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微流控可视流变仪 - 滴眼液的流变性优化

2021-08-02

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介绍

局部用药是治疗眼部疾病的主要给药途径。滴眼液的疗效高度依赖于其流变性。当滴入药水后,人的眼睑下意识的快速眨动,这时眼睑对滴眼液产生非常高的剪切速度,约在4000s-1到30000s-1之间。考虑到药水的停留时间和病人的配合程度(感受),研发人员必须对配方的流变性进行小心翼翼地优化。由于样品量小,剪切速度高,使用常规流变仪测量滴眼液的粘度具有很大的挑战。而在Fluidicam微流控可视流变仪的帮助下,我们可以轻松地测量滴眼液在不同的流速下的粘度,获得完整的流变曲线来反映样品粘度随剪切速率的变化行为。


微流控测试技术

微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体的系统所涉及的科学和技术,是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。微流控的早期概念可以追溯到19世纪70年代采用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪,而后又发展为微流控毛细管电泳仪和微反应器等。微流控的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质始终保持层流特性,利用这一特性可以非常精确地获取样品在超高剪切速率下(最高可达180000s-1)的粘度。

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FLUIDICAM使用微流控技术测量样品的粘度,样品和标准液同时被泵入到微流控通道中(尺寸 宽X高 2.2mm X 50 /150µm) 经过强烈的剪切,通过电脑调整注入泵的速度即可调整剪切速率。在这个条件下,界面位置仅与样品和标准品液粘度比相关。通过高清摄像机获取层流流体界面的位置,然后软件自动绘制样品在不同剪切速率或温度下的粘度曲线。

 

实验方法

剪切速率从150s-1到100 000s-1

微流控芯片尺寸,150µm和50µm;

7款商业化的眼药水在34℃(角膜温度)下进行测试,见测试结果部分表1。

 

测试结果

粘度-剪切速率曲线 

7个滴眼液的粘度-剪切速率曲线呈现出两类流变特性:

类的四个样品呈现出明显的剪切稀释行为,Aqualarm,SyntaneUltra,Blink,Systane balance。


第二类样品呈现出牛顿的行为:Unilarm, Novoptine, Ophtacalmfree。粘度均在ɳ= 0.8 mPa.s左右。


流变性的差异决定了滴眼液更加适用于局部眼部治疗、给药还是清洗。

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流变模型拟合

为了更好地了解它们的流变行为,将这些数据拟合到流变模型中是很有价值的。通过拟合,可以计算零剪切粘度ɳ0和无限剪切粘度ɳ∞。ɳ∞过大时,眼睛会产生不舒服的倾向,引起视力模糊,ɳ∞过低,滴眼液将无法抵抗眼睑的眨动而被快速的清除。ɳ0也可以帮助定量滴眼液静置状态的稳定性。表1给出了拟合结果。

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本次实验中,Fluidicam RHEO只需不到3min的分析时间,样品量不超过2.5mL;而常规机械流变至少需要12mL样品,20min时间,并且无法获得高剪切数据。完整的流变性评价允许研发人员快速调整滴眼液的性能,以达到配方的预期目标:治疗还是清洗。

 

结论

Fluidicam RHEO微流控可视流变仪具有非常宽的剪切范围,可以测量滴眼液在实际使用条件下的粘度,从而为优化滴眼液的物理性能提供指导。微流控流变设备可以精确地表征低粘度、少样品量样品的流变特性。

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