Name: De kwantificering van injecteerbaarheid door mechanische testen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 46 s
Description: Leer hoe u de injecteerbaarheid van biomaterialen kwantificeert met mechanische testen. Deze methode meet kracht-displacementcurves voor hydrogels en cementen in drug delivery en tissue engineering.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd gefinancierd door de EPSRC CDT for Formulation Engineering in de School of Chemical Engineering aan de Universiteit van Birmingham, UK, Grant referentie EP/L015153/1, en het Royal Centre for Defence Medicine.

1. Voorbereiding van de steekproef
<ol><li>Bereid het monster voor en laad het in de spuit.<ol>
<li>Als u een voorgeladen spuit wilt simuleren, moet u het monster van tevoren voorbereiden, in de spuit laden en de naald bevestigen. Bewaar naar behoefte, tot het testen. Dit kan geschikt zijn voor hydrogels en materialen die niet veranderen met de tijd. OPMERKING: Bijvoorbeeld, om 2% alginaat oplossingen voor te bereiden, los 2 g alginic zuur natriumzout in 100 mL van gedeïoniseerd water, door roeren bij kamertemperatuur. Zuig de oplossing in 5 mL spuiten, en bewaar voor 24 uur bij kamertemperatuur.</li>
		<li>Als alternatief, om een injectie te simuleren die direct voorafgaand aan de toepassing is geformuleerd, bereidt u het monster op dezelfde manier voor in de kliniek, zodat eventuele insteltijden mogelijk zijn. Laad in de spuit en bevestig de naald. Dit kan geschikt zijn voor cement, en materialen waarvan de eigenschappen veranderen met de tijd. OPMERKING: Bijvoorbeeld, om calciumsulfaat cement te bereiden, handmatig mengen 4 g calciumsulfaat hemihydraat in 5 mL van gedeïmiseerd water met een spatel gedurende 1 min. Haal de zuiger uit de spuit en laad het cement met de spatel in het spuitvat. Begin met het mechanische testen na 4 min. LET OP: Naalden vormen een veiligheidsrisico, gebruiken indien mogelijk stompe naalden. Als het materiaal cellen of andere biologische materialen bevat, moet extra worden gezorgd om verwondingen van scherpe punten te voorkomen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. De mechanische tester instellen
<ol><li>Bevestig platte platen (voor compressietesten) aan de mechanische tester.</li>
	<li>Rust de mechanische tester handmatig uit met een laadcel met een maximale belasting van 200 N. OPMERKING: Er mag een grotere belastingscel worden gebruikt, mits deze voldoende precisie heeft op het bereik van 1 – 200 N. Monsters die stroperig zijn en niet bedoeld zijn om met de hand te worden geïnjecteerd, kunnen een grotere belastingscel vereisen.</li>
	<li>Scheid de platen met behulp van de handmatige bedieningsknoppen, zodat er voldoende ruimte is voor de naald, spuit en zuiger (ongeveer 30 cm is voldoende).</li>
	<li>Maak een testprotocol.<ol>
<li>Open de testwizard en stel het testtype in op uniaxiale compressie.</li>
		<li>Stel de voorbelasting in. Dit is de gemeten krachtwaarde waartegen het testen zal beginnen. 0,5 N is voldoende.</li>
		<li>Stel de snelheid in op voorbelasting op 5 mm/min. Dit is de snelheid die de kruiskop naar beneden zal bewegen totdat hij de pre-load tegenkomt.</li>
		<li>Stel de belading in op verplaatsingscontrole en selecteer een geschikte testsnelheid. 1 mm/s is een geschikte snelheid voor een standaard 5 mL spuit.</li>
		<li>Stel een bovenkrachtlimiet in om de test te stoppen, bijvoorbeeld 200 N. Dit is in de eerste plaats om veiligheidsredenen. De test kan ook automatisch worden gestopt bij een bepaalde verplaatsing, bijvoorbeeld de lengte van de spuit.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Het klemsysteem instellen
<ol><li>Bevestig twee sets klemmen aan twee standaards, met handvatten die groot genoeg zijn om de gekozen spuit veilig te verankeren.</li>
	<li>Plaats de grepen tussen de kruiskop en de baseplate, met voldoende ruimte onder de grepen voor de spuit en naald.</li>
	<li>Line-up van de centra van de twee grepen, en line-up deze met het midden van de crosshead. OPMERKING: Uitlijning van de klemgrepen met elkaar en het midden van de kruiskop kan enige tijd en iteratie duren om te bereiken, maar is belangrijk om gegevens van hoge kwaliteit te verkrijgen.</li>
	<li>Zorg ervoor dat de klemmen stevig worden vastgezet, zodat er geen beweging in de klemmen is wanneer een neerwaartse kracht wordt uitgeoefend.</li>
	<li>Plaats een schotel op de bodemplaat om het geëxtrudeerde materiaal te verzamelen.</li>
</ol>4. Voer het injectability protocol uit
<ol><li>Steek de spuit in de klemgrepen en sluit ze. De grepen moeten de spuit op zijn plaats houden, maar laat hem op en neer bewegen zonder weerstand.</li>
	<li>Zorg ervoor dat de spuit en zuiger loodrecht op de kruiskop staan. Dit zorgt ervoor dat alleen eenaxiale compressie van het materiaal wordt gemeten. OPMERKING: Een lege spuit moet worden gebruikt om de stappen 4.1 en 4.2 te controleren.</li>
	<li>Laat de bovenste plaat zakken naar een positie net boven de zuiger, met behulp van de handmatige bewegingsknoppen. OPMERKING: Het kan mogelijk zijn om een 'Startpositie'te selecteren in het mechanische tester protocol, zodat de oorspronkelijke positie boven de zuiger automatisch wordt bereikt en consistent is tijdens het testen.</li>
	<li>Nul de gemeten kracht door te klikken op 'Zero Force'.</li>
	<li>Voer het testprotocol uit door op 'Run'te drukken. LET OP: De onderzoeker moet altijd aanwezig zijn om elke proef te observeren en klaar om de noodstop te activeren in geval van een ongeluk.</li>
	<li>Til de platen op voldoende hoogte, met behulp van de handmatige beweging knoppen, zodat de spuit kan worden verwijderd.</li>
	<li>Herhaal stap 4 voor elk monster. OPMERKING: Op dit punt kan de spuit en geëxtrudeerd monster worden weggegooid als er geen verdere analyse nodig is, maar kan worden bewaard om filterpersing, zelfgenezing, de effecten op cellen, enz.</li>
</ol>5. Gegevensverzameling
<ol><li>Sla de gegevens van elke proefversie op in een indeling waaruit een tabel met kracht- en verplaatsingswaarden kan worden gegenereerd (.txt, .xls .xlsx).</li>
	<li>Plot de resultaten van elke proef, met verplaatsing op de x-as en kracht op de y-as.</li>
	<li>Lees de maximale kracht (als deze bestaat) en plateaukracht uit de grafieken.</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>
<li>Mathew, A. P., Uthaman, S., Cho, K. -H., Cho, C. -S., Park, I. -K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+hydrogels+for+delivering+biotherapeutic+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Biological+Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Injectable hydrogels for delivering biotherapeutic molecules.</a> International Journal of Biological Macromolecules. 110, 17-29 (2018).</li>
<li>Zhou, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+biomaterials+for+translational+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Injectable biomaterials for translational medicine.</a> Materials Today. 28, 81-97 (2019).</li>
<li>Alves, H. L. R., dos Santos, L. A., Bergmann, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectability+evaluation+of+tricalcium+phosphate+bone+cement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%3A+Materials+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Injectability evaluation of tricalcium phosphate bone cement.</a> Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19, 2241-2246 (2008).</li>
<li>Yu, L., Ding, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+hydrogels+as+unique+biomedical+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Injectable hydrogels as unique biomedical materials.</a> Chemical Society Reviews. 37, 1473(2008).</li>
<li>Pawelec, K. M., Planell, J. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPawelec%2C+KM+%22Bone+Repair+Biomaterials%3A+Regeneration+and+Clinical+Applications%22">Bone Repair Biomaterials: Regeneration and Clinical Applications</a>. , Elseiver, Woodhead Publishing. (2019).</li>
<li>Fernandez de Grado, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bone+substitutes%3A+a+review+of+their+characteristics%2C+clinical+use%2C+and+perspectives+for+large+bone+defects+management%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Tissue+Engineering%22%5BJournal%5D)">Bone substitutes: a review of their characteristics, clinical use, and perspectives for large bone defects management.</a> Journal of Tissue Engineering. 9, 204173141877681(2018).</li>
<li>Robinson, T. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Filling+the+Gap%3A+A+Correlation+between+Objective+and+Subjective+Measures+of+Injectability%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Healthcare+Materials%22%5BJournal%5D)">Filling the Gap: A Correlation between Objective and Subjective Measures of Injectability.</a> Advanced Healthcare Materials. , 1901521(2020).</li>
<li>O'Neill, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Critical+review%3A+Injectability+of+calcium+phosphate+pastes+and+cements%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomaterialia%22%5BJournal%5D)">Critical review: Injectability of calcium phosphate pastes and cements.</a> Acta Biomaterialia. 50, 1-19 (2017).</li>
<li>Gantar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+and+self-healing+dynamic+hydrogel+containing+bioactive+glass+nanoparticles+as+a+potential+biomaterial+for+bone+regeneration%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Advances%22%5BJournal%5D)">Injectable and self-healing dynamic hydrogel containing bioactive glass nanoparticles as a potential biomaterial for bone regeneration.</a> RSC Advances. 6, 69156-69166 (2016).</li>
<li>Ramin, M. A., Latxague, L., Sindhu, K. R., Chassande, O., Barthélémy, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+molecular+weight+hydrogels+derived+from+urea+based-bolaamphiphiles+as+new+injectable+biomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Low molecular weight hydrogels derived from urea based-bolaamphiphiles as new injectable biomaterials.</a> Biomaterials. 145, 72-80 (2017).</li>
<li>Ren, K., He, C., Xiao, C., Li, G., Chen, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+glycopolypeptide+hydrogels+as+biomimetic+scaffolds+for+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Injectable glycopolypeptide hydrogels as biomimetic scaffolds for tissue engineering.</a> Biomaterials. 51, 238-249 (2015).</li>
<li>Burckbuchler, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rheological+and+syringeability+properties+of+highly+concentrated+human+polyclonal+immunoglobulin+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Pharmaceutics+and+Biopharmaceutics%22%5BJournal%5D)">Rheological and syringeability properties of highly concentrated human polyclonal immunoglobulin solutions.</a> European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 76, 351-356 (2010).</li>
<li>Allmendinger, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rheological+characterization+and+injection+forces+of+concentrated+protein+formulations%3A+An+alternative+predictive+model+for+non-Newtonian+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Pharmaceutics+and+Biopharmaceutics%22%5BJournal%5D)">Rheological characterization and injection forces of concentrated protein formulations: An alternative predictive model for non-Newtonian solutions.</a> European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 87, 318-328 (2014).</li>
<li>Davison, P. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Effect+of+Hydrodynamic+Shear+on+the+Deoxyribonucleic+Acid+from+T2+and+T4+Bacteriophages%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">The Effect of Hydrodynamic Shear on the Deoxyribonucleic Acid from T2 and T4 Bacteriophages.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 45, 1560-1568 (1959).</li>
<li>Chen, M. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methods+to+Assess+Shear-Thinning+Hydrogels+for+Application+As+Injectable+Biomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Biomaterials+Science+and+Engineering%22%5BJournal%5D)">Methods to Assess Shear-Thinning Hydrogels for Application As Injectable Biomaterials.</a> ACS Biomaterials Science and Engineering. 3, 3146-3160 (2017).</li>
<li>Krebs, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clinical+measurements+of+cement+injection+pressure+during+vertebroplasty%5BTitle%5D)+AND+%22Spine%22%5BJournal%5D)">Clinical measurements of cement injection pressure during vertebroplasty.</a> Spine. 30, (2005).</li>
<li>Bohner, M., Baroud, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectability+of+calcium+phosphate+pastes%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Injectability of calcium phosphate pastes.</a> Biomaterials. 26, 1553-1563 (2005).</li>
<li>Gbureck, U., Barralet, J. E., Spatz, K., Grover, L. M., Thull, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ionic+Modification+of+Calcium+Phosphate+Cement+Viscosity.+Part+I%3A+Hypodermic+Injection+and+Strength+Improvement+of+Apatite+Cement%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Ionic Modification of Calcium Phosphate Cement Viscosity. Part I: Hypodermic Injection and Strength Improvement of Apatite Cement.</a> Biomaterials. 25, 2187-2195 (2004).</li>
<li>Habib, M., Baroud, G., Galea, L., Bohner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+the+ultrasonication+process+for+injectability+of+hydraulic+calcium+phosphate+pastes%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomaterialia%22%5BJournal%5D)">Evaluation of the ultrasonication process for injectability of hydraulic calcium phosphate pastes.</a> Acta Biomaterialia. 8, 1164-1168 (2012).</li>
<li>Martin, B. C., Minner, E. J., Wiseman, S. L., Klank, R. L., Gilbert, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Agarose+and+methylcellulose+hydrogel+blends+for+nerve+regeneration+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Agarose and methylcellulose hydrogel blends for nerve regeneration applications.</a> Journal of Neural Engineering. 5, 221-231 (2008).</li>
<li>Borzacchiello, A., Russo, L., Malle, B. M., Schwach-Abdellaoui, K., Ambrosio, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyaluronic+Acid+Based+Hydrogels+for+Regenerative+Medicine+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22BioMed+Research+International%22%5BJournal%5D)">Hyaluronic Acid Based Hydrogels for Regenerative Medicine Applications.</a> BioMed Research International. 2015, 871218(2015).</li>
<li>Zhao, L., Weir, M. D., Xu, H. H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+injectable+calcium+phosphate-alginate+hydrogel-umbilical+cord+mesenchymal+stem+cell+paste+for+bone+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">An injectable calcium phosphate-alginate hydrogel-umbilical cord mesenchymal stem cell paste for bone tissue engineering.</a> Biomaterials. 31, 6502-6510 (2010).</li>
<li>Ji, D. -Y., Kuo, T. -F., Wu, H. -D., Yang, J. -C., Lee, S. -Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+injectable+chitosan%2Fpolyglutamate+polyelectrolyte+complex+hydrogel+with+hydroxyapatite+for+soft-tissue+augmentation%5BTitle%5D)+AND+%22Carbohydrate+Polymers%22%5BJournal%5D)">A novel injectable chitosan/polyglutamate polyelectrolyte complex hydrogel with hydroxyapatite for soft-tissue augmentation.</a> Carbohydrate Polymers. 89, 1123-1130 (2012).</li>
<li>Vaishya, R., Chauhan, M., Vaish, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bone+cement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Orthopaedics+and+Trauma%22%5BJournal%5D)">Bone cement.</a> Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma. 4, 157-163 (2013).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Mechanische testen is misschien wel de eenvoudigste en meest betrouwbare manier om injecteerbaarheid te kwantificeren. Een belangrijk voordeel van dit protocol is dat er geen speciale apparatuur nodig is, behalve de mechanische tester, die gebruikelijk is in materiaallaboratoria. Dit protocol is zeer veelzijdig; elk materiaal, naaldmeter en spuitgrootte kan worden gebruikt, mits de spuit door de klemmen kan worden ondergebracht. Dit is geverifieerd in dit protocol voor spuiten tot 10 mL. Verder kan het materiaal precies worden voorbereid zoals het zou doen voor de real-world applicatie25. Ten slotte is deze procedure zeer snel, waarbij slechts een paar minuten per monster, waardoor tientallen monsters per uur kunnen worden verwerkt.
Voor monsters die typische curven geven, kunnen twee waarden worden geëxtraheerd: de maximale kracht en de plateaukrachtcurven. De maximale kracht is aantoonbaar objectiever en kan rekenkundig worden geëxtraheerd uit de gegevenstabel voor elk monster. Omgekeerd kan de plateaukracht representatiever zijn, omdat dit de kracht zal zijn die gedurende de grootste tijd wordt ervaren en gemiddeld minder wordt beïnvloed door krommen met grote schommelingen. Deze schommelingen kunnen worden veroorzaakt door luchtbellen of deeltjes in het materiaal die intermitterende veranderingen veroorzaken wanneer ze worden geëxtrudeerd, of door lage instrumentprecisie voor metingen met kleine kracht. Het is echter opmerkelijk dat er voor veel monsters geen maximale krachtpiek is, en dus zijn de maximale en plateauwaarde hetzelfde. Objectieve vergelijkingen tussen injectiekrachten kunnen worden gemaakt zolang een consistente waarde wordt gebruikt.
De verkregen gegevens kunnen op verschillende manieren worden gebruikt. De injecteerbaarheidskrachtwaarden kunnen worden vergeleken met het injectiegemak, om vast te stellen welke formuleringen, spuit en naaldgroottes haalbaar zijn voor vertaling8. Als alternatief, het vergelijken tussen monsters maakt het mogelijk voor de kwantificering van wijzigingen in formuleringen op injecteerbaarheid. Bijvoorbeeld, in cement, het veranderen van de viscositeit van de vloeibare fase, de deeltjesgrootte verdeling, en het toevoegen van additieven zoals citraat om de colloïdale eigenschappen te veranderen, kan grote veranderingen in injectabiliteit9. Deze tests kunnen ook de formulering protocol voor cement, bijvoorbeeld mengtijd, tijd tot belasting en tijd tot toepassing, voor een optimale injectie en post-injectie prestaties. Bovendien kan deze methode worden gebruikt om de eerste haalbaarheid van nieuwe bioinks voor 3D-printen te testen.
Dit protocol kan op verschillende manieren worden gewijzigd. Het klemsysteem kan worden vervangen door een op maat gemaakte 3D-geprinte constructie om de spuit vast te houden, wat het gemakkelijker kan maken om ervoor te zorgen dat de spuit en de zuiger loodrecht op de kruiskop staan en de spuit stevig wordt vastgehouden. De naald kan worden vervangen door een canule of een apparaat dat materiaal extrudeert door compressie van een zuiger en kan van elke grootte en geometrie zijn. Om de getrouwheid van de resultaten te verhogen, kan de punt van de naald in een weefsel of hydrogel worden geplaatst om de klinische injectie nauwkeuriger te simuleren. Dit voegt echter nog meer complexiteiten toe aan het protocol, omdat de samenstelling van weefsel/gel en de naalddiepte constant moeten worden gehouden. Verder maakt dit protocol gebruik van verplaatsingsgestuurde extrusie, om de kracht te meten die nodig is om te injecteren met de opgegeven snelheid. Als alternatief kan de injectiekracht worden gespecificeerd en kan de hoeveelheid extrusie tegen de tijd worden gemeten. Dit kan handig zijn voor materialen met tijdsafhankelijke eigenschappen, zoals cement. Door bijvoorbeeld een correlatie te gebruiken tussen injectiekracht en het gemak van injecteerbaarheid om een kracht8te selecteren, kan dit protocol worden gebruikt om vast te stellen of het volledige volume cement met deze snelheid kan worden geïnjecteerd voordat u instelt. Ten slotte kan dit protocol eenvoudig worden gecombineerd met andere experimenten, om het effect van injectie op de materiaaleigenschappen te testen en verschijnselen zoals filterpersing en zelfgenezing, of het effect van injectie op cellen te onderzoeken.
De belangrijkste beperking van dit protocol is dat een universele mechanische tester nodig is. Hoewel deze gebruikelijk zijn in materialen testen labs, ze zijn duur om te kopen als de gebruiker geen toegang tot een. Verder biedt de mechanische tester uniaxiale compressie bij een vaste kracht of snelheid van verplaatsing, terwijl de toegepaste kracht en injectiesnelheid kunnen variëren in de loop van de injectie met de hand. Dit protocol is ook ongeschikt voor het repliceren van sommige echte wereld injecties, zoals injecties in complexe weefsels in het theater, of injecteren onder verschillende hoeken. Om de kracht van injectie in de kliniek te kwantificeren, kunnen kracht en verplaatsingtransducers een betere methode zijn.

Biomaterialen worden vaak bestudeerd en gebruikt als steigers voor celgebonden weefselregeneratie en depots voor gerichte, duurzame levering van therapieën1. Binnen dit veld, injecteerbare biomaterialen groeien in populariteit als ze minimaal invasief, die het risico van infectie, pijn en littekens in verband met implantatievermindert 2. Verder, omdat ze meestal worden toegepast als vloeistoffen, ze perfect voldoen aan weefseldefecten, en drugs en cellen kunnen worden gemengd in hen onmiddellijk voorafgaand aan de toepassing3,4,5. Als zodanig, terwijl injecteerbare biomaterialen kunnen worden vervaardigd als voorgeladen spuiten, worden ze vaak bereid door clinici direct voorafgaand aan de toepassing. Cement begint bijvoorbeeld in te stellen zodra de poeder- en vloeistoffasen zijn gemengd en kunnen dus niet lang worden opgeslagen voor gebruik6. De karakterisering van deze materialen is zo tijd afhankelijk en onlosmakelijk verbonden met hun voorbereiding.
Veel voorkomende injecteerbare biomaterialen zijn calciumcementen, polymethylmethylmeryrylaat, bioglassen en diverse polymere hydrogels3,7. In tegenstelling tot traditionele injecties van geneesmiddelen, die dezelfde rheologische eigenschappen hebben als water, zijn deze injecteerbare biomaterialen doorgaans stroperiger, niet-Newtoniaans, kunnen een elastisch karakter hebben en kunnen ze ook na verloop van tijd veranderen. Daarom kan de injecteerbaarheid van deze materialen niet worden aangenomen, maar moet experimenteel worden beoordeeld. Door de kracht te kwantificeren die nodig is voor injectie en te correleren met het gemak van injectie, kunnen vroege beslissingen over welke biomatenformuleringen, spuit en naaldgroottes in het begin van het ontwikkelingsproces kunnen worden genomen8. Dergelijke experimenten kunnen ook de effecten van veranderende formuleringen op de injecteerbaarheid kwantificeren9.
Er zijn verschillende methoden om de eigenschappen van injecteerbare materialen te beoordelen. Rotatiererologie wordt vaak gebruikt om viscositeit, niet-Newtoniaans gedrag, herstel na afschuif, instellingstijd en andere eigenschappen van deze materialen te beoordelen10,11,12. Hoewel dit type test nuttig is om fundamentele eigenschappen van de materialen vast te stellen, correleren deze eigenschappen niet direct met injecteerbaarheid. Voor een Newtoniaanse vloeistof en cilindrische spuit en naald kan de injectiekracht worden geschat uit een vorm van de Hagen-Poiseuille-vergelijking13:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq1.jpg">
Wanneer F de kracht is die nodig is voor injectie (N), R s is de interne spuit radius (m), Rn is de interne naald straal (m), L is de naald lengte (m), Q is vloeistof stroomsnelheid (m3 s-1), η is de dynamische viscositeit (Pa.s) en Ff is de wrijvingskracht tussen de zuiger en de loopwand (N). Dus als de viscositeit wordt gemeten via rotatiereologie, de afmetingen van de spuit en naald bekend zijn en de debiet wordt geschat, kan de injectiekracht worden geschat. Deze vergelijking houdt echter geen rekening met het conische uiteinde van de spuit of andere geometrieën, zoals uit het midden, en Ffmoet door mechanische tests worden geschat of experimenteel worden gevonden. Verder zijn biomaterialen meestal geen Newtoniaans, maar vertonen ze complexe rheologische eigenschappen. Voor een eenvoudige schuifvloeistof wordt de vergelijking14:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq2.jpg">
Waar n de power index (-) en K is de consistentie-index (Pa.sn) van de Ostwald de Waele uitdrukking: , waar is <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq3.jpg"> de <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq4.jpg"> schuifkoers (s-1). De complexiteit neemt sterk toe voor materialen waarvan de rheologische eigenschappen niet kunnen worden gekenmerkt door twee waarden, en in het bijzonder voor tijdafhankelijke materialen zoals het plaatsen van cement. Bovendien, als de materiaaleigenschappen afhankelijk zijn van afschuifafing, moet het materiaal worden getest met de in de naald verwachte afschuifsnelheid, die het bereik van een rotatiererometer15veel kan overschrijden.
Een andere kwantitatieve methode voor het meten van injecteerbaarheid omvat het bevestigen van druk- en verplaatsingssensoren aan een spuit tijdens het uitvoeren van een injectie, met de hand of met behulp van een spuitpomp. Deze apparatuur is relatief goedkoop, echter, vereist gebruikers om scripts en kalibratie curven te genereren om te zetten in kracht gegevens16. Verder kan een spuitpomp niet over voldoende koppel beschikken om de zuiger nauwkeurig te comprimeren als er hoge krachten nodig zijn om viskeuze of semi-vaste materialen te extruderen. Als alternatief kan het nuttig zijn om deze sensoren te gebruiken bij het injecteren met de hand, omdat ze kunnen worden gebruikt in een echt klinisch scenario, tijdens klinische procedures17. Dit zal echter veel langer duren en kan gebruikersbias introduceren en zal daarom grotere aantallen herhalingen met verschillende gebruikers nodig hebben om betrouwbare resultaten te verkrijgen. Dit kan dus meer geschikt zijn voor materialen die verder in de translationele pijplijn liggen, of producten die al klinisch worden gebruikt.
In dit protocol wordt een mechanische tester gebruikt om de zuiger met een bepaalde snelheid te comprimeren en de kracht te meten die nodig is om dit te doen. Dit type mechanische tester komt veel voor in materiaallaboratoria en wordt gebruikt om de injecteerbaarheid voor verschillende biomaterialen18,19,20,21,22,23,24te kwantificeren . Deze test kan worden gebruikt met elke grootte en geometrie van spuit en naald, met elk materiaal. Verder, in het geval van biomaterialen die onmiddellijk voorafgaand aan het gebruik worden gemaakt, kan de exacte formuleringsprocedure die in de kliniek of een operatie zou worden gebruikt, worden gevolgd voorafgaand aan het testen. Een bijkomend voordeel van deze procedure is dat het relatief snel is; zodra de mechanische tester is ingesteld, kunnen tientallen monsters worden bestudeerd in een uur, afhankelijk van extrusiesnelheid en spuitvolume. Dit in tegenstelling tot rotatiereologie, die doorgaans minstens 5 – 10 minuten per test in beslag neemt, plus belasting, evenwicht en reinigingstijd. Het gebruik van een mechanische tester produceert een betrouwbare extrusiesnelheid gelijkmatig over de zuiger, wat bijzonder voordelig is voor stroperige formuleringen of die met tijdsafhankelijke eigenschappen. Na het testen is een minimale nabewerking van gegevens vereist om belangrijke waarden voor objectieve vergelijkingen uit te trekken.

