Anasys の器械からの VESTA を使用して重合体の医療機器の熱転移の特性

カバーされるトピック

背景
導入
器械使用
実験結果および議論
     例 1: UHMWPE 整形外科ベアリングおよび材料
          概要
     例 2: 薬剤の上塗を施してある心血管のステント
          概要
     例 3: Vestamid および Pebax のカテーテル
          概要
     例 4: コンタクトレンズ
          概要
結論

背景

材料特性の性格描写は医療機器デザイン、生産、および前にまたは後使用のテストのほぼすべての面に中央です。 物質的な特性は定期的に R & D 及び品質保証の必要性を満たし、販売のための規制当局の許可を得るために評価されます。 臨床的に使用されるか、またはまたよりよく劣化、消耗のメカニズムを理解するために実験的に定期的に分析される装置および/または障害。

ポリマーはもっぱらまたはカテーテル、電極の鉛の絶縁体 (刺激する例えば心臓に速度を計るか、または神経)、整形外科ベアリング、縫合線、薬剤リリースコーティング (例えば心血管のステント) および多くを含んでいるアプリケーションの他の材料と組み合わせて広く利用されています。 ポリマーは長さミリメートルの分子量、 pharmacologically 実行中のコーティングの薬剤の均等性、およびブレンド、共重合体および合成物の段階分離のある程度および形態混合する結晶化度の変更によるスケールにミクロン上の物理的性質の相当な変化があることができる異質材料です。

ポリマーの形態学上の性格描写は異なったタイプの顕微鏡検査で普通分子量および機械強さのような機能および本質的な特性は (MW)バルク標本で空間的な情報を提供しないで普通評価されるが、行われます。 差動スキャン熱量測定、熱機械分析および (DSC)他を含むバルク (TMA)熱分析の技術はまた広く利用されています段階および構成の混合のようなポリマー特性の情報を引き出すために。

ただし、これらの熱分析方法は製造された装置の 「代表」であるために望まれるサンプルの平均または総計の特性の査定にそのようなサンプルが必ずしもから除去されるか、または製造された装置と別に作成されるので限定されます。 「代表的な」分析的な標本以来、製造された装置の物質的な特性のそのままの変化抜けていることがあります必要とされます。 装置の製造された装置そして領域の分析の限定に加えて、ある熱分析はまた薄いポリマーコーティングで行ってがほぼ不可能です。

導入

Vesta (Anasys の器械) は製造された医療機器が遷移温度の顕微鏡検査によって機能熱転移の特性のために分析されることを可能にする新しく分析的な器械です (TTM)。 従って TTM を使うと、熱特性の査定は装置または標本のあらゆる識別された特定の領域でなされるかもしれ一義的に熱特性によって空間的な情報を統合します。 この熱特性の測定は MW、結晶化度、構成の混合、および R & D を導き、生産方法の開発を可能にし、生産の品質管理を提供するのに使用することができる段階の分離で情報を提供します。 さらに、これらの熱の機械測定はまた装置の集中させた劣化、摩耗や障害のメカニズムにテストの後でまたは臨床使用の後で洞察力を提供します。

このアプリケーションノートは複数の異なったタイプの重合体の医療機器の熱転移の特性の査定を説明し、そのような分析から拾うことができる情報を論議します。

器械使用

Vesta の器械は AFM そっくりの (原子力の顕微鏡の) 片持梁で製造されるマイクロ機械で造られた逆にされた錐体熱プローブを織込んでいます。 光学顕微鏡はユーザーが興味のサンプル領域に熱プローブを置くことを可能にします。 指示されたとき、 Vesta システムは標本が付いている機械接触にそれから <30 nm の半径の熱プローブの先端を持って来ます。

プローブはまた一連の測定を行うか、または遷移温度のマップを生成する自動位置のためにプログラムすることができます (TTM)。 一度興味の領域と接触してプローブの先端は片持梁が先端とサンプル間の敏感な力制御そして測定を提供する間、 resistively 熱くします。 これは標本の熱プローブの物理的な偏向のプロットの形で対プローブの温度表示される集中させた熱の機械分析を提供します。

ほとんどの標本を使って (例えばプローブが標本最初に熱されると同時に図 1) は、プローブの先端を拡大し、こうして移動します。 遷移温度で、標本は柔らかくなり始め、先端はこうして標本に降ろし始めます。 この温度は対偏向のカーブローカル熱分析のプロット (LTA)です。 プローブは温度の高いスループット測定を本質的に可能にする 600,000°C/min まで傾斜路レートの 450°C まであらゆる重合体か有機材料のために適切な、それにより熱することができます。 物質的な柔らかくなり、溶け、そして再溶解は MW、段階およびブレンドの混合および他の物理化学的な特性で情報を提供するために監視することができます。 測定の空間分解能は 30 nm の熱プローブの半径と材料のローカル熱特性に依存しています。 ほとんどの重合体システムによって、これは補助的な 100 nm スケールでローカル熱分析を可能にします。

実験結果および議論

例 1: UHMWPE 整形外科ベアリングおよび材料

超高分子量のポリエチレンは (UHMWPE か PE) 使用中の何百万の装置および約十万新しい PE ベアリングヒップおよび 1 年ごとに植え付けられる膝の関節形成装置の整形外科のヒップおよび膝ベアリングのための非常に正常なベアリング材料、です。 それにもかかわらず、ずっとそれは PE の摩耗が装置機能を損なうこと、そしてこれらのベアリングから解放される摩耗の微粒子が慢性の炎症性応答を生成すること長い伝統があります。

その結果、 PE の分子量、結晶化度および架橋結合の密度の変更に関連する酸化および機械の摩耗を含んでいるメカニズムを明らかにした装置耐久性を改善する大規模な調査がずっとあります。 どんな物質的な特性が総ヒップおよび膝の関節形成の prosthetics の長期 biocompatibility のために重要であるかそれが完全に明確ではないが、物理的な架橋結合の密度および結晶の形態は PE ベアリング機能に影響を与えるために有名の 2 つの特性です。

PE の結晶の構造の評価は困難、困難で、退屈なサンプル準備をバルクサンプルか装置から除去される標本との数日を必要とするプロセスの透過型電子顕微鏡のために必要とします。 今まで、結晶化度のための急速な解析法 (および密度を架橋結合して下さい)、および製造された装置のこれらの重大な特性の直接評価を可能にする方法がずっとありません。 MW、結晶化度および架橋結合の密度に直接依存している熱転移の特性を評価する器械として Anasys Vesta は、一義的に両方の実験材料と生産装置の急速な手段を可能にします。

現在の調査では、複数の UHMWPE は酸化防止剤として提供されたアルファトコフェロール (ビタミン E) と注ぎこまれた広い使用中のように慣習的な UHMWPE、放射によって架橋結合された UHMWPE を含んでこれらが身に着けるより堅く、より少なく傾向があるようであるおよび UHMWPE 分析されましたので。 さらに、識別された領域の分子劣化を示す検索された explanted 膝ベアリングは検査されました。

図 1 は複数におよそ 5 x 10. の (LTA)粘着性平均 MW の無穿孔 UHMWPE (GUR の 1050 の樹脂) のための代表的なローカル熱分析のプロットを示します。6 この図はまた 100 kGy 放射との交差リンクの後で同じ PE のための LTA プロットを示します。 非架橋結合された PE は 139°C. で T の手始めの MW そして合成均等性に対照的に独特、m分子不均質を表した放射によって架橋結合される PE によって表わされる相当な不規則性の LTA プロットであるスムーズなカーブを示します。 この材料の Tm はこの材料の DSC の分析に一貫している 139°C に肩と共に 262°C に、発生しました。 [4] さらに、プローブは放射によって架橋結合された PE に深くとして非架橋結合された PE よりより少しにより半分を突き通しました。 これらの熱機械特性は放射によって架橋結合される PE の知られていたおよび期待された特性に一貫しています。

図 1. ローカル熱分析の (LTA)プロットは非架橋結合された UHMWPE の機械変形を示します (~139°C) および 100 kGy 放射で最高になるスムーズで青いカーブは、より少なくスムーズ、 ~262°C) で最高になるカーブ。赤い UHMWPE を架橋結合しました ( 差込みの写真は片持梁熱プローブを示しま片持梁の下にある熱プローブの先端の位置を明記していて矢が非架橋結合された標本の、上にあります。

図 2 は放射によって架橋結合される PE の alphatocopherol (ビタミン E) の浸透させたサンプルのための 3 つの LTA プロットを示します。 サンプルにはっきり目に見えるアルファトコフェロールの内容の勾配があります (示されていない)。 勾配を渡る異なったポイントで取られる LTA カーブは T. の下にある 120°C でより柔らかい材料に関連していて alphatocopherol のハイレベルが熱遷移曲線に対する相当な効果を、示します。m 従って、 alphatocopherol は集中依存した plasticization の効果を誘導します。

図 2. ローカル alphatocopherol の熱分析のプロットは放射によって架橋結合された UHMPE を浸透させました。 材料の柔らかくなることはアルファトコフェロールの内容に関連するために観察されます。

