Introduktion
Hyaluronsyre (HA) er et naturligt forekommende polysakkarid, der ofte bruges som en funktionel ingrediens i mange topiske og subkutane anti-ageing-behandlinger som f.eks. dermale fillers, der udnytter polymerens unikke viskoelastiske egenskaber til effektiv forstærkning af blødt væv. Når HA administreres subkutant, opbygger det et elastisk netværk i rynker og rifter for at give huden et mere fyldigt udseende. Naturligt forekommende HA har en halveringstid på mindre end tre dage, så det er vigtigt at øge polymerens holdbarhed for at udvikle produkter med større klinisk vedholdenhed og en acceptabel holdbarhed. At øge både molekylvægten (MW) og graden af tværbinding af polymeren er en gennemprøvet strategi til at forbedre den mekaniske styrke og forlænge nedbrydningstiden. Men disse egenskaber påvirker også andre af HA's egenskaber, såsom viskositet og viskoelasticitet.
For at kunne formulere HA med succes er det vigtigt at forstå virkningen af faktorer som molekylvægt, molekylstruktur, koncentration og tværbindingsgrad på reologiske egenskaber som viskoelasticitet, som er direkte forbundet med aspekter af produktets ydeevne. Sammenkædning af strukturelle egenskaber med produktets ydeevne via reologiske egenskaber understøtter smart, hurtig og effektiv formulering.
Den følgende undersøgelse viser, hvordan målinger af reologi og partikelstørrelse kan bruges til at karakterisere de fysiske egenskaber ved HA-dermal fillers.
Eksperimentel
- Tre kommercielle HA-dermal fillers blev evalueret ved hjælp af rotationsreometri og laserdiffraktion til karakterisering af henholdsvis reologisk opførsel og partikelstørrelse.
- Målinger med rotationsreometer blev foretaget med et Kinexus rotationsreometer med en Peltier-pladepatron og med et 40 mm parallelt plademålesystem. Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C.
- Der blev anvendt en standard belastningssekvens for at sikre, at begge prøver blev udsat for en ensartet og kontrollerbar belastningsprotokol.
- Oscillationstest omfattede test med variabel amplitude og variabel frekvens. Amplitude-sweep-test ved en frekvens på 1 Hz blev udført for at bestemme det lineære viskoelastiske område (Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER) og den kritiske tøjning. Efterfølgende frekvenssweep-test blev udført mellem 0,1 - 10 Hz med en konstant StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning inden for Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER.
- Der blev foretaget steady state-forskydningsmålinger for at kontrollere viskositetens afhængighed af forskydningshastigheden (0,1 s-1 - 100 s-1), og der blev også udført en stressrampetest (0 Pa - 200 Pa på 100 s) for at bestemme fyldstoffernes FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding.
- Fyldstoffernes KlæbrighedKlæbrighed beskriver samspillet mellem to lag af identiske (autohæsion) eller forskellige (kohæsion) materialer i form af overfladeklæbrighed.klæbrighed blev vurderet ved hjælp af aksialtest på rheometeret, hvor afstanden hurtigt blev ændret fra 1 mm til 20 mm, og normalkraftprofilen blev registreret. Klæbrigheden blev korreleret med den maksimale normalkraft målt i Newton.
- Partikelstørrelsesmålinger af gelpartiklerne i de dermale fillers blev foretaget med en Malvern Mastersizer 3000. Fillerne blev opløst i en saltvandsopløsning, og medianpartikelstørrelsen og partikelstørrelsesfordelingen blev bestemt.
Resultater og diskussion
Oscillationstest
Kurverne for det elastiske modul som funktion af forskydningsbelastningen er vist i figur 2. Alle prøver havde Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER-områder af samme størrelse med en kritisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning, der repræsenterer begyndelsen på ikke-linearitet i området 20 %. Elastiske modulværdier målt inden for Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER viste, at prøve A havde den laveste elastiske stivhed med G', der havde en værdi på 150 Pa. Prøve C var den mest elastisk stive af de tre prøver med en G'-værdi på 320 Pa, mens prøve B havde en værdi mellem de to på 220 Pa.
Kurverne for Elastisk modulDet komplekse modul (den elastiske komponent), lagringsmodulet eller G', er den "reelle" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne elastiske komponent angiver den faste eller faselignende reaktion i den prøve, der måles. elastisk modul og fasevinkel som funktion af svingningsfrekvensen er vist i figur 3. Fasevinklen for alle prøver over hele frekvensområdet er omkring 10°, hvilket tyder på, at alle prøver er meget elastiske geler. Værdierne af G' for prøverne A, B og C ved 1 Hz er henholdsvis ca. 150Pa, 220Pa og 320Pa, hvilket stemmer overens med amplitudesweepdataene ved samme frekvens. Den svage hældning i G' med frekvensen antyder en small mængde strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning, hvor lagret elastisk energi forsvinder med stigende tid (faldende frekvenser), selvom dette er relativt minimalt.
Der er mange faktorer, der påvirker de viskoelastiske egenskaber af HA-dermal fillers, herunder HA-koncentration, molekylvægt og tværbindingsgrad. Ved at ændre disse egenskaber kan de viskoelastiske egenskaber, især det elastiske modul G', konstrueres til en specifik anvendelse. Geler med høj G' giver større modstandsdygtighed over for deformation og burde være mere effektive som fyldstoffer, men de kan være sværere at injicere og kan give flere smerter. Derfor kan stærke geler med høj G' være mere velegnede til dybere eller mere alvorlige rynker. På den anden side kan svagere geler med lav G' være bedre til fine eller lette rynker i læber eller tårekanaler, som er mere følsomme, fordi de vil give mindre smerte ved indsprøjtning. Den lavere modulus kan også bedre matche det lokale vævs egenskaber. Af de tre testede HA-prøver kan man sige, at prøve A er den svageste og blødeste gel, og prøve C er den stiveste og stærkeste gel baseret på resultaterne i figur 2 og 3.
Steady shear-test og bestemmelse af FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding
Resultaterne af steady state-forskydningsmålingerne - forskydningsviskositet målt som en funktion af forskydningshastigheden - er vist i figur 4. Viskositeten falder markant med stigende forskydningshastighed, hvilket indikerer, at materialerne er meget forskydningsfortyndende. Fyldstoffernes struktur er også så stærk, at viskositeten er meget høj ved en lav forskydningshastighed og fortsætter med at stige med faldende forskydningshastighed, hvilket tyder på FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding eller faststoflignende opførsel i hvile. Dette stemmer overens med observationer fra oscillationstest, som viste en meget elastisk gel-lignende struktur. En FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding indikerer, at materialet vil opføre sig som et fast stof under den kritiske spænding, men vil flyde som en væske over denne kritiske spænding. Størrelsen af flydespændingen bør være relateret til den strukturelle styrke og dermed graden af tværbinding og koncentration af gelpartiklerne, hvilket bør afspejles i G'.
Flydespændingen kan bestemmes ved hjælp af en række forskellige tests, men en stressrampe er en af de hurtigste og nemmeste måder at estimere flydespændingen på, hvor den øjeblikkelige viskositet (ikke steady state) måles kontinuerligt med stigende forskydningsspænding. Stressrampedata for de tre HA-prøver er vist i figur 5. Toppen i viskositet repræsenterer flydepunktet, og den spændingsværdi, hvor dette sker, er flydespændingen. Prøve A har den laveste FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding (42 Pa) og prøve C den højeste (55 Pa), mens prøve B er lidt lavere end C (53 Pa). Det er den samme rækkefølge, der blev observeret i oscillationstesten, hvor prøve C var den stærkeste og prøve A den svageste af de tre geler. Da disse geler har tendens til at eksistere som en samling af kovalent tværbundne gelpartikler (i modsætning til et kontinuerligt gelenetværk), er flydespændingen forbundet med den spænding, der kræves for at "løsne" partiklerne og give dem mulighed for at bevæge sig forbi hinanden.
Test af klæbeevne
Normalkraftprofilerne som funktion af tiden, når afstanden mellem plade og plade øges, er vist i figur 6. Normalkraftværdien er negativ, fordi prøven trækkes ned på den øverste plade på grund af klæbe-/klæbekræfter og falder mod nul ved brud; restkraften på lange tidspunkter skyldes vægten af de tilbageholdte prøver på den øverste plade. Den maksimale normalkraft for prøve A, B og C er henholdsvis 0,35 N, 0,46 N og 0,54 N, hvilket igen korrelerer med rækkefølgen af G'- og Yield-spændingsmålinger for de tre prøver. Derfor har prøve C den højeste grad af klæbeevne eller kohæsivitet og prøve A den laveste.
Partikelstørrelse
Partikelstørrelsen på gelpartiklerne skal kontrolleres for at reducere ekstruderingskraften og de dermed forbundne bivirkninger som smerte og blødning, når gelerne injiceres. Derfor skal gelerne konstrueres, så de kan passere gennem nåle med en passende hastighed og den ønskede ekstruderingskraft. I figur 7 er gelernes partikelstørrelsesfordeling vist som en kumulativ volumenprocent. Medianstørrelsen (Dv50) for prøverne A, B og C er 480 μm, 425 μm og 203 μm. Stærke geler med høje G'- og flydespændingsværdier skal have en størrelse på small, så partiklerne let kan injiceres gennem nålene. Prøve C har den mindste partikelstørrelse, fordi den har den højeste G'-værdi i prøverne. På den anden side har prøve A den største partikelstørrelse, da den er den svageste gel i prøverne (den kan let føres gennem nålene). Den resulterende størrelse vil også være relateret til graden af tværbinding og molekylvægt, da stærkt tværbundne polymerer forbundet med højere værdier af G' vil være tættere og mere kompakte.
Konklusion
De reologiske egenskaber og partikelstørrelsen af tre kommercielle HA-baserede dermale fillers blev karakteriseret og sammenlignet. Det elastiske modul G' blev bestemt ud fra oscillationstest, og disse værdier blev korreleret med gelens stivhed og styrke (f.eks. svage eller stærke geler). Der blev foretaget steady-state forskydningsmålinger for at kontrollere viskositetens afhængighed af forskydningshastigheden, og der blev udført stressrampetest for at bestemme den kraft, der kræves for at nedbryde gelstrukturen, dvs. flydespændingen. Fyldstoffernes KlæbrighedKlæbrighed beskriver samspillet mellem to lag af identiske (autohæsion) eller forskellige (kohæsion) materialer i form af overfladeklæbrighed.klæbrighed blev bestemt ved at måle den normale kraftprofil, når afstanden mellem pladerne øgedes, og korreleret med data om svingninger og FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding. Desuden blev gelernes partikelstørrelse målt, fordi størrelsen påvirker ekstruderingen, og det viste sig også at korrelere med de reologiske data.
Konklusionen er, at de reologiske egenskaber og partikelstørrelsen af HA-baserede dermale fillers er vigtige parametre for at bestemme disse produkters ydeevne (f.eks. nem levering, ekstruderingskraft, injektion, modstandsdygtighed over for deformation, smertereduktion) og anvendelse (f.eks. fine eller dybe rynker, ansigtskurver).