23.02.2023 by Prof. Dr. Michael Gasik (Aalto University Helsinki, Finland)
DMA privind biomaterialele: Vederea invizibilului!
Un articol de Prof. Dr. Michael Gasik (Universitatea Aalto din Helsinki, Finlanda)
Multe tipuri de biomateriale sunt disponibile în prezent pentru a fi utilizate în diferite implanturi, în special în cazurile ortopedice și dentare. Sunt utilizate aliaje metalice, ceramice și compozite, cu sau fără celule vii. Există un domeniu de aplicare din ce în ce mai vast al diferitelor eșafodaje utilizate în aplicații de inginerie tisulară pentru a susține și promova formarea de noi țesuturi, iar multe dintre acestea sunt realizate prin (bio)imprimare 3D. Regenerarea biologică a țesuturilor este cunoscută ca fiind una dintre cele mai exigente provocări, necesitând structuri biomateriale cu proprietăți biomecanice corecte [1] care să imite comportamentul in vivo [2]. Biomaterialele adecvate ajută organismul să reconstruiască țesutul deteriorat și să reducă la minimum durerea asociată și timpul de vindecare [3].
Acest articol al Prof. Dr. Michael Gasik (Universitatea Aalto din Helsinki, Finlanda) prezintă o nouă aplicație a tehnicii de analiză dinamico-mecanică (DMA), denumită BEST(Biomaterials Enhanced Simulation Testing), utilizată pentru caracterizarea și îmbunătățirea biomaterialelor și a dispozitivelor medicale; această metodă depășește analizele viscoelastice clasice cunoscute.
Prof. Michael Gasik de la Universitatea Aalto din Finlanda (Departamentul de Inginerie Chimică și Metalurgică) a început să lucreze în domeniul aplicațiilor de analiză termică în 1985 și colaborează cu NETZSCH-Gerätebau GmbH de aproape aceeași perioadă.
Activitatea sa s-a axat pe materialele pentru aplicații la temperaturi ridicate și pentru tehnologia hidrogenului. Din 2000, a lucrat activ cu biomateriale, dispozitive medicale și aplicații pentru medicina regenerativă. În 2019, a fost numit ambasador al Societății Europene de Cercetare Ortopedică.
Prof. Michael Gasik este co-fondator al Seqvera Ltd. și inventator al metodei BEST - Biomaterials Enhanced Simulation Testing - care a fost implementată pentru prima dată în echipamentul NETZSCH DMA.
Un punct central al activităților de cercetare ale profesorului Michael Gasik este determinarea proprietăților mecanice ale biomaterialelor. În acest context, el utilizează datele DMA generate cu un NETZSCH DMA 242 Artemis ca bază pentru calcule suplimentare pentru caracterizarea acestor materiale. Citiți mai multe despre abordarea sa:
Provocări
Au fost deja efectuate numeroase studii și au fost colectate date clinice privind forma, designul și starea suprafeței biomaterialelor, precum și geometria implanturilor și adecvarea acestora la calitatea și localizarea diferitelor țesuturi. De asemenea, au fost raportate diferențe semnificative pentru materiale implantate care erau aparent identice, dar proveneau din surse diferite [4]. Caracterizarea biomecanică a țesuturilor osoase și moi este mai problematică decât în cazul materialelor metalice, ceramice și polimerice. Seturile de date publicate nu se bazează adesea pe protocoale și condiții de măsurare comparabile, ceea ce duce la o lipsă de coerență. Generalizarea acestor date este foarte dificilă sau aproape imposibilă atunci când vine vorba de furnizarea de informații simple, robuste și relevante.
Pentru caracterizarea biomecanică, se revine de obicei la presupunerea că un material este un tip de materie elastică sau viscoelastică pentru a aproxima proprietățile în numere individuale, denumite de obicei "modul elastic". Cu toate acestea, acest lucru se potrivește numai cu materialele elastice liniare pentru deformări foarte small, iar orientările NPL [5] enumeră nouă metode de calculare a modulului elastic care pot conduce la valori diferite. Marea majoritate a biomaterialelor și țesuturilor nu sunt în mod clar elastice, astfel încât este o simplificare excesivă semnificativă încercarea de a reduce în mod artificial datele la anumite numere fixe: Care ar fi, de exemplu, avantajul de a cunoaște "Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic al mucoasei" cuprins între 0,1 și 680 MPa de către diferite surse?
