Количественная оценка инъекционной пригодности путем механического тестирования
13 мая 2020 г.
Здесь представлен протокол количественной оценки инъекционной пригодности материала через систему шприц-иглы с использованием стандартной механической испытательной установки.
Измеряя силу, мы можем установить, является ли материал инъекционным и как изменение размера иглы и шприца, или обработка состава и химия могут повлиять на инъекционной. Этот метод быстр и прост. Может использоваться с различными геометриями игл и шприцев, и требует мало обработки данных для получения ключевых значений силы.
Этот метод особенно применим для инъекционных биоматериалов, таких как гидрогель и цементы, устойчивой доставки наркотиков и тканевой инженерии приложений. Чтобы настроить механический тестер, приложите плоские планы сжатия к механическому тестеру и вручную оснастите испытателя нагрузочных элементов с максимальной нагрузкой 200 Ньютонов. Используйте кнопки ручного управления, чтобы отделить бананы, чтобы позволить примерно 30 сантиметров пространства для иглы, шприца и поршеня.
Чтобы создать протокол тестирования, откройте мастер теста в программном обеспечении устройства и установите тип теста для одноосного сжатия. Установите измеренное значение предварительной нагрузки силы, при котором начнется тестирование, и отрегулируйте скорость для предварительной загрузки до пяти миллиметров в минуту, чтобы установить скорость, с которой кроссхед будет двигаться вниз, пока не сталкивается с предустановленной нагрузкой. Установите нагрузку для управления перемещением и выберите соответствующую скорость тестирования.
Затем установите верхний предел силы, на котором остановить тест. Чтобы настроить систему зажима, прикрепите два комплекта зажимов с рукоятками достаточно большими, чтобы надежно укрыться от выбранного шприца к двум стендам. Поместите ручки между поперечной головой и базовой пластиной с достаточным пространством ниже захватов для шприца и иглы и выстроить центры захватов с центром поперечного.
Используйте пустой шприц, чтобы помочь с выравниванием. Затем убедитесь, что зажимы прочно закреплены так, чтобы не было движения в зажимах, когда нисходящая сила применяется и поместите блюдо на нижнюю пластину для сбора экструдированного материала. Для выполнения эксперимента по инъекционной, вставьте шприц в зажим ручки и закрыть ручки так, что шприц проводится на месте, но может двигаться вверх и вниз без сопротивления со шприцем и поршень перпендикулярно кроссхед.
Используйте кнопки, чтобы опустить верхнюю пластину чуть выше поршеня и нажмите нулевую силу до нуля измеренной силы. Затем нажмите запуск для запуска протокола тестирования. В конце теста поднимите пластины на достаточную высоту, чтобы шприц можно было удалить и повторить тест со следующим образцом.
После каждого испытания сохраните данные в таком формате, чтобы можно было сгенерировать таблицу значений силы и смещения, и сформировать результаты каждого испытания с перемещением на оси X и силой на оси Y. Когда все испытания будут построены, определите максимальные и плато силы из каждого графика. Типичная кривая смещения силы состоит из трех секций.
Первоначальный градиент, как поршень преодолевает трение от ствола и материал ускорил силу максимум. И плато, как материал экструдирован в стабильном состоянии. Для вязких образцов, проходящих через более узкое отверстие, сила, необходимая для впрыскивки образца на постоянной скорости, превышает силу, необходимую для преодоления трения в стволе и ускорения материала.
Таким образом, никакого отдельного пика не наблюдается. Для высоко вязких образцов или очень узких игл, сила, необходимая для экструды материала может быть настолько велика, что шприц пряжки и не удается. Часто с очень небольшим экструзией материала.
Если вводимый материал содержит частицы или начинает устанавливаться, может произойти нажатие фильтра или навалом, что может привести к неполной инъекции. Важно, чтобы убедиться, что сгустки прочно закреплены так, что шприц плотно вписывается, по центру и перпендикулярно кроссхед. Корреляция может быть использована для связи измеренной силы простоты инъекций.
Кроме того, реология может быть использована, чтобы понять, как процесс инъекций влияет на материал.
Обзор
Эта статья представляет протокол для количественной оценки инъективности материалов через систему шприц-игла с использованием механического испытательного стенда. Метод применим для различных инъецируемых биоматериалов, включая гидрогелевые и цементные материалы.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биоматериалы
- Механические испытания
- Оценка инъективности
Бакграунд
- Инъективность важна для применения биоматериалов в доставке лекарств и тканевой инженерии.
- Техника измерения силы позволяет оценить характеристики материалов в различных условиях.
- Понимание инъективности может помочь оптимизировать формулировки и методы обработки.
- Механические испытательные стенды предоставляют стандартизированный подход для оценки инъективности.
Цель исследования
- Разработать надежный метод для оценки инъективности биоматериалов.
- Анализ влияния размеров иглы и шприца на инъективность материалов.
- Предоставить протокол, который можно легко реализовать в исследовательских условиях.
Используемые методы
- Настройка механического тестера с соответствующими датчиками нагрузки и зажимами.
- Выполнение одноосевых сжатий для измерения силы во время инъекции.
- Сбор и анализ данных для создания кривых "сила-смещение."
- Определение максимальных и стационарных сил по результатам.
Основные результаты
- Метод позволяет быстро и просто оценить инъективность.
- Кривые "сила-смещение" дают критическую информацию о поведении материалов во время инъекции.
- Вариации в размерах игл и вязкости материалов значительно влияют на инъективность.
- Правильная настройка и выравнивание важны для точных измерений.
Выводы
- Этот протокол предоставляет ценный инструмент для исследователей, работающих с инъецируемыми биоматериалами.
- Понимание инъективности может привести к улучшенным формулировкам для клинических приложений.
- Будущие исследования могут расширить этот метод для изучения дополнительных факторов, влияющих на инъективность.
Часто задаваемые вопросы
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.
