Name: Quantifizierung der Injekbarkeit durch mechanische Prüfung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 46 s
Description: Erfahren Sie die Bewertung der Injizierbarkeit von Biomaterialien wie Hydrogelen und Zementen mittels mechanischer Prüfung. Diese Methode ermöglicht präzise Kraftmessungen zur Optimierung von Formulierungen für die Arzneimittelabgabe.

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Diese Arbeit wurde vom EPSRC CDT for Formulation Engineering in the School of Chemical Engineering der University of Birmingham, UK, Grant Reference EP/L015153/1 und dem Royal Centre for Defence Medicine finanziert.

1. Probenvorbereitung
<ol><li>Bereiten Sie die Probe vor und laden Sie sie in die Spritze.<ol>
<li>Um eine vorinstallierte Spritze zu simulieren, bereiten Sie die Probe im Voraus vor, laden Sie sie in die Spritze und befestigen Sie die Nadel. Speichern Sie nach Bedarf, bis zum Testen. Dies kann für Hydrogele und Materialien geeignet sein, die sich mit der Zeit nicht ändern. HINWEIS: Um beispielsweise 2% Alginatlösungen herzustellen, lösen Sie 2 g Alginsäure-Natriumsalz in 100 ml entionisiertem Wasser auf, indem Sie bei Raumtemperatur rühren. Die Lösung in 5 ml Spritzen aspirieren und 24 h bei Raumtemperatur lagern.</li>
		<li>Alternativ können Sie eine Injektion simulieren, die direkt vor der Anwendung formuliert wurde, und bereiten Sie die Probe auf die gleiche Weise vor, wie sie in der Klinik durchgeführt würde, so dass etwaige Einstellzeiten möglich sind. In die Spritze geben und die Nadel befestigen. Dies kann für Zemente und Materialien geeignet sein, deren Eigenschaften sich mit der Zeit ändern. HINWEIS: Um beispielsweise Calciumsulfatzement zuzubereiten, mischen Sie 4 g Calciumsulfat-Hemihydrat manuell in 5 ml entionisiertes Wasser mit einem Spachtel für 1 min. Entfernen Sie den Kolben aus der Spritze und laden Sie den Zement mit dem Spachtel in den Spritzenlauf. Beginnen Sie die mechanische Prüfung nach 4 min. VORSICHT: Nadeln stellen ein Sicherheitsrisiko dar, verwenden Sie nach Möglichkeit stumpfe Nadeln. Wenn das Material Zellen oder andere biologische Materialien enthält, sollte besonders darauf geachtet werden, scharfe Verletzungen zu verhindern.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Richten Sie den mechanischen Prüfer ein
<ol><li>Befestigen Sie flache Platten (für Kompressionstests) am mechanischen Tester.</li>
	<li>Den mechanischen Tester manuell mit einer Wägezelle mit einer maximalen Last von 200 N ausstatten. HINWEIS: Eine größere Wägezelle kann verwendet werden, sofern sie im Bereich von 1 – 200 N ausreichend präzise ist. Proben, die zähflüssiger sind und nicht von Hand injiziert werden sollen, können eine größere Wägezelle erfordern.</li>
	<li>Trennen Sie die Platten mit den manuellen Bedientasten, um ausreichend Platz für Nadel, Spritze und Kolben zu schaffen (ca. 30 cm reichen aus).</li>
	<li>Erstellen Sie ein Testprotokoll.<ol>
<li>Öffnen Sie den Test-Assistenten, und legen Sie den Testtyp auf uniaxiale Komprimierung fest.</li>
		<li>Legen Sie die Vorspannung fest. Dies ist der gemessene Kraftwert, mit dem die Prüfung beginnt. 0,5 N ist ausreichend.</li>
		<li>Stellen Sie die Geschwindigkeit auf Vorspannung auf 5 mm/min ein. Dies ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Querkopf nach unten bewegt, bis er auf die Vorlast trifft.</li>
