Presentert her er en protokoll for kvantitativ evaluering av injiserbarheten av et materiale gjennom en sprøyte-nål system ved hjelp av en standard mekanisk testrigg.
Injiserbare biomaterialer blir stadig mer populært for minimal invasiv levering av narkotika og celler. Disse materialene er vanligvis mer viskøs enn tradisjonelle vandige injeksjoner og kan være semi-solid, derfor, deres injiserbarhet kan ikke antas. Denne protokollen beskriver en metode for objektivt å vurdere injiserbarheten av disse materialene ved hjelp av en standard mekanisk tester. Sprøytestempelet komprimeres av tverrsnøyet med en innstilt hastighet, og kraften måles. Maksimal eller platåkraftverdi kan deretter brukes til sammenligning mellom prøver, eller til en absolutt kraftgrense. Denne protokollen kan brukes med ethvert materiale, og enhver sprøyte og nål størrelse eller geometri. Resultatene som oppnås kan brukes til å ta beslutninger om formuleringer, sprøyte og nålstørrelser tidlig i den translasjonelle prosessen. Videre kan effekten av å endre formuleringer på injiserbarhet kvantifiseres, og den optimale tiden for å injisere tidsmessig skiftende materialer bestemt. Denne metoden er også egnet som en reproduserbar måte å undersøke effekten av injeksjon på et materiale, å studere fenomener som selvhelbredende og filtrere trykke eller studere effekten av injeksjon på celler. Denne protokollen er raskere og mer direkte anvendelig for injiserbarhet enn rotasjonsreologi, og krever minimal etterbehandling for å oppnå nøkkelverdier for direkte sammenligninger.
Biomaterialer studeres ofte og brukes som stillas for cellebasert vevregenerering og depoter for målrettet, vedvarende levering av terapeutiske1. Innenfor dette feltet, injiserbare biomaterialer vokser i popularitet som de er minimalt invasiv, noe som reduserer risikoen for infeksjon, smerte og arrdannelse forbundet med implantasjon2. Videre, fordi de vanligvis brukes som væsker, passer de perfekt til vevsfeil, og legemidler og celler kan blandes inn i dem umiddelbart før søknaden3,4,5. Som sådan, mens injiserbare biomaterialer kan produseres som forhåndslastede sprøyter, de er ofte utarbeidet av klinikere direkte før påføring. Sementer begynner for eksempel å stille når pulver- og væskefasene er blandet, og kan derfor ikke lagres i lange perioder før bruk6. Karakteriseringen av disse materialene er dermed tidsavhengig og uløselig knyttet til deres forberedelse.
Vanlige injiserbare biomaterialer inkluderer kalsiumsementer, polymetylmetakkrylat, biobriller og ulike polymere hydrogeler3,7. I motsetning til tradisjonelle injeksjoner av narkotika, som har de samme revologiske egenskapene som vann, disse injiserbare biomaterialer er vanligvis mer viskøse, ikke-newtonske, kan ha noen elastisk karakter, og kan også endre seg over tid. Injiserbarheten av disse materialene kan derfor ikke antas, men må vurderes eksperimentelt. Ved å kvantifisere kraften som kreves for injeksjon og korrelere den til enkel injeksjon, kan tidlige beslutninger om hvilke biomateriale formuleringer, sprøyte og nålestørrelser som skal tas fremover, gjøres tidlig iutviklingsprosessen 8. Slike eksperimenter kan også kvantifisere effekten av å endre formuleringer på injiserbarhet9.
