Pendahuluan
Pengembangan perangkat eluting obat adalah bidang utama penelitian biomedis di mana produk dibuat untuk memberikan dosis agen terapeutik yang disesuaikan pada lokasi tertentu di dalam tubuh. Biasanya, perangkat eluting obat ini dibuat dengan agen terapeutik yang didispersikan dalam matriks polimer [1], atau dalam bahan komposit yang sebagian terdiri dari matriks polimer. Polimer adalah kendaraan yang ideal untuk agen terapeutik karena kemudahannya dalam pembuatan, profil pelepasan yang dapat disesuaikan, biokompatibilitas, dan kemampuan dibentuk. Contoh dari jenis produk ini termasuk stent eluting obat, implan, dan jahitan.
NETZSCH rheometer memiliki posisi unik dalam dunia reologi karena menghasilkan reometer rotasi/osilasi tradisional serta reometer kapiler gaya tinggi; secara bersamaan, instrumen ini mencakup lebih dari enam kali lipat laju geser. Secara khusus, rheometer kapiler Rosand dapat digunakan untuk mensimulasikan proses pembuatan polimer seperti ekstrusi lelehan panas untuk formulasi farmasi [2]. Dalam contoh ini, polietilena densitas rendah (LDPE) diekstrusi untuk menghasilkan implan tipis atau kendaraan jahitan sebagai model untuk manufaktur.
Dynamic Mechanical Analysis (DMA) terutama digunakan untuk menganalisis sifat viskoelastik bahan polimer tetapi juga digunakan untuk mengukur logam, keramik, atau mensimulasikan kondisi mekanis tertentu. NETZSCH DMA 303 Eplexor® adalah perangkat desktop serbaguna yang mampu mengukur dalam kisaran suhu dari -170°C hingga 800°C (-274°F hingga 1472°F), dengan menerapkan gaya mulai dari 1 mN hingga 50 N, dan pada frekuensi 0,001 hingga 150 Hz. Dalam contoh ini, alat ini digunakan untuk menentukan sifat viskoelastik kendaraan LDPE. Namun, rentang gaya dan frekuensi unit memungkinkan untuk simulasi berbagai kondisi fisiologis, yang berarti ekstrudat LDPE dapat diuji sebagai implan, jahitan, atau stent dalam kondisi model.
Ekstrusi Reometri Kapiler dan Pengujian Pengangkutan
Selain dapat mensimulasikan pemrosesan lelehan polimer dengan teknik seperti ekstrusi lelehan panas, unit kapiler Rosand RH7/10 juga mampu melakukan pengukuran pengangkutan, di mana ekstrudat polimer diulirkan di sekitar dua katrol gesekan rendah (yang pertama terletak di atas timbangan presisi) dan kemudian diumpankan melalui pengaturan gulungan nip ke drum pengambil yang digerakkan oleh motor yang dipasang di sisi unit rheometer utama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1). Hal ini memungkinkan tegangan leleh ditentukan, serta efek penarikan di mana ekstrudat semakin menipis dari diameter cetakan ke lebar tertentu. Hal ini sangat relevan untuk perangkat eluting obat karena implan sering kali diberikan dengan jarum dengan ukuran tertentu (tergantung lokasi), dan jahitan harus memenuhi standar dimensi.
Di sini, pelet LDPE-450 diproses pada suhu 180ºC menggunakan model floor standing Rosand RH10 (Gambar 1). Cetakan dengan panjang 16 mm dan diameter 1,0 mm digunakan untuk menghasilkan ekstrudat polimer. Transduser tekanan 5.000 PSI digunakan untuk mengukur viskositas lelehan dan ekstrudat diumpankan ke sistem pengangkutan Tragethon. LDPE diekstrusi dengan kecepatan 10 mm/menit dari cetakan dan kemudian kecepatan pengangkutan dinaikkan dari 5 hingga 15 m/menit. Hasil dari efek penarikan dan pengumpulan ekstrudat LDPE ditunjukkan pada Gambar 2. Dari Gambar 2a, ekstrudat yang keluar dari cetakan berdiameter 1,0 mm secara efektif ditipiskan oleh sistem pengangkutan dan dapat ditarik ke diameter target yang konsisten sebesar 0,4 mm. Dari kecepatan pengangkutan 6 hingga 7 m/menit, diameter ekstrudat adalah 0,54 ± 0,04 mm sedangkan dari 11 hingga 12 m/menit diameternya adalah 0,54 ± 0,04 mm. Hal ini sangat penting untuk memproduksi implan eluting obat secara konsisten untuk digunakan dengan jarum (jarum 22-gauge) atau jahitan (ukuran USP # 0 atau # 1). Temuan penting lainnya dari Gambar 2a adalah bahwa LDPE dapat ditipiskan dengan peningkatan kecepatan pengangkutan tetapi material pecah (seperti yang dilabeli) pada kecepatan 13 m/menit yang menyebabkan diameter yang terekam terbaca 0 (tidak ada material yang diukur) dan kemudian kembali ke 1,25 mm (diameter ekstrudat yang keluar dari cetakan). Kemampuan untuk menentukan tingkat draw-down dan juga titik di mana kekuatan lelehan terlalu lemah untuk pemrosesan yang efektif adalah pertimbangan manufaktur yang penting. Gambar 2b menunjukkan ekstrudat LDPE yang digulung yang dikumpulkan dari sistem pengangkutan. Satu kali proses dapat menghasilkan beberapa meter bahan tipis.
Pengujian DMA untuk Sifat Viskoelastik dan Simulasi Aplikasi
Untuk menentukan sifat viskoelastik dari ekstrudat LDPE tipis berdiameter 0,4 mm, sapuan suhu standar dilakukan pada satu implan (diambil dari bagian kecepatan pengangkutan 10 hingga 13 m/menit) dalam keadaan tegang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, dengan NETZSCH DMA 303 Eplexor® dari -170 hingga 70 ° C, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Modulus penyimpanan (E') menggambarkan kemampuan material untuk menyimpan energi (dan kemudian melepaskannya seperti pegas), Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan (E") menggambarkan disipasi energi material (biasanya melalui gesekan internal), dan faktor redaman (tan δ) adalah rasio E" terhadap E' yang menggambarkan seberapa besar material akan meredam gaya yang diberikan.
Dari Gambar 3b yang diberi label, transisi gelas LDPE terjadi pada sekitar -130ºC dengan transisi lain pada sekitar -30°CC. Suhu leleh LDPE biasanya 125ºC, namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, bahan menjadi lunak setelah 50ºC. Memahami sifat viskoelastik dari produk eluting obat penting untuk aplikasi fisiologis: seberapa kuat jahitannya, seberapa nyaman implan dapat dirasakan, seberapa lentur stent agar dapat dililitkan secara efektif di sekitar arteri tetapi tetap memberikan penguatan.
Selain itu, NETZSCH DMA 303 Eplexor® dapat digunakan untuk mensimulasikan kondisi pembebanan yang dinamis. Hal ini sangat relevan untuk aplikasi biomedis karena tubuh manusia mengalami gerakan dinamis small konstan yang disebabkan oleh aliran darah dari jantung yang memompa, serta gerakan yang lebih besar yang dialami sepanjang hari dan selama berolahraga. Stent akan mengalami deformasi dinamis ini karena menutupi arteri/pembuluh darah, tetapi bahkan implan yang dipasang di lokasi yang ditargetkan seperti otak atau bagian belakang mata akan mengalami deformasi konstan small oleh suplai darah yang berdenyut dan aliran lokal. NETZSCH DMA 303 Eplexor® dapat mengukur bahan pada kelembaban relatif tertentu atau di lingkungan yang sepenuhnya berair dengan memanfaatkan rendaman.
Untuk mensimulasikan lingkungan yang mungkin terpapar oleh ekstrudat LDPE sebagai jahitan, dilakukan penyisiran waktu di mana bahan direndam dalam air dan mengalami deformasi dinamis 30 μm pada 1,3 Hz (untuk mencerminkan detak jantung istirahat rata-rata 80 BPM) dan 37ºC selama 8 jam, hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4. Yang penting, NETZSCH DMA 303 Eplexor® tidak hanya dapat digunakan untuk memodelkan pembebanan dinamis pada frekuensi yang biorelevan, tetapi dengan meningkatkan frekuensi deformasi, penuaan yang dipercepat juga dapat dimodelkan [3].
LDPE bersifat hidrofobik sehingga sifat mekaniknya tidak diharapkan berubah secara drastis dalam lingkungan fisiologis karena matriks polimer tidak akan membengkak. Namun, dalam contoh ini, ada sedikit penurunan (kurang dari 1%) pada faktor redaman, yang menunjukkan bahwa implan berperilaku lebih elastis dari waktu ke waktu dalam lingkungan tertentu, yang merupakan pertimbangan utama untuk tindakan yang efektif di dalam tubuh manusia. Namun, perubahan yang kecil ini perlu divalidasi untuk menunjukkan signifikansi. Bandingkan dengan implan yang terbuat dari matriks polimer hidrofilik, pembengkakan matriks dari waktu ke waktu akan menghasilkan pengurangan kekakuan yang signifikan.
Ringkasan
Perangkat eluting obat digunakan untuk memberikan dosis terapeutik yang terkontrol di dalam lokasi tertentu di dalam tubuh. Di sini, kami mendemonstrasikan bagaimana berbagai instrumen NETZSCH dapat digunakan untuk tidak hanya memodelkan manufaktur dan menentukan viskoelastik, tetapi juga mensimulasikan kondisi fisiologis yang mungkin dialami oleh bahan-bahan ini. Rosand RH10 digunakan untuk memodelkan ekstrusi lelehan panas dari implan/jahitan polimer bersama dengan pengukuran haul-off untuk sifat tarik dan kontrol dimensi penarikan hingga diameter ekstrudat 0,4 mm.
DMA 303 Eplexor® kemudian digunakan untuk mengukur sifat viskoelastik dasar (transisi pada suhu -130 dan -30°C) dan untuk mensimulasikan kondisi fisiologis dinamis (deformasi oleh detak jantung) yang akan dialami oleh ekstrudat di dalam tubuh manusia.