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Reologia dei filler: G′, G″, viscosità e coesività spiegati semplicemente

Pierluigi Gigliofiorito

La reologia dei filler studia come un gel di acido ialuronico si deforma e scorre quando viene sottoposto a forze.

G′ (storage modulus) descrive la componente elastica della risposta viscoelastica, cioè l’energia immagazzinata durante la deformazione, mentre G″ (loss modulus) ne descrive la componente viscosa o dissipativa, cioè l’energia dissipata. Viscosità e coesività descrivono invece proprietà differenti del materiale.

Questi parametri sono fondamentali, ma vengono generalmente misurati in condizioni sperimentali e non possono, da soli, prevedere completamente il comportamento del filler nel tessuto vivo e nel tempo.

A cura del Dr. Pierluigi Gigliofiorito – Chirurgo Plastico a Milano e Caserta

Il Dr. Pierluigi Gigliofiorito è un chirurgo plastico specializzato in chirurgia plastica, ricostruttiva ed estetica. Fondatore di Dr. Lips ed ideatore della tecnica G-Fill.

Perché i numeri misurati in laboratorio non raccontano tutta la storia di un filler nel nostro viso

Quando scegliamo un filler a base di acido ialuronico sentiamo parlare sempre più spesso di G′, G″, viscosità, elasticità, coesività, tan delta e capacità di proiezione.

Per un paziente possono sembrare termini incomprensibili. Per un medico, invece, rappresentano informazioni importanti per conoscere il materiale che sta per utilizzare.

Ma c’è una domanda che raramente ci poniamo:

quanto riescono realmente questi valori, misurati in laboratorio, a prevedere quello che succederà al filler una volta iniettato in un essere umano?

La risposta è più complessa di quanto possa sembrare.

La reologia è uno strumento fondamentale per conoscere i filler. Ma non dobbiamo commettere l’errore di trasformare un singolo parametro reologico in una previsione automatica del comportamento clinico.

Per una ragione molto semplice:

il nostro viso non è un laboratorio. E un labbro non è un reometro.


Reologia dei filler di acido ialuronico: dal laboratorio alla pratica clinica
La reologia permette di caratterizzare le proprietà dei filler in laboratorio, ma il loro comportamento clinico dipende dall’interazione con i tessuti.

Che cos’è la reologia dei filler?

La reologia è la disciplina che studia come i materiali si deformano e scorrono quando vengono sottoposti a una forza.

Un filler di acido ialuronico non si comporta esattamente come un solido, ma neppure come un normale liquido.

È un gel viscoelastico.

Significa che possiede contemporaneamente una componente elastica e una componente viscosa.

Per comprenderlo possiamo utilizzare alcuni oggetti che conosciamo nella vita quotidiana.

Pensiamo a una pallina elastica.

La comprimiamo con una mano e la deformiamo. Quando togliamo la pressione, tende a recuperare la propria forma.

Pensiamo invece al miele.

Se lo versiamo, scorre. Una volta spostato non ritorna spontaneamente nel contenitore.

Un filler possiede, naturalmente in maniera molto più complessa, entrambe queste caratteristiche.

Ed è qui che entrano in gioco G′ e G″.


G′ (G prime): che cosa significa nei filler

G prime G′ e componente elastica dei filler di acido ialuronico spiegati con una pallina elastica

G′ si legge “G prime” ed è chiamato storage modulus, o modulo elastico.

Rappresenta la componente dell’energia che il gel riesce a immagazzinare elasticamente quando viene deformato.

Prendiamo nuovamente una pallina elastica.

La schiacciamo.

Si deforma.

Togliamo la mano e tende a recuperare la propria forma.

Questa non è una rappresentazione scientificamente perfetta di G′, ma è probabilmente il modo più semplice per comprenderne il significato.

In generale, maggiore è G′, maggiore è la componente elastica e la resistenza del gel alla deformazione nelle condizioni in cui viene effettuata la misurazione.

Da qui nasce però uno degli equivoci più comuni:

G′ alto significa che un filler è migliore?

No.

E non significa neppure automaticamente:

G′ alto = maggiore lifting o maggiore proiezione clinica.

