توصيف أجهزة جراحة العيون اللزجة اللزجة (OVDs) باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية

مقدمة

أجهزة جراحة العيون اللزجة اللزجة (OVDs) هي محاليل أو مواد هلامية لزجة مرنة تستخدم لحماية بطانة القرنية من الصدمات الميكانيكية والحفاظ على الفراغ داخل العين أثناء جراحة العين. وعادة ما تحتوي على واحد أو أكثر من المكونات التالية؛ حمض الهيالورونيك أو ملح الصوديوم أو كبريتات الشوندروتن أو ميثيل سيليلوز. ونظراً لأن هذه المواد بوليمرية، فإنها تميل إلى أن تكون لزجة مرنة مع خصائصها التي تعتمد بشدة على عوامل مثل التركيز والوزن الجزيئي والبنية الجزيئية وكذلك التفاعلات داخل الجزيئات أو بين الجزيئات في المحلول.

يمكن تصنيف المركبات OVDs وفقًا ل "تماسكها أو تشتتها" والتي ترتبط في النهاية بخصائصها الانسيابية. والفيتامينات العضوية المتماسكة هي مواد عالية اللزوجة تلتصق ببعضها البعض من خلال الارتباطات الجزيئية. وتميل هذه المواد إلى أن يكون لها أوزان جزيئية أعلى وتكون عالية الترقق بالقص مع توتر سطحي مرتفع. وبسبب لزوجتها العالية، فإن مواد OVDs المتماسكة قادرة على الضغط على العين وخلق مساحة لإدخال الغرسة البصرية (العدسة). كما يسهل تماسكها أيضاً سهولة إزالتها في نهاية الجراحة حيث تلتصق الكتلة بأكملها معاً. وعلى النقيض من ذلك، تميل المواد المشتتة للعيون OVDs إلى أن تكون أقل في الوزن الجزيئي وأكثر نيوتونية. وتتمتع بلزوجة أقل وتوتر سطحي أقل مما يجعلها أكثر قدرة على التغطية والالتصاق بالأنسجة والأدوات الجراحية على حد سواء، كما تساعد أيضًا على تليين الغرسة البصرية أثناء الإدخال. تميل المواد OVDs المشتتة إلى أن تكون أكثر صعوبة في إزالتها بعد الجراحة بسبب سيولتها العالية. وبالإضافة إلى الفئتين اللتين تم وصفهما للتو، هناك أيضاً مزيج من موانع التشتيت البصرية التي تجمع بين خصائص التشتت والتماسك وموانع التشتيت البصرية اللزجة التي تظهر خصائص مختلفة اعتماداً على ظروف الاستخدام.

توجد الآن مواصفة قياسية دولية (ISO15798:2013) توضح بالتفصيل متطلبات توصيف هذه المواد من حيث خصائصها البيولوجية والكيميائية والفيزيائية. ولأغراض هذه المذكرة التطبيقية، نحن معنيون بقسم المواصفة القياسية الذي يتناول التوصيف الريولوجي. تنص المواصفة القياسية على أنه يجب اختبار المنتج في حالته النهائية والمعقمة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية للاختبار الريولوجي، ويتضمن اختبار القص المتذبذب والثابت على التوالي لتوصيف خصائص اللزوجة المرنة وخصائص التدفق من حيث اللزوجة الديناميكية واللزوجة المعقدة ومعاملات اللزوجة المرنة.

تُقاس اللزوجة المعقدة كدالة لتردد التذبذب باستخدام زيادات لوغاريتمية لإظهار مقاومة التدفق والتشوه في آن واحد لتركيبة OVD. يتراوح نطاق التردد المحدد بين 0.001 هرتز و1000 هرتز ولكن 0.01 هرتز إلى 100 هرتز يعتبر مقبولاً طالما أن هضبة لزوجة القص الصفرية (عند الترددات المتناقصة) يمكن الوصول إليها. سيحدث هذا عند ترددات أقل للمواد ذات اللزوجة الأعلى. في كثير من الأحيان لا يمكن تحقيق 100 هرتز على مقياس الانسيابية الدورانية بسبب قيود القصور الذاتي، وبالتالي يجب أن يهدف المرء إلى أعلى تردد يمكن تحقيقه.

يتم توصيف مرونة أو لزوجة اللزوجة من خلال G' و G" ويتم قياسها في نفس الوقت مع n* حتى تردد 100 هرتز بشكل مثالي، أو أعلى مستوى ممكن مع مراعاة قيود القصور الذاتي. يجب تقديم البيانات إما على مقياس لوغاريتمي مزدوج مقابل التردد أو كرسم بياني للمرونة المئوية مقابل لوغاريتم التردد، على سبيل المثال 100 × [G'/ (G'/ (G'+G"] مقابل لوغاريتم التردد.

