23.02.2023 by Prof. Dr. Michael Gasik (Aalto University Helsinki, Finland)
DMA για τα βιοϋλικά: Υλικά Υλικά: Βλέποντας το αόρατο!
Ένα άρθρο του καθηγητή Δρ. Michael Gasik (Πανεπιστήμιο Aalto του Ελσίνκι, Φινλανδία)
Πολλοί τύποι βιοϋλικών είναι σήμερα διαθέσιμοι για χρήση σε διάφορα εμφυτεύματα, ιδίως σε ορθοπεδικές και οδοντιατρικές περιπτώσεις. Χρησιμοποιούνται μεταλλικά κράματα, κεραμικά και σύνθετα υλικά, είτε με είτε χωρίς ζωντανά κύτταρα. Υπάρχει ένα αυξανόμενο πεδίο εφαρμογής διαφόρων ικριωμάτων που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μηχανικής ιστών για την υποστήριξη και την προώθηση του σχηματισμού νέων ιστών, και πολλά από αυτά κατασκευάζονται με τρισδιάστατη (βιο)εκτύπωση. Η βιολογική αναγέννηση των ιστών είναι γνωστό ότι αποτελεί μια από τις πιο απαιτητικές προκλήσεις, απαιτώντας δομές βιοϋλικών με σωστές εμβιομηχανικές ιδιότητες [1] που μιμούνται τη συμπεριφορά in vivo [2]. Τα κατάλληλα βιοϋλικά βοηθούν τον οργανισμό στην ανοικοδόμηση του κατεστραμμένου ιστού και ελαχιστοποιούν τον σχετικό πόνο και τον χρόνο επούλωσης [3].
Αυτό το άρθρο του καθηγητή Dr. Michael Gasik (Aalto University Helsinki, Φινλανδία) παρουσιάζει μια νέα εφαρμογή της τεχνικής δυναμικής-μηχανικής ανάλυσης (DMA), που ονομάζεται BEST(Biomaterials Enhanced Simulation Testing) και χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό και τη βελτίωση των βιοϋλικών και των ιατρικών συσκευών- η μέθοδος αυτή υπερβαίνει τις γνωστές classical ιξωδοελαστικές αναλύσεις.
Ο καθηγητής Michael Gasik από το Πανεπιστήμιο Aalto της Φινλανδίας (Τμήμα Χημικής και Μεταλλουργικής Μηχανικής) άρχισε να εργάζεται σε εφαρμογές θερμικής ανάλυσης το 1985 και συνεργάζεται με την NETZSCH-Gerätebau GmbH για σχεδόν το ίδιο χρονικό διάστημα.
Η εστίασή του ήταν σε υλικά για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών και για την τεχνολογία υδρογόνου. Από το 2000, ασχολείται ενεργά με βιοϋλικά, ιατρικές συσκευές και εφαρμογές αναγεννητικής ιατρικής. Το 2019, διορίστηκε ως πρεσβευτής της European Orthopedic Research Society.
Ο καθηγητής Michael Gasik είναι συνιδρυτής της Seqvera Ltd. και εφευρέτης της μεθόδου BEST - Biomaterials Enhanced Simulation Testing - η οποία εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στον εξοπλισμό NETZSCH DMA.
