Bevezetés
A hialuronsav (HA) egy természetben előforduló poliszacharid, amelyet gyakran használnak funkcionális összetevőként számos helyi és bőr alatti öregedésgátló kezelésben, például bőrfeltöltő anyagokban, amelyek a polimer egyedülálló viszkoelasztikus tulajdonságait használják ki a lágyszövetek hatékony növelésére. A HA bőr alá beadva rugalmas hálózatot épít a ráncok és ráncok belsejében, hogy a bőr dúsabbnak és teltebbnek tűnjön. A természetben előforduló HA felezési ideje kevesebb mint három nap, ezért a polimer tartósságának növelése alapvető fontosságú a nagyobb klinikai tartósságú és elfogadható eltarthatóságú termékek kifejlesztéséhez. A polimer molekulatömegének (MW) és térhálósodási fokának növelése bevált stratégia a mechanikai szilárdság javítására és a lebomlási idő meghosszabbítására. Ezek a jellemzők azonban a HA egyéb tulajdonságaira, például a viszkozitásra és a viszkoelaszticitásra is hatással vannak.
A HA sikeres formulázásához elengedhetetlen, hogy megértsük az olyan tényezők hatását, mint a molekulatömeg, a molekulaszerkezet, a koncentráció és a térhálósodás mértéke a reológiai tulajdonságokra, például a viszkoelaszticitásra, amelyek közvetlenül kapcsolódnak a termék teljesítményének szempontjaihoz. A szerkezeti jellemzők és a termék teljesítményének összekapcsolása a reológiai tulajdonságokon keresztül támogatja az intelligens, gyors és hatékony formulázást.
Az alábbi tanulmány bemutatja, hogy a reológiai és részecskeméret-mérések hogyan használhatók a HA dermális töltőanyagok fizikai tulajdonságainak jellemzésére.
Kísérleti
- Három kereskedelmi forgalomban kapható HA dermális töltőanyagot vizsgáltak rotációs reometriával és lézer diffrakcióval a reológiai viselkedés és a részecskeméret jellemzésére.
- A rotációs reométeres méréseket Peltier-lemezkazettával ellátott Kinexus rotációs reométerrel és 40 mm-es párhuzamos lemezes mérőrendszerrel végeztük. Minden reológiai mérést 25 °C-on végeztünk.
- Egy szabványos töltési sorrendet alkalmaztunk annak biztosítása érdekében, hogy mindkét minta esetében következetes és ellenőrizhető töltési protokollt alkalmazzunk.
- Az oszcillációs vizsgálatok változó amplitúdójú és változó frekvenciájú vizsgálatokat tartalmaztak. A lineáris viszkoelasztikus tartomány (Lineáris viszkoelasztikus régió (LVER)Az LVER-ben az alkalmazott feszültségek nem elegendőek ahhoz, hogy a szerkezet szerkezeti szétesését (engedékenységét) okozzák, ezért fontos mikroszerkezeti tulajdonságokat mérnek.LVER) és a kritikus alakváltozás meghatározására 1 Hz frekvenciájú amplitúdó-söprési vizsgálatokat végeztünk. Az ezt követő frekvenciasöpréses vizsgálatokat 0,1-10 Hz között végezték, az Lineáris viszkoelasztikus régió (LVER)Az LVER-ben az alkalmazott feszültségek nem elegendőek ahhoz, hogy a szerkezet szerkezeti szétesését (engedékenységét) okozzák, ezért fontos mikroszerkezeti tulajdonságokat mérnek.LVER-en belüli állandó alakváltozással.
- Állandó nyírási méréseket végeztek a viszkozitás nyírási sebességtől való függésének ellenőrzésére (0,1 s-1 - 100 s-1), és egy feszültségrámpás vizsgálatot (0 Pa - 200 Pa 100 s alatt) is végeztek a töltőanyagok Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatárának meghatározására.
- A töltőanyagok tapadását a reométeren végzett axiális vizsgálat segítségével vizsgálták, amely során a hézagot gyorsan változtatták 1 mm-ről 20 mm-re, és rögzítették a normál erőprofilt. A tapadást a Newtonban mért normálerő csúcsértékével korrelálták.
- A dermális töltőanyagokban lévő gélrészecskék szemcseméretének mérése Malvern Mastersizer 3000 készülékkel történt. A töltőanyagokat sóoldatban diszpergálták, és meghatározták a medián részecskeméretet és a részecskeméret-eloszlást.
Eredmények és vita
Oszcillációs tesztelés
A Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus görbéket a nyírási alakváltozás függvényében a 2. ábra mutatja. Minden mintán hasonló méretű Lineáris viszkoelasztikus régió (LVER)Az LVER-ben az alkalmazott feszültségek nem elegendőek ahhoz, hogy a szerkezet szerkezeti szétesését (engedékenységét) okozzák, ezért fontos mikroszerkezeti tulajdonságokat mérnek.LVER-területeket találtunk, a nemlinearitás kezdetét jelentő kritikus alakváltozás 20%-os tartományban volt. Az Lineáris viszkoelasztikus régió (LVER)Az LVER-ben az alkalmazott feszültségek nem elegendőek ahhoz, hogy a szerkezet szerkezeti szétesését (engedékenységét) okozzák, ezért fontos mikroszerkezeti tulajdonságokat mérnek.LVER-en belül mért Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus értékek azt mutatták, hogy az A minta rendelkezett a legalacsonyabb rugalmassági merevséggel, G' értéke 150 Pa volt. A három minta közül a C minta volt a legrugalmasabb a 320 Pa értékű G' értékkel, a B minta pedig a kettő között 220 Pa értékkel.
A Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus és a fázisszög görbék a rezgési frekvencia függvényében a 3. ábrán láthatóak. A fázisszög minden minta esetében a teljes frekvenciatartományban 10° körül van, ami arra utal, hogy minden minta nagymértékben rugalmas gél. Az A, B és C minták G' értéke 1 Hz-en körülbelül 150Pa, 220Pa és 320Pa, ami korrelál az amplitúdó-söprési adatokkal ugyanezen a frekvencián. A G' enyhe lejtése a frekvenciával a small szerkezeti RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációra utal, ahol a tárolt rugalmas energia az idő növekedésével (csökkenő frekvenciák) eloszlik, bár ez viszonylag minimális.
Számos tényező befolyásolja a HA dermális töltőanyagok viszkoelasztikus tulajdonságait, beleértve a HA koncentrációt, a molekulatömeget és a térhálósodás mértékét. E jellemzők megváltoztatásával a viszkoelasztikus tulajdonságok, különösen a G' Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus, egy adott alkalmazáshoz alakíthatók. A magas G' értékű gélek nagyobb ellenállást biztosítanak a deformációval szemben, és hatékonyabbak lehetnek töltőanyagként, de nehezebb lehet beadni őket, és nagyobb fájdalmat okozhatnak. Ezért a nagy G' értékű erős gélek alkalmasabbak lehetnek mélyebb vagy súlyosabb ráncok esetén. Másrészről az alacsony G' értékű gyengébb gélek jobbak lehetnek az ajkakon vagy a könnyedebb, érzékenyebb ráncoknál található finom vagy könnyű ráncoknál, mivel injekciózáskor kevesebb fájdalmat okoznak. Az alacsonyabb modulus jobban megfelelhet a helyi szövet tulajdonságainak is. A 2. és 3. ábrán bemutatott eredmények alapján a három vizsgált HA-mintából elmondható, hogy az A minta a leggyengébb és leglágyabb gél, a C minta pedig a legmerevebb és legerősebb gél.
Állandó nyírási vizsgálat és a folyási feszültség meghatározása
Az állandósult nyírási mérés eredményei - a nyírási sebesség függvényében mért nyírási viszkozitás a 4. ábrán látható. A viszkozitás jelentősen csökken a nyírási sebesség növekedésével, ami azt jelzi, hogy az anyagok nagymértékben nyírási vékonyodnak. Emellett a töltőanyagok szerkezete olyan erős, hogy alacsony nyírási sebességnél a viszkozitás nagyon magas, és a nyírási sebesség csökkenésével tovább emelkedik, ami folyáshatárra vagy nyugalmi szilárdsághoz hasonló viselkedésre utal. Ez megfelel az oszcillációs vizsgálatokból származó megfigyeléseknek, amelyek nagymértékben rugalmas gélszerű szerkezetet mutattak. A Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár azt jelzi, hogy az anyag a kritikus feszültség alatt szilárd anyagként viselkedik, de a kritikus feszültség felett folyadékként folyik. A Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár nagyságának a gélrészecskék szerkezeti szilárdságával és ezáltal a térhálósodás mértékével és koncentrációjával kell összefüggésben állnia, aminek a G' értékben kell tükröződnie.
A Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár számos különböző vizsgálat segítségével meghatározható, azonban a Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár becslésének egyik leggyorsabb és legegyszerűbb módja a feszültségrámpa, ahol a pillanatnyi viszkozitást (nem állandósult állapotot) folyamatosan mérjük a nyírófeszültség növekedésével. A három HA-mintára vonatkozó feszültségrámpa-adatokat az 5. ábra mutatja. A viszkozitási csúcs a folyáspontot jelöli, és az a feszültségérték, amelynél ez bekövetkezik, a folyási feszültség. Az A minta rendelkezik a legalacsonyabb folyáshatárral (42 Pa), a C minta a legmagasabbal (55 Pa), a B minta valamivel alacsonyabb a C-nél (53 Pa). Ez a sorrend megegyezik az oszcillációs vizsgálat során megfigyelt sorrenddel, ahol a három gél közül a C minta a legerősebb, az A minta pedig a leggyengébb. Mivel ezek a gélek általában kovalensen keresztkötésű gélrészecskék gyűjteménye (szemben a folytonos gélhálózattal), a folyáshatár a részecskék "feloldásához" szükséges feszültséghez kapcsolódik, és lehetővé teszi, hogy azok elmozduljanak egymás mellett.
Tack tesztelés
A normál erőprofilokat az idő függvényében a lemez-lemez rés növelésével a 6. ábra mutatja. A normálerő értéke negatív, mert a minta a ragasztó/összetartó erők miatt lehúzódik a felső lemezre, és a tönkremenetelkor a nulla felé csökken; a hosszú ideig fennmaradó erő a visszatartott minták felső lemezre nehezedő súlyának köszönhető. Az A, B és C minta normálerő csúcsa 0,35 N, 0,46 N és 0,54 N, ami ismét korrelál a G' és a folyáshatárfeszültség mérések sorrendjével a három minta esetében. Ebből következően a C minta rendelkezik a legnagyobb tapadással vagy kohéziós képességgel, az A minta pedig a legkisebb mértékben.
Részecskeméret
A gélrészecskék szemcseméretét szabályozni kell annak érdekében, hogy csökkentsük az extrudálási erőt és a gélek befecskendezésekor fellépő mellékhatásokat, mint a fájdalom és a vérzés. Ezért a géleket úgy kell megtervezni, hogy a kívánt extrúziós erővel megfelelő sebességgel haladjanak át a tűkön. A 7. ábrán a gélek részecskeméret-eloszlása kumulatív térfogatszázalékban látható. Az A, B és C minták medián mérete (Dv50) 480 μm, 425 μm és 203 μm. A nagy G' és folyáshatár értékű erős géleknek a small részecskék méretére kell méretezniük, hogy könnyen be lehessen őket injektálni a tűkön keresztül. A C minta rendelkezik a legkisebb részecskemérettel, mivel a minták közül ennek a G' értéke a legmagasabb. Másrészt az A minta rendelkezik a legnagyobb részecskemérettel, mivel a minták közül ez a leggyengébb gél (könnyen át lehet juttatni a tűkön). A kapott méret a térhálósodás mértékével és a molekulatömeggel is összefügg, mivel a magasabb G' értékekkel társuló erősen térhálósodott polimerek sűrűbbek és tömörebbek lesznek.
Következtetés
Három kereskedelmi forgalomban kapható HA-alapú dermális töltőanyag reológiai tulajdonságait és részecskeméretét jellemezték és hasonlították össze. A G' rugalmassági modulust oszcillációs vizsgálatból határozták meg, és ezek az értékek korreláltak a gél merevségével és szilárdságával (pl. gyenge gélek vagy erős gélek). Állandósult nyírási méréseket végeztek a viszkozitás nyírási sebességtől való függésének ellenőrzésére, és feszültségrámpás vizsgálatokat végeztek a gélszerkezet lebontásához szükséges erő, azaz a folyáshatár meghatározására. A töltőanyagok tapadását a normál erőprofil mérésével határoztuk meg, amikor a lemez-lemez rés nőtt, és korreláltuk a RezgésA rezgés mechanikai folyamatát rezgésnek nevezzük. A rezgés olyan mechanikai jelenség, amelynek során egy egyensúlyi pont körül rezgések lépnek fel. A rezgés sok esetben nem kívánatos, energiát pazarol és nem kívánt hangot kelt. Például a motorok, villanymotorok vagy bármilyen működő mechanikus eszköz rezgő mozgása jellemzően nemkívánatos. Az ilyen rezgéseket a forgó alkatrészek kiegyensúlyozatlansága, az egyenetlen súrlódás vagy a fogaskerekek fogazása okozhatja. A gondos tervezés általában minimalizálja a nem kívánt rezgéseket.rezgés, valamint a folyáshatár adatokkal. Továbbá megmértük a gélek részecskeméretét, mivel a méret befolyásolja az extrudálást, és megállapítottuk, hogy ez is korrelál a reológiai adatokkal.
Összefoglalva, a HA alapú dermális töltőanyagok reológiai tulajdonságai és részecskemérete alapvető paraméterek a termékek teljesítményének (pl. könnyű adagolás, extrúziós erő, injekciózás, deformációval szembeni ellenállás, fájdalomcsökkentés) és alkalmazásának (pl. finom vagy mély ráncok, arcbőrkonstrukció) meghatározásához.