بالنسبة لقياسات القص المستقر، يتراوح نطاق معدل القص المقترح من 0.001 ^ث-1 لتقريب لزوجة القص الصفرية، التي تمثل الظروف داخل الحجرة الأمامية، إلى معدل قص يبلغ 100 ^ث-1 تقريبًا، لتكرار الظروف عندما يتم حقن السائل اللزج المرن في العين من خلال قنية. يجب زيادة معدلات القص بزيادات لوغاريتمية وتقديم بيانات لزوجة القص الثابتة كدالة لمعدل القص على مقياس لوغاريتمي مزدوج. نظرًا لأن قياس السوائل منخفضة اللزوجة بمعدلات قص منخفضة يمكن أن يكون صعبًا، فإن أقل معدل قص يمكن عنده الوصول إلى لزوجة القص الصفرية يعتبر مقبولاً. تميل هضبة لزوجة القص الصفرية إلى الظهور عند معدلات قص أعلى للمواد منخفضة اللزوجة ومعدلات قص أقل للمواد عالية اللزوجة، لذا لا تكون هناك حاجة دائمًا إلى معدلات قص منخفضة. لاحظ أن لزوجة القص الصفرية الثابتة للقص يجب أن تتوافق مع القيمة المكافئة ل n* المقيسة باستخدام الاختبار التذبذبي.

تجريبي

• تم تحليل ومقارنة تركيبة OVD تحتوي على حمض الهيالورونيك بثلاثة تركيزات مختلفة 15 مجم/مل و18 مجم/مل و25 مجم/مل وفقًا للمواصفة ISO15798:2013.
• أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus مع خرطوشة صفيحة بلتيير وباستخدام نظام قياس مخروطي اللوح 4°/40 مم للقياسات التذبذبية ومخروطي اللوح 2°/20 مم لاختبارات قياس اللزوجة.
• تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع كلتا العينتين لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه. تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
• تم إجراء مسح للتردد المتحكم في الإجهاد ضمن اللزوجة اللزجة الخطية المحددة مسبقًا لتحديد G' و G' و η* كدالة للتردد.
• تم إجراء اختبار جدول توازن معدلات القص لتحديد لزوجة القص في الحالة المستقرة (الديناميكية) كدالة لمعدل القص.
• تم التوصل إلى قيم _η0 عن طريق تحليل النموذج المتقاطع ضمن برنامج rSpace

النتائج والمناقشة

اختبار التذبذب

يوضح الشكل 1 منحنيات اللزوجة المعقدة كدالة للتردد الزاوي (ω = 2πf). تُعد هذه المنحنيات نموذجية لسائل لزج مرن، حيث تكون اللزوجة المعقدة منخفضة عند الترددات العالية (أكثر مرونة) وتزداد مع انخفاض التردد حيث يتم تحويل الطاقة المرنة إلى طاقة لزجة، وتبلغ ذروتها في هضبة لزوجة ثابتة. وتظهر بداية هذه اللزوجة الثابتة أو هضبة لزوجة القص الصفرية (n*0) بوضوح في جميع العينات ذات التركيزات الأعلى ذات اللزوجة الأعلى.

ويوضح الشكل 2 منحنيات G' و G" على نفس نطاق التردد لمحاليل HA الثلاثة. عند الترددات العالية، يكون المعامل المرن G' مهيمنًا مصاحبًا لقيمة منخفضة ل n* ويتناقص مع تناقص التردد (زيادة الوقت) حيث يتم تحويل الطاقة المرنة إلى طاقة لزجة، بما يتوافق مع الزيادة في n* وهبوطها في النهاية.

يشير تقاطع G'/G" إلى الانتقال من السلوك المرن المهيمن (شبه الهلام الزائف) إلى السلوك السائل المهيمن مع عكس تردد التقاطع _1/ωc الذي يمثل أطول زمن استرخاء للمادة أو الوقت الذي يستغرقه تبديد 63% تقريبًا من الطاقة المرنة أو الإجهاد مع استرخاء البوليمر. يمكن الإشارة إلى المعامل عند نقطة التقاطع هذه باسم "معامل التقاطع" (Gc) وهو مقياس للصلابة الكلية عند هذا التردد الزاوي. كما هو الحال مع n*، فإن محاليل HA ذات أعلى تركيزات لها أكبر قيم G' عبر جميع الترددات وأيضًا أطول زمن استرخاء. ويتسق هذا مع وجود عدد أكبر من التفاعلات أو التشابكات بين الجزيئات مما يجعل هذه المواد تتصرف بمرونة أكبر لفترة أطول عند الإجهاد.

