Introduction
L'acide hyaluronique (AH) est un polysaccharide naturel fréquemment utilisé comme ingrédient fonctionnel dans de nombreux traitements anti-âge topiques et sous-cutanés tels que les produits de comblement dermique, qui exploitent les propriétés viscoélastiques uniques du polymère pour une augmentation efficace des tissus mous. Lorsqu'il est administré par voie sous-cutanée, l'AH construit un réseau élastique dans les rides et les rhytides pour donner à la peau un aspect plus rebondi et plus volumineux. L'AH naturel a une demi-vie de moins de trois jours. Il est donc essentiel d'augmenter la durabilité du polymère pour développer des produits ayant une plus grande persistance clinique et une durée de conservation acceptable. L'augmentation du poids moléculaire (PM) et du degré de réticulation du polymère est une stratégie éprouvée pour améliorer la résistance mécanique et prolonger les temps de dégradation. Cependant, ces caractéristiques ont également un impact sur d'autres propriétés de l'AH telles que la viscosité et la viscoélasticité.
Pour formuler avec succès des AH, il est essentiel de comprendre l'impact de facteurs tels que le poids moléculaire, la structure moléculaire, la concentration et le degré de réticulation sur les caractéristiques rhéologiques telles que la viscoélasticité, qui sont directement liées aux aspects de la performance du produit. L'établissement d'un lien entre les caractéristiques structurelles et les performances du produit, par le biais des propriétés rhéologiques, permet une formulation intelligente, rapide et efficace.
L'étude suivante montre comment les mesures rhéologiques et granulométriques peuvent être utilisées pour caractériser les propriétés physiques des produits de comblement dermique à base d'AH.
Expérimental
- Trois produits de comblement dermiques à base d'AH ont été évalués par rhéométrie rotative et diffraction laser pour la caractérisation du comportement rhéologique et de la taille des particules respectivement.
- Les mesures par rhéométrie rotative ont été effectuées à l'aide d'un rhéomètre rotatif Kinexus équipé d'une cartouche à plaques Peltier et d'un système de mesure à plaques parallèles de 40 mm. Toutes les mesures rhéologiques ont été effectuées à 25°C.
- Une séquence de chargement standard a été utilisée pour s'assurer que les deux échantillons étaient soumis à un protocole de chargement cohérent et contrôlable.
- Les essais d'oscillation comprenaient des essais à amplitude et à fréquence variables. Des essais de balayage d'amplitude à une fréquence de 1 Hz ont été réalisés pour déterminer la Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.région viscoélastique linéaire (LVER) et la déformation critique. Des essais de balayage de fréquence ultérieurs ont été effectués entre 0,1 et 10 Hz en utilisant une déformation constante dans la Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles. région viscoélastique linéaire.
- Des mesures de cisaillement en régime permanent ont été effectuées pour vérifier la dépendance de la viscosité par rapport au taux de cisaillement (0,1 s-1 - 100 s-1) et un test de rampe de contrainte (0 Pa - 200 Pa en 100 s) a également été effectué pour déterminer la limite d'élasticité des charges.
- L'adhésivité des charges a été évaluée à l'aide d'un test axial sur le rhéomètre, qui consistait à modifier rapidement l'écart de 1 mm à 20 mm et à enregistrer le profil de la force normale. L'adhésivité a été corrélée à la force normale maximale mesurée en Newtons.
- Les mesures de la taille des particules de gel dans les produits de comblement dermique ont été effectuées à l'aide d'un Mastersizer 3000 de Malvern. Les produits de comblement ont été dispersés dans une solution saline et la taille médiane et la distribution de la taille des particules ont été déterminées.
