La cuantificación de la inyección mediante pruebas mecánicas
13 de mayo de 2020
Aquí se presenta un protocolo para evaluar cuantitativamente la inyección de un material a través de un sistema de jeringa-aguja utilizando un equipo de pruebas mecánicas estándar.
Mediante la medición de la fuerza, podemos determinar si un material es inyectable y cómo cambiar el tamaño de la aguja y la jeringa, o el procesamiento de la formulación y la química pueden afectar a la inyectable. Esta técnica es rápida y sencilla. Se puede utilizar con una variedad de geometrías de agujas y jeringas, y requiere poco procesamiento de datos para obtener los valores de fuerza clave.
Este método es particularmente aplicable a los biomateriales inyectables, como hidrogeles y cementos, la administración sostenida de fármacos y las aplicaciones de ingeniería de tejidos. Para configurar el probador mecánico, conecte los plátanos de prueba de compresión plana al probador mecánico y equipe manualmente el probador con la célula de carga con la carga máxima de 200 Newtons. Utilice los botones de control manual para separar los plátanos para permitir aproximadamente 30 centímetros de espacio para la aguja, la jeringa y el émbolo.
Para crear un protocolo de prueba, abra el asistente de prueba en el software del dispositivo y establezca el tipo de prueba en compresión uniaxial. Establezca el valor de precarga de fuerza medida en el que comenzará la prueba y ajuste la velocidad de precarga a cinco milímetros por minuto, para establecer la velocidad a la que la cruz se moverá hacia abajo hasta que se encuentre con la precarga. Establezca la carga en el control de desplazamiento y seleccione una velocidad de prueba adecuada.
A continuación, establezca un límite de fuerza superior para detener la prueba. Para configurar el sistema de sujeción, conecte dos conjuntos de abrazaderas con empuñaduras lo suficientemente grandes como para enconzar de forma segura la jeringa seleccionada en dos soportes. Coloque las empuñaduras entre la cruz y la placa base con suficiente espacio por debajo de las empuñaduras para la jeringa y la aguja y alinee los centros de las empuñaduras con el centro de la cruz.
Utilice una jeringa vacía para ayudar con la alineación. A continuación, compruebe que las abrazaderas están firmemente aseguradas para que no haya movimiento en las abrazaderas cuando se aplique una fuerza descendente y coloque un plato en la placa inferior para recoger el material extruido. Para realizar un experimento de inyección, inserte la jeringa en las empuñaduras de la abrazadera y cierre las empuñaduras para que la jeringa se mantiene en su lugar, pero puede moverse hacia arriba y hacia abajo sin resistencia con la jeringa y el émbolo perpendiculares a la cruz.
Utilice los botones para bajar la placa superior justo encima del émbolo y haga clic en fuerza cero para poner a cero la fuerza medida. A continuación, haga clic en Ejecutar para ejecutar el protocolo de prueba. Al final de la prueba, suba las placas a una altura suficiente, de modo que se pueda extraer la jeringa y repita la prueba con la siguiente muestra.
Después de cada prueba, guarde los datos en un formato de modo que se pueda generar una tabla de valores de fuerza y desplazamiento y trazar los resultados de cada ensayo con el desplazamiento en el eje X y la fuerza en el eje Y. Una vez trazados todos los ensayos, determine las fuerzas máximas y de meseta de cada gráfico. Una curva de desplazamiento de fuerza típica consta de tres secciones.
Un gradiente inicial, ya que el émbolo supera la fricción del barril y el material ha acelerado un máximo de fuerza. Y la meseta como el material se extruye en un estado estacionario. Para muestras viscosas que pasan a través de un orificio más estrecho, la fuerza necesaria para inyectar la muestra a velocidad constante es mayor que la fuerza necesaria para superar la fricción en el barril y acelerar el material.
Por lo tanto, no se observa ningún pico distinto. Para muestras altamente viscosas o agujas muy estrechas, la fuerza necesaria para extruir el material puede ser tan grande que la jeringa se abrocha y falla. A menudo con muy poca extrusión del material.
Si el material que se está inyectando contiene partículas o está empezando a ajustarse, puede producirse un ajuste de presión de filtro o a granel que conduzca a una inyección incompleta. Es esencial asegurarse de que los grumos estén firmemente asegurados para que la jeringa se ajuste perfectamente, esté centrada y sea perpendicular a la cruz. Se puede utilizar una correlación para relacionar la fuerza medida de la facilidad de inyección.
Alternativamente, la Reología se puede utilizar para entender cómo el proceso de inyección afecta al material.
Visión general
Este artículo presenta un protocolo para evaluar cuantitativamente la inyectabilidad de materiales a través de un sistema de jeringa-aguja utilizando un banco de pruebas mecánicas. El método es aplicable para varios biomateriales inyectables, incluyendo hidrogeles y cementos.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Biomateriales
- Pruebas mecánicas
- Evaluación de inyectabilidad
Antecedentes
- La inyectabilidad es crucial para la aplicación de biomateriales en la administración de fármacos e ingeniería de tejidos.
- La técnica de medición de fuerza permite la evaluación del rendimiento del material en diferentes condiciones.
- Entender la inyectabilidad puede ayudar a optimizar las formulaciones y los métodos de procesamiento.
- Los bancos de pruebas mecánicas proporcionan un enfoque estandarizado para evaluar la inyectabilidad.
Propósito del estudio
- Establecer un método confiable para evaluar la inyectabilidad de biomateriales.
- Analizar cómo los tamaños de aguja y jeringa afectan la inyectabilidad de los materiales.
- Proporcionar un protocolo que pueda implementarse fácilmente en entornos de investigación.
Métodos utilizados
- Configuración de un probador mecánico con celdas de carga y abrazaderas apropiadas.
- Ejecución de pruebas de compresión uniaxial para medir la fuerza durante la inyección.
- Recolección y análisis de datos para generar curvas de fuerza-desplazamiento.
- Identificación de fuerzas máximas y de meseta a partir de los resultados.
Resultados principales
- El método permite una evaluación rápida y sencilla de la inyectabilidad.
- Las curvas de fuerza-desplazamiento revelan información crítica sobre el comportamiento del material durante la inyección.
- Las variaciones en el tamaño de la aguja y la viscosidad del material influyen significativamente en la inyectabilidad.
- Una configuración y alineación adecuadas son esenciales para mediciones precisas.
Conclusiones
- Este protocolo proporciona una herramienta valiosa para los investigadores que trabajan con biomateriales inyectables.
- Entender la inyectabilidad puede conducir a formulaciones mejoradas para aplicaciones clínicas.
- Estudios futuros pueden expandir este método para explorar variables adicionales que afectan la inyectabilidad.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Assessing injectability early in formulation development enables data-driven decisions on syringe-needle configurations and material properties, reducing late-stage attrition in biomaterial-based drug delivery and tissue engineering programs. This mechanical testing approach provides quantitative, reproducible force metrics that support formulation screening and process optimization, directly informing go/no-go criteria for translational candidates. By correlating measured force with injectability limits, teams can prioritize candidates with favorable delivery profiles, enhancing portfolio efficiency and de-risking preclinical advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables mechanistic interrogation of material behavior under injection-relevant stresses, clarifying structure-property relationships critical for hydrogel and cement-based delivery systems.
- Operational Value: Supports rapid screening of formulation variables (e.g., crosslinking density, particle loading) to identify compositions with optimal injectability profiles before significant resource investment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized force-displacement curves that serve as quantitative readouts for comparing injectability across formulations, needle gauges, and syringe geometries.
- Operational Value: Requires minimal sample preparation and data processing, enabling high-throughput evaluation of material performance under controlled displacement rates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates assessment of time-dependent injectability changes (e.g., due to self-healing or setting), informing optimal injection windows for in vivo delivery studies.
- Operational Value: Provides a reproducible platform to evaluate batch-to-batch consistency and sterility-compatible processing effects on material extrudability.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling early-stage formulation triage based on injectability thresholds, informing downstream decisions in lead identification and preclinical validation for injectable biomaterials.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how material composition and processing affect delivery feasibility, reducing ambiguity in early candidate selection.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative force metrics that allow direct comparison of injectability across diverse biomaterial systems under standardized conditions.
- Analytics: Yields maximum and plateau force values as key decision points for evaluating material performance against equipment limits or clinical injection thresholds.
- Translational Research: Connects formulation optimization to delivery success by identifying injectability windows that align with temporal material changes (e.g., gelation kinetics).
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, cross-project capability for injectability assessment, reducing redundant method development across biomaterial programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in formulation performance by replacing assumptions with empirical injectability data under relevant injection conditions.
- Operational Value: Enhances reproducibility and scalability through standardized mechanical testing protocols adaptable to various syringe-needle setups.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early identification of non-injectable formulations, avoiding wasted investment in downstream development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by quantifying delivery-related risks, informing advancement decisions based on measurable injectability thresholds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in mechanical testing principles and biomaterial handling to ensure proper sample preparation and instrument alignment.
- Needs a mechanical tester with appropriate load cell capacity (e.g., 200 N) and displacement control, along with customizable clamps for syringe stabilization.
- Demands cross-team standardization of test parameters (e.g., preload, speed, force limits) to ensure comparability across sites and projects.
- Involves adaptation considerations for different syringe materials (e.g., glass vs. plastic) and needle geometries that may affect frictional contributions.
- Limited to assessing injectability under controlled extrusion; does not capture dynamic in vivo factors such as tissue resistance or clearance mechanisms.
