Propriedades Térmicas da Transição de Dispositivos Médicos Poliméricos Usando o VESTA dos Instrumentos de Anasys

Assuntos Cobertos

Fundo
Introdução
Instrumentação
Resultados e Discussão Experimentais
     Exemplo 1: Rolamentos Ortopédicos e Materiais de UHMWPE
          Sumário
     Exemplo 2: Stents Cardiovasculares Revestidos da Droga
          Sumário
     Exemplo 3: Catetes de Vestamid e de Pebax
          Sumário
     Exemplo 4: Lentes de Contacto
          Sumário
Conclusões

Fundo

A caracterização da propriedade de Materiais é central a quase todas as facetas do projecto do dispositivo médico, da produção, e pre ou do teste do cargo-uso. As propriedades Materiais são avaliadas rotineiramente para encontrar necessidades no R&D & na segurança de qualidade, e para obter a aprovação reguladora para a venda. Os Dispositivos que foram usados clìnica ou experimental são analisados igualmente rotineiramente para compreender melhor mecanismos da degradação, do uso e desgaste, e/ou da falha.

Os Polímeros são amplamente utilizados unicamente ou em combinação com outros materiais nas aplicações que incluem catetes, isolações do chumbo do eléctrodo (por exemplo passeio cardíaco ou nervo que estimulam), os rolamentos, suturas, revestimentos da liberação da droga (por exemplo stents cardiovasculares) e muito mais ortopédicos. Os Polímeros são os materiais heterogêneos que podem ter variações substanciais em propriedades físicas sobre o mícron às escalas do milímetro do comprimento devido às mudanças no peso molecular, cristalinidade, misturando a uniformidade das drogas em revestimentos farmacològica activos, e o grau e a morfologia da separação de fase nas misturas, nos copolímeros, e nos compostos.

A caracterização Morfológica dos polímeros está feita tipicamente com tipos diferentes de microscopia, quando as propriedades funcionais e intrínsecas tais como o peso molecular (MW) e a força mecânica forem avaliadas tipicamente em espécimes maiorias sem fornecer a informação espacial. As técnicas Maiorias da análise térmica que incluem a calorimetria de exploração diferencial (DSC), a análise mecânica térmica (TMA) e a outro são igualmente amplamente utilizadas induzir a informação em propriedades do polímero tais como a fase e a mistura componente.

Contudo, estes métodos de análise térmica são limitados à avaliação das propriedades da média ou do agregado das amostras que são esperadas ser “representante” de dispositivos manufacturados, desde que tais amostras necessariamente são removidas de ou criadas separada dos dispositivos manufacturados. Desde espécimes analíticos “representativos” são exigidos, variações in situ em propriedades materiais em dispositivos manufacturados pode ser faltado. Além do que limitações na análise de dispositivos manufacturados e de regiões de dispositivos, as análises térmicas existentes são igualmente quase impossíveis de executar em revestimentos de polímero finos.

Introdução

O Vesta (Instrumentos de Anasys) é um instrumento analítico novo que permita dispositivos médicos manufacturados de ser analisado para propriedades térmicas funcionais da transição através da Microscopia da Temperatura de Transição (TTM). Com TTM, a avaliação de propriedades térmicas pode ser feita em toda a região específica identificada de um dispositivo ou de um espécime, assim excepcionalmente integrando a informação espacial com propriedades térmicas. Esta medida térmica da propriedade fornece a informação no MW, na cristalinidade, na mistura componente, e na segregação da fase que pode ser usada para guiar o R&D, permitir a revelação dos métodos de produção, e para fornecer o controle da qualidade da produção. Adicionalmente, estas medidas mecânicas thermo igualmente fornecem a introspecção em mecanismos da degradação, do desgaste e/ou da falha localizados dos dispositivos após o teste ou depois do uso clínico.

Esta nota de aplicação ilustra a avaliação de propriedades térmicas da transição de diversos tipos diferentes de dispositivos médicos poliméricos e discute a informação que pode ser inferida de tais análises.

Instrumentação

O Instrumento de Vesta incorpora uma ponta de prova térmica piramidal invertida micro-feita à máquina que seja fabricada no AFM-como (o modilhão do microscópio atômico da força). Um microscópio óptico permite usuários de posicionar a ponta de prova térmica em regiões da amostra de interesse. Quando dirigido, o sistema de Vesta trará então a ponta térmica da ponta de prova do raio de <30 nanômetro no contacto mecânico com o espécime.