<table><tbody><tr><td>Alginic Acid Sodium Salt</td><td>Sigma</td><td>A2033-100G</td><td></td></tr><tr><td>Blunt Needles</td><td>Needlez</td><td>NB19G1.5</td><td>Elke maat kan worden gebruikt, afhankelijk van de toepassing</td></tr><tr><td>Calcium Sulphate Hemihydrate</td><td>Acros Organics</td><td>22441.296</td><td></td></tr><tr><td>Clamp stand</td><td>Eisco</td><td>MTST5</td><td>Twee vereist</td></tr><tr><td>Clamps</td><td>R&amp;L Enterprises</td><td>41</td><td>Twee vereist, moeten platte bovenkant hebben</td></tr><tr><td>Syringes</td><td>BD</td><td>307731</td><td>Elke maat kan worden gebruikt, afhankelijk van de toepassing</td></tr><tr><td>Universal Mechanical Tester</td><td>Zwick Roell</td><td>Z030</td><td></td></tr></tbody></table>

de kwantificering van injecteerbaarheid door mechanische testen

The Quantification of Injectability by Mechanical Testing

Injecteerbare biomaterialen worden steeds populairder voor de minimaal invasieve levering van geneesmiddelen en cellen. Deze materialen zijn doorgaans stroperiger dan traditionele waterige injecties en kunnen semi-solide zijn, daarom kan de injecteerbaarheid ervan niet worden aangenomen. Dit protocol beschrijft een methode om de injecteerbaarheid van deze materialen objectief te beoordelen met behulp van een standaard mechanische tester. De spuitzuiger wordt gecomprimeerd door de kruiskop met een bepaalde snelheid, en de kracht wordt gemeten. De maximale of plateaukracht waarde kan vervolgens worden gebruikt voor vergelijking tussen monsters, of tot een absolute krachtlimiet. Dit protocol kan worden gebruikt met elk materiaal, en elke spuit en naald grootte of geometrie. De verkregen resultaten kunnen worden gebruikt om beslissingen te nemen over formuleringen, spuit en naaldmaten in het begin van het translationele proces. Verder kunnen de effecten van het veranderen van formuleringen op de injecteerbaarheid worden gekwantificeerd en kan de optimale tijd om tijdelijk veranderende materialen te injecteren worden gekwantificeerd. Deze methode is ook geschikt als een reproduceerbare manier om de effecten van injectie op een materiaal te onderzoeken, om verschijnselen zoals zelfgenezing en filterpersing te bestuderen of de effecten van injectie op cellen te bestuderen. Dit protocol is sneller en directer van toepassing op injecteerbaarheid dan rotatiereologie en vereist minimale nabewerking om belangrijke waarden voor directe vergelijkingen te verkrijgen.

De opstelling van de mechanische tester en het klemsysteem is weergegeven in figuur 1A. Dit protocol genereert een tabel en grafiek van kracht versus verplaatsing voor elk getest monster. Een typische krachtverplaatsingscurve bestaat uit drie secties (Figuur 1B):een eerste helling, omdat de zuiger wrijving van het vat overwint en het materiaal wordt versneld, een kracht maximum en een plateau, omdat het materiaal in een stabiele toestand wordt geëxtrudeerd.
Er bestaat echter alleen een duidelijk maximum wanneer de plateaukracht lager is dan de kracht die nodig is om de zuiger te versnellen. Als zodanig, pieken worden alleen gezien voor inviscid monsters die door brede naalden. Voor viskeuze monsters die door een meer smalle opening gaan, is de kracht die nodig is om het monster bij constante snelheid te injecteren groter dan de kracht die nodig is om wrijving in het vat te overwinnen en het materiaal te versnellen, en er wordt geen duidelijke piek gezien(figuur 1C). Voor zeer stroperige monsters of zeer smalle naalden kan de kracht die nodig is om het materiaal te extruderen zo groot zijn dat de spuit gespen en faalt, vaak met zeer weinig extrusie van het materiaal(figuur 1D). Als het geïnjecteerde materiaal deeltjes bevat of een instelling ondergaat, zoals cement, filterpersing (preferentiële uitzetting van de vloeibare fase) of bulkinstelling, kan dit leiden tot onvolledige injectie (figuur 1E).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61417/61417fig1.jpg"> Figuur 1: Voorbeeldcurven die door dit protocol worden gegenereerd. (A) Opstelling van de mechanische tester voor dit protocol. (B) Typische kracht-extrusie curve. (C) Force-extrusie curve zonder duidelijke maximale piek. (D) Force-extrusie curve voor spuitfalen. (E) Kracht-extrusie curve voor een instelling cement. Dit cijfer is aangepast van Robinson et al.8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61417/61417fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>

