De Thermische Eigenschappen van de Overgang van Polymere Medische Hulpmiddelen die VESTA van Instrumenten Anasys Gebruiken

Besproken Onderwerpen

Achtergrond
Inleiding
Instrumentatie
Experimentele Resultaten en Bespreking
     Voorbeeld 1: Orthopedische Lagers UHMWPE en Materialen
          Samenvatting
     Voorbeeld 2: De Drug Bedekte Cardiovasculaire Stents met een laag
          Samenvatting
     Voorbeeld 3: Vestamid en Catheters Pebax
          Samenvatting
     Voorbeeld 4: Contactlenzen
          Samenvatting
Conclusies

Achtergrond

De het bezitskarakterisering van Materialen is van centraal belang aan bijna alle facetten van medische apparatenontwerp, productie, en pre of post-gebruik het testen. De Materiële eigenschappen worden uit routine geëvalueerd om aan behoeften in de verzekering van R&D te voldoen & van de kwaliteit, en regelgevende goedkeuring van verkoop te verkrijgen. Apparaten die klinisch of experimenteel ook uit routine worden geanalyseerd zijn gebruikt om mechanismen van degradatie, slijtage en scheur, en/of mislukking beter te begrijpen.

De Polymeren worden wijd gebruikt of alleen of in combinatie met andere materialen in toepassingen die catheters, de isolatie van het elektrodenlood (b.v. het hart afpassen of zenuw die bevorderen), orthopedische lagers, hechtingen, de deklagen van de drugversie (b.v. cardiovasculaire stents) en veel meer omvatten. De Polymeren zijn heterogeene materialen die wezenlijke variaties in fysische eigenschappen meer dan micron aan millimeterlengteschalen kunnen hebben toe te schrijven aan veranderingen in moleculegewicht, kristalliniteit, die uniformiteit van drugs in farmacologisch actieve deklagen, en de graad en de morfologie van fasescheiding mengen in mengsels, copolymeren, en samenstellingen.

De Morfologische karakterisering van polymeren wordt typisch gedaan met verschillende soorten de microscopie, terwijl de functionele en intrinsieke eigenschappen zoals moleculegewicht (MW) en mechanische sterkte typisch op bulkspecimens zonder ruimteinformatie te verstrekken worden geëvalueerd. De Bulk thermische analysetechnieken met inbegrip van differentieel aftastencalorimetrie (DSC), thermische mechanische analyse (TMA) en anderen worden ook wijd gebruikt om informatie te onthullen over polymeereigenschappen zoals zich fase en component het mengen.

Nochtans, zijn deze thermische analysemethodes beperkt tot de beoordeling van de gemiddelde of gezamenlijke eigenschappen van steekproeven die om voor vervaardigde apparaten „representatief“ worden gehoopt te zijn, aangezien dergelijke steekproeven noodzakelijk worden verwijderd uit of van vervaardigde apparaten gescheiden gecreeerd. Aangezien de „representatieve“ analytische specimens worden vereist, de variaties kunnen in situ in materiële eigenschappen op vervaardigde apparaten worden gemist. Naast beperkingen op de analyse van vervaardigde apparaten en gebieden van apparaten, zijn de bestaande thermische analyses ook bijna onmogelijk om op dunne polymeerdeklagen te presteren.

Inleiding

Vesta (Instrumenten Anasys) is een nieuw analytisch instrument dat toelaat dat vervaardigde medische hulpmiddelen worden geanalyseerd voor functionele thermische overgangseigenschappen via de Microscopie van de Temperatuur van de Overgang (TTM). Met TTM, kan de beoordeling van thermische eigenschappen in om het even welk geïdentificeerd specifiek gebied van een apparaat of een specimen worden gegeven, waarbij uniek ruimteinformatie met thermische eigenschappen wordt geïntegreerd. Deze thermische bezitsmeting verstrekt informatie over zich MW, kristalliniteit, component het mengen, en fasescheiding dat kunnen worden gebruikt om R&D te leiden, de ontwikkeling van productiemethodes toe te laten, en productiekwaliteitsbeheersing te verstrekken. Bovendien, verstrekken deze thermo mechanische metingen ook inzicht in mechanismen van gelokaliseerde degradatie, slijtage en/of mislukking van apparaten na het testen of na klinisch gebruik.

