Terminen Transition ominaisuudet Polymeeriset Medical käyttävien laitteiden VESTA alkaen Anasys Instruments

Aiheet

Tausta
Johdanto
Instrumentointi
Kokeellinen Tulokset ja niiden tarkastelu
Esimerkki 1: UHMWPE Ortopediset Laakerit ja materiaalit
Yhteenveto
Esimerkki 2: Huumeiden Päällystetty Sydän Stentit
Yhteenveto
Esimerkki 3: Vestamid ja Pebax Katetrit
Yhteenveto
Esimerkki 4: Piilolinssit
Yhteenveto
Johtopäätökset

Tausta

Materiaalien ominaisuuksien karakterisointi on keskeinen lähes kaikki osa-alueet lääkinnällisten laitteiden suunnittelun, tuotannon, ja ennen tai jälkeen käytön testausta. Materiaaliominaisuudet rutiininomaisesti arvioida tyydyttämään T & K & laadunvarmistus, ja saada hyväksynnän myytävänä. Laitteet, jotka on käytetty kliinisesti tai kokeellisesti myös rutiininomaisesti analysoidaan ymmärtää paremmin mekanismeja hajoamista, kuluminen ja / tai vika.

Polymeerit ovat laajalti käytössä joko yksin tai yhdessä muiden materiaalien sovelluksia, jotka sisältävät katetrit, elektrodi johtaa eristeet (esim. sydämen tahdistuksen tai hermo stimuloiva), ortopediset laakerit, ompeleita, lääkeaineiden vapautumisen pinnoitteet (esim. sydän stents) ja paljon muuta. Polymeerit ovat heterogeeninen materiaalit, jotka voivat olla huomattavia vaihteluita fysikaaliset ominaisuudet yli mikronin on millimetrin kokoluokkaa muutosten vuoksi molekyylipaino, kiteisyysaste, sekoittaminen tasaisuus huumeiden farmakologisesti aktiiviset pinnoitteet, sekä tutkinnon ja morfologia faasit sekoitettuina, kopolymeerejä , ja komposiitit.

Morfologinen luonnehdinta polymeerien on tavallisesti erilaisia ​​mikroskopia, vaikka toiminnallinen ja sisäisiä ominaisuuksia, kuten molekyylipaino (MW) ja mekaanisen lujuuden ovat tyypillisesti arvioidaan irtotavarana näytteitä antamatta paikkatietojen. Bulk lämpöanalyysin tekniikoita, kuten DSC (DSC), lämpö mekaaninen analyysi (TMA) ja muut ovat myös laajalti käytössä saada tietoa polymeerien ominaisuuksia kuten vaihe ja komponenttien sekoittamista.

Nämä lämpö analyysimenetelmiä on rajoitettu arviointiin keskimääräinen tai aggregaatin ominaisuudet näytteitä, toivotaan olevan "edustaja" valmistettujen laitteiden, koska näytteet on välttämättä poistettava tai luotu erillään valmistetaan laitteita. Koska "edustaja" analyyttinen vaadita näytteitä, in situ vaihtelut materiaalien ominaisuuksien valmistettu laite voi jäädä huomaamatta. Sen lisäksi rajoitusten analyysi valmistetaan laitteita ja alueiden laitteet, nykyiset termiset analyysit ovat myös lähes mahdotonta suorittaa ohut polymeeripäällystys.

Johdanto

Vesta (Anasys Instruments) on uusi analyyttinen väline, jonka avulla valmistetaan lääkinnällisiä laitteita voidaan analysoida toiminnallisia lämpö siirtyminen ominaisuuksien kautta lasittumismislämpötila Microscopy (TTM). Kanssa TTM, arviointi lämpöominaisuuksia voidaan tehdä havaittujen tietyllä alueella laitteen tai yksilö, näin ainutlaatuisesti yhdistää paikkatietojen kanssa lämpöominaisuudet. Tämä lämpö omaisuuden mittauksella saadaan tietoa MW, kiteisyysaste, komponentti sekoitus, ja vaihe-erotus, jota voidaan käyttää ohjaamaan T & K, mahdollistaa tuotantomenetelmien kehittämiseen, ja tarjota tuotannon laadunvalvontaa. Lisäksi nämä thermo mekaanisia mittauksia myös tarjoavat tietoa mekanismeista paikallista hajoamista, kulumista ja / tai epäonnistuminen laitteiden testauksen jälkeen tai seuraavan kliinisessä käytössä.

