はじめに
ヒアルロン酸(HA)は天然に存在する多糖類であり、皮膚充填剤のような多くの局所および皮下アンチエイジング治療において機能性成分として頻繁に使用される。皮下に投与されると、HAはしわや隆起の中に弾力性のあるネットワークを作り、皮膚にふっくらとした外観を与える。天然に存在するHAの半減期は3日未満であるため、ポリマーの耐久性を向上させることは、臨床的持続性がより高く、許容可能な保存期間を持つ製品を開発するために不可欠である。ポリマーの分子量(MW)と架橋度の両方を高めることは、機械的強度を向上させ分解時間を延長するための実証された戦略である。しかしながら、これらの特性は粘度や粘弾性のようなHAの他の特性にも影響を与える。
HAをうまく配合するためには、分子量、分子構造、濃度および架橋度などの因子が、粘弾性のようなレオロジー特性に与える影響を理解することが不可欠である。レオロジー特性を介して構造特性を製品性能に結びつけることは、スマートで迅速かつ効果的なフォーミュレーションをサポートします。
以下の研究は、レオロジーと粒子径測定がHA皮膚フィラーの物理的特性を特徴付けるためにどのように使用できるかを示している。
実験的
- 3種の市販HA皮膚フィラーを、レオメーターとレーザー回折を用いてそれぞれレオロジー挙動と粒子径を評価した。
- 回転レオメーター測定は、ペルチェプレートカートリッジ付きKinexus回転レオメーターを用い、40mm平行平板測定システムを用いて行った。レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- 両試料に一貫した制御可能な負荷プロトコルを確実に適用するため、標準負荷シーケンスを使用した。
- 振動試験には、可変振幅試験と可変周波数試験が含まれた。線形粘弾性領域（LVER）と臨界ひずみを決定するために、周波数1Hzでの振幅掃引試験を実施した。その後の周波数掃引試験は、LVER内で一定のひずみを用いて0.1～10Hzの間で実施した。
- 定常せん断測定は、せん断速度（0.1 s-1- 100s-1）に対する粘度依存性を確認するために行い、応力ランプ試験（100秒で0 Pa - 200 Pa）もフィラーの降伏応力を決定するために行った。
- フィラーのねばり（粘着性）は、レオメーターの軸方向試験（ギャップを1mmから20mmまで急速に変化させ、法線力プロファイルを記録する）を用いて評価した。タックは、ニュートン単位で測定された法線力のピーク値と相関した。
- 皮膚フィラー中のゲル粒子の粒子径測定は、Malvern Mastersizer 3000を用いて行った。フィラーを生理食塩水に分散させ、粒子径中央値と粒子径分布を測定した。
結果と考察
振動試験
せん断ひずみの関数としての弾性率曲線を図2に示す。すべての試料でLVER領域はほぼ同じ大きさであり、非直線性の開始を示す臨界ひずみは20%の領域であった。LVER内で測定された弾性率は、試料Aの弾性率が最も低く、G'は150Paであった。試料Cは3つの試料の中で最も弾性剛性が高く、G'値は320Paで、試料Bはその中間の220Paであった。
振動数の関数としての弾性率および位相角曲線を図3に示します。全周波数範囲にわたってすべての試料の位相角は約10°であり、すべての試料が高弾性ゲルであることを示唆している。1Hzにおける試料A、B、CのG'の値は、それぞれ約150Pa、220Pa、320Paであり、同じ周波数における振幅掃引データと相関している。周波数に対するG'のわずかな勾配は、small 、蓄積された弾性エネルギーが時間の増加（周波数の減少）に伴って消散する構造緩和の量を示唆しているが、これは比較的わずかである。
HA濃度、分子量および架橋度など、HA皮膚充填材の粘弾性特性に影響する多くの因子がある。これらの特性を変えることにより、粘弾性特性、特に弾性率G'を特定の用途に合わせて設計することができる。高いG'を持つゲルは変形に対する抵抗性が高く、充填材としてより効果的であるはずだが、注入が難しく、痛みを与える可能性がある。したがって、G'の高い強力なゲルは、より深いしわやより深刻なしわに使用するのに適しているかもしれない。一方、G'が低い弱いジェルは、注入時の痛みが少ないため、唇や涙袋に見られるような細かいしわや軽いしわに適しているかもしれない。また低い弾性率の方が、局所組織の特性によりよく適合するかもしれない。試験した3つのHA試料のうち、Figure 2と3に示した結果から、試料Aは最も弱く柔らかいゲルであり、試料Cは最も硬く強いゲルであると言える。
定常せん断試験と降伏応力の測定
定常せん断試験の結果（せん断速度の関数として測定したせん断粘度）を図4に示す。粘度はせん断速度の増加とともに著しく減少し、この材料が非常にせん断減粘性が高いことを示している。また、フィラーの構造が非常に強いため、低せん断速度では粘度が非常に高く、せん断速度の低下とともに上昇し続けることから、降伏応力または静止状態での固体のような挙動が示唆されます。これは、高弾性ゲル状構造を示した振動試験による観察と一致する。降伏応力は、材料が臨界応力以下では固体のように挙動するが、臨界応力以上では液体のように流動することを示します。降伏応力の大きさは、ゲル粒子の構造強度、架橋度、濃縮度に関係し、G'に反映されるはずです。
降伏応力はさまざまな試験で求めることができますが、応力ランプは降伏応力を推定するための最も迅速で簡単な方法の一つです。この試験では、せん断応力を増加させながら瞬間粘度（定常状態ではない）を連続的に測定します。3種のHA試料の応力ランプデータをFig.5に示す。粘度のピークは降伏点を表し、これが発生する応力値が降伏応力である。試料Aの降伏応力が最も低く（42 Pa）、試料Cが最も高く（55 Pa）、試料BはCよりわずかに低い（53 Pa）。これは振動試験で観察された順序と同じで、3つのゲルの中で試料Cが最も強く、試料Aが最も弱い。これらのゲルは（連続的なゲルネットワークではなく）共有結合で架橋されたゲル粒子の集合体として存在する傾向があるため、降伏応力は、粒子の「ジャムを解き」、粒子が互いに移動するのに必要な応力と関連しています。
タック試験
図6に、プレート-プレート間隙を増加させたときの法線力プロファイルを時間の関数として示す。法線力の値は、試料が接着／粘着力によって上板を引き下げるため負の値であり、破壊時にはゼロに向かって減衰する。長時間残留する力は、上板に保持された試料の重量によるものである。試料A、B、Cのピーク法線力は、それぞれ0.35 N、0.46 N、0.54 Nであり、これもまた3つの試料のG'および降伏応力の測定順序と相関している。従って、試料Cはタックまたは凝集性が最も高く、試料Aは最も低い。
粒子径
ゲル粒子の粒子径は、ゲル注入時の押し出し力と、それに伴う痛みや出血などの副作用を軽減するために制御する必要があります。従って、ゲルが適切な速度で、所望の押し出し力で針を通過するように設計する必要がある。図7では、ゲルの粒度分布を累積体積％で示している。試料A、B、Cの中央値（Dv50）は、480μm、425μm、203μmである。高いG'値と降伏応力を持つ強力なゲルは、small 、針から注入しやすい粒子サイズにする必要があります。試料Cは、試料の中でG'値が最も高いため、粒子径が最も小さい。一方、試料Aは、試料の中で最も弱いゲルであるため、粒子径が最も大きくなっています（針を容易に通すことができます）。G'の値が高いほど架橋度の高いポリマーは緻密でコンパクトになるため、得られる粒子径は架橋度と分子量にも関係する。
結論
3種の市販HAベース皮膚充填材のレオロジー特性と粒子径を特性評価し、比較した。弾性率G'は振動試験から決定され、その値はゲルの剛性と強度（例えば弱いゲルか強いゲルか）と相関した。定常せん断測定は、せん断速度に対する粘度依存性を確認するために行い、応力ランプ試験は、ゲル構造を破壊するのに必要な力、すなわち降伏応力を決定するために行った。フィラーのねばり（粘着性）は、プレート-プレートギャップが増加するときの法線力プロファイルを測定し、振動、降伏応力データと相関させることによって決定した。さらに、ゲルの粒子径は押出しに影響するため、粒子径を測定し、これもレオロジーデータと相関することがわかった。
結論として、HAベースの皮膚フィラーのレオロジー特性と粒子径は、これらの製品の性能（例えば、送達のしやすさ、押し出し力、注入、変形に対する抵抗性、痛みの軽減）と適用（例えば、細かいしわや深いしわ、顔の輪郭）を決定するのに不可欠なパラメータである。