Термальные Свойства Перехода Полимерных Медицинских Служб Используя VESTA от Аппаратур Anasys

Покрытые Темы

Предпосылка
Введение
Измерительное Оборудование
Экспириментально Результаты и Обсуждение
     Пример 1: Подшипники и Материалы UHMWPE Протезные
          Сводка
     Пример 2: Stents Покрынные Снадобьем Сердечнососудистые
          Сводка
     Пример 3: Катетеры Vestamid и Pebax
          Сводка
     Пример 4: Контактные Линзы
          Сводка
Заключения

Предпосылка

Характеризация свойства Материалов центральна к почти всем фасеткам конструкции медицинской службы, продукции, и pre или испытывать столб-пользы. Материальные свойства по заведенному порядку оценены для того чтобы отвечать потребностямы в R&D & проверке качества, и получить утверждение регламента для сбывания. Приборы которые были использованы клинически или экспириментально также по заведенному порядку проанализированы более лучше для того чтобы понять механизмы ухудшения, износа и разрыва, и/или отказ.

Полимеры широко использованы или единственно или в комбинации с другими материалами в применениях которые включают катетеры, изоляции электронного провода (например сердечный шагать или нерв стимулируя), протезные подшипники, сутуры, покрытия отпуска снадобья (например сердечнососудистые stents) и еще многие. Полимеры несродные материалы которые могут иметь существенные изменения в физических свойствах над микроном к маштабам миллиметра длины должным к изменениям в молекулярном весе, кристалличности, смешивая единообразие снадобиь в фармакологически активных покрытиях, и степень и словотолкование разъединения участка в бленды, сополимеры, и смеси.

Морфологическая характеризация полимеров типично сделана с разными видами микроскопии, пока функциональные и внутреннеприсущие свойства как молекулярный вес (MW) и механически прочность типично оценены на навальных образцах без обеспечивать пространственную информацию. Навальные методы термального анализа включая дифференциальную сканирующую калориметрию (DSC), термальный механически анализ (TMA) и другие также широко использованы для того чтобы выпытать информацию на свойствах полимера как участок и компонентный смешивать.

Однако, эти методы термального анализа ограничены к оценке свойств среднего или компосита образцов которые понадеяно, что будут «представителем» изготовленных приборов, в виду того что такие образцы обязательно извлечутся от или созданы отдельно от изготовленных приборов. С «репрезентивных» аналитически образцов требуйте, в изменениях situ в материальных свойствах на изготовленных приборах смогите быть пропущено. В дополнение к ограничениям на анализе изготовленных приборов и зон приборов, существуя термальные анализы также почти невозможны для того чтобы выполнить на тонких покрытиях полимера.

Введение

Vesta (Аппаратуры Anasys) новая аналитически аппаратура которая позволяет изготовленные медицинские службы быть проанализированным для функциональных термальных свойств перехода через Микроскопию Температуры Перехода (TTM). С TTM, оценка термальных свойств может быть сделана в любой определенной специфической зоне прибора или образца, таким образом уникально интегрирующ пространственную информацию с термальными свойствами. Это термальное измерение свойства обеспечивает информацию на MW, кристалличности, компонентном смешивать, и сегрегации участка которую можно использовать для того чтобы направить R&D, включить развитие способов производства, и предусмотреть проверку качества продукции. Дополнительно, эти термо- механически измерения также обеспечивают проницательность в механизмы локализованных ухудшения, износа и/или отказа приборов после испытывать или после клинической пользы.

Это на примечание по применению проиллюстрировано оценку термальных свойств перехода нескольких разных видов полимерных медицинских служб и обсуждает информацию которая можно gleaned от таких анализов.

Измерительное Оборудование

Аппаратура Vesta включает, котор микро--подвергли механической обработке перевернутый pyramidal термальный зонд который изготовлен на AFM-как (cantilever атомного микроскопа усилия). Оптически микроскоп позволяет пользователи расположить термальный зонд на зоны образца интереса. Сразу, система Vesta после этого принесет подсказку зонда радиуса <30 nm термальную в механически контакт с образцом.

Зонд можно также запрограммировать для автоматический располагать для того чтобы выполнить серию измерений или произвести Карту Температуры Перехода (TTM). Раз в контакте с зоной интереса подсказка зонда resistively heated пока cantilever предусматривает чувствительные управление и измерение усилия между подсказкой и образцом. Это обеспечивает локализованные термо- механически анализы которые показаны в форме графика физического отклонения термального зонда на образце против температуры зонда.

