Inledning
Hyaluronsyra (HA) är en naturligt förekommande polysackarid som ofta används som en funktionell ingrediens i många topiska och subkutana anti-ageingbehandlingar, t.ex. dermala fillers, som utnyttjar polymerens unika viskoelastiska egenskaper för effektiv mjukdelsförstärkning. När HA administreras subkutant bygger det upp ett elastiskt nätverk i rynkor och veck för att ge huden ett fylligare utseende. Naturligt förekommande HA har en halveringstid på mindre än tre dagar, så det är viktigt att öka polymerens hållbarhet för att kunna utveckla produkter med längre klinisk hållbarhet och acceptabel hållbarhetstid. Att öka både molekylvikten (MW) och graden av tvärbindning hos polymeren är en beprövad strategi för att förbättra den mekaniska styrkan och förlänga nedbrytningstiden. Dessa egenskaper påverkar dock även andra egenskaper hos HA, t.ex. viskositet och viskoelasticitet.
För att framgångsrikt formulera med HA är det viktigt att förstå hur faktorer som molekylvikt, molekylstruktur, koncentration och tvärbindningsgrad påverkar reologiska egenskaper som viskoelasticitet, vilka är direkt kopplade till olika aspekter av produktprestanda. Genom att koppla strukturella egenskaper till produktprestanda, via reologiska egenskaper, får man stöd för smart, snabb och effektiv formulering.
Följande studie visar hur reologi- och partikelstorleksmätningar kan användas för att karakterisera de fysiska egenskaperna hos HA-dermal fillers.
Experimentell
- Tre kommersiella HA-dermal fillers utvärderades med hjälp av rotationsreometri och laserdiffraktion för karakterisering av reologiskt beteende respektive partikelstorlek.
- Rotationsreometermätningarna gjordes med en Kinexus rotationsreometer med en Peltier-plattpatron och med ett 40 mm parallellt plattmätsystem. Alla reologimätningar utfördes vid 25°C.
- En standardiserad laddningssekvens användes för att säkerställa att båda proverna genomgick ett konsekvent och kontrollerbart laddningsprotokoll.
- Oscillationstesterna omfattade tester med variabel amplitud och variabel frekvens. Amplitudsveptester med en frekvens på 1 Hz utfördes för att bestämma den linjära viskoelastiska regionen (Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER) och den kritiska töjningen. Efterföljande frekvenssveptester utfördes mellan 0,1 - 10 Hz med en konstant töjning inom Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER.
- Skjuvmätningar i stationärt tillstånd gjordes för att kontrollera viskositetens beroende av skjuvhastigheten (0,1 s-1 - 100 s-1) och ett ramptest (0 Pa - 200 Pa på 100 s) utfördes också för att bestämma fyllmedlens SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning.
- Fyllmedlens KlibbighetKlibbighet beskriver interaktionen mellan 2 lager av identiska (autohesion) eller olika (kohesion) material i termer av ytans klibbighet.klibbighet bedömdes med hjälp av axialtestning på reometern, vilket innebar att spalten snabbt ändrades från 1 mm till 20 mm och att normalkraftsprofilen registrerades. Klibbigheten korrelerades med den maximala normalkraften mätt i Newton.
- Partikelstorleksmätningar av gelpartiklarna i de dermala fillers gjordes med hjälp av en Malvern Mastersizer 3000. Fillern dispergerades i en saltlösning och medianpartikelstorleken och partikelstorleksfördelningen bestämdes.
Resultat och diskussion
Oscillationsprovning
Kurvorna för Elastisk modulDen komplexa modulen (den elastiska komponenten), lagringsmodulen eller G', är den "verkliga" delen av provets totala komplexa modul. Den elastiska komponenten indikerar den fasta responsen, eller responsen i fas, hos det prov som mäts. elasticitetsmodul som funktion av skjuvtöjning visas i figur 2. Alla prover hade lika stora Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER-regioner med en kritisk töjning som representerar början på olinjäritet i området 20%. Elastiska modulvärden som uppmättes inom Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER visade att prov A hade den lägsta elastiska styvheten med G' som hade ett värde på 150 Pa. Prov C var det mest elastiskt styva av de tre proven med ett G'-värde på 320 Pa, medan prov B hade ett värde mellan de två på 220 Pa.
