Summary
여기에 제시된 표준 기계 테스트 장비를 사용하여 주사기 바늘 시스템을 통해 물질의 주사용성을 정량적으로 평가하기 위한 프로토콜이 제시된다.
Abstract
주사용 생체 재료는 약물과 세포의 최소 침습적 전달에 대한 점점 더 인기를 끌고있다. 이러한 물질은 일반적으로 전통적인 수 성 주사 보다 더 점성 하 고 반 고체 수 있습니다., 따라서, 그들의 주 사용 가능 가정 수 없습니다. 이 프로토콜은 표준 기계 테스터를 사용하여 이러한 물질의 주사용 가능성을 객관적으로 평가하는 방법을 설명합니다. 주사기 플런저세트는 정해진 속도로 크로스헤드에 의해 압축되고, 힘이 측정된다. 그런 다음 최대 또는 고원 힘 값을 샘플 간의 비교 또는 절대 힘 제한에 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜은 모든 재료 및 주사기 및 바늘 크기 또는 형상과 함께 사용할 수 있습니다. 얻어진 결과는 번역 과정에서 초기에 제형, 주사기 및 바늘 크기에 대한 결정을 내리는 데 사용될 수 있다. 또한, 주사용성에 대한 제형 변경의 효과는 정량화될 수 있으며, 시간적으로 변화하는 물질을 주입하는 최적의 시간이 결정될 수 있다. 이 방법은 또한 물질에 대한 주입의 효과를 검사하고, 자가 치유 및 필터 누르기와 같은 현상을 연구하거나 세포에 대한 주입의 효과를 연구하는 재현 가능한 방법으로 적합합니다. 이 프로토콜은 회전 유경학보다 주사용 성에 더 빠르고 직접적으로 적용되며 직접 비교를 위한 키 값을 얻기 위해 최소한의 사후 처리가 필요합니다.
Introduction
생체 재료는 종종 연구및 치료 1의 표적, 지속적인 전달을 위한 세포 기지를 둔 조직 재생 및 창고를 위한 발판으로이용됩니다. 이 분야에서, 주 사용 가능한 생체 재료는 최소 침습으로 인기가 증가하고 있다, 이는 감염의 위험을 감소, 통증과 이식과 관련된 흉터2. 또한, 그들은 일반적으로 유체로 적용되기 때문에, 그들은 조직 결함에 완벽하게 준수하고, 약물과 세포는 응용 프로그램3,4,5직전에 그들로 혼합 될 수있다. 이와 같이, 주사용 생체 재료는 미리 로드된 주사기로 제조될 수 있지만, 적용 직전에 임상의가 직접 제조하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 시멘트는 분말 및 액체 상이 혼합되면 설정되기 시작하므로6을사용하기 전에 장시간 보관할 수 없습니다. 따라서 이러한 재료의 특성화는 시간에 따라 다르며 준비와 불가분의 관계가 있습니다.
일반적인 주사용 생체 재료는 칼슘 시멘트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 바이오글래스 및 각종 폴리머하이드로겔3,7을포함한다. 물과 동일한 유변학적 특성을 가진 약물의 전통적인 주사와는 달리, 이러한 주사용 생체 재료는 일반적으로 더 점성, 비 뉴턴, 일부 탄성 특성을 가질 수있다, 또한 시간이 지남에 따라 변경 될 수 있습니다. 따라서 이러한 물질의 주사용 력은 가정할 수 없지만 실험적으로 평가되어야 합니다. 주사에 필요한 힘을 정량화하고 주입의 용이성에 상관관계를 형성함으로써, 어떤 생체 물질 제형, 주사기 및 바늘 크기가 앞으로 나아갈지에 대한 초기 결정은 개발 과정에서 초기에 이루어질 수있다 8. 이러한 실험은 또한 주사용성9에대한 제형 변경의 효과를 정량화할 수 있다.
주 사용 물질의 속성을 평가하는 몇 가지 방법이 있습니다. 회전 유경학은 종종 점도, 비 뉴턴 동작, 전단 후 복구, 설정 시간 및 이러한 재료의 다른 특성을 평가하기 위해활용된다 10,11,12. 이러한 유형의 테스트는 재료의 기본 특성을 설정하는 데 유용하지만 이러한 특성은 주사용 과 직접적인 상관 관계가 없습니다. 뉴턴 유체 및 원통형 주사기 및 바늘의 경우, 주입력은 하겐-포수유 방정식13의형태로 추정될 수 있다.
