聚合物醫療設備熱量轉移屬性使用 VESTA 的從 Anasys 儀器

包括的事宜

背景
簡介
手段
實驗結果和論述
     示例 1 : UHMWPE 矯形軸承和材料
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     示例 2 : 藥物上漆的心血管斯坦特
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     示例 3 : Vestamid 和 Pebax 導尿管
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     示例 4 : 隱形眼鏡
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結論

背景

有形資產定期地被評估適應在 R&D & 質量保證的需要和獲得規則核准待售。 臨床使用了或定期地也實驗被分析更好瞭解降低、磨損結構的設備,並且/或者故障。

聚合物用途廣泛獨自地或與在包括導尿管、電極線索绝緣材料的應用的其他材料的組合 (即心臟病刺激踱步或的神經),矯形軸承、縫合,藥物版本塗層 (即心血管斯坦特) 和許多。 聚合物是可能有在物理屬性上的大量的變化在微米到毫米長度縮放比例由於在分子量,結晶性上的變化,混合藥物均一在藥物學地有效的塗層的和分相程度和形態學在混合、共聚物和綜合的異種材料。

聚合物的形態描述特性典型地完成用顯微學的不同的類型,而功能和固有特性例如分子量 (MW)和機械力量在批量標本典型地被評估,无需空間的情報。 批量熱分析技術包括差別掃描量熱計 (DSC),熱量機械分析 (TMA)和其他也是用途廣泛得出關於聚合物屬性的信息例如階段和組件混合。

然而,這些熱分析方法被限制到對被希望是 「代表」製作的設備範例的平均數或綜合屬性的鑒定,因為這樣範例必要被去除從或分別地被創建與製作的設備。 從 「有代表性的」分析標本需要,在有形資產上的在原處變化在製作的設備可以丟失。 除在對設備的製作的設備和地區的分析的限制之外,現有的熱分析也接近無法執行在稀薄的聚合物塗料。

簡介

Vesta (Anasys 儀器) 是使製作的醫療設備對於功能熱量轉移屬性分析通過轉變溫度顯微學的一臺新的分析儀器 (TTM)。 對於 TTM,對熱量屬性的鑒定在設備或標本的所有被識別的特定區域可能做,因而唯一地集成與熱量屬性的空間的信息。 此熱量屬性評定在兆瓦,結晶性,組件混合和可以用於引導 R&D,啟用生產方法發展和提供生產質量管理的階段離析情報。 另外,這些熱機械評定也提供答案到設備的局限化的降低、穿戴和故障結構在測試以後或在臨床使用之後。

此應用註解說明對聚合物醫療設備的幾種不同的類型熱量轉移屬性的鑒定并且討論可以從這樣分析被搜集的信息。

手段

Vesta 儀器合併在一個像 AFM 的微型用機器製造的被倒置的金字塔形熱量探測 (基本強制顯微鏡) 懸臂被製造。 一個光學顯微鏡使用戶確定在範例地區的熱量探測利益上。 當處理, Vesta 系統然後將帶領 <30 nm 半徑熱量探測技巧進入與這個標本的機械聯絡。

探測可能為自動確定也被編程為了進行一系列的評定或生成轉變溫度映射 (TTM)。 一次,當懸臂提供敏感力控制和評定在這個技巧和範例之間時,與區域利益聯繫探測技巧 resistively 激昂。 這提供被顯示以熱量探測實際偏折劇情的形式在標本的與探測溫度的局限化的熱機械分析。

多數標本 (即圖 1),當首先加熱探測這個標本擴展和因而提高探測技巧。 在轉變溫度,這個標本將開始變柔和,并且這個技巧因而開始搬入下來這個標本。 此溫度與偏折曲線是一種局部熱分析 (LTA)劇情。 探測可以被加熱至 450°C 以舷梯費率至 600,000°C/min,從而根本啟用在溫度的高處理量評定適當為所有聚合物或有機材料。 物質變柔和,熔化和甚而回爐在兆瓦、階段和混合混合和其他物理化學的屬性可以被監控情報。 這個評定的空間分辨率依靠於熱量探測半徑 30 毫微米和材料的局部熱量屬性。 多數聚合物系統,這啟用局部熱分析在一個子 100 nm 縮放比例。