arcΈνα σημείο εστίασης των δραστηριοτήτων του καθηγητή Michael Gasik είναι ο προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων των βιοϋλικών. Στο πλαίσιο αυτό, χρησιμοποιεί τα δεδομένα DMA που παράγονται με ένα NETZSCH DMA 242 Artemis ως βάση για περαιτέρω υπολογισμούς για τον χαρακτηρισμό αυτών των υλικών. Διαβάστε περισσότερα για την προσέγγισή του:
Προκλήσεις
Έχουν ήδη διεξαχθεί πολυάριθμες μελέτες και έχουν συλλεχθεί κλινικά δεδομένα σχετικά με το σχήμα, τον σχεδιασμό και την κατάσταση της επιφάνειας των βιοϋλικών, καθώς και τη γεωμετρία των εμφυτευμάτων και την καταλληλότητά τους για την ποιότητα και τη θέση των διαφόρων ιστών. Αναφέρθηκαν επίσης σημαντικές διαφορές για εμφυτευμένα υλικά που ήταν φαινομενικά πανομοιότυπα αλλά προέρχονταν από διαφορετικές πηγές [4]. Ο εμβιομηχανικός χαρακτηρισμός των οστών και των μαλακών ιστών είναι πιο προβληματικός από ό,τι για τα μεταλλικά, κεραμικά και πολυμερή υλικά. Τα δημοσιευμένα σύνολα δεδομένων συχνά δεν βασίζονται σε συγκρίσιμα πρωτόκολλα και συνθήκες μέτρησης, με αποτέλεσμα την έλλειψη συνοχής. Η γενίκευση αυτών των δεδομένων είναι πολύ δύσκολη ή σχεδόν αδύνατη, όταν πρόκειται για την παροχή απλών, ισχυρών και σχετικών πληροφοριών.
Για τον εμβιομηχανικό χαρακτηρισμό, συνήθως επιστρέφει κανείς στην υπόθεση ότι ένα υλικό είναι ένας τύπος ελαστικής ή ιξωδοελαστικής ύλης, προκειμένου να προσεγγίσει τις ιδιότητες σε μεμονωμένους αριθμούς, που συνήθως αναφέρονται ως "μέτρο ελαστικότητας". Αυτό, ωστόσο, ταιριάζει μόνο με γραμμικά ελαστικά υλικά για πολύ small παραμορφώσεις, και οι κατευθυντήριες γραμμές του NPL [5] απαριθμούν εννέα μεθόδους για τον υπολογισμό του ελαστικού μέτρου, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορετικές τιμές. Η συντριπτική πλειονότητα των βιοϋλικών και των ιστών δεν είναι σαφώς ελαστικά, οπότε αποτελεί σημαντική υπεραπλούστευση η προσπάθεια τεχνητής αναγωγής των δεδομένων σε κάποιους σταθερούς αριθμούς: Ποιο θα ήταν, για παράδειγμα, το όφελος από τη γνώση του "μέτρου ελαστικότητας του βλεννογόνου" που εκτείνεται από 0,1 έως 680 MPa από διαφορετικές πηγές
Δυστυχώς, τα ζητήματα που σχετίζονται με τα φαινόμενα αδράνειας (υψηλές συχνότητες) ή τα όρια του οργάνου (χαμηλές συχνότητες) δεν τεκμηριώνονται πάντα επαρκώς στα πρωτόκολλα δοκιμών που δημοσιεύονται. Ακόμα και αν εξαλειφθεί η αδράνεια του οργάνου, το ίδιο το δείγμα θα έχει πάντα πεπερασμένη αδράνεια, η οποία μπορεί να παράγει τεχνουργήματα από τη διάχυση ορμής, τα ιξωδοελαστικά κύματα και τις δευτερογενείς ροές - όλα αυτά μπορούν να παραβιάσουν την υπόθεση της ομοιογενούς και γραμμικής παραμόρφωσης [6]. Τα πιο εξελιγμένα μοντέλα έχουν σημαντικό αριθμό τεχνητών παραμέτρων προσαρμογής και υπάρχουν μεγάλες πειραματικές δυσκολίες στη διεξαγωγή τέτοιων δοκιμών στο πλαίσιο των υφιστάμενων προτύπων, πρωτοκόλλων και ad hoc μεθόδων δοκιμών [7].
Για διεργασίες όπως η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση, υπάρχουν αρκετές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν, όπως ο έλεγχος των ιδιοτήτων των βιομεταλλευμάτων, η διαχείριση της ροής και της επίδρασής της στη βιωσιμότητα των κυττάρων και η διασφάλιση των βέλτιστων βιοφυσικών ιδιοτήτων των κατασκευών μετά την εκτύπωση και κατά την εμφύτευση [8]. Απαιτείται υψηλότερη ανάλυση και ταχύτητα με έλεγχο στο τρισδιάστατο μικροπεριβάλλον και πρέπει να επιτευχθεί βέλτιστος συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων και ιδιοτήτων μεταφοράς εντός της κλίμακας χώρου και χρόνου- αυτά απαιτούνται ιδίως για την αγγείωση με περιορισμένη διάχυση. Οι νέοι κανονισμοί για τα ιατροτεχνολογικά προϊόντα (2017/745) απαιτούν τη διεξαγωγή κατάλληλης μηχανικής αξιολόγησης, με αποτέλεσμα την τήρηση των κανονισμών για την αξιολόγηση τεχνολογίας υγείας (2021/2282).
Δυστυχώς, πολλές διαφορετικές μέθοδοι βιοφυσικής δοκιμής δίνουν μάλλον διαφορετικά αποτελέσματα και δεν είναι εύκολο να ληφθούν ρεαλιστικές, πραγματικές ιδιότητες. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τις διαφορές - ανομοιόμορφη επαφή, κατάσταση φάσης, επιδράσεις αδράνειας και ελαστικής αστάθειας, προσαρμογή με ακατάλληλα υποτιθέμενα μοντέλα, περιορισμός στον ορισμό των παραμορφώσεων, έλλειψη κατάλληλης αξιολόγησης του ιστορικού φόρτισης κ.λπ. Ως εκ τούτου, είναι πολύ σημαντικό να υπάρχει μια στιβαρή προσέγγιση που να μπορεί να ποσοτικοποιήσει τόσο τη συμπεριφορά ενός βιοϋλικού όσο και την απόδοσή του κατά τη διαδικασία και όχι απλώς να παράγει κάποιους συγκεκριμένους αριθμούς.
Η έννοια του BEST
Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, αναπτύξαμε την κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μέθοδο BEST(Biomaterials Enhanced Simulation Testing). Μπορεί να εφαρμοστεί για πολλά σκληρά και μαλακά βιοϋλικά, συμπεριλαμβανομένων των υδρογελών, των τρισδιάστατα εκτυπωμένων κατασκευών και της ελεγχόμενης χορήγησης φαρμάκων. Οι λύσεις BEST στοχεύουν στα προβλήματα που προκαλούνται κυρίως από τις ακατάλληλες και αποσπασματικές δοκιμές και βασίζονται σε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση που βασίζεται σε μια θεμελιώδη αρχή αιτιότητας: "Δεν υπήρξε απόκριση από το δείγμα πριν από την εφαρμογή του ερεθίσματος"
Το BEST εκτελείται υπό ελεγχόμενες συνθήκες με τα απαιτούμενα συνεκτικά ερεθίσματα στο περιβάλλον DMA. Αξιολογεί τις αλλαγές στις ιδιότητες του δείγματος στο πεδίο του χρόνου, της φάσης και του ερεθίσματος [9]. Κατά τη μεταγενέστερη επεξεργασία, το BEST ενσωματώνει τα δεδομένα, συνδιαμορφώνει το ιστορικό του δείγματος και εξάγει άγνωστες τιμές, και όλα αυτά χωρίς να απαιτείται από τον χρήστη να select το μοντέλο του υλικού (η ανάλυση των δεδομένων είναι ουσιαστικά χωρίς μοντέλο). Οι αναλλοίωτες παράμετροι που λαμβάνονται με έναν ιδιόκτητο αλγόριθμο κβαντικής παλινδρόμησης ενσωματώνουν το ιστορικό του δείγματος, δείχνοντας τη θέση και την κατεύθυνση της ανάπτυξης ενός βιοϋλικού [10].
