La quantification de l’injectabilité par essais mécaniques
13 mai 2020
Présenté ici est un protocole pour évaluer quantitativement l’injectabilité d’un matériau à travers un système seringue-aiguille à l’aide d’une plate-forme d’essai mécanique standard.
En mesurant la force, nous pouvons déterminer si un matériau est injectable et comment changer la taille de l’aiguille et de la seringue, ou le traitement de formulation et la chimie peuvent affecter l’injectabilty. Cette technique est rapide et simple. Peut être utilisé avec une variété de géométries d’aiguilles et de seringues, et nécessite peu de traitement des données pour obtenir les valeurs de force clés.
Cette méthode est particulièrement applicable pour les biomatériaux injectables, tels que les hydrogels et les ciments, l’administration soutenue de médicaments et les applications d’ingénierie tissulaire. Pour configurer le testeur mécanique, fixez des plantains d’essai de compression plat au testeur mécanique et équipez manuellement le testeur de la cellule de charge avec la charge maximale de 200 Newtons. Utilisez les boutons de commande manuels pour séparer les plantains pour laisser environ 30 centimètres d’espace pour l’aiguille, la seringue et le piston.
Pour créer un protocole de test, ouvrez l’assistant de test dans le logiciel de l’appareil et réglez le type de test à la compression uniaxiale. Réglez la valeur mesurée de préchargement de la force à laquelle les essais commenceront et ajustez la vitesse de préchargement à cinq millimètres par minute, pour régler la vitesse à laquelle la tête transversale se déplacera vers le bas jusqu’à ce qu’elle rencontre le préchargement. Réglez le chargement au contrôle de déplacement et sélectionnez une vitesse d’essai appropriée.
Fixez ensuite une limite de force supérieure à laquelle arrêter le test. Pour configurer le système de serrage, fixez deux ensembles de pinces avec des poignées suffisamment grandes pour ensconcedre solidement la seringue sélectionnée à deux peuplements. Placez les poignées entre la tête croisée et la plaque de base avec suffisamment d’espace sous les poignées pour la seringue et l’aiguille et alignez les centres des poignées avec le centre de la tête croisée.
Utilisez une seringue vide pour aider à l’alignement. Vérifiez ensuite que les pinces sont fermement fixées de sorte qu’il n’y ait pas de mouvement dans les pinces lorsqu’une force vers le bas est appliquée et placez un plat sur la plaque inférieure pour recueillir le matériau extrudé. Pour effectuer une expérience d’injectabilité, insérez la seringue dans les poignées de pince et fermez les poignées de sorte que la seringue soit maintenue en place mais puisse se déplacer de haut en bas sans résistance avec la seringue et le piston perpendiculairement à la tête croisée.
Utilisez les boutons pour abaisser la plaque supérieure juste au-dessus du piston et cliquez sur zéro force pour zéro la force mesurée. Cliquez ensuite sur exécuter le protocole de test. À la fin du test, soulever les plaques à une hauteur suffisante, de sorte que la seringue peut être enlevée et répéter le test avec l’échantillon suivant.
Après chaque essai, enregistrez les données dans un format tel qu’un tableau des valeurs de force et de déplacement peut être généré et tracez les résultats de chaque essai avec le déplacement sur l’axe X et la force sur l’axe Y. Lorsque tous les essais ont été tracés, déterminez les forces maximales et de plateau de chaque graphique. Une courbe typique de déplacement de force se compose de trois sections.
Un gradient initial, comme le piston surmonte la friction du canon et le matériau a accéléré un maximum de force. Et le plateau comme le matériau est extrudé à un état stable. Pour les échantillons visqueux passant par un orifice plus étroit, la force nécessaire pour injecter l’échantillon à vitesse constante est supérieure à la force nécessaire pour surmonter le frottement dans le canon et accélérer le matériau.
Par conséquent, aucun pic distinct n’est observé. Pour les échantillons très visqueux ou les aiguilles très étroites, la force requise pour extruder le matériau peut être si grande que la seringue se boucle et tombe en panne. Souvent avec très peu d’extrusion du matériau.
Si le matériau injecté contient des particules ou commence à se régler, le pressage du filtre ou le réglage en vrac peut se produire conduisant à une injection incomplète. Il est essentiel de s’assurer que les touffes sont solidement fixées de sorte que la seringue s’adapte parfaitement, est centrée et perpendiculaire à la tête croisée. Une corrélation peut être utilisée pour relier la force mesurée de la facilité d’injection.
Alternativement, la rhéologie peut être utilisée pour comprendre comment le processus d’injection affecte le matériau.
Aperçu
Cet article présente un protocole pour évaluer quantitativement l'injectabilité des matériaux à travers un système seringue-aiguille en utilisant un banc d'essai mécanique. La méthode est applicable pour divers biomatériaux injectables, y compris les hydrogels et les ciments.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Biomatériaux
- Essais mécaniques
- Évaluation de l'injectabilité
Contexte
- L'injectabilité est cruciale pour l'application des biomatériaux dans la délivrance de médicaments et l'ingénierie tissulaire.
- La technique de mesure de force permet l'évaluation des performances des matériaux dans différentes conditions.
- Comprendre l'injectabilité peut aider à optimiser les formulations et les méthodes de traitement.
- Les bancs d'essai mécaniques fournissent une approche standardisée pour évaluer l'injectabilité.
Objectif de l'étude
- Établir une méthode fiable pour évaluer l'injectabilité des biomatériaux.
- Analyser comment les tailles d'aiguille et de seringue affectent l'injectabilité des matériaux.
- Fournir un protocole facilement implantable dans les cadres de recherche.
Méthodes utilisées
- Configuration d'un testeur mécanique avec des cellules de charge et des pinces appropriées.
- Exécution de tests de compression uniaxiale pour mesurer la force pendant l'injection.
- Collecte et analyse des données pour générer des courbes force-déplacement.
- Identification des forces maximales et de plateau à partir des résultats.
Résultats principaux
- La méthode permet une évaluation rapide et simple de l'injectabilité.
- Les courbes force-déplacement révèlent des informations critiques sur le comportement des matériaux pendant l'injection.
- Les variations de la taille de l'aiguille et de la viscosité du matériau influencent significativement l'injectabilité.
- Un bon montage et un bon alignement sont essentiels pour des mesures précises.
Conclusions
- Ce protocole fournit un outil précieux pour les chercheurs travaillant avec des biomatériaux injectables.
- Comprendre l'injectabilité peut conduire à de meilleures formulations pour les applications cliniques.
- Des études futures pourraient étendre cette méthode pour explorer d'autres variables affectant l'injectabilité.
Questions fréquemment posées
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.
