Introducere
Acidul hialuronic (HA) este o polizaharidă naturală utilizată frecvent ca ingredient funcțional în multe tratamente antiîmbătrânire topice și subcutanate, cum ar fi plombele dermice, care exploatează proprietățile viscoelastice unice ale polimerului pentru creșterea eficientă a țesuturilor moi. Atunci când este administrată subcutanat, HA construiește o rețea elastică în interiorul ridurilor și ritidelor pentru a conferi pielii un aspect mai plin și mai plin. HA naturală are un timp de înjumătățire de mai puțin de trei zile, astfel încât creșterea durabilității polimerului este esențială pentru dezvoltarea de produse cu o persistență clinică mai mare și un termen de valabilitate acceptabil. Creșterea atât a greutății moleculare (MW), cât și a gradului de reticulare a polimerului este o strategie dovedită pentru îmbunătățirea rezistenței mecanice și prelungirea timpului de degradare. Cu toate acestea, aceste caracteristici influențează și alte proprietăți ale HA, cum ar fi vâscozitatea și viscoelasticitatea.
Pentru a formula cu succes HA, este esențial să se înțeleagă impactul unor factori precum greutatea moleculară, structura moleculară, concentrația și gradul de reticulare asupra caracteristicilor reologice, cum ar fi vâscoelasticitatea, care sunt direct legate de aspecte ale performanței produsului. Corelarea caracteristicilor structurale cu performanța produsului, prin intermediul proprietăților reologice, sprijină formularea inteligentă, rapidă și eficientă.
Următorul studiu arată modul în care reologia și măsurarea dimensiunii particulelor pot fi utilizate pentru a caracteriza proprietățile fizice ale umpluturilor dermice cu HA.
Experimental
- Trei materiale de umplutură dermică HA comerciale au fost evaluate utilizând reometria rotațională și difracția laser pentru caracterizarea comportamentului reologic și, respectiv, a dimensiunii particulelor.
- Măsurătorile reometrice rotaționale au fost efectuate utilizând un reometru rotațional Kinexus cu un cartuș cu plăci Peltier și utilizând un sistem de măsurare cu plăci paralele de 40 mm. Toate măsurătorile reologice au fost efectuate la 25°C.
- A fost utilizată o secvență standard de încărcare pentru a se asigura că ambele probe au fost supuse unui protocol de încărcare consecvent și controlabil.
- Testele de oscilație au inclus teste cu amplitudine variabilă și frecvență variabilă. S-au efectuat teste de baleiaj de amplitudine la o frecvență de 1 Hz pentru a determina Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.regiunea vâscoelastică liniară (LVER) și deformația critică. S-au efectuat încercări ulterioare de baleiere a frecvenței între 0,1 - 10 Hz folosind o deformare constantă în cadrul Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER.
- S-au efectuat măsurători de forfecare în stare stabilă pentru a verifica dependența vâscozității de viteza de forfecare (0,1 s-1 - 100 s-1) și s-a efectuat, de asemenea, un test cu rampă de tensiune (0 Pa - 200 Pa în 100 s) pentru a determina tensiunea de curgere a materialelor de umplutură.
- Aderența materialelor de umplutură a fost evaluată cu ajutorul unui test axial pe reometru, care a implicat schimbarea rapidă a spațiului de la 1 mm la 20 mm și înregistrarea profilului forței normale. Aderența a fost corelată cu forța normală maximă măsurată în newtoni.
- Măsurătorile granulometrice ale particulelor de gel din umpluturile dermice au fost efectuate cu ajutorul unui Malvern Mastersizer 3000. Umpluturile au fost dispersate în soluție salină, iar dimensiunea mediană a particulelor și distribuția dimensiunii particulelor au fost determinate.
