의학용 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는 인공관절, 의치,뼈시멘트 및 화장품 필터의 다양한 의학 응용분야에 몇 년 동안 사용되어져 왔다. 주된 분야이면서 가장 오래된 응용분야는 백내장 치료에 사용되는 안구 렌즈이다. 이는 명확한 시야확보를 위한 의학 등급의 PMMA 로 1940 년 후반부터 사용 하였다. 이러한 응용의 경우 고분자는 순도가 매우 높아야 하고 잔류 모노머가 없어야 한다. PMMA 를 사용할 때 사용하는 모노머는 MMA 로 발암 물질이며 특히 의약용으로 사용하는 등급은 완벽하게 잔류 모노머가 제거 되어야 한다. 게다가 의학용인 경우 PMMA 는 다른 유기물의 오염이 없어야 한다. 결국에는 새로운 고분자 살균 방법이 개발 되었다. 이번 응용노트는 초고분자량 PMMA(UHMW-PMMA)와 일반적인 살균 조사에 의한 영향에 대해 분석하였다. 절대분자량과 감마선 살균한 PMMA 의 분자량 분포는 3 중 GPC/SEC 을 사용하여 살균하지 않은 UHMW-PMMA 와 비교하였다. 광산란 장치와 결합된 점도측정장치는 the Mark-Houwink plot 을 사용하여 조사 전 후의 고분자의 구조연구를 위하여 사용 하였다.
SEC 와 GPC 는 수력학적 부피나 사이즈에 기반한 거대분자 분리 분석기술이다. 전통적인 GPC 시스템은 시료의 분자량을 추정할 수 있는 표준시료과 비교하여 나타나는 용리 부피를 비교하는 장치이다. 이와는 대조적으로 3 중 검출기는광산란 장치를 이용하거나 RI 검출기 같은 농도검출기를 이용하여 생의학응용에 사용되는 고분자량의 분자량을 직접 측정하는 것이다. 분자량을 측정하는 것은 LALS 로 절대분자량을 측정하는 것이고 컬럼을 캘리브레이션할 필요가 없다.
시료의 분자량을 측정하는 것은 용리 부피의 측정과 무관하다. 3 중 측정 역시 시료의 용리 고유점도를 측정하는 것이다. 고유점도와 분자량으로부터 the Mark-Houwink plot 을 그릴 수 있고 이는 가지를 포함한 고분자의 정보를 얻을 수 있다. 실질적으로 3 중 GPC/SEC 는 분포 전반에 대한 구조 변화 뿐 아니라 시료의 분자량 분포와 분자크기 분포를 분석할 수 있다. 이러한 물성을 이해하는 것은시료의 거시성능과 가공성을 이해하는데 도움이 된다.
PMMA 시료는 Kingston University 의 Materials Research Group 이제공하였다. 첫번째 시료는 UHMW-PMMA 이고, 두번째 시료는감마선살균을한 PMMA 이다. 두 가지 시료 모두 THF에 5일 동안 용해하였고 주입 전에 1.0 μm PTFE 필터를 이용하여 필터링 하였다. 분석은 Viscotek TDAmax GPC 시스템을 사용하였다. Differential refractometer (RI), right angle light scattering (RALS), low angle light scattering detector (LALS)와 differential viscometer detector 로 부터의 신호가 기록되었다. 각각의 시료는 100 μL 로 두번 주입 되었고, 3 개의 ViscoGEL organic column 을 사용하여 THF 를 1.0 mL/min 의 속도로 크로마토그래프를 측정하였다. 컬럼, 검출기 및 내부 검출 튜브를 포함한 모든 시스템은 35°C 를 유지하였다. 내부 검출기 부피, 밴드 확장 및 장비는 정밀한 표준 PS 을 사용하였다. PMMA 측정을 위해 사용한 dn/dc 값은 0.089 mL/g 이다.
그림 1 에 PMMA 의 3 중 검출 신호를 나타내었다. 처리하지 않은 UHMW 는 21 mL 근처에서 용리가 일어나는 반면 같은 조건에서의 감마선 살균 신호는 26mL 에서 나타났다. 컬럼에서의 분리는수력학적 반경에 기인하기 때문에 조사된 시료는 더 작은 분자량을 나타낸다.
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비록 그림 1 의 데이타가 내부검출기 지연부피에 대해 조정되었지만, 굴절률 측정기의 흔적, 점도 측정장치 및 LALS 가 같은 용리부피를 나타내지는 않는다. 이는 검출기가 서로 다르게 측정하기 때문이지만 상호보완할 수 있는 분자파라미터들이다. RI 가 농도를 검출하는 동안 LALS 검출기는 농도와 분자량의 포션 신호를검출한다. 사실 두가지 분석 모두 시료가 다분산이기 때문에 같은 용리 부피를 나타내는 것은 아니다. 점도 신호는 점도와 농도에 대한 두 가지 신호를 다 검출하기 때문에 피크의 위치는 RI 와 광산란 신호와는 다를 것이다.
표 1 에 두개의 주입된 PMMA 에 대한 3 중 측정 시스템의 결과를 계산하였다. PMMA 의 중량 평균분자량 Mw 는 500 만 g/mol 이다. 살균된 PMMA 는 더욱 낮은 32 만 g/mol 을 나타내었다. 시료의 분자량 분포 계산을 위해 OmniSEC 를 사용하였다. 각각의 ci 값을 구하기 위하여 Mi 값을 사용하였다. 분산의 첫번째 모멘트인 수평균분자량은 중량평균분자량과 분산도를 얻기 위해 사용되었다. UHMW-PMMA 는 적당한 분산도를 나타낸다. 살균된시료는 고분자 분해로 인해 더욱 높은 분산도를 나타내는데 이는 피크의 너비만 보고 판단하는 것은 아니다. 피크의 너비는 컬럼의 분해능이며 실제 고분자 분자량 분산도 마찬가지이다.
| Sample ID | Mw (Da) | Mn (Da) | Mw/Mn | [η] (dL/g) | Rh (nm) | M-H a |
|---|---|---|---|---|---|---|
| UHMW-PMMA | 5.58E+06 | 3.14E+06 | 1.78 | 4.74 | 71.77 | 0.63 |
| UHMW-PMMA | 5.66E+06 | 3.27E+06 | 1.73 | 4.79 | 72.44 | 0.64 |
| γ -sterilized PMMA | 321,649 | 141,117 | 2.28 | 0.70 | 14.41 | 0.76 |
| γ -Sterilized PMMA | 320,130 | 143,868 | 2.23 | 0.71 | 14.49 | 0.73 |
표 1 에 용액 dL/g의 평균 고유점도([η])를 나타낸다. 분자량의 차이에서 예측했던 것처럼 UHMW-PMMA 가 살균된 것보다 더 높은 점도를 나타낸다.
그림 2 는 두가지의 PMMA 에 대한 분포를 나타낸다. y 축은 분자량의 차등 대수에 대한 중량분율로 나타내었다. 그래프를 봤을 때 명확하게 모든 PMMA 가 낮아졌지만 이것 한가지 그래프만으로는 정확한 구조적 정보를 주지는 않는다.
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그림 3 은 두가지의 PMMA 에 대한 Mark-Houwink plot 을 보여준다. y 축은 로그 스케일의 고유점도로 나타냈다. 고유점도는 각각의 용리 부피에 대한 측정으로 이루어졌다 . x 축은 광산란 장치로 측정한 절대 분자량이다. UHMW 시료의 경우 확실한 두가지의 기울기를 나타내야 하고 낮은 분자량에서 피크가 나온다. 그래프의 왼쪽에 있는 5.8 과 6.4 에 걸쳐 나오는 피크는 로그 분자량 단위이다. 이 섹션에서는 고분자량이 있는 부분보다 더 큰 경사가 있습니다. 기울기가 Mark-Houwink 값이다. UHMW-PMMA 의 저분자량 부분에서의 지수 a 의 값은 0.8 이고 이는 PMMA 의 구조가 선형이라는 것을 말해준다. 6.4 위의 고분자량 부분에서는 0.5 의 a 값을 나타내고 이는 PMMA 가 가지형이라는 것을 말해준다. 그림 3 의 조사된 고분자는 비슷한 커브를 나타내지만 통계학적인 정보는 제공하지 않는데 이는 저분자량 무게분율이 계산에 적용될 수 있기 때문이다. 0.5 로그 위의 고분자량 부분에서 a 값은 0.7 이다. 이 값은 0.5 의 PMMA 가 나타내는 값보다 매우 크게 나타나는데 이는 감마선에 의한 쪼개짐이 가지에 우선적으로 영향을 미쳐서 시료의 긴 가지를 감소시키기 때문이다.
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이러한 타입의 고분자는 아래 나타낸 Zimm-Stockmayer 의 표현법을 나타낼 수 있다. nw는 가지의 수이다.
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가지의 파장은 아래의 식으로 구할 수 있고 Mi 는 각각의 크로마토그래프의 무게이고 Mi 는 각각의 크로마토그래프의 무게, FR 은 반복 단위의 수의 무게인 반복 요소이다 .
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THF 내의 선형 PMMA 는 Zimm-Stockmayer 의 계산과 Mark-Houwink 값으로 가지수의 추측이 가능하다. 그림 4 의 청록색 선으로 나타내었으며 분자당 5 개 정도의 가지를 가지고 있고 가장 높은 분자량 쪽에서는 분자당 13 개의 가지를 가지고 있다.
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더욱 계산을 진행하면 가지수는 분자량으로 계산할 수 있다. 평균 가지 빈도는 10 만개의 PMMA 단위당 4 개의 가지로 계산된다 (오랜지선). 그리고 높은 분자량 쪽에서는 10 만개 PMMA 단위당 8 개의 가지를 가진다.
UHMW-PMMA 는 3 중 GPC 로 성공적으로 분석 되었고 감마 살균된 PMMA 와 비교하여 처리되지 않은 PMMA 보다 가지에 공격을 많이 받아 낮은 분자량을 가지는 것을 확인했다. 고분자의 구조 역시 감마 살균이 가지에 미치는 영향에 기인하여 점도 측정기에 나타난다. 비록 감마살균이 의학 응용 제품에 적용하는 방법이긴 하지만 PMMA 의 경우에는 최종 제품이 고분자의 분해를 일으켜 낮은 분자량으로 바뀌고 구조도 바뀐다.
CM Pratt et al, Polymer Degradation and Stability 91 (2006) 2315-2317
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