Εισαγωγή
Το υαλουρονικό οξύ (HA) είναι ένας πολυσακχαρίτης που απαντάται στη φύση και χρησιμοποιείται συχνά ως λειτουργικό συστατικό σε πολλές τοπικές και υποδόριες θεραπείες αντιγήρανσης, όπως τα δερματικά πληρωτικά, τα οποία εκμεταλλεύονται τις μοναδικές ιξωδοελαστικές ιδιότητες του πολυμερούς για αποτελεσματική αύξηση των μαλακών ιστών. Όταν χορηγείται υποδόρια, το ΗΑ δημιουργεί ένα ελαστικό δίκτυο μέσα στις ρυτίδες και τις ρυτίδες για να δώσει στο δέρμα μια πιο γερή και γεμάτη όψη. Το φυσικό ΗΑ έχει χρόνο ημιζωής λιγότερο από τρεις ημέρες, οπότε η αύξηση της διάρκειας ζωής του πολυμερούς είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη προϊόντων με μεγαλύτερη κλινική ανθεκτικότητα και αποδεκτή διάρκεια ζωής. Η αύξηση τόσο του μοριακού βάρους (MW) όσο και του βαθμού διασύνδεσης του πολυμερούς είναι μια αποδεδειγμένη στρατηγική για τη βελτίωση της μηχανικής αντοχής και την παράταση των χρόνων αποικοδόμησης. Ωστόσο, αυτά τα χαρακτηριστικά επηρεάζουν επίσης άλλες ιδιότητες του ΗΑ, όπως το ιξώδες και η ιξωδοελαστικότητα.
Για την επιτυχή σύνθεση με HA, είναι απαραίτητο να κατανοηθεί η επίδραση παραγόντων όπως το μοριακό βάρος, η μοριακή δομή, η συγκέντρωση και ο βαθμός διασταύρωσης στα ρεολογικά χαρακτηριστικά, όπως η ιξωδοελαστικότητα, τα οποία συνδέονται άμεσα με πτυχές της απόδοσης του προϊόντος. Η σύνδεση των δομικών χαρακτηριστικών με την απόδοση του προϊόντος, μέσω των ρεολογικών ιδιοτήτων, υποστηρίζει την έξυπνη, γρήγορη και αποτελεσματική διαμόρφωση.
Η ακόλουθη μελέτη δείχνει πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι μετρήσεις ρεολογίας και μεγέθους σωματιδίων για τον χαρακτηρισμό των φυσικών ιδιοτήτων των δερματικών πληρωτικών HA.
Πειραματικό
- Τρία εμπορικά δερματικά πληρωτικά HA αξιολογήθηκαν με τη χρήση περιστροφικής ρεομετρίας και περίθλασης λέιζερ για τον χαρακτηρισμό της ρεολογικής συμπεριφοράς και του μεγέθους των σωματιδίων αντίστοιχα.
- Οι μετρήσεις περιστροφικού ρεομέτρου πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και με τη χρήση συστήματος μέτρησης παράλληλων πλακών 40 mm. Όλες οι ρεολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι και τα δύο δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Οι δοκιμές ταλάντωσης περιλάμβαναν δοκιμές μεταβλητού πλάτους και μεταβλητής συχνότητας. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σάρωσης πλάτους σε συχνότητα 1 Hz για τον προσδιορισμό της γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής (Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER) και της κρίσιμης παραμόρφωσης. Οι επακόλουθες δοκιμές σάρωσης συχνότητας πραγματοποιήθηκαν μεταξύ 0,1 - 10 Hz χρησιμοποιώντας σταθερή τάση εντός της Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER.
- Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις διάτμησης σταθερής κατάστασης για τον έλεγχο της εξάρτησης του ιξώδους από τον ρυθμό διάτμησης (0,1 s-1 - 100 s-1) και επίσης πραγματοποιήθηκε δοκιμή ράμπας τάσης (0 Pa - 200 Pa σε 100 s) για τον προσδιορισμό του ορίου διαρροής των πληρωτικών υλικών.
