Development of Quality Control Methods for Medical Grade Nanocellulose

Abstract

Selluloosapohjaiset nanomateriaalit (CNMs) ovat herättäneet kiinnostusta useilla sovellusalueilla, mukaan lukien biolääketieteelliset materiaalit, johtuen niiden luontaisista nanomittakaavan rakenteellisista ja mekaanisista eduista bulkkivastineisiinsa verrattuna. Epäilemättä nanomittakaavan ominaisuudet vaikuttavat esimerkiksi materiaalien suorituskykyyn ja biologiseen vasteeseen, mutta ominaisuuksien nanomittakaavan vuoksi niitä on myös vaikea mitata. Tämän lisäksi, vaikka CNM-tuotantoa on jo kaupallistettu, edelleenkin on puute standardoiduista karakterisointitekniikoista, jotka täyttäisivät teollisuuden vaatimuksen nopeasta ja luotettavasta menetelmästä. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää laadunvalvontamenetelmiä lääkinnällisen nanoselluloosalaadun (CNF) hydrogeeleille. Laadunvalvontamenetelmien tarkoituksena on varmistaa, että tuotetut hydrogeelit täyttävät materiaalispesifikaatioiden vaatimukset ja että tuotantoerien välillä ei ole vaihtelua. Tutkitut karakterisointimenetelmät perustuivat reologiaan ja valonsirontaan. Näillä menetelmillä voidaan karakterisoida hydrogeelin rakennetta ja käyttäytymistä käytännön käytössä sekä fibrillien kokoa. Ne tarjoavat vaihtoehdon mikroskopiatekniikoille, jotka ovat usein aikaa vieviä ja, joissa analyysi perustuu vain pieneen osaan näytettä. Kumpikaan tutkituista menetelmistä ei kuitenkaan ole standardoitu, mikä vaikeuttaa niiden käyttöä lääkinnällisten laitteiden laadunvalvonnassa. Siksi tässä työssä molemmille menetelmille kehitettiin standardoidut mittausprotokollat. Reologian kohdalla kiinnostuksena oli tutkia reologisten mittausten toistettavuutta. Tämän takia näytteen valmistelu ja käsittely standardisoitiin näytteiden leikkaushistorian hallitsemiseksi. Lisäksi kehitettiin kaksivaiheinen viskositeettiohjelma yhdistämällä sekä leikkausjännitysohjatut että leikkausnopeusohjatut vaiheet erillisinä vaiheina yhdeksi ohjelmaksi. Reologiset mittaukset suoritettiin laimentamattomina eri kuiva-ainepitoisuuksien hydrogeeleille. Valonsirontaan perustuvien menetelmien osalta keskityttiin laimennusprotokollan kehittämiseen ottamalla laimennosten sekoittamiseen käyttöön ultraäänisekoittaja. Sekä laimennoksen sameus että valonläpäisevyys mitattiin 0,1 paino-% CNF-dispersiosta, joka oli laimennettu erilaisista varastopitoisuuksista hydrogeeleistä. Standardoidulla mittausprotokollalla suoritetut reologiset mittaukset osoittivat vaihtelevaa toistettavuutta. Toistettavuus määritettiin variaatiokertoimen avulla (CV). Oskilloivat mittaukset osoittivat hyvää toistettavuutta, CV:t olivat tyypillisesti alle 10 %. Päinvastoin viskositeettimittauksilla oli suhteellisen huono toistettavuus. Erityisen haastavaa oli saada luotettavia tuloksia lepoviskositeetteille. Toistettavuus kuitenkin parani, kun viskositeettitulokset otettiin alueelta, jossa näyte oli leikkausohentunut. Perustuen kirjallisuuteen huono korrelaatio todettiin sameuden ja valonläpäisevyyden välillä. Valonsirontaan perustuvat menetelmät olettavat, että partikkeli, joka siroaa valoa on pieni ja pallomainen. Selluloosafibrillien morfologia on kuitenkin kaukana pallomaisesta. Näin ollen sameus- ja valonläpäisymittauksilla voidaan saada vain kvalitatiivisia tuloksia. Tässä työssä saatujen tulosten perusteella reologiaan ja valonsirontaan perustuvien karakterisointimenetelmien toisiaan täydentävyys jäi epäselväksi. CNF-hydrogeelien monimutkaisen morfologian vuoksi kumpaakaan menetelmää ei voida luotettavasti käyttää itsenäisenä laadunvalvontatestinä CNF-hydrogeeleistä tehdyille lääkinnällisille laitteille. Molempia menetelmiä voidaan kuitenkin käyttää arvioimaan nanoselluloosahydrogeelien laatua morfologisten ominaisuuksien kautta.

Cellulose nanomaterials (CNMs) have gained interest in various application areas, including biomedical materials, due to inherent nanoscale structural and mechanical advantages over their bulk counterparts. Undoubtedly, the nanoscale characteristics affect, for example, the performance and the biological response of the CNMs, but due to the nanoscale, they are also difficult to quantify. Additionally, despite the already commercial production of CNMs, there is still a lack of standardized characterization techniques that would fulfill the industrial requirement of fast and reliable. The aim of this thesis was to develop quality control methods for medical grade cellulose nanofibril (CNF) hydrogels. The quality control methods confirm that the produced hydrogels meet the requirements for the material specifications and that there is no batch-to-batch variability. The studied characterization methods were based on rheology and light scattering. These methods enable the characterization of the hydrogel’s structure and its behavior in practical use as well as the size of fibrils. They offer an alternative to microscopy techniques, which are often time-consuming and base the analysis only on a small portion of the sample. However, neither of the studied methods is standardized, making them difficult to use in the quality control of medical devices. Therefore, standardized measurement protocols were developed for both methods in this study. For rheology, the interest was to study the repeatability of the rheological measurements. Thus, the sample preparation and handling were standardized to control the shear history of the samples. Additionally, a new viscosity program was developed by combining both shear stress-controlled and shear rate-controlled steps as separate steps into one program. The rheological measurements were performed for stock concentration hydrogels of various dry matter contents. The development of light scattering-based methods focused on developing the dilution protocol by introducing an ultrasonicator as the mixing device. Both turbidity and light transmission were measured from 0.1 wt-% CNF dispersion diluted from various stock concentration hydrogels. The rheological measurements performed with the standardized measurement protocol showed varying repeatability, characterized by coefficient of variations (CVs). Oscillatory measurements showed good repeatability, with CVs under 10% typically. On the contrary, viscosity measurements had relatively poor repeatability. It was especially challenging to get reliable results for the zero-shear viscosities. However, the repeatability got better when the viscosity results were taken from the shear thinning regime. Based on literature, a poor correlation between turbidity and light transmission was found. The light scattering-based methods expect the scattering element to be a spherical particle. However, the morphology of cellulose fibrils is far from spherical. Thus, only qualitative results can be obtained with turbidity and light transmission measurements. Based on the results obtained here, the complementarity of the characterization methods based on rheology and light scattering remained unclear. Due to the complex morphology of CNF hydrogels, neither method could reliably be used as a stand-alone quality control test for CNF hydrogel based medical devices. However, both methods have the potential to be used to assess the quality of the CNF hydrogels through morphological properties.