Studies on high molecular weight poly(lactic acid) synthesis

Abstract

The development of sustainable materials, as alternative to petrochemical origin ones, has registered an increasing effort in recent years. One of the most promising substitutes is the poly(lactic acid) (PLA), a synthetic biodegradable polymer obtained from a 100% renewable raw material, the lactic acid. The properties of PLA allow a wide range of applications, from biomedical and pharmaceutical to the conventional large scale polymer uses. Owing to a growing commercial interest it has been an intense research topic over the last few decades. Although it is already manufactured at a large scale, the need for a more cost-effective process remains. Attempting to contribute to PLA competitiveness, this thesis is mainly devoted to studying conventional step-growth polymerization strategies as alternative approaches to synthesize PLA with a wide rage of molecular weights and different polymer structures. The main focus was achieving high molecular weight PLA, around 100 000 g.mol-1, suitable for large scale applications, but the scope of the thesis was not limited to a particular end use. PLA synthesis by step-growth polymerization is a reversible reaction requiring continuous by-product withdrawal. Unfortunately, an increase in polymer molecular weight is inevitably associated to an increase in viscosity which jeopardizes by-product removal. To improve by-product elimination, polymerization was carried out under vacuum, stirring, at high temperature and continuous nitrogen flow. The reaction conditions were optimized to reach the target molecular weight. Reaction time and yield, and the final polymer properties, including optical purity, were assessed. Solution polymerization was the first strategy adopted to perform lactic acid polycondensation. Using organic solvents to reduce the viscosity of the reacting medium and enable continuous water removal, PLA with molecular weight up to 80 000 g.mol-1 was obtained in xylene. Although the molecular weight was high, a low yield, a high reaction time and using xylene as solvent that endangers process sustainability, supported the search for an alternative approach. The use of lactic acid esters as monomers for the PLA synthesis by melt polytransesterification was reported. A catalyst screening step was undertaken and the differences in the chemical structures of the lactate esters tested led to different byproducts, greatly influencing reaction rate and final molecular weight. Ethyl L-lactate was found particularly suitable for polytransesterification and, among the catalysts tested, the binary catalytic system Sb2O/Zn(O2CCH3)2.2H2O was the most effective. A study on lactic acid polycondensation under melt conditions was performed to assess the direct synthesis of PLA from the monomer, and a new catalyst screening stage was required. Conversely to previous reports on direct lactic acid polyesterification, tin metal was found an efficient catalyst both in terms of molecular weight and yield. Moreover, this catalyst can be completely removed from the polymer matrix, a major asset for some applications, and therefore a great advantage over common tin salts. Although interesting results were obtained both in bulk polyesterification and polytransesterification, relatively low molecular weights were reached. To overcome this, structure modifications were introduced into the PLA backbone. Two approaches were tested: introducing a branching co-monomer during lactic acid melt polycondensation obtaining star-shaped PLA and chain linking of the lactic acid melt polycondensation prepolymer. The final molecular weight and molecular architecture can be readily adjusted by the choice and the amount of the co-monomer. Chain lengths higher than 100 000 g.mol-1, with relatively high optical purity and yields were successful produced. A clear evidence of the successful molecular weight increase was the dramatic raise in torque recorded in the later stage of melt polycondensation experiments. The mechanical performance (tensile strength higher than 40 MPa, elongation at break lower than 6 % and elastic modulus around 1100 MPa) are in the range of those reported for the unmodified polylactide, therefore fulfilling basic requirements for general applications. Thermal characterization results were strongly dependent on polymer composition and architecture. The influence of different central cores, as well as of the linking moieties, was assessed by DSC and TGA. According to WAXS results, no influence on crystalline structure was detected. Side reactions were also registered in this process. These were: depolymerization into lactide reducing yield and the attainable molecular weight, racemization leading to the random introduction of D-lactyl units in the polymer chain and thermo-oxidation resulting in a yellow coloration. Crystallization was highly dependent on the racemization extent. An important feature of thermoplastic materials is its visual appearance. The yellow coloration of PLA films was evaluated by the standard L* a* b* colour system and compared to a commercial polylactide confirming important yellowing. To some extent colour formation may be avoided by using highly pure nitrogen and thermo stabilizers or, alternatively, colour correction may be applied. Bioadhesives, from lactic acid condensation products, were also synthesized and assessed. Linear and star-shaped lactic acid oligomers were functionalized with carbon double bonds and further photocrosslinked into a well defined and self-supporting film after few minutes of UV exposure. According to the in vitro cell culture, linear lactic acid oligomers modified with methacrylic anhydride showed a moderate swelling ratio and enhanced cells proliferation and therefore may be envisaged as a new and promising material for tissue engineering.

