مقدمة
يعد تطوير الأجهزة الممدودة بالعقاقير مجالًا رئيسيًا من مجالات البحوث الطبية الحيوية حيث يتم إنشاء منتجات لتوصيل جرعة مصممة خصيصًا من عامل علاجي في موقع معين داخل الجسم. وعادةً ما يتم تصنيع هذه الأجهزة الماصة للدواء باستخدام العامل العلاجي المشتت داخل مصفوفة بوليمر [1]، أو داخل مادة مركبة تتكون جزئيًا من مصفوفة بوليمرية. تُعد البوليمرات وسائل مثالية للعوامل العلاجية بسبب سهولة تصنيعها وقابليتها للتصنيع وملامح إطلاقها القابلة للتخصيص والتوافق الحيوي وقابليتها للتشكيل. وتشمل الأمثلة على هذه الأنواع من المنتجات الدعامات الماصة للأدوية والغرسات والخيوط الجراحية.
NETZSCH تحتل شركة "تاتا" موقعاً فريداً في عالم الريولوجيا لأنها تنتج كلاً من مقاييس الانسيابية الدورانية/التذبذبية التقليدية وكذلك مقاييس الانسيابية الشعرية عالية القوة؛ وتغطي هذه الأدوات جنباً إلى جنب أكثر من ست مراتب من معدلات القص. وعلى وجه الخصوص، يمكن استخدام مقاييس الانسيابية الشعرية روزاند لمحاكاة عمليات التصنيع البوليمرية مثل البثق بالذوبان الساخن للتركيبات الصيدلانية [2]. في هذا المثال، تم بثق البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) لإنتاج غرسات رقيقة أو مركبات خياطة الجروح كنموذج للتصنيع.
يُستخدم التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) في المقام الأول لتحليل الخواص اللزجة المرنة للمواد البوليمرية ولكنه يُستخدم أيضًا لقياس المعادن أو السيراميك أو محاكاة ظروف ميكانيكية محددة. يعد NETZSCH DMA 303 Eplexor® جهازًا مكتبيًا متعدد الاستخدامات قادرًا على القياس في نطاق درجة حرارة يتراوح بين -170 درجة مئوية و800 درجة مئوية (-274 درجة فهرنهايت إلى 1472 درجة فهرنهايت)، مع تطبيق قوة تتراوح من 1 ملي نيوتن إلى 50 نيوتن وبترددات تتراوح من 0.001 إلى 150 هرتز. في هذا المثال، تم استخدامه لتحديد خصائص اللزوجة المرنة لمركبات البولي إثيلين منخفض الكثافة. ومع ذلك، يسمح نطاق القوة والتردد الخاص بالوحدة بمحاكاة العديد من الظروف الفسيولوجية أيضًا، مما يعني أنه يمكن اختبار البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE) المبثوق كغرسة أو خياطة غرز أو دعامة في ظل ظروف النموذج.
قياس الريومترية الشعرية واختبار البثق والسحب
إلى جانب قدرتها على محاكاة معالجة ذوبان البوليمر بتقنيات مثل البثق بالذوبان الساخن، فإن وحدات RH7/10 الشعرية من Rosand RH7/10 قادرة أيضًا على قياس السحب، حيث يتم تمرير البوليمر المبثوق حول بكرتين منخفضتي الاحتكاك (الأولى تقع على ميزان دقيق) ثم يتم تغذيتها من خلال ترتيب لفة ارتشاف على أسطوانة سحب يتم تشغيلها بواسطة محرك متصل بجانب وحدة مقياس الانسيابية الرئيسية، كما هو موضح في الشكل 1). وهذا يسمح بتحديد كل من التوتر الذائب، وكذلك تأثير السحب إلى الأسفل الذي يتم فيه زيادة ترقق البثق من قطر القالب إلى عرض معين. وهذا الأمر مهم بشكل خاص للأجهزة الممدودة بالعقاقير حيث أن الغرسات غالبًا ما يتم إعطاؤها بإبرة ذات مقياس معين (يعتمد على الموقع)، وتحتاج الغرز إلى تلبية معايير الأبعاد.
