填料流变学：G′、G″、粘度和内聚性的简明解释

填充剂流变学研究透明质酸凝胶在受力时如何变形和流动。

G′（储能模量）描述粘弹性响应的弹性成分，即形变过程中储存的能量；而G″（损耗模量）描述粘性或耗散成分，即耗散的能量。另一方面，粘性和内聚性描述的是不同的材料特性。

这些参数虽然至关重要，但通常是在实验条件下测量的，它们本身并不能完全预测填充物在活体组织中随时间推移的行为。

作者：Pierluigi Gigliofiorito 博士 – 米兰和卡塞塔的整形外科医生

皮埃路易吉·吉利奥菲奥里托博士是一位整形外科医生，专长于整形、重建和美容手术。他是Dr. Lips的创始人，也是G-Fill技术的发明者。

为什么实验室测量的数据并不能完全说明面部填充的效果

在选择玻尿酸填充剂时，我们越来越多地听到G′、G″、粘度、弹性、凝聚性、tan delta 和突出能力等术语。

对患者而言，这些术语可能难以理解。但对医生来说，它们却是理解即将使用的材料的重要信息。

但我们很少问自己一个问题：

这些实验室测量值究竟能多大程度上预测填充物注射到人体内后会发生什么？

答案比表面看起来要复杂得多。

流变学是了解填充剂的基本工具。但我们绝不能犯这样的错误：将单一的流变学参数直接用于预测临床表现。

原因很简单：

我们的脸不是实验室，嘴唇也不是流变仪。

什么是填料流变学？

流变学是研究材料在受力作用下如何变形和流动的学科。

玻尿酸填充剂的性质既不像固体，也不像普通液体。

它是一种粘弹性凝胶。

这意味着它既具有弹性成分，又具有粘性成分。

为了理解这一点，我们可以使用一些日常生活中常见的物品。

我们来想象一个弹性球。

我们用一只手按压它，使其变形。当我们松开压力时，它往往会恢复到原来的形状。

我们还是想想蜂蜜吧。

如果我们把它倒出来，它会流动。一旦被挤出容器，它就不会自发地回到容器里。

当然，填料也具有这两种特性，只是方式要复杂得多。

这就是G′ 和 G″发挥作用的地方。

G′（G'）：填充中的含义

G′读作“G'”，称为储能模量或弹性模量。

它代表凝胶在形变时能够弹性储存的能量分量。

我们再拿一个弹力球来。

我们把它碾压了。

它会变形。

我们把手拿开，它往往会恢复原状。

这虽然不是 G′ 的完美科学表示，但可能是理解其含义的最简单方法。

一般来说， G′ 值越高，弹性成分越大，在测量条件下凝胶抵抗变形的能力也越强。

然而，这正是最常见的误解之一的产生之处：

G′值高是否意味着填料更好？

序号

而且这也不一定意味着：

高G′值 = 更大的升力或更大的临床投射角度。

对于配方和工艺相似的填料，G′值与承载能力之间可能存在相关性。然而，当我们比较采用不同浓度、交联工艺和理化特性制成的产品时，这种关系就变得不那么明显了。

临床结果取决于多种因素同时作用。

G″（G双撇）：粘性分量

G″，读作“G双撇”，是损耗模量，或粘性模量。

事实上，当我们使粘弹性材料发生形变时，并非所有的能量都会以弹性方式守恒。

一部分能量会通过粘性现象散失。

因此我们可以记住：

G′ → 弹性储存能量

G″ → 形变过程中耗散的能量

填充物同时具备这两种特性。

这正是它被定义为粘弹性的原因。

仅此一点就能帮助我们理解，为什么像“这个填充物很硬”或“这个填充物很软”这样看似简单的表达，仅仅描述了一个更为复杂的现象的一小部分。