A ponta de prova pode igualmente ser programada para o posicionamento automático a fim executar uma série de medidas ou gerar um Mapa da Temperatura de Transição (TTM). Uma Vez em contacto com a região de interesse a ponta da ponta de prova é resistively caloroso quando o modilhão fornecer o controle e a medida sensíveis de força entre a ponta e a amostra. Isto fornece as análises mecânicas thermo localizadas que são indicadas sob a forma de um lote da deflexão física da ponta de prova térmica no espécime contra a temperatura da ponta de prova.

Com a maioria de espécimes (por exemplo Figura 1), como a ponta de prova é caloroso o espécime primeiramente expande e move assim a ponta da ponta de prova. Em uma temperatura de transição, o espécime começará a amaciar e a ponta começa assim a abaixar no espécime. Esta temperatura contra a curva da deflexão é um lote local da análise (LTA) térmica. A ponta de prova pode ser caloroso até 450°C em taxas de rampa até 600,000°C/min, permitindo desse modo medidas altas da produção nas temperaturas apropriadas para essencialmente todo o material polimérico ou orgânico. O amaciamento Material, derreter e mesmo remelting podem ser monitorados para fornecer a informação na mistura do MW, da fase e da mistura e em outras propriedades físico-químicas. A definição espacial da medida é dependente do raio térmico da ponta de prova de 30 nanômetro, e das propriedades térmicas locais do material. Com a maioria de sistemas poliméricos, isto permite a análise térmica local em uma escala secundária de 100 nanômetro.

Resultados e Discussão Experimentais

Exemplo 1: Rolamentos Ortopédicos e Materiais de UHMWPE

Ultra altamente - o polietileno do peso molecular (UHMWPE ou PE) é um material extremamente bem sucedido do rolamento para os rolamentos ortopédicos do quadril e do joelho, com milhões de dispositivos no uso e aproximadamente em uns cem mil quadris novos do PE-rolamento e nos dispositivos da artroplastia do joelho implantados pelo ano. Todavia, tem-se estabelecido por muito tempo que o desgaste do PE danifica a função do dispositivo e que os relativo à partícula ínfima do desgaste liberados destes rolamentos geram respostas inflamatórios crônicas.

Conseqüentemente, houve uma pesquisa extensiva para melhorar a durabilidade do dispositivo que revelou os mecanismos que incluem o desgaste mecânico e a oxidação que são correlacionados com as mudanças no peso molecular do PE, na cristalinidade, e na densidade da ligação transversal. Embora não seja inteiramente claro que propriedades materiais são importantes para o biocompatibility a longo prazo em próteses totais da artroplastia do quadril e do joelho, a densidade física da ligação transversal e a morfologia cristalina são duas propriedades que são conhecidas afectar a função do rolamento do PE.

A avaliação da estrutura cristalina do PE é difícil e laboriosa, exigindo a preparação fastidiosa da amostra para a microscopia de elétron de transmissão em um processo que exija diversos dias com espécimes que são removidos das amostras ou dos dispositivos maiorias. Até aqui, não houve nenhum método de análise rápido para a cristalinidade (e ligue a densidade), e nenhuns métodos para permitir a avaliação directa destas propriedades críticas em dispositivos manufacturados. O Anasys Vesta, como um instrumento que avalie as propriedades térmicas da transição que são directamente dependentes do MW, da cristalinidade e da densidade da ligação transversal, permite excepcionalmente medidas rápidas em ambos os materiais experimentais e em dispositivos da produção.

No estudo actual, diversos UHMWPE foram analisados que incluem UHMWPE convencionais como no uso largo, UHMWPE ligados radiação desde que estes parecem um desgaste mais resistente e menos inclinado e uns UHMWPE infundidos com o alfa-tocopherol (vitamina E) fornecida como um antioxidante. Além, um rolamento explanted recuperado do joelho foi examinado que demonstra a degradação molecular em regiões identificadas.

Figura 1 mostra a diversos lotes locais representativos da análise (LTA) térmica para UHMWPE virgem (resina 1050 de GUR) com uma média MW da viscosidade de aproximadamente 5 x de 10.6 Esta figura igualmente mostra lotes MAIS LEVE QUE O AR para o mesmo PE após o cruz-ligamento com a radiação 100 kGy. O PE un-ligado mostra uma curva lisa que seja característica do MW e da uniformidade compositiva, com um iníciom de T em 139°C. Ao contrário, os lotes MAIS LEVE QUE O AR das irregularidades substanciais exibidas PE ligadas radiação indicativas da heterogeneidade molecular. O TM deste material ocorreu em 262°C, junto com um ombro em 139°C que é consistente com a análise de DSC deste material. [4] Adicionalmente, a ponta de prova penetrou menos do que meio como profundamente no PE ligado radiação do que o PE un-ligado. Estas propriedades mecânicas térmicas são consistentes com as propriedades conhecidas e previstas do PE ligado radiação.

A Figura 1. lotes Locais da análise (LTA) térmica mostra a deformação mecânica de UHMWPE un-ligado (as curvas azuis lisas que repicam na radiação ~139°C) e 100 kGy ligaram UHMWPE (vermelho, menos liso, as curvas que repicam em ~262°C). A foto Inserir mostra o modilhão térmico da ponta de prova que overlying o espécime un-ligado, com as setas que indicam o lugar da ponta térmica da ponta de prova que está sob o modilhão.

Figura 2 mostra três lotes MAIS LEVE QUE O AR para um alphatocopherol (a vitamina E) impregnou a amostra do PE ligado radiação. A amostra tem um inclinação do índice do alfa-tocopherol que é claramente visível (não mostrado). As curvas MAIS LEVE QUE O AR tomadas em pontos diferentes através do inclinação mostram um efeito substancial nas curvas de transição térmicas, com os níveis mais altos de alphatocopherol que correlacionam a um material mais macio em 120°C, que está abaixo do T.m Assim, o alphatocopherol induz um efeito concentração-dependente do plasticization.

A Figura 2. lotes Locais da análise térmica do alphatocopherol impregnou UHMPE ligado radiação. O Amaciamento do material é observado para correlacionar com o índice do alfa-tocopherol.

Um rolamento explanted do joelho de UHMWPE foi examinado que mostrasse a divisão material substancial, especialmente no lado esquerdo da foto (3a). A história detalhada deste implante clínico não é sabida, mas este implante foi produzido aproximadamente duas décadas há. Para avaliar a capacidade do Vesta para avaliar propriedades materiais em materiais menos obviamente danificados, MAIS LEVE QUE O AR foi executada em duas regiões no lado direito muito menos danificado do implante. Estas regiões eram 3-4 milímetros distante segundo as indicações de Figura 3. Uma região perto da borda do dispositivo pareceu pristine (3b) quando a segunda região estava na cerca do poço de 3 x 1 milímetros que não mostrou de outra maneira nenhum dano óbvio tal como a descoloração (3c).

A análise Térmica na região não danificada mostrou as curvas MAIS LEVE QUE O AR lisas e consistentes características de UHMWPE nativo (similar Para Figurar 1) mas com uma transiçãom de T em 108°C. Esta mais baixa transiçãom de T, comparada ao T mais altom em Figura 1, é muito provavelmente devida abaixar os polímeros do MW que foram usados naquele tempo este implante foram feitos. Em contraste com a região não danificada, as curvas MAIS LEVE QUE O AR recolhidas o meio do poço variado substancialmente, com a uma curva MAIS LEVE QUE O AR que mostra as transições múltiplas indicativas da divisão do MW, e um segundo que aparece mais gostam do PE nativo. Esta variação mostra que as regiões danificadas exibem mais propriedades térmicas variadas, provavelmente indicativas do MW, da cristalinidade, da oxidação, ou das outras mudanças no polímero. Como notável, à exceção do poço, esta região parece de outra maneira não danificado e un-descolorado pela inspecção visual. Assim, a análise térmico-mecânica com o Vesta pode detectar mudanças não-óbvias em propriedades do polímero.

Figura 3. Fotografia de um rolamento explanted do joelho de UHMWPE (a) e de duas regiões de análise MAIS LEVE QUE O AR como indicado com as setas. A Região mostrada em b e indicada com a seta azul superior não mostra nenhum dano visível. A Região c indicada com a mais baixa seta vermelha está no poço pequeno. As curvas Locais da análise térmica (e) são mostradas para as duas regiões: Região b (curvas azuis com pico 108°C) e região c (as curvas vermelhas com 118°C repicam, um de que tem um segundo pico 176°C.