في هذه الحالة، تمت معالجة كريات LDPE-450 عند درجة حرارة 180 درجة مئوية باستخدام نموذج Rosand RH10 القائم على الأرض (الشكل 1). استُخدم قالب بطول 16 مم وقطر 1.0 مم لإنتاج مادة البوليمر المبثوقة. تم استخدام محول ضغط بقوة 5,000 رطل لكل بوصة مربعة لقياس لزوجة المصهور وتم تغذية المادة المبثوقة على نظام التفريغ Tragethon. تم بثق البولي إثيلين منخفض الكثافة بسرعة 10 مم/دقيقة من القالب ثم تم زيادة سرعة السحب من 5 إلى 15 م/دقيقة. وتظهر نتائج تأثير السحب لأسفل وتجميع البولي إثيلين منخفض الكثافة في الشكل 2. من الشكل 2 أ، يتم تخفيف البثق الخارج من القالب الذي يبلغ قطره 1.0 مم بشكل فعال بواسطة نظام السحب ويمكن سحبه إلى قطر مستهدف ثابت يبلغ 0.4 مم. من سرعة سحب تتراوح من 6 إلى 7 م/دقيقة يبلغ قطر البثق 0.54 ± 0.04 مم بينما من 11 إلى 12 م/دقيقة يبلغ القطر 0.54 ± 0.04 مم. وهذا أمر مهم للغاية لإنتاج غرسات مخرجة للعقاقير باستمرار ليتم نشرها بواسطة إبرة (إبرة قياس 22) أو خيوط (USP حجم # 0 أو 1). ومن النتائج الرئيسية الأخرى من الشكل 2 أ أنه يمكن تخفيف البولي إثيلين منخفض الكثافة مع زيادة سرعة السحب ولكن المادة تنكسر (كما هو موضح في الملصق) عند سرعة 13 م/دقيقة مما يتسبب في قراءة القطر المسجل على 0 (لا يتم قياس أي مادة) ثم يعود إلى 1.25 مم (قطر البثق الخارج من القالب). تُعد القدرة على تحديد درجة السحب إلى أسفل وكذلك النقطة التي تكون فيها قوة الذوبان ضعيفة جدًا للمعالجة الفعالة من اعتبارات التصنيع المهمة. ويوضح الشكل 2 ب البولي إثيلين منخفض الكثافة (LDPE) الذي تم جمعه من نظام السحب. يمكن أن تنتج دورة واحدة عدة أمتار من المادة الرقيقة.
اختبار DMA لخصائص اللزوجة المرنة ومحاكاة التطبيق
ولتحديد خواص اللزوجة المرنة للمادة الرقيقة بقطر 0.4 مم من البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE)، تم إجراء مسح قياسي لدرجة الحرارة على غرسة واحدة (مأخوذة من قسم سرعة السحب من 10 إلى 13 م/دقيقة) في حالة الشد، كما هو موضح في الشكل 3أ، مع استخدام NETZSCH DMA 303 Eplexor® من -170 إلى 70 درجة مئوية، كما هو موضح في الشكل 3ب. يصف معامل التخزين (E') قدرة المادة على تخزين الطاقة (ومن ثم إطلاقها مثل الزنبرك)، ويصف معامل الفقد (E') قدرة المادة على تبديد الطاقة (عادةً من خلال الاحتكاك الداخلي)، أما معامل التخميد (tan δ) فهو نسبة E' إلى E' التي تصف مقدار ما تخمده المادة من قوة مطبقة.
