Въведение
Офталмологичните вискохирургични устройства (ОВУ) са вискоеластични разтвори или гелове, използвани за защита на роговичния ендотел от механични травми и за поддържане на вътреочното пространство по време на очна операция. Обикновено те съдържат един или повече от следните компоненти: хиалуронова киселина или нейната натриева сол, хондроитин сулфат или метилцелулоза. Тъй като тези материали са полимерни, те обикновено са вискоеластични, като свойствата им силно зависят от фактори като концентрация, молекулно тегло и молекулна структура, както и от вътрешно- или междумолекулните взаимодействия в разтвора.
ОВД могат да бъдат класифицирани в зависимост от тяхната "кохезия или дисперсност", които в крайна сметка са свързани с техните реологични свойства. Кохезивните ОВД са материали с висок вискозитет, които се придържат един към друг чрез молекулярни асоциации. Те обикновено имат по-високи молекулни тегла и са силно разредени на срязване с високо повърхностно напрежение. Поради високия си вискозитет кохезивните ОВД са в състояние да притиснат окото и да създадат пространство за поставяне на оптичния имплант (леща). Тяхната кохезивност също така улеснява лесното отстраняване в края на операцията, тъй като цялата маса се слепва. За разлика от тях, дисперсните ОВД са с по-ниско молекулно тегло и са по-нютонови. Те имат по-нисък вискозитет и по-ниско повърхностно напрежение, което ги прави по-способни да покриват и прилепват както към тъканите, така и към хирургическите инструменти, а също така помагат за смазването на оптичния имплант по време на поставянето му. Дисперсните ОВД обикновено са по-трудни за отстраняване след операция поради по-високата си течливост. В допълнение към двата току-що описани класа съществуват и комбинирани ОВД, които включват дисперсни и кохезивни свойства, и виско-адаптивни ОВД, които проявяват различни свойства в зависимост от условията на употреба.
Вече има международен стандарт (ISO15798:2013), в който подробно са описани изискванията за характеризиране на тези материали по отношение на техните биологични, химични и физични характеристики. За целите на настоящата приложна бележка се занимаваме с раздела от стандарта, който се отнася до реологичното характеризиране. Стандартът гласи, че продуктът трябва да бъде тестван в готово и стерилизирано състояние при 25°C за реологично изпитване и включва съответно осцилаторно и стационарно изпитване на срязване за характеризиране на вискозно-еластичните характеристики и характеристиките на потока по отношение на динамичния вискозитет, комплексния вискозитет и вискозно-еластичния модул.
Комплексният вискозитет се измерва като функция на честотата на трептене, като се използват логаритмични стъпки, за да се демонстрира едновременно устойчивостта на течливост и деформация на формулата на OVD. Посоченият честотен диапазон е между 0,001 Hz и 1000 Hz, но от 0,01 Hz до 100 Hz се счита за приемлив, стига да е достъпно платото на нулевия вискозитет на срязване (при намаляващи честоти). Това ще се случи при по-ниски честоти за материали с по-висок вискозитет. Често не е възможно да се постигне честота от 100 Hz на ротационен реометър поради инерционни ограничения и следователно трябва да се търси най-високата постижима честота.
Еластичността или вискоеластичността на ОВД се характеризира чрез G' и G" и се измерва едновременно с n* до честота от 100 Hz в идеалния случай или колкото е възможно по-висока, като се имат предвид ограниченията на инерцията. Данните трябва да се представят или в двойна логаритмична скала спрямо честотата, или като графика на процентната еластичност спрямо логаритмичната честота, например като 100 × [G'/ (G'+G"] спрямо логаритмичната честота.
За измервания на стабилно срязване, предложеният диапазон на скоростта на срязване е от 0,001 s-1, за да се доближи до нулевия вискозитет на срязване, представителен за условията в предната камера, до скорост на срязване от приблизително 100 s-1, за да се възпроизведат условията, когато вискоеластичната течност се инжектира в окото през канюла. Скоростите на срязване трябва да се увеличават с логаритмични стъпки и данните за устойчивия вискозитет на срязване да се представят като функция на скоростта на срязване в двойна логаритмична скала. Тъй като измерването на течности с нисък вискозитет при ниски скорости на срязване може да бъде проблематично, най-ниската скорост на срязване, при която може да се постигне нулев вискозитет на срязване, се счита за приемлива. Платото на нулевия вискозитет на срязване има тенденция да се появява при по-високи скорости на срязване за материали с нисък вискозитет и по-ниски скорости на срязване за материали с висок вискозитет, така че не винаги са необходими ниски скорости на срязване. Обърнете внимание, че вискозитетът на нулево срязване при стабилно срязване трябва да съответства на еквивалентната стойност на n*, измерена чрез осцилационно изпитване.
Експериментален
- Формула на OVD, съдържаща хиалуронова киселина в три различни концентрации 15 mg/ml, 18 mg/ml и 25 mg/ml, е анализирана и сравнена в съответствие с ISO15798:2013.
- Измерванията с ротационен реометър са извършени с помощта на ротационен реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и използване на измервателна система с конусовидна плоча 4°/40 mm за осцилационни измервания и конусовидна плоча 2°/20 mm за вискозитетни тестове.
- Използвана е стандартна последователност на зареждане, за да се гарантира, че и двете проби са подложени на последователен и контролируем протокол на зареждане. Всички реологични измервания са извършени при 25°C.
- Извършено е контролирано от деформацията честотно размахване в рамките на предварително определената линейна вискозоеластичност, за да се определят G', G" и η* като функция на честотата.