- Η κολλητικότητα των πληρωτικών υλικών αξιολογήθηκε με αξονική δοκιμή στο ρεόμετρο, η οποία περιελάμβανε ταχεία μεταβολή του διακένου από 1 mm έως 20 mm και καταγραφή του προφίλ της κανονικής δύναμης. Η πρόσφυση συσχετίστηκε με τη μέγιστη κανονική δύναμη που μετρήθηκε σε Newton.
- Οι μετρήσεις του μεγέθους των σωματιδίων της γέλης στα δερματικά πληρωτικά υλικά πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός Malvern Mastersizer 3000. Τα πληρωτικά υλικά διασκορπίστηκαν σε φυσιολογικό ορό και προσδιορίστηκε το μέσο μέγεθος των σωματιδίων και η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Δοκιμή ταλάντωσης
Οι καμπύλες του μέτρου ελαστικότητας ως συνάρτηση της διατμητικής παραμόρφωσης παρουσιάζονται στο Σχήμα 2. Όλα τα δοκίμια είχαν περιοχές Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER παρόμοιου μεγέθους με μια κρίσιμη παραμόρφωση που αντιπροσωπεύει την έναρξη της μη γραμμικότητας στην περιοχή του 20%. Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας που μετρήθηκαν εντός του Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER έδειξαν ότι το δείγμα Α είχε τη χαμηλότερη ελαστική δυσκαμψία με G' που είχε τιμή 150 Pa. Το δείγμα Γ ήταν το πιο ελαστικά δύσκαμπτο από τα τρία δείγματα με τιμή G' 320 Pa με το δείγμα Β να έχει τιμή μεταξύ των δύο 220 Pa.
Οι καμπύλες του μέτρου ελαστικότητας και της γωνίας φάσης συναρτήσει της συχνότητας ταλάντωσης παρουσιάζονται στο Σχήμα 3. Η γωνία φάσης για όλα τα δείγματα σε όλο το εύρος συχνοτήτων είναι περίπου 10°, γεγονός που υποδηλώνει ότι όλα τα δείγματα είναι εξαιρετικά ελαστικά πηκτώματα. Οι τιμές του G' για τα δείγματα A, B και C στο 1Hz είναι περίπου 150Pa, 220Pa και 320Pa, αντίστοιχα, οι οποίες συσχετίζονται με τα δεδομένα της σάρωσης πλάτους στην ίδια συχνότητα. Η μικρή κλίση του G' με τη συχνότητα υποδηλώνει ένα ποσό δομικής χαλάρωσης small όπου η αποθηκευμένη ελαστική ενέργεια διαχέεται με την αύξηση του χρόνου (μείωση των συχνοτήτων), αν και είναι σχετικά ελάχιστη.
Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες των δερματικών πληρωτικών HA, συμπεριλαμβανομένης της συγκέντρωσης HA, του μοριακού βάρους και του βαθμού διασύνδεσης. Αλλάζοντας αυτά τα χαρακτηριστικά, οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες, ιδίως το μέτρο ελαστικότητας G', μπορούν να σχεδιαστούν για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Τα πηκτώματα με υψηλό G' παρέχουν μεγαλύτερη αντίσταση στην παραμόρφωση και θα πρέπει να είναι πιο αποτελεσματικά ως πληρωτικά υλικά, αλλά θα μπορούσαν να είναι πιο δύσκολα στην έγχυση και να προκαλούν περισσότερο πόνο. Επομένως, τα ισχυρά πηκτώματα με υψηλό G' μπορεί να είναι πιο κατάλληλα για χρήση σε βαθύτερες ή σοβαρότερες ρυτίδες. Από την άλλη πλευρά, τα ασθενέστερα πηκτώματα με χαμηλό G' μπορεί να είναι καλύτερα για λεπτές ή ελαφρές ρυτίδες που βρίσκονται στα χείλη ή στις κοιλότητες των δακρύων, οι οποίες είναι πιο ευαίσθητες, επειδή θα προκαλούσαν λιγότερο πόνο κατά την έγχυση. Το χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας μπορεί επίσης να ταιριάζει καλύτερα με τις ιδιότητες του τοπικού ιστού. Από τα τρία δείγματα ΗΑ που δοκιμάστηκαν μπορεί να ειπωθεί ότι το δείγμα Α είναι το πιο αδύναμο και μαλακό πήκτωμα και το δείγμα Γ είναι το πιο σκληρό και ισχυρό πήκτωμα με βάση τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στα Σχήματα 2 και 3.