여기서 F는 주입(N), Rs는 내부 주사기 반경(m), Rn은 내부 바늘 반경(m), L은 바늘 길이(m), Q는 유체 유량(m3 s-1),η 동적 점도(Pa.s) 및 Ff는 플런저와 배럴 벽(N) 사이의 마찰력이다. 따라서, 점도가 회전 유경학을 통해 측정되는 경우, 주사기와 바늘의 치수가 알려지고 유량이 추정되며, 사출력은 추정될 수 있다. 그러나 이 방정식은 주사기또는 오프센터 콘센트와 같은 다른 형상의 원적 끝을 고려하지 않으며, Ff는기계적 테스트를 통해 실험적으로 추정되거나 발견되어야 합니다. 또한, 생체 재료는 일반적으로 뉴턴이 아니지만 복잡한 유변학적 특성을 나타낸다. 간단한 전단 숱이 유체의 경우 방정식은14가됩니다.
여기서 n은 전원 지수(-)와 K는 오스트발트 드 Waele 식의 일관성 지수(Pa.s 
n)입니다. 유변학적 특성이 두 값을 특징으로 할 수 없는 재료, 특히 시멘트 설정과 같은 시간에 의존하는 재료의 복잡성이 크게 증가합니다. 또한 재료 특성이 전단에 의존하는 경우, 재료는 바늘에서 예상되는 전단 속도로 테스트되어야하며, 이는 회전 류미터15의범위를 훨씬 초과할 수 있습니다.
주사용성을 측정하는 또 다른 정량적 방법은 주사를 수행하거나 주사기 펌프를 사용하는 동안 주사기에 압력 및 변위 센서를 부착하는 것입니다. 이 장비는 상대적으로 저렴하지만 사용자가 스크립트및 교정 곡선을 생성하여 힘데이터(16)로변환해야 합니다. 또한, 주사기 펌프는 점성 또는 반고체 물질을 돌출하기 위해 높은 힘이 필요한 경우 플런저를 정밀한 속도로 압축하기에 충분한 토크를 보유하지 못할 수 있다. 대안적으로, 이러한 센서를 손으로 주입할 때 이를 활용하는 것은 임상 적 임상 시나리오에서 사용될 수 있기 때문에 유용할 수있다(17)임상 절차 동안. 그러나 이 경우 훨씬 더 오래 걸리며 사용자 편향이 발생할 수 있으므로 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면 다른 사용자와 더 많은 수의 반복이 필요합니다. 따라서, 번역 파이프라인 아래로 더 아래로 물질, 또는 임상 사용에 이미 제품에 더 적합할 수 있습니다.
이 프로토콜에서 기계 테스터는 플런저를 설정된 속도로 압축하고 필요한 힘을 측정하는 데 사용됩니다. 이러한 유형의 기계 시험자는 재료 실험실에서 일반적이며 다양한 생체재료(18,19,20,21,22, 23,24)에대한 주사용 성을 정량화하는 데 사용되어 왔다. 이 테스트는 주사기와 바늘의 크기와 기하학과 함께 사용할 수 있으며, 모든 재료를 함유하고 있습니다. 또한, 사용 직전에 만들어진 생체 재료의 경우, 검사 전에 클리닉 이나 수술에 사용될 정확한 제형 절차를 따를 수 있다. 이 절차의 또 다른 장점은 상대적으로 빠르다는 것입니다. 기계 테스터가 설정되면 압출 속도와 주사기 부피에 따라 수십 개의 샘플을 한 시간 안에 연구할 수 있습니다. 이는 일반적으로 테스트당 최소 5~10분, 로딩, 평형 및 세척 시간이 소요되는 회전 유변학과는 대조적입니다. 기계 테스터를 사용하면 플런저보다 동등하게 신뢰할 수 있는 압출 속도를 생성하며, 이는 점성 제형 또는 시간 종속 특성을 가진 사람들에게 특히 유리합니다. 테스트를 마친 후 객관적인 비교를 위해 중요한 값을 끌어내기 위해서는 데이터의 사후 처리를 최소화해야 합니다.
Protocol
1. 샘플 준비
- 샘플을 준비하고 주사기에 로드합니다.
- 미리 로드된 주사기를 시뮬레이션하려면 샘플을 미리 준비하고 주사기에 적재하고 바늘을 부착합니다. 테스트할 때까지 필요에 따라 저장합니다. 이는 시간이 지남에 따라 변하지 않는 하이드로겔 및 재료에 적합할 수 있습니다.
참고: 예를 들어, 2% 알지네이트 용액을 준비하려면 실온에서 교반하여 100mL의 탈온화 물에 알긴산 나트륨 소금 2g을 녹입니다. 용액을 5mL 주사기로 흡입하고 실온에서 24시간 동안 보관하십시오. - 또는, 응용 프로그램 직전에 직접 제조 된 주입을 시뮬레이션하려면 클리닉에서 만들어질 것과 동일한 방식으로 샘플을 준비하여 모든 설정 시간을 허용하십시오. 주사기에 적재하고 바늘을 부착합니다. 이것은 시멘트, 그리고 그 속성이 시간에 따라 변경 재료에 적합 할 수있다.
참고: 예를 들어, 황산칼슘 시멘트를 준비하려면 황산칼슘 4g을 5mL의 탈수물과 1분 동안 양수로 수동으로 섞는다. 주사기에서 플런저를 제거하고 주걱으로 주사기 배럴에 시멘트를 로드합니다. 4분 후에 기계 테스트를 시작합니다.
주의: 바늘은 안전 위험을 제기하고 가능하면 무딘 바늘을 사용합니다. 물질에 세포 또는 기타 생물학적 물질이 포함되어 있는 경우 날카로운 부상을 방지하기 위해 추가주의를 기울여야 합니다.
- 미리 로드된 주사기를 시뮬레이션하려면 샘플을 미리 준비하고 주사기에 적재하고 바늘을 부착합니다. 테스트할 때까지 필요에 따라 저장합니다. 이는 시간이 지남에 따라 변하지 않는 하이드로겔 및 재료에 적합할 수 있습니다.
2. 기계 테스터 설정
- 기계 테스터에 플랫 도금(압축 테스트용)을 부착합니다.
- 기계 테스터에 최대 하중 200 N의 로드 셀을 수동으로 장착합니다.
참고: 1 – 200 N 범위에서 충분한 정밀도를 가지고 있는 경우 더 큰 로드 셀이 사용될 수 있습니다. 점성이 크고 손으로 주입할 의도가 없는 샘플은 더 큰 로드 셀이 필요할 수 있다. - 수동 제어 버튼을 사용하여 플레이트를 분리하여 바늘, 주사기 및 플런저 (약 30cm 충분)에 충분한 공간을 허용합니다.
- 테스트 프로토콜을 만듭니다.
- 테스트 마법사를 열고 테스트 유형을 축화 압축으로 설정합니다.
- 사전 로드를 설정합니다. 테스트가 시작되는 측정된 힘 값입니다. 0.5 N은 충분합니다.
- 속도를 5mm/분으로 미리 로드하도록 설정합니다. 이것은 크로스헤드가 사전 부하와 맞을 때까지 아래로 이동하는 속도입니다.
- 변위 제어로 하중을 설정하고 적절한 테스트 속도를 선택합니다. 1mm/s는 표준 5mL 주사기에 적합한 속도입니다.
- 예를 들어, 200 N과 같은 테스트를 중지할 수 있는 상한을 설정합니다. 이것은 주로 안전상의 이유입니다. 시험은 또한 주사기의 길이와 같은 주어진 변위에서 자동으로 중지될 수 있습니다.
3. 클램핑 시스템 설정
- 두 개의 스탠드에 두 개의 클램프 세트를 부착하고 그립은 선택한 주사기를 단단히 고정할 수 있을 만큼 충분히 큽습니다.
- 주사기와 바늘을 위한 그립 아래에 충분한 공간을 갖춘 크로스헤드와 베이스플레이트 사이에 그립을 놓습니다.
- 두 그립의 중심을 정렬하고, 크로스 헤드의 중심으로 이들을 정렬합니다.
참고: 클램프 그립을 서로 정렬하고 크로스헤드의 중심을 달성하는 데 다소 시간이 걸릴 수 있지만 고품질 데이터를 확보하는 것이 중요합니다. - 하향 힘이 적용될 때 클램프에 움직임이 없도록 클램프를 단단히 고정합니다.
- 접시를 바닥 접시에 놓고 압출 된 재료를 수집합니다.
4. 주사용 프로토콜 실행
- 주사기를 클램프 그립에 삽입하고 닫습니다. 그립은 주사기를 제자리에 고정시켜야하지만 저항없이 위아래로 움직일 수 있습니다.
- 주사기와 플런서가 십자헤드에 수직이 되도록 합니다. 이렇게 하면 재료의 단방향 압축만 측정됩니다.
참고: 빈 주사기를 사용하여 4.1 단계와 4.2단계를 확인해야 합니다. - 수동 이동 버튼을 사용하여 상단 플레이트를 플런저 바로 위에 있는 위치로 낮춥춥습니다.