Sumário

MAIS LEVE QUE O AR podem distinguir mudanças nas propriedades térmicas indicativas do MW, a densidade da cristalinidade e/ou da ligação transversal em convencional, a radiação ligada, e UHMWPE impregnado alfa-tocopherol. Adicionalmente, MAIS LEVE QUE O AR pode detectar mudanças locais nas propriedades do PE devido ao desgaste ou ao outro dano que não são óbvias na inspecção visual, como mostrado com um rolamento inteiro previamente implantado do joelho.

Exemplo 2: Stents Cardiovasculares Revestidos da Droga

Os stents revestidos Droga são amplamente utilizados na cardiologia interventional com várias centenas mil colocados nos pacientes nos Estados Unidos cada ano. A distribuição da droga no polímero da matriz, a cristalinidade da droga, e o MW e a cristalinidade da matriz do polímero têm efeitos substanciais na cinética da liberação, que por sua vez pode extremamente alterar respostas biológicas. Quando os microscopies espectroscópicas tais como o IR e o Raman puderem distribuição da droga da imagem dentro dos revestimentos na escala do mícron, tais métodos estão limitados em suas capacidades em fornecer a definição submicrónica. Em Segundo Lugar, até aqui, nenhum método conhecido podia directamente medir a cristalinidade ou pôr em fase a mistura das drogas e dos polímeros da matriz revestidos em stents. Com o MAIS LEVE QUE O AR submicrónico permitido com o Vesta, isto é agora possível. No seguinte estudo, diversos stents droga-revestidos foram analisados. Estes revestimentos todos foram baseados em matrizes ácidas poli-DL-lácticas do polímero (PDLLA), mas variados de outra maneira na formulação.

Em razão do segredo as fontes dos stents e de suas composições não são fornecidas na seguinte tabela:

Tipo do Stent

Formulação

Solvente

Tipo X

PDLLA + Droga A + excipientes

Solvente 1

Tipo Y

PDLLA + Droga B + excipientes

Solvente 2

Tipo Z

PDLLA + Droga C + excipientes

Solvente 3

Uma curva MAIS LEVE QUE O AR é mostrada para cada stent em Figura 4, junto com um photomicrograph da região de análise de cada stent obtido com o Vesta. Os lotes mostram que as transições do Tg eram ligeira diferentes para os três stents, variando de 63 a 71°C. Estas transições são um tanto mais altas do que o 50-60°C típico Tg de PDLLA puro. Isto pode ser devido à taxa de aquecimento mais alta usada no MAIS LEVE QUE O AR ou devido à inclusão da droga.

Figura 4. Uma curva MAIS LEVE QUE O AR típica é mostrada para cada stent com a transição térmica máxima média etiquetada (setas). As Micrografia da região analisada são mostradas para cada stent “tipo.”

O Vesta foi usado então para fornecer Mapas da Temperatura de Transição (TTM) de medidas do Tg em uma disposição. Para cada mapa, 36 medidas MAIS LEVE QUE O AR separadas foram executadas automaticamente em 10 intervalos umspatial um em uma região 50 x 50 (Figura 5). Note as diferenças substanciais na uniformidade e no teste padrão do início do Tg para os três stents. Desde Que as drogas têm umas temperaturas substancialmente mais altas da transição do que a matriz de PDLLA, esta indica que havia umas diferenças substanciais no índice local da droga em cada um das ~30 regiões do nanômetro que foram analisadas tèrmica. Por exemplo, o stent do Tipo Y mostrou uma única região de índice muito alto da droga (como medido com T)g cercado pela composição relativamente uniforme (T)g. Ao contrário, havia uma escala muito pequena do índice da droga no Tipo Z, e um intermediário - varie no Tipo X.

A Figura 5. mapas da temperatura de Transição é mostrada para os 3 stents. Para medidas separadas de cada mapa 36 foram obtidos em 10 um intervalos espaciais em uma grade x-y. Cada círculo colorido representa uma única medida, com o início do Tg (°C) descrito pela escala de cor.