Hier gepresenteerd is een protocol voor kwantitatief evalueren van de injecteerbaarheid van een materiaal door middel van een spuit-naald systeem met behulp van een standaard mechanische testinstallatie.

De kwantificering van injecteerbaarheid door mechanische testen

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

Door de kracht te meten, kunnen we nagaan of een materiaal injecteerbaar is en hoe het veranderen van de naald- en spuitgrootte, of de formuleringsverwerking en chemie de injectabiliteit kunnen beïnvloeden. Deze techniek is snel en eenvoudig. Kan worden gebruikt met een verscheidenheid van naald en spuit geometrieën, en vereist weinig gegevensverwerking om de belangrijkste kracht waarden te verkrijgen.Deze methode is met name van toepassing op injecteerbare biomaterialen, zoals hydrogels en cement, de aanhoudende toepassingen voor de levering van geneesmiddelen en weefselengineering. Om de mechanische tester in te stellen, bevestig je platte compressietesten aan de mechanische tester en rust je de tester handmatig uit met de belastingscel met de maximale belasting van 200 Newton. Gebruik de handmatige bedieningsknoppen om de weegbree te scheiden om ongeveer 30 centimeter ruimte voor de naald, spuit en zuiger mogelijk te maken.Als u een testprotocol wilt maken, opent u de testwizard in de apparaatsoftware en stelt u het testtype in op uniaxiale compressie. Stel de gemeten kracht preload waarde in waarmee het testen zal beginnen en pas de snelheid aan om vooraf te laden op vijf millimeter per minuut, om de snelheid in te stellen waarmee de kruiskop naar beneden zal bewegen totdat het de voorbelasting tegenkomt. Stel de belading in op verplaatsingscontrole en selecteer een geschikte testsnelheid.Stel vervolgens een bovenkrachtlimiet in om de test te stoppen. Om het klemsysteem in te stellen, bevestigt u twee klemmen met grepen die groot genoeg zijn om de geselecteerde spuit stevig op twee standaarden te brengen. Plaats de grepen tussen de kruiskop en de basisplaat met voldoende ruimte onder de grepen voor de spuit en naald en line-up van de centra van de grepen met het midden van de kruiskop.Gebruik een lege spuit om te helpen met de uitlijning. Controleer vervolgens of de klemmen stevig zijn vastgezet, zodat er geen beweging in de klemmen is wanneer een neerwaartse kracht wordt uitgeoefend en plaats een schotel op de bodemplaat om het geëxtrudeerde materiaal te verzamelen. Om een injecteerbaar experiment uit te voeren, steek je de spuit in de klemgrepen en sluit je de grepen zodat de spuit op zijn plaats wordt gehouden, maar kan hij zonder weerstand op en neer bewegen met de spuit en zuiger loodrecht op de kruiskop.Gebruik de knoppen om de bovenste plaat net boven de zuiger te laten zakken en klik op nul kracht tot nul de gemeten kracht. Klik vervolgens op uitvoeren om het testprotocol uit te voeren. Aan het einde van de test, til de platen tot een voldoende hoogte, zodat de spuit kan worden verwijderd en herhaal de test met het volgende monster.Sla na elke proef de gegevens op in een indeling zodat een tabel met kracht- en verplaatsingswaarden kan worden gegenereerd en de resultaten van elke proef kunnen plotten met de verplaatsing op de X-as en de kracht op de Y-as. Wanneer alle proeven zijn uitgezet, bepaal dan de maximale en plateaukrachten van elke grafiek. Een typische krachtverplaatsingscurve bestaat uit drie secties.Een eerste helling, als de zuiger overwint de wrijving van het vat en het materiaal heeft versneld een kracht maximum. En het plateau als het materiaal wordt geëxtrudeerd in een stabiele toestand. Voor viskeuze monsters die door een smallere opening gaan, is de kracht die nodig is om het monster bij constante snelheid te injecteren groter dan de kracht die nodig is om de wrijving in het vat te overwinnen en het materiaal te versnellen.Daarom wordt geen duidelijke piek waargenomen. Voor zeer stroperige monsters of zeer smalle naalden kan de kracht die nodig is om het materiaal te extruderen zo groot zijn dat de spuit gespen en faalt. Vaak met zeer weinig extrusie van het materiaal.Als het geïnjecteerde materiaal deeltjes bevat of begint in te stellen, kan filterpersing of bulkinstelling optreden die leidt tot een onvolledige injectie. Het is essentieel om ervoor te zorgen dat de klonten stevig zijn vastgezet, zodat de spuit goed past, gecentreerd is en loodrecht op de kruiskop staat. Een correlatie kan worden gebruikt om de gemeten kracht van het injectiegemak met elkaar te relateren.Rheologie kan ook worden gebruikt om te begrijpen hoe het injectieproces het materiaal beïnvloedt.