Résultats et discussion
Essai d'oscillation
Les courbes de module d'élasticité en fonction de la déformation de cisaillement sont présentées à la figure 2. Tous les échantillons présentaient des régions Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER de taille similaire avec une déformation critique représentant le début de la non-linéarité dans la région de 20 %. Les valeurs du module d'élasticité mesurées dans la zone Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER ont montré que l'échantillon A présentait la rigidité élastique la plus faible avec une valeur G' de 150 Pa. L'échantillon C était le plus rigide des trois échantillons avec une valeur G' de 320 Pa, l'échantillon B ayant une valeur intermédiaire de 220 Pa.
Les courbes du module d'élasticité et de l'angle de phase en fonction de la fréquence d'oscillation sont présentées à la figure 3. L'angle de phase pour tous les échantillons sur toute la gamme de fréquences est d'environ 10°, ce qui suggère que tous les échantillons sont des gels hautement élastiques. Les valeurs de G' pour les échantillons A, B et C à 1Hz sont d'environ 150Pa, 220Pa et 320Pa, respectivement, ce qui correspond aux données de balayage d'amplitude à la même fréquence. La légère pente de G' en fonction de la fréquence suggère une relaxation structurelle ( small ) où l'énergie élastique stockée est dissipée avec l'augmentation du temps (diminution des fréquences), bien qu'elle soit relativement minime.
De nombreux facteurs affectent les propriétés viscoélastiques des produits de comblement dermique à base d'AH, notamment la concentration d'AH, le poids moléculaire et le degré de réticulation. En modifiant ces caractéristiques, les propriétés viscoélastiques, en particulier le module d'élasticité G', peuvent être adaptées à une application spécifique. Les gels ayant un module G' élevé offrent une plus grande résistance à la déformation et devraient être plus efficaces en tant que produits de comblement, mais ils pourraient être plus difficiles à injecter et provoquer davantage de douleurs. Par conséquent, les gels solides avec un G' élevé peuvent être plus appropriés pour les rides plus profondes ou plus graves. D'autre part, les gels plus faibles avec un faible G' peuvent être mieux adaptés aux rides fines ou légères des lèvres ou des creux de larmes, qui sont plus sensibles, car ils causent moins de douleur lors de l'injection. Le module plus faible peut également mieux correspondre aux propriétés du tissu local. Des trois échantillons d'AH testés, on peut dire que l'échantillon A est le gel le plus faible et le plus mou et que l'échantillon C est le gel le plus rigide et le plus fort, d'après les résultats présentés dans les figures 2 et 3.
Essai de cisaillement en régime permanent et détermination de la limite d'élasticité
Les résultats des mesures de cisaillement en régime permanent - viscosité de cisaillement mesurée en fonction du taux de cisaillement - sont présentés à la figure 4. La viscosité diminue de manière significative avec l'augmentation du taux de cisaillement, ce qui indique que les matériaux s'amincissent fortement sous l'effet du cisaillement. En outre, la structure des charges est si forte qu'à un faible taux de cisaillement, la viscosité est très élevée et continue d'augmenter à mesure que le taux de cisaillement diminue, ce qui suggère une limite d'élasticité ou un comportement solide au repos. Cela correspond aux observations des tests d'oscillation qui ont montré une structure très élastique de type gel. Une limite d'élasticité indique que le matériau se comporte comme un solide en dessous de la contrainte critique, mais qu'il s'écoule comme un liquide au-dessus de cette contrainte critique. L'ampleur de la limite d'élasticité devrait être liée à la résistance structurelle et donc au degré de réticulation et de concentration des particules de gel, ce qui devrait se refléter dans G'.