		<li>Legen Sie die Belastung auf Verschiebungssteuerung fest, und wählen Sie eine entsprechende Prüfgeschwindigkeit aus. 1 mm/s ist eine angemessene Geschwindigkeit für eine Standard-Spritze von 5 ml.</li>
		<li>Legen Sie eine obere Kraftgrenze fest, um den Test zu stoppen, z. B. 200 N. Dies ist in erster Linie aus Sicherheitsgründen. Die Prüfung kann auch automatisch bei einer bestimmten Verschiebung gestoppt werden, z. B. der Länge der Spritze.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Einrichten des Spannsystems
<ol><li>Befestigen Sie zwei Klemmsätze an zwei Ständern, mit Griffen, die groß genug sind, um die gewählte Spritze sicher zu verzaubern.</li>
	<li>Platzieren Sie die Griffe zwischen Kreuzkopf und Grundplatte, mit genügend Platz unter den Griffen für die Spritze und Nadel.</li>
	<li>Richten Sie die Zentren der beiden Griffe, und richten Sie diese mit der Mitte des Kreuzkopfes. HINWEIS: Die Ausrichtung der Klemmgriffe untereinander und der Mitte des Kreuzkopfes kann einige Zeit und Iteration in Anspruch nehmen, ist jedoch wichtig, um qualitativ hochwertige Daten zu erfassen.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass die Klemmen fest gesichert sind, so dass keine Bewegung in den Klemmen vorhanden ist, wenn eine Abwärtskraft angewendet wird.</li>
	<li>Legen Sie eine Schale auf die Unterplatte, um das extrudierte Material zu sammeln.</li>
</ol>4. Führen Sie das Injektionsprotokoll aus
<ol><li>Setzen Sie die Spritze in die Klemmgriffe ein und schließen Sie sie. Die Griffe sollten die Spritze an Ort und Stelle halten, aber sie widerstandslos nach oben und unten bewegen lassen.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass Spritze und Kolben senkrecht zum Kreuzkopf sind. Dadurch wird sichergestellt, dass nur die uniaxiale Kompression des Materials gemessen wird. HINWEIS: Eine leere Spritze sollte verwendet werden, um die Schritte 4.1 und 4.2 zu überprüfen.</li>
	<li>Senken Sie die obere Platte in eine Position knapp über dem Kolben, mit den manuellen Bewegungstasten. HINWEIS: Es kann möglich sein, eineStartpositionim mechanischen Testerprotokoll auszuwählen, so dass die ursprüngliche Position über dem Kolben automatisch erreicht wird und während der gesamten Prüfung konsistent ist.</li>
	<li>Null die gemessene Kraft, indem Sie auf 'Nullkraft' klicken.</li>
	<li>Führen Sie das Testprotokoll aus, indem Sie 'Ausführen'drücken. VORSICHT: Der Experimentator sollte immer anwesend sein, um jede Studie zu beobachten, und bereit sein, den Notstopp im Falle eines Missgeschicks zu aktivieren.</li>
	<li>Heben Sie die Platten mit den manuellen Bewegungstasten auf eine ausreichende Höhe an, sodass die Spritze entfernt werden kann.</li>
	<li>Wiederholen Sie Schritt 4 für jedes Beispiel. HINWEIS: An dieser Stelle können die Spritze und die extrudierte Probe entsorgt werden, wenn keine weitere Analyse erforderlich ist, aber beibehalten werden, um filterpressen, Selbstheilung, die Auswirkungen auf zellenweise usw. zu untersuchen.</li>
</ol>5. Datenerhebung
<ol><li>Speichern Sie die Daten aus jeder Testversion in einem Format, aus dem eine Tabelle mit Kraft- und Verschiebungswerten generiert werden kann (.txt, .xls, .xlsx).</li>
	<li>Zeichnen Sie die Ergebnisse jeder Versuchszeit mit Verschiebung auf der x-Achse und Kraft auf der y-Achse.</li>
	<li>Lesen Sie die maximale Kraft (falls vorhanden) und die Plateaukraft aus den Diagrammen.</li>
</ol>

<ol><li>Webber, M. J., Appel, E. A., Meijer, E. W., Langer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Supramolecular+biomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Supramolecular biomaterials.</a> Nature Materials. 15, 13-26 (2015).</li>
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</ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Mechanische Tests sind vielleicht die einfachste und zuverlässigste Möglichkeit, die Injekbarkeit zu quantifizieren. Ein wesentlicher Vorteil dieses Protokolls besteht darin, dass außer dem mechanischen Prüfgerät, der in Werkstofflaboratorien üblich ist, keine spezielle Ausrüstung erforderlich ist. Dieses Protokoll ist sehr vielseitig; jedes Material, Nadelmessgerät und Spritzengröße können verwendet werden, sofern die Spritze von den Klemmen aufgenommen werden kann. Dies wurde in diesem Protokoll für Spritzen bis 10 ml überprüft. Darüber hinaus kann das Material genau so vorbereitet werden, wie es für die reale Anwendung25wäre. Schließlich ist dieses Verfahren sehr schnell und dauert nur wenige Minuten pro Probe, so dass Dutzende von Proben pro Stunde verarbeitet werden können.
Für Stichproben, die typische Kurven ergeben, können zwei Werte extrahiert werden: die maximale Kraft und die Plateaukraftkurven. Die maximale Kraft ist wohl objektiver und kann rechnerisch aus der Datentabelle für jede Probe extrahiert werden. Umgekehrt kann die Plateaukraft repräsentativer sein, da dies die Kraft sein wird, die für die meiste Zeit erlebt wird und im Durchschnitt weniger von Kurven mit großen Schwankungen beeinflusst wird. Diese Schwankungen können durch Luftblasen oder Partikel im Material verursacht werden, die bei der Extrudierung zu intermittierenden Veränderungen führen, oder durch eine geringe Instrumentengenauigkeit für kleine Kraftmessungen. Es ist jedoch bemerkenswert, dass es für viele Proben keine maximale Kraftspitze gibt, und daher sind der maximale und Plateauwert gleich. Objektive Vergleiche zwischen Deninjektionskräften können durchgeführt werden, solange ein konsistenter Wert verwendet wird.
Die erhaltenen Daten können auf verschiedene Weise verwendet werden. Die Injekbarkeitskraftwerte können mit einer einfachen Injektion verglichen werden, um festzustellen, welche Formulierungen, Spritzen- und Nadelgrößen für die Übersetzung8geeignet sind. Alternativ ermöglicht der Vergleich zwischen den Proben die Quantifizierung von Änderungen an Formulierungen auf Dieinkbarkeit. Beispielsweise können in Zementen, die Änderung der Viskosität der flüssigen Phase, die Partikelgrößenverteilung und das Hinzufügen von Additiven wie Citrat, um die kolloidalen Eigenschaften zu verändern, große Änderungen in der Injekbarkeit9haben. Diese Tests können auch formulierungsprotokoll für Zemente, z. B. Mischzeit, Ladezeit und Anwendungszeit, für eine optimale Injektions- und Nachinjektionsleistung informieren. Darüber hinaus kann diese Methode verwendet werden, um die anfängliche Durchführbarkeit neuartiger Bioinks für den 3D-Druck zu testen.
Dieses Protokoll kann auf verschiedene Arten geändert werden. Das Klemmsystem kann durch ein maßgeschneidertes 3D-gedrucktes Konstrukt ersetzt werden, um die Spritze zu halten, was es einfacher machen kann, sicherzustellen, dass Spritze und Kolben senkrecht zum Kreuzkopf sind und die Spritze sicher aufbewahrt wird. Die Nadel kann durch eine Kanüle oder eine beliebige Vorrichtung ersetzt werden, die Material durch Kompression eines Kolbens extrudiert und von beliebiger Größe und Geometrie sein kann. Um die Genauigkeit der Ergebnisse zu erhöhen, kann die Spitze der Nadel in ein Gewebe oder Hydrogel gelegt werden, um die klinische Injektion genauer zu simulieren. Dies fügt dem Protokoll jedoch weitere Komplexitäten hinzu, da Gewebe-/Gelzusammensetzung und Nadeltiefe konstant gehalten werden müssen. Darüber hinaus verwendet dieses Protokoll eine verschiebungsgesteuerte Extrusion, um die Kraft zu messen, die erforderlich ist, um mit der angegebenen Geschwindigkeit zu injizieren. Alternativ kann die Einspritzkraft angegeben und die Extrusionsmenge an der Zeit gemessen werden. Dies kann für Materialien mit zeitabhängigen Eigenschaften, wie Z. B. Zemente, nützlich sein. Wenn Sie z. B. eine Korrelation zwischen Injektionskraft und einfacher Injektionsfähigkeit verwenden, um eine Kraft8auszuwählen, kann dieses Protokoll verwendet werden, um festzustellen, ob das gesamte Zementvolumen vor der Einstellung mit dieser Geschwindigkeit injiziert werden kann. Schließlich kann dieses Protokoll leicht mit anderen Experimenten kombiniert werden, um die Wirkung der Injektion auf die Materialeigenschaften zu testen und Phänomene wie Filterpressen und Selbstheilung oder die Wirkung der Injektion auf Zellen zu untersuchen.
Die Hauptbeschränkung dieses Protokolls besteht darin, dass ein universeller mechanischer Tester erforderlich ist. Obwohl diese in Materialtestlabors üblich sind, sind sie teuer zu kaufen, wenn der Benutzer nicht darauf zugreifen kann. Darüber hinaus bietet der mechanische Tester eine uniaxiale Kompression bei einer eingestellten Kraft oder Einer Verdrängungsgeschwindigkeit, während die angewendete Kraft und Einspritzgeschwindigkeit im Laufe der Einspritzung von Hand variieren kann. Dieses Protokoll ist auch ungeeignet, um einige reale Injektionen zu replizieren, wie Injektionen in komplexe Gewebe im Theater, oder Injektionen in verschiedenen Winkeln. Um die Kraft der Injektion in der Klinik zu quantifizieren, können Kraft- und Verdrängungswandler eine bessere Methode sein.

Biomaterialien werden oft untersucht und als Gerüste für die zellbasierte Geweberegeneration und Depots für eine gezielte, nachhaltige Abgabe vonTherapeutika1 verwendet. In diesem Bereich werden injizierbare Biomaterialien immer beliebter, da sie minimalinvasiv sind, was das Risiko von Infektionen, Schmerzen und Narben im Zusammenhang mit der Implantationreduziert 2. Da sie in der Regel als Flüssigkeiten aufgetragen werden, passen sie sich perfekt den Gewebedefekten an, und Medikamente und Zellen können unmittelbar vor der Anwendung3,4,5in sie gemischt werden. Während injizierbare Biomaterialien als vorbelastete Spritzen hergestellt werden können, werden sie oft von Ärzten direkt vor der Anwendung hergestellt. Zum Beispiel beginnen Zemente zu setzen, sobald die Pulver- und Flüssigphasen gemischt sind, und können daher nicht für lange Zeiträume vor der Verwendung6gelagert werden. Die Charakterisierung dieser Materialien ist somit zeitabhängig und untrennbar mit ihrer Herstellung verbunden.
Häufige injizierbare Biomaterialien sind Calciumzemente, Polymethylmethacrylat, Biogläser und verschiedene polymere Hydrogele3,7. Im Gegensatz zu herkömmlichen Injektionen von Medikamenten, die die gleichen rheologischen Eigenschaften wie Wasser haben, sind diese injizierbaren Biomaterialien in der Regel zähflüssiger, nicht-Newtonianisch, können einen gewissen elastischen Charakter haben und können sich auch im Laufe der Zeit ändern. Daher kann die Injizierbarkeit dieser Materialien nicht angenommen werden, sondern muss experimentell beurteilt werden. Durch die Quantifizierung der für die Injektion erforderlichen Kraft und derkorrelation mit der einfachen Injektion können frühzeitige Entscheidungen darüber getroffen werden, welche Biomaterialformulierungen, Spritzen- und Nadelgrößen vorangebracht werden sollen 8. Solche Experimente können auch die Auswirkungen von sich ändernden Formulierungen auf die Injektionsfähigkeit quantifizieren9.
Es gibt mehrere Methoden, um die Eigenschaften von injizierbaren Materialien zu bewerten. Rotationsrheologie wird häufig verwendet, um Viskosität, nicht-Newtonsche Verhalten, Nachschere Wiederherstellung, Einstellzeit und andere Eigenschaften dieser Materialien10,11,12zu bewerten. Während diese Art von Test nützlich ist, um grundlegende Eigenschaften der Materialien zu etablieren, korrelieren diese Eigenschaften nicht direkt mit der Injektionsfähigkeit. Bei einer Newtonschen Flüssigkeit und zylindrischen Spritze und Nadel kann die Injektionskraft aus einer Form der Hagen-Poiseuille-Gleichung13geschätzt werden:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq1.jpg">
Wo F die für die Injektion erforderliche Kraft (N) ist, ist Rs der innere Spritzenradius (m), Rn der innere Nadelradius (m), L die Nadellänge (m), Q ist Flüssigkeitsdurchfluss (m3 s-1),η die dynamische Viskosität (Pa.s) und Ff die Reibungskraft zwischen Kolben und Laufwand (N) ist. Wenn also die Viskosität mittels Rotationsrheologie gemessen wird, die Abmessungen der Spritze und der Nadel bekannt sind und die Durchflussmenge geschätzt wird, kann die Injektionskraft geschätzt werden. Diese Gleichung berücksichtigt jedoch nicht das konische Ende der Spritze oder andere Geometrien, wie z. B. off-center-Auslässe, und Ffmuss durch mechanische Tests experimentell geschätzt oder gefunden werden. Darüber hinaus sind Biomaterialien in der Regel nicht Newtonsche, sondern weisen komplexe rheologische Eigenschaften auf. Für eine einfache Scherverdünnungsflüssigkeit wird die Gleichung14:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq2.jpg">