참고: 기계 테스터 프로토콜에서'시작 위치'를선택할 수 있으므로 플런저 위의 원래 위치에 자동으로 도달하고 테스트 전반에 걸쳐 일관성이 있습니다. - '제로 포스'를 클릭하여 측정된 힘을0으로 설정합니다.
- '실행'을 눌러 테스트 프로토콜을실행합니다.
주의: 실험자는 항상 각 시험을 관찰하기 위해 존재해야 하며, 사고 발생 시 비상 정지를 활성화할 준비가 되어 있어야 합니다. - 주사기를 제거할 수 있도록 수동 이동 버튼을 사용하여 플레이트를 충분한 높이로 올립니다.
- 각 샘플에 대해 4단계를 반복합니다.
참고: 이 시점에서, 주사기 및 압출된 견본은 추가 분석이 필요하지 않은 경우에 폐기될 수 있습니다, 그러나 필터 누르기, 자기 치유, 세포에 대한 효력 등을 검사하기 위하여 보관될 수 있습니다.
5. 데이터 수집
- 힘 및 변위 값을 생성할 수 있는 형식으로 각 평가판의 데이터를 저장합니다(.txt, .xls, .xlsx).
- x축의 변위와 y축의 힘으로 각 평가판의 결과를 플롯합니다.
- 그래프에서 최대 힘(존재하는 경우) 및 고원 력을 읽습니다.
Representative Results
기계 테스터 및 클램핑 시스템의 셋업은 도 1A에표시됩니다. 이 프로토콜은 테스트된 각 샘플에 대해 테이블 및 힘 대 변위 그래프를 생성합니다. 일반적인 힘 변위 곡선은 3개의 단면(도1B)으로구성됩니다: 초기 그라데이션은, 플런저가 배럴으로부터의 마찰을 극복하고 재료가 가속됨에 따라, 힘 최대, 및 고원은 재료가 일정한 상태로 압출됨에 따라.
그러나, 뚜렷한 최대값은 플런저를 가속화하는 데 필요한 힘보다 고원력이 낮은 경우에만 존재한다. 따라서 피크는 넓은 바늘을 통과하는 비적 시료에 대해서만 볼 수 있습니다. 점성 시료의 경우, 일정한 속도로 샘플을 주입하는 데 필요한 힘은 배럴의 마찰을 극복하고 재료를 가속화하는 데 필요한 힘보다 크며 뚜렷한 피크가 보이지않습니다(도 1C). 점성이 높은 시료 또는 매우 좁은 바늘의 경우, 물질을 돌출하는 데 필요한 힘이 너무 커서 주사기버클이 버클과 실패할 수 있으며, 종종 물질의 압출이 거의 없을 수있습니다(도 1D). 주입되는 물질이 입자를 포함하거나 시멘트, 필터 압착(액체 상의 우대 추방) 또는 벌크 세팅과 같은 설정이 진행 중인 경우 불완전한주입(도 1E)으로이어질 수 있다.
그림 1: 이 프로토콜에서 생성된 샘플 곡선입니다. (A)이 프로토콜에 대한 기계적 테스터설정. (B)전형적인 힘 압출 곡선. (C)뚜렷한 최대 피크가 없는 힘 압출 곡선. (D)주사기 고장에 대한 강제 압출 곡선. (E)설정 시멘트에 대한 강제 압출 곡선. 이 그림은 로빈슨 외8에서적응된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
기계적 테스트는 아마도 주사용 성을 정량화하는 가장 간단하고 신뢰할 수있는 방법입니다. 이 프로토콜의 주요 장점은 재료 실험실에서 흔히 볼 수 있는 기계 테스터 이외에특별한 장비가 필요하지 않다는 것입니다. 이 프로토콜은 매우 다양합니다. 주사기를 클램프에 수용 할 수 있다면 모든 재료, 바늘 게이지 및 주사기 크기를 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜에서 최대 10mL의 주사기에 대해 확인되었습니다. 또한, 재료는 실제 응용프로그램(25)에대해와 똑같이 정확하게 제조될 수 있다. 마지막으로, 이 절차는 매우 빠르며 샘플당 최대 몇 분밖에 복용하지 않으므로 시간당 수십 개의 샘플을 처리할 수 있습니다.
