聚合物医疗设备热量转移属性使用 VESTA 的从 Anasys 仪器

包括的事宜

背景
简介
手段
实验结果和论述
     示例 1 : UHMWPE 矫形轴承和材料
          汇总
     示例 2 : 药物上漆的心血管斯坦特
          汇总
     示例 3 : Vestamid 和 Pebax 导尿管
          汇总
     示例 4 : 隐形眼镜
          汇总
结论

背景

有形资产描述特性对接近所有小平面是中央的医疗设备设计,生产,和前或之后使用测试。 有形资产定期地被评估适应在 R&D & 质量保证的需要和获得规则核准待售。 临床使用了或定期地也实验被分析更好了解降低、磨损结构的设备,并且/或者故障。

聚合物用途广泛独自地或与在包括导尿管、电极线索绝缘材料的应用的其他材料的组合 (即心脏病刺激踱步或的神经),矫形轴承、缝合,药物版本涂层 (即心血管斯坦特) 和许多。 聚合物是可能有在物理属性上的大量的变化在微米到毫米长度缩放比例由于在分子量,结晶性上的变化,混合药物均一在药物学地有效的涂层的和分相程度和形态学在混合、共聚物和综合的异种材料。

聚合物的形态描述特性典型地完成用显微学的不同的类型,而功能和固有特性例如分子量 (MW)和机械力量在批量标本典型地被评估,无需空间的情报。 批量热分析技术包括差别扫描量热计 (DSC),热量机械分析 (TMA)和其他也是用途广泛得出关于聚合物属性的信息例如阶段和组件混合。

然而,这些热分析方法被限制到对被希望是 “代表”制作的设备范例的平均数或综合属性的鉴定,因为这样范例必要被去除从或分别地被创建与制作的设备。 从 “有代表性的”分析标本需要,在有形资产上的在原处变化在制作的设备可以丢失。 除在对设备的制作的设备和地区的分析的限制之外,现有的热分析也接近无法执行在稀薄的聚合物涂料。

简介

Vesta (Anasys 仪器) 是使制作的医疗设备对于功能热量转移属性分析通过转变温度显微学的一台新的分析仪器 (TTM)。 对于 TTM,对热量属性的鉴定在设备或标本的所有被识别的特定区域可能做,因而唯一地集成与热量属性的空间的信息。 此热量属性评定在兆瓦,结晶性,组件混合和可以用于引导 R&D,启用生产方法发展和提供生产质量管理的阶段离析情报。 另外,这些热机械评定也提供答案到设备的局限化的降低、穿戴和故障结构在测试以后或在临床使用之后。

此应用注解说明对聚合物医疗设备的几种不同的类型热量转移属性的鉴定并且讨论可以从这样分析被搜集的信息。

手段

Vesta 仪器合并在一个象 AFM 的微型用机器制造的被倒置的金字塔形热量探测 (基本强制显微镜) 悬臂被制造。 一个光学显微镜使用户确定在范例地区的热量探测利益上。 当处理, Vesta 系统然后将带领 <30 nm 半径热量探测技巧进入与这个标本的机械联络。

探测可能为自动确定也被编程为了进行一系列的评定或生成转变温度映射 (TTM)。 一次,当悬臂提供敏感力控制和评定在这个技巧和范例之间时,与区域利益联系探测技巧 resistively 激昂。 这提供被显示以热量探测实际偏折剧情的形式在标本的与探测温度的局限化的热机械分析。

多数标本 (即图 1),当首先加热探测这个标本扩展和因而提高探测技巧。 在转变温度,这个标本将开始变柔和,并且这个技巧因而开始搬入下来这个标本。 此温度与偏折曲线是一种局部热分析 (LTA)剧情。 探测可以被加热至 450°C 以舷梯费率至 600,000°C/min,从而根本启用在温度的高处理量评定适当为所有聚合物或有机材料。 物质变柔和,熔化和甚而回炉在兆瓦、阶段和混合混合和其他物理化学的属性可以被监控情报。 这个评定的空间分辨率依靠于热量探测半径 30 毫微米和材料的局部热量属性。 多数聚合物系统,这启用局部热分析在一个子 100 nm 缩放比例。