Din păcate, problemele legate de efectele inerției (frecvențe înalte) sau de limitele instrumentelor (frecvențe joase) nu sunt întotdeauna suficient documentate în protocoalele de testare publicate. Chiar dacă inerția instrumentului este eliminată, proba în sine va avea întotdeauna o inerție finită, care poate produce artefacte de difuzie a momentului, unde vâscoelastice și fluxuri secundare - toate acestea putând încălca ipoteza unei deformări omogene și liniare [6]. Modelele mai sofisticate au un număr substanțial de parametri artificiali de ajustare și există mari dificultăți experimentale în efectuarea acestor teste în cadrul standardelor, protocoalelor și metodelor de testare ad hoc existente [7].
Pentru procese precum bioimprimarea 3D, există mai multe provocări care trebuie depășite, cum ar fi controlul proprietăților biofundurilor, gestionarea fluxului și a efectului acestuia asupra viabilității celulelor și asigurarea proprietăților biofizice optime ale construcțiilor după imprimare și la implantare [8]. Sunt necesare o rezoluție și o viteză mai mari cu control în micromediul 3D și trebuie obținută o combinație optimă de proprietăți mecanice și de transport la scară spațială și temporală; acestea sunt necesare în special pentru vascularizarea limitată de difuzie. Noile reglementări privind dispozitivele medicale (2017/745) impun efectuarea unei evaluări mecanice adecvate, ceea ce duce la respectarea reglementărilor privind evaluarea tehnologiilor medicale (2021/2282).
Din păcate, multe metode diferite de testare biofizică dau rezultate destul de diferite și nu este ușor să se obțină proprietăți realiste, adevărate. Există multe motive pentru diferențe - contact inegal, stare de fază, inerție și efecte de instabilitate elastică, ajustarea cu modele asumate în mod necorespunzător, limitarea definirii deformațiilor, lipsa unei evaluări adecvate a istoricului de încărcare etc. Prin urmare, este foarte important să existe o abordare robustă care să poată cuantifica atât comportamentul unui biomaterial, cât și performanța acestuia în cadrul procesului, mai degrabă decât să genereze doar niște cifre specifice.
Conceptul BEST
Pentru a face față acestor provocări, am dezvoltat metoda brevetată BEST(Biomaterials Enhanced Simulation Testing). Aceasta poate fi aplicată pentru multe biomateriale dure și moi, inclusiv hidrogeluri, construcții imprimate 3D și administrarea controlată de medicamente. Soluțiile BEST vizează problemele cauzate în special de testarea necorespunzătoare și fragmentată și sunt stabilite pe baza unei abordări integrate bazate pe un principiu fundamental de cauzalitate: "Nu a existat niciun răspuns din partea specimenului înainte de aplicarea stimulului"
BEST se efectuează în condiții controlate cu stimuli coerenți necesari în mediul DMA. Acesta evaluează modificările proprietăților specimenului în domeniul timpului, al fazei și al stimulului [9]. În postprocesare, BEST integrează datele, conturează istoricul specimenului și extrage valorile necunoscute, toate acestea fără a solicita utilizatorului să select modelul materialului (analiza datelor este în esență fără model). Parametrii invarianți obținuți cu un algoritm proprietar de regresie cuantică încorporează istoricul specimenului, indicând poziția și direcția de dezvoltare a unui biomaterial [10].
Caracteristica cheie BEST este prelucrarea invariantă a datelor DMA, care de obicei rămâne neexplorată de către utilizator. Această nouă metodă depășește limitările comune ale liniarității proprietăților țesuturilor în multe modele, și anume o proprietate de scalare (omogenitate) și o proprietate de suprapunere (aditivitate), care nu sunt în general valabile pentru transformarea Fourier utilizată în viscoelasticitatea liniară.
Prin urmare, BEST aplică un protocol de testare corect și utilizează metode idempotente pentru a extrage parametrii dintr-un singur specimen/testare, rezultând date de ieșire ridicate fără utilizarea unor calcule complexe (nu este nevoie de module complexe) sau de presupunerea liniarității, și este capabil să reproceseze și alte date reologice astfel încât să nu își piardă valoarea.
Exemplu de aplicare DMA
În exemplul prezentat aici, metoda descrisă mai sus a fost implementată pe baza măsurătorilor efectuate cu un NETZSCH DMA 242 Artemis® pentru a caracteriza proprietățile hidrogelului acrilic pentru bioimprimare 3D fără a utiliza un model presupus. Gelul a fost plasat într-o seringă de 1 ml cu un ac de 29G și așezat în suportul personalizat pentru probe DMA, care este utilizat de obicei pentru îndoire; a fost testat în modul de fluaj pas cu pas la 25 ° C.