Tämä sovellus Huom havainnollistaa arvioinnin lämpö siirtyminen ominaisuuksia useita erilaisia ​​polymeerisiä lääkinnällisten laitteiden ja käsittelee tietoa, jota voidaan päätellä tällaisia ​​selvityksiä.

Instrumentointi

Vesta Instrument sisältää mikro-koneistettu käänteinen pyramidi lämpö anturi, joka on valmistettu siitä AFM kaltainen (atomivoimamikroskooppi) uloke. Optisella mikroskoopilla käyttäjät voivat kantaa lämpö anturi päälle näyte alueet kiinnostavat. Kun ohjelma, Vesta järjestelmä sitten tuo <30 nm säde lämpö anturin kärki mekaanista yhteyttä mallin.

Anturi voidaan myös ohjelmoida automaattisen paikannuksen voidakseen suorittaa mittaussarjan tai tuottaa lasittumismislämpötila Map (TTM). Kerran yhteydessä alueen kiinnostavat anturin kärki on resistively lämmitetään samalla konsoli tarjoaa herkkä voima mittausjärjestelmiä kärjen ja näytteen. Tämä tarjoaa lokalisoitu thermo mekaanisia analyysejä, jotka näytetään muodossa tontin fyysisen taipuman lämpö luotain yksilö vs. anturi lämpötila.

Useimmat yksilöt (esim. kuva 1), koska anturi on lämmitetty mallin ensimmäinen laajenee ja näin liikkuu anturin kärjestä ylös. Tällä transitiolämpötilaa, yksilö alkaa pehmetä ja kärki siis alkaa liikkua alas yksilö. Tämä lämpötila vs. taipuma käyrä on paikallinen terminen analyysi (LTA) juoni. Anturi voidaan lämmittää jopa 450 ° C ramppi on jopa 600000 ° C / min, jolloin suurikapasiteettisten mittauksia lämpötila sopiva olennaisesti mitään polymeerisiä tai orgaanista ainetta. Materiaali pehmeneminen, sulaminen ja jopa uudelleensulatettavaksi voidaan seurata tiedottaa MW, vaihe ja sekoitus sekoittamalla ja muut fysikaalis-kemialliset ominaisuudet. Erotuskyly mittaus riippuu lämpö anturi säde 30 nm, ja paikalliseen Thermal ominaisuuksiin. Useimpien polymeerisiä järjestelmissä tämä mahdollistaa paikallisen terminen analyysi on osa 100-nm mittakaavassa.

Kokeellinen Tulokset ja niiden tarkastelu

Esimerkki 1: UHMWPE Ortopediset Laakerit ja materiaalit

Erittäin korkea molekyylipaino polyeteenistä (UHMWPE tai PE) on erittäin onnistunut laakeri materiaalia ortopediset lonkan ja polven laakerit miljoonia laitteita käytössä ja noin tuhatta uutta PE-laakeri lonkan ja polven tekonivelleikkaus laitteiden istuttaa vuodessa. Siitä huolimatta se on ollut pitkään todennut, että kuluminen PE heikentää laitteen toimintaa ja että kuluminen hiukkasia vapautuu näistä vierintälaakereissa syntyy krooninen tulehduksellinen vastauksia.

Näin on ollut laaja tutkimus parantaa laitteen kestävyyttä, joka paljastaa mekanismeja, jotka sisältävät mekaanista kulumista ja hapettumista että korreloivat muutokset PE molekyylipaino, kiteisyysaste, ja cross-link tiheys. Vaikka se ei ole täysin selvää, mitä materiaaliominaisuudet ovat tärkeitä pitkän aikavälin biokompatibileteetti yhteensä lonkan ja polven tekonivelleikkaus proteesit, fyysinen cross-link tiheys ja kiteinen morfologia on kaksi kiinteistöä, jotka ovat hyvin tiedetään vaikuttavan PE laakerin toiminta.