Deze toepassingsnota illustreert de beoordeling van thermische overgangseigenschappen van verscheidene verschillende types van polymere medische hulpmiddelen en bespreekt de informatie die van dergelijke analyses kan worden verzameld.

Instrumentatie

Het Instrument Vesta neemt een micro-machinaal bewerkte omgekeerde piramidale thermische sonde op die op een AFM-Gelijkaardige (atoomkrachtmicroscoop) cantilever wordt vervaardigd. Een optische microscoop laat gebruikers toe om de thermische sonde op steekproefgebieden van belang te plaatsen. Wanneer geleid, zal het systeem Vesta dan het <30 thermische de sondeuiteinde van de NMstraal in mechanisch contact met het specimen brengen.

De sonde kan ook voor het automatische plaatsen worden geprogrammeerd om een reeks metingen uit te voeren of een Kaart van de Temperatuur van de Overgang te produceren (TTM). Eens in contact met het gebied van belang wordt het sondeuiteinde resistively verwarmd terwijl de cantilever gevoelige krachtcontrole en meting tussen het uiteinde en de steekproef verstrekt. Dit verstrekt gelokaliseerde thermo mechanische analyses die in de vorm van een perceel van de fysieke afbuiging van de thermische sonde op het specimen tegenover de sondetemperatuur worden getoond.

Met de meeste specimens (b.v. Figuur 1), aangezien de sonde wordt verwarmd breidt het specimen en beweegt omhoog zo eerst het sondeuiteinde uit. Bij een overgangstemperatuur, zal het specimen beginnen zacht te worden en het uiteinde begint zo zich neer in het specimen te bewegen. Deze temperatuur tegenover afbuigingskromme is een lokaal thermisch analyse (LTA)perceel. De sonde kan tot 450°C aan hellingstarieven tot 600,000°C/min worden verwarmd, daardoor hoofdzakelijk toelatend hoge productiemetingen bij temperaturen aangewezen voor om het even welk polymeer of organisch materiaal. Het Materiële zacht worden, het smelten en zelfs het opnieuw smelten kunnen worden gecontroleerd om informatie te verstrekken over zich MW, fase en mengsel het mengen en andere fysico-chemische eigenschappen. De ruimteresolutie van de meting is afhankelijk van de thermische sondestraal van 30 NM, en van de lokale thermische eigenschappen van het materiaal. Met de meeste polymere systemen, laat dit lokale thermische analyse bij een sub 100 NMschaal toe.

Experimentele Resultaten en Bespreking

Voorbeeld 1: Orthopedische Lagers UHMWPE en Materialen

Ultra hoog - het moleculegewichtpolyethyleen (UHMWPE of PE) is een uiterst succesvol dragend materiaal voor orthopedische heup en knielagers, met miljoenen apparaten in gebruik en over een van de honderdduizend nieuwe die PE-Dragende heup en knie arthroplasty apparaten per jaar worden geïnplanteerd. Niettemin die, is het sinds lang gevestigd geweest dat de slijtage van PE apparatenfunctie schaadt en dat slijtageparticulates van deze lagers wordt vrijgegeven chronische ontstekingsreacties produceren.

Derhalve is er uitgebreid onderzoek geweest om apparatenduurzaamheid te verbeteren die mechanismen heeft geopenbaard die mechanische slijtage en oxydatie omvatten die met veranderingen in PE moleculegewicht, kristalliniteit, en kruisverbindingsdichtheid gecorreleerd zijn. Hoewel het niet volledig duidelijk is welke materiële eigenschappen voor biocompatibility op lange termijn in totale heup en kniearthroplasty prosthetics belangrijk zijn, zijn de fysieke kruisverbindingsdichtheid en de kristallijne morfologie twee eigenschappen die goed - het geweten om PE dragende functie te beïnvloeden zijn.

