Въведение
Хиалуроновата киселина (HA) е естествен полизахарид, който често се използва като функционална съставка в много локални и подкожни процедури против стареене, като например дермални пълнители, които използват уникалните вискоеластични свойства на полимера за ефективно увеличаване на меките тъкани. Когато се прилага подкожно, HA изгражда еластична мрежа в бръчките и ритидите, за да придаде на кожата по-плътен и пълен вид. Естествено срещащият се HA има период на полуразпад по-малко от три дни, така че увеличаването на трайността на полимера е от съществено значение за разработването на продукти с по-голяма клинична устойчивост и приемлив срок на годност. Увеличаването на молекулното тегло (MW) и на степента на омрежване на полимера е доказана стратегия за подобряване на механичната якост и удължаване на времето за разграждане. Тези характеристики обаче оказват влияние и върху други свойства на НА, като вискозитет и вискоеластичност.
За да се формулира успешно HA, е важно да се разбере влиянието на фактори като молекулно тегло, молекулна структура, концентрация и степен на омрежване върху реологичните характеристики, като например вискоеластичност, които са пряко свързани с аспектите на експлоатационните качества на продукта. Свързването на структурните характеристики с характеристиките на продукта чрез реологичните свойства подпомага интелигентното, бързо и ефективно формулиране.
Следващото проучване показва как измерванията на реологията и размера на частиците могат да се използват за характеризиране на физичните свойства на HA дермални пълнители.
Експериментален
- Три комерсиални дермални пълнителя от HA бяха оценени с помощта на ротационна реометрия и лазерна дифракция за характеризиране на реологичното поведение и размера на частиците.
- Измерванията с ротационен реометър бяха направени с помощта на ротационен реометър Kinexus с патрон с плочи на Пелтие и с помощта на система за измерване на паралелни плочи с диаметър 40 mm. Всички реологични измервания са извършени при 25°C.
- Използвана е стандартна последователност на зареждане, за да се гарантира, че и двете проби са били подложени на последователен и контролируем протокол на зареждане.
- Изпитването на осцилации включваше изпитвания с променлива амплитуда и променлива честота. Извършени са амплитудни тестове с честота 1 Hz, за да се определи линейната вискоеластична област (Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER) и критичната деформация. Последващите изпитвания с честотно размахване бяха извършени в интервала 0,1 - 10 Hz, като се използваше постоянна деформация в рамките на Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER.
- Извършени са измервания на срязване в стабилно състояние, за да се провери зависимостта на вискозитета от скоростта на срязване (0,1 s-1 - 100 s-1), а също така е извършен тест с рампа на напрежението (0 Pa - 200 Pa за 100 s), за да се определи границата на провлачане на пълнителите.
- Лепкавостта на пълнителите е оценена чрез аксиално изпитване на реометъра, което включва бързо изменение на разстоянието от 1 mm до 20 mm и записване на профила на нормалната сила. Лепкавостта е съотнесена към пиковата нормална сила, измерена в нютони.
- Измерванията на размера на частиците на гела в дермалните пълнители бяха направени с помощта на Malvern Mastersizer 3000. Пълнителите бяха диспергирани във физиологичен разтвор и бяха определени медианният размер на частиците и разпределението на размера на частиците.
Резултати и обсъждане
Изпитване на осцилации
Кривите на модула на еластичност като функция на деформацията при срязване са показани на фигура 2. Всички образци имат сходни по големина Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER области с критична деформация, представляваща началото на нелинейност в областта на 20 %. Стойностите на модула на еластичност, измерени в рамките на Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER, показват, че образец А има най-ниска еластична твърдост със стойност на G' от 150 Pa. Образец C е с най-голяма еластична твърдост от трите образеца със стойност на G' 320 Pa, а образец B има стойност между двете стойности от 220 Pa.
Кривите на модула на еластичност и фазовия ъгъл като функция на честотата на трептене са показани на фигура 3. Фазовият ъгъл за всички проби в целия честотен диапазон е около 10°, което предполага, че всички проби са високоеластични гелове. Стойностите на G' за образци A, B и C при 1 Hz са съответно около 150 Pa, 220 Pa и 320 Pa, които корелират с данните от амплитудното размахване при същата честота. Лекият наклон на G' с честотата предполага small количество структурна релаксация, при която натрупаната еластична енергия се разсейва с увеличаване на времето (намаляване на честотата), въпреки че тя е относително минимална.
Съществуват много фактори, които влияят върху вискоеластичните свойства на HA дермалните пълнители, включително концентрацията на HA, молекулното тегло и степента на омрежване. Като се променят тези характеристики, вискоеластичните свойства, особено модулът на еластичност G', могат да бъдат разработени за конкретно приложение. Геловете с висок G' дават по-висока устойчивост на деформация и би трябвало да са по-ефективни като пълнители, но може да са по-трудни за инжектиране и да причиняват повече болка. Следователно силните гелове с висок G' може да са по-подходящи за използване при по-дълбоки или по-сериозни бръчки. От друга страна, по-слабите гелове с нисък G' могат да бъдат по-подходящи за фини или леки бръчки, намиращи се в устните или в слъзните канали, които са по-чувствителни, тъй като биха причинили по-малко болка при инжектиране. По-ниският модул може също така да съответства по-добре на свойствата на местната тъкан. От трите тествани проби HA може да се каже, че проба А е най-слабият и най-мекият гел, а проба С е най-твърдият и най-силен гел въз основа на резултатите, представени на фигури 2 и 3.