实验结果和论述

示例 1 : UHMWPE 矫形轴承和材料

超高分子重聚乙烯 (UHMWPE 或 PE) 是矫形臀部和膝盖轴承的非常成功的轴承材料,有百万的设备在使用中和十万新的 PE 轴承臀部和膝盖每年被种入的关节成形术设备。 但是,是长期建立的 PE 的穿戴削弱设备功能,并且从这些轴承发行的穿戴微粒物质生成慢性激动的回应。

结果,有改进显示了结构包括机械磨损和氧化作用关联与在 PE 分子量、结晶性和交键密度上的变化的设备耐久性的广泛的研究。 虽然不是完全地清楚什么有形资产对长期 biocompatibility 是重要在总臀部和膝盖关节成形术弭补科方面,实际交键密度和水晶形态学 是著名的影响 PE 轴承功能的二个属性。

PE 水晶结构的评估是困难和费力的,要求繁琐的范例准备为透射电镜术在需要与标本的几日从批量范例或设备被去除的进程中。 直到现在,没有结晶性的迅速分析方法 (和请交互相联密度) 和没有启用这些临界性质的直接评估的方法在制作的设备的。 Anasys Vesta,作为评估热量转移属性直接地依靠兆瓦、结晶性和交键密度的仪器,唯一地启用迅速评定在两实验材料和在生产设备。

在本研究中,几个 UHMWPE 被分析了包括常规 UHMWPE 在宽使用,辐射被交互相联的 UHMWPE,因为这些看上去更加坚韧和较不倾向佩带和 UHMWPE 灌输作为抗氧剂 (维生素 E) 提供的阿尔法维生素 E。 另外,在被识别的地区的被检索的 explanted 膝盖轴承被检查展示分子降低。

图 1 显示数处女 UHMWPE 的 ( (LTA)GUR 1050 树脂) 有代表性的局部热分析剧情与黏度平均数兆瓦大约 5 x 10。6 此图在与 100 kGy 辐射的交联以后也显示同样 PE 的 LTA 剧情。 非被交互相联的 PE 显示相反是典型的兆瓦和作文均一,与 T 起始在m 139°C.,辐射被交互相联的 PE 被陈列的大量的不规则性 LTA 剧情预示分子非均匀性的平稳的曲线。 此材料的 Tm 发生了在 262°C,以及肩膀在与对此材料的 DSC 分析是一致的 139°C。 [4] 另外,探测比非被交互相联的 PE 击穿了较不比半作为深深到辐射被交互相联的 PE。 这些热量机械性能与辐射被交互相联的 PE 已知的和期望的属性是一致的。

图 1. 局部热分析 (LTA)剧情显示非被交互相联的 UHMWPE 的机械变形 (锐化在 ~139°C) 和 100 kGy 辐射的平稳的蓝色曲线交互了相联红色的 UHMWPE (较不平稳,锐化在 ~262°C) 的曲线。 插页照片显示悬臂式热量的探测躺在非被交互相联的标本,当箭头指示在悬臂下热量探测技巧的地点。

图 2 显示辐射被交互相联的 PE 的 alphatocopherol (维生素 E) 怀孕的范例的三种 LTA 剧情。 这个范例有的阿尔法维生素 E 目录梯度明显地是可视的 (没显示)。 LTA 曲线被采取在这个梯度间的不同的点显示对热量介曲线的大量的作用,当更高的水平 alphatocopherol 关联与更软的材料在 120°C,在 T. 下。m 因此, alphatocopherol 导致一个浓度从属的 plasticization 作用。

图 2. 局部对 alphatocopherol 的热分析剧情怀孕了辐射被交互相联的 UHMPE。 变柔和材料被观察关联与阿尔法维生素 E 目录。

显示大量的物质细分的 explanted UHMWPE 膝盖轴承特别是在这张照片 (3a) 的左边被检查。 此临床植入管的详细历史记录不知道,但是此植入管被生产了关于二十年前。 要评估 Vesta 的功能估计在较不明显地损坏的材料的有形资产, LTA在植入管的损坏的右侧的二个地区执行。 如图 3. 所显示,这些区域是分开 3-4 mm。 在设备的边缘的附近一个区域看上去原始 (3b),当第二个区域在大约没有否则显示明显的故障例如色变的 3 x 1 mm 坑时的 a (3c)。

