Beni Termici di Transizione degli Apparecchi Medici Polimerici Facendo Uso del VESTA dagli Strumenti di Anasys

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Sfondo
Introduzione
Strumentazione
Risultati e Discussione Sperimentali
     Esempio 1: Cuscinetti Ortopedici e Materiali di UHMWPE
          Riassunto
     Esempio 2: Stents Cardiovascolari Rivestiti della Droga
          Riassunto
     Esempio 3: Cateteri di Pebax e di Vestamid
          Riassunto
     Esempio 4: Lenti a Contatto
          Riassunto
Conclusioni

Sfondo

La caratterizzazione dei beni di Materiali è centrale a quasi tutte le sfaccettature di progettazione dell'apparecchio medico, di produzione e pre o di prove di post-uso. I beni Materiali sono valutati ordinariamente per soddisfare le esigenze nella R & S & nell'assicurazione di qualità e per ottenere l'approvazione regolatrice da vendere. Unità che sono state usate clinicamente o sperimentalmente egualmente ordinariamente sono analizzate per capire meglio i meccanismi di degradazione, di usura e/o errore.

I Polimeri sono ampiamente usati solamente o congiuntamente ad altri materiali nelle applicazioni che includono i cateteri, gli isolanti del cavo dell'elettrodo (per esempio cadenza cardiaca o nervo che stimola), i cuscinetti, le suture, i rivestimenti della versione della droga (per esempio stents cardiovascolari) e molto ortopedici. I Polimeri sono materiali eterogenei che possono avere variazioni sostanziali nelle proprietà fisiche sopra il micron ai disgaggi di millimetro di lunghezza dovuto i cambiamenti nel peso molecolare, cristallinità, mescolante l'uniformità delle droghe in rivestimenti farmacologicamente attivi ed il grado e la morfologia di separazione di fase nelle miscele, in copolimeri e nei compositi.

La caratterizzazione Morfologica dei polimeri è fatta tipicamente con differenti tipi di microscopie, mentre i beni funzionali ed intrinsechi quali peso molecolare (MW) e concentrazione meccanica sono valutati tipicamente sugli esemplari in serie senza fornire informazioni spaziali. Le tecniche In Serie dell'analisi termica compreso calorimetria di a scansione differenziale (DSC), l'analisi meccanica termica (TMA) ed altre sono egualmente ampiamente usate suscitare le informazioni sui beni del polimero come la fase e mescolanza componente.

Tuttavia, questi metodi di analisi termica sono limitati alla valutazione dei beni del cumulo o di media dei campioni che sono sperati per essere “rappresentante„ delle unità fabbricate, poiché tali campioni necessariamente sono rimossi da o sono creati esclusivamente dalle unità fabbricate. Dagli esemplari analitici “rappresentativi„ sono richiesti, le variazioni in situ nei beni materiali sulle unità fabbricate può essere mancato. Oltre alle limitazioni dell'analisi delle unità fabbricate e delle regioni di unità, le analisi termiche esistenti sono egualmente quasi impossibli da eseguire sui rivestimenti in polimeri sottili.

Introduzione

Il Vesta (Strumenti di Anasys) è un nuovo strumento analitico che permette agli apparecchi medici fabbricati di essere analizzato per i beni termici funzionali di transizione via Microscopia della Temperatura di Transizione (TTM). Con TTM, la valutazione dei beni termici può essere fatta in tutta la regione specifica identificata di unità o di esemplare, così unicamente integrando le informazioni spaziali con i beni termici. Questa misura termica dei beni fornisce informazioni sul MW, sulla cristallinità, sulla mescolanza componente e sulla segregazione di fase che può essere usata per guidare la R & S, permettere allo sviluppo di metodi di produzione e per fornire il controllo di qualità di produzione. Ulteriormente, queste termo misure meccaniche egualmente forniscono la comprensione nei meccanismi di degradazione, di usura e/o di errore localizzati delle unità dopo le prove o dopo uso clinico.

Questa nota di applicazione illustra la valutazione dei beni termici di transizione di vari tipi di apparecchi medici polimerici e discute le informazioni che possono essere derivate da tali analisi.

Strumentazione

Lo Strumento di Vesta comprende una sonda termica piramidale invertita micro-lavorata che da costruzione (su una trave a mensola AFM del tipo di del microscopio atomico della forza). Un microscopio ottico permette agli utenti di posizionare la sonda termica sulle regioni del campione di interesse. Una Volta diretto, il sistema di Vesta poi metterà il suggerimento termico della sonda del raggio di <30 nanometro in contatto meccanico con l'esemplare.