С большинств образцами (например Диаграмма 1), по мере того как зонд нагрет образцу сперва расширяет и таким образом двигает подсказку зонда вверх. На температуре перехода, образец начнет размягчать и подсказка таким образом начинает двигать вниз в образец. Эта температура против кривой прогиба местный график термального (LTA) анализа. Зонд можно нагреть до 450°C на тарифах пандуса до 600,000°C/min, таким образом включая высокие измерения объём на температурах соотвествующих для существенно любого полимерного или органического материала. Материальный размягчать, плавить и даже переплавлять можно контролировать для того чтобы обеспечить информацию на смешивать MW, участка и бленды и другие physicochemical свойствах. Пространственное разрешение измерения зависел на термальном радиусе зонда 30 nm, и на местных термальных свойствах материала. С большинств полимерными системами, это включает местный термальный анализ на sub маштабе 100 nm.

Экспириментально Результаты и Обсуждение

Пример 1: Подшипники и Материалы UHMWPE Протезные

Ультра высокомолекулярный полиэтилен веса (UHMWPE или PE) весьма успешный материал подшипника для протезных подшипников вальмы и колена, с миллионами приборов в пользе и около новой вальме Pe-подшипника сто тысяч и приборах arthroplasty колена имплантированных в год. Тем Не Менее, длиной было установлено что износ PE повреждает функцию прибора и что particulates износа выпущенные от этих подшипников производят хронические воспалительные реакции.

Следовательно, обширное исследование для того чтобы улучшить стойкость прибора которая показывала механизмы которые включают механический износ и оксидацию который сопоставлены с изменениями в весе PE молекулярном, кристалличности, и плотности crosslink. Хотя полностью не ясно какие материальные свойства важны для долгосрочного biocompatibility в полном prosthetics arthroplasty вальмы и колена, физическая плотность crosslink и кристаллическое словотолкование 2 свойства которое известно для влияния функции подшипника PE.

Оценка кристаллического строения PE трудна и трудный, требующ нудной подготовки образца для электронной просвечивающей микроскопии в процессе который требует нескольких дней с образцами которые извлечутся от навальных образцов или приборов. До теперь, нет никаких быстрых методов анализа для кристалличности (и crosslink плотность), и никаких методов для того чтобы включить сразу оценку этих критических свойств в изготовленных приборах. Anasys Vesta, как аппаратура которая оценивает термальные свойства перехода которые зависел сразу на MW, кристалличности и плотности crosslink, уникально включает быстрые измерения в обоих экспириментально материалах и в приборах продукции.

В текущем исследовании, несколько UHMWPE были проанализированы включая обычные UHMWPE как в широкой пользе, крест-соединенные радиацией UHMWPE в виду того что эти кажется, что более грубыми и более менее прональными носят и UHMWPE настоянной при альфа-токоферол (витамин E) обеспеченный как противостаритель. В добавлении, был расмотрен восстановленный explanted подшипник колена демонстрируя молекулярное ухудшение в определенных зонах.

На Диаграмму 1 показано несколько репрезентивные местные графики термального (LTA) анализа для виргинского UHMWPE (смолаы 1050 GUR) с средним MW выкостности приблизительно 5 x 10.6 Эту на диаграмму также показано LTA графики для такого же PE после образования поперечных связей с kGy радиацией 100. ООН-crosslinked PE показывает ровную кривый которая характерна MW и compositional единообразия, с натискомm T на 139°C. В контрасте, LTA графики PE крест-соединенного радиацией показали существенные незакономерности признаковые молекулярной разнородности. Tm этого материала произошел на 262°C, вместе с плечом на 139°C которое последовательно с анализом DSC этого материала. [4] Дополнительно, зонд прорезал меньш чем половинное как глубоко в PE крест-соединенное радиацией чем ООН-crosslinked PE. Эти термальные механически свойства последовательны с известными и предположенными свойствами PE крест-соединенного радиацией.

На Диаграмму 1. Местные графики термального (LTA) анализа показано механически деформацию ООН-crosslinked UHMWPE (ровных голубых кривых выступая на ~139°C) и 100 kGy крест-соединенных радиацией UHMWPE (красных, более менее ровных, кривые выступая на ~262°C). Фото Inset показывает термальный cantilever зонда overlying ООН-crosslinked образец, при стрелки показывая положение термальной подсказки зонда которая под cantilever.

На Диаграмму 2 показано 3 LTA графика для образца alphatocopherol (витамина E) пропитанного PE crosslinked радиацией. Образец имеет градиент содержания альфа-токоферола которое ясно видимо (не показано). LTA кривые принятые на различные этапы через градиент показывают существенное влияние на термальных переходных кривых, при более высокие уровни alphatocopherol сопоставляя к более мягкому материалу на 120°C, которое под T.m Таким Образом, alphatocopherol наводит концентраци-зависимое влияние plasticization.

Диаграмма 2. Местные графики термального анализа alphatocopherol пропитала UHMPE crosslinked радиацией. Наблюдается, что сопоставляет Размягчать материала с содержанием альфа-токоферола.

Explanted подшипник колена UHMWPE был расмотрен который показал существенное материальное нервное расстройство, специально на левой стороне фото (3a). Не знана детальная история этого клинического implant, но этот implant был произведен около 2 декады тому назад. Оценить возможность Vesta для того чтобы определить материальные свойства в более менее очевидно поврежденных материалах, LTA было выполнен на 2 зонах на очень более менее поврежденной правильной позиции implant. Эти зоны были 3-4 mm врозь как показано в Диаграмме 3. Одна зона около края прибора показалась древний (3b) пока вторая зона находилась в a около яма 3 x 1 mm которая в противном случае не показала никакое очевидное повреждение как обесцвечивание (3c).

Термальный анализ в неповрежденной зоне показал ровные и последовательные LTA кривые характерные родного UHMWPE (подобного Вычислять 1) но с переходомm T на 108°C. Этот более низкий переходm T, сравненный к более высокому Tm в Диаграмме 1, самые правоподобные должные понизить полимеры MW которые были использованы вовремя этому implant были сделаны. В отличие от неповрежденной зоны, LTA кривых принятых в середине ямы поменянной существенно, при одна LTA кривый показывая множественные переходы признаковые нервного расстройства MW, и второго появляться больше как родное PE. Это изменение показывает что поврежденные зоны показывают больше varied термальных свойств, вероятно признаковых MW, кристалличности, оксидации, или других изменений в полимере. Как указывалось, за исключением ямы, эта зона в противном случае кажется неповрежденной и ООН-обесцвеченной визуальным контролем. Таким Образом, термальн-механически анализ с Vesta могл обнаружить non-очевидные изменения в свойствах полимера.

Диаграмма 3. Фотоснимок explanted подшипника колена UHMWPE (a) и 2 зон LTA анализа как показано с стрелками. Зона показанная в b и показанная с верхней голубой стрелкой не показывает никакое видимое повреждение. Зона c показанная с более низкой красной стрелкой в малой яме. Местные кривые термального анализа (e) показаны для 2 зон: Зона b (голубые кривые с пиком 108°C) и зона c (красные кривые с 118°C выступают, одно чего имеет второй пик 176°C.

Сводка

LTA могл discern изменения в термальных свойствах признаковых MW, плотности кристалличности и/или crosslink в обычной, крест-соединенной радиации, и пропитанного альфа-токоферолом UHMWPE. Дополнительно, LTA смогите обнаружить местные изменения в свойствах PE должных к износу или другому повреждению которые не очевидны на визуальном контроле, как показан с ранее имплантированным всем подшипником колена.

Пример 2: Stents Покрынные Снадобьем Сердечнососудистые

Stents покрынные Снадобьем широко использованы в interventional кардиологии при несколько сто тысяч помещенных в пациентах в Соединенные Штаты каждый год. Распределение снадобья в полимере матрицы, кристалличность снадобья, и MW и кристалличность матрицы полимера имеют существенные влияния на кинетике отпуска, которая в свою очередь может значительно изменить биологические реакции. Пока спектроскопические microscopies как ИК и Raman могут распределение снадобья изображения внутри покрытия на маштабе микрона, такие методы ограничены в их возможностях в обеспечивать разрешение субмикрона. Secondly, до тех пор пока теперь, никакой известный метод не сможет сразу измерить кристалличность или фазировать смешивать снадобиь и полимеров матрицы покрынных на stents. При LTA субмикрона позволенное с Vesta, это теперь возможно. В следующем изучении, были проанализированы несколько снадобь-покрынных stents. Эти покрытия все были основаны на поли-DL-молочных кисловочных матрицах полимера (PDLLA), но в противном случае были поменяны в образовании.

Для причин конфиденциальности источники stents и их составов не обеспечены в следующей таблице:

Тип Stent

Образование

Растворитель

Тавро X

PDLLA + Снадобье A + excipients

Растворитель 1

Тавро Y

PDLLA + Снадобье B + excipients

Растворитель 2

Тавро Z

PDLLA + Снадобье C + excipients

Растворитель 3

LTA кривый показана для каждого stent в Диаграмме 4, вместе с микроснимком зоны анализа каждого stent полученного с Vesta. Графики показывают что переходы Tg были немножко различны для 3 stents, колебающся от 63 к 71°C. Эти переходы несколько более высоки чем типичное 50-60°C Tg чисто PDLLA. Это может быть должно к более высокому тарифу на отопление используемому в LTA или должно к включению снадобья.

Диаграмма 4. Типичная LTA кривый показана для каждого stent при средний пиковый термальный обозначенный переход (стрелки). Микрорисунки проанализированной зоны показаны для каждого stent «тавра.»

