यहां प्रस्तुत एक मानक यांत्रिक परीक्षण रिग का उपयोग कर सिरिंज-सुई प्रणाली के माध्यम से सामग्री की इंजेक्शन का मात्रात्मक मूल्यांकन करने के लिए एक प्रोटोकॉल है।
इंजेक्शन बायोमैटेरियल दवाओं और कोशिकाओं की न्यूनतम इनवेसिव डिलीवरी के लिए तेजी से लोकप्रिय होते जा रहे हैं। ये सामग्री आमतौर पर पारंपरिक जलीय इंजेक्शन की तुलना में अधिक चिपचिपा होती है और अर्ध-ठोस हो सकती है, इसलिए, उनकी इंजेक्शन को ग्रहण नहीं किया जा सकता है। यह प्रोटोकॉल एक मानक यांत्रिक परीक्षक का उपयोग करके इन सामग्रियों की इंजेक्शन का निष्पक्ष रूप से आकलन करने की विधि का वर्णन करता है। सिरिंज प्लंजर एक निर्धारित दर पर क्रॉसहेड द्वारा संकुचित है, और बल मापा जाता है। अधिकतम या पठार बल मूल्य तो नमूनों के बीच तुलना के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, या एक निरपेक्ष बल सीमा के लिए । इस प्रोटोकॉल का उपयोग किसी भी सामग्री, और किसी भी सिरिंज और सुई आकार या ज्यामिति के साथ किया जा सकता है। प्राप्त परिणामों का उपयोग अनुवाद प्रक्रिया में जल्दी योगों, सिरिंज और सुई आकार के बारे में निर्णय लेने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, इंजेक्शन पर योगों में फेरबदल के प्रभावों को निर्धारित किया जा सकता है, और अस्थायी रूप से बदलती सामग्रियों को इंजेक्ट करने का इष्टतम समय निर्धारित किया गया है। यह विधि किसी सामग्री पर इंजेक्शन के प्रभावों की जांच करने के लिए एक प्रजनन योग्य तरीके के रूप में भी उपयुक्त है, ताकि कोशिकाओं पर इंजेक्शन के प्रभावों को दबाने या अध्ययन करने जैसी घटनाओं का अध्ययन किया जा सके। यह प्रोटोकॉल बारी-बारी से रीलॉजी की तुलना में इंजेक्शन के लिए तेज़ और सीधे लागू होता है, और प्रत्यक्ष तुलना के लिए महत्वपूर्ण मूल्य प्राप्त करने के लिए न्यूनतम पोस्ट प्रोसेसिंग की आवश्यकता होती है।
बायोमैटेरियल्स का अक्सर अध्ययन किया जाता है और सेल-आधारित ऊतक उत्थान और चिकित्सा विज्ञान 1 के निरंतर वितरण के लिए डिपो के लिए मचान के रूप में उपयोग कियाजाताहै। इस क्षेत्र के भीतर, इंजेक्शन बायोमैटेरियल्स लोकप्रियता में बढ़ रहे हैं क्योंकि वे न्यूनतम आक्रामक हैं, जो प्रत्यारोपण2से जुड़े संक्रमण, दर्द और जख्म के जोखिम को कम करता है। इसके अलावा, क्योंकि वे आमतौर पर तरल पदार्थ के रूप में लागू होते हैं, वे ऊतक दोषों के लिए पूरी तरह से अनुरूप होतेहैं, और दवाओं और कोशिकाओं को आवेदन3,4,5से तुरंत पहले उनमें मिलाया जा सकता है। जैसे, जबकि इंजेक्शन बायोमैटेरियल्स को प्री-लोडेड सीरिंज के रूप में निर्मित किया जा सकता है, वे अक्सर आवेदन से पहले सीधे चिकित्सकों द्वारा तैयार किए जाते हैं। उदाहरण के लिए, पाउडर और तरल चरणों को मिश्रित करने के बाद सीमेंट सेट करना शुरू कर देते हैं, और इसलिए6उपयोग से पहले लंबी अवधि के लिए संग्रहीत नहीं किया जा सकता है। इन सामग्रियों का लक्षण वर्णन इस प्रकार समय निर्भर है और उनकी तैयारी से अभिन्न रूप से जुड़ा हुआ है।