Rezultate și discuții
Încercarea de oscilație
Curbele modulului de elasticitate în funcție de deformația de forfecare sunt prezentate în figura 2. Toate probele au avut regiuni Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER de dimensiuni similare, cu o deformație critică reprezentând debutul neliniarității în regiunea de 20%. Valorile modulului elastic măsurate în cadrul Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER au arătat că proba A a avut cea mai mică rigiditate elastică, G' având o valoare de 150 Pa. Proba C a fost cea mai rigidă din punct de vedere elastic dintre cele trei probe, cu o valoare G' de 320 Pa, proba B având o valoare între cele două de 220 Pa.
Curbele modulului elastic și unghiului de fază în funcție de frecvența de oscilație sunt prezentate în figura 3. Unghiul de fază pentru toate probele pe întreaga gamă de frecvențe este de aproximativ 10°, ceea ce sugerează că toate probele sunt geluri foarte elastice. Valorile lui G' pentru probele A, B și C la 1 Hz sunt de aproximativ 150Pa, 220Pa și, respectiv, 320Pa, care se corelează cu datele de baleiere a amplitudinii la aceeași frecvență. Ușoara pantă a lui G' cu frecvența sugerează o cantitate small de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare structurală în care energia elastică stocată este disipată odată cu creșterea timpului (scăderea frecvenței), deși aceasta este relativ minimă.
Există mulți factori care afectează proprietățile viscoelastice ale umpluturilor dermice cu HA, inclusiv concentrația de HA, greutatea moleculară și gradul de reticulare. Prin modificarea acestor caracteristici, proprietățile viscoelastice, în special modulul de elasticitate G', pot fi proiectate pentru o aplicație specifică. Gelurile cu G' ridicat oferă o rezistență mai mare la deformare și ar trebui să fie mai eficiente ca materiale de umplutură, dar ar putea fi mai greu de injectat și ar putea provoca mai multă durere. Prin urmare, gelurile puternice cu G' ridicat pot fi mai potrivite pentru a fi utilizate pentru ridurile mai adânci sau mai grave. Pe de altă parte, gelurile mai slabe cu G' scăzut pot fi mai potrivite pentru ridurile fine sau ușoare de pe buze sau din zona lacrimală, care sunt mai sensibile, deoarece ar provoca mai puțină durere la injectare. De asemenea, modulul mai scăzut poate corespunde mai bine proprietăților țesutului local. Dintre cele trei probe de HA testate, se poate spune că proba A este cel mai slab și mai moale gel, iar proba C este cel mai rigid și mai puternic gel, pe baza rezultatelor prezentate în figurile 2 și 3.
Testarea la forfecare în regim stabil și determinarea tensiunii de randament
Rezultatele măsurării la forfecare în regim stabil - vâscozitatea de forfecare măsurată în funcție de viteza de forfecare sunt prezentate în figura 4. Vâscozitatea scade semnificativ odată cu creșterea vitezei de forfecare, ceea ce indică faptul că materialele sunt foarte subțiri la forfecare. De asemenea, structura materialelor de umplutură este atât de puternică încât, la o rată de forfecare scăzută, vâscozitatea este foarte mare și continuă să crească odată cu scăderea ratei de forfecare, ceea ce sugerează o Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere sau un comportament asemănător solidului în repaus. Acest lucru corespunde observațiilor din testele de oscilație care au arătat o structură foarte elastică de tip gel. O Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere indică faptul că materialul se va comporta ca un solid sub tensiunea critică, dar va curge ca un lichid peste această tensiune critică. Magnitudinea tensiunii de curgere ar trebui să fie legată de rezistența structurală și, prin urmare, de gradul de reticulare și concentrație a particulelor de gel, care ar trebui să se reflecte în G'.