相当で物質的な故障を示した explanted UHMWPE の膝ベアリングは写真 (3a) の左側で、特に検査されました。 この臨床インプラントの詳しい歴史は知られませんが、このインプラントは前に二十年について作り出されました。 より少なく明らかに損なわれた材料の物質的な特性を査定するために LTA Vesta の機能を評価することはインプラントの大いにより少なく損なわれた右側の 2 つの領域で行われました。 これらの領域は図 3. に示すように離れて 3-4 の mm でした。 装置の端の近くの 1 つの領域は第 2 領域が他では変色 (3c) のような明らかな損傷を示さなかった 3 つ x 1 つの mm ピット頃 a にある間、原始的だったようです (3b)。

無傷領域の熱分析はネイティブ UHMWPE に示しました (独特スムーズな、一貫した LTA カーブを T の転移との 1) を 108°C. で計算するため類似した。 図 1 のmより高い T と比較されるこのより低いm T の転移はこのインプラント作られたその時に使用された MW ポリマーを下げて多分当然です。 MW の故障を表した多重転移および現われる秒を示していて 1 つの LTA カーブが、大幅に変わるピットの真中で取られる無傷領域、 LTA カーブと対照をなして多くはネイティブ PE を好みます。 この変化は損なわれた領域がポリマーの MW、結晶化度、酸化、または他の変更を表したより多くのいろいろな熱特性を、多分表わすことを示します。 この領域に、ピットを除いて、注意されるように他では目視検差によって無傷そして非変色させてようです。 従って、 Vesta の熱機械分析はポリマー特性の非明らかな変更を検出できます。

explanted UHMWPE の膝ベアリング (a) および矢と明記される LTA 分析の 2 つの領域の図 3. 写真。 b で示され、上部の青い矢と明記される領域は目に見える損傷を示しません。 より低く赤い矢と明記される領域 c は小さいピットにあります。 ローカル熱分析のカーブ (e) は 2 つの領域のために示されています: 領域 b (108°C ピークが付いている青いカーブ) および領域 c (118°C の赤いカーブは、そのうちの一つ持っています第 2 176°C ピークを最高になります。

概要

LTA 慣習的の MW を、結晶化度や架橋結合の架橋結合する密度、放射およびアルファトコフェロールによって浸透させる UHMWPE は表した熱特性の変更を検知できます。 さらに、 LTA 前に植え付けられた全膝ベアリングによって示されているように摩耗か他の損傷に、よる目視検差で明らかではない PE の特性のローカル変更を検出できます。

例 2: 薬剤の上塗を施してある心血管のステント

薬剤によって塗られるステントは米国の患者に毎年置かれる数十万の interventional 心臓学で広く利用されています。 マトリックスポリマーの薬剤の分布、薬剤の結晶化度、およびポリマーマトリックスの MW および結晶化度はそれから生物的応答を非常に変えることができるリリース動力学に対する相当な効果をもたらします。 IR およびラマンのような分光 microscopies がミクロンのスケールでコーティング内の画像の薬剤の分布できる間、そのような方法はミクロ以下の解像度の提供の機能で限定されます。 2 番目に、今まで、知られていた方法は直接結晶化度を測定しか、またはステントに塗られた薬剤およびマトリックスポリマーの混合を段階的に行なうことができませんでした。 Vesta によって可能にされてミクロ以下の LTA これは今可能です。 次の調査では、複数の薬物上塗を施してあるステントは分析されました。 これらのコーティングはすべて多 DL 乳酸酸の (PDLLA) ポリマーマトリックスに基づいていましたが、公式で他では変わりました。

機密性という理由からステントおよび構成のソースは次の表で提供されません:

ステントのタイプ

公式

溶媒

ブランド X

PDLLA + 薬剤 A + 結合剤

溶媒 1

ブランド Y

PDLLA + 薬剤 B + 結合剤

溶媒 2

ブランド Z

PDLLA + 薬剤 C + 結合剤

溶媒 3

LTA カーブは Vesta と得られる各ステントの分析の領域の顕微鏡写真と共に図 4 で各ステントのために、示されています。 プロットは示しま、 Tg の転移が 3 つのステントのためにわずかに異なったことを 63 から 71°C. まで及びます。 これらの転移は純粋な PDLLA の典型的な 50-60°C T よりg 幾分高いです。 これは薬剤の包含が LTA でまたは原因で使用されるより高い暖房レートが原因であるかもしれません。

図 4。 典型的な LTA カーブは分類される平均ピーク熱転移の各ステントのために示されています (矢)。 分析された領域の顕微鏡写真は各ステント 「ブランドのために示されています」。

Vesta がそれからアレイの Tg の測定 (TTM)の遷移温度のマップを提供するのに使用されました。 各マップのために、 36 の別々の LTA 測定は 50 x 50 um 領域で 10 の umspatial 間隔で自動的に行われました (図 5)。 3 つのステントのための Tg の手始めの均等性そしてパターンの相当な相違に注意して下さい。 薬剤に PDLLA のマトリックスより大幅に高い遷移温度があるので、これは熱的に分析された ~30 の nm 領域のそれぞれの薬剤のローカル内容に相当な相違があったことを示します。 T) 比較的均一構成 (t) によって囲まれると測定される例えば、ブランド Y のステントは非常に高い薬剤の内容gの単一領域を示しました (g。 それに対して、ブランド Z の薬剤の内容の非常に小さい範囲、およびブランド X. に中距離がありました。