Det finnes flere metoder for å vurdere egenskapene til injiserbare materialer. Rotasjonsreologi brukes ofte til å vurdere viskositet, ikke-newtonsk oppførsel, post-skjær utvinning, innstillingstid, og andre egenskaper av disse materialene10,11,12. Selv om denne typen test er nyttig for å etablere grunnleggende egenskaper av materialene, korrelerer disse egenskapene ikke direkte til injiserbarhet. For en newtonsk væske og sylindrisk sprøyte og nål kan injeksjonskraften estimeres ut fra en form for Hagen–Poiseuille-ligningen13:
Der F er kraften som kreves for injeksjon (N), Rs er den interne sprøyteradiusen (m), Rn er den indre nålradiusen (m), L er nålelengden (m), Q er væskestrømningshastighet (m3 s-1),η er den dynamiske viskositeten (Pa.s) og Ff er friksjonskraften mellom stempelet og fatveggen (N). Dermed, hvis viskositeten måles via rotasjonsreologi, er dimensjonene på sprøyten og nålen kjent og strømningshastigheten estimert, kan injeksjonskraften estimeres. Denne ligningen tar imidlertid ikke høyde for den koniske enden av sprøyten eller andre geometrier, for eksempel off-center utsalgssteder, og Ffmå estimeres eller finnes eksperimentelt ved mekanisk testing. Videre er biomaterialer vanligvis ikke newtonske, men viser komplekse revologiske egenskaper. For en enkel skjærtynningsvæske blir ligningen14:
Hvor n er strømindeksen (-) og K er konsistensindeksen (Pa.sn) fra Ostwald de Waele-uttrykket: , hvor er
skjærhastigheten (s-1). Kompleksiteten øker i stor grad for materialer hvis revologiske egenskaper ikke kan karakteriseres av to verdier, og spesielt for tidsavhengige materialer som å sette sementer. I tillegg, hvis materialegenskapene er skjæravhengige, må materialet testes med skjærhastigheten som forventes i nålen, noe som langt kan overstige rekkevidden til et rotasjonsreometer15.
En annen kvantitativ metode for måling av injiserbarhet innebærer å feste trykk- og forskyvningssensorer til en sprøyte mens du utfører en injeksjon, enten for hånd eller ved hjelp av en sprøytepumpe. Dette utstyret er relativt billig, men krever brukere å generere skript og kalibrering kurver for å konvertere til kraft data16. Videre kan det hende at en sprøytepumpe ikke har tilstrekkelig moment til å komprimere stempelet nøyaktig hvis høye krefter er nødvendig for å ekstrudere viskøs eller halvfaste materialer. Alternativt kan bruk av disse sensorene ved injeksjon for hånd være nyttig da de kan brukes i et reelt klinisk scenario, under kliniske prosedyrer17. Dette vil imidlertid ta mye lengre tid og kan introdusere brukerbias, og vil derfor trenge større antall repetisjoner med forskjellige brukere for å oppnå pålitelige resultater. Dette kan dermed være mer hensiktsmessig for materialer som er lenger ned i den translasjonelle rørledningen, eller produkter som allerede er i klinisk bruk.
I denne protokollen brukes en mekanisk tester til å komprimere stempelet med en innstilt hastighet, og måle kraften som kreves for å gjøre det. Denne typen mekanisk tester er vanlig i materiallaboratorier og har blitt brukt til å kvantifisere injiserbarhet for ulikebiomaterialer 18,19,20,21,22,23,24. Denne testen kan brukes med alle størrelser og geometri av sprøyte og nål, som inneholder materiale. Videre, i tilfelle av biomaterialer som gjøres umiddelbart før bruk, kan den nøyaktige formuleringsprosedyren som vil bli brukt i klinikken eller operasjonen følges før testing. En ytterligere fordel med denne prosedyren er at den er relativt rask; når den mekaniske testeren er satt opp, kan titalls prøver studeres om en time, avhengig av ekstruderingshastighet og sprøytevolum. Dette er i motsetning til rotasjonsreologi, som vanligvis tar minst 5 – 10 minutter per test, pluss lasting, likevekt og rengjøringstid. Ved hjelp av en mekanisk tester produserer en pålitelig ekstruderingshastighet likt over stempelet, noe som er spesielt fordelaktig for viskøse formuleringer eller de med tidsavhengige egenskaper. Etter testing er minimal etterbehandling av data nødvendig for å trekke ut viktige verdier for objektive sammenligninger.
Mekanisk testing er kanskje den enkleste og mest pålitelige måten å kvantifisere injiserbarhet. En viktig fordel med denne protokollen er at ingen spesialutstyr er nødvendig, annet enn den mekaniske testeren, som er vanlig i materiallaboratorier. Denne protokollen er svært allsidig; materiale, nålemåler og sprøytestørrelse kan brukes, forutsatt at sprøyten kan innkvarteres av klemmene. Dette er bekreftet i denne protokollen for sprøyter opp til 10 ml. Videre kan materialet være forberedt akkurat som det ville for den virkelige anvendelsen25. Til slutt er denne prosedyren veldig rask, tar bare opptil noen få minutter per prøve, slik at titalls prøver kan behandles per time.