Δοκιμή σταθερής διάτμησης και προσδιορισμός τάσης διαρροής
Τα αποτελέσματα της μέτρησης σταθερής διάτμησης - το ιξώδες διάτμησης που μετρήθηκε ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Το ιξώδες μειώνεται σημαντικά με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης, υποδεικνύοντας ότι τα υλικά έχουν μεγάλη διατμητική αραίωση. Επίσης, η δομή των πληρωτικών υλικών είναι τόσο ισχυρή ώστε σε χαμηλό ρυθμό διάτμησης το ιξώδες είναι πολύ υψηλό και συνεχίζει να αυξάνεται με μείωση του ρυθμού διάτμησης υποδηλώνοντας τάση διαρροής ή συμπεριφορά σαν στερεό σε ηρεμία. Αυτό αντιστοιχεί με τις παρατηρήσεις από τις δοκιμές ταλάντωσης που έδειξαν μια εξαιρετικά ελαστική δομή τύπου γέλης. Το όριο διαρροής υποδηλώνει ότι το υλικό θα συμπεριφέρεται σαν στερεό κάτω από την κρίσιμη τάση αλλά θα ρέει σαν υγρό πάνω από την κρίσιμη τάση. Το μέγεθος της τάσης διαρροής θα πρέπει να σχετίζεται με τη δομική αντοχή και συνεπώς το βαθμό διασταύρωσης και συγκέντρωσης των σωματιδίων της γέλης, η οποία θα πρέπει να αντικατοπτρίζεται στο G'.
Η τάση διαρροής μπορεί να προσδιοριστεί με διάφορες δοκιμές, ωστόσο, η ράμπα τάσης είναι ένας από τους ταχύτερους και ευκολότερους τρόπους για την εκτίμηση της τάσης διαρροής, όπου το στιγμιαίο ιξώδες (όχι σταθερής κατάστασης) μετράται συνεχώς με αυξανόμενη διατμητική τάση. Τα δεδομένα της ράμπας τάσης για τα τρία δείγματα HA παρουσιάζονται στο Σχήμα 5. Η κορυφή του ιξώδους αντιπροσωπεύει το σημείο διαρροής και η τιμή της τάσης στην οποία συμβαίνει αυτό είναι η τάση διαρροής. Το δείγμα Α έχει το χαμηλότερο όριο διαρροής (42 Pa) και το δείγμα Γ το υψηλότερο (55 Pa), ενώ το δείγμα Β είναι ελαφρώς χαμηλότερο από το Γ (53 Pa). Αυτή είναι η ίδια σειρά που παρατηρήθηκε στη δοκιμή ταλάντωσης με το δείγμα Γ να είναι το ισχυρότερο και το δείγμα Α το ασθενέστερο από τα τρία πηκτώματα. Καθώς αυτές οι πηκτές τείνουν να υπάρχουν ως συλλογή ομοιοπολικά διασυνδεδεμένων σωματιδίων πηκτής (σε αντίθεση με ένα συνεχές δίκτυο πηκτής), τότε η τάση διαρροής σχετίζεται με την τάση που απαιτείται για να "ξεμπλοκάρουν" τα σωματίδια και να μπορέσουν να κινηθούν το ένα δίπλα στο άλλο.
Δοκιμή Tack
Τα προφίλ της κανονικής δύναμης ως συνάρτηση του χρόνου καθώς αυξάνεται το διάκενο πλάκας-πλάκας παρουσιάζονται στο Σχήμα 6. Η τιμή της κανονικής δύναμης είναι αρνητική επειδή το δοκίμιο έλκει προς τα κάτω την άνω πλάκα λόγω των δυνάμεων συγκόλλησης/συγκόλλησης και μειώνεται προς το μηδέν κατά την αστοχία- η υπολειπόμενη δύναμη σε μεγάλες χρονικές περιόδους οφείλεται στο βάρος των συγκρατούμενων δοκιμίων στην άνω πλάκα. Η μέγιστη κανονική δύναμη για τα δείγματα A, B και C είναι 0,35 N, 0,46 N και 0,54 N, αντίστοιχα, οι οποίες και πάλι συσχετίζονται με τη σειρά των μετρήσεων των τάσεων G' και Yield stress για τα τρία δείγματα. Συνεπώς, το δείγμα C έχει τον υψηλότερο βαθμό πρόσφυσης ή συνεκτικότητας και το δείγμα A τον μικρότερο.
