Dit artikel legt de chemische en fysische verschillen uit tussen drie varianten van polymelkzuur: PLLA, PDLA en PDLLA. De basis van deze verschillen ligt in de chiraliteit van het melkzuurmonomeer, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen L- en D-isomeren.
De belangrijkste technische verschillen zijn:
- Kristalliniteit: PLLA en PDLA zijn kristallijn en hebben een geordende structuur, terwijl PDLLA amorf is omdat het een mengsel is van beide isomeren.
- Oplosbaarheid en stabiliteit: De kristallijne varianten (PLLA/PDLA) zijn selectief oplosbaar en stabieler. PDLLA is chemisch reactiever en vatbaarder voor biologische afbraak.
- Afbraaksnelheid: PLLA is zeer stabiel en doet er maanden over om af te breken, terwijl PDLLA relatief snel degradeert.
Toepassingen:
- PLLA wordt bij voorkeur gebruikt voor medische implantaten en stents die langdurige mechanische eigenschappen moeten behouden, zoals bij de reconstructie van pezen.
- PDLLA is door zijn voorspelbare afbraakgedrag ideaal voor mechanismen voor medicijnafgifte.
Het artikel sluit af met de opmerking dat deze kennis cruciaal is voor wie PLA wil gebruiken voor gespecialiseerde medische 3D-printtoepassingen.
PLLA vs PDLA vs PDLLA: Wat is het verschil in polymelkzuur?
Wanneer u een biologisch afbreekbaar polymeer kiest voor medisch gebruik of onderzoek, komen PLLA, PDLA en PDLLA vaak ter sprake. Deze materialen lijken misschien op elkaar, maar ze hebben cruciale verschillen in structuur en prestaties die bepalen hoe ze worden toegepast.
In dit artikel bespreken we de basis van elk type: wat ze zijn, hoe ze zich tot elkaar verhouden en welke het meest geschikt is voor uw specifieke toepassing.
Melkzuur als chiraal molecuul
Voordat we ingaan op de verschillende soorten polymeerketens van PLA, moeten we kijken naar de moleculaire structuur van het bestanddeel: het monomeer melkzuur. Melkzuur wordt geproduceerd door fermentatie van koolhydraatverbindingen, die gewoonlijk zijn afgeleid van plantaardig materiaal. Dit geeft PLA zijn unieke karakter als een meer "duurzaam" plastic.
De chemische samenstelling van melkzuur verandert niet; elke eenheid melkzuur bevat exact drie koolstofmoleculen, drie zuurstofmoleculen en zes waterstofmoleculen, die zodanig zijn verbonden dat er specifieke functionele groepen ontstaan. Er kunnen echter variaties zijn in de manier waarop deze moleculen in de driedimensionale ruimte zijn georiënteerd.
Melkzuur is wat we een chiraal molecuul noemen. Dit betekent dat de moleculaire structuur twee spiegelbeelden heeft die verschillen van elkaar. Deze spiegelbeelden worden enantiomeren of optische isomeren genoemd.
Om onderscheid te maken tussen deze optische isomeren, worden ze gewoonlijk aangeduid als de L- (laevorotair) of de D- (dextrorotair) isomeren, gebaseerd op de richting waarin ze licht polariseren.
In het geval van melkzuur heten deze optische isomeren L-melkzuur en D-melkzuur. Er kan ook een mengsel van deze optische isomeren worden gemaakt, wat wordt aangeduid als een racemisch mengsel of simpelweg DL-melkzuur.
Het proces waarbij melkzuur wordt gecreëerd, inclusief de gebruikte bacteriën voor fermentatie, kan een uitgesproken effect hebben op welk type isomeer er wordt geproduceerd. Het beheersen van deze factoren is belangrijk omdat deze isomeren verschillende eigenschappen kunnen hebben; zo hebben zowel L-melkzuur als D-melkzuur een hoger vriespunt dan DL-melkzuur.
PLLA vs PDLA vs PDLLA
Zoals eerder vermeld, kunnen verschillende isomeren van melkzuur verschillende chemische en fysische eigenschappen hebben. Deze verschillen vertalen zich ook naar de overeenkomstige polymeerproducten. Uitgaande van het concept chiraliteit, zijn er drie mogelijke PLA-polymeerketens.
Kristallisatie
Zowel PLLA als PDLA kunnen worden gefabriceerd door pure mengsels van respectievelijk L-melkzuur of D-melkzuur te onderwerpen aan een condensatiereactie om lange polymeerketens te produceren. Beide polymeren zijn van nature kristallijn, wat betekent dat ze een geordende moleculaire structuur aannemen.
PDLLA wordt gecreëerd door de polymerisatie van een mengsel van zowel L-melkzuur als D-melkzuur. Meestal wordt een verhouding van 1:1 gebruikt, hoewel de graad van kristalliniteit van het uiteindelijke polymeer kan worden aangepast door aan deze verhouding te sleutelen. Over het algemeen is PDLLA echter minder kristallijn en meer amorf dan PLLA en PDLA.
Oplosbaarheid
De kristallijne aard van zowel PLLA als PDLA geeft hen bijna vergelijkbare kenmerken. Ze hebben smelttemperaturen in de range van 170 °C tot 180 °C en zijn selectief oplosbaar. Kristallijn PLLA lost niet op in veel gangbare oplosmiddelen zoals aceton, ethylacetaat en tetrahydrofuraan (THF).
Aan de andere kant breekt PDLA niet af wanneer het wordt blootgesteld aan bepaalde enzymen die zowel PLLA als PDLLA kunnen hydrolyseren.
Eigenschappen
PDLLA wordt geproduceerd door de copolymerisatie van L-melkzuur en D-melkzuur of hun lactide-tegenhangers. Wanneer deze in een verhouding van 1:1 worden gecombineerd, wordt het resulterende PDLLA een amorf materiaal met een glasovergangstemperatuur van 50 tot 60 °C.
Het gebrek aan een kristallijne structuur maakt het PDLLA-polymeer chemisch reactiever en vatbaarder voor biologische afbraak. Veel oplosmiddelen die niet reageren met de pure stereoisomeren PLLA en PDLA, kunnen PDLLA gedeeltelijk oplossen.
Net als bij de pure stereoisomeren speelt het molecuulgewicht een cruciale rol bij het bepalen van de fysische en chemische kenmerken van PDLLA. De glasovergangstemperatuur van 50 tot 60 °C geldt voor polymeerketens met een molecuulgewicht tot 30.000. Het kort houden van de polymeerketens resulteert ook in een geleidelijke daling van deze glasovergangstemperatuur. Zoals bij andere polymeren heeft dit ook effect op fysische eigenschappen zoals treksterkte en flexibiliteit.
Let op dat deze fysische en chemische kenmerken nog steeds sterk kunnen variëren afhankelijk van de productiemethoden. Factoren zoals de kristallisatiesnelheid, het molecuulgewicht van de polymeerketens en de verhouding van de individuele componenten spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de eigenschappen van het uiteindelijke polymeer. De verschillen tussen PLLA, PDLA en PDLLA zijn dus niet absoluut.
Toepassingen
Zelfs zonder onderscheid te maken tussen de verschillende soorten PLA-polymeren, zijn enkele van de meest voorkomende toepassingen al bekend. PLA is een niet-toxisch plastic dat als veilig wordt beschouwd voor contact met voedingsmiddelen.
Het feit dat het afbreekt tot niet-toxisch melkzuur maakt het biocompatibel en geschikt voor hechtingen en implantaten die door het menselijk lichaam moeten worden geabsorbeerd.
- PLLA: PLLA met een hoog molecuulgewicht is het materiaal van voorkeur voor stents en implantaten die hun mechanische eigenschappen over een langere periode moeten behouden. PLLA doet er enkele maanden over om af te breken, en deze afbraaktijd kan verder worden verlengd door PLLA te produceren met polymeerketens met een hoger molecuulgewicht. Ze worden gebruikt voor implantaten die bedoeld zijn om de reconstructie van pezen en ligamenten te vergemakkelijken, alsof embolische materialen voor arteriële embolisatie. PLLA heeft een betere chemische stabiliteit, is beter bestand tegen enzymatische afbraak en heeft een veel langere resorptietijd.
- PDLLA: PDLLA daarentegen breekt relatief snel af in het lichaam. Hoewel dit het ongeschikt maakt voor implantaten op de lange termijn, is PDLLA momenteel een van de meest onderzochte bioplastics. Het resorptiegedrag is tot op het punt bestudeerd dat wetenschappers kunnen voorspellen wanneer het zal degraderen onder normale fysiologische omstandigheden. Deze unieke eigenschap heeft PDLLA tot een ideaal materiaal gemaakt voor veel mechanismen voor medicijnafgifte.
Samenvatting
De meesten van ons die bezig zijn met 3D-printen, hebben waarschijnlijk veel tijd besteed aan het werken met PLA zonder echt te weten hoe complex de chemie daarachter is. Hoewel we het verschil tussen PLLA, PDLA en PDLLA misschien niet altijd nodig hebben, kan een beetje extra kennis geen kwaad. Mocht u zich ooit in een situatie bevinden waarin u medische implantaten of apparaten moet 3D-printen, dan is het handig om specifiek te weten welke variant van PLA u moet gebruiken.
PLLA vs PDLA vs PDLLA: Wat is het verschil in polymelkzuur?
Wanneer u een biologisch afbreekbaar polymeer kiest voor medisch gebruik of onderzoek, komen PLLA, PDLA en PDLLA vaak ter sprake. Deze materialen lijken misschien op elkaar, maar ze hebben cruciale verschillen in structuur en prestaties die bepalen hoe ze worden toegepast.
In dit artikel bespreken we de basis van elk type: wat ze zijn, hoe ze zich tot elkaar verhouden en welke het meest geschikt is voor uw specifieke toepassing.
Melkzuur als chiraal molecuul
Voordat we ingaan op de verschillende soorten polymeerketens van PLA, moeten we kijken naar de moleculaire structuur van het bestanddeel: het monomeer melkzuur. Melkzuur wordt geproduceerd door fermentatie van koolhydraatverbindingen, die gewoonlijk zijn afgeleid van plantaardig materiaal. Dit geeft PLA zijn unieke karakter als een meer "duurzaam" plastic.
De chemische samenstelling van melkzuur verandert niet; elke eenheid melkzuur bevat exact drie koolstofmoleculen, drie zuurstofmoleculen en zes waterstofmoleculen, die zodanig zijn verbonden dat er specifieke functionele groepen ontstaan. Er kunnen echter variaties zijn in de manier waarop deze moleculen in de driedimensionale ruimte zijn georiënteerd.
Melkzuur is wat we een chiraal molecuul noemen. Dit betekent dat de moleculaire structuur twee spiegelbeelden heeft die verschillen van elkaar. Deze spiegelbeelden worden enantiomeren of optische isomeren genoemd.
Om onderscheid te maken tussen deze optische isomeren, worden ze gewoonlijk aangeduid als de L- (laevorotair) of de D- (dextrorotair) isomeren, gebaseerd op de richting waarin ze licht polariseren.
In het geval van melkzuur heten deze optische isomeren L-melkzuur en D-melkzuur. Er kan ook een mengsel van deze optische isomeren worden gemaakt, wat wordt aangeduid als een racemisch mengsel of simpelweg DL-melkzuur.
Het proces waarbij melkzuur wordt gecreëerd, inclusief de gebruikte bacteriën voor fermentatie, kan een uitgesproken effect hebben op welk type isomeer er wordt geproduceerd. Het beheersen van deze factoren is belangrijk omdat deze isomeren verschillende eigenschappen kunnen hebben; zo hebben zowel L-melkzuur als D-melkzuur een hoger vriespunt dan DL-melkzuur.
PLLA vs PDLA vs PDLLA
Zoals eerder vermeld, kunnen verschillende isomeren van melkzuur verschillende chemische en fysische eigenschappen hebben. Deze verschillen vertalen zich ook naar de overeenkomstige polymeerproducten. Uitgaande van het concept chiraliteit, zijn er drie mogelijke PLA-polymeerketens.
Kristallisatie
Zowel PLLA als PDLA kunnen worden gefabriceerd door pure mengsels van respectievelijk L-melkzuur of D-melkzuur te onderwerpen aan een condensatiereactie om lange polymeerketens te produceren. Beide polymeren zijn van nature kristallijn, wat betekent dat ze een geordende moleculaire structuur aannemen.
PDLLA wordt gecreëerd door de polymerisatie van een mengsel van zowel L-melkzuur als D-melkzuur. Meestal wordt een verhouding van 1:1 gebruikt, hoewel de graad van kristalliniteit van het uiteindelijke polymeer kan worden aangepast door aan deze verhouding te sleutelen. Over het algemeen is PDLLA echter minder kristallijn en meer amorf dan PLLA en PDLA.
Oplosbaarheid
De kristallijne aard van zowel PLLA als PDLA geeft hen bijna vergelijkbare kenmerken. Ze hebben smelttemperaturen in de range van 170 °C tot 180 °C en zijn selectief oplosbaar. Kristallijn PLLA lost niet op in veel gangbare oplosmiddelen zoals aceton, ethylacetaat en tetrahydrofuraan (THF).
Aan de andere kant breekt PDLA niet af wanneer het wordt blootgesteld aan bepaalde enzymen die zowel PLLA als PDLLA kunnen hydrolyseren.
Eigenschappen
PDLLA wordt geproduceerd door de copolymerisatie van L-melkzuur en D-melkzuur of hun lactide-tegenhangers. Wanneer deze in een verhouding van 1:1 worden gecombineerd, wordt het resulterende PDLLA een amorf materiaal met een glasovergangstemperatuur van 50 tot 60 °C.
Het gebrek aan een kristallijne structuur maakt het PDLLA-polymeer chemisch reactiever en vatbaarder voor biologische afbraak. Veel oplosmiddelen die niet reageren met de pure stereoisomeren PLLA en PDLA, kunnen PDLLA gedeeltelijk oplossen.
Net als bij de pure stereoisomeren speelt het molecuulgewicht een cruciale rol bij het bepalen van de fysische en chemische kenmerken van PDLLA. De glasovergangstemperatuur van 50 tot 60 °C geldt voor polymeerketens met een molecuulgewicht tot 30.000. Het kort houden van de polymeerketens resulteert ook in een geleidelijke daling van deze glasovergangstemperatuur. Zoals bij andere polymeren heeft dit ook effect op fysische eigenschappen zoals treksterkte en flexibiliteit.
Let op dat deze fysische en chemische kenmerken nog steeds sterk kunnen variëren afhankelijk van de productiemethoden. Factoren zoals de kristallisatiesnelheid, het molecuulgewicht van de polymeerketens en de verhouding van de individuele componenten spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de eigenschappen van het uiteindelijke polymeer. De verschillen tussen PLLA, PDLA en PDLLA zijn dus niet absoluut.
Toepassingen
Zelfs zonder onderscheid te maken tussen de verschillende soorten PLA-polymeren, zijn enkele van de meest voorkomende toepassingen al bekend. PLA is een niet-toxisch plastic dat als veilig wordt beschouwd voor contact met voedingsmiddelen.
Het feit dat het afbreekt tot niet-toxisch melkzuur maakt het biocompatibel en geschikt voor hechtingen en implantaten die door het menselijk lichaam moeten worden geabsorbeerd.
- PLLA: PLLA met een hoog molecuulgewicht is het materiaal van voorkeur voor stents en implantaten die hun mechanische eigenschappen over een langere periode moeten behouden. PLLA doet er enkele maanden over om af te breken, en deze afbraaktijd kan verder worden verlengd door PLLA te produceren met polymeerketens met een hoger molecuulgewicht. Ze worden gebruikt voor implantaten die bedoeld zijn om de reconstructie van pezen en ligamenten te vergemakkelijken, alsof embolische materialen voor arteriële embolisatie. PLLA heeft een betere chemische stabiliteit, is beter bestand tegen enzymatische afbraak en heeft een veel langere resorptietijd.
- PDLLA: PDLLA daarentegen breekt relatief snel af in het lichaam. Hoewel dit het ongeschikt maakt voor implantaten op de lange termijn, is PDLLA momenteel een van de meest onderzochte bioplastics. Het resorptiegedrag is tot op het punt bestudeerd dat wetenschappers kunnen voorspellen wanneer het zal degraderen onder normale fysiologische omstandigheden. Deze unieke eigenschap heeft PDLLA tot een ideaal materiaal gemaakt voor veel mechanismen voor medicijnafgifte.
Samenvatting
De meesten van ons die bezig zijn met 3D-printen, hebben waarschijnlijk veel tijd besteed aan het werken met PLA zonder echt te weten hoe complex de chemie daarachter is. Hoewel we het verschil tussen PLLA, PDLA en PDLLA misschien niet altijd nodig hebben, kan een beetje extra kennis geen kwaad. Mocht u zich ooit in een situatie bevinden waarin u medische implantaten of apparaten moet 3D-printen, dan is het handig om specifiek te weten welke variant van PLA u moet gebruiken.
Groetjes,