सामान्य इंजेक्शन बायोमैटेरियल्स में कैल्शियम सीमेंट्स, पॉलीमिथाइल मेथाक्रिलेट, बायो चश्मा और विभिन्न पॉलीमेरिक हाइड्रोगेल3,7शामिल हैं। दवाओं के पारंपरिक इंजेक्शन के विपरीत, जिनमें पानी के समान रियोलॉजिकल गुण होते हैं, ये इंजेक्शन बायोमैटेरियल्स आमतौर पर अधिक चिपचिपा होते हैं, गैर-न्यूटोनियन, कुछ लोचदार चरित्र हो सकते हैं, और समय के साथ भी बदल सकते हैं। इसलिए, इन सामग्रियों की इंजेक्शन को नहीं माना जा सकता है लेकिन प्रायोगिक रूप से मूल्यांकन किया जाना चाहिए । इंजेक्शन के लिए आवश्यक बल की मात्रा निर्धारित करके और इसे इंजेक्शन की आसानी से संबंधित करके, शुरुआती निर्णय जिनके बारे में जैव सामग्री योगों, सिरिंज और सुई के आकार को आगे ले जाने के लिए विकास प्रक्रिया8में जल्दी बनाया जा सकता है। इस तरह के प्रयोगों से इंजेक्शन पर फार्मूलों के बदलने के प्रभावों का भी आकलन कियाजा सकताहै ।
इंजेक्शन सामग्री के गुणों का आकलन करने के लिए कई तरीके हैं। घूर्णन रीलॉजी का उपयोग अक्सर चिपचिपाहट, गैर-न्यूटोनियन व्यवहार, कतरनी के बाद की वसूली, समय निर्धारित करने और इन सामग्रियों के अन्य गुणों10, 11,12का आकलन करने के लिए कियाजाताहै। जबकि इस प्रकार का परीक्षण सामग्री के मौलिक गुणों को स्थापित करने के लिए उपयोगी है, ये गुण सीधे इंजेक्शन के लिए सहसंबंधित नहीं हैं। एक न्यूटोनियन तरल पदार्थ और बेलनाकार सिरिंज और सुई के लिए, इंजेक्शन बल हेगन-Poiseuille समीकरण13के एक रूप से अनुमान लगाया जा सकता है:
जहां एफ इंजेक्शन (एन) के लिए आवश्यक बल है, आरएस आंतरिक सिरिंज त्रिज्या (एम) है, आरएन आंतरिक सुई त्रिज्या (एम), एल सुई की लंबाई (एम), क्यू तरल प्रवाह दर (एम3 एस-1)है, η गतिशील चिपचिपाहट (Pa.s) है और एफएफ प्लंजर और बैरल दीवार (एन) के बीच घर्षण बल है । इस प्रकार, यदि चिपचिपाहट को घूर्णन रीलॉजी के माध्यम से मापा जाता है, तो सिरिंज और सुई के आयामों को जाना जाता है और प्रवाह दर का अनुमान लगाया जाता है, इंजेक्शन बल का अनुमान लगाया जा सकता है। हालांकि, यह समीकरण सिरिंज या किसी अन्य ज्यामिति के शंकुल अंत के लिए खाता नहीं है, जैसे ऑफ-सेंटर आउटलेट, और एफएफका अनुमान लगाया जाना चाहिए या यांत्रिक परीक्षण द्वारा प्रयोगात्मक रूप से पाया जाना चाहिए। इसके अलावा, बायोमैटेरियल्स आमतौर पर न्यूटोनियन नहीं होते हैं, लेकिन जटिल रियोलॉजिकल गुणों का प्रदर्शन करते हैं। एक साधारण कतरनी पतला तरल पदार्थ के लिए, समीकरण14हो जाता है:
जहां एन पावर इंडेक्स (-) है और के ओस्टवाल्ड डी वेले अभिव्यक्ति से स्थिरता सूचकांक(पीएएन) है:, कतरनी दर (एस-1) कहां है। जटिलता उन सामग्रियों के लिए काफी बढ़ जाती है जिनके रियोलॉजिकल गुणों को दो मूल्यों की विशेषता नहीं दी जा सकती है, और विशेष रूप से सीमेंट की स्थापना जैसे समय-निर्भर सामग्रियों के लिए। इसके अतिरिक्त, यदि सामग्री गुण कतरनी निर्भर हैं, तो सामग्री का परीक्षण सुई में अपेक्षित कतरनी दर पर किया जाना चाहिए, जो एक घूर्णन रियोमीटर15की सीमा से कहीं अधिक हो सकता है।
