소개
약물 용출 장치의 개발은 신체 내 특정 부위에 맞춤형 용량의 치료제를 전달하기 위해 제품을 만드는 생물의학 연구의 핵심 분야입니다. 일반적으로 이러한 약물 용출 장치는 폴리머 매트릭스[1] 또는 폴리머 매트릭스로 부분적으로 구성된 복합 재료 내에 치료제가 분산된 상태로 제작됩니다. 폴리머는 제조 용이성, 맞춤형 방출 프로파일, 생체 적합성 및 성형 가능성으로 인해 치료제를 위한 이상적인 매개체입니다. 이러한 종류의 제품에는 약물 용출 스텐트, 임플란트, 봉합사 등이 있습니다.
NETZSCH 전통적인 회전식/진동식 레오미터와 고출력 모세관 레오미터를 모두 생산하며, 이 두 장비를 함께 사용하면 6배 이상의 전단 속도를 커버할 수 있기 때문에 유변학 분야에서 독보적인 위치를 차지하고 있습니다. 특히 모세관 로샌드 레오미터는 의약품 제형을 위한 핫멜트 압출과 같은 폴리머 제조 공정을 시뮬레이션하는 데 활용할 수 있습니다[2]. 이 예에서는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 압출하여 얇은 임플란트 또는 봉합사를 제조하기 위한 모델로 사용했습니다.
동적 기계 분석(DMA)은 주로 고분자 재료의 점탄성 특성을 분석하는 데 사용되지만 금속, 세라믹을 측정하거나 특정 기계적 조건을 시뮬레이션하는 데에도 사용됩니다. NETZSCH DMA 303 Eplexor® 은 -170°C~800°C(-274°F~1472°F)의 온도 범위에서 1mN~50N의 힘을 가하고 0.001~150Hz의 주파수에서 측정할 수 있는 다목적 데스크톱 장치입니다. 이 예에서는 LDPE 차량의 점탄성 특성을 측정하는 데 활용되었습니다. 그러나 이 장치의 힘과 주파수 범위는 다양한 생리적 조건의 시뮬레이션도 가능하므로 모델 조건에서 임플란트, 봉합사 또는 스텐트로서 LDPE 압출물을 테스트할 수 있습니다.
모세관 유변학 압출 및 홀오프 테스트
핫멜트 압출과 같은 기술의 폴리머 용융 처리를 시뮬레이션할 수 있을 뿐만 아니라, Rosand RH7/10 캐필러리 유닛은 폴리머 압출물을 두 개의 저마찰 풀리(첫 번째는 정밀 저울에 위치)에 끼운 다음 닙 롤 배열을 통해 메인 레오미터 유닛 측면에 부착된 모터로 구동되는 테이크업 드럼으로 공급하는 홀오프 측정도 가능합니다(그림 1 참조). 이를 통해 용융 장력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 압출물이 다이의 직경에서 특정 폭으로 더 얇아지는 드로다운 효과도 측정할 수 있습니다. 이는 특히 약물 용출 장치와 관련이 있는데, 임플란트는 종종 특정 게이지의 바늘로 투여되고(부위에 따라 다름) 봉합사는 치수 표준을 충족해야 하기 때문입니다.
여기서는 Rosand RH10 플로어 스탠딩 모델을 사용하여 180ºC에서 LDPE-450 펠릿을 가공했습니다(그림 1). 폴리머 압출물을 생산하기 위해 길이 16mm, 직경 1.0mm의 다이를 사용했습니다. 5,000 PSI 압력 트랜스듀서를 사용하여 용융물의 점도를 측정하고 압출물을 Tragethon 이송 시스템으로 공급했습니다. LDPE를 다이에서 10mm/min의 속도로 압출한 다음, 이송 속도를 5m/min에서 15m/min으로 높였습니다. 드로다운 효과와 LDPE 압출물의 수집 결과는 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a에서 직경 1.0mm 다이를 떠난 압출물은 홀오프 시스템에 의해 효과적으로 얇아지고 일관된 목표 직경인 0.4mm까지 끌어낼 수 있습니다. 6~7m/min의 이송 속도에서 압출물 직경은 0.54 ± 0.04mm이고, 11~12m/min에서는 직경이 0.54 ± 0.04mm입니다. 이는 바늘(22게이지 바늘) 또는 봉합사(USP 사이즈 #0 또는 #1)로 배치할 약물 용출 임플란트를 일관되게 생산하는 데 매우 중요합니다. 그림 2a의 또 다른 주요 결과는 LDPE는 인출 속도가 증가함에 따라 얇아질 수 있지만 13m/min의 속도에서 재료가 파손(표시된 대로)되어 기록된 직경이 0(측정 중인 재료 없음)으로 표시되었다가 1.25mm(압출물 직경이 다이에서 이탈)로 돌아간다는 점입니다. 드로다운의 정도와 용융 강도가 너무 약해 효과적인 가공이 불가능한 지점을 파악하는 것은 중요한 제조 고려 사항입니다. 그림 2b는 홀오프 시스템에서 수집된 스풀링된 LDPE 압출물을 보여줍니다. 한 번의 실행으로 수 미터의 얇은 소재를 생산할 수 있습니다.
점탄성 특성 및 애플리케이션 시뮬레이션을 위한 DMA 테스트
그림 3a에 표시된 것처럼, 그림 3b에 표시된 것처럼, 장력 상태에서 단일 임플란트(10~13m/min 이송 속도 구간에서 가져온 것)에 대해 그림 3a와 같이 그림 3b와 같이 NETZSCH DMA 303 Eplexor® 에서 -170~70°C의 표준 온도 스윕을 수행하여 얇은 직경 0.4mm LDPE 압출물의 점탄성 특성을 측정했습니다. 저장 계수(E')는 에너지를 저장한 후 스프링처럼 방출하는 재료의 능력을, 손실 계수(E")는 일반적으로 내부 마찰을 통한 재료의 에너지 소멸을, 감쇠 계수(tan δ)는 재료가 적용된 힘을 감쇠하는 정도를 나타내는 E" 대 E' 의 비율을 설명하는 값입니다.
그림 3b에서 LDPE의 유리 전이는 약 -130°C에서 발생하며, 약 -30°C에서 또 다른 전이가 발생합니다. LDPE의 용융 온도는 일반적으로 125°C이지만, 그림 3에서 볼 수 있듯이 50°C 이후에는 재료가 부드러워집니다. 약물 용출 제품의 점탄성 특성을 이해하는 것은 봉합사의 강도, 임플란트가 얼마나 편안하게 느껴지는지, 스텐트가 동맥을 효과적으로 감싸면서도 보강을 제공하는 유연성 등 생리적 응용 분야에서 중요합니다.
또한 NETZSCH DMA 303 Eplexor® 을 활용하여 동적 하중 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다. 인체는 펌프질하는 심장의 혈류로 인한 지속적인 small 동적 움직임과 하루 종일 및 운동 중에 발생하는 큰 움직임을 경험하기 때문에 이는 특히 생체 의학 응용 분야와 관련이 있습니다. 스텐트는 동맥/혈관을 덮을 때 이러한 동적 변형을 경험하지만, 뇌나 눈 뒤쪽과 같은 특정 위치에 배치된 임플란트도 박동성 혈액 공급과 국소 흐름에 의해 지속적인 small 변형을 경험합니다. NETZSCH DMA 303 Eplexor® 은 침수조를 활용하여 특정 상대 습도 또는 완전 수성 환경에서 재료를 측정할 수 있습니다.
LDPE 압출물이 봉합사로 노출될 수 있는 환경을 시뮬레이션하기 위해 재료를 물에 담그고 1.3Hz(평균 80BPM 안정 시 심박수를 반영)와 37ºC에서 8시간 동안 30μm의 동적 변형을 가하는 시간 스윕을 수행한 결과를 그림 4에 표시했습니다. 중요한 점은 NETZSCH DMA 303 Eplexor® 을 사용하여 생체 관련 주파수에서 동적 하중을 모델링할 수 있을 뿐만 아니라 변형 빈도를 높임으로써 가속화된 노화도 모델링할 수 있다는 점입니다[3].
LDPE는 소수성이므로 폴리머 매트릭스가 팽창하지 않기 때문에 생리적 환경에서 기계적 특성이 크게 변하지 않을 것으로 예상됩니다. 그러나 이 예에서는 감쇠 계수가 약간 감소(1% 미만)하는 것이 관찰되어 임플란트가 인체 내에서 효과적으로 작용하기 위한 핵심 고려 사항인 주어진 환경에서 시간이 지남에 따라 더 탄력적으로 작동한다는 것을 보여줍니다. 그러나 이 작은 변화의 크기가 유의미하다고 보기에는 검증이 필요합니다. 친수성 폴리머 매트릭스로 만든 임플란트와 대조적으로, 시간이 지남에 따라 매트릭스가 부풀어 오르면 강성이 크게 감소할 것입니다.
요약
약물 용출 장치는 신체의 특정 위치 내에서 제어된 치료 용량을 전달하기 위해 활용됩니다. 여기에서는 다양한 NETZSCH 장비를 활용하여 제조를 모델링하고 점탄성을 측정할 뿐만 아니라 이러한 재료가 노출될 수 있는 생리적 조건을 시뮬레이션하는 방법을 시연했습니다. 인장 특성에 대한 홀오프 측정 및 압출물 직경 0.4mm까지의 드로다운 치수 제어와 함께 폴리머 임플란트/봉합사의 핫멜트 압출 모델링에 Rosand RH10을 사용했습니다.
그런 다음 DMA 303 Eplexor® 을 사용하여 기본 점탄성 특성(-130 및 -30°C에서의 전이)을 측정하고 압출물이 인체 내에서 노출될 수 있는 동적 생리학적 조건(심장 박동에 의한 변형)을 시뮬레이션했습니다.