القياس الكمي للحقن بواسطة الاختبار الميكانيكي

وغالبا ما تدرس المواد الحيوية وتستخدم كسقالات لتجدد الأنسجة الخلوية والمستودعات المستهدفة، والتسليم المستمر من العلاجات¹. داخل هذا المجال، المواد الحيوية عن طريق الحقن تنمو في شعبية كما أنها هي طفيفة التوغل، مما يقلل من خطر العدوى، والألم وتندب المرتبطة زرع². علاوة على ذلك ، لأنها عادة ما تطبق على أنها السوائل ، فإنها تتوافق تماما مع عيوب الأنسجة ، والمخدرات والخلايا قد تكون مختلطة لهم مباشرة قبل تطبيق^3،4،5. وعلى هذا النحو، في حين يمكن تصنيع المواد الحيوية القابلة للحقن كمحاقن محملة مسبقاً، فإنها غالباً ما يتم إعدادها من قبل الأطباء السريريين مباشرة قبل التطبيق. على سبيل المثال، يبدأ الأسمنت في ضبط مرة واحدة يتم خلط المسحوق والسائل مراحل، وذلك لا يمكن تخزينها لفترات طويلة قبل استخدام⁶. وهكذا فإن توصيف هذه المواد يتوقف على الزمن ويرتبط ارتباطا لا ينفصم بإعدادها.

تشمل المواد الحيوية الشائعة القابلة للحقن أسمنت الكالسيوم والميثاريل المتعددة، والنظارات الحيوية، والهيدروجيل البوليمرية المختلفة^3،7. على عكس الحقن التقليدية من المخدرات، التي لها نفس الخصائص الريولوجية مثل الماء، وهذه المواد الحيوية عن طريق الحقن عادة ما تكون أكثر لزوجة، غير نيوتن، قد يكون لها بعض الطابع المرن، ويمكن أيضا أن تتغير مع مرور الوقت. ولذلك، لا يمكن افتراض إمكانية حقن هذه المواد ولكن يجب تقييمها تجريبيا. عن طريق قياس القوة اللازمة للحقن وربطها بسهولة الحقن، والقرارات المبكرة حول أي التركيبات الحيوية، والمحاقن، وأحجام الإبر للمضي قدما يمكن أن تتخذ في وقت مبكر من عملية التنمية⁸. وقد تحدد هذه التجارب أيضاً آثار الصيغ المتغيرة على القدرة على الحقن^9.

هناك عدة طرق لتقييم خصائص المواد القابلة للحقن. وغالبا ما تستخدم الريولوجيا التناوب لتقييم اللزوجة، غير نيوتوني السلوك، الانتعاش بعد القص، وتحديد الوقت، وغيرها من خصائص هذه المواد^10،11،12. في حين أن هذا النوع من الاختبار مفيد لتحديد الخصائص الأساسية للمواد ، فإن هذه الخصائص لا ترتبط مباشرة بالقابلية للحقن. بالنسبة للسوائل والنيوتونية وحقنه الاسطورية والإبرة، يمكن تقدير قوة الحقن من شكل من أشكال المعادلة هاغن -واكين^13:

حيث F هو القوة اللازمة للحقن (N)، R_s هو نصف قطر الحقن الداخلي (م)، R_n هو دائرة نصف قطرها إبرة الداخلية (م)، L هو طول إبرة (م)، س هو معدل تدفق السوائل (م³ S^-1)،η هو اللزوجة الديناميكية (Pa.s) و F_هو قوة الاحتكاك بين المكبس وسور برميل (N). وهكذا، إذا تم قياس اللزوجة عن طريق الريولوجيا التناوبية، أبعاد الحقنة والإبر معروفة ومعدل التدفق المقدر، يمكن تقدير قوة الحقن. ومع ذلك، فإن هذه المعادلة لا تأخذ في الاعتبار نهاية المخروطية للمحاقن أو أي هندسات أخرى، مثل منافذ خارج المركز، ويجب تقدير Fأو العثور عليه تجريبيًا عن طريق الاختبار الميكانيكي. علاوة على ذلك ، المواد الحيوية ليست عادة نيوتونية ، ولكنها تظهر خصائص رية معقدة. لسائل القص بسيطة رقيق ، المعادلة تصبح¹⁴:

حيث n هو مؤشر السلطة (-) وK هو مؤشر الاتساق (Pa.sⁿ⁾من تعبير أوستوالد دي Waele: ، أين هو معدل القص (s^-1). ويزداد التعقيد إلى حد كبير بالنسبة للمواد التي لا يمكن أن تتميز خصائصها الريولوجية بقيمتين، ولا سيما بالنسبة للمواد التي تعتمد على الوقت مثل وضع الأسمنت. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت خصائص المواد هي القص تعتمد، ثم يجب اختبار المواد بمعدل القص المتوقع في الإبرة، والتي قد تتجاوز بكثير مدى¹⁵دوران rheometer.

وهناك طريقة كمية أخرى لقياس القدرة على الحقن تتضمن ربط أجهزة استشعار الضغط والتشريد بالمحقنة أثناء إجراء الحقن، إما باليد أو باستخدام مضخة الحقن. غير أن هذه المعدات غير مكلفة نسبياً، وتتطلب من المستخدمين توليد البرامج النصية ومنحنيات المعايرة لتحويلها إلى بيانات قوة¹⁶. وعلاوة على ذلك، قد لا تمتلك مضخة حقنة عزم دوران كافية لضغط المكبس بمعدل دقيق إذا كانت هناك حاجة للقوى العالية لقذف المواد اللزجة أو شبه الصلبة. بدلا من ذلك، قد يكون استخدام هذه أجهزة الاستشعار عند الحقن باليد مفيدة لأنها يمكن استخدامها في سيناريو سريري حقيقي، خلال الإجراءات السريرية¹⁷. ومع ذلك، فإن هذا سيستغرق وقتا أطول بكثير، وقد يؤدي إلى تحيز المستخدم، وبالتالي، سوف تحتاج إلى أعداد أكبر من التكرار مع مختلف المستخدمين للحصول على نتائج موثوق بها. وهذا قد يكون، بالتالي، أكثر ملاءمة للمواد التي هي مزيد من أسفل خط أنابيب الترجمة، أو المنتجات التي سبق أن استخدمت في السريرية.

في هذا البروتوكول، يتم استخدام جهاز اختبار ميكانيكي لضغط المكبس بمعدل معين، وقياس القوة المطلوبة للقيام بذلك. هذا النوع من الفحوصات الميكانيكية شائع في مختبرات المواد وقد استخدم لقياس كمية الحقن للمواد الحيوية المختلفة^{18،19،20،21،22،23،24}. يمكن استخدام هذا الاختبار مع أي حجم وهندسة الحقنة والإبرة، التي تحتوي على أي مادة. علاوة على ذلك ، في حالة المواد الحيوية التي يتم إجراؤها مباشرة قبل الاستخدام ، يمكن اتباع إجراء الصياغة الدقيق الذي سيتم استخدامه في العيادة أو الجراحة قبل الاختبار. ومن المزايا الأخرى لهذا الإجراء أنه سريع نسبيا؛ بمجرد إعداد المختبر الميكانيكي ، يمكن دراسة عشرات العينات في ساعة ، اعتمادًا على سرعة البثق وحجم الحقن. هذا على النقيض من الريولوجيا التناوبية، والتي عادة ما يستغرق ما لا يقل عن 5 – 10 دقيقة لكل اختبار، بالإضافة إلى التحميل، و التوازن والتنظيف الوقت. باستخدام اختبار الميكانيكية تنتج معدل البثق موثوق بها على قدم المساواة على المكبس، وهو مفيد بشكل خاص لتركيبات لزجة أو تلك التي لها خصائص تعتمد على الزمن. وبعد الاختبار، يلزم الحد الأدنى من معالجة البيانات بعد ذلك لسحب القيم الهامة لإجراء مقارنات موضوعية.