Johdanto
Hyaluronihappo (HA) on luonnossa esiintyvä polysakkaridi, jota käytetään usein funktionaalisena ainesosana monissa ajankohtaisissa ja ihonalaisissa anti-ageing-hoidoissa, kuten ihotäyteaineissa, joissa hyödynnetään polymeerin ainutlaatuisia viskoelastisia ominaisuuksia tehokkaaseen pehmytkudoksen lisäämiseen. Kun HA:ta annetaan ihon alle, se muodostaa elastisen verkoston ryppyjen ja ryppyjen sisälle ja antaa iholle täyteläisemmän ja täyteläisemmän ilmeen. Luonnossa esiintyvän HA:n puoliintumisaika on alle kolme päivää, joten polymeerin kestävyyden parantaminen on olennaisen tärkeää, jotta voidaan kehittää tuotteita, joilla on parempi kliininen kestävyys ja hyväksyttävä säilyvyysaika. Polymeerin molekyylipainon (MW) ja ristisilloittumisasteen lisääminen on todistettu strategia mekaanisen lujuuden parantamiseksi ja hajoamisaikojen pidentämiseksi. Nämä ominaisuudet vaikuttavat kuitenkin myös HA:n muihin ominaisuuksiin, kuten viskositeettiin ja viskoelastisuuteen.
Jotta HA:ta voidaan muotoilla menestyksekkäästi, on olennaista ymmärtää sellaisten tekijöiden kuin molekyylipaino, molekyylirakenne, konsentraatio ja silloitusaste vaikutus reologisiin ominaisuuksiin, kuten viskoelastisuuteen, jotka ovat suoraan yhteydessä tuotteen suorituskykyyn liittyviin näkökohtiin. Rakenneominaisuuksien yhdistäminen tuotteen suorituskykyyn reologisten ominaisuuksien kautta tukee älykästä, nopeaa ja tehokasta formulointia.
Seuraavassa tutkimuksessa osoitetaan, miten reologisia ja hiukkaskokomittauksia voidaan käyttää HA-ihonäytteiden fysikaalisten ominaisuuksien kuvaamiseen.
Kokeellinen
- Kolmea kaupallista HA-dermaalitäyteainetta arvioitiin käyttämällä rotaatioreometriaa ja laserdiffraktiota reologisen käyttäytymisen ja hiukkaskoon karakterisoimiseksi.
- Rotaatioreometrimittaukset tehtiin Kinexus-rotaatioreometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna, ja 40 mm:n rinnakkaislevymittausjärjestelmällä. Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Käytettiin vakiolatausjärjestystä sen varmistamiseksi, että molemmille näytteille tehtiin yhdenmukainen ja hallittavissa oleva latausprotokolla.
- Värähtelytestit sisälsivät vaihtelevan amplitudin ja vaihtelevan taajuuden testejä. Amplitudipyyhkäisytestit 1 Hz:n taajuudella suoritettiin lineaarisen viskoelastisen alueen (Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER) ja kriittisen muodon määrittämiseksi. Seuraavat taajuuspyyhkäisytestit suoritettiin 0,1-10 Hz:n välillä käyttäen vakiojännitystä Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER-alueella.
- Tasaisen tilan leikkausmittaukset tehtiin viskositeetin riippuvuuden tarkistamiseksi leikkausnopeudesta (0,1 s-1 - 100 s-1), ja lisäksi suoritettiin jännitysramppitesti (0 Pa - 200 Pa 100 s:ssa) täyteaineiden myötörajan määrittämiseksi.
- Täyteaineiden tarttuvuutta arvioitiin aksiaalisella testauksella reometrillä, jossa aukkoa muutettiin nopeasti 1 mm:stä 20 mm:iin ja rekisteröitiin normaalivoimaprofiili. Tarttuvuus korreloitiin newtonseina mitatun normaalivoiman huippuarvon kanssa.
- Ihotäytteiden geelihiukkasten hiukkaskokomittaukset tehtiin Malvern Mastersizer 3000 -laitteella. Täyteaineet dispergoitiin keittosuolaliuokseen ja määritettiin hiukkaskoon mediaani ja hiukkaskokojakauma.
Tulokset ja keskustelu
Värähtelytestaus
Kimmomoduulikäyrät leikkausrasituksen funktiona on esitetty kuvassa 2. Kaikissa näytteissä oli samankokoisia Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER-alueita, joiden kriittinen venymä edustaa epälineaarisuuden alkamista 20 prosentin alueella. Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER-alueella mitatut kimmomoduuliarvot osoittivat, että näytteellä A oli pienin kimmojäykkyys, kun G':n arvo oli 150 Pa. Näyte C oli kolmesta näytteestä kimmoisimmin jäykkä, sillä sen G' -arvo oli 320 Pa, ja näytteen B arvo oli 220 Pa.
Kimmomoduulin ja vaihekulman käyrät värähtelytaajuuden funktiona esitetään kuvassa 3. Kaikkien näytteiden vaihekulma koko taajuusalueella on noin 10°, mikä viittaa siihen, että kaikki näytteet ovat erittäin elastisia geelejä. Näytteiden A, B ja C G' arvot 1 Hz:n taajuudella ovat vastaavasti noin 150Pa, 220Pa ja 320Pa, jotka korreloivat amplitudipyyhkäisyn tietojen kanssa samalla taajuudella. G':n lievä kaltevuus taajuuden mukaan viittaa small rakenteelliseen relaksaatioon, jossa varastoitunutta elastista energiaa haihtuu ajan lisääntyessä (taajuuden laskiessa), vaikka tämä on suhteellisen vähäistä.
Monet tekijät vaikuttavat HA-ihon täyteaineiden viskoelastisiin ominaisuuksiin, kuten HA:n pitoisuus, molekyylipaino ja ristisilloitusaste. Näitä ominaisuuksia muuttamalla viskoelastisia ominaisuuksia, erityisesti kimmomoduulia G', voidaan muokata tiettyä sovellusta varten. Geelit, joilla on korkea G', kestävät paremmin muodonmuutosta, ja niiden pitäisi olla tehokkaampia täyteaineita, mutta niitä voi olla vaikeampi ruiskuttaa ja ne voivat aiheuttaa enemmän kipua. Siksi vahvat geelit, joilla on korkea G', saattavat soveltua paremmin syvempien tai vakavampien ryppyjen hoitoon. Toisaalta heikommat geelit, joilla on matala G', saattavat soveltua paremmin hienoihin tai kevyisiin ryppyihin, joita esiintyy huulilla tai kyynelkaukaloissa, jotka ovat herkempiä, koska ne aiheuttavat vähemmän kipua pistettäessä. Alhaisempi moduuli voi myös vastata paremmin paikallisen kudoksen ominaisuuksia. Kuvissa 2 ja 3 esitettyjen tulosten perusteella voidaan sanoa, että kolmesta testatusta HA-näytteestä näyte A on heikoin ja pehmein geeli ja näyte C on jäykin ja vahvin geeli.
Tasainen leikkauskoe ja myötörajan määrittäminen
Kuvassa 4 esitetään tasaisen leikkausmittauksen tulokset - leikkausviskositeetti mitattuna leikkausnopeuden funktiona. Viskositeetti pienenee merkittävästi leikkausnopeuden kasvaessa, mikä osoittaa, että materiaalit ovat erittäin leikkausohuita. Lisäksi täyteaineiden rakenne on niin vahva, että alhaisella leikkausnopeudella viskositeetti on hyvin korkea ja jatkaa nousuaan leikkausnopeuden laskiessa, mikä viittaa myötörajaan tai kiinteän aineen kaltaiseen käyttäytymiseen levossa. Tämä vastaa värähtelytestauksessa tehtyjä havaintoja, jotka osoittivat erittäin elastisen geelimäisen rakenteen. Myötöraja osoittaa, että materiaali käyttäytyy kiinteän aineen tavoin kriittisen jännityksen alapuolella, mutta virtaa nesteen tavoin kriittisen jännityksen yläpuolella. Myötöjännityksen suuruuden pitäisi liittyä rakenteelliseen lujuuteen ja siten geelihiukkasten ristisilloittumisasteeseen ja konsentraatioon, minkä pitäisi näkyä G':ssä.
MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.Myötöjännitys voidaan määrittää useilla eri testeillä, mutta yksi nopeimmista ja helpoimmista tavoista arvioida MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys on kuitenkin jännitysramppi, jossa hetkellinen viskositeetti (ei tasainen tila) mitataan jatkuvasti leikkausjännityksen kasvaessa. Kuvassa 5 esitetään kolmen HA-näytteen jännitysramppitiedot. Viskositeetin huippu edustaa myötörajaa, ja jännitysarvo, jossa tämä tapahtuu, on myötöraja. Näytteen A MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys on alhaisin (42 Pa) ja näytteen C korkein (55 Pa), ja näytteen B MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys on hieman alhaisempi kuin näytteen C (53 Pa). Tämä on sama järjestys, joka havaittiin värähtelytestauksessa, jossa näyte C oli vahvin ja näyte A heikoin kolmesta geelistä. Koska nämä geelit ovat yleensä kokoelma kovalenttisesti ristisilloittuneita geelihiukkasia (toisin kuin jatkuva geeliverkosto), MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys liittyy jännitykseen, joka tarvitaan hiukkasten "irrottamiseen" ja niiden liikkumiseen toistensa ohi.
Tack-testaus
Normaalivoimaprofiilit ajan funktiona, kun levyn ja levyn väliä kasvatetaan, on esitetty kuvassa 6. Normaalivoiman arvo on negatiivinen, koska näyte vetää ylempää levyä alaspäin liima- ja koheesiovoimien vuoksi, ja se laskee kohti nollaa vikaantuessa; pitkien aikojen jäännösvoima johtuu ylemmän levyn päällä olevien näytteiden painosta. Näytteiden A, B ja C normaalivoiman huippuarvot ovat vastaavasti 0,35 N, 0,46 N ja 0,54 N, jotka taasen korreloivat näiden kolmen näytteen G'- ja myötöjännitysmittausten järjestyksen kanssa. Näytteellä C on siis suurin tarttuvuus- tai koheesioaste ja näytteellä A pienin.
Hiukkaskoko
Geelihiukkasten hiukkaskokoa on säädettävä, jotta voidaan vähentää puristusvoimaa ja siihen liittyviä sivuvaikutuksia, kuten kipua ja verenvuotoa, kun geeliä ruiskutetaan. Sen vuoksi geelit on suunniteltava siten, että ne kulkevat neulojen läpi sopivalla nopeudella ja halutulla puristusvoimalla. Kuvassa 7 on esitetty geelien hiukkaskokojakauma kumulatiivisena tilavuusprosenttina. Näytteiden A, B ja C mediaanikoko (Dv50) on 480 μm, 425 μm ja 203 μm. Vahvat geelit, joilla on korkeat G'- ja myötöjännitysarvot, on mitoitettava small hiukkasiksi, jotta ne voidaan helposti ruiskuttaa neulojen läpi. Näytteessä C on pienin hiukkaskoko, koska sen G' -arvo on näytteistä korkein. Toisaalta näytteellä A on suurin hiukkaskoko, koska se on näytteiden heikoin geeli (se voidaan helposti läpäistä neulojen läpi). Tuloksena syntyvä koko liittyy myös ristisilloittumisen laajuuteen ja molekyylipainoon, koska korkeampiin G' -arvoihin liittyvät voimakkaasti ristisilloittuneet polymeerit ovat tiheämpiä ja tiiviimpiä.
Päätelmä
Kolmen kaupallisen HA-pohjaisen ihotäyteaineen reologiset ominaisuudet ja hiukkaskoko karakterisoitiin ja niitä verrattiin keskenään. KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. Kimmomoduuli G' määritettiin värähtelytestien avulla, ja nämä arvot korreloivat geelin jäykkyyden ja lujuuden kanssa (esim. heikko geeli tai vahva geeli). Vakiotilan leikkausmittauksilla tarkistettiin viskositeetin riippuvuus leikkausnopeudesta, ja jännitysramppitesteillä määritettiin geelirakenteen hajoamiseen tarvittava voima eli myötöraja. Täyteaineiden tarttuvuus määritettiin mittaamalla normaalivoimaprofiili, kun levy-levy-rako kasvoi, ja korreloitiin värähtely- ja myötöjännitystietojen kanssa. Lisäksi mitattiin geelien hiukkaskoko, koska koko vaikuttaa puristumiseen, ja sen havaittiin korreloivan myös reologisten tietojen kanssa.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että HA-pohjaisten ihotäyteaineiden reologiset ominaisuudet ja hiukkaskoko ovat olennaisia parametreja, joiden avulla voidaan määrittää näiden tuotteiden suorituskyky (esim. helppo annosteltavuus, ekstruusiovoima, injektiovoima, muodonmuutoskestävyys, kivunlievitys) ja käyttö (esim. hienot tai syvät rypyt, kasvojen muotoilu).