De evaluatie van PE kristallijne structuur is moeilijk en afmattend, vereisend vervelende steekproefvoorbereiding voor transmissieelektronenmicroscopie in een proces dat verscheidene dagen met specimens vereist die worden verwijderd uit bulksteekproeven of apparaten. Tot nu toe, zijn er geen snelle analysemethodes voor kristalliniteit (en kruisverbindingsdichtheid), en geen methodes om de directe evaluatie van deze kritieke eigenschappen in vervaardigde apparaten toe te laten geweest. Anasys Vesta, als een instrument dat thermische overgangseigenschappen evalueert die van MW, kristalliniteit en kruisverbindingsdichtheid direct afhankelijk zijn, laat uniek snelle maatregelen in zowel experimentele materialen als in productieapparaten toe.

In de huidige studie, verscheidene werden UHMWPE geanalyseerd met inbegrip van conventionele UHMWPE zoals in breed gebruik, straling cross-linked UHMWPE aangezien deze taaier en minder naar voren gebogen lijken die te dragen en UHMWPE met alpha--tocoferol (vitamine E) wordt gegoten als middel tegen oxidatie wordt verstrekt. Bovendien explanted teruggewonnen knielager werd onderzocht aantonend moleculaire degradatie in geïdentificeerde gebieden.

Figuur 1 toont verscheidene representatieve lokale thermische analyse (LTA)percelen voor maagdelijke UHMWPE (hars GUR 1050) met een viscositeit gemiddeld MW ongeveer 5 x 106. Dit cijfer toont ook LICHTER DAN DE LUCHT percelen voor zelfde PE na het cross-linking met kGy straling 100. Un-crosslinked PE toont een vlotte kromme die kenmerkend is van MW en samenstellingsuniformiteit, met een beginm van T bij 139°C. In tegenstelling, cross-linked de LICHTER DAN DE LUCHT percelen van de straling PE tentoongestelde wezenlijke onregelmatigheden indicatief van moleculaire ongelijksoortigheid. Tm van dit materiaal kwam bij 262°C, samen met een schouder voor bij 139°C die met analyse DSC van dit materiaal verenigbaar is. [4] Bovendien, de sonde minder dan half zo in straling die diep cross-linked PE wordt doordrongen dan un-crosslinked PE. Deze thermische mechanische eigenschappen zijn verenigbaar met bekende en verwachte eigenschappen van straling cross-linked PE.

Figuur 1. De Lokale thermische analyse (LTA)percelen tonen mechanische misvorming van un-crosslinked UHMWPE (vlotte blauwe krommen die bij ~139°C een hoogtepunt bereiken) en rode 100 kGy straling cross-linked UHMWPE (, minder vlot, krommen die bij ~262°C een hoogtepunt bereikt). De foto van het Bijvoegsel toont thermische sondecantilever die het un-crosslinked specimen, met de pijlen bedekt die op de plaats van het thermische sondeuiteinde wijzen dat onder de cantilever is.

Figuur 2 toont drie LICHTER DAN DE LUCHT percelen voor een alphatocopherol (vitamine E) doordrongen steekproef van straling crosslinked PE. De steekproef heeft een gradiënt van alpha--tocoferolinhoud die duidelijk zichtbaar is (getoond niet). De LICHTER DAN DE LUCHT die krommen op verschillende punten over de gradiënt worden genomen tonen een wezenlijk effect op de thermische overgangskrommen, met hogere niveaus die van alphatocopherol met een zachter materiaal bij 120°C correleren, die onder T. is.m Aldus, veroorzaakt alphatocopherol een concentratie-afhankelijk plasticizationeffect.

Figuur 2. Lokale thermische analysepercelen van alphatocopherol doordrongen straling crosslinked UHMPE. Het Zacht Worden van het materiaal wordt waargenomen om met alpha--tocoferolinhoud te correleren.