इंजेक्शन को मापने के लिए एक और मात्रात्मक विधि में एक इंजेक्शन का प्रदर्शन करते समय एक सिरिंज के लिए दबाव और विस्थापन सेंसर संलग्न करना शामिल है, या तो हाथ से या सिरिंज पंप का उपयोग करना। हालांकि, यह उपकरण अपेक्षाकृत सस्ती है, उपयोगकर्ताओं को16बल डेटा में परिवर्तित करने के लिए स्क्रिप्ट और अंशांकन घटता उत्पन्न करने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, एक सिरिंज पंप के पास सटीक दर पर प्लंजर को सेक करने के लिए पर्याप्त टॉर्क नहीं हो सकता है यदि उच्च बलों को चिपचिपा या अर्ध-ठोस सामग्रियों को बाहर निकालने की आवश्यकता होती है। वैकल्पिक रूप से, हाथ से इंजेक्शन लगाते समय इन सेंसरों का उपयोग करना उपयोगी हो सकता है क्योंकि उनका उपयोग नैदानिक प्रक्रियाओंके दौरानवास्तविक नैदानिक परिदृश्य में किया जा सकता है। हालांकि, इसमें अधिक समय लगेगा और उपयोगकर्ता पूर्वाग्रह लागू हो सकता है, और इसलिए, विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए विभिन्न उपयोगकर्ताओं के साथ बड़ी संख्या में पुनरावृत्ति की आवश्यकता होगी। इस प्रकार, यह उन सामग्रियों के लिए अधिक उपयुक्त हो सकता है जो ट्रांसलेशनल पाइपलाइन, या पहले से ही नैदानिक उपयोग में उत्पादों के नीचे हैं।
इस प्रोटोकॉल में, एक यांत्रिक परीक्षक का उपयोग एक निर्धारित दर पर प्लंजर को सेक करने और ऐसा करने के लिए आवश्यक बल को मापने के लिए किया जाता है। इस प्रकार के यांत्रिक परीक्षक सामग्री प्रयोगशालाओं में आम है और इसका उपयोग विभिन्न बायोमैटेरियल्स 18 , 19 , 20 ,21, 22,23,24के लिए इंजेक्शन की मात्रा निर्धारित करने के लिए किया गया है । इस परीक्षण का उपयोग सिरिंज और सुई के किसी भी आकार और ज्यामिति के साथ किया जा सकता है, जिसमें कोई भी सामग्री होती है। इसके अलावा, उपयोग से तुरंत पहले किए जाने वाले बायोमैटेरियल्स के मामले में, क्लिनिक या सर्जरी में उपयोग की जाने वाली सटीक निर्माण प्रक्रिया का परीक्षण करने से पहले पालन किया जा सकता है। इस प्रक्रिया का एक और लाभ यह है कि यह अपेक्षाकृत तेज है; एक बार यांत्रिक परीक्षक स्थापित हो जाने के बाद, एक्सट्रूशन गति और सिरिंज की मात्रा के आधार पर एक घंटे में दसियों नमूनों का अध्ययन किया जा सकता है। यह घूर्णन रीलॉजी के विपरीत है, जिसमें आमतौर पर प्रति परीक्षण कम से कम 5 – 10 मिनट लगते हैं, साथ ही लोडिंग, संतुलन और सफाई का समय होता है। एक यांत्रिक परीक्षक का उपयोग करना प्लंजर पर समान रूप से एक विश्वसनीय निष्कासन दर पैदा करता है, जो विशेष रूप से चिपचिपा योगों या समय पर निर्भर गुणों वाले लोगों के लिए फायदेमंद है। परीक्षण के बाद, वस्तुनिष्ठ तुलनाओं के लिए महत्वपूर्ण मूल्यों को बाहर निकालने के लिए डेटा की न्यूनतम पोस्ट-प्रोसेसिंग की आवश्यकता होती है।