図 5. 遷移温度のマップは 3 つのステントのために示されています。 各マップ 36 の別の測定のために X-Y 格子の 10 の um 空間的な間隔で得られました。 各々のカラーサークルは T (カラースケールの手始めとg 単一の測定を、によって描写される °C) 表します。

概要

3 つのステントが平均熱特性でかなり変わった、観察されことがこれらの熱特性の分布の形態学上の文字ではっきり。 観察された支配的な熱転移は PDLLA のg T でした。 Vesta と行われる熱分析が薬剤によって塗られるステント内の重要な合成および形態学上の構造を検出できることが全体的にみて、示されていました。

例 3: Vestamid および Pebax のカテーテル

2 つの商用化されたカテーテルは図 6. に示すように得られ、次に検査されました。 これらは Vestamid のカテーテル (ナイロン) と Pebax (ブロックの copolyamide) からなされたカテーテルでした。 これらの特定のカテーテルのサンプルの合成細部は別の方法で未知です。 Vestamid のカテーテルは Pebax のカテーテルは 160±3°C. のm 非常に一貫した T を示したが、 120±3°C の非常に一貫したm T を示しました。 これらの T のm 転移はこれらの商用化された材料の知られていた特性に一貫しているようです。

図 6. Vestamid のカテーテル (赤い) および Pebax のカテーテル (青いカーブ) のための溶ける温度の LTA カーブおよび範囲。

概要

これらのカテーテルの Vesta の分析はこうして均一特性を明記する非常に均一 Tm の測定を示しました。

例 4: コンタクトレンズ

2 つの未使用のオフ・ザ・シェルフコンタクトレンズは LTA と検査されました。 レンズは両方とも同じサイズ、ブランドおよび構成、力で変えられて (- 3.50 および -3.00) でしたが、約 1 年別作り出されました。 これらのレンズはヒドロゲルで構成されましたが、機密性という理由からソースおよび構成はここに表われません。 レンズは元の消費者包装から除去されましたり、蒸留水の 3 つの 20 の ml の変更の 4 時間以上包装の塩や防腐剤を取除くために洗い次に夜通し空気乾燥しました。

Tm が 2 枚のレンズの間でわずかに変わったことを図 7 は示します。 3.0 および 3.5 枚の力レンズはさまざまな位置で、 140.2±2°C の中間の ± のm 標準偏差 T および各レンズの 10 の別々の LTA 手段からの 144.4±1.8°C それぞれ持っていました。 各レンズは自身の熱特性でかなり一貫していました、けれども 2 枚のレンズは同じ Tm を備えませんでした。 これら二つの同じようなレンズのためのm 製造のプロトコルのポリマー、他の化学コンポーネント、および/またはわずかな相違の MW に小さい相違があったことをレンズ間の T の 4°C 相違頃提案します。

図 7. LTA 測定のカーブおよび 2 つの未使用のオフ・ザ・シェルフヒドロゲルのコンタクトレンズの平均溶ける温度 (中間の ± sd)。 -3.00 レンズのカーブは赤 (より低いセット) で示され、 -3.5 レンズのカーブは青 (セットされる甲革) で示されています。

概要

Vesta の分析は 10 の測定の位置の各コンタクトレンズの Tm の均等性を明らかにしました。 ただし、 Vesta はまた異なったバッチで製造された 2 枚のレンズにポリマー構造か化学でわずかに異なる溶ける温度が相違を明記することをあったことを明らかにしました。

結論

Anasys Vesta は実験の熱転移の特性の強力な分析を可能にし、フル機能装備の医学はポリマーを得ます。 Vesta はローカル熱分析を可能にし、 (LTA)遷移温度のマップは (TTM)目視検差または慣習的なか分光顕微鏡検査から明白ではない下役の構造および合成細部を明らかにします。 Vesta の分析は薬剤のコーティング構造および機能に洞察力、重合体の分子劣化および製品の均等性を提供します。 Vesta が機能十分に製造された装置と explanted 装置のそのような測定を可能にするので、そのような情報は R & D、品質管理、品質保証および障害の分析に容易に適用することができます。

ソース: VESTA を使用して医療機器の Nanoscale の熱分析
著者: スティーブングッドマン、 Khoren Sahagian、およびケビン Kjoller
このソースのより多くの情報のために Anasys の器械を訪問して下さい

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

Last Update: 14. June 2013 01:31

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