La sonda può anche essere programmata per il posizionamento automatico per realizzare una serie di misure o per generare una Mappa della Temperatura di Transizione (TTM). Una Volta in contatto con la regione di interesse il suggerimento della sonda è resistively heated mentre la trave a mensola fornisce il controllo e la misura di forza sensibili fra il suggerimento ed il campione. Ciò fornisce le termo analisi meccaniche localizzate che video sotto forma di tracciato della deformazione fisica della sonda termica sull'esemplare contro la temperatura della sonda.

Con la maggior parte dei esemplari (per esempio Figura 1), mentre la sonda è riscaldata l'esemplare in primo luogo amplia e così alza il suggerimento della sonda. Ad una temperatura di transizione, l'esemplare comincerà ad ammorbidire ed il suggerimento comincia così a abbassarsi nell'esemplare. Questa temperatura contro la curva di deformazione è un tracciato locale dell'analisi (LTA) termica. La sonda può essere riscaldata fino a 450°C alle tariffe di rampa fino a 600,000°C/min, quindi permettente alle alte misure di capacità di lavorazione alle temperature appropriate per essenzialmente tutto il materiale polimerico o organico. Ammorbidire Materiale, fondersi e perfino rifondere possono essere riflessi per fornire informazioni sulla mescolanza di MW, di fase e di miscela e su altri beni fisico-chimici. La risoluzione spaziale della misura dipende dal raggio termico della sonda di 30 nanometro e dai beni termici locali del materiale. Con la maggior parte dei sistemi polimerici, questo permette all'analisi termica locale ad un sotto disgaggio di 100 nanometro.

Risultati e Discussione Sperimentali

Esempio 1: Cuscinetti Ortopedici e Materiali di UHMWPE

Ultra il polietilene di alto peso molecolare (UHMWPE o PE) è un materiale estremamente riuscito del cuscinetto per i cuscinetti ortopedici del ginocchio e del cinorrodo, con milioni di unità in uso e circa i cento mila nuovi cinorrodi del Pe-cuscinetto ed unità di arthroplasty del ginocchio impiantate all'anno. Ciò Nonostante, lungamente è stato stabilito che l'usura del PE alterasse la funzione dell'unità e che le particelle di usura rilasciate da questi cuscinetti generano le risposte infiammatorie croniche.

Di Conseguenza, c'è stato l'estesa ricerca per migliorare la durevolezza dell'unità che ha rivelato i meccanismi che comprendono l'usura meccanica e l'ossidazione che sono correlate con i cambiamenti nel peso molecolare del PE, nella cristallinità e nella densità del legame incrociato. Sebbene non sia interamente chiaro che beni materiali sono importanti per la biocompatibilità a lungo termine in protesi totale di arthroplasty del ginocchio e del cinorrodo, la densità fisica del legame incrociato e la morfologia cristallina sono due beni che sono ben noti pregiudicare la funzione del cuscinetto del PE.

La valutazione della struttura cristallina del PE è difficile e laboriosa, richiedendo il preparato noioso del campione per la microscopia elettronica di trasmissione in un trattamento che richiede parecchi giorni con gli esemplari che sono rimossi dai campioni globali o dalle unità. Finora, non ci sono stati metodi di analisi rapidi per cristallinità (ed unisca con legami atomici incrociati la densità) e nessun metodi per permettere alla valutazione diretta di questi beni critici in unità fabbricate. Il Anasys Vesta, come strumento che valuta i beni termici di transizione che dipendono direttamente dal MW, dalla cristallinità e dalla densità del legame incrociato, permette unicamente alle misure rapide in entrambi i materiali sperimentali ed in unità di produzione.

Nello studio presente, parecchi UHMWPE sono stati analizzati compreso UHMWPE convenzionali come nell'ampio uso, UHMWPE uniti con legami atomici incrociati radiazione poiché questi sembrano ad usura più dura e meno incline e UHMWPE infusi con il alfa-tocoferolo (vitamina E) fornita come antiossidante. Inoltre, un cuscinetto explanted recuperato del ginocchio è stato esaminato che dimostra la degradazione molecolare nelle regioni identificate.