Wobei n der Leistungsindex (-) und K der Konsistenzindex (Pa.sn) aus dem Ausdruck Ostwald de Waele ist: , wobei <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq3.jpg"> die <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq4.jpg"> Scherrate (s-1 )ist. Die Komplexität nimmt bei Materialien, deren rheologische Eigenschaften nicht durch zwei Werte gekennzeichnet werden können, und insbesondere bei zeitabhängigen Materialien wie dem Setzen von Zementen erheblich zu. Wenn die Materialeigenschaften scherabhängig sind, muss das Material außerdem mit der in der Nadel erwarteten Schergeschwindigkeit geprüft werden, die den Bereich eines Rotationsrheometers15bei weitem überschreiten kann.
Eine weitere quantitative Methode zur Messung der Injizierbarkeit besteht darin, Druck- und Verdrängungssensoren an einer Spritze zu befestigen, während sie eine Injektion durchführen, entweder von Hand oder mit einer Spritzenpumpe. Dieses Gerät ist relativ kostengünstig, erfordert jedoch, dass Benutzer Skripte und Kalibrierungskurven generieren, um Daten in Kraft zu konvertieren16. Darüber hinaus kann eine Spritzenpumpe möglicherweise nicht über ein ausreichendes Drehmoment verfügen, um den Kolben mit einer genauen Geschwindigkeit zu komprimieren, wenn hohe Kräfte erforderlich sind, um viskose oder halbfeste Materialien zu extrudieren. Alternativ kann die Verwendung dieser Sensoren bei der Injektion von Hand nützlich sein, da sie in einem realen klinischen Szenario während klinischer Verfahren verwendet werden können17. Dies wird jedoch viel länger dauern und kann zu einer Verzerrung der Benutzer führen und daher eine größere Anzahl von Wiederholungen mit verschiedenen Benutzern benötigen, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Dies kann daher für Materialien, die weiter unten in der translationalen Pipeline liegen, oder für Produkte, die sich bereits in der klinischen Anwendung befinden, besser geeignet sein.
In diesem Protokoll wird ein mechanischer Tester verwendet, um den Kolben mit einer festgelegten Rate zu komprimieren und die dafür erforderliche Kraft zu messen. Diese Art von mechanischen Prüfer ist üblich in Materialien Laboratorien und wurde verwendet, um die Injizierbarkeit für verschiedene Biomaterialien zu quantifizieren18,19,20,21,22,23,24. Dieser Test kann mit jeder Größe und Geometrie von Spritze und Nadel verwendet werden, die jedes Material enthält. Darüber hinaus kann bei Biomaterialien, die unmittelbar vor der Verwendung hergestellt werden, das genaue Formulierungsverfahren, das in der Klinik oder Chirurgie verwendet würde, vor der Prüfung befolgt werden. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es relativ schnell ist; Sobald der mechanische Tester aufgestellt ist, können Dutzende von Proben in einer Stunde untersucht werden, abhängig von der Extrusionsgeschwindigkeit und dem Spritzenvolumen. Dies steht im Gegensatz zur Rotationsrheologie, die in der Regel mindestens 5 – 10 Minuten pro Test dauert, zuzüglich Belastung, Ausgleich und Reinigungszeit. Der Einsatz eines mechanischen Prüfers erzeugt eine zuverlässige Extrusionsrate gleichmäßig über den Kolben, was besonders vorteilhaft für viskose Formulierungen oder solche mit zeitabhängigen Eigenschaften ist. Nach dem Testen ist eine minimale Nachbearbeitung der Daten erforderlich, um wichtige Werte für objektive Vergleiche herauszuholen.