Explanted UHMWPE knielager werd onderzocht dat wezenlijke materiële analyse toonde, vooral op de linkerkant van de foto (3a). De gedetailleerde geschiedenis van dit klinische implant is niet gekend, maar dit implant werd geproduceerd ongeveer twee decennia geleden. Het LICHTER DAN DE LUCHT vermogen van Vesta evalueren om materiële eigenschappen in minder duidelijk beschadigde materialen te beoordelen, werd uitgevoerd op twee gebieden op de veel minder beschadigde rechterkant van implant. Deze gebieden waren 3-4 mm apart zoals aangetoond in Figuur 3. Één gebied dichtbij de rand van het apparaat leek oorspronkelijk (3b) terwijl het tweede gebied in een circa 3 x 1 mmkuil was die anders geen duidelijke schade zoals verkleuring toonde (3c).

De Thermische analyse in het onbeschadigde gebied toonde vlotte en verenigbare LICHTER DAN DE LUCHT krommen kenmerkend van inheemse UHMWPE (gelijkend op Figuur 1) maar met een overgangm van T bij 108°C. Deze lagere overgangm van T, in vergelijking met hoger Tm in Figuur 1, is het waarschijnlijkst toe te schrijven aan de lagere polymeren van MW die tegelijkertijd dit implant werden gemaakt werden gebruikt. In tegenstelling tot het onbeschadigde gebied, wezenlijk varieerden de LICHTER DAN DE LUCHT die krommen in het midden van de kuil worden genomen, met één LICHTER DAN DE LUCHT kromme veelvoudige overgangen indicatief van de analyse van MW tonen, en een seconde die meer als inheemse PE lijken. Deze variatie toont aan dat de beschadigde gebieden meer gevarieerde thermische eigenschappen, waarschijnlijke indicatief van MW, kristalliniteit, oxydatie, of andere veranderingen in het polymeer tentoonstellen. Zoals genoteerd, behalve de kuil die, lijkt dit gebied anders onbeschadigd en V.N.-verkleurt door visuele inspectie. Aldus, kan de thermisch-mechanische analyse met Vesta niet duidelijke veranderingen in polymeereigenschappen ontdekken.

Figuur 3. De Foto van explanted UHMWPE knielager (a) en twee gebieden van LICHTER DAN DE LUCHT analyse zoals die met de pijlen worden vermeld. Gebied in B wordt en met hogere blauwe pijl wordt het vermeld getoond die toont geen zichtbare schade die. Gebied c met lagere rode pijl wordt het vermeld is in de kleine kuil die. De Lokale thermische analysekrommen (e) worden getoond voor de twee gebieden: Gebied B (blauwe krommen met piek 108°C) en gebied c (rode krommen met pieken 118°C, één waarvan een tweede piek 176°C heeft.

Samenvatting

LICHTER DAN DE LUCHT kan veranderingen in thermische eigenschappen onderscheiden indicatief van MW, kristalliniteit en/of kruisverbindingsdichtheid in conventioneel, cross-linked, en alpha--tocoferol doordrongen straling UHMWPE. Bovendien, LICHTER DAN DE LUCHT kan lokale veranderingen in PE eigenschappen ontdekken toe te schrijven aan slijtage of andere schade die niet duidelijk op visuele inspectie zijn, zoals getoond met een eerder geïnplanteerd geheel knielager.

Voorbeeld 2: De Drug Bedekte Cardiovasculaire Stents met een laag

Met een laag bedekte de Drug wordt stents wijd gebruikt in interventionalcardiologie met honderdduizenden geplaatst in patiënten in de Verenigde Staten elk jaar. De distributie van de drug in het matrijspolymeer, de kristalliniteit van de drug, en MW en de kristalliniteit van de polymeermatrijs hebben wezenlijke gevolgen voor de versiekinetica, die beurtelings biologische reacties kan zeer veranderen. Terwijl spectroscopische microscopies zoals IRL en Raman beeld distributie binnen deklagen bij de micronschaal kunnen drogeren, zijn dergelijke methodes beperkt in hun mogelijkheden in het verstrekken van submicronresolutie. Ten Tweede, tot nu toe die, kon geen bekende methode kristalliniteit of fase het mengen van drugs en matrijspolymeren direct meten zich op stents met een laag worden bedekt. Met het LICHTER DAN DE LUCHT submicron toegelaten met Vesta, is dit nu mogelijk. In de volgende studie, drug-met een laag bedekt werden verscheidene stents geanalyseerd. Deze deklagen allen werden gebaseerd op poly-DL-lactische zure het polymeermatrijzen (van PDLLA), maar werden anders gevarieerd in formulering.