Vesta после этого было использовано для того чтобы обеспечить Карты Температуры Перехода измерений Tg в блоке. Для каждой карты, 36 отдельно LTA измерений автоматически были выполнены на 10 umspatial интервалах в um зоне 50 x 50 (Диаграмма 5). Заметьте существенные разницы в единообразии и картине натиска Tg для 3 stents. В Виду Того Что снадобья имеют существенно более высокие температуры перехода чем матрица PDLLA, это показывает что были существенные разницы в местном содержании снадобья в каждой из ~30 зон nm которые термально были проанализированы. Например, stent Тавра Y показал одиночную зону очень высокого содержания снадобья (как измерено с Tg) окруженного относительно однородным составом (Tg). В контрасте, были очень малый ряд содержания снадобья в Тавре Z, и промежуточное звено - заколебайтесь в Тавре X.

Диаграмма 5. карты температуры Перехода показана для 3 stents. Для измерений каждой карты 36 отдельно получил на 10 um пространственных интервалах в x-y решетке. Каждый покрашенный круг представляет одиночное измерение, с натиском Tg (°C) показанного маштабом цвета.

Сводка

Ясно наблюдалось что 3 различных stents поменяли значительно в их средних термальных свойствах, и в морфологическем характере распределения этих термальных свойств. Доминантный термальный наблюдаемый переход был Tg PDLLA. Обще, было показано что термальный анализ выполненный с Vesta может обнаружить значительно compositional и морфологическую структуру внутри stents покрынные снадобьем.

Пример 3: Катетеры Vestamid и Pebax

2 имеющих на рынке катетера были получены и после этого были расмотрены как показано в Диаграмме 6. Эти были катетером сделанным от катетера Vestamid (нейлона) и от Pebax (copolyamide блока). Compositional детали этих специфических образцов катетера в противном случае неизвестны. Катетер Vestamid показал очень последовательный Tm 120±3°C, пока катетер Pebax показал очень последовательный Tm 160±3°C. Эти переходыm T кажутся последовательными с известными свойствами этих имеющих на рынке материалов.

Диаграмма 6. LTA кривые и ряд плавя температуры для катетера Vestamid (красного) и катетера Pebax (голубых кривых).

Сводка

Анализ Vesta этих катетеров показал сильно равномерные измерения Tm таким образом показывая равномерные свойства.

Пример 4: Контактные Линзы

2 неиспользованных стандартных контактные линзы были расмотрены с LTA. Оба объектива были одинаковым размером, тавром и составом, но поменяно в силе (- 3,50 и -3,00), и были произведены около один год отделенный. Эти объективы были составлены гидрогеля, но для причин конфиденциальности источник и состав не показаны здесь. Объективы извлеклись от их первоначально упаковывать едока, прополоскали на сверх 4 часа в 3 изменениях 20 ml дистиллированной воды для того чтобы извлечь все упаковывая соли и/или предохранители, и после этого воздух-высушили всю ночь.

На Диаграмму 7 показано что Tm поменял немножко между 2 объективами. 3,0 и 3,5 объектива силы имели соответственно, отступление T среднего ± стандартноеm 140.2±2°C и 144.4±1.8°C от 10 отдельно LTA измерений каждого объектива в различных положениях. Каждый объектив был довольно последовательн в своих собственных термальных свойствах, но 2 объектива не имели такой же Tm. Около разница в 4°C в Tm между объективами предлагает что была малая разница в MW полимеров, других химических компонентов, и/или небольших разниц в протоколах изготовления для этих 2 подобных объективов.

Диаграмма 7. LTA кривые измерения и средняя плавя температура (среднее ± sd) 2 неиспользованных стандартных контактных линзов гидрогеля. -3,00 кривого объектива показаны в красном цвете (более низком комплекте) и -3,5 кривого объектива показаны в сини (установленной верхушке).

Сводка

Анализ Vesta показал единообразие Tm каждых контактных линзов в 10 различных положениях измерения. Однако, Vesta также показало что 2 различных объектива изготовленного в различных сериях имели немножко различные плавя температуры показать разницы в структуре или химии полимера.

Заключения

Anasys Vesta включает мощные анализы термальных свойств перехода экспириментально и полно - функциональные медицинские выводят полимеры. Vesta включило местные термальные анализы (LTA) и отображать температуры перехода (TTM) показывает детали подчинённого структурные и compositional которые не ясны от визуального контроля или от обычной или спектроскопической микроскопии. Анализы Vesta обеспечивают проницательность в структуру и функцию покрытия снадобья, полимерное молекулярное ухудшение, и однородность изделий. В Виду Того Что Vesta включает такие измерения на функциональных польностью изготовленных приборах, и на explanted приборах, такая информация может быть охотно прикладной к R&D, Проверке Качества, Проверке Качества, и Анализу Отказа.

Источник: Анализ Nanoscale Термальный Медицинских Служб Используя VESTA
Автор: Глава семьи Steven, Khoren Sahagian, и Кевин Kjoller
Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Аппаратуры Anasys

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

Last Update: 14. June 2013 01:52

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit