The influence of degradation on the viscosity and molecular mass of poly(lactide acid) biopolymer

• Autorzy: Ekiert M. , Mlyniec A. , Uhl T.

Warianty tytułu

PL

Wpływ procesu degradacji na lepkość i masę cząsteczkową polilaktydu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, we present a study on stability of popular biopolymer poly(lactide acid) (PLA) under degradation process. As a main objective of this study we investigate an influence of polymer decomposition on decrease of its two physicochemical parameters – dynamic viscosity and molecular mass. To include the molar mass distribution we calculate three various mass averages: the number, the weight and the viscosity molar mass. To simulate the polylactide behavior at the atomic level we use molecular dynamics method in conjunction with reactive force field ReaxFF. To provide degradation conditions similar to human interior system we operate in the MD-NVT conditions at the temperature 310K. Based on reported in literature values of polylactide density we develop computational model of its amorphous structure. We achieve full compliance with expectations – obtained values of PLA viscosity and mass are steadily dropping. Determined trends confirm progressive polymer decomposition resulting in deterioration of polymer durability. The obtained results may be use in a future to predict a lifetime of biomedical polymer implants.

PL

Niniejszy artykuł przedstawia badania nad stabilnością popularnego biopolimeru - polilaktydu (PLA). Celem badań była zbadanie wpływu procesu degradacji PLA na jego wybrane właściwości fizykochemiczne tj. lepkość dynamiczną i masę cząsteczkową. Aby uwzględnić zjawisko polimolekularności obliczono trzy różne średnie masowe – średnią liczbową, wagową oraz lepkościową. Symulacja zachowania polilaktydu na poziomie atomowym została wykonana z użyciem metody dynamiki molekularnej przy współpracy z reaktywnym polem siłowym ReaxFF. Narzucone, przy pomocy zespołu kanonicznego NVT, warunki degradacji były zbliżone do warunków panujących we wnętrzu ludzkiego ciała. Opierając się na wartościach gęstości polilaktydu podawanych w literaturze opracowano także atomowy model jego struktury amorficznej. Otrzymane wyniki obliczeń są całkowicie zgodne z przewidywaniami – wartości lepkości i mas spadają wraz z postępem procesu degradacji skutkując obniżoną trwałością biomateriału. Uzyskane wyniki mogą w przyszłości posłużyć do budowy modelu predykcyjnego określającego czas życia polimerowych implantów.

Słowa kluczowe

EN

PLA; biopolymers; stability; molecular model; viscosity loss; molar mass averages

PL

PLA; biopolimery; trwałość; model atomowy; spadek lepkości; średnie masowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej
• Czasopismo: Diagnostyka
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 16, No. 4
• Strony: 63--70
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Ekiert M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Robotics and Mechatronics Mickiewicza 30 Av., 30-059 Krakow, Poland, fax: [phone]

autor

Mlyniec A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Robotics and Mechatronics Mickiewicza 30 Av., 30-059 Krakow, Poland, fax: [phone]

autor

Uhl T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Robotics and Mechatronics Mickiewicza 30 Av., 30-059 Krakow, Poland, fax: [phone]