<table><tbody><tr><td>Alginsäure Natriumsalz</td><td>Sigma</td><td>A2033-100G</td><td></td></tr><tr><td>Blunt Nadeln</td><td>Nadel</td><td>NB19G1.5</td><td>Jede Größe kann verwendet werden, je nach Anwendung</td></tr><tr><td>Calciumsulfat Halbhydrat</td><td>Acros Organics</td><td>22441.296</td><td></td></tr><tr><td>Klemmständer</td><td>Eisco</td><td>MTST5</td><td>Zwei erforderliche</td></tr><tr><td>Klemmen</td><td>R& L Enterprises</td><td>41</td><td>Zwei erforderliche, sollten flache Oberseiten</td></tr> haben <tr><td>Spritzen</td><td>BD</td><td>307731</td><td>Jede Größe kann verwendet werden, je nach Anwendung</td></tr><tr><td>Universal-Mechanisches Prüfgerät</td><td>Zwick Roell</td><td>Z030</td><td></td></tr></tbody></table>

quantifizierung der injekbarkeit durch mechanische prüfung

The Quantification of Injectability by Mechanical Testing

Injizierbare Biomaterialien werden immer beliebter für die minimalinvasive Abgabe von Medikamenten und Zellen. Diese Materialien sind in der Regel zähflüssiger als herkömmliche wässrige Injektionen und können halbfest sein, daher kann ihre Injektionsfähigkeit nicht angenommen werden. Dieses Protokoll beschreibt eine Methode zur objektiven Beurteilung der Injekbarkeit dieser Materialien mit einem mechanischen Standardtester. Der Spritzenkolben wird durch den Querkopf mit einer eingestellten Rate komprimiert und die Kraft gemessen. Der maximale oder Plateaukraftwert kann dann für den Vergleich zwischen Proben oder auf eine absolute Kraftgrenze verwendet werden. Dieses Protokoll kann mit jedem Material und jeder Spritze und Nadelgröße oder Geometrie verwendet werden. Die erzielten Ergebnisse können verwendet werden, um Entscheidungen über Formulierungen, Spritzen- und Nadelgrößen zu einem frühen Beginn des Übersetzungsprozesses zu treffen. Darüber hinaus können die Auswirkungen von Änderungsformulierungen auf die Injizierbarkeit quantifiziert und der optimale Zeitpunkt für die Injektion zeitlich wechselnder Materialien bestimmt werden. Diese Methode eignet sich auch als reproduzierbare Möglichkeit, die Auswirkungen der Injektion auf ein Material zu untersuchen, Phänomene wie Selbstheilung und Filterpressung zu untersuchen oder die Auswirkungen der Injektion auf Zellen zu untersuchen. Dieses Protokoll ist schneller und direkter auf die Injekbarkeit als die Rotationsrheologie anwendbar und erfordert eine minimale Nachbearbeitung, um Schlüsselwerte für direkte Vergleiche zu erhalten.