热分析在未损坏的区域显示了平稳和一致的 LTA 曲线典型当地 UHMWPE (类似图 1),但是与 Tm 转移在 108°C。 此更低的 Tm 转移,与更高的 T 比较m在表 1,很可能就该降低当时使用此植入管做的兆瓦聚合物。 与未损坏的区域,在这个坑中间被采取的 LTA 曲线对比充分地变化,当一 LTA 曲线显示多个转移预示兆瓦细分和出现一的秒钟更多喜欢当地 PE。 此差异向显示损坏的地区陈列更多各种各样的热量属性,可能预示兆瓦、结晶性、氧化作用,或者其他变化在这个聚合物上。 如注意,除了这个坑,此区域否则看上去未损坏和非变色由视力检查。 因此,与 Vesta 的热量机械分析能检测在聚合物属性上的非明显的变化。

explanted UHMWPE 膝盖轴承 (a) 和 LTA 分析的二个地区的图 3. 照片如指示与箭头。 地区显示在 b 和指示与上面的蓝色箭头不显示可视故障。 地区 c 指示与更低的红色箭头在小的坑。 局部热分析曲线 (e) 为二个地区显示: 地区 b (与 108°C 峰顶的蓝色曲线) 和区域 c (与 118°C 的红色曲线锐化,其中之一有第二个 176°C 峰顶。

汇总

LTA 能辩明在热量属性上的变化预示兆瓦、结晶性和交键密度在常规,辐射被交互相联的和阿尔法维生素 E 怀孕的 UHMWPE。 另外, LTA 能检测在不是显然的在视力检查的 PE 属性上的局部变化由于穿戴或其他故障,如显示与以前被种入的全部的膝盖轴承。

示例 2 : 药物上漆的心血管斯坦特

药物被涂上的斯坦特是用途广泛在与在患者每年安置的数十万的 interventional 心脏病学方面在美国。 药物的配电器在矩阵聚合物的,这种药物的结晶性和聚合物矩阵的兆瓦和结晶性有对版本动能学的大量的作用,可能非常地反过来修改生物回应。 当分光镜 microscopies 例如红外线和喇曼能图象在涂层内的药物配电器在微米缩放比例时,这样方法在他们的在提供亚显微解决方法的功能被限制。 其次,直到现在,已知的方法不能直接地评定结晶性或逐步采用混合药物和矩阵聚合物被涂上在斯坦特上。 当亚显微 LTA 启用与 Vesta,这现在是可能的。 在下列研究中,分析了几药物上漆的斯坦特。 这些涂层全部在多 DL 乳汁酸 (PDLLA) 聚合物矩阵基础上在公式化,但是否则变化。

为机密的目的斯坦特和他们的构成的来源在下表里没有提供:

斯坦特类型

公式化

溶剂

品牌 X

PDLLA + 药物 A + 赋形剂

溶剂 1

品牌 Y

PDLLA + 药物 B + 赋形剂

溶剂 2

品牌 Z

PDLLA + 药物 C + 赋形剂

溶剂 3

LTA 曲线为每斯坦特显示在表 4,以及对每斯坦特的分析的区域的显微象片获得与 Vesta。 剧情向显示 Tg 转移为三斯坦特是有些不同的,范围从 63 到 71°C。 这些转移高于典型的 50-60°C 纯 PDLLA Tg 有些。 这可能归结于用于 LTA 的更高的加热速率或由于这种药物的包括。

图 4。 典型的 LTA 曲线为与被标记的平均高峰热量转移的每斯坦特显示 (箭头)。 这个被分析的区域的微写器为每斯坦特 “品牌显示”。

Vesta 然后用于提供 Tg 评定 (TTM)转变温度映射在列阵的。 对于每映射, 36 个不同 LTA 评定自动地进行了在 10 个 umspatial 间隔在 50 x 50 um 区域 (图 5)。 注意在 Tg 起始的均一和模式上的大量的区别三斯坦特的。 因为药物比 PDLLA 矩阵有充分地更高的转变温度,这表明有在药物的局部目录上的大量的区别在热量地分析 ~30 个毫微米地区中的每一个。 例如,品牌 Y 斯坦特显示了非常高药物目录的一个唯一区域 (如评定与 T)g 包围由相对地统一构成 (t)g。 相反,有药物目录的一个非常小的范围在品牌 Z 的和一中间范围的在品牌 X。