اختبار قياس اللزوجة

تظهر منحنيات التدفق في الحالة المستقرة لمحاليل HA الثلاثة في الشكل 3. جميع العينات مخففة للقص أو شبه بلاستيكية تظهر انخفاضًا في اللزوجة مع زيادة معدل القص الذي يعكس إلى حد كبير منحنيات اللزوجة المعقدة مقابل التردد الزاوي في الشكل 1. وهذا هو أحد أسباب رسم بيانات اللزوجة المعقدة مقابل التردد الزاوي، حيث إن التردد الزاوي يمكن أن يتساوى مع معدل القص وبالنسبة للأنظمة السائلة والبوليمرية البسيطة n*(ω) ≈ n(γ) حيث إن ω يميل إلى الصفر. في هذه الحالة تتفق بيانات n و n* بشكل جيد للغاية في منطقة التردد المنخفض ومعدل القص المنخفض مع قيم n0 متشابهة ونفس اتجاه التركيز.

تحليل البيانات

يمكن تقدير اللزوجة الصفرية للقص مباشرةً عن طريق أخذ نقطة واحدة أو متوسط نقاط متعددة داخل هضبة لزوجة القص الصفرية. هناك طريقة بديلة ومفضلة في كثير من الأحيان وهي تطبيق نموذج انسيابي معروف بملاءمة المنحنيات من هذا النوع بشكل جيد للغاية. وتشمل هذه النماذج نماذج Cross وCarreau المتوفرة في برنامج rSpace. يمكن تركيب هذه النماذج على كل من بيانات n*(ω) وn(γ)، طالما أن معامل الارتباط للمطابقة مرتفع. يوضح الشكل 4 نموذجًا متقاطعًا تم تركيبه على بيانات معدل اللزوجة والقص لمحلول HA 15 مجم/مل ويوضح مدى ملاءمة هذا النموذج للبيانات.

ويرد في الجدول 1 بيانات اللزوجة الصفرية للقص لجميع العينات استنادًا إلى تركيب النموذج المتقاطع لبيانات n*(ω) وn*(γ). كما تم الإبلاغ عن بيانات التحليل التبادلي الآلي لمنحنيات G' وG".

تشير القيم الأعلى لـ _n0 إلى قابلية أقل للحركة وبالتالي خصائص أكثر تماسكًا بينما تشير القيم الأقل إلى تشتت أفضل. فيما يتعلق ببيانات G' و G"، يشير انخفاض تردد التقاطع (_ωc) وارتفاع معامل التقاطع (_Gc) إلى بنية أكثر تماسكًا، بينما تشير القيمة الأعلى لـ _ωc والقيمة الأقل لـ _Gc إلى نظام أكثر تشتتًا. بشكل عام، تميل الأجسام المتشظية المتشتتة ذات اللزوجة البصرية إلى أن تكون قيم _n0 أقل من 50 باس وقيم الأجسام المتماسكة المتماسكة المتماسكة في أي مكان بين 100 و100000 باس مع هذه اللزوجة الأعلى عادةً ما ترتبط بقيم أعلى من _Gc وقيم أقل من _ωc. وفقًا لهذه المعايير، تُصنف المحاليل الثلاثة التي تم اختبارها على أنها أكثر تماسكًا من كونها مشتتة بطبيعتها.

الجدول 1: القيم المبلغ عنها لللزوجة القص الصفرية (n0) وتردد التقاطع (_ωc) ومعامل التقاطع (_Gc) بعد تركيب النموذج المتقاطع وتحليل التقاطع على التوالي

الخاتمة

تم تقييم الخواص الانسيابية لـ OVD القائم على HA في ثلاثة تركيزات مختلفة من HA وفقًا للمعيار ISO15798:2013 باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus. وشمل ذلك قياس لزوجة القص الديناميكية في الحالة المستقرة، واللزوجة المعقدة ومعاملات اللزوجة المرنة (G' و G"). تم توصيف العينات المختلفة ومقارنتها من حيث لزوجة القص الصفرية وملامح الاسترخاء على التوالي من أجل تصنيفها بشكل أفضل من حيث خصائص "التماسك والتشتت".