| Published: 

피부 필러 적용을 위한 히알루론산 하이드로겔의 유변학적 특성 평가

소개

히알루론산(HA)은 피부 필러와 같은 많은 국소 및 피하 노화 방지 치료의 기능성 성분으로 자주 사용되는 자연 발생 다당류로, 폴리머의 독특한 점탄성 특성을 활용하여 효과적인 연조직 확대에 활용됩니다. 피하 투여 시 HA는 주름과 주름 사이에 탄력 네트워크를 형성하여 피부를 더 탱탱하고 풍성하게 보이게 합니다. 자연적으로 발생하는 HA는 반감기가 3일 미만이므로 폴리머의 내구성을 높이는 것은 임상적 지속성과 허용 가능한 유통 기한을 가진 제품을 개발하는 데 필수적입니다. 폴리머의 분자량(MW)과 가교 정도를 모두 증가시키는 것은 기계적 강도를 개선하고 분해 시간을 연장하기 위한 입증된 전략입니다. 그러나 이러한 특성은 점도 및 점탄성과 같은 HA의 다른 특성에도 영향을 미칩니다.

HA를 성공적으로 배합하려면 분자량, 분자 구조, 농도 및 가교 정도와 같은 요인이 점탄성과 같은 유변학적 특성에 미치는 영향을 이해하는 것이 필수적이며, 이는 제품 성능의 측면과 직접적으로 연결됩니다. 유변학적 특성을 통해 구조적 특성을 제품 성능과 연결하면 스마트하고 빠르고 효과적인 포뮬레이션을 지원합니다.

다음 연구에서는 유변학 및 입자 크기 측정을 사용하여 HA 피부 필러의 물리적 특성을 특성화하는 방법을 보여줍니다.

1) 주사기의 HA 피부 필러

실험적

결과 및 토론

진동 테스트

전단 변형률의 함수로서의 탄성 계수 곡선은 그림 2에 나와 있습니다. 모든 샘플은 비슷한 크기의 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER 영역을 가졌으며 20% 영역에서 비선형성이 시작되는 임계 변형률을 나타냈습니다. 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER 내에서 측정된 탄성 계수 값은 샘플 A의 탄성 강성이 가장 낮았으며 G' 값은 150 Pa였습니다. 샘플 C는 G' 값이 320 Pa로 세 샘플 중 탄성 강성이 가장 높았고, 샘플 B는 220 Pa로 두 샘플의 중간 값이었습니다.

진동 주파수의 함수로서의 탄성 계수 및 위상각 곡선은 그림 3에 나와 있습니다. 전체 주파수 범위에 걸쳐 모든 샘플의 위상각은 약 10°로 모든 샘플이 고탄성 젤임을 나타냅니다. 1Hz에서 샘플 A, B, C의 G' 값은 각각 약 150Pa, 220Pa, 320Pa이며, 이는 동일한 주파수에서 진폭 스윕 데이터와 상관관계가 있습니다. 주파수에 따른 G'의 약간의 기울기는 상대적으로 미미하지만 시간이 증가(주파수 감소)함에 따라 저장된 탄성 에너지가 소멸되는 small 정도의 구조적 이완을 시사합니다.

HA 필러의 점탄성 특성에 영향을 미치는 요인에는 HA 농도, 분자량, 가교 정도 등 여러 가지가 있습니다. 이러한 특성을 변경함으로써 점탄성 특성, 특히 탄성 계수 G'를 특정 용도에 맞게 설계할 수 있습니다. G'가 높은 젤은 변형에 대한 저항력이 높아 필러로서 더 효과적일 수 있지만 주입이 더 어렵고 통증을 더 많이 유발할 수 있습니다. 따라서 G'가 높은 강한 젤은 더 깊거나 심각한 주름에 사용하기에 더 적합할 수 있습니다. 반면에 G'가 낮은 약한 젤은 주사 시 통증을 덜 유발하기 때문에 더 민감한 입술이나 눈물고랑에 있는 잔주름이나 가벼운 주름에 더 적합할 수 있습니다. 또한 낮은 계수는 국소 조직의 특성에 더 잘 맞을 수 있습니다. 그림 2와 3에 제시된 결과에 따르면 테스트한 세 가지 HA 샘플 중 샘플 A가 가장 약하고 부드러운 젤이고 샘플 C가 가장 단단하고 강한 젤이라고 할 수 있습니다.

2) 전단 변형률의 함수로서 탄성 계수(G')를 보여주는 진폭 스윕 데이터
3) 주파수의 함수로서 탄성 계수(G')와 위상각(δ)을 보여주는 주파수 스윕 데이터

정상 전단 테스트 및 항복 응력 결정

정상 상태 전단 측정 결과 - 전단 속도의 함수로 측정된 전단 점도는 그림 4에 나와 있습니다. 전단 속도가 증가함에 따라 점도가 크게 감소하여 재료가 매우 전단 얇아짐을 나타냅니다. 또한 필러의 구조가 매우 강해서 낮은 전단 속도에서는 점도가 매우 높고 전단 속도가 감소함에 따라 점도가 계속 상승하여 항복 응력 또는 정지 상태에서의 고체와 같은 거동을 시사합니다. 이는 매우 탄력적인 젤과 같은 구조를 보여주는 진동 테스트의 관찰 결과와 일치합니다. 항복 응력은 재료가 임계 응력 아래에서는 고체처럼 행동하지만 이 임계 응력 위에서는 액체처럼 흐른다는 것을 나타냅니다. 항복 응력의 크기는 구조적 강도, 따라서 겔 입자의 가교 정도 및 농도와 관련이 있어야 하며, 이는 G'에 반영되어야 합니다.

항복 응력은 여러 가지 테스트를 사용하여 결정할 수 있지만, 응력 램프는 전단 응력이 증가함에 따라 순간 점도(정상 상태가 아님)를 연속적으로 측정하는 가장 빠르고 쉬운 방법 중 하나로 항복 응력을 추정할 수 있습니다. 세 가지 HA 샘플에 대한 응력 램프 데이터는 그림 5에 나와 있습니다. 점도의 피크는 항복점을 나타내며, 이 지점에서 발생하는 응력 값이 항복 응력입니다. 샘플 A의 항복 응력이 가장 낮고(42 Pa), 샘플 C가 가장 높으며(55 Pa), 샘플 B는 C보다 약간 낮습니다(53 Pa). 이는 진동 테스트에서 관찰된 것과 동일한 순서로, 세 젤 중 샘플 C가 가장 강하고 샘플 A가 가장 약합니다. 이러한 젤은 연속적인 젤 네트워크가 아닌 공유 결합된 젤 입자의 집합으로 존재하는 경향이 있으므로 항복 응력은 입자가 서로 '걸림'을 풀고 지나가도록 하는 데 필요한 응력과 관련이 있습니다.

4) 전단 속도의 함수로서 정상 상태 전단 점도(η)를 나타내는 흐름 곡선
5) 전단 응력의 함수로서 순간 전단 점성(η)을 보여주는 응력 램프 데이터

점착력 테스트

플레이트-플레이트 간격이 증가함에 따라 시간에 따른 정상 힘 프로파일은 그림 6에 나와 있습니다. 정상 힘 값은 접착력/응집력으로 인해 샘플이 상판에서 아래로 당겨지고 실패 시 0을 향해 감소하기 때문에 음수이며, 장시간의 잔류 힘은 상판에 남아 있는 샘플의 무게로 인해 발생합니다. 샘플 A, B, C의 최대 정상 힘은 각각 0.35N, 0.46N, 0.54N이며, 이는 다시 세 샘플의 G' 및 항복 응력 측정값 순서와 상관관계가 있습니다. 따라서 샘플 C의 점착력 또는 응집력이 가장 높고 샘플 A가 가장 낮습니다.

입자 크기

젤을 주입할 때 압출력과 통증 및 출혈과 같은 부작용을 줄이려면 젤 입자의 입자 크기를 제어해야 합니다. 따라서 젤이 원하는 압출력으로 적절한 속도로 바늘을 통과하도록 설계해야 합니다. 그림 7에는 젤의 입자 크기 분포가 누적 부피 백분율로 표시되어 있습니다. 샘플 A, B, C의 중간 크기(Dv50)는 480μm, 425μm, 203μm입니다. G' 및 항복 응력 값이 높은 강한 젤은 바늘을 통해 쉽게 주입할 수 있도록 입자 크기를 small 정도로 만들어야 합니다. 샘플 C는 샘플에서 가장 높은 G' 값을 가지고 있기 때문에 입자 크기가 가장 작습니다. 반면에 샘플 A는 샘플에서 가장 약한 젤이기 때문에 입자 크기가 가장 큽니다(바늘을 쉽게 통과할 수 있음). 결과 크기는 가교 정도 및 분자량과도 관련이 있는데, G' 값이 높은 고도로 가교된 폴리머는 더 조밀하고 콤팩트하기 때문입니다.

6) 풀 어웨이 테스트 중 시간의 함수로서 정상적인 힘 프로파일을 보여주는 태크 테스트 데이터
7) 필러 내 젤 입자의 입자 크기 분포(누적 부피)

결론

세 가지 상용 HA 기반 피부 필러의 유변학적 특성과 입자 크기를 특성화하여 비교했습니다. 탄성 계수 G'는 진동 테스트를 통해 결정되었으며, 이 값은 젤 강성 및 강도(예: 약한 젤 또는 강한 젤)와 상관관계가 있었습니다. 정상 상태 전단 측정을 통해 전단 속도에 대한 점도 의존성을 확인하고 응력 램프 테스트를 수행하여 겔 구조를 분해하는 데 필요한 힘, 즉 항복 응력을 결정했습니다. 필러의 점착성은 판-판 간격이 증가했을 때의 정상 힘 프로파일을 측정하고 진동 및 항복 응력 데이터와 상관관계를 측정하여 결정했습니다. 또한 겔의 입자 크기가 압출에 영향을 미치기 때문에 겔의 입자 크기를 측정했으며, 이는 유변학적 데이터와도 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다.

결론적으로, HA 기반 필러의 유변학적 특성과 입자 크기는 제품의 성능(예: 전달 용이성, 압출력, 주입, 변형 저항성, 통증 감소) 및 용도(예: 잔주름 또는 깊은 주름, 안면 안면 성형)를 결정하는 데 필수적인 파라미터입니다.

Literature

  1. [1]
    S. 산토로, L. 루소, V. 아르겐치오, A. 보르자키엘로, J Appl Biomater Biomech, 9권 2호, 127-136쪽(2011)
  2. [2]
    J. Kablik, G. D. Monheit, L. Yu, G. Chang, J. Gershkovich, 피부과 수술, 35, 302-312 (2009)
  3. [3]
    M. 로마뇰리, M. 벨몬테시, 피부과 클리닉, 26, 123-159 (2008)
  4. [4]
    웨비나 - "미용의 과학 - 안티에이징 크림의 분자, 히알루론산 특성 분석" Malvern Instruments
  5. [5]
    백서 - 수율 스트레스 측정의 이해, NETZSCH