Wprowadzenie
Kwas hialuronowy (HA) jest naturalnie występującym polisacharydem często stosowanym jako składnik funkcjonalny w wielu miejscowych i podskórnych zabiegach przeciwstarzeniowych, takich jak wypełniacze skórne, które wykorzystują unikalne właściwości lepkosprężyste polimeru do skutecznego powiększania tkanek miękkich. Po podaniu podskórnym HA buduje elastyczną sieć w zmarszczkach i rytmach, aby nadać skórze pulchniejszy i pełniejszy wygląd. Naturalnie występujący kwas hialuronowy ma okres półtrwania krótszy niż trzy dni, więc zwiększenie trwałości polimeru jest niezbędne do opracowania produktów o większej trwałości klinicznej i akceptowalnym okresie trwałości. Zwiększenie zarówno masy cząsteczkowej (MW), jak i stopnia usieciowania polimeru jest sprawdzoną strategią poprawy wytrzymałości mechanicznej i wydłużenia czasu degradacji. Jednak te cechy wpływają również na inne właściwości kwasu hialuronowego, takie jak lepkość i lepkosprężystość.
Aby skutecznie formułować HA, konieczne jest zrozumienie wpływu czynników takich jak masa cząsteczkowa, struktura molekularna, stężenie i stopień usieciowania na właściwości reologiczne, takie jak lepkosprężystość, które są bezpośrednio związane z aspektami wydajności produktu. Powiązanie cech strukturalnych z wydajnością produktu, poprzez właściwości reologiczne, wspiera inteligentne, szybkie i skuteczne formułowanie.
Poniższe badanie pokazuje, w jaki sposób można wykorzystać pomiary reologii i wielkości cząstek do scharakteryzowania właściwości fizycznych wypełniaczy skórnych HA.
Eksperymentalny
- Trzy komercyjne wypełniacze skórne HA oceniono za pomocą reometrii rotacyjnej i dyfrakcji laserowej w celu scharakteryzowania odpowiednio zachowania reologicznego i wielkości cząstek.
- Pomiary reometryczne wykonano przy użyciu reometru rotacyjnego Kinexus z wkładem z płytką Peltiera i przy użyciu systemu pomiarowego z płytką równoległą 40 mm. Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
- Zastosowano standardową sekwencję ładowania, aby zapewnić, że obie próbki podlegały spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania.
- Testy oscylacyjne obejmowały testy zmiennej amplitudy i zmiennej częstotliwości. W celu określenia liniowego obszaru lepkosprężystego (Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER) i odkształcenia krytycznego przeprowadzono testy przemiatania amplitudy z częstotliwością 1 Hz. Kolejne testy przemiatania częstotliwości przeprowadzono w zakresie od 0,1 do 10 Hz, stosując stałe odkształcenie w obszarze Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER.
- Wykonano pomiary ścinania w stanie ustalonym, aby sprawdzić zależność lepkości od szybkości ścinania (0,1 s-1 - 100 s-1), a także przeprowadzono test rampy naprężenia (0 Pa - 200 Pa w 100 s) w celu określenia granicy plastyczności wypełniaczy.
- Lepkość wypełniaczy oceniano za pomocą testów osiowych na reometrze, które obejmowały szybką zmianę szczeliny od 1 mm do 20 mm i rejestrowanie profilu siły normalnej. Przyczepność była skorelowana ze szczytową siłą normalną mierzoną w niutonach.
- Pomiary wielkości cząstek żelu w wypełniaczach skórnych wykonano przy użyciu urządzenia Malvern Mastersizer 3000. Wypełniacze zdyspergowano w roztworze soli fizjologicznej i określono medianę wielkości cząstek orazReakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład wielkości cząstek.
Wyniki i dyskusja
Badanie oscylacji
Krzywe modułu sprężystości w funkcji odkształcenia ścinającego pokazano na rysunku 2. Wszystkie próbki miały podobnej wielkości obszary Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER z krytycznym odkształceniem reprezentującym początek nieliniowości w obszarze 20%. Wartości modułu sprężystości zmierzone w obszarze Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER wykazały, że próbka A miała najniższą sztywność sprężystą z G' o wartości 150 Pa. Próbka C była najbardziej elastycznie sztywna z trzech próbek z wartością G' 320 Pa, a próbka B miała wartość pomiędzy nimi wynoszącą 220 Pa.
Krzywe modułu sprężystości i kąta fazowego w funkcji częstotliwości oscylacji pokazano na rysunku 3. Kąt fazowy dla wszystkich próbek w całym zakresie częstotliwości wynosi około 10 °, co sugeruje, że wszystkie próbki są wysoce elastycznymi żelami. Wartości G' dla próbek A, B i C przy 1 Hz wynoszą odpowiednio około 150Pa, 220Pa i 320Pa, co koreluje z danymi przemiatania amplitudy przy tej samej częstotliwości. Niewielkie nachylenie G' z częstotliwością sugeruje small ilość relaksacji strukturalnej, w której zmagazynowana energia sprężystości jest rozpraszana wraz ze wzrostem czasu (malejące częstotliwości), chociaż jest to stosunkowo minimalne.
Istnieje wiele czynników, które wpływają na właściwości lepkosprężyste wypełniaczy skórnych HA, w tym stężenie HA, masa cząsteczkowa i stopień usieciowania. Zmieniając te cechy, właściwości lepkosprężyste, zwłaszcza Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości G', można zaprojektować dla konkretnego zastosowania. Żele o wysokim G' zapewniają wyższą odporność na odkształcenia i powinny być bardziej skuteczne jako wypełniacze, ale mogą być trudniejsze do wstrzyknięcia i mogą powodować większy ból. Dlatego silne żele o wysokim G' mogą być bardziej odpowiednie do stosowania w przypadku głębszych lub poważniejszych zmarszczek. Z drugiej strony, słabsze żele o niskim G' mogą być lepsze w przypadku drobnych lub lekkich zmarszczek występujących w ustach lub dolinach łez, które są bardziej wrażliwe, ponieważ powodowałyby mniejszy ból podczas wstrzykiwania. Niższy moduł może również lepiej odpowiadać właściwościom lokalnej tkanki. Spośród trzech testowanych próbek HA można stwierdzić, że próbka A jest najsłabszym i najbardziej miękkim żelem, a próbka C jest najsztywniejszym i najmocniejszym żelem na podstawie wyników przedstawionych na rysunkach 2 i 3.
Badanie ścinania w stanie ustalonym i wyznaczanie granicy plastyczności
Wyniki pomiaru ścinania w stanie ustalonym - lepkość ścinania mierzona w funkcji szybkości ścinania pokazano na rysunku 4. Lepkość znacznie spada wraz ze wzrostem szybkości ścinania, co wskazuje, że materiały są bardzo rozrzedzane ścinaniem. Ponadto struktura wypełniaczy jest tak silna, że przy niskiej szybkości ścinania lepkość jest bardzo wysoka i nadal rośnie wraz ze spadkiem szybkości ścinania, co sugeruje granicę plastyczności lub zachowanie podobne do ciała stałego w spoczynku. Odpowiada to obserwacjom z testów oscylacyjnych, które wykazały wysoce elastyczną strukturę podobną do żelu. Granica plastyczności wskazuje, że materiał będzie zachowywał się jak ciało stałe poniżej naprężenia krytycznego, ale będzie płynął jak ciecz powyżej tego naprężenia krytycznego. Wielkość granicy plastyczności powinna być związana z wytrzymałością strukturalną, a tym samym stopniem usieciowania i koncentracji cząstek żelu, co powinno być odzwierciedlone w G'.
Granicę plastyczności można określić za pomocą wielu różnych testów, jednak rampa naprężeniowa jest jednym z najszybszych i najłatwiejszych sposobów oszacowania granicy plastyczności, w którym lepkość chwilowa (nie stan ustalony) jest mierzona w sposób ciągły wraz ze wzrostem naprężenia ścinającego. Dane rampy naprężenia dla trzech próbek HA pokazano na rysunku 5. Szczyt lepkości reprezentuje punkt plastyczności, a wartość naprężenia, przy której to następuje, jest granicą plastyczności. Próbka A ma najniższą granicę plastyczności (42 Pa), a próbka C najwyższą (55 Pa), przy czym próbka B jest nieco niższa niż C (53 Pa). Jest to ta sama kolejność zaobserwowana w testach oscylacyjnych, przy czym próbka C jest najsilniejsza, a próbka A najsłabsza z trzech żeli. Ponieważ żele te mają tendencję do istnienia jako zbiór kowalencyjnie usieciowanych cząstek żelu (w przeciwieństwie do ciągłej sieci żelowej), wówczas Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności jest związana z naprężeniem wymaganym do "odklejenia" cząstek i umożliwienia im poruszania się obok siebie.
Próba rozciągania
Profile siły normalnej w funkcji czasu w miarę zwiększania odstępu płyta-płyta pokazano na rysunku 6. Wartość siły normalnej jest ujemna, ponieważ próbka ciągnie w dół górną płytkę z powodu sił adhezyjnych/klejących i spada do zera w momencie uszkodzenia; siła resztkowa w długich czasach jest spowodowana ciężarem zatrzymanych próbek na górnej płytce. Szczytowa siła normalna dla próbek A, B i C wynosi odpowiednio 0,35 N, 0,46 N i 0,54 N, co ponownie koreluje z kolejnością pomiarów G' i naprężenia plastycznego dla trzech próbek. W związku z tym próbka C ma najwyższy stopień przyczepności lub spoistości, a próbka A najmniejszy.
Wielkość cząstek
Wielkość cząsteczek żelu musi być kontrolowana w celu zmniejszenia siły wyciskania i związanych z tym skutków ubocznych, takich jak ból i krwawienie podczas wstrzykiwania żeli. Dlatego żele muszą być zaprojektowane tak, aby przechodziły przez igły z odpowiednią szybkością i pożądaną siłą wytłaczania. Na rysunku 7Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład wielkości cząstek żeli przedstawiono jako skumulowany procent objętości. Mediana wielkości (Dv50) próbek A, B i C wynosi 480 μm, 425 μm i 203 μm. Silne żele o wysokich wartościach G' i granicy plastyczności muszą mieć rozmiar cząstek small, aby można je było łatwo wstrzykiwać przez igły. Próbka C ma rozmiar cząstek smallest, ponieważ ma najwyższą wartość G' w próbkach. Z drugiej strony próbka A ma largest rozmiar cząstek, ponieważ jest najsłabszym żelem w próbkach (można ją łatwo przepuścić przez igły). Wynikowy rozmiar będzie również związany ze stopniem usieciowania i masą cząsteczkową, ponieważ silnie usieciowane polimery związane z wyższymi wartościami G' będą gęstsze i bardziej zwarte.
Wnioski
Scharakteryzowano i porównano właściwości reologiczne i wielkość cząstek trzech komercyjnych wypełniaczy skórnych na bazie kwasu hialuronowego. Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. Moduł sprężystości G' określono na podstawie testów oscylacyjnych, a wartości te skorelowano ze sztywnością i wytrzymałością żelu (np. słabe lub mocne żele). Wykonano pomiary ścinania w stanie ustalonym w celu sprawdzenia zależności lepkości od szybkości ścinania i przeprowadzono testy rampy naprężenia w celu określenia siły wymaganej do rozbicia struktury żelu, tj. granicy plastyczności. Lepkość wypełniaczy została określona poprzez pomiar profilu siły normalnej, gdy szczelina płytka-płytka wzrastała i była skorelowana z danymi oscylacji i granicy plastyczności. Ponadto zmierzono rozmiar cząstek żeli, ponieważ rozmiar wpływa na wytłaczanie i stwierdzono, że koreluje on również z danymi reologicznymi.
Podsumowując, właściwości reologiczne i wielkość cząstek wypełniaczy skórnych na bazie kwasu hialuronowego są niezbędnymi parametrami do określenia wydajności (np. łatwość podawania, siła wytłaczania, wstrzykiwanie, odporność na odkształcenia, redukcja bólu) i zastosowania (np. drobne lub głębokie zmarszczki, kontur twarzy) tych produktów.