實驗結果和論述

示例 1 : UHMWPE 矯形軸承和材料

超高分子重聚乙烯 (UHMWPE 或 PE) 是矯形臀部和膝蓋軸承的非常成功的軸承材料,有百萬的設備在使用中和十萬新的 PE 軸承臀部和膝蓋每年被種入的關節成形術設備。 但是,是長期建立的 PE 的穿戴削弱設備功能,并且從這些軸承發行的穿戴微粒物質生成慢性激動的回應。

結果,有改進顯示了結構包括機械磨損和氧化作用關聯與在 PE 分子量、結晶性和交鍵密度上的變化的設備耐久性的廣泛的研究。 雖然不是完全地清楚什麼有形資產對長期 biocompatibility 是重要在總臀部和膝蓋關節成形術弭補科方面,實際交鍵密度和水晶形態學 是著名的影響 PE 軸承功能的二個屬性。

PE 水晶結構的評估是困難和費力的,要求繁瑣的範例準備為透射電鏡術在需要與標本的幾日從批量範例或設備被去除的進程中。 直到現在,沒有結晶性的迅速分析方法 (和请交互相聯密度) 和沒有啟用這些臨界性質的直接評估的方法在製作的設備的。 Anasys Vesta,作為評估熱量轉移屬性直接地依靠兆瓦、結晶性和交鍵密度的儀器,唯一地啟用迅速評定在兩實驗材料和在生產設備。

在本研究中,幾个 UHMWPE 被分析了包括常規 UHMWPE 在寬使用,輻射被交互相聯的 UHMWPE,因為這些看上去更加堅韌和較不傾向佩帶和 UHMWPE 灌輸作為抗氧劑 (維生素 E) 提供的阿爾法維生素 E。 另外,在被識別的地區的被檢索的 explanted 膝蓋軸承被檢查展示分子降低。

圖 1 顯示數處女 UHMWPE 的 ( (LTA)GUR 1050 樹脂) 有代表性的局部熱分析劇情與黏度平均數兆瓦大約 5 x 10。6 此圖在與 100 kGy 輻射的交聯以後也顯示同樣 PE 的 LTA 劇情。 非被交互相聯的 PE 顯示相反是典型的兆瓦和作文均一,與 T 起始在m 139°C.,輻射被交互相聯的 PE 被陳列的大量的不規則性 LTA 劇情預示分子非均勻性的平穩的曲線。 此材料的 Tm 發生了在 262°C,以及肩膀在與對此材料的 DSC 分析是一致的 139°C。 [4] 另外,探測比非被交互相聯的 PE 擊穿了較不比半作為深深到輻射被交互相聯的 PE。 這些熱量機械性能與輻射被交互相聯的 PE 已知的和期望的屬性是一致的。

圖 1. 局部熱分析 (LTA)劇情顯示非被交互相聯的 UHMWPE 的機械變形 (銳化在 ~139°C) 和 100 kGy 輻射的平穩的藍色曲線交互了相聯紅色的 UHMWPE (較不平穩,銳化在 ~262°C) 的曲線。 插頁照片顯示懸臂式熱量的探測躺在非被交互相聯的標本,当箭頭指示在懸臂下熱量探測技巧的地點。

圖 2 顯示輻射被交互相聯的 PE 的 alphatocopherol (維生素 E) 懷孕的範例的三種 LTA 劇情。 這個範例有的阿爾法維生素 E 目錄梯度明顯地是可視的 (沒顯示)。 LTA 曲線被採取在這個梯度間的不同的點顯示對熱量介曲線的大量的作用,当更高的水平 alphatocopherol 關聯與更軟的材料在 120°C,在 T. 下。m 因此, alphatocopherol 導致一個濃度從屬的 plasticization 作用。

圖 2. 局部對 alphatocopherol 的熱分析劇情懷孕了輻射被交互相聯的 UHMPE。 變柔和材料被觀察關聯與阿爾法維生素 E 目錄。

顯示大量的物質細分的 explanted UHMWPE 膝蓋軸承特別是在這張照片 (3a) 的左邊被檢查。 此臨床植入管的詳細歷史記錄不知道,但是此植入管被生產了關於二十年前。 要評估 Vesta 的功能估計在較不明顯地損壞的材料的有形資產, LTA在植入管的損壞的右側的二個地區執行。 如圖 3. 所顯示,這些區域是分開 3-4 mm。 在設備的邊緣的附近一個區域看上去原始 (3b),當第二個區域在大約沒有否則顯示明顯的故障例如色變的 3 x 1 mm 坑時的 a (3c)。

