Inleiding
Hyaluronzuur (HA) is een natuurlijk polysaccharide dat vaak wordt gebruikt als functioneel ingrediënt in veel topische en subcutane antiverouderingsbehandelingen zoals dermale vullers, die de unieke visco-elastische eigenschappen van het polymeer benutten voor een effectieve vergroting van het zachte weefsel. Bij subcutane toediening bouwt HA een elastisch netwerk op binnen rimpels en rimpels om de huid er voller en voller uit te laten zien. Natuurlijk HA heeft een halfwaardetijd van minder dan drie dagen, dus het verhogen van de duurzaamheid van het polymeer is essentieel voor het ontwikkelen van producten met een grotere klinische persistentie en een acceptabele houdbaarheid. Het verhogen van zowel het moleculaire gewicht (MW) als de mate van crosslinking van het polymeer is een bewezen strategie voor het verbeteren van de mechanische sterkte en het verlengen van de afbraaktijd. Deze eigenschappen hebben echter ook invloed op andere eigenschappen van het HA, zoals viscositeit en visco-elasticiteit.
Voor een succesvolle formulering met HA is het essentieel om de invloed te begrijpen van factoren zoals moleculair gewicht, moleculaire structuur, concentratie en mate van crosslinking op reologische eigenschappen zoals visco-elasticiteit, die direct gekoppeld zijn aan aspecten van productprestaties. Het koppelen van structurele eigenschappen aan productprestaties, via reologische eigenschappen, ondersteunt een slimme, snelle en effectieve formulering.
Het volgende onderzoek laat zien hoe reologie en deeltjesgrootte metingen gebruikt kunnen worden om de fysische eigenschappen van HA huidvullers te karakteriseren.
Experimenteel
- Drie commerciële HA huidvullers werden geëvalueerd met behulp van rotationele reometrie en laserdiffractie voor karakterisering van respectievelijk reologisch gedrag en deeltjesgrootte.
- Rotatierheometermetingen werden uitgevoerd met een Kinexus rotatierheometer met een Peltier-plaatcartridge en een 40 mm parallel plaatmeetsysteem. Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
- Er werd een standaard beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat beide monsters onderworpen werden aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol.
- Oscillatietests omvatten tests met variabele amplitude en variabele frequentie. Er werden amplitudetests uitgevoerd met een frequentie van 1 Hz om het lineaire visco-elastische gebied (Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER) en de kritische rek te bepalen. Daaropvolgende frequentietests werden uitgevoerd tussen 0,1 - 10 Hz met een constante rek binnen de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER.
- Er werden steady state afschuifmetingen uitgevoerd om de viscositeitsafhankelijkheid van de afschuifsnelheid te controleren (0,1 s-1 - 100 s-1) en er werd ook een StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress ramp test (0 Pa - 200 Pa in 100 s) uitgevoerd om de OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning van de vulstoffen te bepalen.
- De KleverigheidKleverigheid beschrijft de interactie tussen 2 lagen identieke (autohesie) of verschillende (cohesie) materialen in termen van kleverigheid van het oppervlak.kleverigheid van de vulstoffen werd beoordeeld met behulp van axiale tests op de reometer waarbij de spleet snel werd veranderd van 1 mm tot 20 mm en het normaalkrachtprofiel werd geregistreerd. De KleverigheidKleverigheid beschrijft de interactie tussen 2 lagen identieke (autohesie) of verschillende (cohesie) materialen in termen van kleverigheid van het oppervlak.kleverigheid werd gecorreleerd met de piek van de normaalkracht gemeten in Newton.
- De deeltjesgrootte metingen van de geldeeltjes in de dermale vullers werden gedaan met een Malvern Mastersizer 3000. De vullers werden gedispergeerd in een zoutoplossing en de mediane deeltjesgrootte en de deeltjesgrootteverdeling werden bepaald.
Resultaten en discussie
Oscillatietest
De elasticiteitsmoduluscurven als functie van de afschuifspanning worden getoond in figuur 2. Alle monsters hadden Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER-gebieden van vergelijkbare grootte met een kritische rek die het begin van niet-lineariteit aangeeft in het gebied van 20%. Elastische moduluswaarden gemeten binnen de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER toonden aan dat monster A de laagste elastische stijfheid had met G' met een waarde van 150 Pa. Monster C was het meest elastisch stijf van de drie monsters met een G'-waarde van 320 Pa en monster B had een waarde tussen beide van 220 Pa.
De elasticiteitsmodulus en fasehoekcurves als functie van de oscillatiefrequentie worden getoond in figuur 3. De fasehoek voor alle monsters over het hele frequentiebereik is ongeveer 10°, wat suggereert dat alle monsters zeer elastische gels zijn. De waarden van G' voor de monsters A, B en C bij 1 Hz zijn respectievelijk ongeveer 150Pa, 220Pa en 320Pa, wat overeenkomt met de amplitudeveeggegevens bij dezelfde frequentie. De lichte helling in G' met de frequentie suggereert een small hoeveelheid structurele OntspanningWanneer een constante spanning wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de kracht die nodig is om die spanning te handhaven niet constant maar neemt deze af met de tijd; dit gedrag staat bekend als spanningsrelaxatie. Het proces dat verantwoordelijk is voor spanningsrelaxatie kan fysisch of chemisch zijn en onder normale omstandigheden zullen beide tegelijkertijd optreden. ontspanning waarbij opgeslagen elastische energie wordt afgevoerd met toenemende tijd (afnemende frequenties), hoewel dit relatief minimaal is.
Er zijn veel factoren die de visco-elastische eigenschappen van HA-dermale vullers beïnvloeden, waaronder de HA-concentratie, het moleculaire gewicht en de mate van crosslinking. Door deze eigenschappen te veranderen, kunnen de visco-elastische eigenschappen, vooral de elasticiteitsmodulus G', worden aangepast voor een specifieke toepassing. Gels met een hoge G' geven een hogere weerstand tegen vervorming en zouden effectiever moeten zijn als vulmateriaal, maar kunnen moeilijker te injecteren zijn en meer pijn veroorzaken. Daarom zijn sterke gels met een hoge G' mogelijk geschikter voor diepere of ernstigere rimpels. Aan de andere kant zijn zwakkere gels met een lage G' misschien beter voor fijne of lichte rimpels in lippen of traanbuizen, die gevoeliger zijn, omdat ze minder pijn zouden doen bij het injecteren. De lagere modulus kan ook beter overeenkomen met de eigenschappen van het lokale weefsel. Van de drie geteste HA-monsters kan gezegd worden dat monster A de zwakste en zachtste gel is en monster C de stijfste en sterkste gel, gebaseerd op de resultaten in afbeeldingen 2 en 3.
Testen op afschuiving in constante toestand en bepaling van de OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning
De resultaten van de afschuifmeting in stabiele toestand - afschuifviscositeit gemeten als functie van de afschuifsnelheid worden getoond in Figuur 4. De viscositeit neemt aanzienlijk af met toenemende afschuifsnelheid, wat aangeeft dat de materialen sterk afschuifverdunnen. Ook is de structuur van de vulstoffen zo sterk dat bij een lage afschuifsnelheid de viscositeit erg hoog is en blijft stijgen bij afnemende afschuifsnelheid, wat duidt op OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning of een vast gedrag in rust. Dit komt overeen met waarnemingen van oscillatietesten die een zeer elastische gelachtige structuur lieten zien. Een OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning geeft aan dat het materiaal zich onder de kritische spanning gedraagt als een vaste stof, maar boven de kritische spanning vloeit als een vloeistof. De grootte van de OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning moet gerelateerd zijn aan de structurele sterkte en dus de mate van verknoping en concentratie van de geldeeltjes, wat tot uitdrukking moet komen in G'.
De vloeispanning kan bepaald worden met een aantal verschillende testen, maar een StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress ramp is een van de snelste en eenvoudigste manieren om de vloeispanning te schatten, waarbij de momentane viscositeit (niet steady state) continu gemeten wordt bij toenemende schuifspanning. StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.Stress ramp-gegevens voor de drie HA-monsters worden getoond in afbeelding 5. De piek in viscositeit vertegenwoordigt het vloeipunt en de spanningswaarde waarbij dit optreedt is de vloeispanning. Monster A heeft de laagste vloeispanning (42 Pa) en monster C de hoogste (55 Pa) met monster B iets lager dan C (53 Pa). Dit is dezelfde volgorde als bij de oscillatietests, waarbij Monster C het sterkst is en Monster A het zwakst van de drie gels. Aangezien deze gels meestal bestaan als een verzameling covalent vernette geldeeltjes (in tegenstelling tot een doorlopend gelnetwerk), is de vloeispanning gerelateerd aan de spanning die nodig is om de deeltjes 'los te maken' en ze langs elkaar te laten bewegen.
Kleefkrachttest
De normaalkrachtprofielen als functie van de tijd naarmate de plaat-plaatafstand groter wordt, worden getoond in figuur 6. De waarde van de normaalkracht is negatief omdat het proefstuk naar beneden trekt aan de bovenste plaat als gevolg van lijm-/cohesiekrachten en neemt af naar nul bij bezwijken; de restkracht op lange tijden is te wijten aan het gewicht van de vastgehouden proefstukken op de bovenste plaat. De pieknormaalkracht voor monsters A, B en C is respectievelijk 0,35 N, 0,46 N en 0,54 N, wat weer overeenkomt met de volgorde van G' en de Yield StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress metingen voor de drie monsters. Monster C heeft dus de hoogste mate van kleefkracht of cohesie en monster A de minste.
Deeltjesgrootte
De deeltjesgrootte van de geldeeltjes moet onder controle worden gehouden om de extrusiekracht en de daarmee gepaard gaande bijwerkingen zoals pijn en bloedingen te verminderen wanneer de gels worden geïnjecteerd. Daarom moeten de gels zo gemaakt worden dat ze met de juiste snelheid en de gewenste extrusiekracht door de naalden gaan. In afbeelding 7 wordt de deeltjesgrootteverdeling van de gels weergegeven als cumulatief volumepercentage. De mediane grootte (Dv50) van monsters A, B en C is 480 μm, 425 μm en 203 μm. Sterke gels met hoge G'- en vloeispanningswaarden moeten worden gesorteerd op small deeltjes om gemakkelijk door de naalden te kunnen worden geïnjecteerd. Monster C heeft de kleinste deeltjesgrootte omdat het de hoogste G'-waarde van alle monsters heeft. Aan de andere kant heeft monster A de grootste deeltjesgrootte omdat het de zwakste gels in de monsters heeft (het kan gemakkelijk door de naalden worden gehaald). De resulterende grootte is ook gerelateerd aan de mate van vernetting en het molecuulgewicht, aangezien sterk vernette polymeren met hogere waarden van G' dichter en compacter zijn.
Conclusie
De reologische eigenschappen en de deeltjesgrootte van drie commerciële huidvullers op basis van HA werden gekarakteriseerd en vergeleken. De elasticiteitsmodulus G' werd bepaald op basis van oscillatietests en deze waarden werden gecorreleerd aan gelstijfheid en -sterkte (bijv. zwakke of sterke gels). Steady-state shear-metingen werden uitgevoerd om de viscositeitsafhankelijkheid van de shear rate te controleren en StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress ramp-tests werden uitgevoerd om de kracht te bepalen die nodig is om de gelstructuur af te breken, d.w.z. de vloeispanning. De KleverigheidKleverigheid beschrijft de interactie tussen 2 lagen identieke (autohesie) of verschillende (cohesie) materialen in termen van kleverigheid van het oppervlak.kleverigheid van de vulstoffen werd bepaald door het meten van het normale krachtprofiel wanneer de plaat-plaatspleet groter werd en gecorreleerd met oscillatie- en vloeispanningsgegevens. Verder werd de deeltjesgrootte van de gels gemeten omdat de grootte de extrusie beïnvloedt en deze bleek ook te correleren met reologische gegevens.
Concluderend zijn de reologische eigenschappen en de deeltjesgrootte van huidvullers op basis van HA essentiële parameters voor het bepalen van de prestaties (bijv. gemakkelijke toediening, extrusiekracht, injectie, weerstand tegen vervorming, pijnreductie) en de toepassing (bijv. fijne of diepe rimpels, gezichtscontouren) van deze producten.