Тепловые свойства перехода полимерных медицинских приборов Использование ВЕСТА от Anasys инструменты

Рассматриваемые вопросы

Фон
Введение
Измерительные приборы
Экспериментальные результаты и обсуждение
Пример 1: СВМПЭ ортопедической Подшипники и материалы
Резюме
Пример 2: Drug покрытием сердечно-сосудистых стентов
Резюме
Пример 3: Vestamid и Pebax Катетеры
Резюме
Пример 4: Контактные линзы
Резюме
Выводы

Фон

Материалы собственности характеристика имеет решающее значение для почти всех аспектов медицинской дизайн устройства, производство и до или после использования тестирования. Свойства материала обычно оцениваются в соответствии с потребностями в R & D и качества, а также для получения нормативного утверждения на продажу. Устройства, которые были использованы клинически или экспериментально также регулярно анализируются, чтобы лучше понять механизмы деградации, износа и / или недостаточности.

Полимеры широко используются единолично или в комбинации с другими материалами в приложениях, которые включают катетеры, электрод привести изоляции (например, кардиостимуляции или нервные стимулирующие), ортопедический подшипники, швов, покрытия высвобождения лекарства (например, сердечно-сосудистых стентов) и многое другое. Полимеры разнородных материалов, которые могут иметь существенные различия в физических свойствах более микрон до миллиметровых масштабов длины в связи с изменением молекулярного веса, кристалличности, смешивая единообразия наркотиков в фармакологически активных покрытий, а также степень и морфологии фаз в смеси, со-полимеров и композиты.

Морфологические характеристики полимеров, как правило, делается с различными типами микроскопии, в то время как функциональные и внутренних свойств, таких как молекулярная масса (ММ) и механической прочностью, как правило, оцениваются на массивных образцах без предоставления пространственной информации. Массовая методов термического анализа, включая дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), тепловые механический анализ (ТМА) и другие, также широко используется для получения информации о свойствах полимеров, таких как фазы и компоненты смешивания.

Однако, эти термические методы анализа ограничиваются оценкой среднего или совокупности свойств образцов, которые надеялся быть «представителем» изготовлены устройств, так как такие образцы обязательно удалены из или созданы отдельно от производства устройств. Так как "представитель" аналитические образцы являются обязательными, на месте изменения свойств материалов на промышленные устройства могут быть пропущены. В дополнение к ограничениям на анализе производства устройств и регионов устройств, существующих тепловых анализы также практически невозможно выполнить на тонких полимерных покрытий.

Введение

Веста (Anasys Instruments) является новым аналитическим инструментом, который позволяет производства медицинских приборов, которые будут проанализированы для функциональных тепловых свойств перехода через температуру перехода микроскопия (ТТМ). С ТТМ, оценки тепловых свойств могут быть выполнены в любой определены конкретные области устройства или образца, таким образом, однозначно интеграции пространственной информации с тепловыми свойствами. Эта тепловая измерения свойство предоставляет информацию о МВт, кристалличности компонент перемешивания и сегрегации фаз, которые могут использоваться, чтобы вести R & D, позволяющие развитие методов производства, а также обеспечить контроль качества продукции. Кроме того, эти термомеханической измерения также обеспечить понимание механизмов локализованной деградации, износа и / или отказ устройства после тестирования или после клинического использования.

В данном примере применения иллюстрирует оценки тепловых свойств переход нескольких различных типов полимерных медицинских приборов и обсуждается информация, которую можно почерпнуть из такого анализа.

Измерительные приборы

Инструмент Веста включает в себя микро-обрабатываемых перевернутая пирамидальная тепловой датчик, который изготавливается на АСМ-как (атомно-силового микроскопа) кантилевера. Оптический микроскоп позволяет пользователям позиции термозонд на образце областей, представляющих интерес. Когда направлены, системы Весты будет приносить <30 нм радиус тепловой наконечник зонда в механическом контакте с образцом.

Зонд также могут быть запрограммированы для автоматического позиционирования для выполнения серии измерений или для получения карты температуры перехода (TTM). Как-то в контакт с интересующей нас области зонда резистором подогревом в то время как консольные обеспечивает чувствительной контроля и измерения силы между зондом и образцом. Это обеспечивает локализованное термомеханической анализов, которые отображаются в виде участка физические отклонения теплового зонда на образце по сравнению с датчиком температуры.

В большинстве образцов (например, рисунок 1), а зонд нагревается образца первой расширяется и движется, таким образом зонда вверх. При переходе температуры образца начнут смягчаться и кончик таким образом начинает двигаться вниз, в образце. Это отклонение температуры от кривой местного термического анализа (LTA) сюжета. Зонд может быть нагрета до 450 ° С на рампу со скоростью до 600 000 ° С / мин, тем самым обеспечивая высокую пропускную измерений при температуре подходит для практически любой полимерных и органических материалов. Материал размягчения, плавления и даже переплава можно отслеживать, чтобы предоставить информацию о МВт, фазы и смеси смешивания и другие физико-химические свойства. Пространственное разрешение измерений зависит от тепловой радиус зонда 30 нм, а на местных тепловых свойств материала. С большинством полимерных систем, что позволяет местным термического анализа на суб 100-нм масштабе.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Пример 1: СВМПЭ ортопедической Подшипники и материалы

Ультра полиэтилена с высокой молекулярной массы (UHMWPE или ПЭ) является чрезвычайно успешным несущий материал для ортопедических тазобедренных и коленных подшипников, с миллионами устройств в использовании и около ста тысяч новых PE-подшипник тазобедренного и коленного сустава имплантированных устройств в год. Тем не менее, уже давно установлено, что износ устройства PE ухудшает функцию и что износ частиц освобожден от этих подшипников порождать хронические воспалительные реакции.

Следовательно, имело место обширное исследование, чтобы улучшить прочность устройства, которое показало, механизмы, которые включают механического износа и окисления, которые коррелируют с изменениями в PE молекулярный вес, кристалличности, и кросс-ссылки плотности. Хотя это и не совсем ясно, что свойства материала имеют большое значение для долгосрочного биосовместимость всего бедра и протезирование коленного сустава, физической сшивки плотность и кристаллическую морфологию два свойства, которые хорошо известно, влияют на отношение PE функции.

Оценка ПЭ кристаллической структуры является сложным и трудоемким, требующим утомительной подготовки образцов для трансмиссионной электронной микроскопии в процесс, который требует нескольких дней с образцами, которые удаляются от объемных образцов или устройств. До сих пор не было ни одного экспресс-методов анализа кристалличности (и кросс-ссылки плотности), и никаких методов для того, чтобы прямые оценки этих критических свойств в готовых устройствах. Anasys Веста , как инструмент, который оценивает тепловые свойства переходной экономикой, которые напрямую зависит от МВт, кристалличности и кросс-ссылки плотности, однозначно дает оперативные меры в обеих экспериментальных материалов и в производстве устройств.

В настоящем исследовании, несколько СВМПЭ были проанализированы в том числе обычных СВМПЭ, как в широком использовании, радиационной сшитого СВМПЭ с момента они появляются жесткие и менее подвержены износу и СВМПЭ в переплетаются с альфа-токоферол (витамин Е), при условии, как антиоксидант. Кроме того, получены эксплантированных колено подшипник был рассмотрен демонстрируя расщепление молекул в определенных регионах.

На рисунке 1 показано несколько представителей местного термического анализа (LTA) участков девственной СВМПЭ (ГУР 1050 смолой) с вязкостью среднего МВт примерно 5 х 10 ^6. На этом же рисунке LTA участков для PE же после сшивания с 100 кГр излучения. ООН-сшитого ПЭ показывает гладкой кривой, характерной МВт и композиционное единообразие, с наступлением Т _м при 139 ° C. В противоположность этому, LTA участков излучения сшитого ПЭ выставлены существенные нарушения свидетельствуют о молекулярной гетерогенности. Тт этого материала произошло в 262 ° С, наряду с плеча на 139 ° С, что согласуется с ЦИВ анализ этого материала. [4] Кроме того, зонд проник менее половины вглубь излучения сшитого ПЭ, чем не-сшитого полиэтилена. Эти тепловые механические свойства согласуются с известными и ожидаемые свойства излучения сшитого полиэтилена.

Рисунок 1. Местные термического анализа (LTA) графики показывают, механической деформации не-сшитого СВМПЭ (гладкие синие кривые с максимумом при ~ 139 ° C) и 100 кГр излучения сшитого СВМПЭ (красный, менее гладкой, кривые с максимумом при ~ 262 ° С). Врезка снимке теплового зонда кантилевера вышележащих не-сшитого образец, при этом стрелки, указывающие расположения тепловых наконечник зонда, который находится под консоли.

На рисунке 2 показаны три участка для LTA alphatocopherol (витамин Е), пропитанных образец излучения сшитого полиэтилена. Образец градиента альфа-токоферола содержание, которое отчетливо видна (не показаны). LTA кривых приняты в различных точках по всей градиент показывают существенное влияние на тепловой кривые перехода, с более высоким уровнем alphatocopherol соотносить с мягкого материала при температуре 120 ° С, что ниже Т _м. Таким образом, alphatocopherol вызывает зависит от концентрации пластификации эффект.

Рисунок 2. Местные тепловые участки анализ alphatocopherol пропитанные излучения сшитый UHMPE. Умягчение материала наблюдается коррелирует с альфа-токоферола содержания.

