Scherkräfte in der Medizin

Optische Mikrofluidik zur Beurteilung von Injektionsfähigkeit und Spritzbarkeit

Bei der Entwicklung von Formulierungen, die für eine Injektion vorgesehen sind, ist deren Analyse bei hoher Scherung unerlässlich, um das Verhalten bei der Injektion zu verstehen. Das folgende Beispiel beschreibt die optische Mikrofluidik zur Beurteilung der Injektionsfähigkeit und Spritzbarkeit von BSA-Protein und Liposomen.

© Shutterstock/Sashkin

Viele Medikamente müssen injiziert werden, um ihre Wirkung entfalten zu können. Die Art der dabei eingesetzten Spritzen samt Nadelstärke und Spritzenzylinder hat einen direkten Einfluss auf die Schergeschwindigkeit der injizierten Flüssigkeit und die Scherrate beeinflusst deren Viskosität. Daher ist es wichtig, die Viskosität von Injektionsmitteln sorgfältig zu kontrollieren. Dies erfolgt durch spezielle Tests bei hoher Scherung, um die realen Injektionsbedingungen zu simulieren.

Messmethode
Die Fluidicam Rheo verwendet ein Co-Flow-Mikrofluidikprinzip, um Viskositäten zu messen: Dabei wird die Probe gleichzeitig mit einer Referenzlösung unter kontrollierten Flussraten in einen mikrofluidischen Kanal eingebracht (typischerweise 2,2 mm x 50 μm). Dies führt zu einer streng laminaren Strömung, bei der die Grenzflächenposition zwischen Probe und Referenz nur noch abhängig vom Viskositätsverhältnis und den Strömungsraten ist (Bild 1).

Bild 1: Messprinzip des Messgerätes Fluidicam Rheo. © 3P Instruments

Während der Messung aufgenommene Bilder ermöglichen mit einer Software die genaue Berechnung der Position der Grenzfläche, und somit kann sofort eine interaktive Fließkurve dargestellt werden.

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Bild 2: Was beeinflusst die Scherrate bei einer Spritzenapplikation? © 3P Instruments

Theorie zur Spritzbarkeit
Bild 2 zeigt schematisch die Einflussfaktoren auf die Scherraten bei einer Injektion durch eine Spritze. Laut Literatur ist Spritzbarkeit die erforderliche Kraft, die nötig ist, eine injizierbare Lösung bei gegebener Injektionsrate durch eine Nadel mit einer bestimmten Stärke und Länge zu drücken. Die Einspritzkraft kann theoretisch über eine Modellgleichung (Gl. 1) geschätzt werden, die aus der Hagen-Poiseuille-Gleichung für Newtonsche Flüssigkeiten abgeleitet wird:

Mehrere Faktoren beeinflussen die Spritzbarkeit injizierbarer Substanzen:

  • der geometrische Parameter des Injektions-systems (Nadel- und Spritzengröße);
  • die Viskosität der Formulierung;
  • die Schmerztoleranz, die durch folgende Rahmenbedingungen definiert ist: eine maximale Injektionszeit von 15 Sekunden, eine Injektionsrate zwischen 0,1 ml/s und 4 ml/s, sowie eine maximale Injektionskraft von 20 N.

Die Nadel und die Spritze werden abhängig von der Art der Injektion ausgewählt. Sobald die Spritzen- und Nadelkonfiguration bestimmt ist, sind die unbekannten Parameter in der Gleichung (Gl. 1) die Viskosität der Formulierung und die Injektionsrate. Daher ist es wichtig, die Viskosität der injizierbaren Formulierungen über die Injektionsscherraten, die im Allgemeinen zwischen 5 000 s-1 bis 100 000 s-1 liegen, genau zu charakterisieren. Die Fluidicam Rheo bietet eine schnelle und einfache Viskositätsmessung über einen Schergeschwindigkeitsbereich von 100 – 180 000 s-1, wobei nur drei Minuten Analysezeit und weniger als 2 ml Probenvolumen erforderlich sind.

Bild 3: Fließkurven von BSA in Wasser bei verschiedenen Konzentrationen (100 mg/ml [grün], 300 mg/ml [gelb], 400 mg/ml [orange]). © 3P Instruments

Identifizierung des besten Injektionssystems
Bild 3 zeigt drei Fließkurven von BSA-Proteinlösungen bei drei verschiedenen Konzentrationen (100 mg/ml, 300 mg/ml und 400 mg/ml) in Wasser bei 20 °C. Die drei Fließkurven zeigen ein Newtonsches Profil über den angewendeten Schergeschwindigkeitsbereich, der für die Einspritzbedingungen (104 – 105 s-1) repräsentativ ist. Anhand der nun bekannten Viskosität der injizierbaren Substanz kann das Injektionssystem ideal ausgewählt werden.

Anpassung der Viskosität für ein voreingestelltes Injektionssystem
Unter Berücksichtigung der tolerierten Einspritzzeit und der maximalen Kraft von 20 N kann die maximale Viskosität der injizierbaren Substanz, die für eine vordefinierte Konfiguration des Einspritzsystems zulässig ist, abgeschätzt werden.

Bild 4: Abschätzung der maximalen Viskosität für ein voreingestelltes Einspritzsystem. © 3P Instruments

Das Balkendiagramm in Bild 4 bietet eine einfache Hilfestellung zur Optimierung der injizierbaren Formulierung für bessere Spritzbarkeit in Abhängigkeit von vorgewählten Injektionskonfigurationen. Bei einer Konfiguration mit 3 ml-Spritzenkapazität und 27 G-Nadelgröße zeigt das Diagramm beispielsweise eine maximal tolerierbare Viskosität der Formulierung in Bezug auf die perfekte Spritzfähigkeit von 3,18 mPas. Für das vorliegende Beispiel können für diese Konfiguration nur die Proteinlösungen mit 1,4 und 3,0 mPas verwendet werden.

Im Folgenden wird auf eine Eigenschaft aufmerksam gemacht, die vielen injizierbaren Medikamenten zu eigen ist: Die sogenannte Scherverdünnung, d. h. die Viskosität einer Probe nimmt mit Erhöhung der Schergeschwindigkeit ab. Dies ist bei der Wahl der geeigneten Spritzenkonfiguration zu berücksichtigen.

Um die realen Injektionsbedingungen zu simulieren, muss die Viskosität sowohl beim Verlassen der Kanüle, also bei hoher Scherung, als auch bei Körpertemperatur von 37 °C exakt bekannt sein, um die bestmögliche Spritzen-Nadel-Kombination wählen zu können.

Charakterisierung von injizierbaren Liposomenlösungen bei 25 °C 
In einer Versuchsanordnung wurden vier verschiedene Arten von Liposomenlösungen untersucht. Fluidicam Rheo bietet auch bei der Messung von Proben mit niedriger Viskosität eine hohe Präzision, da die laminare Strömung im Mikrofluidikchip erhalten bleibt.

Tabelle 1 zeigt, dass alle vier untersuchten Proben eine Viskosität zwischen 3 und 6 mPas aufweisen und eine leichte Scherverdünnung zeigen. Liposom A hat die höchste Viskosität und die Proben C und D haben die niedrigsten. Dies bedeutet, dass Probe A schwieriger zu injizieren ist oder mehr Injektionskraft benötigt.

Vergleich der Viskositäten bei 25 °C und 37 °C
Die Proben B und D wurden für Tests zur Simulierung der Körpertemperatur bei 37 °C ausgewählt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. Beide Proben zeigen bei 37  °C immer noch ein scherverdünnendes Verhalten. Bei Probe B wird bei niedriger Scherung eine Abnahme der Viskosität um 37 % beobachtet, wenn die Temperatur auf 37 °C erhöht wird, während Probe D nur eine Abnahme von 32 % zeigt. Bei höherer Scherung zeigen beide Proben einen Viskositätsabfall von 40 %. Probe B ist etwas stärker von der Temperatur beeinflusst als Probe D.

Fazit
Bei der Entwicklung von Formulierungen, die für eine Injektion vorgesehen sind, ist deren Analyse bei hoher Scherung unerlässlich, um das Verhalten bei der Injektion zu verstehen. Die vorgeschlagene Methode bildet verschiedene Injektionskonfigurationen ab (abhängig von der Art der Injektion), die eine Überwachung der Spritzbarkeit unter Berücksichtigung der Viskosität der injizierbaren Formulierung und der Grenzwerte der Injektionsschmerzen ermöglicht. Das Rheologiemessgerät Fluidicam Rheo kann eingesetzt werden, um injizierbare Substanzen schnell und einfach über einen breiten Bereich von Schergeschwindigkeiten von 100 – 180 000 s-1 und mit äußerster Präzision zu analysieren.

Viele der injizierbaren Flüssigkeiten zeigen bei sehr hohen Scherraten ein scherverdünnendes Verhalten, das eine noch effizientere Spritzen-Nadel-Kombination oder eine Erhöhung der Wirkstoffkonzentration zulassen würde. Um dies zu nutzen, muss allerdings die Viskosität bei den Scherraten der Injektion exakt vermessen werden und bekannt sein.

Fluidicam Rheo ist ein leistungsfähiges Werkzeug für den Vergleich von injizierbaren Liposomen, wobei nur jeweils 1 ml zur Darstellung einer Fließkurve benötigt wird. Durch die hohe Empfindlichkeit bei der Messung von Proben mit niedriger Viskosität können sehr kleine Unterschiede beobachtet und der Einfluss der Temperatur auf die Liposomen kann in wenigen Minuten untersucht werden.

AUTOR
Dipl.-Ing. Matthias Lesti
3P Instruments GmbH & Co. KG

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