机械测试的注入性量化

生物材料经常被研究，并用作脚手架的细胞为基础的组织再生和仓库，为有针对性的，持续提供治疗^1。在这个领域，注射生物材料越来越受欢迎，因为它们是微创，这降低了感染，疼痛和疤痕的风险与植入^2。此外，由于它们通常作为液体应用，它们完全符合组织缺陷，药物和细胞可能在应用^{前立即混合到3、4、5中}。因此，虽然可注射生物材料可以作为预装注射器制造，但它们通常是由临床医生在应用前直接准备的。例如，一旦混合了粉末和液体相，水泥开始设置，因此在使用 6 之前不能^{长时间储存}。因此，这些材料的特性取决于时间，并且与它们的制备有着千丝万缕的联系。

常见的可注射生物材料包括钙水泥、聚甲基甲基丙烯酸酯、生物玻璃和各种聚合物水凝胶^3、7。与传统的药物注射不同，这些药物具有与水的相同流变特性，这些注射生物材料通常更粘稠，非牛顿，可能有一些弹性特性，而且可能随着时间的推移而变化。因此，不能假定这些材料的可注射性，而必须进行实验性评估。通过量化注射所需的力，并关联注射的易用性，可以在早期的发育过程中提前决定要推进的生物材料配方、注射器和针头^尺寸。这些实验还可以量化改变配方对注射性9^的影响。

有几种方法可以评估可注射材料的特性。旋转流变法通常用于评估粘度、非牛顿行为、剪切后恢复、设置时间等材料^{的特性10、11、12。}虽然这种类型的测试可用于确定材料的基本属性，但这些属性不直接与可注射性相关。对于牛顿流体和圆柱注射器和针头，可根据哈根-波塞苏耶方程¹³的形式估计注射力：

其中F是注射所需的力 （N），R _s是内部注射器半径 （m），R _n是内部针半径 （m），L 是针长 （m），Q 是流体流速 （m³ s ^-1），η是动态粘度 （Pa.s），F _f是柱塞和桶壁 （N） 之间的摩擦力。因此，如果通过旋转流变测量粘度，则知道注射器和针头的尺寸和流速，则可以估计注射力。但是，此方程不考虑注射器或任何其他几何的圆锥端，如中心外插座，F_{f 必须通过}机械测试进行实验估计或发现。此外，生物材料通常不是牛顿，而是表现出复杂的流变特性。对于一个简单的剪切变薄流体，方程变为^14：

其中 n 是功率索引 （-） 和 K 是 Ostwald de Waele 表达式中的一致性索引 （Pa.s^n）： 剪切率 （s^-1）在哪里。对于流变特性不能以两个值为特征的材料，尤其是与时间相关的材料（如设置水泥），其复杂性大大增加。此外，如果材料属性与剪切相关，则必须以针头中预期的剪切速率测试材料，该速度可能远远超过旋转流变仪^{15 的范围}。

另一种测量注射的定量方法包括用手或使用注射器泵在执行注射时将压力和位移传感器连接到注射器。然而，这种设备相对便宜，需要用户生成脚本和校准曲线，以转换为生效数据¹⁶。此外，如果需要高力来挤出粘性或半固体材料，注射器泵可能没有足够的扭矩以精确速率压缩柱塞。或者，在手动注射时使用这些传感器可能很有用，因为它们可以在临床手术17期间用于真正的^临床场景。但是，这需要更长的时间，并可能引入用户偏见，因此，将需要与不同的用户进行更多的重复，以获得可靠的结果。因此，这可能更适用于在转化管道下的材料，或已经在临床使用的产品。

在此协议中，机械测试仪用于以设定的速率压缩柱塞，并测量所需的力。这种类型的机械测试仪在材料实验室中很常见，已用于量化各种生物材料^{的注射性18，19，20，21，22，23，24。}此测试可用于任何尺寸和几何的注射器和针头，包含任何材料。此外，对于在使用前立即制作的生物材料，可以在测试前遵循诊所或手术中使用的确切配方程序。此过程的另一个优点是，它相对较快;一旦机械测试仪被设置，几十个样品可以在一小时内研究，这取决于挤出速度和注射器体积。这与旋转流变学不同，旋转流变学通常每次测试至少需要 5 ~ 10 分钟，外加装载、平衡和清洁时间。使用机械测试仪可比柱塞产生可靠的挤出率，这尤其适用于粘性配方或具有时间相关特性的配方。测试之后，需要最少的数据后处理，以提取重要值进行客观比较。