من الشكل الموضح في الشكل 3 ب، يحدث الانتقال الزجاجي للبولي إثيلين المنخفض الكثافة عند درجة حرارة -130 درجة مئوية تقريبًا مع انتقال آخر عند حوالي -30 درجة مئوية. وعادةً ما تكون درجة حرارة ذوبان البولي إثيلين المنخفض الكثافة 125 درجة مئوية، ومع ذلك، كما هو موضح في الشكل 3، تصبح المادة لينة بعد 50 درجة مئوية. إن فهم الخصائص اللزوجة المرنة لمنتج مطاطي دوائي مهم للتطبيقات الفسيولوجية: مدى قوة الخياطة، ومدى الراحة التي يمكن أن تُرى بها الغرسة ومدى مرونة الدعامة التي يمكن لفها بفعالية حول الشريان مع توفير التعزيز في الوقت نفسه.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام NETZSCH DMA 303 Eplexor® لمحاكاة ظروف التحميل الديناميكية. وهذا الأمر مهم بشكل خاص للتطبيقات الطبية الحيوية لأن جسم الإنسان يتعرض لحركات ديناميكية ثابتة small ناجمة عن تدفق الدم من القلب الذي يضخ الدم، بالإضافة إلى الحركات الأكبر التي يتعرض لها على مدار اليوم وأثناء ممارسة الرياضة. ستختبر الدعامات هذا التشوه الديناميكي لأنها تغطي الشرايين/الأوعية، ولكن حتى الغرسات التي يتم نشرها في مواقع مستهدفة مثل الدماغ أو مؤخرة العين ستختبر تشوهات ثابتة small بسبب إمدادات الدم النابضة والتدفق الموضعي. يمكن لجهاز NETZSCH DMA 303 Eplexor® قياس المواد في رطوبة نسبية محددة أو في بيئات مائية بالكامل من خلال استخدام حمام غمر.
لمحاكاة البيئة التي قد تتعرض لها مادة البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE) المبثوقة كخياطة خياطة، تم إجراء مسح زمني حيث تم غمر المادة في الماء وتعريضها لتشوه ديناميكي بمقدار 30 ميكرومتر عند 1.3 هرتز (لتعكس متوسط معدل ضربات القلب أثناء الراحة البالغ 80 نبضة في الدقيقة) و37 درجة مئوية لمدة 8 ساعات، وتظهر النتائج في الشكل 4. والأهم من ذلك، لا يمكن فقط استخدام NETZSCH DMA 303 Eplexor® لنمذجة تحميل ديناميكي بتردد حيوي، ولكن من خلال زيادة وتيرة التشوه، يمكن أيضًا نمذجة الشيخوخة المتسارعة [3].
إن البولي إثيلين المنخفض الكثافة كاره للماء، لذا من غير المتوقع أن تتغير الخواص الميكانيكية بشكل كبير في البيئة الفسيولوجية حيث أن مصفوفة البوليمر لن تنتفخ. ومع ذلك، في هذا المثال، لوحظ انخفاض طفيف (أقل من 1%) في عامل التخميد في هذا المثال، مما يدل على أن الغرسة تتصرف بمرونة أكبر بمرور الوقت في البيئة المعينة، وهو اعتبار رئيسي للعمل الفعال داخل جسم الإنسان. ومع ذلك، يجب التحقق من صحة هذا التغير الطفيف في التغير لإظهار أهميته. على النقيض من ذلك مع غرسة مصنوعة من مصفوفة بوليمر محبة للماء، فإن تورم المصفوفة بمرور الوقت سيؤدي إلى انخفاض كبير في الصلابة.
الملخص
تُستخدم الأجهزة الممدودة بالعقاقير لتوصيل جرعات علاجية مضبوطة داخل موقع محدد من الجسم. وقد أوضحنا هنا كيف يمكن استخدام أدوات مختلفة NETZSCH ليس فقط لنمذجة التصنيع وتحديد اللزوجة المرنة ولكن أيضًا لمحاكاة الظروف الفسيولوجية التي قد تتعرض لها هذه المواد. تم استخدام جهاز Rosand RH10 لنمذجة البثق بالذوبان الساخن للغرسات/الخيوط البوليمرية إلى جانب قياس السحب لخصائص الشد والتحكم في أبعاد السحب إلى قطر البثق 0.4 مم.
ثم استُخدم جهاز DMA 303 Eplexor® لقياس الخصائص اللزوجة المرنة الأساسية (التحولات عند درجة حرارة -130 و -30 درجة مئوية) ومحاكاة الظروف الفسيولوجية الديناميكية (التشوه الناتج عن ضربات القلب) التي قد تتعرض لها المواد المبثوقة داخل جسم الإنسان.