the-quantification-of-injectability-by-mechanical-testing

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Source: Liou, C. et al. Intracerebroventricular Delivery of Gut-Derived Microbial Metabolites in Freely Moving Mice. J. Vis. Exp. (2022).This video demonstrates the intracranial injection of short-chain fatty acids (SCFAs) in a freely moving mouse to study their effects on brain-mediated behavior. An injector cannula is inserted into a guide cannula implanted in the mouse brain. After recovery, the mouse acclimates in a novel cage. SCFAs are then administered, and locomotor behavior is recorded.

Intracranial Injection of Gut-Derived Microbial Metabolites in a Mouse Model

We hebben een techniek voor picoinjecting microfluïdische druppels die metalen elektroden niet vereist ontwikkeld. Als zodanig hulpmiddelen die onze techniek eenvoudiger te fabriceren en te gebruiken.

Picoinjection van Microfluidic Drops Zonder metalen elektroden

Een verbeterde methode om te testen botverankeringsmiddel mechanisch kandidaat implantaatoppervlakken wordt gepresenteerd. Deze werkwijze maakt aanpassing van de verstoring kracht, loodrecht of parallel aan het vlak van het oppervlak van het implantaat, en een nauwkeurige manier om de verstoring krachten over naar een exacte peri-implantaat regio.

Een verbeterde mechanische testmethode te beoordelen Bone-implantaat Anchorage

Knaagdieren zijn een geschikt model om de moleculaire substraten van gedrag en complexe psychiatrische stoornissen te onderzoeken. Hersenmicro-injectie bij wakkere knaagdieren kan worden gebruikt om ziekte-substraten te verduidelijken. Een efficiënte en aanpasbare hersenmicro-injectiemethode evenals de uitvoering van een operante paradigma dat motivatie kwantificeert wordt gepresenteerd.

Knaagdieren Brain Micro-injectie om te studeren Molecular substraten van gemotiveerd gedrag

Dit experimentele protocol beschrijft hoe atoomkrachtmicroscopie kan worden gebruikt om hardheid te meten op de echte nanometer schaal en om enkele atomaire plasticiteitsgebeurtenissen te detecteren.

Kwantitatieve Hardheid Meting door Instrumented AFM-inspringen

Dit protocol beschrijft de synthese en formulering van injecteerbare, supramoleculaire polymeer-nanodeeltjes (PNP) hydrogel biomaterialen. Toepassingen van deze materialen voor medicijnafgifte, biofarmaceutische stabilisatie en celencapsulatie en -levering worden gedemonstreerd.

Injecteerbare supramoleculaire polymeer-nanodeeltjes hydrogels voor cel- en medicijnafgiftetoepassingen

We presenteren een methode van celinjectie via naaldvrije waterstraaltechnologie in combinatie met een vervolg op onderzoeken na toediening in termen van cellulaire levensvatbaarheid, proliferatie en elasticiteitsmetingen.

Injectie van van varkensweefsel afgeleide stromacellen via waterstraaltechnologie

Een workflow wordt gedemonstreerd voor de absolute kwantificering van geneesmiddeldrager-celinteracties met behulp van flowcytometrie om een betere rationele evaluatie van nieuwe medicijnafgiftesystemen mogelijk te maken. Deze workflow is van toepassing op drugsdragers van elk type.

Experimentele kwantificering van interacties tussen medicijnafgiftesystemen en cellen in vitro: een gids voor preklinische nanogeneeskunde-evaluatie

De ontwikkeling van farmaceutisch droog poeder vereist betrouwbare in vivo testen, vaak met behulp van een muizenmodel. Apparaattechnologie voor het nauwkeurig en reproduceerbaar toedienen van aerosolen met droog poeder aan muizen is beperkt. Deze studie presenteert wegwerpdosators voor pulmonale medicijnafgifte in muisrelevante doses, wat helpt bij het eerste proof-of-concept-onderzoek.

Wegwerpdoseerders bedoeld voor de toediening van droog poeder aan muizen

Passieve mechanische tests van muizenhalsslagaders worden beschreven, met speciale aandacht voor de aanpassing aan verschillende leeftijden van de monsters. De procedures omvatten het bepalen van de in vivo lengte van de slagader, het monteren in een drukmyograaf, het vastleggen van gegevens, het meten van de onbelaste afmetingen en het analyseren van de resulterende gegevens.

Mechanische testen van Muis halsslagaders: van pasgeboren tot volwassen

Leer hoe u de injecteerbaarheid van biomaterialen kwantificeert met mechanische testen. Deze methode meet kracht-displacementcurves voor hydrogels en cementen in drug delivery en tissue engineering.

De kwantificering van injecteerbaarheid door mechanische testen

Meer video's verkennen