Dolgu Maddelerinde Reoloji

Dolgu madeleri elde ediliş kaynakları, fiziksel ve kimyasal yapıları ile çok çeşitlidir. Başta hyaluronik asit içeren dolgu maddeleri olmak üzere dolgularda ideal özellikler şekilsel özelliklerini uygulandığı alanda çevresel koşullara rağmen koruyabilmesi, uygulandığı deride içsel ve dışsal kuvvetlere karşı stabil olması, doğal estetik sonuçlar sağlayabilmeleridir. Bu dolgu çeşitliliği içerisinde hangi dolgunun hangi anatomik alanlarda seçilmesi gerektiği ve kullanım özellikleri kaos yaratmakta. Bu kaosu çözmenin yolu aslında basit temel dolgu bilgileri yani belki de dolguların matematiğidir.

Medikal estetik uygulamalarında kullanılan tüm dolguların fiziksel özellikleri reoloji bilimi ile açıklanmıştır.

Reoloji; sıvıların akış, katıların deformasyon özelliklerini tanımlayan bilim dalıdır. Rheos (iş) ve logos (bilim) kelimelerinden oluşmaktadır. Dolgu maddelerinin üretim aşamalarında, içeriklerindeki maddelerin akış özelliklerinin incelenmesinde ve maddelerin karıştırılmasında ve dolgunun dokuda kalma süresinin belirlenmesinde yani aslında ürünün tüm özelliklerinin belirlenmesinde reoloji bilimi değerlendirmeleri kullanılmaktadır. Dolgu maddelerinin reolojik özellikleri ürünün fiziksel stabilitesine, uygulandıkları dokuda davranışlarına ve biyolojik yararlanımına(uygulama sonrası doku ile uyumlu olması ve tamamen metabolize olması) etki etmektedir. Hatta dolgu maddesinin dokulara uygulanırken enjektörden geçişi ve seçilecek iğnelerin çapı bile reolojik özelliklerine bağlıdır.

Dolgu maddesi üretim aşamasında, enjektör içerisine yerleştirilmesinde, uygulama sırasında enjektör ve iğneden geçişinde, dokuya uygulandıktan sonrada yerleştirildiği anatomik bölgeye göre sıklığı ve yoğunluğu değişen deri gerilme etkisi, kas aktivitesi, yağ ve kemik dokusu gibi etkilerin zorlanmasına maruz kalmaktadır.

Bunlar dolguda kayma etkisi, dikey sıkıştırma ve germe etkileri yapmakta, dolguyu fiziksel olarak deforme etmekte hatta yapısını zorlamaktadır.

Reolojide dolgu maddeleri için bazı tanımlamalar getirilmiş. Bu tanımlar ve dolgu uygulamaları için anlamları;

Reolojik çalışmalar hyaluronik asit ve CaHA içeren dolgular için geçerlidir. Reolojik çalışmaları PLLA ve PMMA gibi dolgular için yapamıyoruz. Bu dolguların klinik etkileri sadece dolgunun fiziksel yani reolojik özelliklerine bağlı değildir. Bunların klinik etkileri yani yeni kollajen yapımı uygulamadan haftalar hatta aylar sonra ortaya çıkmaktadır. Dolayısı ile uygulama öncesi bu ürünlerin reolojik değerleri klinik sonuçları ile ilişkili değildir.

Dolgu maddelerinin viskozitesi, elastikiyeti, viskoelastikiyeti

Viskozite bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Sıvının viskozitesi arttıkça akmaya karşı direnci de artar. Dolgu maddeleri için viskoziteyi kısaca şu şekilde açıklayabiliriz;

Yüzeyi 1 cm2 ve yüksekliği 1 cm olan blok şeklinde bir dolgu maddesi düşünelim. Bu blok içerisinde dolgu molekülü birbirine paralel moleküler tabakalardan oluşmaktadır. Dolgu bloğunun en alt yüzeyinin sabit olduğunu kabul edelim. Bu bloğun üstteki tabakası belli bir yönde bir F kuvveti ile sabit bir hızla (1 cm/sn) hareket ettirildiğinde diğer alttaki moleküler tabakalarda aynı yönde hareket edecektir. Ancak bu hareketleri en alttaki sabit tabakaya uzaklıkları ile orantılı olarak azalacaktır. Bu azalmanın nedeni dolgu molekülleri arasındaki sürtünme kuvvetinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle alttaki sabit tabakaya inildikçe her tabakanın farklı hızı ve bununla ilişkili olarak farklı ivmesi olacaktır. Üst tabakalar kuvvete yakın oldukları için kuvvete paralel ve hızlı, alttaki tabakalar ise moleküler sürtünme ile ilişkili olarak daha yavaş hareket edecektir.