All’interno di filler con formulazioni e tecnologie simili possono esistere correlazioni tra G′ e capacità di sostegno. Ma quando confrontiamo prodotti realizzati con differenti concentrazioni, tecnologie di cross-linking e caratteristiche fisicochimiche, la relazione diventa molto meno semplice.

Il risultato clinico dipende da molte proprietà contemporaneamente.


G″ (G double prime): la componente viscosa

G″, pronunciato “G double prime”, è il loss modulus, o modulo viscoso.

Quando deformiamo un materiale viscoelastico, infatti, non tutta l’energia viene conservata elasticamente.

Una parte viene dissipata attraverso i fenomeni viscosi.

Possiamo quindi ricordare:

G′ → energia immagazzinata elasticamente

G″ → energia dissipata durante la deformazione

Un filler possiede entrambe.

È proprio per questo che viene definito viscoelastico.

E già questo ci fa capire perché espressioni apparentemente semplici come “questo filler è duro” oppure “questo filler è morbido” descrivano soltanto una piccola parte di un fenomeno molto più complesso.


Tan δ: il rapporto tra G′ e G″

Possiamo fare un piccolo passo avanti.

Il rapporto:

G″ / G′

viene chiamato tan δ (tan delta).

Ci aiuta a comprendere il rapporto tra la componente viscosa e quella elastica del materiale.

Nei filler HA, G′ è generalmente superiore a G″ e tan δ è quindi solitamente inferiore a 1.

Più basso è tan δ, maggiore è relativamente la predominanza della componente elastica.

È un’altra informazione utile.

Ma ancora una volta: non è da sola sufficiente per dirci quale sarà il risultato clinico.


Viscosità dei filler: l’esempio del miele

Viscosità dei filler spiegata confrontando acqua a bassa viscosità e miele ad alta viscosità
La viscosità rappresenta la resistenza al flusso: l’acqua scorre facilmente, mentre il miele oppone una resistenza maggiore.

G′ non è la viscosità.

È una distinzione importante.

Versiamo su una superficie inclinata la stessa quantità di acqua e di miele.

L’acqua scorrerà velocemente.

Il miele molto più lentamente.

La viscosità descrive, semplificando, la resistenza di un materiale al flusso quando viene applicato uno stress di taglio.

Ma con un filler accade qualcosa di ancora più interessante.


Shear-thinning: perché il filler si comporta come il ketchup

I filler di acido ialuronico sono materiali non-Newtoniani.

La loro viscosità apparente non rimane necessariamente costante al variare delle condizioni di shear.

Molti presentano un comportamento definito shear-thinning: all’aumentare dello shear rate, la viscosità apparente diminuisce.

Pensiamo al ketchup.

A riposo può sembrare molto consistente. Quando viene sottoposto a determinate sollecitazioni, scorre più facilmente.

L’esempio non riproduce naturalmente la complessità di un filler, ma rende immediatamente comprensibile il fenomeno.

E questo ci porta direttamente a ciò che facciamo durante un trattamento.


Cosa succede al filler quando passa attraverso l’ago?

Shear thinning del filler di acido ialuronico durante il passaggio attraverso l'ago con esempio del ketchup
Nei materiali shear-thinning la viscosità apparente diminuisce all’aumentare dello shear rate, facilitando il flusso del gel attraverso l’ago.

Prima ancora di entrare nel paziente, il gel affronta un evento meccanico importante.

Deve passare:

dalla siringa → attraverso un ago molto sottile → all’interno del tessuto.

Nel lume dell’ago il materiale viene sottoposto a condizioni di shear molto differenti rispetto a quelle presenti nella siringa o nel tessuto.

Il comportamento shear-thinning facilita l’estrusione.

Ma questo ci insegna soprattutto una cosa:

il filler nella siringa, il filler che sta attraversando l’ago e il filler appena depositato nel tessuto sono chimicamente lo stesso prodotto, ma stanno vivendo condizioni fisiche differenti.

E questa distinzione diventerà ancora più importante quando parleremo di ciò che accade nei mesi successivi.


Coesività dei filler: l’esempio della ricotta

Coesività dei filler spiegata con l'esempio di ricotta e mozzarella sottoposte a deformazione
Un’analogia quotidiana per comprendere la coesività: materiali diversi possono frammentarsi oppure mantenere maggiormente la propria integrità durante la manipolazione.

Arriviamo a un’altra caratteristica frequentemente confusa con elasticità e viscosità: la coesività.

Per capirla prendiamo una ricotta fresca: la comprimiamo e iniziamo a manipolarla.

La ricotta tende a frammentarsi.

Immaginiamo invece un materiale altrettanto morbido che, sottoposto alla stessa manipolazione, continui maggiormente a rimanere come un’unica massa.

La differenza che stiamo osservando non riguarda semplicemente quanto i materiali siano duri.

Riguarda quanto le loro componenti tendano a rimanere unite tra loro.

Questo è, semplificando, il concetto di coesività.

Per un gel di HA la coesività descrive le forze interne che contribuiscono a mantenere insieme il network del materiale.

Ed ecco una cosa interessante: non esiste ancora un unico metodo universalmente standardizzato per misurarla.

Sono stati proposti diversi sistemi, tra cui la Gavard-Sundaram Cohesivity Scale, test di compressione, diffusione di colorante e altri metodi.

In uno dei test più intuitivi il filler viene colorato, estruso in acqua e sottoposto ad agitazione controllata: si osserva quanto riesca a mantenersi come massa oppure quanto rapidamente si disperda.

Già questo ci insegna una regola importante:

quando qualcuno ci comunica “la coesività” di un filler, la domanda successiva dovrebbe essere:

“Con quale metodo è stata misurata?”


Due filler con lo stesso G′ sono uguali?

Assolutamente no.

Due prodotti con valori di G′ apparentemente simili possono differire per:

  • concentrazione di acido ialuronico;
  • distribuzione dei pesi molecolari;
  • quantità e tipo di cross-linking;
  • tecnologia produttiva;
  • quota di HA solubile/non cross-linkato;
  • coesività;
  • viscosità;
  • swelling;
  • resistenza alla degradazione;
  • forza necessaria per l’estrusione.

E c’è un ulteriore problema.

Come è stato misurato quel G′?

La misurazione reologica viene effettuata imponendo determinate condizioni sperimentali.

  • Temperatura.
  • Frequenza.
  • Strain.
  • Shear rate.
  • Geometria e caratteristiche del reometro.
  • Preparazione del campione.

Due numeri ottenuti con metodologie differenti non dovrebbero quindi essere confrontati come se fossero necessariamente equivalenti.

Per confrontare correttamente prodotti differenti sarebbe preferibile utilizzare protocolli sperimentali standardizzati e comparabili.


Dal laboratorio al paziente: i limiti della reologia in vitro

Ed eccoci al cuore della questione.

Tutte queste misurazioni sono estremamente utili proprio perché vengono effettuate in condizioni controllate.

Ma cosa succede quando iniettiamo il prodotto? Il filler entra improvvisamente in un sistema biologico vivo.

La temperatura cambia.

Si trova in un ambiente acquoso contenente elettroliti, proteine, matrice extracellulare ed enzimi.

Interagisce con i tessuti circostanti. Assorbe acqua in misura dipendente dalle proprie caratteristiche.

È sottoposto a compressione, stretching e shear. E soprattutto viene sottoposto continuamente al movimento.

Pensiamo semplicemente a ciò che accade nel viso durante una giornata:

Parliamo. Sorridiamo. Mastichiamo. Aggrottiamo la fronte. Dormiamo appoggiando il viso sul cuscino.

E ogni area anatomica presenta sollecitazioni completamente differenti.


Reologia dei filler labbra: perché il movimento conta

Pensiamo a un filler iniettato nelle labbra. Il prodotto non viene semplicemente depositato e lasciato immobile.

Il muscolo orbicolare si contrae continuamente. Parliamo. Sorridiamo. Mangiamo. Baciamo. Pronunciamo migliaia di parole.

Il filler viene sottoposto ripetutamente a compressione, trazione, shear e deformazioni multidirezionali.

E queste sollecitazioni avvengono giorno dopo giorno.

È intuitivo comprendere perché il comportamento di un materiale in queste condizioni non possa essere completamente descritto da un singolo valore ottenuto sul banco di laboratorio.


Come cambia un filler nel tempo?

Degradazione del filler di acido ialuronico nel tempo e modificazione delle proprietà viscoelastiche
La degradazione enzimatica e ossidativa modifica progressivamente il network dell’acido ialuronico: con la struttura possono cambiare anche le proprietà viscoelastiche del gel.

Questa è probabilmente la questione più affascinante.

Quando leggiamo il G′ di un filler stiamo descrivendo le proprietà di quel prodotto in determinate condizioni e in quel momento.

Ma i filler di acido ialuronico utilizzati comunemente in medicina estetica sono biodegradabili e riassorbibili.

Il materiale che abbiamo appena iniettato non rimarrà identico per sempre.

L’acido ialuronico naturale sarebbe degradato molto rapidamente. Proprio per aumentare la durata del prodotto, nei filler viene creato un network tridimensionale attraverso il cross-linking, che aumenta la resistenza alla degradazione.

Ma la degradazione non viene eliminata. Viene rallentata.


Ialuronidasi e degradazione dell’acido ialuronico

Qui possiamo fare un altro esempio molto semplice.

Immaginiamo una rete tridimensionale elastica.

Finché le connessioni della rete rimangono integre, la struttura possiede determinate proprietà meccaniche.

Adesso immaginiamo di iniziare progressivamente a tagliare alcune delle connessioni.

La rete esiste ancora. Ma non è più esattamente la stessa rete.

È questo, naturalmente in maniera estremamente semplificata, ciò che dobbiamo immaginare durante la degradazione di un gel cross-linkato di acido ialuronico.

Le ialuronidasi endogene partecipano al metabolismo dell’HA; inoltre sono coinvolti meccanismi ossidativi e altri processi biologici. Progressivamente le catene e il network del materiale vengono modificati e frammentati.

E quando cambia la struttura del network, possono cambiare anche le sue proprietà reologiche.


Come cambiano G′ e G″ durante la degradazione?

Questa è una domanda molto più interessante di quanto sembri.

La risposta corretta è: non possiamo assumere che lo abbia.

Gli studi sperimentali sulla degradazione enzimatica dei filler mostrano che, durante l’esposizione alla ialuronidasi, i parametri viscoelastici cambiano progressivamente.

Con la degradazione della rete tridimensionale il gel tende a perdere la struttura meccanica che possedeva inizialmente, e G′ e G″ possono diminuire in funzione del prodotto, della quantità di enzima e del tempo di esposizione.

Quindi non dobbiamo immaginare:

filler al giorno 1 = stesso materiale reologicamente al mese 6 = semplicemente meno quantità.

La situazione può essere molto più interessante. Potremmo avere contemporaneamente:

meno materiale + network modificato + catene più frammentate + differenti proprietà meccaniche.

Il filler non sta necessariamente soltanto “scomparendo”. Sta cambiando mentre viene degradato.


Dopo 3, 6 o 9 mesi il filler diventa più morbido?

Qui è necessaria molta cautela.

Gli esperimenti in vitro mostrano una perdita delle proprietà viscoelastiche durante la degradazione enzimatica, ma non possiamo trasformare quei risultati in una semplice regola clinica del tipo:

“al terzo mese G′ diminuisce del 20%” oppure “al sesto mese il filler diventa morbido”.

L’organismo umano è enormemente più complesso.

La velocità di degradazione dipende dal prodotto, dal grado e dalla tecnologia di cross-linking, dalla quantità iniettata, dal piano anatomico, dalla sede, dall’ambiente biologico e presumibilmente anche dalle sollecitazioni meccaniche alle quali il materiale viene sottoposto.

Prodotti diversi mostrano inoltre differente suscettibilità alla degradazione enzimatica. Ed è proprio questa una delle aree più interessanti per la ricerca futura.

Non dovremmo conoscere soltanto la reologia del filler prima dell’iniezione. Dovremmo conoscere la sua reologia nel tempo.


Reologia in vitro e comportamento in vivo: la fotografia ed il film

Possiamo riassumere tutto con un’immagine molto semplice.

La caratterizzazione reologica iniziale di un filler è come una fotografia ad altissima definizione: ci fornisce informazioni preziose sulle proprietà del materiale in determinate condizioni e in un preciso momento.

Ma quello che accade dopo l’iniezione assomiglia molto di più a un film.

Il filler parte dalla siringa, attraversa l’ago ed è sottoposto a importanti forze di shear. Una volta depositato, entra in un ambiente biologico completamente diverso da quello del laboratorio, interagisce con i tessuti e viene sottoposto quotidianamente a compressione, trazione, shear e movimento.

Poi entra in gioco il tempo.

Passano settimane e mesi. Il network tridimensionale dell’acido ialuronico viene progressivamente modificato dai processi di degradazione enzimatica e ossidativa e, insieme alla quantità di prodotto presente nel tessuto, possono modificarsi anche le sue proprietà meccaniche e viscoelastiche.

Per questo il valore di G′ o G″ misurato sul prodotto prima dell’iniezione rappresenta una fotografia molto utile, ma non necessariamente descrive allo stesso modo quel materiale dopo mesi di permanenza nel tessuto.

La reologia iniziale ci racconta quindi un momento della storia.

Il comportamento clinico del filler dipende dall’intero film.


Allora la reologia dei filler non serve?

È vero esattamente il contrario. La reologia è indispensabile.

Permette al medico di comprendere meglio i materiali che utilizza e di scegliere un prodotto coerente con il tessuto, il piano anatomico e l’obiettivo che vuole raggiungere. Ma dobbiamo evitare di trasformarla in una gara tra numeri:

  • Il filler con G′ maggiore non è necessariamente il filler migliore.
  • Il filler più coesivo non è necessariamente il filler migliore.
  • Il filler più viscoso non è necessariamente il filler migliore.

Non esiste probabilmente un’unica proprietà che possa descrivere da sola il comportamento clinico ideale.

Quello che conta è la combinazione delle caratteristiche del prodotto e la loro interazione con anatomia, tecnica, piano di iniezione, quantità, movimento, ambiente biologico e tempo.


Conclusioni: dal laboratorio alla medicina

Negli ultimi anni abbiamo imparato moltissimo sulla caratterizzazione fisicochimica e reologica dei filler.

La letteratura scientifica, tuttavia, riconosce ancora una distanza tra l’abbondanza dei dati ottenuti in vitro e la nostra capacità di prevedere completamente la performance in vivo.

Ed è probabilmente proprio questa la direzione più interessante della ricerca futura.

Non limitarci a domandare:

“Qual è il G′ di questo filler?”

ma chiederci:

“Come evolve questo filler una volta iniettato?”

Come cambia quando attraversa l’ago? Come reagisce alle forze esercitate dai tessuti? Come si comporta in una regione estremamente mobile come il labbro? Come cambiano G′, G″ e le altre proprietà mentre il network viene progressivamente degradato? E quanto di ciò che osserviamo in laboratorio riesce realmente a predire quello che vedremo nel paziente dopo tre, sei o dodici mesi?

Sono domande molto più difficili.

Ma sono probabilmente anche quelle che ci permetteranno di comprendere veramente il comportamento dei filler.

Perché un filler di acido ialuronico non è semplicemente un gel dentro una siringa.

È un biomateriale viscoelastico, biodegradabile e dinamico che, una volta iniettato, inizia una complessa interazione con un organismo altrettanto dinamico.

Ed è questa interazione, più di un singolo numero, che determina il suo comportamento clinico.


FAQ:

Che cos’è il G′ di un filler?

Il G′ (G prime), o storage modulus, descrive la componente elastica di un filler: indica quanta energia il gel riesce a immagazzinare elasticamente quando viene sottoposto a una deformazione. In termini semplici, possiamo immaginarlo come una pallina elastica che viene compressa e tende a recuperare la propria forma. Un G′ più elevato indica una maggiore predominanza della risposta elastica nelle specifiche condizioni in cui viene effettuata la misurazione.

Un filler con G′ più alto è necessariamente migliore?

No. Un G′ più alto non significa automaticamente un filler migliore, né garantisce da solo maggiore proiezione, sostegno o durata. Il comportamento clinico dipende dall’insieme delle caratteristiche del gel — tra cui G′, G″, viscosità, coesività, concentrazione e caratteristiche dell’HA, tecnologia di cross-linking e swelling — ma anche dall’area anatomica, dal piano e dalla tecnica di iniezione. Inoltre, valori di G′ ottenuti con protocolli sperimentali differenti non sono sempre direttamente confrontabili.

Qual è la differenza tra viscosità e coesività di un filler?

Sono due proprietà differenti. La viscosità descrive la resistenza del materiale al flusso: possiamo intuitivamente pensare alla differenza tra acqua e miele. La coesività, invece, riguarda quanto le componenti del gel tendono a rimanere unite tra loro. Un esempio semplice è una ricotta che, manipolata, tende a frammentarsi rispetto a un materiale morbido che rimane maggiormente unito. Un filler può quindi avere determinate caratteristiche di viscosità senza avere necessariamente la stessa coesività.

La reologia del filler cambia dopo l’iniezione?

Potenzialmente sì. I valori reologici riportati per un filler descrivono il prodotto in specifiche condizioni sperimentali. Una volta iniettato, il gel entra invece in un ambiente biologico, a temperatura corporea, interagisce con acqua, elettroliti, proteine e matrice extracellulare ed è sottoposto a differenti forze meccaniche. Con il passare del tempo intervengono inoltre processi di degradazione. Per questo non possiamo assumere che le proprietà reologiche iniziali rimangano identiche durante tutta la permanenza del filler nel tessuto.

Cosa succede a G′ e G″ quando il filler viene degradato?

Durante la degradazione viene progressivamente modificato il network tridimensionale dell’acido ialuronico cross-linkato. Studi sperimentali con ialuronidasi mostrano che questo processo può determinare una progressiva riduzione dei parametri viscoelastici, compresi G′ e G″, con modalità e velocità differenti a seconda del prodotto e delle condizioni sperimentali. Questo significa che il filler non deve essere immaginato semplicemente come una quantità di gel che diminuisce nel tempo: mentre viene degradato, possono modificarsi anche le sue proprietà meccaniche.

Dopo 3, 6 o 9 mesi un filler diventa più morbido?

Non possiamo stabilirlo semplicemente sulla base del tempo trascorso. Gli studi in vitro mostrano che la degradazione del network può comportare una perdita progressiva delle proprietà viscoelastiche, ma non esiste una regola universale che permetta di dire che a un determinato mese un filler abbia uno specifico G′ o sia diventato necessariamente “più morbido”. La cinetica in vivo dipende dal tipo di filler, dal cross-linking, dalla sede anatomica, dall’ambiente biologico e da numerose altre variabili.

Perché la reologia misurata in laboratorio non basta a prevedere il risultato clinico?

Perché un laboratorio utilizza condizioni controllate e riproducibili, mentre il filler nel paziente si trova all’interno di un sistema biologico dinamico. Temperatura, idratazione, tessuti circostanti, movimento muscolare, compressione, stretching, shear e progressiva degradazione possono influenzarne il comportamento. La reologia rimane quindi fondamentale per conoscere il prodotto, ma nessun singolo parametro può descrivere da solo ciò che accadrà clinicamente.

Perché la reologia è particolarmente importante nei filler delle labbra?

Le labbra sono una delle regioni più dinamiche del volto. Parlare, sorridere, mangiare e baciare comportano continue contrazioni dell’orbicolare e deformazioni dei tessuti. Un filler labiale è quindi sottoposto ripetutamente a compressione, trazione e shear. Per questo, oltre alle caratteristiche reologiche iniziali del prodotto, è importante considerare come il materiale interagisca con un tessuto estremamente mobile nel corso del tempo.

La coesività di un filler può essere confrontata semplicemente tra marche diverse?

Non sempre. A differenza di altri parametri, per la coesività sono stati proposti diversi metodi di valutazione e non esiste un unico test universalmente standardizzato. Per confrontare correttamente due prodotti è quindi necessario conoscere il metodo con cui la coesività è stata misurata. Un valore o una classificazione riportati da produttori o studi differenti non dovrebbero essere automaticamente considerati equivalenti.

Qual è quindi il filler migliore?

Non esiste un filler universalmente “migliore”. Esiste piuttosto un prodotto con caratteristiche più o meno adatte a uno specifico paziente, una determinata area anatomica, un particolare piano di iniezione e uno specifico obiettivo clinico. La conoscenza della reologia aiuta il medico a scegliere consapevolmente il materiale, ma deve essere integrata con anatomia, esperienza clinica e corretta tecnica di iniezione.

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