Freeze-drying microscopy in mathematical modeling of a biomaterial freeze-drying

Abstract

Transplantation brings hope for many patients. A multidisciplinary approach on this field aims at creating biologically functional tissues to be used as implants and prostheses. The freeze-drying process allows the fundamental properties of these materials to be preserved, making future manipulation and storage easier. Optimizing a freeze-drying cycle is of great importance since it aims at reducing process costs while increasing product quality of this time-and-energy-consuming process. Mathematical modeling comes as a tool to help a better understanding of the process variables behavior and consequently it helps optimization studies. Freeze-drying microscopy is a technique usually applied to determine critical temperatures of liquid formulations. It has been used in this work to determine the sublimation rates of a biological tissue freeze-drying. The sublimation rates were measured from the speed of the moving interface between the dried and the frozen layer under 21.33, 42.66 and 63.99 Pa. The studied variables were used in a theoretical model to simulate various temperature profiles of the freeze-drying process. Good agreement between the experimental and the simulated results was found.Uniterms: Freeze-drying microscopy. Bovine pericardium. Mathematical modeling.A prática da transplantação traz esperança para muitos pacientes. Uma visão multidisciplinar nessa área visa à produção de tecidos biológicos para serem utilizados como implantes e próteses. A liofilização é um processo de secagem que preserva características essenciais desses materiais, facilitando sua manipulação e armazenamento. A liofilização é um processo que requer muito tempo e energia e sua otimização é muito importante, pois permite reduzir custos de processo melhorando a qualidade do produto. A modelagem matemática é uma ferramenta que permite descrever o comportamento do produto durante o processo e, consequentemente, auxilia os estudos de otimização. Microscopia óptica acoplada à liofilização, uma técnica usualmente aplicada na determinação de temperaturas críticas de formulações líquidas, foi utilizada neste trabalho na determinação de taxas de sublimação da liofilização de um tecido biológico. As taxas de sublimação foram calculadas a partir da velocidade da interface entre a camada seca e congelada, sob pressões de 21,33, 42,66 e 63,99 Pa. As variáveis estudadas foram usadas em um modelo matemático teórico, que simula os perfis de temperatura do produto durante o ciclo de liofilização. Os resultados apresentados demonstraram boa relação entre os dados experimentais e simulados.Unitermos: Microscopia óptica acoplada à liofilização. Pericárdio bovino. Modelagem matemática.