PLA. La superposición de los cromatogramas RI obtenidos se muestra en la Figura 2.

Figure 2: The RI chromatograms of AB block copolymer PEG-b-PLA, and homopolymers PEG and PLA.

 

Al observar el volumen de retención en el que los picos de los polímeros eluyen, se puede notar la rapidez del análisis que proporciona el sistema ACQUITY APC. A una velocidad de flujo de 1 mL/min, el análisis de los polímeros se completa en menos de 6 minutos.

Al examinar los cromatogramas RI de los dos homopolímeros, se puede concluir que, si se mezclan, estos podrían coeluir total o parcialmente. Además, la figura muestra que el PEG eluye en un rango de volumen estrecho en comparación con el PLA y el copolímero en bloque PEG-PLA.

Esto indica diferencias en las propiedades de separación y en la distribución del peso molecular entre los tres polímeros, lo que resalta la capacidad del sistema para diferenciar entre homopolímeros y copolímeros en bloque, incluso cuando podrían existir problemas de coelución.

Figure 3. Multi detector chromatogram of block copolymer PEG-b-PLA.

 

Figure 4. RI chromatogram of PEG-b-PLA overlaid with the Log(molecular weight), Log(IV) and Log(Rh) plots.

 

Análisis del cromatograma multi-detector del PEG-b-PLA

La Figura 3 muestra un cromatograma multi-detector del polímero PEG-b-PLA adquirido mediante el sistema OMNISEC REVEAL con detección múltiple combinado con el ACQUITY APC. Las respuestas de los detectores incluyen:

• Índice de refracción (RI)
• Dispersión de luz a ángulo recto (RALS)
• Dispersión de luz a ángulo bajo (LALS)
• Viscosímetro en línea

La combinación del OMNISEC REVEAL y el ACQUITY APC permite calcular varios parámetros clave:

• Peso molecular promedio en peso (Mw)
• Peso molecular promedio en número (Mn)
• Viscosidad intrínseca (IV)
• Radio hidrodinámico (Rh)

Estos parámetros se obtienen a lo largo de la distribución de la muestra en un tiempo de análisis reducido, como se muestra en la Figura 4.

El peso molecular absoluto se calcula utilizando los detectores RALS y LALS. La adición del viscosímetro proporciona información sobre la densidad de la muestra, lo que permite inferir la estructura del polímero.

Datos cuantitativos

Los datos cuantitativos obtenidos para las tres muestras analizadas se presentan en la Tabla 1, lo que proporciona una comparación detallada de sus características moleculares y estructurales.

 

Detección de impurezas de un solo bloque en un copolímero en bloque AB

Durante la síntesis de un copolímero en bloque AB, fallos comunes, como la iniciación incompleta del bloque A o la iniciación del homopolímero PLA desde una fuente distinta, pueden generar la presencia de homopolímeros PEG o PLA como impurezas.

Para simular una muestra con impurezas de un solo bloque que podrían estar presentes en un copolímero en bloque AB, se prepararon soluciones de PEG-PLA dopadas con homopolímeros PEG o PLA en concentraciones de 2.5%, 5% y 10% p/p.

Cromatogramas RI de impurezas de un solo bloque

La superposición de los cromatogramas RI (Figura 5) de copolímeros en bloque AB dopados con PEG o PLA ilustra si sería posible identificar impurezas de un solo bloque utilizando únicamente GPC con RI. Según la Figura 5:

• La impureza de un solo bloque PEG se vuelve fácilmente reconocible en concentraciones de 5% y 10%. Esto probablemente se deba a que el homopolímero PEG eluye en un rango de volumen estrecho y presenta un pico definido, como se observó en la Figura 2.
• Por otro lado, en la Figura 6, la impureza de un solo bloque PLA no muestra una "escalera" o hombro distintivo, incluso en una concentración del 10%.
  
  

Limitaciones del análisis solo con RI

A pesar de que en las muestras dopadas con PEG se observa un hombro, no es claro si se trata de un copolímero en bloque AB bimodal o una impureza de un solo bloque. Asimismo, la ausencia de un hombro distintivo en la impureza de PLA subraya la necesidad de utilizar GPC con detección múltiple.

El sistema de detección múltiple permite caracterizar con mayor precisión las impurezas en copolímeros en bloque, diferenciando entre composiciones bimodales y verdaderas impurezas de un solo bloque, proporcionando una mayor confiabilidad en los resultados.