일반적인 곡선을 제공하는 샘플의 경우 최대 힘과 고원 힘 곡선의 두 값을 추출할 수 있습니다. 최대 힘은 틀림없이 더 객관적이며 각 샘플의 데이터 테이블에서 계산하여 추출할 수 있습니다. 반대로, 고원력은 가장 많은 시간 동안 경험하는 힘이 될 것이고, 평균적으로 큰 변동이 있는 곡선의 영향을 덜 받을 수 있기 때문에 더 대표적인 힘이 될 수 있습니다. 이러한 변동은 재료의 기포 또는 입자로 인해 압출될 때 간헐적으로 변경되거나 작은 힘 측정을 위한 낮은 계측기 정밀도로 인해 발생할 수 있습니다. 그러나 많은 시료의 경우 최대 힘 피크가 없으므로 최대 및 고원 값이 동일합니다. 일관된 값을 사용하는 한 주입 력 간의 객관적인 비교를 할 수 있습니다.
얻은 데이터는 여러 가지 방법으로 사용할 수 있습니다. 주사용력 값은 주입의 용이성에 비해, 어떤 제형, 주사기 및 바늘 크기가 번역8에대해 실행 가능한지 확립하기 위하여. 대안적으로, 샘플 사이를 비교하면 주사용성에 대한 제형에 대한 변경 사항을 정량화할 수 있습니다. 예를 들어, 시멘트에서, 액체 상의 점도를 변화시키고, 입자 크기 분포, 및 구연산과 같은 첨가제를 첨가하여 콜로이드 특성을 변화시키고, 주사용성9에큰 변화를 가질 수 있다. 이러한 테스트는 또한 최적의 주입 및 후 사출 성능을 위해 시멘트에 대한 제형 프로토콜, 예를 들어 혼합 시간, 로딩 시간 및 적용 시간, 시멘트용 제제 프로토콜을 알릴 수 있다. 또한, 이러한 방법은 3D 프린팅을 위한 새로운 바이오잉크의 초기 타당성을 테스트하는 데 사용될 수 있다.
이 프로토콜은 여러 가지 방법으로 수정할 수 있습니다. 클램프 시스템은 주사기를 보유하기 위해 맞춤형 3D 인쇄 구문으로 대체될 수 있으며, 이는 주사기와 플런저를 십헤드에 수직으로 고정하고 주사기를 안전하게 고정할 수 있도록 할 수 있다. 바늘은 캔뉼라 또는 플런저의 압축에 의해 물질을 압출하는 모든 장치로 대체 될 수 있으며 모든 크기와 형상일 수 있습니다. 결과의 충실도를 높이기 위하여는, 바늘의 끝은 임상 주입을 보다 정확하게 시뮬레이션하기 위하여 조직 또는 하이드로겔로 배치될 수 있다. 그러나, 이것은 프로토콜에 추가 복잡성을 추가, 조직/젤 조성 및 바늘 깊이 일정 하게 유지 되어야 하므로. 또한, 이 프로토콜은 변위 제어 압출을 활용하여 지정된 속도로 주입하는 데 필요한 힘을 측정합니다. 대안적으로, 사출력을 지정할 수 있고, 압출의 양을 시간에 대해 측정할 수 있다. 이는 시멘트와 같은 시간 종속 특성이 있는 재료에 유용할 수 있습니다. 예를 들어, 주사력과 주사용성의 용이성 사이의 상관관계를 이용하여 포스8을선택함으로써, 이 프로토콜은 시멘트의 전체 부피가 설정 전에 이 속도로 주입될 수 있는지 여부를 확립하는 데 사용될 수 있다. 마지막으로, 이러한 프로토콜은 다른 실험과 쉽게 결합될 수 있으며, 재료 특성에 대한 주입효과를 테스트하고 필터 누르기 및 자가 치유, 또는 세포에 대한 주입의 효과와 같은 현상을 검사할 수 있다.
이 프로토콜의 주요 제한사항은 범용 기계 테스터가 필요하다는 것입니다. 이러한 재료 테스트 랩에서는 일반적이지만 사용자가 랩에 액세스할 수 없는 경우 구입하는 데 비용이 많이 듭니다. 또한, 기계테터는 변위의 설정된 힘 또는 속도에서 단방향 압축을 제공하지만, 적용된 힘 및 사출 속도는 손으로 주입하는 과정에서 다를 수 있다. 이 프로토콜은 또한 일부 실제 주사를 복제에 적합 하지 않습니다., 극장에서 복잡 한 조직에 주사 등, 또는 다른 각도에서 주입. 클리닉에서 주입의 힘을 정량화하기 위해, 힘과 변위 트랜스듀서는 더 나은 방법이 될 수 있습니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 영국 버밍엄 대학의 화학 공학 대학의 제제 공학을위한 EPSRC CDT, 보조금 참조 EP / L015153/1, 국방 의학왕립 센터에 의해 지원되었습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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