F kuvveti dolguda bir gerilim meydana getirecektir. Kuvvetin uygulandığı dolgu yüzeyinin alanı A ve hareketi başlatmak için gereken kuvvet de F ise, birim alana düşen kuvvet F/A olacaktır. Buna kayma gerilimi (shearing stress) denir. Bu gerilim dolgu bloğunda düzlemlerin yer değiştirmesine de neden olmaktadır. Bu dolgu bloğunun sabit olan alt tabakasının yerinde durabilmesi için uygulanan F kuvvetine ters yönde ve eşit değerde bir kuvvete ihtiyaç duyulacaktır. Dolguyu bir bütünden çok moleküler bir tabaka olarak düşünürsek tek tek tabakaların birbirine göre hareketini frenleyen bu ters kuvvete dolgunun “iç sürtünmesi veya dinamik viskozitesi (mutlak viskozite)” denir. Viskozitenin birimi uluslar arası birim sisteminde Newton/metrekare (Pascalsaniye=Pas)’dır. Daha çok mili pascalsaniye (mPas) tercih edilmektedir.

Dolgu Maddelerinde Reoloji

Dolgu maddesi yüze deri altına dokulara uygulandığında bir çok doku iç ve dış kuvvetlere maruz kalmaktadır. Mimik kaslarının çalışması, dolgu üzerinde derinin altta kemik ve yağ dokular arasında dolguya yaptığı kuvvetler gibi.

Dolgu yüzeyi boyunca etki eden kuvvetler dolguda kayma gerilimi yapmakta buda dolguda hacim aynı kalacak ancak şekli değişecek şekilde deformasyona neden olmaktadır. Bu deformasyonlar etki kuvvetinin şiddetine göre torsiyon-burulma yada yamulma şeklindedir. Yamulma deformasyonu dolgu dokuda iki farkı doku(kemik, kas gibi) arasına konulduğunda görülmektedir. Torsiyon dolgu uygulanmasında sık gözlenmez. Ancak reolojik değerlendirmelerde kullanılmaktadır.

Dolgu uygulandığı alanda sıkışma/gerilme kuvvetlerine maruz kalabilmektedir. Dolguya etki eden bu kuvvetler dolguda sıkışma ve gerilme deformasyonlarına neden olmaktadır. Bu deformasyonlarda dolgunun şekli hemen hemen aynı kalmakta fakat dolgunun boyutu değişmektedir.

Yüzün belli alanlarında uygulanan dolgu maddesi bu farklı deformasyonlara hatta bazen sadece bir tanesine diğerlerinden daha fazla maruz kalabilmektedir.

Dolgu maddeleri içerisinde en çok kullanılan hyaluronik asitler kayma deformasyonuna karşı viskoelastiktir yani hem viskoz hem de elastik özelliklerinin her ikisini de gösterirler.

Tam viskoz maddelerde ise kayma kuvveti uzun sürdüğünde kuvvet ortadan kalksa bile madde şekli eski haline dönmemektedir (Bal örneği gibi).

HA dolgular dokuya enjekte edilirken ve sonrasında kayma gerilim kuvvetlerine maruz kalmaktadır. Örneğin enjektör kanülünden geçerken yüksek kayma kuvvetine maruz kalmakta ve bu sırada tam viskoz olarak davranmakta ancak dokuya geçtiğinde dokunun kayma kuvveti az olduğu için elastik gibi davranmakta ve eski şeklini almaktadır.

HA başta olmak üzere dolgu maddeleri viskoelastiktir. Viskoelastik maddeler için reolojik olarak tanımlanan 4 ana parametre bulunmaktadır.

G*; Dolgunun genel viskoelastik özellik yada sertlik ölçüsü; aslında dolgunun elastik ve viskoz özelliklerinin bütünü. G* kayma stresi ile dolguda deformasyon gelişmesi için gerekli olan total enerjiyi temsil eder ve “complex modulus” olarak tanımlanır. Bu “dolgunun sertliği-direnci” olarak ta tanımlanır. G* pratikte çapraz bağları olan dolgunun şeklini değiştirmeye karşı ne kadar direnç gösterdiğini tanımlamaktadır. Ancak bu tanımlama HA içeren dolgunun dokuda kalma süresini temsil etmez.

G’ ; Dolgunun elastik özellik ölçüsü. “Elastik modulus” olarak tanımlanır. Dolguya kuvvet uygulandığında deforme olması ve tekrar eski şekline dönmesi sırasında dolguda biriken enerjiyi yani G* nin bir kısmını tanımlar. Tam elastik maddeler kayma deformasyon kuvvet ile şekil değiştirirler ancak kuvvet ortadan kalktığında şekilleri eski haline dönmektedir(Lastik bant gibi). Bunlarda G* hemen hemen G’ eşittir.

G’ pratik anlamda dolgunun sertliği anlamına gelmektedir. Buda klinik olarak dokuya uygulandığında derin ve orta kırışıklıklarda ne kadar etkili olabileceğini göstermektedir. Ayrıca dokuda içsel ve dışsal kuvvetler karşısında ne kadar stabil kalabildiği anlamına da gelmektedir.

G’’ ; Dolgunun viskoz özellik ölçüsü, “viscous modulus” olarak tanımlanır. Dolguya uygulanacak bir kuvvetin dolguda kalıcı yapacağı deformasyon için gerekli kuvvettir. Yanlız G’’ değeri dolgunun viskozitesini tam olarak göstermez. Dolgu maddeleri saf viskoz madde değildir. G’’ dolguya uygulanan kuvvet ortadan kalktığında dolgunun tekrar eski haline dönmeme özelliğini göstermektedir. Dolgular için pratik anlamı aşağıdaki resim ile daha kolay anlatılabilir. Tere yağ margarin ile karşılaştırıldığında G” si yüksek yani viskoz bir yapıya sahiptir. G” değeri yüksek bir dolgu maddesi enjektörden geçerken zorlanmakta, dokuya uygulandığında dokuda zor yayılmakta ve dokuya daha kalın tabakalar halinde uygulanması anlamına gelmektedir.

tan δ ; Dolgunun viskoz ve elastik özellik ölçülerinin oranıdır. tan δ = G’’ / G’. tan δ dolgu materyalinin elastisitesini göstermektedir.

tan δ değeri < 1 ise bu dolgu materyalinin elastik olduğu ve jel olarak davrandığı anlamına gelmektedir.

tan δ değeri > 1 ise bu dolgu materyalinin viskoz olduğunu bal gibi vizköz bir sıvı gibi davrandığını göstermektedir.

Çapraz bağlı HA dolgularda tan δ değeri genellikle 1 den küçüktür (0.05 ile 0.80 arasındadır). Bunun anlamı düşük kuvvetler altında jel benzeri elastik davranış göstermesi yüksek kuvvetler altında ise viskoz davranışlar göstermesidir.

Reometrik çalışmalar ile G’ ve G’’ ölçülebilir.

Small amplitude oscillatory shear (SAOS) reolojik ölçüm sistemleri dolgu maddelerinin viskoelastik özelliklerinin ölçülmesinde kullanılmaktadır. Bu sistemler hidrojel şeklinde dolgularda yapısal bozulmalar yapmaksızın küçük kuvvet değişimleri yaparak çalışmakta ve dolguların viskoelastik özelliklerinin korunduğu aralıklarda çalışmaktadır.

SAOS testleri HAAKE RheoStress 1 rheometer (from Thermo Fischer Scientific, Process Instruments, Karlsruhe, Germany) ile 25°C kullanılmaktadır. 35 mm çaplı aralıkları iki plate arasında 1 mm dir. 100 – 0.10 rad/sn kuvvet uygulanmaktadır.

Bu testte dolgu materyaline 2 plate arasında sinüzoidal deformasyon γ (sinüs dalgaları şeklinde), radial frekansta ω uygulanmaktadır. Kuvvetin uygulanmadığı ve dolguda bir cevap gelişmediği faza “geçiş fazı; δ”denilmekte. İdeal elastik yapılarda δ = 0°, likitlerde δ = 90°, visko-elastik yapılarda δ 0° ile 90° dir.

Dolgu maddelerinin G’, G” ve cohesiviti için farklı ölçüm yöntemleri kullanılmaktadır.

Dinamik oscillatory test; Bbnun için “Thermo Haake RS3000 rheometer” gibi test sistemleri kullanılmaktadır. Bu test 25°C altında yapılmakta ve 1Hz sıklığında dolgu maddesine 1 – 1400 Pa kuvet uygulanarak G’ ölçülmektedir. G’ ölçüm ve değerlendirmelerinde dolgu maddelerine sıklıkla düşük deformasyon güçleri uygulanır(5 Pa). Bu değerde dolgu maddesi viskoelastik özelileri etkilenmez.

Aşağıdaki resimde olduğu gibi 5 Pa bir kuvvet uygulandığında dolgu maddelerin G’ değerleri arasında fazla bir değişim olmamakta. Ancak 5 Pa fazla bir kuvvet uygulandığında dolgunun yapısı bozulmakta G’ değerleri düşmektedir. Buna dolgunun “Kritik değeri” denilmektedir. Kritik değerinin yüksek olması yani yüksek güçlerde dolgunun daha stabil olması beklenmektedir.

Dolgularda reolojik olarak sıkıştırma testi için Thermo Haake RS3000 reometre sistemi kullanılmaktadır. B testte 2.5 g of dolgu jeli 35 mm aralığı bulunan 2 plate arasına konulmakta. Dolgu 70% oranına kadar sıkıştırılmakta. Ve sıkışmaya karşı reolojik ölçümleri yapılmaktadır. %0-70 oranında sıkıştırma etkisine karşı dolgunun davranışına göre dolgular;

Düşük cohesivity dolgular; bunlar sıkıştırma ile kolay deforme olan zayıf dolgulardır ve çevreye yayıma özellikleri zayıftır.

Yüksek cohesivity dolgular; bunlar sıkıştırma ile zor deforme olan güçlü dolgulardır ve çevreye kolay yayılabilirler.

Aşağıda figürde bazı dolguların bu özelikleri gösterilmektedir.

Herhangi bir dolgunun etkili olabilmesi için mutlaka viskoelastik olması gerekmektedir. Dolgunun enjektör içerisinden iğne yada kanülden yüksek bir kuvvete maruz kalarak geçebilmesi ve dokuya verildiğinde de eski yapısına tekrar dönebilmesi için bu mutlaka gereklidir.

Örneğin saf elastik bir dolgu maddesinin enjektör ile dokuya uygulanması çok zordur. Bunun için çok yüksek bir kuvvete ihtiyaç vardır. Benzer şekilde saf viskoz bir dolgu maddesine stres uygulandığında stres ortadan kalksa bile dolgu maddesi geriye dönüşsüz şekil değiştirmekte ve bu şekilde kalmaktadır.

Örneğin Serum fizyolojik düşünelim. Bunda viskozite çok düşük ve sıfır elastik özeliği var. Bu dokuya enjekte edildiğinde elastikiyeti olmadığı için etkisi hemen kaybolmaktadır.

HA dolguların sertlik ve elastikiyet özelliği çapraz bağlar ile de orantılıdır.

Günümüzde kullanılan HA dolguların G’ değerleri kullanım amaçlarına göre yapım aşamasında belirlenmekte ve 10 ile 1,000 Pa arasında değişmektedir.

Aşağıda bazı sık kullanılan dolgu maddelerine ait reolojik değerler görülmektedir.

Dolgu maddelerinde yumuşak tanımının kullanılabilmesi için G’ değeri 1000 geçmemelidir. Yukardaki tabloda görüldüğü gibi G’ değerleri 1000 in altındadır.

Yukardaki tabloda görüldüğü gibi bir dolgu maddesinde HA konsantrasyonun lidokain ve diğer maddeler ile dilüe edilmesi G*,G’ ve G’’ değerlerini düşürmekte buda dolgunun daha yumuşak olmasını, yani elastik ve viskoz özelliklerinin azalmakta hatta dokuda kalma süresini bile azalmaktadır.

Dolgu maddelerinin sıkışma ve gerilme kuvvetlerine karşı uyum sağlayabilme yeteneği ve birbirine yapışma yetenekleri(Cohesivity ve Compression / Stretching)

Cohesivity dolgunun deri altına yerleştirildiğinde nasıl davranacağını göstermektedir. Bu özellik dolguda çapraz bağlı HA molekülleri arasında ilişkiye bağlıdır. Cohesivity HA dolguya kuvvet uygulandığında çapraz bağlı moleküllerinin birbirlerine ne kadar tutanabildikleri ile ilişkilidir. Bu dolguda HA konsantrasyonuna, çapraz bağlanma teknolojisine, dolgunun makro yapısına( örneğin granül yada yumuşak formda olması gibi) bağıdır.

Dolgu maddesi yüze deri altına uygulandığında sürekli sıkıştırma ve germe kuvvetlerine maruz kalmaktadır. Önemli olan dolgunun bu kuvvetlere karşı göstereceği performanstır. Örneğin dolgu olan alan uyuma sırasında yastık yüzeyi tarafından sıkıştırma/germe kuvvetine maruz kalmakta. HA dolgusunun düşük cohesivity var ise yüksek basınç ve buna eş değer kuvvetlerde özelliğini kaybetmektedir. Yukarıdaki resimde olduğu gibi HA dolgunun yüksek cohesivity var ise dokuya uygulandığında yüksek sıkıştırma kuvvetlerinde bile aynı kalmaktadır.

Aşağıdaki resimde solda çapraz bağlı HA dolgu örneği yer almakta. Bu dolgu yüksek elastikiyet gösteren(yüksek G’) süspansiyon formunda bir HA dolgusu. Mikroskobik büyütmede dolguda çapraz bağlar ile moleküller görülebilmekte. Bu dolguların cohesivitysi ve basınç altında dirençleri düşüktür. Bunun anlamı bu dolgu uygulandığı alanda sıkıştırma yada germe kuvvetlerine maruz kaldığında özelliklerini, dolgu kalınlığını ve şeklini kaybetmektedir. Hatta dolgu kuvvetler yönünde hareket edebilmektedir. Dolgunun yer değiştirmesi anlamına gelmektedir. Deride dermisin sıkı dokusal yapısı içerisinde hareket etmesi güçtür. Ancak dermis altında daha kolay çevreye yayılabilmektedir. Bu yayılmada dolgunun partikül boyutları da önemlidir.

Aşağıdaki resimde sağda çapraz bağlı farklı bir HA dolgusu yer almakta. Mikroskopik büyütmede dolguda çapraz bağlar ile moleküller görülememekte. Bu dolguların cohesivitysi daha yüksektir ve basınç altında dirençleri yüksektir. Bunun anlamı bu dolgu uygulandığı alanda sıkıştırma yada germe kuvvetlerine maruz kaldığında özelliklerini, dolgu kalınlığını ve şeklini kaybetmemektedir. Dolgu çevre dokuların yada dışarıdan gelen kuvvetlere karşı hareket etmez yani dolgu yer değiştirmez.

Dolgu Maddelerinde Reoloji

Dolguların enjektör iğnesinden geçme gücü (Extrusion Force)

Viskozite dolguya kuvvet uygulandığında akışkanlığa karşı direnci tanımlar. Dolgulara yüksek kuvvet uygulandığında viskoziteleri azalır. Extrusion kuvveti yani dolgunun iğneden yada kanülden uygulanması sırasında gerekli kuvvet dolgunun viskozitesine bağlıdır. Ayrıca iğne yada kanülün uzunluğu ve iç çapıda burada önemlidir.

Yüksek viskoz dolgular yüksek extrusion kuvveti gerektirmektedir yani bunların dokulara enjeksiyonu daha zordur. Bu zorluk uygulama sırasında daha yüksek doku hasarı anlamına gelmektedir.

Dolgularda “extrusion force” yani dolgunun enjektörde iğneden dokuya geçmesi için gerekli güç Zwick/Roell Z005, Fmax 200N test sistemi (Zwick Roell AG, Ulm, Almanya) tarafından yapılmaktadır. Bu testte 27G iğneler kullanılmaktadır.

Bu reolojik bilgilerden hangi dolguyu seçip, hangi derinlikte ve yüzün hangi anatomik alanına uygulanacağına karar verilmektedir. Çünkü yüz bölgesi kompleks ve dinamik bir yapıya sahiptir. Yüze bir dolgu uygulandığında dolguya dokular tarafından yada dışarıdan sıkıştırma/germe ve dolgu yüzeyine paralel germe kuvvetleri uygulanmaktadır. Dolgu doku içerisinde iken deri, yağ, kas ve kemik dokular tarafından gerilme ve hareket kuvvetlerine maruz kalmaktadır. Bu maruz kalınan etki dolgunun uygulandığı anatomik alana göre farkı yoğunluk ve sıklıkta olmaktadır.

Özetleyecek olur isek özellikle hyaluronik asit başta olmak üzere dolguların yapımında, seçiminde, klinik kullanımında ve klinik başarılarında dolgunun viskoelastikiyeti ve cohesivity önemli rol oynamaktadır.

Dolgu gün içerisinde mimiklerin ifadesi, çiğneme ve öpüşme ile yada gece yatarken sıkıştırma/germe ile bükme dış kuvvetlerine maruz kalmaktadır.

Yüksek elastikiyetleri G’ olan dolgularda dolgu sertliği nerede ise G* eşittir. Yüksek çapraz bağlanma nedeni ile G’’ düşüktür. Bu sert dolgular daha derin dokulara nerede ise kemik üzerine üzerine yerleştirilmelidir. Ancak böylece dokunulduğunda elle hissedilmez.

Daha düşük elastikiyeti olan yumuşak dolgular ise daha yüzeysel kırışıklık yada ince çizgilere uygulanabilir.

Dolgu maddesi yüzün orta kısmına volüm amaçlı kullanılacak ise bu alanda kasların ve dış kuvvetlerin yapacağı kuvvetlere dirençli olması bu kuvvetler karşısında şekil ve özelliklerini koruması gerekmektedir. Reolojik olarak tanımlarsak dolgu elastik modulu yani G’ güçlü olmalı yarıca kuvvetlere karşı cohensitiviy orta-yüksek arasında olmalıdır.

Dolgu eğer ince çizgiler yada derin kırışıklıklarda kullanılacak ise cohesivity si yüzün orta kısmında kullanılandan daha düşük olmalı dokular içerisine daha rahat yayılabilmelidir. Dolgunun ayrıca G* ve G’ değeri düşük-orta olmalıdır.

Dolgu maddesi yüzün alt kısımlarında kullanılacak ise bu alanın aşırı hareketli olduğu unutulmamalıdır. Burada dolgu daha derin planda subdermal yerleştirilmelidir. G’ orta olmalı buna karşın cohesivity düşük-orta olmalıdır.

Burun ve çenede bölgesinde kullanılacak ise kemik ve kas dokularının baskısı altında kalan dolgu için seçim yüksek cohesivity ve yüksek G’ şeklinde olmalıdır.

Orta-yüksek elastik gücü olan(G’) bierdolgu G’ düşük olan bir dolguya göre stres altında daha stabildir. Ancak G’ yüksek ise bu dolgunun sert olduğu anlamına gelmektedir. Buda bu dolgunun daha derine yerleştirilmesi anlamına gelmektedir.

Cohesivity yüksek olan bir dolgu yüzde daha fazla bir volüm anlamına gelmektedir.

Düşük G* dolgular daha çok yüzeysel dolgu için tercih edilmektedir. Yüksek G* dokuda volüm vermek için tercih edilmektedir. Ideal volüm için ayrıca orta-yüksek cohesivity olmalıdır.

Yapılan çalışmalarda HA dolgularda HA partikül boyutu vücutta kalma süresini etkilemez.

G’ değerleri ve cohesivity indeksleri dolgunun lift etkisini göstermektedir. Yüksek G’ ve chosivity indeks lift kapasitelerinin yüksek olduğunu göstermektedir.