Figura 1 mostra vari i diagrammi locali rappresentativi dell'analisi (LTA) termica per il vergine UHMWPE (resina 1050 di GUR) con una media MW della viscosità di circa 5 x di 10.6 Questa figura egualmente mostra i diagrammi PIÙ LEGGERO DELL'ARIA per lo stesso PE dopo il inter-collegamento con la radiazione kGy 100. Il PE non reticolato mostra una curva regolare che è caratteristica del MW e dell'uniformità composizionale, con un iniziom di T a 139°C. Al contrario, i tracciati PIÙ LEGGERO DELL'ARIA delle irregolarità sostanziali esibite PE unite con legami atomici incrociati radiazione indicative di eterogeneità molecolare. Il TM di questo materiale si è presentato a 262°C, con una spalla a 139°C che è coerente con l'analisi di DSC di questo materiale. [4] Ulteriormente, la sonda ha penetrato meno mezzo come in profondità nel PE unito con legami atomici incrociati radiazione che il PE non reticolato. Questi beni meccanici termici sono coerenti con i beni conosciuti e previsti di PE unito con legami atomici incrociati radiazione.

La Figura 1. tracciati Locali dell'analisi (LTA) termica mostra la deformazione meccanica di UHMWPE non reticolato (le curve blu liscie che alzano alla radiazione kGy ~139°C) e 100 hanno unito con legami atomici incrociati UHMWPE (rosso, meno liscio, curve che alzano a ~262°C). Sonda termica di manifestazioni della foto dell'Inserzione a mensola ricoprendo l'esemplare non reticolato, con le frecce che indicano la posizione del suggerimento termico della sonda che è sotto la trave a mensola.

Figura 2 mostra tre diagrammi PIÙ LEGGERO DELL'ARIA per un alphatocopherol (vitamina E) ha impregnato il campione del PE unito con legami atomici incrociati radiazione. Il campione ha un gradiente del contenuto del alfa-tocoferolo che è chiaramente visibile (non indicato). Le curve PIÙ LEGGERO DELL'ARIA catturate ai punti differenti attraverso il gradiente mostrano un effetto sostanziale sulle curve di raccordo termiche, con i livelli elevati del alphatocopherol che correlano ad un materiale più molle a 120°C, che è sotto il T.m Quindi, il alphatocopherol induce un effetto concentrazione-dipendente di plasticization.

La Figura 2. tracciati Locali dell'analisi termica del alphatocopherol ha impregnato UHMPE unito con legami atomici incrociati radiazione. Ammorbidendo del materiale è osservato per correlare con il contenuto del alfa-tocoferolo.

Un cuscinetto explanted del ginocchio di UHMWPE è stato esaminato che ha mostrato la ripartizione materiale sostanziale, particolarmente sul lato sinistro della foto (3a). La cronologia dettagliata di questo innesto clinico non è conosciuta, ma questo innesto è stato prodotto circa due decadi fa. Per valutare la capacità del Vesta per valutare i beni materiali in materiali meno ovviamente nocivi, PIÙ LEGGERO DELL'ARIA è stata eseguita su due regioni dalla destra molto più di meno nociva dell'innesto. Queste regioni erano di 3-4 millimetri a parte secondo le indicazioni di Figura 3. Una regione vicino alla barriera dell'unità è sembrato incontaminata (3b) mentre la seconda regione era in a circa un pozzo da 3 x 1 millimetro che non ha mostrato altrimenti danno ovvio quale scoloramento (3c).

L'analisi Termica nella regione intatta ha mostrato le curve PIÙ LEGGERO DELL'ARIA liscie e coerenti caratteristiche di UHMWPE indigeno (simile Calcolare 1) ma con una transizionem di T a 108°C. Questa transizione più bassam di T, confrontata ad più alto Tm nella Figura 1, è molto probabilmente dovuta abbassare i polimeri di MW che sono stati usati allora questo innesto sono stati fatti. Contrariamente alla regione intatta, alle curve PIÙ LEGGERO DELL'ARIA contenute il mezzo del pozzo diverso sostanzialmente, con una curva PIÙ LEGGERO DELL'ARIA che mostra le transizioni multiple indicative della ripartizione di MW e di un secondo comparire più simile a PE indigeno. Questa variazione indica che le regioni nocive presentano più beni termici vari, probabilmente indicativi del MW, della cristallinità, dell'ossidazione, o di altri cambiamenti nel polimero. Come celebre, eccezione fatta per il pozzo, questa regione sembra altrimenti intatto e non-scolorito tramite ispezione visiva. Quindi, l'analisi termale-meccanica con il Vesta può individuare i cambiamenti non ovvi nei beni del polimero.

Figura 3. Fotografia di un cuscinetto explanted del ginocchio di UHMWPE (a) e di due regioni di analisi PIÙ LEGGERO DELL'ARIA come indicato con le frecce. La Regione indicata in b ed indicata con la freccia blu superiore non mostra danno visibile. La Regione c indicata con la freccia rossa più bassa è nel piccolo pozzo. L'analisi termica Locale curva (e) è indicato per le due regioni: Regione b (curve blu con il picco 108°C) e regione c (le curve rosse con 118°C alza, uno di cui ha un secondo picco 176°C.

Riassunto

PIÙ LEGGERO DELL'ARIA può discernere i cambiamenti nei beni termici indicativi del MW, la densità del legame incrociato e/o di cristallinità in convenzionale, la radiazione unita con legami atomici incrociati e UHMWPE impregnato alfa-tocoferolo. Ulteriormente, PIÙ LEGGERO DELL'ARIA può individuare i cambiamenti locali nei beni del PE dovuto usura o l'altro danno che non sono ovvi su ispezione visiva, come indicato con un intero cuscinetto precedentemente impiantato del ginocchio.

Esempio 2: Stents Cardiovascolari Rivestiti della Droga

Gli stents ricoperti Droga sono ampiamente usati in cardiologia interventional con diverse centinaia mille collocati in pazienti negli Stati Uniti ogni anno. La distribuzione della droga nel polimero della matrice, la cristallinità della droga ed il MW e la cristallinità della matrice del polimero hanno effetti sostanziali sulla cinetica della versione, che a loro volta può notevolmente alterare le risposte biologiche. Mentre i microscopies spettroscopici quali il IR e Raman possono distribuzione della droga di immagine all'interno dei rivestimenti al disgaggio del micron, tali metodi sono limitati nelle loro capacità nella fornitura della risoluzione di submicron. Secondariamente, finora, nessun metodo conosciuto ha potuto direttamente misurare la cristallinità o sincronizzare la mescolanza delle droghe e dei polimeri della matrice ricoperti sugli stents. Con il PIÙ LEGGERO DELL'ARIA di submicron permesso a con il Vesta, questo ora è possibile. Nel seguente studio, parecchi stents droga rivestiti sono stati analizzati. Questi rivestimenti tutti sono stati basati sulle matrici acide poli-DL-lattiche del polimero (PDLLA), ma altrimenti sono stati variati nella formulazione.

In ragione di riservatezza le sorgenti degli stents e delle loro composizioni non sono fornite nella seguente tabella:

Tipo dello Stent

Formulazione

Solvente

Marca X

PDLLA + Droga A + eccipienti

Solvente 1

Marca Y

PDLLA + Droga B + eccipienti

Solvente 2

Marca Z

PDLLA + Droga C + eccipienti

Solvente 3

Una curva PIÙ LEGGERO DELL'ARIA è indicata per ogni stent nella Figura 4, con un fotomicrografo della regione di analisi di ogni stent ottenuto con il Vesta. I tracciati indicano che le transizioni di Tg erano leggermente differenti per i tre stents, variando da 63 a 71°C. Queste transizioni sono piuttosto superiori al 50-60°C T tipicog di PDLLA puro. Ciò può essere dovuto il più alta tariffa di riscaldamento utilizzata nel PIÙ LEGGERO DELL'ARIA o dovuto l'inclusione della droga.

Figura 4. Una curva PIÙ LEGGERO DELL'ARIA tipica è indicata per ogni stent con la transizione termica di punta media contrassegnata (frecce). I Micrografi della regione analizzata sono indicati per ogni stent “marca.„

Il Vesta poi è stato usato per fornire le Mappe della Temperatura di Transizione (TTM) delle misure di Tg in una schiera. Per ogni mappa, 36 misure PIÙ LEGGERO DELL'ARIA separate sono state realizzate automaticamente a 10 intervalli umspatial 50 x 50 um in una regione (Figura 5). Noti le differenze sostanziali nell'uniformità e nel reticolo dell'inizio di Tg per i tre stents. Poiché le droghe hanno temperature di transizione sostanzialmente più alte che la matrice di PDLLA, questa indica che c'erano differenze sostanziali nel contenuto locale della droga in ciascuna delle ~30 regioni di nanometro che sono state analizzate termicamente. Per esempio, lo stent di Marca Y ha mostrato una singola regione di contenuto molto elevato della droga (come misurato con T)g circondato da composizione relativamente costante (t)g. Al contrario, c'era un intervallo molto piccolo del contenuto della droga nella Marca Z e un a raggio intermedio nella Marca X.

La Figura 5. mappe della temperatura di Transizione è indicata per i 3 stents. Per le misure separate di ogni mappa 36 sono stati ottenuti a 10 um intervalli spaziali in una griglia di x-y. Ogni cerchio colorato rappresenta una singola misura, con l'inizio di Tg (°C) rappresentato dalla gamma di colori.

