Введение
Гиалуроновая кислота (ГК) - это полисахарид природного происхождения, часто используемый в качестве функционального ингредиента во многих топических и подкожных антивозрастных процедурах, таких как дермальные филлеры, которые используют уникальные вязкоупругие свойства полимера для эффективного увеличения мягких тканей. При подкожном введении HA создает эластичную сеть внутри морщин и ритидов, придавая коже более пухлый и наполненный вид. Природный HA имеет период полураспада менее трех дней, поэтому увеличение прочности полимера имеет большое значение для разработки продуктов с большей клинической стойкостью и приемлемым сроком хранения. Увеличение молекулярной массы (MW) и степени сшивки полимера является проверенной стратегией для повышения механической прочности и увеличения времени деградации. Однако эти характеристики влияют и на другие свойства НА, такие как вязкость и вязкоупругость.
Для успешного создания рецептур с использованием НА необходимо понимать влияние таких факторов, как молекулярная масса, молекулярная структура, концентрация и степень сшивания на реологические характеристики, такие как вязкоупругость, которые напрямую связаны с эксплуатационными характеристиками продукта. Связь структурных характеристик с характеристиками продукта через реологические свойства способствует продуманному, быстрому и эффективному составлению рецептур.
Следующее исследование показывает, как реология и измерение размера частиц могут быть использованы для характеристики физических свойств дермальных наполнителей HA.
Экспериментальный
- Три коммерческих HA дермальных наполнителя были оценены с помощью ротационной реометрии и лазерной дифракции для характеристики реологического поведения и размера частиц соответственно.
- Измерения проводились с помощью ротационного реометра Kinexus с картриджем для пластин Пельтье и измерительной системой с параллельными пластинами диаметром 40 мм. Все реологические измерения проводились при 25°C.
- Использовалась стандартная последовательность нагружения, чтобы обеспечить последовательный и контролируемый протокол нагружения обоих образцов.
- Испытания на колебания включали испытания с переменной амплитудой и переменной частотой. Испытания с амплитудной разверткой на частоте 1 Гц проводились для определения линейной вязкоупругой области (Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER) и критической деформации. Последующие испытания с частотной разверткой проводились в диапазоне 0,1 - 10 Гц с постоянной деформацией в пределах Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER.
- Измерения сдвига в установившемся режиме проводились для проверки зависимости вязкости от скорости сдвига (0,1 с-1 - 100 с-1), также было проведено испытание на скачок напряжения (0 Па - 200 Па за 100 с) для определения предела текучести наполнителей.
- Липкость наполнителей оценивали с помощью осевого испытания на реометре, которое включало быстрое изменение зазора от 1 мм до 20 мм и запись профиля нормальной силы. Липкость коррелировала с пиковой нормальной силой, измеренной в Ньютонах.
- Измерения размера частиц геля в дермальных наполнителях проводились с помощью Malvern Mastersizer 3000. Наполнители диспергировали в физиологическом растворе и определяли средний размер частиц и распределение частиц по размерам.
Результаты и обсуждение
Испытание на колебания
Кривые модуля упругости в зависимости от деформации сдвига показаны на рис. 2. Все образцы имели одинаковые по размеру области Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER с критической деформацией, представляющей начало нелинейности в области 20%. Значения модуля упругости, измеренные в области Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER, показали, что образец A имел самую низкую упругую жесткость с G', равным 150 Па. Образец C был самым упругим из трех образцов со значением G' 320 Па, а образец B имел значение между этими двумя значениями 220 Па.
Кривые модуля упругости и фазового угла в зависимости от частоты колебаний показаны на рисунке 3. Фазовый угол для всех образцов во всем диапазоне частот составляет около 10°, что говорит о том, что все образцы являются высокоэластичными гелями. Значения G' для образцов A, B и C на частоте 1 Гц составляют около 150 Па, 220 Па и 320 Па, соответственно, что коррелирует с данными амплитудной развертки на той же частоте. Небольшой наклон G' в зависимости от частоты указывает на наличие small структурной релаксации, при которой накопленная упругая энергия рассеивается с увеличением времени (уменьшением частоты), хотя она относительно минимальна.
Существует множество факторов, влияющих на вязкоупругие свойства HA дермальных филлеров, включая концентрацию HA, молекулярную массу и степень сшивки. Изменяя эти характеристики, можно регулировать вязкоупругие свойства, особенно модуль упругости G', для конкретного применения. Гели с высоким G' обеспечивают большую устойчивость к деформации и должны быть более эффективными в качестве наполнителей, но их сложнее вводить и они могут вызывать боль. Поэтому сильные гели с высоким G' могут быть более подходящими для использования в глубоких или более серьезных морщинах. С другой стороны, более слабые гели с низким G' могут быть лучше для тонких или легких морщин в области губ или слезных впадин, которые являются более чувствительными, поскольку они будут вызывать меньше боли при инъекциях. Более низкий модуль упругости также может лучше соответствовать свойствам местных тканей. Из трех протестированных образцов HA можно сказать, что образец A - самый слабый и мягкий гель, а образец C - самый жесткий и прочный гель, исходя из результатов, представленных на рисунках 2 и 3.
Испытание на сдвиг в установившемся режиме и определение напряжения текучести
Результаты измерения сдвига в установившемся режиме - вязкость при сдвиге, измеренная как функция скорости сдвига, показаны на рисунке 4. Вязкость значительно уменьшается с увеличением скорости сдвига, что указывает на высокую степень сдвигового утончения материалов. Кроме того, структура наполнителей настолько прочна, что при низкой скорости сдвига вязкость очень высока и продолжает расти с уменьшением скорости сдвига, что указывает на предел текучести или твердое поведение в состоянии покоя. Это соответствует наблюдениям, полученным в ходе испытаний на колебания, которые показали наличие высокоэластичной гелеобразной структуры. Предел текучести указывает на то, что материал будет вести себя как твердое тело ниже критического напряжения, но будет течь как жидкость выше этого критического напряжения. Величина предела текучести должна быть связана со структурной прочностью и, следовательно, степенью сшивки и концентрации частиц геля, что должно отражаться в G'.
Предел текучести может быть определен с помощью ряда различных тестов, однако рампа напряжения - один из самых быстрых и простых способов оценки предела текучести, при котором мгновенная вязкость (не устойчивое состояние) измеряется непрерывно с увеличением напряжения сдвига. Данные по темпу изменения напряжения для трех образцов HA показаны на рисунке 5. Пик вязкости представляет собой точку текучести, а значение напряжения, при котором это происходит, является пределом текучести. Образец A имеет самый низкий предел текучести (42 Па), образец C - самый высокий (55 Па), при этом образец B немного ниже, чем C (53 Па). Такой же порядок наблюдается при испытании на колебания: образец С - самый прочный, а образец А - самый слабый из трех гелей. Поскольку эти гели, как правило, существуют в виде набора ковалентно сшитых частиц геля (в отличие от непрерывной сети гелей), то предел текучести связан с напряжением, необходимым для того, чтобы "разжать" частицы и позволить им двигаться друг за другом.
Испытание на отрыв
Профили нормальной силы в зависимости от времени при увеличении зазора между пластиной и образцом показаны на рисунке 6. Значение нормальной силы отрицательно, поскольку образец тянется вниз к верхней пластине под действием сил адгезии/когезии, и уменьшается до нуля при разрушении; остаточная сила в течение длительного времени обусловлена весом удерживаемых образцов на верхней пластине. Пиковое нормальное усилие для образцов A, B и C составляет 0,35 Н, 0,46 Н и 0,54 Н, соответственно, что опять же коррелирует с порядком измерений G' и напряжения текучести для трех образцов. Следовательно, образец C обладает наибольшей степенью схватывания или когезии, а образец A - наименьшей.
Размер частиц
Размер частиц геля необходимо контролировать, чтобы уменьшить силу выдавливания и связанные с этим побочные эффекты, такие как боль и кровотечение при введении геля. Поэтому гели должны быть разработаны таким образом, чтобы проходить через иглы с соответствующей скоростью и требуемой силой выдавливания. На рисунке 7 распределение частиц гелей по размерам показано в виде кумулятивного объемного процента. Медианный размер (Dv50) образцов A, B и C составляет 480 мкм, 425 мкм и 203 мкм. Прочные гели с высокими значениями G' и предела текучести должны иметь размер частиц small, чтобы их можно было легко вводить через иглы. Образец C имеет smallest размер частиц, потому что у него самое высокое значение G' среди всех образцов. С другой стороны, образец A имеет largeсамый большой размер частиц, так как он является самым слабым гелем в образцах (он легко проходит через иглы). Полученный размер также зависит от степени сшивки и молекулярной массы, так как высокосшитые полимеры с более высокими значениями G' будут плотнее и компактнее.
Заключение
Реологические свойства и размер частиц трех коммерческих дермальных наполнителей на основе HA были охарактеризованы и сравнены. Модуль упругости G' был определен по результатам осцилляционных испытаний, и эти значения коррелировали с жесткостью и прочностью геля (например, слабые гели или сильные гели). Измерения сдвига в установившемся режиме проводились для проверки зависимости вязкости от скорости сдвига, а испытания на скачок напряжения - для определения силы, необходимой для разрушения структуры геля, т.е. предела текучести. Липкость наполнителей определялась путем измерения профиля нормальной силы при увеличении зазора между пластиной и пластиной и соотносилась с данными по колебаниям и пределу текучести. Кроме того, был измерен размер частиц гелей, поскольку размер влияет на экструзию, и было обнаружено, что он также коррелирует с реологическими данными.
В заключение следует отметить, что реологические свойства и размер частиц дермальных наполнителей на основе HA являются важными параметрами, определяющими эффективность (например, легкость доставки, сила экструзии, инъекции, устойчивость к деформации, уменьшение боли) и область применения (например, мелкие или глубокие морщины, контур лица) этих продуктов.