Bibliografia

• [1] Staszewski, W.J., Structural health monitoring using guided ultrasonic waves, in: Advances in Smart Technologies in Structural Engineering, Springer, pp. 117-162.
• [2] Klepka, A., Staszewski, W.J., di Maio, D., Scarpa, F., 2013, Impact damage detection in composite chiral sandwich panels using nonlinear vibro-acoustic modulations, Smart Mater. Struct., 22, 084011.
• [3] Pieczonka, Ł., 2014, the Influence of Excitation Frequency on the Effectiveness of Vibrothermographic Testing, Diagnostyka, 15, 47-51.
• [4] Nedeff, V., Engineering, E., Engineering, M., Marasesti, C., 2013, The importance of FFT and BCS spectrums analysis for diagnosis and prediction of rolling bearing failure., Diagnostyka, 14, 3-12.
• [5] Iwaniec, J., 2013, Indentification of car suspension system parameters on the basis of exploitational measurements., Diagnostyka, 14, 11-16.
• [6] Każmierczyk, H., Pawłowski, T., Wojniłowicz, Ł., 2013, Quantifiable measures of the structural degradation of construction materials., Diagnostyka, 14, 77-83.
• [7] Baszanowska, E., Otremba, Z., 2014, Spectro-fluorimetric characteristics of lubricating oil., Diagnostyka, 15, 65-71.
• [8] Dziedziech, K., Staszewski, W.J., Uhl, T., 2013, Time-frequency analysis of time-variant systems, Diagnostyka, 14, 37-42.
• [9] Gunatillake, P.A., Adhikari, R., 2003, Biodegradable synthetic polymers for tissue engineering., Eur. Cells Mater., 5, 1-16.
• [10] Vert, M., 2005, Degradation of polymeric systems aimed at temporary therapeutic applications: Structure-related complications, E-Polymers, 5, 70-79.
• [11] Świeczko-Żurek, B., Biomateriały Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2009.
• [12] Mlyniec, A., Uhl, T., 2012, Modelling and testing of ageing of short fibre reinforced polymer composites, Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci., 226, 16-31.
• [13] Mlyniec, A., Korta, J., Kudelski, R., Uhl, T., 2014, The influence of the laminate thickness, stacking sequence and thermal aging on the static and dynamic behavior of carbon/epoxy composites, Compos. Struct., 118, 208-216.
• [14] Mlyniec, A., Morawska-Chochol, A., Kloch, K., Uhl, T., 2014, Phenomenological and chemomechanical modeling of the thermomechanical stability of liquid silicone rubbers, Polym. Degrad. Stab., 99, 290-297.
• [15] Korta, J., Mlyniec, A., Uhl, T., 2015, Experimental and numerical study on the effect of humidity-temperature cycling on structural multi-material adhesive joints, Compos. Part B Eng., 79, 621-630.
• [16] Mlyniec, A., Korta, J., Uhl, T., 2015, Structu-rally based constitutive model of epoxy adhesives incorporating the influence of post- curing and thermolysis, Compos. Part B Eng.
• [17] An, Y.H., Alvi, F.I., Kang, Q., Laberge, M. et al., 2005, Effects of sterilization on implant mechanical property and biocompatibility., Int. J. Artif. Organs, 28, 1126–7.
• [18] Mlyniec, A., Mazur, L., Tomaszewski A, K., Uhl, T., 2015, Viscoelasticity and failure of collagen nanofibrils: 3D Coarse-Grained simulation studies, Soft Mater., 13, 47-58.
• [19] Mlyniec, A., Tomaszewski, K.A., Spiesz, E.M., Uhl, T., 2015, Molecular-based nonlinear viscoelastic chemomechanical model incorporating thermal denaturation kinetics of collagen fibrous biomaterials, Polym. Degrad. Stab., 119, 87-95.
• [20] Ekiert, M., Zastosowanie metody dynamiki molekularnej w badaniu właściwości materiałów polimerowych., in: Zastosowania Technologii Informatycznych – Teoria I Praktyka., Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Insytutu Badawczego, pp. 107-119.
• [21] Ekiert, M., Mlyniec, A., Uhl, T., Prediction of the polymer degradation: a molecular dynamics study., in: PCM-CMM-2015 : 3rd Polish Congress of Mechanics and 21st International Conference on Computer Methods in Mechanics: Short Papers, Vol. 2, Gdańsk : Polish Society of Theoretical and Applied Mechanics. Gdańsk Branch, 2015., pp. 557-558.
• [22] Vert, M., Doi, Y., Hellwich, K.-H., Hess, M. et al., 2012, Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012), Pure Appl. Chem., 84, 377-410.
• [23] Navarro, M., Michiardi, A., Castaño, O., Planell, J.A., 2008, Biomaterials in orthopaedics., J. R. Soc. Interface, 5, 1137–1158.
• [24] Itiravivong, P., 2001, Biomaterials: an Overview., J. Met. Mater. Miner., 11 No.1, 15–21.
• [25] Middleton, J.C., Tipton, A.J., 2000, Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices, Biomaterials, 21, 2335–2346.
• [26] Błażewicz, S., Stoch, L., 2003, Biomateriały (Biomaterials), Akademicka Oficyna Wydaw. EXIT, Warszawa.
• [27] Mohanty, A.K., Misra, M., Hinrichsen, G., 2000, Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites: An overview, Macromol. Mater. Eng., 276-277, 1–24.
• [28] Reddy, N., Yang, Y., 2011, Potential of plant proteins for medical applications., Trends Biotechnol., 29, 490–8.
• [29] John, M., Thomas, S., Natural polymers: an overview, in: Natural Polymers: Composites. RSC Green Chemistry Series., Royal Society of Chemistry.
• [30] Van de Velde, K., Kiekens, P., 2002, Biopolymers: overview of several properties and consequences on their applications, Polym. Test., 21, 433–442.
• [31] Agrawal, C.M., Niederauer, G.G., Athanasiou, K. a, 1995, Fabrication and Characterization of PLA-PGA Orthopedic Implants., Tissue Eng., 1, 241–52.
• [32] Auras, R.A., Lim, L.T., Selke, S.E.M., Tsuji, H., 2011, Poly(lactic acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications, Wiley.
• [33] Tin Sin, L., Rahmat, A., Rahman, W., Applications of Polylactic Acid., in: Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics: Properties, Processing and Applications., Elsevier/William Andrew.
• [34] Rappe, A.K., Casewit, C.J., Colwell, K.S., Goddard, W.A. et al., 1992, UFF, a full periodic table force field for molecular mechanics and molecular dynamics simulations, J. Am. Chem. Soc., 114, 10024-10035.
• [35] Jones, R.G., Kahovec, J., Stepto, R. et al, 2008, Compendium of Polymer Terminology and Nomenclature. IUPAC Recommendations 2008.
• [36] Van Duin, A.C.T., Dasgupta, S., Lorant, F., Goddard, W.A., 2001, ReaxFF: A Reactive Force Field for Hydrocarbons, J. Phys. Chem. A, 105, 9396–9409.
• [37] Ekiert, M., Mlyniec, A., Uhl, T., Zastosowanie reaktywnego pola siłowego ReaxFF w badaniu degradacji materiałów polimerowych., in: Zastosowania Technologii Informatycznych – Teoria I Praktyka., Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Insytutu Badawczego, pp. 120–129.
• [38] Suuronen, R., Pohjonen, T., Hietanen, J., Lindqvist, C., 1998, A 5-year in vitro and in vivo study of the biodegradation of polylactide plates, J. Oral Maxillofac. Surg., 56, 604–614.
• [39] Huttunen, M., 2013, Analysis of the factors affecting the inherent viscosity of oriented polylactides during hydrolytic degradation., J. Mater. Sci. Mater. Med., 24, 1131–44.