यांत्रिक परीक्षण शायद इंजेक्शन की मात्रा निर्धारित करने का सबसे सरल और सबसे विश्वसनीय तरीका है। इस प्रोटोकॉल का एक प्रमुख लाभ यह है कि यांत्रिक परीक्षक के अलावा किसी विशेष उपकरण की आवश्यकता नहीं है, जो सामग्री प्रयोगशालाओं में आम है। यह प्रोटोकॉल अत्यधिक बहुमुखी है; किसी भी सामग्री, सुई गेज और सिरिंज आकार का उपयोग किया जा सकता है, बशर्ते सिरिंज को क्लैंप द्वारा समायोजित किया जा सके। इस प्रोटोकॉल में 10 एमएल तक की सीरिंज का सत्यापन किया गया है। इसके अलावा, सामग्री बिल्कुल वैसा ही तैयार की जा सकती है जैसी वास्तविक दुनिया के आवेदन25के लिए होगी। अंत में, यह प्रक्रिया बहुत तेज है, प्रति नमूना केवल कुछ मिनट तक ले जाती है, जिससे दसियों नमूनों को प्रति घंटे संसाधित किया जा सकता है।
नमूनों के लिए जो विशिष्ट घटता देते हैं, दो मान निकाले जा सकते हैं: अधिकतम बल और पठार बल घटता है। अधिकतम बल यकीनन अधिक उद्देश्य है और प्रत्येक नमूने के लिए डेटा तालिका से गणनाकर निकाला जा सकता है। इसके विपरीत, पठार बल अधिक प्रतिनिधि हो सकता है, क्योंकि यह समय की सबसे बड़ी राशि के लिए अनुभवी बल होगा और, एक औसत के रूप में, बड़े उतार चढ़ाव के साथ घटता से कम प्रभावित है । ये उतार-चढ़ाव हवा के बुलबुले या सामग्री में कणों के कारण हो सकते हैं जिससे आंतरायिक परिवर्तन होते हैं क्योंकि वे बाहर निकाले जाते हैं, या छोटे बल माप के लिए कम उपकरण परिशुद्धता द्वारा। हालांकि, यह उल्लेखनीय है कि, कई नमूनों के लिए, कोई अधिकतम बल चोटी नहीं है, और इसलिए अधिकतम और पठार मूल्य एक ही हैं। इंजेक्शन बलों के बीच वस्तुनिष्ठ तुलना तब तक की जा सकती है जब तक कि एक सुसंगत मूल्य का उपयोग किया जाता है।
प्राप्त आंकड़ों का उपयोग कई तरीकों से किया जा सकता है। इंजेक्शन बल मूल्यों की तुलना इंजेक्शन की आसानी से की जा सकती है, यह स्थापित करने के लिए कि कौन से योग, सिरिंज और सुई के आकार अनुवाद8के लिए व्यवहार्य हैं। वैकल्पिक रूप से, नमूनों के बीच तुलना करने से इंजेक्शन पर योगों में परिवर्तन की मात्रा की अनुमति होती है। उदाहरण के लिए, सीमेंट्स में, तरल चरण की चिपचिपाहट को बदलना, कण आकार वितरण, और कोलाइडियल गुणों को बदलने के लिए साइट्रेट जैसे एडिटिव्स को जोड़ना, इंजेक्शन9में बड़े बदलाव हो सकते हैं। ये परीक्षण सीमेंट्स के लिए फॉर्मूलेशन प्रोटोकॉल को भी सूचित कर सकते हैं, उदाहरण के लिए मिश्रण समय, लोडिंग का समय और आवेदन करने का समय, इष्टतम इंजेक्शन और इंजेक्शन के बाद प्रदर्शन के लिए। इसके अलावा, इस विधि का उपयोग 3 डी प्रिंटिंग के लिए उपन्यास बायोइंक की प्रारंभिक व्यवहार्यता का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है।
इस प्रोटोकॉल को कई तरीकों से संशोधित किया जा सकता है। क्लैंप सिस्टम को सिरिंज को पकड़ने के लिए एक बेस्पोक 3 डी मुद्रित निर्माण के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जिससे सिरिंज और प्लंजर को क्रॉसहेड के लंबवत होना सुनिश्चित करना आसान हो सकता है, और सिरिंज को सुरक्षित रूप से आयोजित किया जाता है। सुई को कैनुला या किसी भी डिवाइस के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है जो एक प्लंजर के संपीड़न द्वारा सामग्री को बाहर निकालता है और किसी भी आकार और ज्यामिति का हो सकता है। परिणामों की निष्ठा को बढ़ाने के लिए, नैदानिक इंजेक्शन को अधिक सटीक रूप से अनुकरण करने के लिए सुई की नोक को ऊतक या हाइड्रोगेल में रखा जा सकता है। हालांकि, यह प्रोटोकॉल के लिए आगे जटिलताओं कहते हैं, के रूप में ऊतक/जेल संरचना और सुई गहराई स्थिर रखा जाना चाहिए । इसके अलावा, यह प्रोटोकॉल निर्दिष्ट गति से इंजेक्ट करने के लिए आवश्यक बल को मापने के लिए विस्थापन-नियंत्रित निष्कासन का उपयोग करता है। वैकल्पिक रूप से, इंजेक्शन बल निर्दिष्ट किया जा सकता है, और समय के खिलाफ निष्कासन की मात्रा मापी जा सकती है। यह समय पर निर्भर गुणों, जैसे सीमेंट्स के साथ सामग्री के लिए उपयोगी हो सकता है। उदाहरण के लिए, इंजेक्शन बल और एक बल 8 का चयन करने के लिए इंजेक्शन की आसानी के बीच एक संबंध का उपयोग करके, इस प्रोटोकॉल का उपयोगयह स्थापितकरने के लिए किया जा सकता है कि क्या सेटिंग से पहले इस गति के साथ सीमेंट की पूरी मात्रा इंजेक्ट की जा सकती है। अंत में, इस प्रोटोकॉल को आसानी से अन्य प्रयोगों के साथ जोड़ा जा सकता है, ताकि सामग्री गुणों पर इंजेक्शन के प्रभाव का परीक्षण किया जा सके और फिल्टर दबाने और आत्म-चिकित्सा, या कोशिकाओं पर इंजेक्शन के प्रभाव जैसी घटनाओं की जांच की जा सके।
इस प्रोटोकॉल की मुख्य सीमा यह है कि एक सार्वभौमिक यांत्रिक परीक्षक की आवश्यकता है। हालांकि ये सामग्री परीक्षण प्रयोगशालाओं में आम हैं, वे खरीदने के लिए महंगे हैं यदि उपयोगकर्ता एक तक नहीं पहुंच सकता है। इसके अलावा, यांत्रिक परीक्षक या तो एक निर्धारित बल या विस्थापन की दर पर एकक्षी संपीड़न प्रदान करता है, जबकि लागू बल और इंजेक्शन की गति हाथ से इंजेक्शन के दौरान भिन्न हो सकती है। यह प्रोटोकॉल कुछ वास्तविक दुनिया इंजेक्शन को दोहराने के लिए भी अनुपयुक्त है, जैसे कि थिएटर में जटिल ऊतकों में इंजेक्शन, या विभिन्न कोणों पर इंजेक्शन। क्लिनिक में इंजेक्शन के बल की मात्रा निर्धारित करने के लिए, बल और विस्थापन ट्रांसड्यूसर एक बेहतर तरीका हो सकता है।
The authors have nothing to disclose.
इस काम को ईपीएसआरसी सीडीटी फॉर फॉर्मूलेशन इंजीनियरिंग ने यूके के बर्मिंघम विश्वविद्यालय में स्कूल ऑफ केमिकल इंजीनियरिंग, ग्रांट रेफरेंस ईपी/एल015153/1 और रॉयल सेंटर फॉर डिफेंस मेडिसिन में फॉर्मूलेशन इंजीनियरिंग द्वारा वित्त पोषित किया गया था ।
Alginic Acid Sodium Salt | Sigma | A2033-100G | |
Blunt Needles | Needlez | NB19G1.5 | Any size may be used, depending on application |
Calcium Sulphate Hemihydrate | Acros Organics | 22441.296 | |
Clamp stand | Eisco | MTST5 | Two required |
Clamps | R&L Enterprises | 41 | Two required, should have flat tops |
Syringes | BD | 307731 | Any size can be used, depending on application |
Universal Mechanical Tester | Zwick Roell | Z030 |