Wegens redenen vertrouwelijkheid worden de bronnen van stents en hun samenstellingen niet verstrekt in de volgende lijst:

Het Type van Stent

Formulering

Oplosmiddel

Merk X

PDLLA + Drug A + vulstoffen

Oplosmiddel 1

Merk Y

PDLLA + Drug B + vulstoffen

Oplosmiddel 2

Merk Z

PDLLA + Drug C + vulstoffen

Oplosmiddel 3

Een LICHTER DAN DE LUCHT kromme wordt getoond voor elk stent in Figuur 4, samen met een microfoto van het gebied van analyse van elke die stent met Vesta wordt verkregen. De percelen tonen aan dat de overgangen Tg voor drie stents lichtjes verschillend waren, die zich van 63 aan 71°C. uitstrekken. Deze overgangen zijn enigszins hoger dan typische 50-60°C Tg van zuivere PDLLA. Dit kan aan het hogere die het verwarmen tarief toe te schrijven zijn in LICHTER DAN DE LUCHT of wegens de opneming van de drug wordt gebruikt.

Figuur 4. Een typische LICHTER DAN DE LUCHT kromme wordt getoond voor elk stent met de gemiddelde piek thermische geëtiketteerde overgang (pijlen). De Micrografen van het geanalyseerde gebied worden getoond voor elk stent „merk.“

Vesta werd toen gebruikt om de Overzichten van de Temperatuur van de Overgang van (TTM) metingen Tg in een serie te bieden. Voor elke kaart, werden 36 afzonderlijke LICHTER DAN DE LUCHT metingen automatisch uitgevoerd met 10 umspatial intervallen in 50 x 50 umgebied (Figuur 5). Neem nota van de wezenlijke verschillen in de uniformiteit en het patroon van het begin Tg voor drie stents. Aangezien de drugs wezenlijk hogere overgangstemperaturen dan de matrijs PDLLA hebben, wijst dit erop dat er wezenlijke verschillen in de lokale inhoud van de drug in elk van de ~30 NMgebieden waren die thermaal werden geanalyseerd. Bijvoorbeeld, toonde het stent Merk Y één enkel gebied van zeer hoge druginhoud (zoals gemeten die met Tg) door vrij eenvormige samenstelling (t) wordt omringdg. In tegenstelling, waren er een zeer kleine waaier van druginhoud in Merk Z, en middellange-afstands in Brand X.

Figuur 5. De de temperatuurkaarten worden van de Overgang getoond voor 3 stents. Voor elke kaart 36 werden de afzonderlijke metingen verkregen met 10 um ruimteintervallen in een x-y net. Elke gekleurde cirkel vertegenwoordigt één enkele die meting, met het begin van Tg (°C) door de kleurenscala wordt afgeschilderd.

Samenvatting

Men merkte duidelijk op dat drie verschillende stents aanzienlijk in hun gemiddelde thermische eigenschappen, en in het morfologische karakter van de distributie van deze thermische eigenschappen varieerden. De dominante thermische waargenomen overgang was Tg van PDLLA. Globaal, heeft men getoond dat de thermische die analyse met Vesta wordt uitgevoerd significante samenstellings en morfologische structuur binnen met een laag bedekte drug kan ontdekken stents.

Voorbeeld 3: Vestamid en Catheters Pebax

Twee in de handel verkrijgbare catheters werden verkregen en werden toen onderzocht zoals aangetoond in Figuur 6. Dit waren een catheter van catheter Vestamid (een nylon) wordt gemaakt en van Pebax (een blokcopolyamide die). De Samenstellings details van deze specifieke cathetersteekproeven zijn anders onbekend. De catheter Vestamid toonde zeer verenigbaar Tm van 120±3°C, terwijl de catheter Pebax zeer verenigbaar T vanm 160±3°C. toonde. Deze overgangenm van T lijken verenigbaar met de bekende eigenschappen van deze in de handel verkrijgbare materialen.