Изпитване на стабилно срязване и определяне на напрежението на провлачване
Резултатите от измерването при устойчиво срязване - вискозитет при срязване, измерен като функция на скоростта на срязване, са показани на фигура 4. Вискозитетът намалява значително с увеличаване на скоростта на срязване, което показва, че материалите са силно разредени при срязване. Освен това структурата на пълнителите е толкова силна, че при ниска скорост на срязване вискозитетът е много висок и продължава да нараства с намаляване на скоростта на срязване, което предполага граница на провлачване или поведение на твърдо тяло в покой. Това съответства на наблюденията от осцилационните изпитвания, които показват силно еластична гелообразна структура. Напрежението на провлачване показва, че материалът ще се държи като твърдо тяло под критичното напрежение, но ще тече като течност над това критично напрежение. Големината на границата на провлачване трябва да бъде свързана със структурната якост и следователно със степента на омрежване и концентрацията на частиците на гела, което трябва да се отрази в G'.
Напрежението на свличане може да се определи чрез редица различни тестове, но рампата на напрежението е един от най-бързите и лесни начини за оценка на напрежението на свличане, при който моментният вискозитет (а не стабилното състояние) се измерва непрекъснато с увеличаване на напрежението на срязване. Данните от рампата на напрежението за трите проби HA са показани на фигура 5. Пикът на вискозитета представлява точката на провлачване, а стойността на напрежението, при която това се случва, е границата на провлачване. Образец А има най-ниското напрежение на провлачване (42 Pa), а образец С - най-високото (55 Pa), като образец В е малко по-нисък от образец С (53 Pa). Това е същият ред, който се наблюдава при изпитването на осцилации, като образец С е най-силен, а образец А - най-слаб от трите гела. Тъй като тези гелове са склонни да съществуват като съвкупност от ковалентно омрежени частици (за разлика от непрекъсната мрежа от гелове), тогава границата на провлачване се свързва с напрежението, необходимо за "отпушване" на частиците и позволяването им да се движат една по друга.
Изпитване на тенекия
Профилите на нормалната сила като функция на времето при увеличаване на разстоянието между плочата и плочата са показани на фигура 6. Стойността на нормалната сила е отрицателна, тъй като пробата се дърпа надолу към горната плоча поради адхезивните/кохезионните сили и намалява към нула при разрушаване; остатъчната сила при дълги периоди от време се дължи на теглото на задържаните проби върху горната плоча. Пиковата нормална сила за образци А, В и С е съответно 0,35 N, 0,46 N и 0,54 N, които отново корелират с реда на измерванията на G' и Yield stress за трите образеца. Следователно образец В има най-висока степен на прилепване или кохезия, а образец А - най-ниска.
Размер на частиците
Размерът на частиците на гела трябва да се контролира, за да се намали силата на екструдиране и свързаните с нея странични ефекти като болка и кървене при инжектиране на гела. Поради това геловете трябва да бъдат разработени така, че да преминават през игли с подходяща скорост и с желаната сила на екструдиране. На фигура 7 е показано разпределението на размера на частиците на геловете като кумулативен обем в проценти. Средният размер (Dv50) на образци A, B и C е 480 μm, 425 μm и 203 μm. Силните гелове с високи стойности на G' и на границата на провлачане трябва да бъдат оразмерени до small частици, за да могат лесно да се инжектират през иглите. Образец С е с най-малък размер на частиците, тъй като има най-висока стойност на G' в образците. От друга страна, проба А има най-голям размер на частиците, тъй като е най-слабият гел в пробите (може лесно да се прокара през иглите). Полученият размер ще бъде свързан и със степента на омрежване и молекулното тегло, тъй като силно омрежените полимери, свързани с по-високи стойности на G', ще бъдат по-плътни и компактни.
Заключение
Характеризирани и сравнени са реологичните свойства и размерът на частиците на три търговски дермални пълнителя на основата на HA. Модулът на еластичност G' беше определен от осцилационно изпитване и тези стойности корелираха с твърдостта и здравината на гела (напр. слаби или силни гелове). Направени са измервания на срязване в стационарно състояние, за да се провери зависимостта на вискозитета от скоростта на срязване, и са проведени рампови стрес тестове, за да се определи силата, необходима за разрушаване на структурата на гела, т.е. границата на провлачване. Лепкавостта на пълнителите е определена чрез измерване на профила на нормалната сила при увеличаване на разстоянието между плочата и плочата и е съпоставена с данните за осцилациите и за границата на провлачване. Освен това беше измерен размерът на частиците на геловете, тъй като размерът влияе върху екструдирането, и беше установено, че той също корелира с реологичните данни.
В заключение, реологичните свойства и размерът на частиците на дермални пълнители на основата на HA са съществени параметри за определяне на ефективността (напр. лесно доставяне, сила на екструдиране, инжектиране, устойчивост на деформация, намаляване на болката) и приложението (напр. фини или дълбоки бръчки, кон- туриране на лицето) на тези продукти.