图 5. 转变温度映射为 3 斯坦特显示。 对于每映射 36 单独评定获得了在 X - Y 的网格的 10 个 um 空间的间隔。 每色环用 T 表示一个唯一评定, (g 色标表示的 °C) 的起始。

汇总

在这些热量属性的配电器的形态字符明显地被观察三不同斯坦特显著地变化在他们的平均热量属性,和。 被观察的统治热量转移是 PDLLA 的g T。 总之,显示热分析执行与 Vesta 可能检测在药物被涂上的斯坦特内的重大的作文和形态结构。

示例 3 : Vestamid 和 Pebax 导尿管

如图 6. 所显示,二支商业可用的导尿管得到了然后被检查。 这些是由 Pebax 做的由 Vestamid 导尿管 (尼龙) 和导尿管 (块 copolyamide)。 这些特定导尿管范例作文详细资料是否则未知的。 而 Pebax 导尿管显示了非常一致的m T 160±3°C., Vestamid 导尿管显示了非常一致的 T m 120±3°C。 这些 Tm 转移看上去一致与这些商业可用的材料已知的属性。

图 6. LTA 曲线和范围 Vestamid 导尿管 (红色) 和 Pebax 导尿管的 (蓝色曲线) 熔化的温度。

汇总

对这些导尿管的 Vesta 分析显示了高度因而指示统一属性的统一 Tm 评定。

示例 4 : 隐形眼镜

二副未使用的现成的隐形眼镜检查与 LTA。 两个透镜是相同大小、品牌和构成,但是变化在功率 (- 3.50 和 -3.00) 和被生产了大约一年单独。 这些透镜由水凝胶组成了,但是为机密的目的来源和构成没有被透露这里。 透镜从他们原始消费者包装被去除了,漂洗在蒸馏水的三 20 ml 更改的 4 时数取消所有包装的盐和防腐剂,隔夜然后风干了。

图 7 向显示 Tm 轻微变化在二个透镜之间。 3.0 和 3.5 功率透镜分别有,平均 140.2±2°C 的 ± 从m 每个透镜 10 个不同 LTA 评定的标准偏差 T 和 144.4±1.8°C 以多种地点。 每个透镜是相当一致的在其自己的热量属性,二个透镜没有同样 Tm。 大约 4°C 在 T 上的区别m 在透镜之间建议有一个小的区别在聚合物、其他化工要素,并且/或者轻微的区别的兆瓦在制造协议上这两个相似的透镜的。

图 7. LTA 评定曲线和平均熔化的温度 (平均 ± sd) 二副未使用的现成的水凝胶隐形眼镜。 -3.00 透镜曲线在红色显示 (更加传低球),并且 -3.5 透镜曲线在蓝色 (被设置的较大显示)。

汇总

Vesta 分析在 10 个不同评定地点显示了每副隐形眼镜的 Tm 的均一。 然而, Vesta 也表示用不同的批制造的二个不同透镜有有些不同的熔化的温度指示区别在聚合物结构或化学。

结论

Anasys Vesta 启用对热量转移属性的强大的分析实验,并且完全功能医疗派生聚合物。 Vesta 启用了局部热分析 (LTA),并且转变温度映射 (TTM)显示不是明显的从视力检查或从常规或分光镜显微学的下属结构上和作文详细资料。 Vesta 分析提供答案到药物涂层结构和功能,聚合物分子降低和产品均一。 因为 Vesta 启用这样评定在功能充分地制作的设备和在 explanted 设备,这样信息可以容易地被运用于 R&D、质量管理、质量保证和故障分析。

来源: 对使用 VESTA 的医疗设备的 Nanoscale 热分析
作者:史蒂文古德曼, Khoren Sahagian 和凯文 Kjoller
关于此来源的更多信息请参观 Anasys 仪器

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

Last Update: 14. June 2013 01:09

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