Το βασικό χαρακτηριστικό του BEST είναι η αναλλοίωτη επεξεργασία των δεδομένων DMA, η οποία συνήθως παραμένει ανεξερεύνητη από τον χρήστη. Αυτή η νέα μέθοδος ξεπερνά τους συνήθεις περιορισμούς της γραμμικότητας των ιδιοτήτων των ιστών σε πολλά μοντέλα, δηλαδή μια ιδιότητα κλιμάκωσης (ομοιογένεια) και μια ιδιότητα υπέρθεσης (προσθετικότητα), οι οποίες δεν ισχύουν γενικά για τον μετασχηματισμό Fourier που χρησιμοποιείται στη γραμμική ιξωδοελαστικότητα.
Ως εκ τούτου, το BEST εφαρμόζει ένα ορθό πρωτόκολλο δοκιμών και χρησιμοποιεί ιδιομορφικές μεθόδους για την εξαγωγή παραμέτρων από ένα μόνο δείγμα/δοκιμή, με αποτέλεσμα δεδομένα υψηλής απόδοσης χωρίς τη χρήση πολύπλοκων μαθηματικών (δεν υπάρχει ανάγκη για σύνθετα μόρια) ή την παραδοχή της γραμμικότητας, και είναι σε θέση να επανεπεξεργάζεται και άλλα ρεολογικά δεδομένα κατά τρόπο ώστε να μην χάνουν την αξία τους.
Παράδειγμα εφαρμογής DMA
Στο παράδειγμα που παρουσιάζεται εδώ, η μέθοδος που περιγράφεται παραπάνω αναπτύχθηκε με βάση μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με ένα NETZSCH DMA 242 Artemis® για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων ακρυλικής υδρογέλης για τρισδιάστατη βιοεκτύπωση χωρίς τη χρήση ενός υποθετικού μοντέλου. Το πήκτωμα τοποθετήθηκε σε σύριγγα 1 ml με βελόνα 29G και στήθηκε στην προσαρμοσμένη υποδοχή δείγματος DMA που χρησιμοποιείται συνήθως για κάμψη- δοκιμάστηκε σε λειτουργία σταδιακού ερπυσμού στους 25°C.
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται τα πειραματικά δεδομένα για την ποσότητα πηκτής που εξωθείται (μL) μέσω ενός καθορισμένου ακροφυσίου βελόνας, κανονικοποιημένα ανά εφαρμοζόμενη τοπική πίεση (kPa). Τα δεδομένα αυτά αποκαλύπτουν σαφώς τη μη γραμμικότητα της κινητικής της ροής με το χρόνο και την εφαρμοζόμενη πίεση και δεν υπάρχει απλός τρόπος να select οποιοδήποτε μοντέλο υλικού για να περιγράψει αυτές τις εξαρτήσεις.
Από τα δεδομένα αυτά, η μέθοδος BEST εξήγαγε χρονικά αμετάβλητες τιμές για την ιξώδη δυσκαμψία της γέλης υπό αυτές τις συνθήκες έγχυσης, καθώς και την τιμή μνήμης της [9,10] (σχήμα 2). Εδώ, οι καμπύλες είναι σχεδόν γραμμικές και οι κλίσεις των γραμμών είναι σχεδόν σταθερές για όλες τις εφαρμοζόμενες πιέσεις (αριθμοί σε kPa). Αυτό σημαίνει ότι η γέλη, παρά το γεγονός ότι παρουσιάζει μη-νευτωνιανή συμπεριφορά, είναι γραμμική όσον αφορά τις αμετάβλητες τιμές χωρίς μοντέλο. Μπορεί επίσης να φανεί ότι οι αριθμητικές τιμές μεταβάλλονται με την εφαρμοζόμενη πίεση με μη μονοτονικό τρόπο, αποκαλύπτοντας ότι μπορεί να υπάρχουν διαφορετικά περιοριστικά φαινόμενα που επηρεάζουν τη ροή. Προκειμένου να γίνει αντιληπτή η επίδραση της εξέλιξης της ροής, το διάγραμμα των τιμών μνήμης συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης παρουσιάζεται στο σχήμα 3. Ο χάρτης αυτός δείχνει ότι η γέλη στη σύριγγα αντιμετωπίζει φαινόμενα τριβής, αντίστασης στη ροή και ενδεχομένως φαινόμενα μη ολίσθησης σε χαμηλές πιέσεις, όταν οι τιμές μνήμης είναι πολύ χαμηλότερες από τη μονάδα. Μετά από περίπου 65 kPa - την έναρξη - οι τιμές αυτές ανεβαίνουν αλματωδώς, σηματοδοτώντας ότι η γέλη επιτυγχάνει πιο ανεπτυγμένη ροή.
