通过机械测试量化可注射性
2020年5月13日
本文介绍了一种利用标准力学测试装置，通过注射器-针头系统定量评估材料可注射性的实验方案。
通过测量推注力，我们可以确定一种材料是否具有可注射性，以及改变针头和注射器尺寸，或改变制剂的加工工艺和化学成分如何影响其可注射性。该技术快速简便，可适用于多种针头和注射器几何构型，且仅需少量数据处理即可获得关键的力值参数。
该方法特别适用于可注射生物材料，例如水凝胶和骨水泥，可用于持续药物递送和组织工程领域。安装力学测试仪时，将平板压缩测试用的压板连接至力学测试仪，并手动为测试仪配备最大载荷为200牛顿的负荷传感器。使用手动控制按钮将压板分开，预留约30厘米的空间，以容纳针头、注射器和推杆。
要创建测试方案，请在设备软件中打开测试向导，并将测试类型设置为单轴压缩。设定测试开始时的测量力预载值，并将预载速度调整为每分钟五毫米，以设定横梁向下移动直至达到预载时的速度。将加载模式设为位移控制，并选择合适的测试速度。
然后设定一个上限力值，以该力值作为停止测试的条件。设置夹紧系统时，将两组夹具安装到两个支架上，夹具的夹持部分应足够大，以牢固固定所选的注射器。将夹具置于横梁与底板之间，夹具下方需留出足够的空间放置注射器和针头，并使夹具的中心与横梁的中心对齐。
使用空注射器辅助对齐。然后检查夹具是否已牢固固定，确保在施加向下的力时夹具不会发生移动，并将一个培养皿放置在底板上以收集挤出的材料。进行可注射性实验时，将注射器插入夹具夹口中，并闭合夹口，使注射器被固定就位，但可在无阻力的情况下上下移动，且注射器与柱塞保持与横梁垂直。
使用按钮将上部平板降至活塞正上方，然后点击“零点力”以校准测得的力。接着点击“运行”以执行测试程序。测试结束后，将平板升至足够高度，以便取出注射器，并对下一个样品重复测试。
每次试验后，将数据保存为可生成力和位移值表格的格式，并绘制每次试验的结果曲线，其中位移位于 X 轴，力位于 Y 轴。当所有试验结果均绘制完成后，从每条曲线中确定最大力和平台力。典型的力-位移曲线包含三个部分。
初始阶段会出现一个梯度，因为活塞需克服管筒的摩擦力，同时材料开始加速，从而产生一个力的最大值。随后进入平台期，此时材料以稳定状态被挤出。对于黏性样品，当其通过更狭窄的孔口时，以恒定速度注射样品所需的力大于克服管筒摩擦力和使材料加速所需的力。
因此，未观察到明显的峰值。对于黏度极高的样品或极细的针头，挤出材料所需的力可能过大，导致注射器发生屈曲而失效，且材料往往几乎未被挤出。
如果被注射的材料含有颗粒或开始凝固，可能会发生滤饼效应或整体固化，从而导致注射不完全。必须确保夹具牢固固定，使注射器紧密贴合、居中并对准横梁垂直。可通过相关性分析来关联测得的力与注射难易程度。
或者，可以使用流变学来理解注射过程如何影响材料。
概述
本文介绍了一种利用机械测试装置定量评估材料通过注射器-针头系统可注射性的实验方案。该方法适用于多种可注射生物材料，包括水凝胶和骨水泥。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物材料
- 机械性能测试
- 可注射性评估
背景
- 可注射性对于生物材料在药物递送和组织工程中的应用至关重要。
- 力测量技术可用于评估材料在不同条件下的性能表现。
- 理解可注射性有助于优化配方和加工方法。
- 机械测试装置为评估可注射性提供了标准化的方法。
研究目的
- 建立一种可靠的生物材料可注射性评价方法。
- 分析针头和注射器尺寸对材料可注射性的影响。
- 提供一种可在研究环境中轻松实施的实验方案。
使用的方法
- 使用合适的载荷传感器和夹具安装力学测试仪。
- 执行单轴压缩测试以测量注射过程中的作用力。
- 收集并分析数据，生成力-位移曲线。
- 从结果中确定最大力和平台力。
主要结果
- 该方法可快速、简便地评估材料的可注射性。
- 力-位移曲线可揭示注射过程中材料行为的关键信息。