Tensiunea de curgere poate fi determinată folosind o serie de teste diferite, însă o rampă de tensiune este una dintre cele mai rapide și mai simple modalități de estimare a tensiunii de curgere, în care vâscozitatea instantanee (nu starea de echilibru) este măsurată în mod continuu cu creșterea tensiunii de forfecare. Datele rampei de tensiune pentru cele trei probe de HA sunt prezentate în figura 5. Vâscozitatea maximă reprezintă punctul de cedare, iar valoarea tensiunii la care se produce acest lucru este Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiunea de cedare. Proba A are cea mai mică Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere (42 Pa) și proba C cea mai mare (55 Pa), proba B fiind puțin mai mică decât C (53 Pa). Aceasta este aceeași ordine observată în testele de oscilație, proba C fiind cea mai puternică și proba A cea mai slabă din cele trei geluri. Deoarece aceste geluri tind să existe ca o colecție de particule de gel reticulate covalent (spre deosebire de o rețea continuă de gel), atunci tensiunea de curgere este asociată cu tensiunea necesară pentru a "desface" particulele și a le permite să se deplaseze unele pe lângă altele.
Încercarea de rezistență
În figura 6 sunt prezentate profilurile forței normale în funcție de timp pe măsură ce se mărește distanța dintre placă și placă. Valoarea forței normale este negativă deoarece proba trage în jos de placa superioară datorită forțelor adezive/coezive și scade spre zero în momentul cedării; forța reziduală pe perioade lungi se datorează greutății probelor reținute pe placa superioară. Forța normală maximă pentru probele A, B și C este de 0,35 N, 0,46 N și, respectiv, 0,54 N, care, din nou, se corelează cu ordinea măsurătorilor G' și ale tensiunii de cedare pentru cele trei probe. Prin urmare, proba C are cel mai înalt grad de aderență sau coeziune, iar proba A cel mai scăzut.
Dimensiunea particulelor
Dimensiunea particulelor de gel trebuie controlată pentru a reduce forța de extrudare și efectele secundare asociate, cum ar fi durerea și sângerarea, atunci când gelurile sunt injectate. Prin urmare, gelurile trebuie să fie proiectate astfel încât să treacă prin ace la o viteză adecvată, cu forța de extrudare dorită. În figura 7, distribuția granulometrică a gelurilor este prezentată ca procent de volum cumulativ. Dimensiunea mediană (Dv50) a probelor A, B și C este de 480 μm, 425 μm și 203 μm. Gelurile puternice cu valori G' și ale tensiunii de curgere ridicate trebuie să fie dimensionate la small particule pentru a fi ușor injectate prin ace. Proba C are cea mai mică dimensiune a particulelor deoarece are cea mai mare valoare G' din probe. Pe de altă parte, proba A are cea mai mare dimensiune a particulelor deoarece este cel mai slab gel din probe (poate fi trecut cu ușurință prin ace). Dimensiunea rezultată va fi, de asemenea, legată de gradul de reticulare și de greutatea moleculară, deoarece polimerii foarte reticulați asociați cu valori mai mari ale G' vor fi mai densi și mai compacți.
Concluzie
Au fost caracterizate și comparate proprietățile reologice și dimensiunea particulelor a trei umpluturi dermice comerciale pe bază de HA. Modulul elastic G' a fost determinat prin teste de oscilație, iar aceste valori au fost corelate cu rigiditatea și rezistența gelului (de exemplu, geluri slabe sau geluri puternice). S-au efectuat măsurători de forfecare în stare stabilă pentru a verifica dependența vâscozității de viteza de forfecare și s-au efectuat teste în rampă pentru a determina forța necesară pentru ruperea structurii gelului, adică tensiunea de curgere. Aderența materialelor de umplutură a fost determinată prin măsurarea profilului forței normale atunci când distanța dintre placă și placă creștea și a fost corelată cu oscilația și cu datele privind tensiunea de curgere. În plus, dimensiunea particulelor de gel a fost măsurată deoarece dimensiunea afectează extrudarea și s-a constatat că aceasta se corelează și cu datele reologice.
În concluzie, proprietățile reologice și dimensiunea particulelor umpluturilor dermice pe bază de HA sunt parametri esențiali pentru a determina performanța (de exemplu, livrarea ușoară, forța de extrudare, injectarea, rezistența la deformare, reducerea durerii) și aplicarea (de exemplu, riduri fine sau adânci, con- turul facial) acestor produse.