La limite d'élasticité peut être déterminée à l'aide d'un certain nombre de tests différents, mais une rampe de contrainte est l'un des moyens les plus rapides et les plus faciles d'estimer la limite d'élasticité, où la viscosité instantanée (pas l'état stable) est mesurée en continu avec une contrainte de cisaillement croissante. Les données de la rampe de contrainte pour les trois échantillons d'AH sont présentées dans la figure 5. Le pic de viscosité représente le point de rupture et la valeur de contrainte à laquelle cela se produit est la limite d'élasticité. L'échantillon A a la limite d'élasticité la plus faible (42 Pa) et l'échantillon C la plus élevée (55 Pa), l'échantillon B étant légèrement inférieur à l'échantillon C (53 Pa). Il s'agit du même ordre que celui observé lors des essais d'oscillation, l'échantillon C étant le plus résistant et l'échantillon A le plus faible des trois gels. Comme ces gels ont tendance à exister sous la forme d'une collection de particules de gel réticulées de manière covalente (par opposition à un réseau de gel continu), la limite d'élasticité est associée à la contrainte nécessaire pour "décoincer" les particules et leur permettre de se déplacer l'une par rapport à l'autre.
Essai d'adhérence
Les profils de force normale en fonction du temps lorsque l'écart entre la plaque et le plateau est augmenté sont illustrés à la figure 6. La valeur de la force normale est négative parce que l'échantillon tire vers le bas sur la plaque supérieure en raison des forces adhésives/cohésives et diminue vers zéro à la rupture ; la force résiduelle à long terme est due au poids des échantillons retenus sur la plaque supérieure. La force normale maximale pour les échantillons A, B et C est de 0,35 N, 0,46 N et 0,54 N, respectivement, ce qui correspond à l'ordre des mesures de G' et de limite d'élasticité pour les trois échantillons. Par conséquent, l'échantillon C présente le degré d'adhérence ou de cohésivité le plus élevé et l'échantillon A le moins élevé.
Taille des particules
La taille des particules de gel doit être contrôlée afin de réduire la force d'extrusion et les effets secondaires associés tels que la douleur et les saignements lors de l'injection des gels. Par conséquent, les gels doivent être conçus pour passer à travers les aiguilles à la vitesse appropriée et avec la force d'extrusion souhaitée. La figure 7 montre la distribution de la taille des particules des gels sous la forme d'un pourcentage de volume cumulé. La taille médiane (Dv50) des échantillons A, B et C est de 480 μm, 425 μm et 203 μm. Les gels solides avec des valeurs élevées de G' et de limite d'élasticité doivent être calibrés à small pour que les particules puissent être facilement injectées par les aiguilles. L'échantillon C a la plus petite taille de particule parce qu'il a la valeur G' la plus élevée des échantillons. D'autre part, l'échantillon A a la plus grande taille de particule car il s'agit du gel le plus faible des échantillons (il peut facilement passer à travers les aiguilles). La taille résultante sera également liée au degré de réticulation et au poids moléculaire, car les polymères hautement réticulés associés à des valeurs de G' plus élevées seront plus denses et plus compacts.
Conclusion
Les propriétés rhéologiques et la taille des particules de trois produits commerciaux de comblement dermique à base d'AH ont été caractérisées et comparées. Le module d'élasticité G' a été déterminé à partir de tests d'oscillation et ces valeurs ont été mises en corrélation avec la rigidité et la résistance du gel (par exemple, gels faibles ou gels forts). Des mesures de cisaillement en régime permanent ont été effectuées pour vérifier la dépendance de la viscosité par rapport au taux de cisaillement et des tests de rampe de contrainte ont été réalisés pour déterminer la force nécessaire pour briser la structure du gel, c'est-à-dire la limite d'élasticité. L'adhésivité des charges a été déterminée en mesurant le profil de la force normale lorsque l'écart entre la plaque et le plateau augmentait et en établissant une corrélation avec l'oscillation et les données relatives à la limite d'élasticité. En outre, la taille des particules des gels a été mesurée parce que la taille affecte l'extrusion, et il a été constaté qu'elle était également en corrélation avec les données rhéologiques.
En conclusion, les propriétés rhéologiques et la taille des particules des produits de comblement dermique à base d'AH sont des paramètres essentiels pour déterminer les performances (par exemple, facilité d'administration, force d'extrusion, injection, résistance à la déformation, réduction de la douleur) et l'application (par exemple, rides fines ou profondes, contournement du visage) de ces produits.