熱分析在未損壞的區域顯示了平穩和一致的 LTA 曲線典型當地 UHMWPE (類似圖 1),但是與 Tm 轉移在 108°C。 此更低的 Tm 轉移,與更高的 T 比較m在表 1,很可能就該降低當時使用此植入管做的兆瓦聚合物。 與未損壞的區域,在這個坑中間被採取的 LTA 曲線對比充分地變化,当一 LTA 曲線顯示多個轉移預示兆瓦細分和出現一的秒鐘更多喜歡當地 PE。 此差異向顯示損壞的地區陳列更多各種各樣的熱量屬性,可能預示兆瓦、結晶性、氧化作用,或者其他變化在這個聚合物上。 如注意,除了這個坑,此區域否則看上去未損壞和非變色由視力檢查。 因此,與 Vesta 的熱量機械分析能檢測在聚合物屬性上的非明顯的變化。

explanted UHMWPE 膝蓋軸承 (a) 和 LTA 分析的二個地區的圖 3. 照片如指示與箭頭。 地區顯示在 b 和指示與上面的藍色箭頭不顯示可視故障。 地區 c 指示與更低的紅色箭頭在小的坑。 局部熱分析曲線 (e) 為二個地區顯示: 地區 b (與 108°C 峰頂的藍色曲線) 和區域 c (與 118°C 的紅色曲線銳化,其中之一有第二個 176°C 峰頂。

彙總

LTA 能辯明在熱量屬性上的變化預示兆瓦、結晶性和交鍵密度在常規,輻射被交互相聯的和阿爾法維生素 E 懷孕的 UHMWPE。 另外, LTA 能檢測在不是顯然的在視力檢查的 PE 屬性上的局部變化由於穿戴或其他故障,如顯示與以前被種入的全部的膝蓋軸承。

示例 2 : 藥物上漆的心血管斯坦特

藥物被塗上的斯坦特是用途廣泛在與在患者每年安置的數十萬的 interventional 心臟病學方面在美國。 藥物的配電器在矩陣聚合物的,這種藥物的結晶性和聚合物矩陣的兆瓦和結晶性有對版本動能學的大量的作用,可能非常地反過來修改生物回應。 當分光鏡 microscopies 例如紅外線和喇曼能圖像在塗層內的藥物配電器在微米縮放比例時,這樣方法在他們的在提供亞顯微解決方法的功能被限制。 其次,直到現在,已知的方法不能直接地評定結晶性或逐步採用混合藥物和矩陣聚合物被塗上在斯坦特上。 当亞顯微 LTA 啟用與 Vesta,這現在是可能的。 在下列研究中,分析了幾藥物上漆的斯坦特。 這些塗層全部在多 DL 乳汁酸 (PDLLA) 聚合物矩陣基礎上在公式化,但是否則變化。

為機密的目的斯坦特和他們的構成的來源在下表裡沒有提供:

斯坦特類型

公式化

溶劑

品牌 X

PDLLA + 藥物 A + 賦形劑

溶劑 1

品牌 Y

PDLLA + 藥物 B + 賦形劑

溶劑 2

品牌 Z

PDLLA + 藥物 C + 賦形劑

溶劑 3

LTA 曲線為每斯坦特顯示在表 4,以及對每斯坦特的分析的區域的顯微像片獲得與 Vesta。 劇情向顯示 Tg 轉移為三斯坦特是有些不同的,範圍從 63 到 71°C。 這些轉移高於典型的 50-60°C 純 PDLLA Tg 有些。 這可能歸結於用於 LTA 的更高的加熱速率或由於這種藥物的包括。

圖 4。 典型的 LTA 曲線為與被標記的平均高峰熱量轉移的每斯坦特顯示 (箭頭)。 這個被分析的區域的微寫器為每斯坦特 「品牌顯示」。

Vesta 然後用於提供 Tg 評定 (TTM)轉變溫度映射在列陣的。 對於每映射, 36 個不同 LTA 評定自動地進行了在 10 個 umspatial 間隔在 50 x 50 um 區域 (圖 5)。 注意在 Tg 起始的均一和模式上的大量的區別三斯坦特的。 因為藥物比 PDLLA 矩陣有充分地更高的轉變溫度,這表明有在藥物的局部目錄上的大量的區別在熱量地分析 ~30 個毫微米地區中的每一個。 例如,品牌 Y 斯坦特顯示了非常高藥物目錄的一個唯一區域 (如評定與 T)g 包圍由相對地統一構成 (t)g。 相反,有藥物目錄的一個非常小的範圍在品牌 Z 的和一中間範圍的在品牌 X。

