Количественная оценка инъекционной пригодности путем механического тестирования

Биоматериалы часто изучаются и используются в качестве эшафотов для регенерации тканей на клеточной основе и складов для целенаправленной, устойчивой доставки^{терапевтических средств 1.} В этой области, инъекционные биоматериалы растут в популярности, поскольку они являются минимально инвазивными, что снижает риск инфекции, боли и рубцов, связанных с^{имплантацией 2}. Кроме того, поскольку они обычно применяются в качестве жидкости, они идеально соответствуют дефектам тканей, и препараты и клетки могут быть смешаны^{в них непосредственно перед применением 3,4,5}. Таким образом, в то время как инъекционные биоматериалы могут быть изготовлены в качестве предварительно загруженных шприцев, они часто готовятся врачами непосредственно перед применением. Например, цементы начинают устанавливать после того, как порошок и жидкие фазы смешиваются, и поэтому не могут храниться в течение длительных периодов времени перед^{использованием 6}. Таким образом, характеристика этих материалов зависит от времени и неразрывно связана с их подготовкой.

Общие инъекционные биоматериалы включают цементы кальция, полиметил метакрилат, биогласы, и различные полимерные^{гидрогели 3,7}. В отличие от традиционных инъекций препаратов, которые имеют те же реологические свойства, что и вода, эти инъекционные биоматериалы, как правило, более вязкие, неньютоновские, могут иметь некоторый эластичный характер, а также могут меняться с течением времени. Поэтому нельзя предположить, что инъекционные эти материалы могут быть оценены экспериментально. Путем количественной оценки силы, необходимой для инъекций, и соотнося ее с легкостью инъекций, ранние решения о том, какие биоматериалы, шприц и размеры иглы, чтобы двигаться вперед, могут быть приняты на ранних^{стадиях процесса развития 8.} Такие эксперименты могут также количественно влияние изменения формулировок на инъекционной⁹.

Существует несколько методов оценки свойств инъекционных материалов. Вращательной реологии часто используется для оценки вязкости, неньютоновского поведения, пост-шир восстановления, установление времени, и^{другие свойства этих материалов 10,11,12}. Хотя этот тип теста полезен для установления фундаментальных свойств материалов, эти свойства не коррелируют непосредственно с инъекционной. Для ньютоновской жидкости и цилиндрических шприцев и иглы, инъекционная сила может быть оценена из формы уравнения Хаген-Пуазей¹³:

Там, где F является силой, необходимой для инъекций (N), R_s является внутренним радиусом шприца (м), R_n – внутренним радиусом иглы (м), L – длиной иглы (м), – это скорость потока жидкости^{(м 3} с^-1),η – динамическая вязкость (Pa.s) и F_f – сила трения между поршенем и стенкой ствола (N). Таким образом, если вязкость измеряется с помощью вращательной реологии, размеры шприца и иглы известны и скорость потока оценивается, сила инъекции может быть оценена. Тем не менее, это уравнение не учитывает конический конец шприца или любые другие геометрии, такие как внецентровые розетки, и F_fдолжны быть оценены или найдены экспериментально путем механического тестирования. Кроме того, биоматериалы, как правило, не ньютоновские, но обладают сложными реологическими свойствами. Для простого истончения жидкости стрижки, уравнение^{становится 14}:

Где n является индекс мощности (-) и K является индекс согласованности (Pa.sⁿ) от выражения Ostwald de Waele: , где скорость стрижки (s^-1). Сложность значительно возрастает для материалов, реологические свойства которых не могут характеризоваться двумя значениями, и особенно для зависящих от времени материалов, таких как установка цементов. Кроме того, если свойства материала зависят от снора, то материал должен быть протестирован на скорости снора, ожидаемой в игле, которая может намного превышать диапазон вращательного^{реометра 15}.

Другой количественный метод измерения инъекционной пригодности включает в себя присоединение датчиков давления и смещения к шприцу при выполнении инъекции, либо вручную, либо с помощью шприц-насоса. Это оборудование является относительно недорогим, однако, требует от пользователей для создания скриптов и кривых калибровки для преобразования в силу данных¹⁶. Кроме того, шприц-насос может не обладать достаточным крутящим моментом для сжатия поршеня с точной скоростью, если требуются высокие силы для экструды вязких или полутвердых материалов. Кроме того, использование этих датчиков при введении вручную может быть полезно, поскольку они могут быть использованы в реальном клиническом сценарии, во время клинических процедур¹⁷. Тем не менее, это займет гораздо больше времени и может ввести предвзятость пользователей, и, следовательно, потребуется большее количество повторений с различными пользователями для получения надежных результатов. Таким образом, это может быть более подходящим для материалов, которые находятся дальше по трансляционной конвейеру, или продуктов, уже используемых в клинических условиях.

В этом протоколе используется механический тестер для сжатия поршеня с установленной скоростью и измерения силы, необходимой для этого. Этот тип механического тестера распространен в лабораториях материалов и был использован для количественной оценки инъекций^{для различных биоматериалов 18,19,20,21,22,23,24}. Этот тест может быть использован с любым размером и геометрией шприца и иглы, содержащей любой материал. Кроме того, в случае биоматериалов, которые сделаны непосредственно перед использованием, точная процедура разработки, которая будет использоваться в клинике или хирургии может быть продолжена до тестирования. Еще одним преимуществом этой процедуры является то, что она является относительно быстрой; как только механический испытатель настроен, десятки образцов могут быть изучены в час, в зависимости от скорости экструзии и объема шприца. Это контрастирует с вращательной реологией, которая обычно занимает не менее 5 – 10 минут за тест, плюс загрузка, равномерность и время очистки. Использование механического тестера производит надежную скорость экструзии в равной степени по сравнению с поршенем, что особенно выгодно для вязких составов или тех, у кого есть зависящие от времени свойства. После тестирования требуется минимальная после обработки данных для получения важных значений для объективного сравнения.