Эксплантированных подшипников СВМПЭ колено было рассмотрено, которые показали существенное разрушение материала, особенно на левой стороне фото (3а). Подробная история этого клинического имплантат не известно, но этот имплантат был произведен около двух десятилетий назад. Для оценки возможности Веста для оценки свойств материала менее очевидно, поврежденных материалов, LTA проводилось на двух регионов гораздо меньше повреждений правой части имплантата. Эти регионы были 3-4 мм друг от друга, как показано на рисунке 3. В одном регионе у края устройства появились нетронутой (3b), в то время как второй регион в примерно 3 х 1 мм ямы, которые иначе не показал видимых повреждений, таких как изменение цвета (3в).

Термический анализ в неповрежденной области показал, гладкой и последовательной кривые LTA характеристика родного СВМПЭ (как на рисунке 1), но с переходом Т _м при 108 ° C. Эта нижняя Т _м перехода, по сравнению с Т _м выше на рисунке 1, скорее всего, из-за снижения МВт полимеры, которые использовались в то время этот имплантат был сделан. В отличие от неповрежденной области, LTA кривые, принятые в середине ямы существенно различались, с одним LTA кривая несколько переходов указывает на пробой МВт, а второй появляется больше как родной PE. Это изменение показывает, что пострадавших районов выставку более разнообразными тепловыми свойствами, вероятно, свидетельствует о МВт, кристалличности, окисления, или другие изменения в полимере. Как уже отмечалось, за исключением яму, этот регион в противном случае появляется поврежден и не-обесцвеченные при визуальном осмотре. Таким образом, тепловая-механический анализ с Весты в состоянии обнаружить неочевидные изменения свойств полимера.

Рисунок 3. Фотография эксплантированных подшипников СВМПЭ колена (а) и двух регионах LTA анализа, как показано с помощью стрелок. Регион показано в б и указал, с верхним синяя стрелка показывает никаких видимых повреждений. Регион С обозначается нижняя красная стрелка находится в небольшой яме. Местные тепловые кривые анализа (е) показаны для двух регионов: Регион б (сине кривых с 108 ° С пик) и области с (красные кривые с 118 ° C пиков, один из которых имеет второй 176 ° C пика.

Резюме

LTA способен различать изменения в тепловых свойств свидетельствует о МВт, кристалличности и / или поперечной связи плотности в обычных, радиационной сшитого и альфа-токоферола пропитанные СВМПЭ. Кроме того, LTA может обнаружить локальные изменения в свойствах ПЭ из-за износа или других повреждений, которые не очевидны на визуальный осмотр, как это показано с ранее имплантированными целом подшипник колена.

Пример 2: Drug покрытием сердечно-сосудистых стентов

Наркотиков покрытых стентов находят широкое применение в интервенционной кардиологии с несколькими сотнями тысяч размещены у пациентов в Соединенных Штатах каждый год. Распределение препарата в полимерной матрице, кристалличности наркотиков, а МВт и кристалличности полимерной матрицы имеют существенное влияние на кинетику релиз, который, в свою очередь, может существенно изменить биологические реакции. Хотя спектроскопические микроскопии, такие как ИК-и КР может изображение распределения лекарственных средств в пределах покрытия на микронных масштабах, такие методы ограничены в своих возможностях по предоставлению субмикронного разрешения. Во-вторых, до сих пор не известны метод может непосредственно измерять кристалличности или фазы смешивания лекарств и матричных полимеров наносят на стенты. С субмикронных LTA включен с Весты, то теперь это возможно. В следующем исследовании, несколько лекарственным покрытием стентов были проанализированы. Эти покрытия были на основе поли-DL-молочной кислоты (PDLLA) полимерных матриц, но в остальном варьировалась в формулировке.

По соображениям конфиденциальности источников стентов и их композиций не приводятся в следующей таблице:

LTA кривая показана для каждого стента на рисунке 4, наряду с микрофотография области анализа каждого стента, полученные с Весты. Участков показывают, что Tg переходы были немного отличаются для трех стентов, в пределах от 63 до 71 ° C. Эти переходы несколько выше, чем типичный 50-60 ° КТ _г чистого PDLLA. Это может быть обусловлено более высокой скорости нагрева, используемые в LTA или в связи с включением препарата.

Рисунок 4. Типичная кривая LTA показано для каждого стента со средним пиком тепловой переход меченый (стрелок). Микрофотографии анализируемой области приведены для каждого стента «бренд».

Веста была затем используются для обеспечения температуры перехода Maps (TTM) ТГ измерений в массиве. Для каждой карты, 36 отдельных измерений LTA были автоматически выполняться в 10 umspatial интервалом в 50 х 50 мкм области (рис. 5). Обратите внимание на существенные различия в единообразие и структура Tg начало для трех стентов. Так как препараты значительно выше температуры перехода, чем PDLLA матрицы, то это означает, что существуют существенные различия в местных содержание наркотиков в каждой из ~ 30 нм регионов, которые были термически проанализированы. Например, марка Y стентов показал один регион с очень высоким содержанием наркотиков (при измерении с Т _г), окруженный относительно однородный состав (Т _г). С другой стороны, было очень узкий диапазон наркотиков содержание в Марка Z, и средней дальности в Бранд X.

Рисунок 5. Температура перехода карты приведены для 3 стентов. Для каждой карты 36 отдельных измерений были получены в 10 мкм пространственные интервалы в сетку ху. Каждый цветной круг представляет одно измерение, с наступлением Т _г (° С) изображен цветовой гаммы.

Резюме

Это было четко отмечено, что три различные стенты значительно различались по их средняя тепловые свойства, а также в морфологических характер распределения этих тепловыми свойствами. Доминирующей теплового перехода наблюдалась Т _г PDLLA. В целом, было показано, что термический анализ проводится с Весту можно обнаружить значительное композиционное и морфологические структуры в рамках наркотиков покрытых стентов.

Пример 3: Vestamid и Pebax Катетеры

Два имеющихся в продаже катетеры были получены, а затем рассмотрели, как показано на рисунке 6. Они были сделаны из катетера Vestamid катетер (нейлон) и от Pebax (блок сополиамид). Композиционные детали этих конкретных образцов катетер в противном случае неизвестно. Vestamid катетер показала очень последовательно Т _м 120 ± 3 ° С, а катетер Pebax показал очень последовательно Т _м 160 ± 3 ° С. Эти Т _м переходах появляются в соответствии с известными свойствами этих коммерчески доступных материалов.

Рисунок 6. LTA кривые и диапазон температуры плавления для Vestamid катетер (красный) и катетер Pebax (синяя кривая).

Резюме

Веста анализ этих катетеров показал высокой однородности Tm измерений таким образом, указывая однородные свойства.

Пример 4: Контактные линзы

Два неиспользованных вне готовые контактные линзы были рассмотрены с LTA. Оба объектива были одинакового размера, марки и композиции, но различались по мощности (-3,50 и -3,00), а также были произведены около года друг от друга. Эти линзы были составлены из гидрогеля, но по соображениям конфиденциальности источник и состав не раскрывается здесь. Линзы были перемещены из своего первоначального потребительская тара и упаковка, промыть более 4 часов в трех 20 мл изменения дистиллированной воды, чтобы удалить любую упаковку соли и / или консервантов, а затем сушат на воздухе в течение ночи.

Рисунок 7 показывает, что Tm разнообразны незначительно между двумя объективами. 3,0 и 3,5 линзы власть, соответственно, среднее ± стандартное отклонение Т _м 140,2 ± 2 ° С и 144,4 ± 1,8 ° С от 10 отдельных мер LTA каждой линзы в различных местах. Каждый объектив был весьма последователен в своих тепловых свойств, еще двух линз не было же Тт. Около 4 ° С разницы в Т _м между линзами предполагает, что существует небольшая разница в МВт полимеров, других химических компонентов, и / или небольшие различия в изготовлении протоколов для этих двух подобных линз.

Рисунок 7. LTA измерения кривых и средней температурой плавления (среднее ± SD) двух неиспользованных пределами шельфа линзах гидрогеля контакта. -3,00 Кривые линзы показаны красным (нижний множество) и -3,5 кривые линзы показаны синим цветом (верхний комплект).

Резюме

Веста анализ показал равномерность Tm каждого контактных линз в 10 различных местах измерения. Тем не менее, Веста также показало, что две разные линзы изготавливаются в различных партий была несколько иной температуры плавления указывает различия в структуре полимера или химии.

Выводы

Anasys Веста дает мощный анализ тепловых свойств перехода экспериментальные и полнофункциональный медицинский получить полимеров. Веста позволил местным термического анализа (LTA) и температура перехода отображения (ТТМ) показывают подчиненным структурные и композиционные детали, которые не видно из визуального осмотра или от обычной или спектроскопических микроскопии. Веста анализы обеспечить понимание наркотиков структуры покрытия и функции, полимерные расщепление молекул, и продукт единообразия. Так как Веста дает такие измерения по функциональному полностью изготовлены устройства, а также на эксплантированных устройств, такая информация может быть легко применены к R & D, контроль качества, обеспечение качества, и анализ отказов.

Источник: наноразмерных термический анализ медицинских устройств с использованием ВЕСТА
Автор: Стивен Гудман, Хорен Sahagian, и Кевин Kjoller
Для получения дополнительной информации на этот источник пожалуйста, посетите Anasys инструменты