A Quantificação da Injeção por Testes Mecânicos
13 de maio de 2020
Apresentado aqui é um protocolo para avaliar quantitativamente a injeção de um material através de um sistema de agulha de seringa usando uma plataforma de teste mecânico padrão.
Medindo a força, podemos verificar se um material é injetável e como mudar o tamanho da agulha e da seringa, ou o processamento e química da formulação pode afetar a injeção. Esta técnica é rápida e simples. Pode ser usado com uma variedade de geometrias de agulha e seringa, e requer pouco processamento de dados para obter os valores-chave da força.
Este método é particularmente aplicável para biomateriais injetáveis, como hidrogéis e cimentos, a entrega sustentada de medicamentos e aplicações de engenharia de tecidos. Para configurar o testador mecânico, conecte as bananas de teste de compressão plana ao testador mecânico e equipar manualmente o testador com a célula de carga com a carga máxima de 200 Newtons. Use os botões de controle manuais para separar as bananas para permitir aproximadamente 30 centímetros de espaço para a agulha, seringa e êmbolo.
Para criar um protocolo de teste, abra o assistente de teste no software do dispositivo e defina o tipo de teste para compressão uniaxial. Defina o valor de pré-carga de força medido no qual os testes começarão e ajuste a velocidade para pré-carga para cinco milímetros por minuto, para definir a velocidade com que o crosshead irá se mover para baixo até encontrar a pré-carga. Defina o carregamento para o controle de deslocamento e selecione uma velocidade de teste apropriada.
Em seguida, defina um limite de força superior para parar o teste. Para configurar o sistema de fixação, conecte dois conjuntos de grampos com apertos grandes o suficiente para ensconce a seringa selecionada em dois estandes. Coloque as aderências entre a cabeça cruzada e a placa base com espaço suficiente abaixo das aderências para a seringa e agulha e alinhe os centros das garras com o centro da cabeça cruzada.
Use uma seringa vazia para ajudar no alinhamento. Em seguida, verifique se os grampos estão firmemente fixados para que não haja movimento nos grampos quando uma força descendente é aplicada e coloque um prato sobre a placa inferior para coletar o material extrudado. Para realizar um experimento de injeção, insira a seringa nas garras do grampo e feche as garras para que a seringa seja mantida no lugar, mas possa se mover para cima e para baixo sem resistência com a seringa e o êmbolo perpendicular à cabeça transversal.
Use os botões para baixar a placa superior logo acima do êmbolo e clique em força zero para zerar a força medida. Em seguida, clique em executar para executar o protocolo de teste. No final do teste, eleve as placas a uma altura suficiente, de forma que a seringa possa ser removida e repita o teste com a próxima amostra.
Após cada ensaio, salve os dados em um formato de modo que uma tabela de força e valores de deslocamento possa ser gerada e plote os resultados de cada ensaio com o deslocamento no eixo X e a força no eixo Y. Quando todos os ensaios tiverem sido traçados, determine as forças máximas e platôs de cada gráfico. Uma curva típica de deslocamento de força consiste em três seções.
Um gradiente inicial, à medida que o êmbolo supera o atrito do barril e o material acelerou um máximo de força. E o planalto como o material é extrudado em um estado estável. Para amostras viscosas que passam por um orifício mais estreito, a força necessária para injetar a amostra em velocidade constante é maior do que a força necessária para superar o atrito no barril e acelerar o material.
Portanto, nenhum pico distinto é observado. Para amostras altamente viscosas ou agulhas muito estreitas, a força necessária para extrusão do material pode ser tão grande que a seringa dobra e falha. Muitas vezes com muito pouca extrusão do material.
Se o material que está sendo injetado contiver partículas ou estiver começando a definir, a prensagem do filtro ou a configuração em massa podem ocorrer levando a uma injeção incompleta. É essencial garantir que os aglomerados estejam firmemente protegidos para que a seringa se encaixe, esteja centrada e seja perpendicular à cabeça cruzada. Uma correlação pode ser usada para relacionar a força medida da facilidade de injeção.
Alternativamente, a reologia pode ser usada para entender como o processo de injeção afeta o material.
Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para avaliar quantitativamente a injetabilidade de materiais através de um sistema seringa-agulha usando uma plataforma de testes mecânicos. O método é aplicável para vários biomateriais injetáveis, incluindo hidrogéis e cimentos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Biomateriais
- Testes mecânicos
- Avaliação de injetabilidade
Fundamentos
- A injetabilidade é crucial para a aplicação de biomateriais na entrega de medicamentos e engenharia de tecidos.
- A técnica de medição de força permite a avaliação do desempenho do material sob diferentes condições.
- Compreender a injetabilidade pode ajudar a otimizar formulações e métodos de processamento.
- As plataformas de testes mecânicos fornecem uma abordagem padronizada para avaliar a injetabilidade.
Objetivo do Estudo
- Estabelecer um método confiável para avaliar a injetabilidade de biomateriais.
- Analisar como os tamanhos de agulha e seringa afetam a injetabilidade dos materiais.
- Fornecer um protocolo que possa ser facilmente implementado em ambientes de pesquisa.
Métodos Utilizados
- Configuração de um testador mecânico com células de carga e grampos apropriados.
- Execução de testes de compressão uniaxial para medir a força durante a injeção.
- Coleta e análise de dados para gerar curvas de força-deslocamento.
- Identificação das forças máximas e de platô a partir dos resultados.
Principais Resultados
- O método permite uma avaliação rápida e direta da injetabilidade.
- As curvas de força-deslocamento revelam insights críticos sobre o comportamento do material durante a injeção.
- Variações no tamanho da agulha e na viscosidade do material influenciam significativamente a injetabilidade.
- Configuração e alinhamento adequados são essenciais para medições precisas.
Conclusões
- Este protocolo fornece uma ferramenta valiosa para pesquisadores que trabalham com biomateriais injetáveis.
- Compreender a injetabilidade pode levar a formulações aprimoradas para aplicações clínicas.
- Estudos futuros podem expandir este método para explorar variáveis adicionais que afetam a injetabilidade.
Perguntas Frequentes
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.