Riassunto

È stato osservato chiaramente che i tre stents differenti hanno variato considerevolmente nei loro beni termici medii e nel carattere morfologico della distribuzione di questi beni termici. La transizione termica dominante osservata era Tg del PDLLA. In Generale, è stato indicato che l'analisi termica eseguita con il Vesta può individuare la struttura composizionale e morfologica significativa all'interno degli stents ricoperti droga.

Esempio 3: Cateteri di Pebax e di Vestamid

Due cateteri disponibili nel commercio sono stati ottenuti e poi sono stati esaminati secondo le indicazioni di Figura 6. Questi erano un catetere fatto dal catetere di Vestamid (un nylon) e da Pebax (un copolyamide del blocco). I dettagli Composizionali di questi campioni specifici del catetere sono altrimenti sconosciuti. Il catetere di Vestamid ha mostrato T di 120±3°Cm molto coerente, mentre il catetere di Pebax ha mostrato T di 160±3°C.m molto coerente. Queste transizionim di T sembrano coerenti con i beni conosciuti di questi materiali disponibili nel commercio.

Figura 6. curve ed intervallo PIÙ LEGGERO DELL'ARIA della temperatura di fusione per il catetere di Vestamid (rosso) ed il catetere di Pebax (curve blu).

Riassunto

L'analisi di Vesta di questi cateteri ha mostrato le misure altamente costanti del TM che indicano così i beni costanti.

Esempio 4: Lenti a Contatto

Due lenti a contatto disponibili immediatamente inutilizzate sono state esaminate con PIÙ LEGGERO DELL'ARIA. Entrambe Le lenti erano la stessa dimensione, la marca e la composizione, ma diverso nella potenza (- 3,50 e -3,00) e sono state prodotte diverso circa un anno. Queste lenti sono state composte di idrogel, ma in ragione di riservatezza la sorgente e la composizione non sono rivelate qui. Le lenti sono state rimosse dalla loro confezione per il consumatore originale, hanno risciacquato per oltre 4 ore in tre cambiamenti da 20 ml di acqua distillata per eliminare tutti i sali e/o conservanti d'imballaggio e poi hanno asciugato ad aria durante la notte.

Figura 7 indica che il TM ha variato leggermente fra le due lenti. I 3,0 e le 3,5 lenti di potenza hanno avuti rispettivamente, deviazione standard media T del ±m di 140.2±2°C e 144.4±1.8°C dalle 10 misure PIÙ LEGGERO DELL'ARIA separate di ogni lente in varie posizioni. Ogni lente era abbastanza coerente nei sui propri beni termici, eppure le due lenti non hanno avute lo stesso TM. Circa la differenza 4°C in Tm fra le lenti suggerisce che ci sia stato una piccola differenza nel MW dei polimeri, di altre componenti chimiche e/o di leggere differenze nei protocolli di montaggio per queste due simili lenti.

Figura 7. curve PIÙ LEGGERO DELL'ARIA di misura e la temperatura di fusione media (deviazione standard media del ±) di due lenti a contatto disponibili immediatamente inutilizzate dell'idrogel. Le -3,00 curve della lente sono indicate nel rosso (insieme più basso) e -3,5 curve della lente sono indicate in blu (tomaia impostata).

Riassunto

L'analisi di Vesta ha rivelato l'uniformità del TM di ogni lente a contatto in 10 posizioni differenti di misura. Tuttavia, Vesta egualmente ha rivelato che le due lenti differenti fabbricate nei batch differenti hanno avute temperature di fusione leggermente differenti indicare le differenze in struttura o chimica del polimero.

Conclusioni

Il Anasys Vesta permette alle analisi potenti dei beni termici di transizione di sperimentale e completamente - medici funzionali derivano i polimeri. Vesta ha permesso alle analisi termiche locali (LTA) e la mappatura della temperatura di transizione (TTM) rivela i dettagli strutturali e composizionali dell'inferiore che non sono confermati da ispezione visiva o da microscopia convenzionale o spettroscopica. Le analisi di Vesta forniscono la comprensione nella struttura e nella funzione del rivestimento della droga, la degradazione molecolare polimerica e l'uniformità del prodotto. Poiché Vesta permette a tali misure sulle unità completamente fabbricate funzionali e sulle unità explanted, tali informazioni possono applicarsi prontamente a R & S, a Controllo di qualità, ad Assicurazione di Qualità ed all'Analisi dell'Errore.

Sorgente: Analisi Termica di Nanoscale degli Apparecchi Medici Facendo Uso del VESTA
Autore: Steven Goodman, Khoren Sahagian e Kevin Kjoller
Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli Strumenti di Anasys

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

Last Update: 14. June 2013 01:28

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