Die Einrichtung des mechanischen Prüf- und Spannsystems ist in Abbildung 1Adargestellt. Dieses Protokoll generiert eine Tabelle und ein Diagramm der Kraft im Vergleich zur Verschiebung für jede getestete Probe. Eine typische Kraftverschiebungskurve besteht aus drei Abschnitten(Abbildung 1B):ein anfänglicher Gradient, da der Kolben die Reibung aus dem Lauf überwindet und das Material beschleunigt wird, ein Kraftmaximum und ein Plateau, da das Material in einem stabilen Zustand extrudiert wird.
Ein deutliches Maximum existiert jedoch nur, wenn die Plateaukraft niedriger ist als die Kraft, die erforderlich ist, um den Kolben zu beschleunigen. Daher sind Spitzen nur bei invisziden Proben zu sehen, die durch breite Nadeln passieren. Bei viskosen Proben, die durch eine engere Öffnung gehen, ist die Kraft, die erforderlich ist, um die Probe mit konstanter Geschwindigkeit zu injizieren, größer als die Kraft, die erforderlich ist, um reibungsfrei im Lauf zu überwinden und das Material zu beschleunigen, und es wird kein deutlicher Peak gesehen (Abbildung 1C). Bei hochviskosen Proben oder sehr schmalen Nadeln kann die kraft, die zum Extrudieren des Materials erforderlich ist, so groß sein, dass die Spritze schnallt und versagt, oft mit sehr geringer Extrusion des Materials (Abbildung 1D). Wenn das injizierte Material Partikel enthält oder sich einer Einstellung unterzieht, wie Zement, Filterpressen (bevorzugte Sendeweg der flüssigen Phase) oder Masseneinstellung, kann dies zu einer unvollständigen Injektion führen (Abbildung 1E).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61417/61417fig1.jpg"> Abbildung 1: Beispielkurven, die von diesem Protokoll generiert werden. (A) Richten Sie den mechanischen Tester für dieses Protokoll ein. (B) Typische Kraft-Extrusions-Kurve. (C) Kraft-Extrusions-Kurve ohne ausgeprägte maximale Spitze. (D) Kraftextrusionskurve bei Spritzenversagen. (E) Kraft-Extrusionskurve für einen Einstellzement. Diese Figur ist von Robinson et al.8adaptiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61417/61417fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

Hier wird ein Protokoll zur quantitativen Bewertung der Injizierbarkeit eines Materials durch ein Spritzennadelsystem mit einem standardmäßigen mechanischen Prüfstand vorgestellt.

Quantifizierung der Injekbarkeit durch mechanische Prüfung

Injectable biomaterials are becoming increasingly popular for the minimally invasive delivery of drugs and cells. These materials are typically more ...