tan δ：G′ 与 G″ 的比值

我们可以向前迈出一小步。

报告内容：

G″ / G′

称为tan δ（tan delta）。

它有助于我们理解材料的粘性成分和弹性成分之间的关​​系。

在HA填料中，G′通常高于G″，因此tan δ通常低于1。

tan δ 值越低，弹性成分的相对优势就越大。

这是另一条有用的信息。

但再次强调：仅凭这一点不足以告诉我们临床结果会是什么。

填料粘度：以蜂蜜为例

G′ 不是粘度。

这是一个重要的区别。

将等量的水和蜂蜜倒在倾斜的表面上。

水流速度会很快。

蜂蜜的吸收速度要慢得多。

简单来说，粘度描述的是材料在受到剪切应力时抵抗流动的能力。

但是，如果加入填充物，就会发生更有趣的事情。

剪切稀化：为什么填料的行为像番茄酱

玻尿酸填充剂是非牛顿流体。

随着剪切条件的变化，它们的表观粘度不一定保持不变。

许多材料表现出一种称为剪切稀化的行为：随着剪切速率的增加，表观粘度降低。

我们来想想番茄酱。

静止时，它可能感觉非常坚硬。当受到某些压力时，它会变得更有流动性。

当然，这个例子并不能重现填充的复杂性，但它使这种现象变得显而易见。

这就直接引出了我们在治疗过程中所做的事情。

填充物通过针头时会发生什么？

在进入患者体内之前，凝胶会经历一次重大的机械过程。

必须通过：

从注射器→通过极细的针头→进入组织内。

在针管内，材料所受到的剪切条件与注射器或组织中的剪切条件截然不同。

剪切稀化行为有利于挤出成型。

但这最能教会我们一件事：

注射器中的填充物、通过针头的填充物以及刚刚注入组织的填充物，从化学角度来看都是同一种产品，但它们所处的物理条件却不同。

随着我们讨论未来几个月将发生的事情，这种区别将变得更加重要。

填料的凝聚力：以乳清干酪为例

我们又来到了另一个经常与弹性和粘度混淆的特性：内聚性。

为了理解这一点，我们取一块新鲜的乳清干酪：我们把它压实，然后开始进行加工。

乳清干酪容易碎裂。

让我们想象一种同样柔软的材料，当受到同样的操控时，它仍然保持着整体的形状。

我们看到的区别不仅仅在于材料的硬度。

关键在于它们的组成部分之间的粘合程度。

简单来说，这就是凝聚力的概念。

对于 HA 凝胶而言，内聚力描述的是帮助将材料网络保持在一起的内部力。

还有一件很有趣的事：目前还没有一种普遍适用的标准方法来衡量它。

已经提出了几种系统，包括 Gavard-Sundaram 内聚力等级、压缩试验、染料扩散和其他方法。

在最直观的测试之一中，将填料着色，挤出到水中，并进行受控搅拌：观察其保持质量的程度或分散的速度。

这已经教会了我们一条重要的规律：

当有人跟我们谈论某个填充词的“连贯性”时，接下来应该问的问题是什么？

“它是用什么方法测量的？”

两种具有相同 G′ 值的填充剂是否相同？

绝对不。

两种G′值看似相似的产品可能存在以下差异：

• 透明质酸浓度；
• 分子量分布；
• 交联的量和类型；
• 生产技术；
• 可溶性/非交联HA的含量；
• 凝聚力；
• 粘度；
• 肿胀;
• 抗降解性；
• 挤出所需的力。

还有一个问题。

G′是如何测量的？

流变学测量是通过施加一定的实验条件来进行的。

• 温度。

• 频率。

• 拉紧。

• 剪切速率。

• 流变仪的几何形状和特性。

• Preparazione del campione.

因此，不应将采用不同方法得到的两个数字视为必然相等。

为了正确比较不同的产品，最好使用标准化的、可比的实验方案。

从实验室到患者：体外流变学的局限性

现在我们终于触及问题的核心了。

所有这些测量都非常有用，正是因为它们是在受控条件下进行的。

但是当我们注射这种产品时会发生什么呢？填充物会突然进入活体生物系统。

温度发生了变化。

它存在于含有电解质、蛋白质、细胞外基质和酶的水性环境中。

它与周围组织相互作用。它吸收水分的方式取决于其自身特性。

它会受到压缩、拉伸和剪切作用。最重要的是，它会不断地处于运动状态。

我们不妨想想一天之中脸部会发生哪些变化：

我们交谈，我们微笑，我们咀嚼，我们皱眉，我们脸朝下趴在枕头上睡觉。

每个解剖区域所承受的压力都完全不同。

唇部填充剂流变学：为什么运动至关重要

想象一下往嘴唇里注射填充物。填充物并不是简单地注入体内就留在原地。

眼轮匝肌持续收缩。我们说话，我们微笑，我们吃饭，我们亲吻，我们发出成千上万个词语。

填料反复受到压缩、拉伸、剪切和多方向变形的影响。

而且这些需求每天都在发生。

不难理解，为什么材料在这些条件下的行为不能完全用在实验室台上获得的单个值来描述。

填充物会随着时间发生怎样的变化？

这或许是最引人入胜的问题。

当我们读取填料的 G′ 值时，我们是在描述该产品在特定条件和特定时间的性质。

但美容医学中常用的玻尿酸填充剂是可生物降解和可吸收的。

我们刚刚注入的材料不会永远保持不变。

天然透明质酸降解速度非常快。为了延长产品的保质期，填充剂通过交联形成三维网络，从而提高其抗降解能力。

但性能退化并没有消除，只是减缓了。

透明质酸酶和透明质酸降解

这里我们可以举另一个非常简单的例子。

让我们想象一个弹性三维网络。

只要网络连接保持完好，该结构就具有一定的机械性能。

现在让我们想象一下，我们逐渐开始切断一些连接。

网络依然存在，但它已不再是原来的网络了。

当然，这只是我们对交联透明质酸凝胶降解过程的一种极其简化的想象。

内源性透明质酸酶参与透明质酸代谢；氧化机制和其他生物过程也参与其中。该物质的链状结构和网络逐渐发生修饰和断裂。

当网络结构发生变化时，其流变特性也会发生变化。

降解过程中 G′ 和 G″ 如何变化？

这个问题比表面看起来有趣得多。

正确答案是：我们不能假设他有。

对填充物酶促降解的实验研究表明，在暴露于透明质酸酶的过程中，粘弹性参数会逐渐发生变化。

随着三维网络的降解，凝胶往往会失去其最初所具有的机械结构，G′ 和 G″ 可能会随着产物、酶的量和暴露时间的增加而降低。

所以我们不必去想象：

第 1 天的填充物 = 与第 6 个月的填充物在流变学上相同 = 只是数量较少。

情况可能远比这有趣得多。我们可以同时拥有：

更少的材料 + 改性的网络 + 更多断裂的链 + 不同的机械性能。

填充物并非只是“消失”，而是在降解过程中发生变化。

填充物在3个月、6个月或9个月后会变软吗？

这里需要格外谨慎。

体外实验表明，酶促降解过程中粘弹性会丧失，但我们不能将这些结果转化为简单的临床经验法则，例如：

“第三个月 G′ 下降 20%”或“第六个月填充物变软”。

人体的复杂程度要高得多。

降解速率取决于产品、交联程度和技术、注射量、解剖平面、部位、生物环境，以及材料所受到的机械应力。

不同产品对酶促降解的敏感性也各不相同。这是未来研究中最值得关注的领域之一。

我们不仅应该了解填充剂注射前的流变特性，还应该了解其随时间变化的流变特性。

体外流变学和体内行为摄影和电影

我们可以用一张非常简单的图片来概括这一切。

对填料进行初始流变学表征就像一张高分辨率照片：它为我们提供了有关材料在特定条件下和精确时刻的性能的宝贵信息。

但注射之后发生的事情更像是一部电影。

填充物离开注射器，穿过针头，并受到显著的剪切力作用。注入后，它进入与实验室环境截然不同的生物环境，与组织相互作用，并承受日常的压缩、牵引、剪切和运动。

然后时间就发挥作用了。

数周数月过去，透明质酸的三维网络结构会逐渐受到酶促和氧化降解过程的影响而发生改变，组织中透明质酸的含量也会随之变化，其机械性能和粘弹性也会发生变化。

因此，注射前对产品测量的 G′ 或 G″ 值代表了一个非常有用的快照，但并不一定能以相同的方式描述材料在组织中停留数月后的状态。

因此，初始流变学特征可以告诉我们历史上的一个瞬间。

填充剂的临床表现取决于整个薄膜。

所以填料流变学就没用了吗？

事实恰恰相反。流变学是必不可少的。

它能帮助医生更好地了解所使用的材料，并选择与组织、解剖层面和预期目标相符的产品。但我们必须避免将其变成一场数字游戏：

• G′值最高的填料不一定是最好的填料。

• 凝聚力最强的填充剂未必是最好的填充剂。

• 最稠的填充剂未必是最好的填充剂。

可能没有哪一项单一属性可以单独描述理想的临床行为。

重要的是产品特性与解剖结构、技术、注射方案、数量、运动、生物环境和时间的相互作用的组合。

结论：从实验室到医学

近年来，我们对填料的物理化学和流变学特性有了很多了解。

然而，科学文献仍然承认，体外获得的大量数据与我们完全预测体内性能的能力之间存在差距。

这或许是未来研究中最有趣的方向。

别光问：

“该填充物的 G′ 值是多少？”

但请扪心自问：

“这种填充物注射后会如何变化？”

当它穿过针头时会发生怎样的变化？它如何应对组织施加的力？它在像嘴唇这样高​​度活动的区域中表现如何？随着网络逐渐退化，G′、G″ 和其他特性会发生怎样的变化？我们在实验室观察到的现象有多少能够真正预测三个月、六个月或十二个月后患者身上会出现的情况？

这些问题要难得多。

但它们也可能正是让我们真正了解填充剂行为的因素。

因为玻尿酸填充剂不仅仅是装在注射器里的凝胶。

它是一种具有粘弹性、可生物降解且动态的生物材料，一旦注射，便会与同样动态的生物体展开复杂的相互作用。

决定其临床表现的，与其说是一个数字，不如说是这种相互作用。

常见问题解答：

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