Arviointi PE kiderakenne on vaikeaa ja työlästä, vaatii ikävä näytteen valmistelu läpäisyelektronimikroskoopilla on prosessi, joka vaatii useita päiviä kanssa yksilöt poistetaan kokoomanäyte tai laitteita. Tähän asti ei ole ollut nopeaa analyysimenetelmät kiteisyysaste (ja cross-link tiheys), eikä menetelmiä, joiden avulla suoraan arvioida näiden kriittisten ominaisuuksien valmistetaan laitteita. Anasys Vesta , koska väline, joka arvioi termiset siirtyminen ominaisuudet, jotka ovat suoraan riippuvainen MW, kiteisyysaste ja cross-link tiheys, ainutlaatuisesti mahdollistaa nopeiden toimenpiteiden sekä kokeellisia materiaaleja ja tuotannon laitteet.

Tässä tutkimuksessa useita UHMWPE n analysoitiin lukien perinteiset UHMWPE on yhtä laajassa käytössä, säteilyn ristiinlinkitetty UHMWPE n koska nämä näkyvät kovempia ja vähemmän altis kulumista ja UHMWPE n infusoida alfa-tokoferoli (E-vitamiini) edellyttäen antioksidanttina. Lisäksi haetaan explanted polvi laakeri tutkittiin osoittaa molekyylien hajoaminen on tunnistettu alueilla.

Kuvassa 1 on useita edustavia paikallisia terminen analyysi (LTA) Tontit Virgin UHMWPE (Gur 1050 hartsi), jonka viskositeetti keskimäärin MW noin 5 x 10 ^6. Tämä luku osoittaa myös LTA tontteja sama PE jälkeen ristisilloitukseen 100 kGy säteilyä. YK-ristisilloitetulla PE osoittaa sileä käyrä, joka on tyypillistä MW ja koostumusta yhdenmukaisuus, jossa T _m puhkeamista at 139 ° C. Sen sijaan LTA tontit säteilyn ristiinlinkitetyt PE esillä merkittäviä väärinkäytöksiä ohjeellinen molekyyli heterogeenisuuden. Tm Tämän materiaalin tapahtui 262 ° C, sekä olkapää 139 ° C, joka on sopusoinnussa DSC Aineiston analysointi. [4] Lisäksi luotain tunkeutuneet alle puolet syvälle säteilyn ristiinlinkitetyt PE kuin YK-ristisilloitetulla PE. Nämä lämpö mekaaniset ominaisuudet ovat yhdenmukaisia ​​tunnetut ja odotettavissa ominaisuudet säteilyn ristisidoksilla PE.

Kuva 1. Paikallinen terminen analyysi (LTA) tontteja Näytä mekaanisen vääntymisen YK-ristisilloitetulla UHMWPE (sileä sininen käyrät korkeimmillaan ~ 139 ° C) ja 100 kGy säteily silloitettu UHMWPE (punainen, vähemmän tasainen, käyrät suurimmillaan ~ 262 ° C). Inset Kuvassa lämpö anturi ulokkeen päällä YK-ristisilloitetulla mallin, jossa nuolet osoittavat sijainnin lämpö anturin kärkeä, joka on alle ulokkeen.

Kuva 2 osoittaa kolme LTA tontteja alphatocopherol (E-vitamiini) kyllästetty näyte säteilyn ristisilloitetulla PE. Näyte on gradientti alfatokoferoli sisältöä, joka on selvästi näkyvissä (ei kuvassa). LTA käyrät otettu eri kohdissa ympäri gradientti osoittaa merkittävää vaikutusta lämpö siirtymisen käyrät, korkeasti alphatocopherol korreloivia on pehmeämpi materiaali 120 ° C, mikä on alle T _m. Niinpä alphatocopherol aiheuttaa pitoisuudesta riippuvaista plasticization vaikutus.

Kuva 2. Paikallinen terminen analyysi tontit alphatocopherol kyllästetty säteilyn ristisilloitetulla UHMPE. Pehmeneminen materiaali on havaittu korreloivan alfatokoferoli sisältöä.

Explanted UHMWPE polvi laakeri tutkittiin, jotka osoittivat huomattavaa aineellista erittely, erityisesti vasemmalla puolella kuva (3a). Yksityiskohtainen historia Tämän kliinistä implantti ei tiedetä, mutta tämä implantti oli valmistettu noin kaksi vuosikymmentä sitten. Arvioida kykyä Vesta arvioida materiaalien ominaisuudet vähemmän ilmeisesti vaurioitunut materiaaleja, LTA tehtiin kahteen alueiden vähemmän vaurioitunut oikealla puolella implantti. Nämä alueet olivat 3-4 millimetrin päässä toisistaan ​​kuten kuvassa 3. Yksi alue lähellä reunaa laite ilmestyi koskematon (3b) ja toinen alue oli noin 3 x 1 mm kaivoon, joka muuten ei havaittu näkyviä vaurioita kuten värimuutoksia (3c).

Terminen analyysi vahingoittumattomana alueella oli sujuvaa ja johdonmukaista LTA käyrät ominaisuus natiivi UHMWPE (samanlainen kuvio 1), mutta T _m siirtyminen on 108 ° C. Tämä alempi T _m siirtyminen verrattuna korkeampi T _m kuvassa 1, on todennäköisesti johtui MW polymeerejä, joita käytettiin silloin, kun tämä implantti tehtiin. Toisin vahingoittumattomana alueen LTA käyrät otettu keskellä kuoppa vaihteli huomattavasti, yksi LTA käyrä osoittaa useita siirtymiä osoitus MW jakautuminen, ja toinen esiintymästä kuin syntyperäinen PE. Tämä vaihtelu osoittaa, että vaurioituneet alueet näyttely monipuolisemman termiset ominaisuudet, todennäköisesti osoitus MW, kiteisyysaste, hapettuminen, tai muita muutoksia polymeeri. Kuten todettu, paitsi kuopan, tämä alue muuten näyttää ehjä ja YK-värjäytynyt silmämääräisesti. Siten termomekaanisia analyysin kanssa Vesta pystyy havaitsemaan ei-ilmeinen muutoksia polymeerin ominaisuudet.

Kuva 3. Valokuva explanted UHMWPE polvi laakeri () ja kahden alueen LTA analyysin merkitty nuolilla. Alue näkyy b ja merkitty ylempi sininen nuoli osoittaa mitään näkyviä vaurioita. Alue C merkitty alempi punainen nuoli on pieni kuoppa. Paikallinen terminen analyysi käyrät (e) esitetään kahdelle alueelle: Region B (sininen käyrät 108 ° C peak) ja alue C (punainen käyrät 118 ° C huiput, joista yksi on toinen 176 ° C huippu.

Yhteenveto

LTA pystyy havaitsemaan muutoksia lämpöominaisuudet osoitus MW, kiteisyysaste ja / tai rajat linkkiä tiheys perinteisissä, säteily ristisidoksilla, ja alfatokoferoli kyllästetty UHMWPE. Lisäksi LTA voi havaita paikallisia muutoksia PE ominaisuuksien takia kuluneina tai muista vahingoista, jotka eivät ole ilmeisiä silmämääräisesti kuvan mukaisesti aiemmin istutettu koko polvi laakeri.

