Úvod
Oftalmologické viskochirurgické pomůcky (OVD) jsou viskoelastické roztoky nebo gely používané k ochraně endotelu rohovky před mechanickým traumatem a k udržení nitroočního prostoru během oční operace. Obvykle obsahují jednu nebo více z následujících složek: kyselinu hyaluronovou nebo její sodnou sůl, chondroitin sulfát nebo methylcelulózu. Jelikož jsou tyto materiály polymerní, mají tendenci být viskoelastické a jejich vlastnosti silně závisí na faktorech, jako je koncentrace, molekulová hmotnost a molekulová architektura, jakož i na vnitromolekulárních a mezimolekulárních interakcích v roztoku.
OVD lze klasifikovat podle jejich "soudržnosti nebo disperznosti", které v konečném důsledku souvisejí s jejich reologickými vlastnostmi. Kohezivní OVD jsou materiály s vysokou viskozitou, které k sobě navzájem přilnou prostřednictvím molekulárních asociací. Mají obvykle vyšší molekulovou hmotnost a jsou vysoce smykově řídké s vysokým povrchovým napětím. Díky své vysoké viskozitě jsou kohezivní OVD schopny stlačit oko a vytvořit prostor pro vložení optického implantátu (čočky). Jejich soudržnost také usnadňuje snadné odstranění na konci operace, protože celá hmota drží pohromadě. Naproti tomu disperzní OVD mají obvykle nižší molekulovou hmotnost a jsou více newtonovské. Mají nižší viskozitu a nižší povrchové napětí, díky čemuž se lépe obalují a přilnou ke tkáním i chirurgickým nástrojům a také pomáhají lubrikovat optický implantát během zavádění. Disperzní OVD bývají po operaci obtížněji odstranitelné kvůli jejich vyšší tekutosti. Kromě dvou právě popsaných tříd existují také kombinované OVD, které zahrnují disperzní a kohezní vlastnosti, a viskoaditivní OVD, které vykazují různé vlastnosti v závislosti na podmínkách použití.
V současné době existuje mezinárodní norma (ISO15798:2013), která podrobně popisuje požadavky na charakterizaci těchto materiálů z hlediska jejich biologických, chemických a fyzikálních vlastností. Pro účely této aplikační poznámky se zabýváme částí normy, která se týká reologické charakterizace. Norma uvádí, že výrobek by měl být testován v hotovém a sterilizovaném stavu při teplotě 25 °C pro reologické testování a zahrnuje jak oscilační, tak ustálené smykové testování pro charakterizaci viskoelastických i tokových charakteristik z hlediska dynamické viskozity, komplexní viskozity a viskoelastických modulů.
Komplexní viskozita se měří jako funkce frekvence oscilací s použitím logaritmických přírůstků, aby se současně prokázala odolnost vůči toku a deformaci složení OVD. Stanovený frekvenční rozsah je od 0,001 Hz do 1 000 Hz, ale 0,01 Hz až 100 Hz se považuje za přijatelný, pokud je přístupná nulová plošina smykové viskozity (při klesajících frekvencích). U materiálů s vyšší viskozitou k tomu dojde při nižších frekvencích. