Propiedades Térmicas de la Transición de Aparatos Médicos Poliméricos Usando el VESTA de los Instrumentos de Anasys

Temas Revestidos

Antecedentes
Introducción
Instrumentación
Resultados y Discusión Experimentales
     Ejemplo 1: Rodamientos Ortopédicos y Materiales de UHMWPE
          Resumen
     Ejemplo 2: Stents Cardiovasculares Revestidos de la Droga
          Resumen
     Ejemplo 3: Catéteres de Vestamid y de Pebax
          Resumen
     Ejemplo 4: Lentes de Contacto
          Resumen
Conclusiones

Antecedentes

La caracterización de la propiedad de Materiales es central a casi todas las facetas del diseño del aparato médico, de la producción, y pre o de la prueba del poste-uso. Las propiedades Materiales se evalúan rutinario para cubrir necesidades en el R&D y la garantía de calidad, y para obtener la aprobación reglamentaria para la venta. Los Dispositivos que se han utilizado clínico o experimental también se analizan rutinario para entender mejor mecanismos de la degradación, del desgaste, y/o del incidente.

Los Polímeros son ampliamente utilizados solamente o conjuntamente con otros materiales en las aplicaciones que incluyen los catéteres, los aislantes del terminal de componente del electrodo (e.g establecimiento del paso cardiaco o nervio que estimula), los rodamientos, las suturas, las capas del desbloquear de la droga (e.g stents cardiovasculares) y mucho más ortopédicos. Los Polímeros son los materiales heterogéneos que pueden tener variaciones sustanciales en propiedades físicas sobre micrón a las escalas del milímetro de longitud debido a los cambios en el peso molecular, cristalinidad, mezclando la uniformidad de drogas en capas farmacológico activas, y el grado y la morfología de la separación de fase en mezclas, copolímeros, y compuestos.

La caracterización Morfológica de polímeros se hace típicamente con diversos tipos de microscopia, mientras que las propiedades funcionales e intrínsecas tales como peso molecular (MW) y fuerza mecánica se evalúan típicamente en especímenes a granel sin proporcionar a la información espacial. Las técnicas A Granel del análisis térmico incluyendo calorimetría de exploración diferencial (DSC), análisis mecánico térmico (TMA) y otros son también ampliamente utilizadas sacar la información sobre propiedades del polímero tales como fase y mezcla componente.

Sin Embargo, estos métodos de análisis térmico se limitan a la evaluación de las propiedades del promedio o del agregado de las muestras que se esperan para ser “representante” de dispositivos manufacturados, puesto que tales muestras se quitan de o se crean necesariamente por separado de los dispositivos manufacturados. Desde especímenes analíticos “representativos” se requieren, las variaciones ines situ en propiedades materiales en los dispositivos manufacturados puede ser faltado. Además de limitaciones en el análisis de dispositivos y de regiones manufacturados de dispositivos, los análisis térmicos existentes son también casi imposibles de realizarse en revestimientos poliméricos finos.

Introducción

El Vesta (Instrumentos de Anasys) es un nuevo instrumento analítico que permite a los aparatos médicos manufacturados ser analizado para las propiedades térmicas funcionales de la transición vía Microscopia de la Temperatura de Transición (TTM). Con TTM, la evaluación de propiedades térmicas se puede hacer en cualquier región específica determinada de un dispositivo o de un espécimen, así únicamente integrando la información espacial con las propiedades térmicas. Esta medición térmica de la propiedad proporciona a la información en el MW, la cristalinidad, la mezcla componente, y la segregación de la fase que se puede utilizar para conducir el R&D, para activar el revelado de los métodos de producción, y para proporcionar a control de calidad de la producción. Además, estas mediciones mecánicas termas también proporcionan a discernimiento en mecanismos de la degradación, del desgaste y/o del incidente localizados de dispositivos después de probar o después de uso clínico.

Esta nota de aplicación ilustra la evaluación de las propiedades térmicas de la transición de varios diversos tipos de aparatos médicos poliméricos y discute la información que se puede espigar de tales análisis.

Instrumentación

El Instrumento de Vesta incorpora una antena térmica piramidal invertida micro-labrada a máquina que se fabrique en AFM-como el voladizo (del microscopio atómico de la fuerza). Un microscopio óptico permite a utilizadores colocar la antena térmica sobre regiones de la muestra de interés. Cuando está dirigido, el sistema de Vesta entonces traerá la punta térmica de la antena del radio de <30 nanómetro en contacto mecánico con el espécimen.