Figuur 6. LICHTER DAN DE LUCHT krommen en waaier van het smelten temperatuur voor de (rode) catheter Vestamid en de catheter Pebax (blauwe krommen).

Samenvatting

Analyse van Vesta van deze catheters toonde hoogst eenvormige Tm metingen die zo op eenvormige eigenschappen wijzen.

Voorbeeld 4: Contactlenzen

Twee ongebruikte overal verkrijgbare contactlenzen werden onderzocht met LICHTER DAN DE LUCHT. Beide lenzen waren de zelfde grootte, het merk en de samenstelling, maar varieerden in macht (- 3.50 en -3.00), en werden apart geproduceerd ongeveer één jaar. Deze lenzen werden samengesteld uit een hydrogel, maar wegens redenen vertrouwelijkheid worden de bron en de samenstelling niet hier onthuld. De lenzen werden verwijderd uit hun originele verpakking van de consument, spoelden meer dan 4 uren in drie 20 mlveranderingen van gedistilleerd water om het even welke verpakkende zouten en/of bewaarmiddelen te verwijderen, en droogden toen 's nachts aan de lucht.

Figuur 7 toont aan dat Tm lichtjes tussen de twee lenzen varieerde. 3.0 en de 3.5 machtslenzen hadden respectievelijk, betekenen ± standaardafwijking Tm van 140.2±2°C en 144.4±1.8°C van 10 scheidt LICHTER DAN DE LUCHT maatregelen van elke lens in diverse plaatsen. Elke lens was vrij verenigbaar in zijn eigen thermische eigenschappen, nog hadden de twee lenzen niet zelfde Tm. Het circa4°C verschil in Tm tussen de lenzen stelt voor dat er een klein verschil in MW de polymeren, andere chemische componenten, en/of lichte verschillen in de vervaardigingsprotocollen voor deze twee gelijkaardige lenzen was.

Figuur 7. LICHTER DAN DE LUCHT metingskrommen en de gemiddelde het smelten temperatuur (beteken ± BR) van twee ongebruikte overal verkrijgbare hydrogelcontactlenzen. De -3.00 lenskrommen worden getoond in rood (lagere reeks) en -3.5 lenskrommen worden getoond in blauw (geplaatst bovenleer).

Samenvatting

Analyse van Vesta openbaarde uniformiteit van Tm van elke contactlens in 10 verschillende metingsplaatsen. Nochtans, openbaarde Vesta ook dat de twee verschillende die lenzen in verschillende partijen worden vervaardigd lichtjes verschillende het smelten temperaturen hadden die op verschillen in polymeerstructuur of chemie wijzen.

Conclusies

Anasys Vesta laat krachtige analyses van thermische overgangseigenschappen van toe experimenteel en volledig - functionele medisch leidt polymeren af. Vesta liet lokale thermische analyses toe (LTA) en de afbeelding van de overgangstemperatuur (TTM) openbaart ondergeschikte structurele en samenstellingsdetails die niet duidelijk van visuele inspectie of uit de conventionele of spectroscopische microscopie blijken. De analyses Vesta verstrekken inzicht in de structuur van de drugdeklaag en functioneren, polymere moleculaire degradatie, en productuniformiteit. Aangezien Vesta dergelijke metingen op functionele volledig vervaardigde apparaten, toelaat en apparaten explanted, kan dergelijke informatie gemakkelijk op R&D, Kwaliteitsbeheersing, de Verzekering van de Kwaliteit, en de Analyse van de Mislukking worden toegepast.

Bron: De Thermische Analyse van Nanoscale van Medische Hulpmiddelen die VESTA Gebruiken
Auteur: Steven Goodman, Khoren Sahagian, en Kevin Kjoller
Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Instrumenten Anasys

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

Last Update: 14. June 2013 01:16

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit