23.02.2023 by Prof. Dr. Michael Gasik (Aalto University Helsinki, Finland)
DMA om biomaterialer: At se det usynlige!
En artikel af Prof. Dr. Michael Gasik (Aalto-universitetet i Helsinki, Finland)
Der findes i dag mange typer biomaterialer til brug i forskellige implantater, især inden for ortopædi og tandpleje. Der bruges metallegeringer, keramik og kompositter, både med og uden levende celler. Der er et voksende anvendelsesområde for forskellige stilladser, der bruges i vævstekniske applikationer til at understøtte og fremme dannelsen af nyt væv, og mange af disse fremstilles ved hjælp af 3D-(bio)print. Biologisk vævsregenerering er kendt for at være en af de mest krævende udfordringer, som kræver biomaterialestrukturer med korrekte biomekaniske egenskaber [1], der efterligner in vivo-adfærd [2]. Korrekte biomaterialer hjælper kroppen med at genopbygge det beskadigede væv og minimerer den dermed forbundne smerte og helingstid [3].
Denne artikel af Prof. Dr. Michael Gasik (Aalto University Helsinki, Finland) viser en ny anvendelse af den dynamisk-mekaniske analyseteknik (DMA), kaldet BEST(Biomaterials Enhanced Simulation Testing), der bruges til at karakterisere og forbedre biomaterialer og medicinsk udstyr; denne metode går ud over de kendte klassiske viskoelastiske analyser.
Prof. Michael Gasik fra Aalto Universitet i Finland (Institut for Kemisk og Metallurgisk Teknologi) begyndte at arbejde med termisk analyse i 1985 og har samarbejdet med NETZSCH-Gerätebau GmbH i næsten lige så lang tid.
Hans fokus har været på materialer til højtemperaturanvendelser og til brintteknologi. Siden 2000 har han arbejdet aktivt med biomaterialer, medicinsk udstyr og applikationer inden for regenerativ medicin. I 2019 blev han udnævnt til ambassadør for European Orthopedic Research Society.
Prof. Michael Gasik er medstifter af Seqvera Ltd. og opfinder af BEST-metoden - Biomaterials Enhanced Simulation Testing - som for første gang er blevet implementeret i NETZSCH DMA-udstyr.
Et af fokuspunkterne i professor Michael Gasiks forskningsaktiviteter er bestemmelsen af biomaterialers mekaniske egenskaber. I denne sammenhæng bruger han DMA-data genereret med en NETZSCH DMA 242 Artemis som grundlag for yderligere beregninger til at karakterisere disse materialer. Læs mere om hans tilgang:
Udfordringer
Der er allerede gennemført mange undersøgelser, og der er indsamlet kliniske data om biomaterialers form, design og overfladetilstand samt implantaters geometri og deres egnethed til de forskellige vævs kvaliteter og placering. Der blev også rapporteret om betydelige forskelle mellem implanterede materialer, der tilsyneladende var identiske, men som stammede fra forskellige kilder [4]. Biomekanisk karakterisering af knogler og blødt væv er mere problematisk end for metalliske, keramiske og polymere materialer. Offentliggjorte datasæt er ofte ikke baseret på sammenlignelige måleprotokoller og -betingelser, hvilket fører til manglende konsistens. Generalisering af disse data er meget vanskelig eller næsten umulig, når det drejer sig om at give enkel, robust og relevant information.
Til biomekanisk karakterisering antager man normalt, at et materiale er en type elastisk eller viskoelastisk materiale for at tilnærme egenskaberne til individuelle tal, der normalt kaldes "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". Dette passer dog kun med lineære elastiske materialer for meget small deformationer, og NPL-retningslinjerne [5] opregner ni metoder til beregning af det elastiske modul, som kan føre til forskellige værdier. Langt de fleste biomaterialer og væv er tydeligvis ikke elastiske, så det er en betydelig oversimplificering at forsøge at reducere data kunstigt til nogle faste tal: Hvad ville for eksempel være fordelen ved at kende "slimhindens elasticitetsmodul", der spænder fra 0,1 til 680 MPa, fra forskellige kilder?
Desværre er problemer i forbindelse med inerti (høje frekvenser) eller instrumentgrænser (lave frekvenser) ikke altid tilstrækkeligt dokumenteret i de offentliggjorte testprotokoller. Selv hvis instrumentets inerti elimineres, vil selve prøven altid have en begrænset inerti, som kan give artefakter fra impulsdiffusion, viskoelastiske bølger og sekundære strømme - som alle kan bryde med antagelsen om homogen og lineær deformation [6]. Mere sofistikerede modeller har et betydeligt antal kunstige tilpasningsparametre, og der er store eksperimentelle vanskeligheder med at udføre sådanne tests inden for eksisterende standarder, protokoller og ad hoc-testmetoder [7].
For processer som 3D-bioprinting er der flere udfordringer, som skal overvindes, f.eks. kontrol af biobindens egenskaber, styring af flow og dets effekt på cellernes levedygtighed og sikring af optimale biofysiske egenskaber af konstruktionerne efter printning og ved implantation [8]. Der kræves højere opløsning og hastighed med kontrol i 3D-mikromiljøet, og der skal opnås en optimal kombination af mekaniske egenskaber og transportegenskaber inden for rum- og tidsskalaen; disse er især nødvendige for diffusionsbegrænset vaskularisering. Nye forordninger om medicinsk udstyr (2017/745) kræver, at der udføres en ordentlig mekanisk evaluering, hvilket resulterer i overholdelse af forordningerne om medicinsk teknologivurdering (2021/2282).
Desværre giver mange forskellige metoder til biofysisk testning ret forskellige resultater, og det er ikke let at opnå realistiske, sande egenskaber. Der er mange grunde til forskellene - ujævn kontakt, fasetilstand, inerti og elastiske ustabilitetseffekter, tilpasning med forkert antagne modeller, begrænsning i belastningsdefinition, mangel på korrekt vurdering af belastningshistorien osv. Derfor er det meget vigtigt at have en robust tilgang, der kan kvantificere både et biomateriales opførsel og dets ydeevne i processen i stedet for bare at generere nogle specifikke tal.
BEST-konceptet
For at løse disse udfordringer har vi udviklet den patenterede BEST-metode(Biomaterials Enhanced Simulation Testing). Den kan anvendes til mange hårde og bløde biomaterialer, herunder hydrogeler, 3D-printede konstruktioner og kontrolleret lægemiddelafgivelse. BEST-løsninger er rettet mod problemer, der især skyldes ukorrekt og fragmenteret testning, og er etableret på baggrund af en integreret tilgang baseret på et grundlæggende kausalitetsprincip: "Der var ingen respons fra prøven, før stimulusblev påført."
BEST udføres under kontrollerede forhold med de nødvendige sammenhængende stimuli i DMA-miljøet. Det vurderer ændringer i prøvens egenskaber i tids-, fase- og stimulusdomæner [9]. I efterbehandlingen integrerer BEST dataene, sammenblander prøvens historie og udtrækker ukendte værdier, alt sammen uden at kræve, at brugeren select materialemodellen (dataanalyse er stort set modelfri). Invariante parametre opnået med en proprietær kvantumregressionsalgoritme inkorporerer prøvehistorien og viser positionen og retningen for udviklingen af et biomateriale [10].
Den vigtigste BEST-funktion er invariant behandling af DMA-data, som normalt forbliver uudforsket af brugeren. Denne nye metode overvinder almindelige begrænsninger i vævsegenskabernes linearitet i mange modeller, nemlig en skaleringsegenskab (homogenitet) og en superpositionsegenskab (additivitet), som generelt ikke gælder for Fourier-transformation, der bruges i lineær viskoelasticitet.
Derfor anvender BEST en korrekt testprotokol og bruger idempotente metoder til at udtrække parametre fra en enkelt prøve/test, hvilket resulterer i høje outputdata uden brug af kompleks matematik (intet behov for komplekse moduler) eller antagelsen om linearitet, og er i stand til også at oparbejde andre reologidata på en sådan måde, at de ikke mister deres værdi.
Eksempel på DMA-anvendelse
I det eksempel, der vises her, blev den ovenfor beskrevne metode anvendt baseret på målinger udført med en NETZSCH DMA 242 Artemis® for at karakterisere egenskaberne for akrylhydrogel til 3D-bioprinting uden brug af en antaget model. Gelen blev anbragt i en 1-mL-sprøjte med en 29G-nål og sat op i den tilpassede DMA-prøveholder, som normalt bruges til bøjning; den blev testet i trinvis krybetilstand ved 25 °C.