Kurvorna för Elastisk modulDen komplexa modulen (den elastiska komponenten), lagringsmodulen eller G', är den "verkliga" delen av provets totala komplexa modul. Den elastiska komponenten indikerar den fasta responsen, eller responsen i fas, hos det prov som mäts. elasticitetsmodul och fasvinkel som en funktion av svängningsfrekvensen visas i figur 3. Fasvinkeln för alla prover över hela frekvensområdet är cirka 10°, vilket tyder på att alla prover är mycket elastiska geler. Värdena på G' för proverna A, B och C vid 1 Hz är ca 150Pa, 220Pa respektive 320Pa, vilket korrelerar med amplitudsvepningsdata vid samma frekvens. Den svaga lutningen i G' med frekvensen tyder på en small mängd strukturell relaxation där lagrad elastisk energi avges med ökande tid (minskande frekvenser), även om detta är relativt minimalt.
Det finns många faktorer som påverkar de viskoelastiska egenskaperna hos HA-dermal fillers, bland annat HA-koncentration, molekylvikt och tvärbindningsgrad. Genom att ändra dessa egenskaper kan de viskoelastiska egenskaperna, i synnerhet elasticitetsmodulen G', anpassas till en specifik applikation. Gel med hög G' ger högre motståndskraft mot deformation och bör vara mer effektiva som fyllnadsmaterial, men kan vara svårare att injicera och kan ge mer smärta. Därför kan starka geler med hög G' vara mer lämpliga att använda för djupare eller mer allvarliga rynkor. Å andra sidan kan svagare geler med låg G' vara bättre för fina eller lätta rynkor som finns i läppar eller tårkanaler, som är känsligare, eftersom de skulle orsaka mindre smärta vid injektion. Den lägre modulen kan också bättre matcha egenskaperna hos den lokala vävnaden. Av de tre testade HA-proverna kan man säga att prov A är den svagaste och mjukaste gelen och prov C är den styvaste och starkaste gelen, baserat på resultaten i figur 2 och 3.
Provning av skjuvning i stationärt tillstånd och bestämning av avkastningsspänning
Resultaten av skjuvningsmätningen i stationärt tillstånd - skjuvviskositet mätt som funktion av skjuvningshastigheten - visas i figur 4. Viskositeten minskar betydligt med ökande skjuvhastighet, vilket tyder på att materialen är mycket skjuvtunna. Fyllmedlens struktur är också så stark att viskositeten vid låg skjuvhastighet är mycket hög och fortsätter att stiga med minskande skjuvhastighet, vilket tyder på SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning eller ett solidliknande beteende i vila. Detta överensstämmer med observationer från oscillationstestning som visade en mycket elastisk gelliknande struktur. En SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning indikerar att materialet beter sig som ett fast ämne under den kritiska spänningen men flyter som en vätska över den kritiska spänningen. Storleken på flytspänningen bör vara relaterad till den strukturella styrkan och därmed graden av tvärbindning och koncentration av gelpartiklarna, vilket bör återspeglas i G'.
Flytspänningen kan bestämmas med hjälp av ett antal olika tester, men en spänningsramp är ett av de snabbaste och enklaste sätten att uppskatta flytspänningen, där den momentana viskositeten (inte steady state) mäts kontinuerligt med ökande skjuvspänning. Data från spänningsrampen för de tre HA-proverna visas i figur 5. Viskositetstoppen representerar flytpunkten och det spänningsvärde vid vilket detta inträffar är flytspänningen. Prov A har den lägsta flytspänningen (42 Pa) och prov C den högsta (55 Pa), medan prov B ligger något lägre än C (53 Pa). Detta är samma ordning som observerades i oscillationstest med prov C som det starkaste och prov A som det svagaste av de tre gelerna. Eftersom dessa geler tenderar att bestå av en samling kovalent tvärbundna gelpartiklar (i motsats till ett kontinuerligt gelnätverk), är flytspänningen förknippad med den spänning som krävs för att "lösa upp" partiklarna och låta dem röra sig förbi varandra.
Provning av häftning
Normalkraftsprofilerna som en funktion av tiden när avståndet mellan plattan och plattan ökar visas i figur 6. Normalkraftvärdet är negativt eftersom provet dras ned på den övre plattan på grund av adhesiva/cohesiva krafter och avtar mot noll vid brott; den kvarvarande kraften vid långa tider beror på vikten av de kvarhållna proverna på den övre plattan. Den maximala normalkraften för proverna A, B och C är 0,35 N, 0,46 N respektive 0,54 N, vilket återigen korrelerar med ordningen på mätningarna av G' och SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.sträckgräns för de tre proverna. Följaktligen har prov C den högsta graden av KlibbighetKlibbighet beskriver interaktionen mellan 2 lager av identiska (autohesion) eller olika (kohesion) material i termer av ytans klibbighet.klibbighet eller kohesivitet och prov A den lägsta.
Partikelstorlek
Gelpartiklarnas partikelstorlek måste kontrolleras för att minska extruderingskraften och därmed förknippade biverkningar som smärta och blödning när geler injiceras. Därför måste gelerna konstrueras så att de kan passera genom nålar med lämplig hastighet och önskad extruderingskraft. I figur 7 visas gelernas partikelstorleksfördelning som en kumulativ volymprocent. Medianstorleken (Dv50) för proverna A, B och C är 480 μm, 425 μm och 203 μm. Starka geler med höga G'- och flytspänningsvärden måste ha en storlek på small partiklar för att lätt kunna injiceras genom nålarna. Prov C har den minsta partikelstorleken eftersom det har det högsta G'-värdet i proverna. Å andra sidan har prov A den största partikelstorleken eftersom det är den svagaste gelén i proverna (den kan lätt passera genom nålarna). Den resulterande storleken kommer också att vara relaterad till graden av tvärbindning och molekylvikt eftersom höggradigt tvärbundna polymerer som förknippas med högre värden på G' kommer att vara tätare och mer kompakta.
Slutsats
Reologiska egenskaper och partikelstorlek hos tre kommersiella HA-baserade dermala fillers karakteriserades och jämfördes. Elasticitetsmodulen G' bestämdes genom oscillationstestning och dessa värden korrelerade med gelens styvhet och styrka (t.ex. svaga eller starka geler). Skjuvmätningar i stationärt tillstånd gjordes för att kontrollera viskositetens beroende av skjuvhastigheten och spänningsrampstester utfördes för att bestämma den kraft som krävs för att bryta ner gelstrukturen, dvs. flytspänningen. Fyllmedlens KlibbighetKlibbighet beskriver interaktionen mellan 2 lager av identiska (autohesion) eller olika (kohesion) material i termer av ytans klibbighet.klibbighet bestämdes genom att mäta normalkraftsprofilen när platt-plattans gap ökade och korrelerades med oscillations- och flytspänningsdata. Dessutom mättes gelernas partikelstorlek eftersom storleken påverkar extruderingen, och det visade sig att även denna korrelerade med reologiska data.
Sammanfattningsvis är de reologiska egenskaperna och partikelstorleken hos HA-baserade dermala fillers viktiga parametrar för att bestämma dessa produkters prestanda (t.ex. enkel tillförsel, extruderingskraft, injektion, motståndskraft mot deformation, smärtlindring) och tillämpning (t.ex. fina eller djupa rynkor, ansiktskonturering).