O desenvolvimento de novos materiais, que constituam uma alternativa sustentável aos actuais materiais de origem petroquímica, tem registado um esforço muito significativo. O poli(ácido láctico), PLA, é um polímero sintético, biodegradável, obtido a partir de matéria prima 100 % renovável, o ácido láctico, e considerado um dos materiais mais promissores. As suas propriedades possibilitam um vasto leque de aplicações: biomédicas, farmacêuticas, ou mesmo convencionais. Devido ao crescente interesse comercial, o PLA tem sido alvo de inúmeros estudos científicos e, embora já seja produzido à escala industrial, o desenvolvimento de um processo alternativo mais eficiente permanece um desafio. Com o intuito de contribuir para uma maior competitividade do PLA, esta tese discute a síntese de PLA por polimerização de reacção gradual, uma via alternativa ao actual processo de síntese por abertura de anel. O objectivo principal centra-se na obtenção de PLA de elevado peso molecular, cerca de 100 000 g.mol-1, adequado para aplicações em larga escala. No entanto, o âmbito da tese não se encontra limitado a uma utilização em particular. A produção de PLA por polimerização de reacção gradual é uma reacção reversível, requerendo a eliminação contínua do subproduto da reacção. Um peso molecular elevado está inevitavelmente associado a um aumento da viscosidade do meio, dificultando a remoção do subproduto. As condições de polimerização, realizada sob vácuo, a temperatura elevada, com agitação e fluxo contínuo de azoto, foram optimizadas de acordo com o peso molecular pretendido e as propriedades finais do polímero. A policondensação do ácido láctico em solução foi a primeira via estudada. A utilização de solventes orgânicos permitiu reduzir a viscosidade do meio reaccional facilitando a remoção da água e o PLA obtido, usando xileno como solvente, atingiu um peso molecular de 80 000 g.mol-1. Embora o peso molecular fosse elevado, o rendimento foi reduzido e o tempo de reacção longo. De salientar ainda que o recurso a solventes orgânicos põe em causa a sustentabilidade do processo, o que levou à procura de estratégias alternativas. Na literatura não há informação sobre a utilização de ésteres derivados do ácido láctico na síntese de PLA por politransesterificação na massa, e este foi o segundo desafio deste trabalho. As estruturas químicas dos vários ésteres testados, bem como o catalisador adicionado, influenciaram significativamente a velocidade de polimerização e o peso molecular do produto final. O lactato de etilo conduziu aos melhores resultados obtidos nos ensaios de politransesterificação e o sistema catalítico Sb2O/Zn(O2CCH3)2.2H2O foi o mais eficiente. A dificuldade em obter um polímero de elevado peso molecular levou ao estudo da síntese de PLA por policondensação directa do ácido láctico na massa, o que envolveu uma nova etapa de selecção de catalisador. Contrariamente aos estudos publicados, concluiu-se que o estanho metálico é um catalisador eficiente, tanto em termos de peso molecular como de rendimento. Uma vantagem adicional consiste no facto de este catalisador poder ser completamente removido da matriz polimérica, constituindo uma boa alternativa aos sais de estanho vulgarmente utilizados. Os resultados obtidos por poliesterificação e por politransesterificação na massa foram interessantes, mas o desafio permanecia. O aumento do peso molecular passou pela introdução de alterações na estrutura do polímero. Foram estudadas duas abordagens diferentes: o uso de co-monómeros com vários grupos funcionais para promover a síntese de PLA com estrutura ramificada em estrela, e o uso de co-monómeros que conduzem à extensão de cadeia a partir de pré-polímeros de ácido láctico. Uma selecção cuidada do co-monómero e da quantidade a introduzir permite controlar o peso molecular e a estrutura da molécula final de PLA. Pesos moleculares superiores a 100 000 g.mol-1, pureza óptica e rendimentos elevados foram assim atingidos. Os resultados da avaliação mecânica (resistência à tracção superior a 40 MPa, alongamento na ruptura inferior a 6 % e módulo de elasticidade de cerca de 1100 MPa) são semelhantes às propriedades do polilactídeo sem modificação. O comportamento térmico, avaliado por DSC e TGA, é fortemente dependente da composição e da estrutura do polímero final. De acordo com os resultados WAXS, não foi observada qualquer influência na estrutura cristalina. Reacções secundárias estiveram presentes nos estudos de polimerização. As mais relevantes foram: despolimerização que origina lactídeo, reduzindo o rendimento da reacção e o peso molecular, racemização que leva à inversão da conformação e reacções de oxidação térmica, que resultam no amarelecimento do material. Verificou-se que a cristalização do polímero depende fortemente da extensão da racemização. A importância da cor nos materiais termoplásticos levou à sua avaliação pelo sistema L * a * b * e comparação com um PLA comercial, confirmando a ocorrência de amarelecimento. Confirmou-se que a formação de cor pode ser evitada usando estabilizantes térmicos ou azoto ultra puro durante a polimerização, na literatura a aplicação de correcção da cor é apresentada como uma alternativa. Em paralelo aos estudos de polimerização avançou-se também no desenvolvimento de bioadesivos de base ácido láctico. Oligómeros lineares e com estrutura em estrela foram funcionalizados com ligações duplas e subsequentemente fotoreticulados, obtendo-se filmes bem definidos após poucos minutos de exposição a raios UV. De acordo com os resultados de cultura celular in vitro, o bioadesivo resultante de oligómeros lineares modificados com anidrido metacrílico mostrou uma capacidade de absorção de água moderada e uma boa proliferação celular, podendo ser encarado como um material novo e promissor para a utilização em engenharia de tecidos.