機械的試験による注入性の定量化

生体材料はしばしば研究され、細胞ベースの組織再生のための足場として使用され、治療の標的化された持続的な送達のための貯蔵所¹.この分野では、注射用生体材料は侵襲性が低いため人気が高まっており^、移植に伴う感染、痛み、瘢痕化のリスクを軽減する。さらに、それらは通常、流体として適用されるので、それらは組織の欠陥に完全に適合し、そして薬物および細胞は、適用^3、4、5の直前にそれらに混合されてもよい。そのため、注射用生体材料はプリロードされた注射器として製造される可能性がありますが、多くの場合、適用前に臨床医によって調製されます。例えば、セメントは粉末相と液相が混ざるとセットを開始し^、6を使用する前に長期間保存することはできません。したがって、これらの材料の特性は時間依存性であり、それらの調製物と密接に関連している。

一般的な注射用生体材料は、カルシウムセメント、ポリメチルメタクリレート、バイオグラス、および様々なポリマーヒドロゲル^3、7を含む。水と同じレオロジー特性を有する伝統的な薬物の注射とは異なり、これらの注射可能な生体材料は、典型的には、より粘性、非ニュートン、いくつかの弾性特性を有し、また、時間の経過とともに変化する可能性がある。したがって、これらの材料の注入可能性は想定できないが、実験的に評価されなければならない。注射に必要な力を定量化し、それを注射の容易さに関連付けることによって、どの生体材料製剤、注射器、および針のサイズを進めるかについての早期の決定は、発達プロセス8の早い段階で行われ得^る。このような実験は、注射可能性⁹に対する製剤の変化の影響を定量化することもできる。

注射材料の特性を評価する方法はいくつかあります。回転性の耳動学は、しばしば、粘度、非ニュートン行動、ポスト剪断回復、設定時間、およびこれらの材料^10、11、12の他の特性を評価するために利用される。このタイプのテストは材料の基本的な特性を確立するのに有用であるが、これらの特性は、注入性に直接相関しない。ニュートン流体と円筒状の注射器と針の場合、注入力はハーゲン-ポイズイユ方程式¹³の形から推定することができます。

ここでFは射出に必要な力(N)、Rsは内部シリンジ半径(m)、Rnは内部針半径(m)、Lは針長(m)、Qは流体流量(m3^s-1)、動的粘度(Pa.s)η 及び_Ffはプランジャーとバレル壁(N)との間の摩擦力である(N)。これにより、回転流動論を介して粘度を測定すれば、注射器と針の寸法が既知であり、流量推定により、注入力を推定することができる。ただし、この方程式は、シリンジの円錐の端点や、中心外の出口などの他のジオメトリを考慮せず、F_fは機械的なテストによって実験的に推定または発見されなければなりません。さらに、生体材料は、典型的にはニュートンではなく、複雑なレオロジー特性を示す。単純なせん断間液の場合、方程式は¹⁴になります。

ここで nはパワー インデックス (-) で、Kはオストワルド・デ・ワールレ式の整合性指数 (Pa.sⁿ⁾で 、シア レート^{(s -1)}はどこです。この複雑さは、レオロジー特性を持つ材料が2つの値で特徴づけることができない材料、特にセメントの設定などの時間依存材料に対して大きく増加します。さらに、材料特性がせん断依存性である場合、材料は針に予想されるせん断速度で試験されなければならないが、これは回転式流圧^計15の範囲をはるかに超える可能性がある。

注入性を測定するもう一つの定量的方法は、注射を行っている間、圧力および変位センサーを注射器に取り付ける、手で、またはシリンジポンプを使用することを含む。この装置は比較的安価ですが、ユーザーはスクリプトとキャリブレーションカーブを生成してフォースデータ¹⁶に変換する必要があります。また、粘性または半固体材料を押し出すために高い力が必要な場合、シリンジポンプは、正確な速度でプランジャーを圧縮するのに十分なトルクを有していない可能性があります。あるいは、これらのセンサを手で注入する際に利用することは、臨床処置¹⁷の間に、実際の臨床シナリオで使用することができるように有用であり得る。しかし、これははるかに長い時間がかかり、ユーザーの偏見を引き起こす可能性があり、したがって、信頼性の高い結果を得るためには、異なるユーザーとの繰り返しの数が多くなる必要があります。したがって、翻訳パイプラインのさらに下にある材料、または既に臨床使用されている製品に対して、より適切である可能性があります。

このプロトコルでは、機械的テスターを使用してプランジャを設定速度で圧縮し、そのために必要な力を測定します。このタイプの機械式テスターは、材料研究所で一般的であり、様々な生体材料18、19、20、21、22、23、24の注射率を定量するために使用されています。このテストは、任意の材料を含む注射器および針の任意のサイズと幾何学で使用することができる。また、使用直前に作られる生体材料の場合には、検査の前に診療所や手術で使用されるであろう正確な製剤手順に従うことができる。この手順のさらなる利点は、比較的高速であるということです。機械式テスターをセットアップすると、押出速度とシリンジの体積に応じて、1時間で数十個のサンプルを研究できます。これは、通常、テストごとに少なくとも5〜10分かかり、負荷、平衡、洗浄時間を要する回転的な手理とは対照的です。機械式テスターを使用すると、プランジャー上で同等に信頼性の高い押出速度が生成され、粘性製剤または時間依存特性を有する製剤にとって特に有利です。テストの後、客観的な比較のために重要な値を引き出すために、データの後処理を最小限に抑える必要があります。