Esimerkki 2: Huumeiden Päällystetty Sydän Stentit

Huumeiden päällystetty stentit käytetään laajasti interventionaalisen kardiologian kanssa useita satojatuhansia asettaa potilaille Yhdysvalloissa vuosittain. Jakautuminen huume matriisi polymeeri, kiteisyysaste lääkkeen, ja MW ja kiteisyysaste polymeerin matriisin on merkittäviä vaikutuksia julkaisu kinetiikkaan, mikä puolestaan ​​voi suuresti muuttaa biologisia vasteita. Vaikka spektroskooppinen microscopies kuten IR-ja Raman voi kuva huumeiden levittämiseen sisällä pinnoitteita klo mikrometrin mittakaavassa tällaisia ​​menetelmiä on rajoitettu niiden valmiuksia tarjota submicron resoluutio. Toiseksi, tähän asti, mitään tunnettua menetelmää voitaisiin suoraan mitata kiteisyysaste tai vaihe sekoittaminen huumeita ja Matriisin polymeerit levitettiin stenttien. Kanssa submicron LTA mahdollistanut kanssa Vesta, tämä on nyt mahdollista. Seuraavassa tarkastelussa useita huume-pinnoitettu stents analysoitiin. Nämä maalit olivat kaikki perustuvat poly-DL-maitohappo (PDLLA) polymeeri matriisit, mutta muuten vaihteli muotoilussa.

Luottamuksellisuussyistä lähteitä stenttien ja niiden sävellysten ei anneta seuraavassa taulukossa:

LTA käyrä näkyy kunkin stentti kuvassa 4 sekä kuvamikrokaaviossa alueen analyysin kunkin stentin saatu Vesta. Tontteja osoittavat, että Tg siirtymät olivat hieman erilaiset kolmen stenttien, vaihdellen 63-71 ° C. Nämä siirtymät ovat hieman korkeampia kuin tyypillinen 50-60 ° CT _g puhdasta PDLLA. Tämä voi johtua korkeampi kuumennusnopeus käytetty LTA tai johtuu sisällyttämisestä huume.

Kuva 4. Tyypillinen LTA käyrä näkyy kunkin stentin kanssa keskimääräinen huippupitoisuus terminen siirtyminen merkitty (nuolet). Micrographs on analysoitu alueen esitetään kaikista stentti "brändi."

Vesta käytettiin sitten tarjota lasittumismislämpötila Kartat (TTM) Tg mittaukset jono. Kunkin kartan, 36 erillistä LTA mittaukset suoritetaan automaattisesti 10 umspatial välein 50 x 50 um alueella (kuvio 5). Huom huomattavia eroja yhdenmukaisuutta ja rakenteessa Tg alkanut kolmen stenttien. Koska huumeet ovat huomattavasti suuremmat siirtymistä lämpötiloissa kuin PDLLA matriisi, tämä osoittaa, että oli merkittäviä eroja paikallisen sisällön lääkkeelle kustakin ~ 30 nm alueita, jotka on termisesti analysoitiin. Esimerkiksi Brand Y stentin osoitti yksi alue on erittäin suuri huumeiden sisältöä (mitattuna T _g), jota ympäröivät suhteellisen yhtenäinen koostumus (T _g). Sen sijaan siellä oli hyvin pieni valikoima huumeiden sisältöä Brand Z, ja väli-alue Brand X.

Kuva 5. Transitiolämpötilaa kartat näytetään 3 stenttien. Kunkin kartta 36 erillistä mittaukset saatiin 10 UM spatiaalinen välein xy verkkoon. Jokainen värillinen ympyrä edustaa yksittäinen mittaus, jossa alkaa T _g (° C) kuvaaman väriskaala.

Yhteenveto

Oli selvästi havaittavissa, että kolme eri stenttien vaihteli huomattavasti niiden keskimääräinen termiset ominaisuudet ja morfologiset luonnetta jakautumisen vuoksi lämpöominaisuudet. Hallitseva lämpö siirtyminen havaittu oli T _g PDLLA. Kaiken kaikkiaan on osoitettu, että terminen analyysi suoritetaan Vesta voi havaita merkittäviä koostumusta ja morfologiset rakenne huumeiden päällystetty stenttien.

Esimerkki 3: Vestamid ja Pebax Katetrit

Kaksi kaupallisesti saatavilla katetrit saatiin ja sitten tutkitaan kuten kuvassa 6. Nämä olivat katetrin valmistettu Vestamid katetrin (nylon) ja Pebax (lohko copolyamide). Koostumusta yksityiskohdat nämä erityiset katetrin näytteet ovat muuten tuntemattomia. Vestamid katetri oli erittäin johdonmukainen T _m on 120 ± 3 ° C, kun taas Pebax katetri oli erittäin johdonmukainen T _m on 160 ± 3 ° C. Nämä T _m siirtymät näkyvät jotka ovat tunnettuja ominaisuuksia näiden kaupallisesti saatavilla materiaaleja.