La antena se puede también programar para la colocación automática para realizar una serie de mediciones o generar una Correspondencia de la Temperatura de Transición (TTM). Una Vez en contacto con la región de interés la punta de la antena está resistively heated mientras que el voladizo proporciona a mando y a la medición sensibles de fuerza entre la punta y la muestra. Esto proporciona a los análisis mecánicos termos localizados que se visualizan bajo la forma de gráfico de la desviación física de la antena térmica en el espécimen comparado con la temperatura de la antena.

Con la mayoría de los especímenes (e.g. el Cuadro 1), como la antena se calienta el espécimen primero despliega y levanta así la punta de la antena. En una temperatura de transición, el espécimen comenzará a ablandar y la punta comienza así a trasladarse hacia abajo al espécimen. Esta temperatura comparado con curva de la desviación es un gráfico local del análisis (LTA) térmico. La antena se puede calentar hasta 450°C a los tipos de rampa hasta 600,000°C/min, de tal modo activando altas mediciones de la producción en las temperaturas apropiadas para esencialmente cualquier material polimérico u orgánico. El ablandamiento Material, el fundir e incluso la refundición se pueden vigilar para proporcionar a la información en la mezcla del MW, de la fase y de la mezcla y otras propiedades fisicoquímicas. La resolución espacial de la medición es relacionada en el radio térmico de la antena de 30 nanómetro, y en las propiedades térmicas locales del material. Con la mayoría de los sistemas poliméricos, esto activa análisis térmico local en una escala sub de 100 nanómetro.

Resultados y Discusión Experimentales

Ejemplo 1: Rodamientos Ortopédicos y Materiales de UHMWPE

El polietileno Ultra de molecularidad elevada del peso (UHMWPE o el PE) es un material extremadamente acertado del rodamiento para los rodamientos ortopédicos del caballete y del codo, con millones de dispositivos funcionando y alrededor de cientos mil nuevos caballetes del PE-rodamiento y de dispositivos de la artroplastia del codo implantados por año. No Obstante, ha sido establecido desde hace mucho tiempo que el desgaste del PE empeora la función del dispositivo y que las macropartículas del desgaste release/versión de estos rodamientos generan reacciones inflamatorias crónicas.

Por Lo Tanto, ha habido investigación extensa para mejorar la durabilidad del dispositivo que ha revelado los mecanismos que incluyen desgaste mecánico y la oxidación que se correlacionen con los cambios en peso molecular del PE, cristalinidad, y densidad de la interconexión. Aunque no esté totalmente sin obstrucción qué propiedades materiales son importantes para el biocompatibility a largo plazo en odontología total de la artroplastia del caballete y del codo, la densidad física de la interconexión y la morfología cristalina son dos propiedades que son bien sabido afectar a la función del rodamiento del PE.

La evaluación de la estructura cristalina del PE es difícil y laboriosa, requiriendo la preparación aburrida de la muestra para la microscopia electrónica de transmisión en un proceso que requiera varios días con los especímenes que se quitan de muestras o de dispositivos a granel. Hasta ahora, no ha habido métodos de análisis rápidos para la cristalinidad (y la densidad de la interconexión), y ningunos métodos para activar la evaluación directa de estas propiedades críticas en dispositivos manufacturados. El Anasys Vesta, como instrumento que evalúe las propiedades térmicas de la transición que son directamente relacionadas en densidad del MW, de la cristalinidad y de la interconexión, activa únicamente dimensiones rápidas en ambos materiales experimentales y en dispositivos de la producción.

En el actual estudio, varios UHMWPE eran analizados incluyendo UHMWPE convencionales como en el uso amplio, UHMWPE reticulados radiación puesto que éstos aparecen un desgaste más resistente y menos propenso y UHMWPE infundidos con el alfa-tocoferol (vitamina E) proporcionada como antioxidante. Además, un rodamiento explanted extraído del codo fue examinado que demostraba la degradación molecular en regiones determinadas.

El Cuadro 1 muestra a varios los gráficos locales representativos del análisis (LTA) térmico para UHMWPE virginal (resina 1050 de GUR) con un promedio MW de la viscosidad de aproximadamente 5 x 10.6 Esta figura también muestra los gráficos LTA para el mismo PE después de interconexión con la radiación kGy 100. El PE O.N.U-reticulado muestra una curva lisa que sea característica del MW y de la uniformidad compositiva, con un iniciom de T en 139°C. En cambio, los gráficos LTA de las irregularidades sustanciales exhibidas el PE reticuladas radiación indicativas de heterogeneidad molecular. TM de este material ocurrió en 262°C, junto con un reborde en 139°C que es constante con análisis de DSC de este material. [4] Además, la antena penetró menos que medio como profundamente en el PE reticulado radiación que el PE O.N.U-reticulado. Estas propiedades mecánicas térmicas son constantes con las propiedades sabidas y previstas del PE reticulado radiación.

El Cuadro 1. gráficos Locales del análisis (LTA) térmico muestra la deformación mecánica de UHMWPE O.N.U-reticulado (las curvas azules lisas que enarbolaban en la radiación kGy ~139°C) y 100 reticularon UHMWPE (rojo, menos liso, las curvas que enarbolan en ~262°C). La foto de la Inserción muestra la antena térmica voladiza cubriendo el espécimen O.N.U-reticulado, con las flechas indicando la ubicación de la punta térmica de la antena que está bajo el voladizo.

El Cuadro 2 muestra tres gráficos LTA para un alphatocopherol (la vitamina E) impregnó la muestra del PE reticulado radiación. La muestra tiene un gradiente del contenido del alfa-tocoferol que es sin obstrucción visible (no mostrado). Las curvas LTA tomadas en diversas puntas a través del gradiente muestran un efecto sustancial sobre las curvas de transición térmicas, con niveles más altos de alphatocopherol correlacionando a un material más suave en 120°C, que está debajo del T.m Así, el alphatocopherol induce un efecto concentración-relacionado del plasticization.

El Cuadro 2. gráficos Locales del análisis térmico del alphatocopherol impregnó UHMPE reticulado radiación. El Ablandamiento del material se observa para correlacionar con el contenido del alfa-tocoferol.

Un rodamiento explanted del codo de UHMWPE fue examinado que mostró ruptura material sustancial, especialmente en el lado izquierdo de la foto (3a). La historia detallada de este implante clínico no se sabe, pero este implante fue producido hace aproximadamente dos décadas. Para evaluar la capacidad del Vesta para evaluar propiedades materiales en materiales menos obviamente dañados, LTA fue realizada en dos regiones en el derecho mucho menos dañado del implante. Estas regiones eran 3-4 milímetros aparte tal y como se muestra en del Cuadro 3. Una región cerca del borde del dispositivo aparecía prístina (3b) mientras que la segunda región estaba en a circa el hueco de 3 x 1 milímetro que no mostró de otra manera ningún daño obvio tal como descoloración (3c).

El análisis Térmico en la región indemne mostró las curvas LTA lisas y constantes características de UHMWPE nativo (similar Figura 1) pero con una transiciónm de T en 108°C. Esta transición más inferiorm de T, comparada al T más altom en el Cuadro 1, debe muy probablemente bajar los polímeros del MW que fueron utilizados en ese entonces este implante fueron hechos. En contraste con la región indemne, las curvas LTA admitidas el centro del hueco variado substancialmente, con una curva LTA mostrando las transiciones múltiples indicativas de ruptura del MW, y de segunda aparecer más bién el PE nativo. Esta variación muestra que las regiones dañadas exhiben más propiedades térmicas variadas, probablemente indicativas del MW, de la cristalinidad, de la oxidación, o de otros cambios en el polímero. Según Lo observado, a excepción del hueco, esta región aparece de otra manera indemne y O.N.U-decolorado por el examen visual. Así, el análisis térmico-mecánico con el Vesta puede detectar cambios no-obvios en propiedades del polímero.

Cuadro 3. Fotografía de un rodamiento explanted del codo de UHMWPE (a) y de dos regiones de análisis LTA según lo indicado con las flechas. La Región mostrada en b e indicada con la flecha azul superior no muestra ningún daño visible. La Región c indicada con una flecha roja más inferior está en el pequeño hueco. Las curvas Locales del análisis térmico (e) se muestran para las dos regiones: Región b (curvas azules con el pico 108°C) y región c (las curvas rojas con 118°C enarbolan, uno de los cuales tienen un segundo pico 176°C.

Resumen

LTA puede discernir cambios en las propiedades térmicas indicativas del MW, la densidad de la cristalinidad y/o de la interconexión en convencional, la radiación reticulada, y UHMWPE impregnado alfa-tocoferol. Además, LTA puede detectar cambios locales en las propiedades del PE debido al desgaste o al otro daño que no son obvias en el examen visual, como se muestra con un rodamiento entero previamente implantado del codo.

Ejemplo 2: Stents Cardiovasculares Revestidos de la Droga

Los stents recubiertos Droga son ampliamente utilizados en cardiología interventional con varios cientos de miles colocados en pacientes en los Estados Unidos cada año. La distribución de la droga en el polímero de la matriz, la cristalinidad de la droga, y el MW y la cristalinidad de la matriz del polímero tienen efectos sustanciales sobre la cinética del desbloquear, que a su vez puede alterar grandemente reacciones biológicas. Mientras Que los microscopies espectroscópicos tales como IR y Raman pueden distribución de la droga de la imagen dentro de capas en la escala del micrón, tales métodos se limitan en sus capacidades en proporcionar a la resolución del submicron. En Segundo Lugar, hasta ahora, ningún método sabido podía medir directamente cristalinidad u organizar la mezcla de las drogas y de los polímeros de la matriz recubiertos sobre stents. Con el LTA del submicron activada con el Vesta, esto es posible ahora. En el estudio siguiente, varios stents recubiertos de medicamentos eran analizados. Estas capas todas fueron basadas en matrices ácidas polivinílico-DL-lácticas del polímero (PDLLA), pero variadas de otra manera en la formulación.

Por razones de confidencialidad las fuentes de los stents y de sus composiciones no se proporcionan en el vector siguiente:

Tipo del Stent

Formulación

Disolvente

Marca X

PDLLA + Droga A + excipientes

Disolvente 1

Marca Y

PDLLA + Droga B + excipientes

Disolvente 2

Marca Z

PDLLA + Droga C + excipientes

Disolvente 3

Una curva LTA se muestra para cada stent en el Cuadro 4, junto con una fotomicrografía de la región de análisis de cada stent obtenido con el Vesta. Los gráficos muestran que las transiciones del Tg eran ligeramente diferentes para los tres stents, colocando a partir del 63 a 71°C. Estas transiciones son algo más altas que el 50-60°C típico Tg de PDLLA puro. Esto puede ser debido a la velocidad de calentamiento más alta usada en el LTA o debido a la partícula extraña de la droga.

Cuadro 4. Una curva LTA típica se muestra para cada stent con la transición térmica máxima media etiqueta (las flechas). Los Micrográfos de la región analizada se muestran para cada stent “marca.”

El Vesta entonces fue utilizado para proporcionar a Correspondencias de la Temperatura de Transición (TTM) de las mediciones del Tg en un arsenal. Para cada correspondencia, 36 mediciones LTA separadas fueron realizadas automáticamente en 10 intervalos umspatial en um una región 50 x 50 (Cuadro 5). Observe las diferencias sustanciales en la uniformidad y el modelo del inicio del Tg para los tres stents. Puesto Que las drogas tienen temperaturas de transición substancialmente más altas que la matriz de PDLLA, ésta indica que había diferencias sustanciales en el contenido local de la droga en cada uno de las ~30 regiones del nanómetro que eran analizadas térmicamente. Por ejemplo, el stent de la Marca Y mostró una única región de contenido muy alto de la droga (según lo medido con T)g rodeado por la composición relativamente uniforme (t)g. En cambio, había un rango muy pequeño del contenido de la droga en la Marca Z, y un de alcance medio en la Marca X.

El Cuadro 5. correspondencias de la temperatura de Transición se muestra para los 3 stents. Para las mediciones separadas de cada correspondencia 36 fueron obtenidos en 10 um intervalos espaciales en una matriz x-y. Cada círculo coloreado representa una única medición, con el inicio del Tg (°C) representado por la escala de colores.

Resumen

Fue observado sin obstrucción que los tres diversos stents variaron considerablemente en sus propiedades térmicas medias, y en el carácter morfológico de la distribución de estas propiedades térmicas. La transición térmica dominante observada era el Tg del PDLLA. Total, se ha mostrado que el análisis térmico realizado con el Vesta puede detectar la estructura compositiva y morfológica importante dentro de stents recubiertos droga.

Ejemplo 3: Catéteres de Vestamid y de Pebax

Dos catéteres disponibles en el comercio fueron obtenidos y después examinados tal y como se muestra en del Cuadro 6. Éstos eran un catéter hecho del catéter de Vestamid (un nylon) y de Pebax (un copolyamide del bloque). Los detalles Compositivos de estas muestras específicas del catéter son de otra manera desconocidos. El catéter de Vestamid mostró un T muy constantem de 120±3°C, mientras que el catéter de Pebax mostró un T muy constantem de 160±3°C. Estas transicionesm de T aparecen constantes con las propiedades sabidas de estos materiales disponibles en el comercio.

Cuadro 6. curvas y rango LTA de la temperatura que funde para el catéter de Vestamid (rojo) y el catéter de Pebax (curvas azules).

Resumen

Análisis de Vesta de estos catéteres mostrados las mediciones altamente uniformes de TM que indican así propiedades uniformes.

Ejemplo 4: Lentes de Contacto

Dos lentes de contacto disponibles inusitados fueron examinados con LTA. Ambos lentes eran el mismo tamaño, la marca y la composición, pero variado en potencia (- 3,50 y -3,00), y fueron producidos cerca de un año de separado. Estos lentes fueron compuestos de un hidrogel, pero por razones de confidencialidad la fuente y la composición no se divulgan aquí. Los lentes fueron quitados de su empaquetado de consumidor original, enjuagaron por más de 4 horas en tres cambios de 20 ml de agua destilada para quitar cualesquiera sales y/o preservativo de empaquetado, y después secaron al aire durante la noche.

El Cuadro 7 muestra que TM varió ligeramente entre los dos lentes. Los 3,0 y los 3,5 lentes de la potencia tenían respectivamente, la desviación estándar T del ± mediom de 140.2±2°C y 144.4±1.8°C a partir de 10 dimensiones LTA separadas de cada lente en diversas ubicaciones. Cada lente era muy constante en sus propias propiedades térmicas, con todo los dos lentes no tenían mismo TM. Circa la diferencia 4°C en Tm entre los lentes sugiere que hubiera una pequeña diferencia en el MW de los polímeros, de otros componentes químicos, y/o de diferencias ligeras en los protocolos de la fabricación para estos dos lentes similares.

Cuadro 7. curvas LTA de la medición y la temperatura que funde media (± medio sd) de dos lentes de contacto disponibles inusitados del hidrogel. Las -3,00 curvas del lente se muestran en el rojo (un conjunto más inferior) y -3,5 curvas del lente se muestran en el azul (parte superior fijada).

Resumen

El análisis de Vesta reveló la uniformidad de TM de cada lente de contacto en 10 diversas ubicaciones de la medición. Sin Embargo, Vesta también reveló que los dos diversos lentes manufacturados en diversos tratamientos por lotes tenían temperaturas que fundían ligeramente diversas el indicar de diferencias en estructura o química del polímero.

Conclusiones

El Anasys Vesta activa análisis potentes de las propiedades térmicas de la transición de experimental y completo - médicos funcionales derivan los polímeros. Vesta activó análisis térmicos locales (LTA) y la correspondencia de la temperatura de transición (TTM) revela a los detalles estructurales y compositivos del subordinado que no son evidentes del examen visual o de microscopia convencional o espectroscópica. Los análisis de Vesta proporcionan a discernimiento en la estructura y la función de la capa de la droga, a la degradación molecular polimérica, y a la uniformidad del producto. Puesto Que Vesta activa tales mediciones en los dispositivos completo manufacturados funcionales, y en los dispositivos explanted, tal información se puede aplicar fácilmente al R&D, al Control de calidad, a la Garantía de Calidad, y al Análisis del Incidente.

Fuente: Análisis Térmico de Nanoscale de Aparatos Médicos Usando el VESTA
Autor: Steven Goodman, Khoren Sahagian, y Kevin Kjoller
Para más información sobre esta fuente visite por favor los Instrumentos de Anasys

Date Added: May 27, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:55

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