Η μέθοδος που παρουσιάζεται μπορεί να προσδιορίσει αναλλοίωτες τιμές και να τις χρησιμοποιήσει στην πρόβλεψη χωρίς μοντέλα των διεργασιών τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης, ανάλογα με το ακροφύσιο, τη γεωμετρία, την πίεση, το χρόνο και άλλες συνθήκες της διεργασίας, χωρίς να χρειάζεται να προσδιοριστούν ξεχωριστά οι ρεολογικές παράμετροι του μελανιού. Η μέθοδος BEST παράγει δεδομένα "από πρώτο χέρι" για την περαιτέρω προγνωστική μοντελοποίηση της διαδικασίας τρισδιάστατης εκτύπωσης και εφαρμόζει την ίδια φιλοσοφία για τον χαρακτηρισμό των τρισδιάστατα εκτυπωμένων ιστών και κατασκευών.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η προσέγγιση που αναπτύχθηκε καταδεικνύει την ικανότητα να "βλέπουμε αόρατα" χαρακτηριστικά των υλικών και τις αλληλεπιδράσεις τους με τα ερεθίσματα και το περιβάλλον. Με αυτόν τον τρόπο, η δυναμική-μηχανική ανάλυση (DMA) μπορεί να παρέχει πολύ περισσότερες πληροφορίες από τα ελαστικά μόρια και την εφαπτομένη απωλειών. Χρησιμοποιώντας την επεξεργασία BEST, μπορεί κανείς να λάβει πολλές ενδείξεις για διάφορους σκοπούς (σε ορισμένες περιπτώσεις, ακόμη και από ένα μόνο δείγμα ή δοκιμή). Για παράδειγμα, είναι δυνατόν να ληφθεί το αθροιστικό μέτρο ελαστικότητας, ο χαρακτηριστικός χρόνος Deborah, η ερπυστική συμμόρφωση, η αποτελεσματική διαχυτότητα και διαπερατότητα/διαπερατότητα ρευστού, το ισοδύναμο μέγεθος καναλιού για τη ροή ρευστού στη δυναμική, η τιμή μνήμης υλικού, η πίεση διόγκωσης και πολλά άλλα μέσα σε ένα μόνο πείραμα. Και αυτό υπερβαίνει μόνο τα βιοϋλικά, καθώς η εφαρμογή BEST δεν απαιτεί μοντέλα και δεν απαιτεί παραμέτρους προσαρμογής- επιπλέον, μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε δεδομένα δοκιμών που έχουν ήδη δημιουργηθεί.
Βιβλιογραφία:
[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. Οδηγός ορθής πρακτικής για τις μετρήσεις αριθ. 98; NPL Teddington, UK (2006)
[6] Ewoldt R.H., Johnston M.T., Caretta L.M: Κ; Springer, Γερμανία (2015).
[7] Vrana N.E., Knopf-Marques H., Barthes J. (Eds.) Βιοϋλικά για την αναγέννηση οργάνων και ιστών; 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.Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας US 10809171 B2 (2020).
Επικοινωνία:
Prof. Dr. Michael Gasik, Dr. Sci.
Terkko Health Hub, Building 14
Helsinki University Central Hospital Area
Haartmaninkatu 4, FIN-00290 Helsinki
www.seqvera.com
Πολλές ευχαριστίες στον καθηγητή Dr. Michael Gasik για το άρθρο αυτό και για τις πληροφορίες σχετικά με το ερευνητικό του έργοarch.