For prøver som gir typiske kurver, kan to verdier ekstraheres: maksimal kraft og platåkraftkurvene. Maksimal kraft er uten tvil mer objektiv og kan trekkes ut beregningsmessig fra datatabellen for hvert utvalg. Omvendt kan platåkraften være mer representativ, da dette vil være kraften som oppleves for størst tid, og som et gjennomsnitt er mindre påvirket av kurver med store svingninger. Disse svingningene kan skyldes luftbobler eller partikler i materialet som forårsaker periodiske endringer etter hvert som de ekstruderes, eller ved lav instrumentpresisjon for små kraftmålinger. Det er imidlertid bemerkelsesverdig at det for mange prøver ikke er noen maksimal krafttopp, og så er maksimums- og platåverdien den samme. Objektive sammenligninger mellom injeksjonskrefter kan gjøres så lenge en konsekvent verdi brukes.
Dataene som er innhentet kan brukes på flere måter. Injiserbarhetskraftverdiene kan sammenlignes med enkel injeksjon, for å fastslå hvilke formuleringer, sprøyte- og nålstørrelser som er levedyktige foroversettelse 8. Alternativt, sammenligne mellom prøver gjør det mulig for kvantifisering av endringer i formuleringer på injiserbarhet. For eksempel, i sementer, endre viskositeten av væskefasen, partikkelstørrelsesfordelingen, og legge til tilsetningsstoffer som citrate for å endre kolloidale egenskaper, kan ha store endringer i injiserbarhet9. Disse testene kan også informere formuleringsprotokollen for sementer, for eksempel blandetid, tid til lasting og tid til påføring, for optimal injeksjon og ytelse etter injeksjon. I tillegg kan denne metoden brukes til å teste den første gjennomførbarheten av nye bioinks for 3D-utskrift.
Denne protokollen kan endres på flere måter. Klemmesystemet kan erstattes med en skreddersydd 3D-trykt konstruksjon for å holde sprøyten, noe som kan gjøre det lettere å sikre at sprøyten og stempelet er vinkelrett på tverrhodet, og sprøyten holdes godt. Nålen kan erstattes med en kanyle eller en hvilken som helst enhet som ekstruderer materiale ved kompresjon av et stempel og kan være av alle størrelser og geometri. For å øke resultatenes gjengivelse kan nålens spiss plasseres i et vev eller hydrogel, for å simulere klinisk injeksjon mer nøyaktig. Dette legger imidlertid ytterligere kompleksiteter til protokollen, da vev / gelsammensetning og nålesybde må holdes konstant. Videre benytter denne protokollen forskyvningskontrollert ekstrudering, for å måle kraften som kreves for å injisere med den angitte hastigheten. Alternativt kan injeksjonskraften spesifiseres, og mengden ekstrudering kan måles mot tiden. Dette kan være nyttig for materialer med tidsavhengige egenskaper, for eksempel sementer. For eksempel, ved hjelp av en korrelasjon mellom injeksjonskraft og enkel injiserbarhet for å velge en kraft8, kan denne protokollen brukes til å fastslå om hele volumet av sement kan injiseres med denne hastigheten før innstilling. Til slutt kan denne protokollen enkelt kombineres med andre eksperimenter, for å teste effekten av injeksjon på materialegenskapene og undersøke fenomener som filterpressing og selvhelbredende, eller effekten av injeksjon på celler.
Hovedbegrensningen i denne protokollen er at en universell mekanisk tester er nødvendig. Mens disse er vanlige i materialer testing laboratorier, de er dyre å kjøpe hvis brukeren ikke får tilgang til en. Videre gir den mekaniske testeren uniaxial kompresjon med enten en fast kraft eller hastighet på forskyvning, mens den påførte kraften og injeksjonshastigheten kan variere i løpet av injeksjonen for hånd. Denne protokollen er også uegnet for å replikere noen virkelige injeksjoner, for eksempel injeksjoner i komplekse vev i teater, eller injisere i forskjellige vinkler. For å kvantifisere injeksjonskraften i klinikken, kan kraft- og forskyvningstransdusere være en bedre metode.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble finansiert av EPSRC CDT for Formulering Engineering ved School of Chemical Engineering ved University of Birmingham, UK, Grant reference EP/L015153/1, og Royal Centre for Defence Medicine.
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 |