Μέγεθος σωματιδίων
Το μέγεθος των σωματιδίων της γέλης πρέπει να ελέγχεται προκειμένου να μειωθεί η δύναμη εξώθησης και οι σχετικές παρενέργειες όπως ο πόνος και η αιμορραγία κατά την έγχυση των πηκτωμάτων. Επομένως, τα πηκτώματα πρέπει να είναι σχεδιασμένα ώστε να περνούν μέσα από βελόνες με τον κατάλληλο ρυθμό και την επιθυμητή δύναμη εξώθησης. Στο Σχήμα 7, η κατανομή μεγέθους σωματιδίων των πηκτωμάτων παρουσιάζεται ως αθροιστικό ποσοστό όγκου. Το διάμεσο μέγεθος (Dv50) των δειγμάτων A, B και C είναι 480 μm, 425 μm και 203 μm. Τα ισχυρά πηκτώματα με υψηλές τιμές G' και τάσης διαρροής πρέπει να έχουν μέγεθος σωματιδίων small για να εγχέονται εύκολα μέσω των βελόνων. Το δείγμα C έχει το smallest μέγεθος σωματιδίων επειδή έχει την υψηλότερη τιμή G' στα δείγματα. Από την άλλη πλευρά, το δείγμα Α έχει το largest μέγεθος σωματιδίων καθώς είναι η πιο αδύναμη γέλη στα δείγματα (μπορεί να περάσει εύκολα μέσα από τις βελόνες). Το μέγεθος που προκύπτει θα σχετίζεται επίσης με την έκταση της διασταύρωσης και το μοριακό βάρος, καθώς τα πολυμερή με υψηλή διασταύρωση που συνδέονται με υψηλότερες τιμές G' θα είναι πυκνότερα και πιο συμπαγή.
Συμπέρασμα
Χαρακτηρίστηκαν και συγκρίθηκαν οι ρεολογικές ιδιότητες και το μέγεθος των σωματιδίων τριών εμπορικών δερματικών πληρωτικών υλικών με βάση το HA. Το μέτρο ελαστικότητας G' προσδιορίστηκε από τη δοκιμή ταλάντωσης και οι τιμές αυτές συσχετίστηκαν με τη δυσκαμψία και την αντοχή της γέλης (π.χ. αδύναμες ή ισχυρές γέλες). Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις διάτμησης σταθερής κατάστασης για τον έλεγχο της εξάρτησης του ιξώδους από τον ρυθμό διάτμησης και δοκιμές ράμπας τάσης για τον προσδιορισμό της δύναμης που απαιτείται για τη διάσπαση της δομής της γέλης, δηλαδή της τάσης διαρροής. Η κολλητικότητα των πληρωτικών υλικών προσδιορίστηκε με τη μέτρηση του προφίλ της κανονικής δύναμης όταν το διάκενο πλάκας-πλάκας αυξανόταν και συσχετίστηκε με την ταλάντωση, και τα δεδομένα της τάσης διαρροής. Επιπλέον, μετρήθηκε το μέγεθος των σωματιδίων των πηκτωμάτων, επειδή το μέγεθος επηρεάζει την εξώθηση, και διαπιστώθηκε ότι αυτό συσχετίζεται επίσης με τα ρεολογικά δεδομένα.
Συμπερασματικά, οι ρεολογικές ιδιότητες και το μέγεθος των σωματιδίων των δερματικών πληρωτικών υλικών με βάση το HA αποτελούν βασικές παραμέτρους για τον προσδιορισμό της απόδοσης (π.χ. εύκολη χορήγηση, δύναμη εξώθησης, έγχυση, αντοχή στην παραμόρφωση, μείωση του πόνου) και της εφαρμογής (π.χ. λεπτές ή βαθιές ρυτίδες, διαμόρφωση προσώπου) αυτών των προϊόντων.