圖 5. 轉變溫度映射為 3 斯坦特顯示。 對於每映射 36 單獨評定獲得了在 X - Y 的網格的 10 個 um 空間的間隔。 每色環用 T 表示一個唯一評定, (g 色標表示的 °C) 的起始。

彙總

在這些熱量屬性的配電器的形態字符明顯地被觀察三不同斯坦特顯著地變化在他們的平均熱量屬性,和。 被觀察的統治熱量轉移是 PDLLA 的g T。 總之,顯示熱分析執行與 Vesta 可能檢測在藥物被塗上的斯坦特內的重大的作文和形態結構。

示例 3 : Vestamid 和 Pebax 導尿管

如圖 6. 所顯示,二支商業可用的導尿管得到了然後被檢查。 這些是由 Pebax 做的由 Vestamid 導尿管 (尼龍) 和導尿管 (塊 copolyamide)。 這些特定導尿管範例作文詳細資料是否則未知的。 而 Pebax 導尿管顯示了非常一致的m T 160±3°C., Vestamid 導尿管顯示了非常一致的 T m 120±3°C。 這些 Tm 轉移看上去一致與這些商業可用的材料已知的屬性。

圖 6. LTA 曲線和範圍 Vestamid 導尿管 (紅色) 和 Pebax 導尿管的 (藍色曲線) 熔化的溫度。

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對這些導尿管的 Vesta 分析顯示了高度因而指示統一屬性的統一 Tm 評定。

示例 4 : 隱形眼鏡

二副未使用的現成的隱形眼鏡檢查與 LTA。 兩個透鏡是相同大小、品牌和構成,但是變化在功率 (- 3.50 和 -3.00) 和被生產了大約一年單獨。 這些透鏡由水凝膠組成了,但是為機密的目的來源和構成沒有被透露這裡。 透鏡從他們原始消費者包裝被去除了,漂洗在蒸餾水的三 20 ml 更改的 4 時數取消所有包裝的鹽和防腐劑,隔夜然後風乾了。

圖 7 向顯示 Tm 輕微變化在二個透鏡之間。 3.0 和 3.5 功率透鏡分別有,平均 140.2±2°C 的 ± 從m 每個透鏡 10 個不同 LTA 評定的標準偏差 T 和 144.4±1.8°C 以多種地點。 每個透鏡是相當一致的在其自己的熱量屬性,二個透鏡沒有同樣 Tm。 大約 4°C 在 T 上的區別m 在透鏡之間建議有一個小的區別在聚合物、其他化工要素,並且/或者輕微的區別的兆瓦在製造協議上這兩個相似的透鏡的。

圖 7. LTA 評定曲線和平均熔化的溫度 (平均 ± sd) 二副未使用的現成的水凝膠隱形眼鏡。 -3.00 透鏡曲線在紅色顯示 (更加傳低球),并且 -3.5 透鏡曲線在藍色 (被設置的較大顯示)。

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Vesta 分析在 10 個不同評定地點顯示了每副隱形眼鏡的 Tm 的均一。 然而, Vesta 也表示用不同的批製造的二個不同透鏡有有些不同的熔化的溫度指示區別在聚合物結構或化學。

結論

Anasys Vesta 啟用對熱量轉移屬性的強大的分析實驗,并且完全功能醫療派生聚合物。 Vesta 啟用了局部熱分析 (LTA),并且轉變溫度映射 (TTM)顯示不是明顯的從視力檢查或從常規或分光鏡顯微學的下屬結構上和作文詳細資料。 Vesta 分析提供答案到藥物塗層結構和功能,聚合物分子降低和產品均一。 因為 Vesta 啟用這樣評定在功能充分地製作的設備和在 explanted 設備,這樣信息可以容易地被運用於 R&D、質量管理、質量保證和故障分析。

來源: 對使用 VESTA 的醫療設備的 Nanoscale 熱分析
作者:史蒂文古德曼, Khoren Sahagian 和凱文 Kjoller
關於此來源的更多信息请請參觀 Anasys 儀器

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

Last Update: 14. June 2013 01:12

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