Figura 1 prezintă datele experimentale pentru cantitatea de gel extrudată (µL) prin intermediul unei duze cu ac definit, normalizată în funcție de presiunea locală aplicată (kPa). Aceste date relevă în mod clar neliniaritatea cineticii fluxului în funcție de timp și de presiunea aplicată și nu există o modalitate directă de a select orice model de material pentru a descrie aceste dependențe.
Din aceste date, metoda BEST a extras valori invariante în timp pentru rigiditatea vâscoasă a gelului în aceste condiții de injecție, precum și valoarea sa de memorie [9,10] (fig. 2). Aici, curbele sunt aproape liniare, iar pantele liniilor sunt aproape constante pentru toate presiunile aplicate (numere în kPa). Aceasta înseamnă că gelul, deși prezintă un comportament newtonian, este liniar în ceea ce privește valorile invariante fără model. De asemenea, se poate observa că valorile numerice se modifică în funcție de presiunea aplicată într-un mod non-monoton, ceea ce arată că ar putea exista diferite fenomene limitative care afectează curgerea. Pentru a vedea efectul dezvoltării fluxului, graficul valorilor memoriei în funcție de presiunea aplicată este prezentat în fig. 3. Această hartă arată că gelul din seringă se confruntă cu fricțiune, rezistență la curgere și, posibil, cu efecte de nealunecare la presiuni scăzute, când valorile memoriei sunt mult mai mici decât unitatea. După aproximativ 65 kPa - debutul - aceste valori cresc, semnalând că gelul atinge o curgere mai dezvoltată.
Metoda prezentată poate determina valori invariante și le poate utiliza în predicția fără model a proceselor de bioimprimare 3D, în funcție de duză, geometrie, presiune, timp și alte condiții de proces, fără a fi necesară determinarea separată a parametrilor reologici ai cernelii. Metoda BEST generează date "de primă mână" pentru modelarea predictivă ulterioară a procesului de imprimare 3D și aplică aceeași filosofie pentru caracterizarea țesuturilor și construcțiilor imprimate 3D.
REZUMAT
Abordarea dezvoltată demonstrează capacitatea de a "vedea caracteristicile invizibile" ale materialelor și interacțiunile acestora cu stimulii și mediul. În acest fel, analiza dinamico-mecanică (DMA) poate furniza mult mai multe informații decât modulele elastice și tangenta de pierdere. Utilizând procesarea BEST, se pot obține multe citiri în diverse scopuri (în unele cazuri, chiar de la o singură probă sau test). De exemplu, este posibil să se obțină modulul de agregare; timpul caracteristic Deborah; complianța creeping; difuzivitatea și permeabilitatea/permittivitatea efectivă a fluidului; dimensiunea canalului echivalent pentru fluxul fluidului în dinamică; valoarea memoriei materialului; presiunea de umflare; și multe altele în cadrul unui singur experiment. Și acest lucru nu se limitează doar la biomateriale, deoarece aplicația BEST nu conține modele și nu necesită parametri de ajustare; în plus, aceasta poate fi aplicată și datelor de testare deja create.
Literatura de specialitate:
[1] Hubbell J.A. Nature Biotechnol. 13 (1995) 565-576.
[2] Gasik M. Sci. Techn. Adv. Mater. 18 (2017) 550-562.
[3] Chung C., Burdick J.A. Adv. Drug Delivery Rev. 60 (2008) 243-262.
[4] Gasik M., Lambert F., Bacevic M., Materiale 14 (2021) 2845.
[5] Lord J.D., Morrell R. Measurement Good Practice Guide No. 98; NPL Teddington, UK (2006)
[6] Ewoldt R.H., Johnston M.T., Caretta L.M. În: Fluide complexe în sistemele biologice; Springer, Germania (2015).
[7] Vrana N.E., Knopf-Marques H., Barthes J. (Eds.) Biomateriale pentru regenerarea organelor și țesuturilor; Woodhead Publ. UK (2020).
[8] Jammalamadaka U., Tappa K. J. Funct. Biomater. 9 (2018) 22
[9] Gasik M., Bilotsky Y. Brevet US 10379106 B2 (2019).
[10] Gasik M.Brevet US 10809171 B2 (2020).
Contact:
Prof. Dr. Michael Gasik, Dr. Sci.
Terkko Health Hub, Building 14
Helsinki University Central Hospital Area
Haartmaninkatu 4, FIN-00290 Helsinki
www.seqvera.com
Multe mulțumiri Prof. Dr. Michael Gasik pentru acest articol și pentru informațiile privind activitatea sa de cercetare.