- 针头尺寸和材料黏度的变化显著影响可注射性。
- 正确的装置设置与对齐对于获得准确测量结果至关重要。
结论
- 本方案为使用可注射生物材料的研究人员提供了一种有价值的工具。
- 理解可注射性有助于优化临床应用中的制剂设计。
- 未来的研究可在此方法基础上进一步探索影响可注射性的其他变量。
常见问题
行业重要性概述
在制剂开发早期评估可注射性，能够为注射器-针头配置和材料特性提供数据驱动的决策依据，从而降低基于生物材料的药物递送和组织工程项目的后期淘汰率。这种机械测试方法可提供定量且可重复的力值参数，支持制剂筛选和工艺优化，直接为转化候选物的推进或终止决策提供依据。通过将测得的力值与可注射性限值相关联，研发团队可优先选择具有理想递送特性的候选物，提高项目组合效率，并降低临床前开发的风险。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够在与注射相关的应力条件下对材料行为进行机理层面的探究，阐明水凝胶和水泥基递送系统中关键的结构-性能关系。
- 操作价值：支持对配方变量（如交联密度、颗粒载量）进行快速筛选，以在投入大量资源前识别出具有最佳可注射性能的组分。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：生成标准化的力-位移曲线，作为定量读数，用于比较不同配方、针头规格和注射器几何形状下的可注射性。
- 操作价值：所需样品制备和数据处理极少，可在受控位移速率下实现材料性能的高通量评估。
转化与临床前研究
- 科学价值：有助于评估时间依赖性的可注射性变化（例如，由于自愈或凝固引起的改变），为体内递送研究提供最佳注射时间窗口的依据。
- 操作价值：提供一个可重复的平台，用于评估批间一致性和与无菌处理相容的加工过程对材料挤出性能的影响。
流程与工作流整合
该方法通过基于可注射性阈值对早期阶段的制剂进行筛选，契合从发现到临床前研究的连续过程，为可注射生物材料的先导物识别及临床前验证中的后续决策提供依据。
- Discovery Biology： 支持通过假设验证，研究材料组成和加工方式对递送可行性的影响，从而降低早期候选材料筛选中的不确定性。
- Screening： 提供可直接用于检测的定量力值参数，可在标准化条件下直接比较不同生物材料体系的可注射性。
- Analytics： 输出最大力值和平台期力值，作为评估材料性能是否超出设备限制或临床注射阈值的关键决策依据。
- Translational Research： 通过识别与材料时间依赖性变化（如凝胶动力学）相匹配的可注射性窗口，将制剂优化与递送成功关联起来。
- Enterprise Reuse： 建立标准化的跨项目可注射性评估能力，减少各生物材料项目中重复的方法开发工作。
运营与企业影响
- 科学价值：通过在相关注射条件下用实测的可注射性数据替代假设，提高对制剂性能的预测可信度。
- 操作价值：通过可适配多种注射器-针头组合的标准化机械测试方案，增强实验的可重复性和可放大性。
- 战略价值：通过早期识别不可注射的制剂，避免在后续开发中浪费投资，提高资本使用效率。
- 项目组合影响：通过量化与递送相关的风险，基于可测量的可注射性阈值支持风险调整后的优先级排序，为推进决策提供依据。
实施注意事项
- 需要具备机械测试原理和生物材料操作的专业知识，以确保样品制备和仪器对准的正确性。
- 需要配备适当载荷传感器量程（例如 200 N）和位移控制功能的力学测试仪，以及可定制的夹具以稳定注射器。
- 要求跨团队统一测试参数（例如预加载力、速度、力的上限），以确保不同实验地点和项目之间的可比性。
- 需考虑不同注射器材料（如玻璃与塑料）和针头几何结构的适应性问题，这些因素可能影响摩擦力的贡献。
- 仅限于在受控挤出条件下评估可注射性，无法反映体内动态因素，如组织阻力或清除机制。