Durch die Messung der Kraft können wir feststellen, ob ein Material injizierbar ist und wie sich die Nadel- und Spritzengröße verändert oder ob die Formulierungsverarbeitung und Die Chemie die Injektion beeinflussen können. Diese Technik ist schnell und einfach. Kann mit einer Vielzahl von Nadel- und Spritzengeometrien verwendet werden und erfordert wenig Datenverarbeitung, um die wichtigsten Kraftwerte zu erhalten.Diese Methode ist besonders für injizierbare Biomaterialien wie Hydrogele und Zemente, die nachhaltige Arzneimittelabgabe und Gewebetechnik anwendungen geeignet. Um den mechanischen Prüfer einzurichten, befestigen Sie flach verdichtungsprüfgeräte am mechanischen Tester und statten den Tester manuell mit der Wägezelle mit der maximalen Last von 200 Newton aus. Verwenden Sie die manuellen Steuertasten, um die Kochbananen zu trennen, um etwa 30 Zentimeter Platz für Nadel, Spritze und Kolben zu schaffen.Um ein Testprotokoll zu erstellen, öffnen Sie den Testassistenten in der Gerätesoftware, und legen Sie den Testtyp auf uniaxiale Komprimierung fest. Legen Sie den Wert für die gemessene Kraftvorspannung fest, bei dem die Prüfung beginnt, und passen Sie die Geschwindigkeit auf fünf Millimeter pro Minute an, um die Geschwindigkeit festzulegen, mit der sich der Querkopf nach unten bewegt, bis er auf die Vorspannung trifft. Legen Sie die Belastung auf Verschiebungssteuerung fest, und wählen Sie eine entsprechende Prüfgeschwindigkeit aus.Legen Sie dann eine obere Kraftgrenze fest, an der der Test beendet werden soll. Um das Spannsystem einzurichten, befestigen Sie zwei Klemmsätze mit Griffen, die groß genug sind, um die ausgewählte Spritze sicher an zwei Ständern zu befestigen. Legen Sie die Griffe zwischen dem Querkopf und der Grundplatte mit genügend Platz unter den Griffen für die Spritze und Nadel und richten Sie die Griffinnen mit der Mitte des Kreuzkopfes aus.Verwenden Sie eine leere Spritze, um bei der Ausrichtung zu helfen. Prüfen Sie dann, ob die Klemmen fest gesichert sind, so dass es keine Bewegung in den Klemmen gibt, wenn eine Abwärtskraft angewendet wird, und legen Sie eine Schale auf die Bodenplatte, um das extrudierte Material zu sammeln. Um ein Injizierbarkeitsexperiment durchzuführen, legen Sie die Spritze in die Klemmgriffe ein und schließen Sie die Griffe, sodass die Spritze an Ort und Stelle gehalten wird, sich aber widerstandslos mit spritze und kolbensrecht zum Kreuzkopf bewegen kann.Verwenden Sie die Tasten, um die obere Platte knapp über dem Kolben zu senken und klicken Sie auf Null Kraft auf Null die gemessene Kraft. Klicken Sie dann auf Ausführen, um das Testprotokoll auszuführen. Heben Sie am Ende der Prüfung die Platten auf eine ausreichende Höhe an, so dass die Spritze entfernt werden kann, und wiederholen Sie den Test mit der nächsten Probe.Speichern Sie die Daten nach jeder Prüfung in einem Format, sodass eine Tabelle mit Kraft- und Verschiebungswerten generiert werden kann, und zeichnen Sie die Ergebnisse jeder Prüfung mit der Verschiebung auf der X-Achse und der Kraft auf der Y-Achse auf. Wenn alle Versuche geplant wurden, bestimmen Sie die maximalen und Plateaukräfte aus jedem Diagramm. Eine typische Kraftverschiebungskurve besteht aus drei Abschnitten.Ein anfänglicher Gradient, da der Kolben die Reibung aus dem Lauf überwindet und das Material ein Kraftmaximum beschleunigt hat. Und das Plateau als Material wird in einem stabilen Zustand extrudiert. Bei viskosen Proben, die durch eine engere Öffnung gehen, ist die Kraft, die erforderlich ist, um die Probe mit konstanter Geschwindigkeit zu injizieren, größer als die Kraft, die erforderlich ist, um die Reibung im Lauf zu überwinden und das Material zu beschleunigen.Daher wird kein deutlicher Höhepunkt beobachtet. Bei hochviskosen Proben oder sehr schmalen Nadeln kann die Kraft, die zum Extrudieren des Materials erforderlich ist, so groß sein, dass die Spritze einknickt und versagt. Oft mit sehr wenig Extrusion des Materials.Wenn das injizierte Material Partikel enthält oder zu setzen beginnt, kann es zu Filterpressen oder Masseneinstellungen kommen, die zu einer unvollständigen Injektion führen. Es ist wichtig, dass die Klumpen fest gesichert sind, so dass die Spritze eng sitzt, zentriert ist und senkrecht zum Querkopf ist. Eine Korrelation kann verwendet werden, um die gemessene Kraft der Leichtigkeit der Injektion zu in Beziehung zu setzen.Alternativ kann Rheologie verwendet werden, um zu verstehen, wie sich der Injektionsprozess auf das Material auswirkt.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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Quelle: Liou, C. et al. Intrazerebroventrikuläre Verabreichung von mikrobiellen Metaboliten aus dem Darm bei frei beweglichen Mäusen. J. Vis. Exp. (2022).Dieses Video zeigt die intrakranielle Injektion von kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs) in eine frei bewegliche Maus, um deren Auswirkungen auf das hirnvermittelte Verhalten zu untersuchen. Eine Injektorkanüle wird in eine Führungskanüle eingeführt, die in das Gehirn der Maus implantiert wird. Nach der Genesung akklimatisiert sich die Maus in...

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Nagetiere sind ein geeignetes Modell, um die molekularen Substrate von Verhalten und komplexen psychiatrischen Störungen zu untersuchen. Die Mikroinjektion des Gehirns bei wachen Nagetieren kann zur Aufklärung von Krankheitssubstraten verwendet werden. Es wird eine effiziente und anpassbare Mikroinjektionsmethode für das Gehirn sowie die Ausführung eines operanten Paradigmas vorgestellt, das die Motivation quantifiziert.

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Erfahren Sie die Bewertung der Injizierbarkeit von Biomaterialien wie Hydrogelen und Zementen mittels mechanischer Prüfung. Diese Methode ermöglicht präzise Kraftmessungen zur Optimierung von Formulierungen für die Arzneimittelabgabe.

Quantifizierung der Injekbarkeit durch mechanische Prüfung

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