Kuva 6. LTA käyrät ja valikoima sulamislämpötila varten Vestamid katetrin (punainen) ja Pebax katetrin (pun käyrät).

Yhteenveto

Vesta analyysi näistä katetreja osoitti erittäin yhtenäinen Tm mittaukset mikä tarkoittaa yhtenäistä ominaisuuksia.

Esimerkki 4: Piilolinssit

Kaksi käyttämätöntä suoraan hyllyltä piilolinssit tutkittiin LTA. Molemmat objektiivit olivat samankokoisia, brändi ja koostumus, mutta vaihteli vallassa (-3,50 ja -3,00), ja tuotettiin noin vuoden välein. Nämä linssit olivat muodostuu hydrogeeli, mutta luottamuksellisuuteen liittyvistä syistä lähde ja koostumusta ei ilmoiteta tässä. Linssit olivat siirtää niiden alkuperäisestä kuluttajapakkauksiin huuhdella yli 4 tuntia kolmessa 20 ml muutoksia tislattua vettä poistaa pakkaus suoloja ja / tai säilöntäaineita, ja sitten ilmakuivattua yössä.

Kuva 7 esittää, että TM vaihtelivat hieman näiden kahden välillä linssit. 3,0 ja 3,5 teho linssit olivat vastaavasti, keskiarvo ± keskihajonta T _m 140,2 ± 2 ° C ja 144,4 ± 1,8 ° C 10 erillistä LTA toimenpiteet kunkin linssin eri paikkakunnilla. Jokainen linssi oli varsin johdonmukaisesti omaa termiset ominaisuudet, mutta kaksi linssiä ei ollut sama Tm. Noin 4 ° C ero T _m välillä linssit viittaa siihen, että oli pieni ero MW polymeerien, muita kemiallisia komponentteja, ja / tai pieniä eroja valmistuksen protokollat ​​näitä kahta samanlaista linssiä.

Kuva 7. LTA mittaus käyrät ja keskimääräinen sulamislämpötila (keskiarvo ± SD) kaksi käyttämätöntä off-hylly hydrogeeliä piilolinssit. -3.00 Linssi käyrät näkyvät punaisina (alempi asetettu) ja -3,5 linssi käyrät on kuvattu sinisellä (ylempi sarja).

Yhteenveto

Vesta analyysi paljasti tasaisuus Tm kunkin piilolasien 10 eri mittauspaikoissa. Kuitenkin Vesta paljasti myös, että kaksi eri linssit valmistetaan eri erissä olivat hieman erilaiset sulamisen osoittaa eroja polymeeri rakenteen tai kemia.

Johtopäätökset

Anasys Vesta takaa vahvan analyysit lämpö siirtyminen ominaisuuksia kokeellisen ja täysin toimiva lääketieteen saavat polymeerit. Vesta käytössä paikalliseen Thermal analyysien (LTA) ja lasittumismislämpötila kartoitus (TTM) paljastaa kätyri rakenteellisia ja koostumusta yksityiskohtia, joita ei ilmene silmämääräisen tarkastelun tai perinteisen tai spektroskooppiset mikroskopia. Vesta analyysit tarjoavat tietoa huumeiden pinnoitteen rakenne ja toiminta, polymeerisiä molekyylien hajoaminen, ja tuote yhdenmukaisuus. Koska Vesta mahdollistaa tällaisten mittausten toiminnallisiin täysin valmistetaan laitteita ja explanted laitteissa, nämä tiedot voidaan helposti soveltaa T & K, laadunvalvonta, laadunvarmistus, ja vika-analyysi.

Lähde: nanomittakaavan Thermal Analysis of Medical käyttävien laitteiden VESTA
Kirjoittaja: Steven Goodman, Khoren Sahagian, ja Kevin Kjoller
Lisätietoja tästä lähde osoitteessa Anasys Instruments