Sumário

Observou-se claramente que os três stents diferentes variaram consideravelmente em suas propriedades térmicas médias, e no carácter morfológico da distribuição destas propriedades térmicas. A transição térmica dominante observada era o Tg do PDLLA. Total, mostrou-se que a análise térmica executada com o Vesta pode detectar a estrutura compositiva e morfológica significativa dentro dos stents revestidos droga.

Exemplo 3: Catetes de Vestamid e de Pebax

Dois catetes disponíveis no comércio foram obtidos e examinados então segundo as indicações de Figura 6. Estes eram um cateter feito do cateter de Vestamid (um nylon) e de Pebax (um copolyamide do bloco). Os detalhes Compositivos destas amostras específicas do cateter são de outra maneira desconhecidos. O cateter de Vestamid mostrou um T muito consistentem de 120±3°C, quando o cateter de Pebax mostrou um T muito consistentem de 160±3°C. Estas transiçõesm de T parecem consistentes com as propriedades conhecidas destes materiais disponíveis no comércio.

Figura 6. curvas e escala MAIS LEVE QUE O AR da temperatura de derretimento para o cateter de Vestamid (vermelho) e o cateter de Pebax (curvas azuis).

Sumário

A análise de Vesta destes catetes mostrou as medidas altamente uniformes do TM que indicam assim propriedades uniformes.

Exemplo 4: Lentes de Contacto

Duas lentes de contacto disponíveis imediatamente não utilizadas foram examinadas com MAIS LEVE QUE O AR. Ambas As lentes eram o mesmo tamanho, o tipo e a composição, mas variado na potência (- 3,50 e -3,00), e foram produzidas aproximadamente um ano separado. Estas lentes foram compor de um hydrogel, mas em razão do segredo a fonte e a composição não sãas aqui. As lentes removidas do seu empacotamento de consumidor original, enxaguaram por mais de 4 horas em três mudanças de 20 ml da água destilada para remover todos os sais e/ou preservativos de empacotamento, e secaram então durante a noite.

Figura 7 mostra que o TM variou ligeira entre as duas lentes. Os 3,0 e as 3,5 lentes da potência tiveram respectivamente, o desvio padrão T do ± médiom de 140.2±2°C e o 144.4±1.8°C de 10 medidas MAIS LEVE QUE O AR separadas de cada lente em vários lugar. Cada lente era bastante consistente em suas próprias propriedades térmicas, contudo as duas lentes não tiveram o mesmo TM. Cerca da diferença 4°C em Tm entre as lentes sugere que haja uma diferença pequena no MW dos polímeros, de outros componentes químicos, e/ou de diferenças ligeiras nos protocolos da fabricação para estas duas lentes similares.

Figura 7. curvas MAIS LEVE QUE O AR da medida e a temperatura de derretimento média (± médio sd) de duas lentes de contacto disponíveis imediatamente não utilizadas do hydrogel. As -3,00 curvas da lente são mostradas no vermelho (um mais baixo grupo) e -3,5 curvas da lente são mostradas no azul (parte superior ajustada).

Sumário

A análise de Vesta revelou a uniformidade do TM de cada lente de contacto em 10 lugar diferentes da medida. Contudo, Vesta igualmente revelou que as duas lentes diferentes manufacturados em grupos diferentes tiveram temperaturas de derretimento ligeira diferentes indicar diferenças na estrutura ou na química do polímero.

Conclusões

O Anasys Vesta permite análises poderosas de propriedades térmicas da transição de experimental e inteiramente - médicos funcionais derivam polímeros. Vesta permitiu análises térmicas locais (LTA) e o traço da temperatura de transição (TTM) revela os detalhes estruturais e compositivos do subordinado que não são aparentes da inspecção visual ou da microscopia convencional ou espectroscópica. As análises de Vesta fornecem a introspecção na estrutura e na função do revestimento da droga, a degradação molecular polimérico, e a uniformidade do produto. Desde Que Vesta permite tais medidas em dispositivos inteiramente manufacturados funcionais, e em dispositivos explanted, tal informação pode prontamente ser aplicada ao R&D, ao Controle da Qualidade, à Segurança de Qualidade, e à Análise da Falha.

Source: Análise Térmica de Nanoscale de Dispositivos Médicos Usando o VESTA
Autor: Steven Goodman, Khoren Sahagian, e Kevin Kjoller
Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Instrumentos de Anasys

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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