Figure 5: The RI chromatograms of duplicate injections of AB block copolymer without and with 2.5, 5, and 10 % PEG homopolymer

 

Figure 6: The RI chromatograms of duplicate injections of AB block copolymer without and with 2.5, 5, and 10 % PLA homopolymer.

 

Uso de la viscosidad intrínseca (IV) para detectar impurezas de un solo bloque

La viscosidad intrínseca (IV) es un parámetro inherente de una muestra en un solvente y, al graficarla de manera logarítmica frente al logaritmo del peso molecular, se utiliza comúnmente para comparar la estructura de polímeros con la misma química. Las estructuras más densas, como las ramificadas o en estrella, tienen valores de IV más bajos que sus equivalentes lineales. Además, diferentes tipos de polímeros también suelen mostrar valores de IV distintos entre sí. Esta diferencia en los valores de IV se utilizó para identificar la presencia de homopolímeros PLA o PEG en un copolímero en bloque AB.

Gráficos de Mark-Houwink

• Figura 7: Presenta el gráfico de Mark-Houwink del copolímero en bloque AB con y sin un 2.5 % de PLA como impureza de un solo bloque.
• Figura 8: Similar al anterior, pero muestra el copolímero en bloque AB con y sin un 2.5 % de PEG como impureza de un solo bloque.

Interpretación de los resultados

Al analizar el rango de bajo peso molecular en ambos gráficos de Mark-Houwink:

1. Diferenciación clara: Se observa una distinción evidente entre el copolímero en bloque AB puro y aquel que contiene un 2.5 % de impureza de un solo bloque. Las muestras con impurezas de un solo bloque tienen valores de IV más bajos.
2. Repetibilidad: Las mediciones duplicadas muestran gráficos similares, lo que subraya la alta repetibilidad de los resultados obtenidos.

Esto confirma que la combinación del análisis de IV con los gráficos de Mark-Houwink es una herramienta confiable para detectar impurezas de un solo bloque en copolímeros en bloque AB.

Figure 7. Mark-Houwink plot showing comparison of duplicate injections of AB block copolymer with and without 2.5 % PLA homopolymer

 

Figure 8. Mark-Houwink plot showing a comparison of duplicate injections of AB block copolymer with and without 2.5 % PEG homopolymer.

 

Conclusiones

La combinación del sistema OMNISEC REVEAL con detección múltiple y el Waters ACQUITY APC proporciona análisis de muestras de alta calidad, alta resolución y rapidez. Los detectores de dispersión de luz altamente sensibles, índice de refracción y viscosímetro del OMNISEC REVEAL permitieron calcular el peso molecular absoluto y la viscosidad intrínseca de los materiales.

Resumen de resultados:

1. Análisis rápido y caracterización detallada:
• Se realizó un análisis rápido de los homopolímeros y copolímeros en términos de peso molecular, distribución del peso molecular, viscosidad intrínseca y tamaño.
2. Detección de impurezas:
• El poder de resolución del sistema APC permitió detectar la presencia de impurezas de PEG en el copolímero en bloque AB a concentraciones iguales o superiores al 5 % utilizando el detector RI.
• Sin embargo, no se detectaron diferencias en muestras con 2.5 % de PEG o entre 2.5 % y 10 % de PLA utilizando solo el RI.
3. Diferenciación mediante gráficos de Mark-Houwink:
• Combinando el peso molecular y la viscosidad intrínseca, se generaron gráficos de Mark-Houwink que mostraron una clara divergencia entre el copolímero en bloque AB puro y aquellos con 2.5 % de impurezas de PEG o PLA.

Importancia de estos hallazgos:

La detección precisa de impurezas en copolímeros en bloque es crucial para sus aplicaciones:

• En elastómeros termoplásticos, las impurezas pueden causar desviaciones significativas de las propiedades físicas deseadas.
• En sistemas de liberación de fármacos, las impurezas pueden reducir la eficacia del sistema, disminuir la dosis del medicamento y aumentar los efectos secundarios.

La caracterización precisa proporcionada por esta combinación de tecnologías ofrece una base sólida para abordar estos problemas y optimizar las aplicaciones de los copolímeros en bloque.

Conclusión final:

Este estudio destaca la importancia y versatilidad del sistema combinado Waters ACQUITY APC y OMNISEC REVEAL para el análisis avanzado con detección múltiple.

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