Kwantyfikacja wstrzykiwalności za pomocą testów mechanicznych
13 maja 2020
Prezentowany tutaj jest protokół do ilościowej oceny wstrzykiwalności materiału za pomocą systemu strzykawka-igła przy użyciu standardowego mechanicznego stanowiska testowego.
Mierząc siłę, możemy stwierdzić, czy materiał nadaje się do wstrzykiwania i jak zmiana rozmiaru igły i strzykawki lub przetwarzanie preparatu i chemia mogą wpłynąć na wstrzykiwalność. Ta technika jest szybka i prosta. Może być używany z różnymi geometriami igieł i strzykawek i wymaga niewielkiego przetwarzania danych w celu uzyskania kluczowych wartości siły.
Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku biomateriałów do wstrzykiwań, takich jak hydrożele i cementy, do zastosowań w ciągłym dostarczaniu leków i inżynierii tkankowej. Aby skonfigurować tester mechaniczny, przymocuj płaskie tabletki do testowania ściskania do testera mechanicznego i ręcznie wyposaż tester w ogniwo obciążnikowe o maksymalnym obciążeniu 200 niutonów. Użyj przycisków sterowania ręcznego, aby oddzielić banany, aby pozostawić około 30 centymetrów miejsca na igłę, strzykawkę i tłok
.Aby utworzyć protokół testowy, otwórz kreatora testów w oprogramowaniu urządzenia i ustaw typ testu na kompresję jednoosiową. Ustaw zmierzoną wartość napięcia wstępnego, przy której rozpocznie się testowanie, i dostosuj prędkość do napięcia wstępnego na pięć milimetrów na minutę, aby ustawić prędkość, z jaką poprzeczka będzie przesuwać się w dół, aż napotka napięcie wstępne. Ustaw obciążenie na kontrolę przemieszczenia i wybierz odpowiednią prędkość testową.
Następnie ustaw górną granicę siły, przy której chcesz zatrzymać test. Aby ustawić system zaciskowy, przymocuj dwa zestawy zacisków z uchwytami wystarczająco dużymi, aby bezpiecznie przymocować wybraną strzykawkę do dwóch stojaków. Umieść uchwyty między poprzeczką a płytą podstawy, pozostawiając wystarczająco dużo miejsca poniżej uchwytów na strzykawkę i igłę, a następnie wyrównaj środki uchwytów ze środkiem poprzeczek.
Użyj pustej strzykawki, aby pomóc w wyrównaniu. Następnie sprawdź, czy zaciski są mocno zamocowane, aby nie było ruchu w zaciskach po przyłożeniu siły skierowanej w dół i umieść naczynie na dolnej płycie, aby zebrać wytłaczany materiał. Aby przeprowadzić eksperyment z wstrzykiwalnością, należy włożyć strzykawkę do uchwytów zaciskowych i zamknąć uchwyty tak, aby strzykawka była utrzymywana na miejscu, ale mogła poruszać się w górę i w dół bez oporu, gdy strzykawka i tłok są prostopadłe do poprzeczki.
Użyj przycisków, aby opuścić górną płytę tuż nad tłokiem i kliknij zero siły, aby wyzerować zmierzoną siłę. Następnie kliknij przycisk uruchom, aby uruchomić protokół testowy. Pod koniec badania podnieść płytki na wystarczającą wysokość, tak aby można było wyjąć strzykawkę i powtórzyć test z następną próbką.
Po każdej próbie zapisz dane w formacie umożliwiającym wygenerowanie tabeli wartości siły i przemieszczenia, a następnie wykreśl wyniki z każdej próby z przemieszczeniem na osi X i siłą na osi Y. Po wykreśleniu wszystkich prób określ siły maksymalne i plateau na podstawie każdego wykresu. Typowa krzywa przemieszczenia siły składa się z trzech przekrojów.
Początkowy gradient, gdy tłok pokonuje tarcie od lufy, a materiał przyspiesza z maksymalną siłą. I plateau, gdy materiał jest wytłaczany w stanie ustalonym. W przypadku lepkich próbek przechodzących przez węższy otwór siła potrzebna do wstrzyknięcia próbki ze stałą prędkością jest większa niż siła potrzebna do pokonania tarcia w cylindrze i przyspieszenia materiału.
W związku z tym nie obserwuje się wyraźnego szczytu. W przypadku próbek o dużej lepkości lub bardzo wąskich igieł siła wymagana do wytłaczania materiału może być tak duża, że strzykawka wygina się i ulega awarii. Często przy bardzo małym wytłaczaniu materiału.
Jeśli wstrzykiwany materiał zawiera cząstki stałe lub zaczyna twardnieć, może dojść do wyciśnięcia filtra lub ustawienia zbiorczego, co prowadzi do niepełnego wtrysku. Konieczne jest upewnienie się, że grudki są mocno zabezpieczone, tak aby strzykawka była dobrze dopasowana, wyśrodkowana i prostopadła do poprzeczki. Korelacja może być wykorzystana do powiązania zmierzonej siły łatwości wtrysku.
Alternatywnie reologię można wykorzystać do zrozumienia, w jaki sposób proces wtryskiwania wpływa na materiał.
Przegląd
Ten artykuł przedstawia protokół ilościowej oceny wstrzyknwalności materiałów przez system strzykawka-igła za pomocą mechanicznego urządzenia testującego. Metoda ta ma zastosowanie do różnych wstrzykiwanych biomateriałów, w tym żeli i cementów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biomateriały
- Testowanie mechaniczne
- Ocena wstrzyknwalności
Tło
- Wstrzyknwalność jest kluczowa dla zastosowania biomateriałów w podaniu leków i inżynierii tkankowej.
- Technika pomiaru siły pozwala na ocenę działania materiału w różnych warunkach.
- Rozumienie wstrzyknwalności może pomóc w optymalizacji receptur i metod przetwarzania.
- Mechaniczne urządzenia testujące zapewniają standaryzowany podejście do oceny wstrzyknwalności.
Cel badania
- Ustanowienie niezawodnej metody oceny wstrzyknwalności biomateriałów.
- Analiza wpływu wielkości igły i strzykawki na wstrzyknwalność materiałów.
- Dostarczenie protokołu, który można łatwo wdrożyć w środowiskach badawczych.
Stosowane metody
- Ustawienie mechanicznego testera z odpowiednimi komórkami obciążeniowymi i zaciskmi.
- Przeprowadzenie jednoosiowych testów ściskania w celu zmierzenia siły podczas wstrzyknięcia.
- Zbieranie i analiza danych w celu wygenerowania krzywych siła-przemieszczenie.
- Identyfikacja maksymalnych i plateau sił z wyników.
Główne wyniki
- Metoda pozwala na szybką i prostą ocenę wstrzyknwalności.
- Krzywe siła-przemieszczenie ujawniają kluczowe informacje na temat zachowania materiału podczas wstrzyknięcia.
- Różnice w wielkości igły i lepkości materiału znacząco wpływają na wstrzyknwalność.
- Prawidłowe ustawienie i wyrównanie są niezbędne do dokładnych pomiarów.
Wnioski
- Ten protokół dostarcza cennego narzędzia dla badaczy pracujących z wstrzykiwanymi biomateriałami.
- Rozumienie wstrzyknwalności może prowadzić do ulepszonych receptur dla zastosowań klinicznych.
- Przyszłe badania mogą rozszerzyć tę metodę na dodatkowe zmienne wpływające na wstrzyknwalność.
Często zadawane pytania
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.