Figur 1 viser de eksperimentelle data for den gelmængde, der blev ekstruderet (µL) via en defineret nåledyse, normaliseret pr. anvendt lokalt tryk (kPa). Disse data afslører tydeligt flowkinetikkens ikke-linearitet med tiden og det påførte tryk, og der er ingen enkel måde at select nogen materialemodel til at beskrive disse afhængigheder.
Ud fra disse data udledte BEST-metoden tidsinvariante værdier for gelens viskose stivhed under disse injektionsforhold samt dens hukommelsesværdi [9,10] (fig. 2). Her er kurverne næsten lineære, og linjernes hældning er næsten konstant for alle anvendte tryk (tal i kPa). Det betyder, at gelen, på trods af at den udviser Ikke-newtonskEn ikke-newtonsk væske er en væske, der har en viskositet, der varierer som en funktion af den påførte forskydningshastighed eller forskydningsspænding.ikke-newtonsk opførsel, er lineær med hensyn til modelfrie invariante værdier. Man kan også se, at de numeriske værdier ændrer sig med det anvendte tryk på en ikke-monoton måde, hvilket afslører, at der kan være forskellige begrænsende fænomener, der påvirker flowet. For at se effekten af flowudviklingen er plottet af hukommelsesværdier i forhold til det anvendte tryk vist i fig. 3. Dette kort viser, at gelen i sprøjten møder friktion, flowmodstand og muligvis skridsikre effekter ved lave tryk, når hukommelsesværdierne er meget lavere end enhed. Efter ca. 65 kPa - begyndelsen - springer disse værdier op, hvilket signalerer, at gelen opnår et mere udviklet flow.
Den præsenterede metode kan bestemme invariante værdier og bruge dem i den modelfrie forudsigelse af 3D-bioprintprocesser, afhængigt af dyse, geometri, tryk, tid og andre procesbetingelser, uden at det er nødvendigt at bestemme de reologiske parametre for blæk separat. BEST-metoden genererer "førstehåndsdata" til yderligere forudsigende modellering af 3D-printprocessen og anvender den samme filosofi til karakterisering af 3D-printet væv og konstruktioner.
OPSUMMERING
Den udviklede tilgang demonstrerer evnen til at "se usynlige" funktioner i materialerne og deres interaktioner med stimuli og miljø. På denne måde kan dynamisk-mekanisk analyse (DMA) give meget mere information end de elastiske moduli og tabstangen. Ved hjælp af BEST-behandling kan man få mange udlæsninger til forskellige formål (i nogle tilfælde endda fra en enkelt prøve eller test). For eksempel er det muligt at få aggregatmodulet, den karakteristiske Deborah-tid, krybekompatibilitet, effektiv væskediffusivitet og permeabilitet/permittivitet, ækvivalent kanalstørrelse for væskestrømmen i dynamikken, materialehukommelsesværdi, svulmetryk og meget mere inden for et enkelt eksperiment. Og det gælder ikke kun biomaterialer, da BEST-applikationen er modelfri og ikke kræver nogen tilpasningsparametre; desuden kan den også anvendes på testdata, der allerede er oprettet.
Litteratur:
[1] Hubbell J.A. Nature Biotechnol. 13 (1995) 565-576.
[2] Gasik M. Sci. Techn. Adv. Mater. 18 (2017) 550-562.
[3] Chung C., Burdick J.A. Adv. Drug Delivery Rev. 60 (2008) 243-262.
[4] Gasik M., Lambert F., Bacevic M., Materials 14 (2021) 2845.
[5] Lord J.D., Morrell R. Measurement Good Practice Guide No. 98; NPL Teddington, UK (2006)
[6] Ewoldt R.H., Johnston M.T., Caretta L.M. In: Complex Fluids in Biological Systemsspringer, Tyskland (2015).
[7] Vrana N.E., Knopf-Marques H., Barthes J. (Eds.) Biomaterialer til organ- og vævsregenerering; Woodhead Publ. UK (2020).
[8] Jammalamadaka U., Tappa K. J. Funct. Biomater. 9 (2018) 22
[9] Gasik M., Bilotsky Y. Patent US 10379106 B2 (2019).
[10] Gasik M.Patent US 10809171 B2 (2020).
Kontakt:
Prof. Dr. Michael Gasik, Dr. Sci.
Terkko Health Hub, Building 14
Helsinki University Central Hospital Area
Haartmaninkatu 4, FIN-00290 Helsinki
www.seqvera.com
Mange tak til Prof. Dr. Michael Gasik for denne artikel og indsigten i hans forskningsarbejde.