- Извършено е изпитване на равновесната таблица на скоростите на срязване, за да се определи устойчивият (динамичен) вискозитет на срязване като функция на скоростта на срязване.
- Стойностите на η0 бяха получени чрез кръстосан моделен анализ в рамките на софтуера rSpace
Резултати и обсъждане
Изпитване на осцилации
Комплексните криви на вискозитета като функция на ъгловата честота (ω = 2πf) са показани на фигура 1. Тези криви са типични за вискоеластичен флуид, при който при високи честоти комплексният вискозитет е нисък (по-еластичен) и се увеличава с намаляване на честотата, тъй като еластичната енергия се превръща във вискозна, като кулминацията е плато с постоянен вискозитет. Началото на това плато с постоянен вискозитет или вискозитет при нулево срязване (n*0) е ясно видимо за всички проби, като по-високите концентрации имат по-висок вискозитет.
На фигура 2 са показани кривите G' и G" в същия честотен диапазон за трите разтвора на HA. При високи честоти еластичният модул G' е доминиращ, съпътстван от ниска стойност на n* и намалява с намаляване на честотата (увеличаване на времето), тъй като еластичната енергия се превръща във вискозна, което съответства на увеличаването и евентуалното плато на n*.
Преходът G'/G" показва преход от доминиращо еластично (псевдогелообразно) поведение към доминиращо течно поведение, като обратната честота на прехода 1/ωc представлява най-дългото време за релаксация на материала или времето, необходимо за разсейване на около 63 % от еластичната енергия или напрежението при релаксация на полимера. Модулът в тази точка на кръстосване може да се нарече "модул на кръстосване" (Gc) и е мярка за общата твърдост при тази ъглова честота. Както и при n*, разтворите на HA с най-високи концентрации имат най-големи стойности на G' при всички честоти, а също и най-дълго време за релаксация. Това е в съответствие с по-големия брой междумолекулни взаимодействия или заплитания, които карат тези материали да се държат по-еластично за по-дълго време при натоварване.
Вискометрично изпитване
Кривите на потока в стабилно състояние за трите разтвора на HA са показани на фигура 3. Всички проби са изтъняващи при срязване или псевдопластични, показващи спад на вискозитета с увеличаване на скоростта на срязване, което до голяма степен отразява комплексните криви на вискозитета спрямо ъгловата честота на фигура 1. Това е една от причините, поради които данните за комплексния вискозитет се нанасят спрямо ъгловата честота, тъй като ъгловата честота може да бъде изравнена със скоростта на срязване и за прости течни и полимерни системи n*(ω) ≈ n(γ), тъй като ω клони към нула. В този случай данните за n и n* съвпадат много добре в областта на ниската честота и ниската скорост на срязване със сравними стойности на n0 и еднаква тенденция на концентрацията.
Анализ на данните
Вискозитетът при нулево срязване може да се оцени директно, като се вземе една точка или средна стойност от няколко точки в рамките на платото на вискозитета при нулево срязване. Алтернативен и често предпочитан метод е прилагането на реологичен модел, за който е известно, че се вписва много добре в криви от този тип. Тези модели включват моделите на Крос и Каро, които са налични в софтуера rSpace. Те могат да се приложат както към данни n*(ω), така и към данни n(γ), стига корелационният коефициент на прилягане да е висок. На фигура 4 е показан модел на Крос, съобразен с данните за вискозитета и скоростта на срязване за разтвор на 15 mg/ml HA, и е демонстрирано колко добре този модел съответства на данните.
Нулевият вискозитет на срязване за всички проби, основан на кръстосано напасване на моделите n*(ω) и n*(γ), е посочен в таблица 1. Отчетени са и данните от автоматичния кръстосан анализ за кривите G' и G".
По-високите стойности на n0 показват по-ниска подвижност и следователно по-кохезионни свойства, докато по-ниските стойности показват по-добра дисперсност. По отношение на данните за G' и G", по-ниска честота на кръстосване (ωc) и по-висок модул на кръстосване (Gc) биха показали по-кохезивна структура, докато по-висока стойност на ωc и по-ниска стойност на Gc биха показали по-дисперсна система. По-общо казано, дисперсните ОВД обикновено имат стойности на n0 под 50 Pas, а кохезивните ОВД - между 100 и 100 000 Pas, като тези по-високи вискозитети обикновено се свързват с по-високи стойности на Gc и по-ниски стойности на ωc. Според този критерий трите тествани разтвора се класифицират като по-скоро кохезивни, отколкото дисперсни по природа.
Таблица 1: Съобщени стойности за нулевия вискозитет на срязване n0), честотата на кросоувър (ωc) и модула на кросоувър (Gc), получени съответно след напасване на кръстосания модел и анализ на кросоувър
| Концентрация на HA | n0 (Pa.s) | n*0 (Pa.s) | ωc(rad/s) | Gc(PA) |
|---|---|---|---|---|
| 15 mg/ml | 365 | 389 | 0.768 | 62 |
| 18 mg/ml | 623 | 660 | 0.094 | 85 |
| 25 mg/ml | 1867 | 1919 | 0.064 | 145 |
Заключение
Реологичните свойства на ОВД на основата на HA при три различни концентрации на HA бяха оценени в съответствие с ISO15798:2013 с помощта на ротационен реометър Kinexus. Това включваше измерване на динамичния вискозитет на срязване в стабилно състояние, комплексния вискозитет и вискоеластичните модули (G' и G"). Различните образци бяха характеризирани и сравнени по отношение на техните вискозитети на срязване при нулево състояние и релаксационни профили, съответно с цел по-доброто им класифициране по отношение на техните "кохезионни и дисперсни" свойства.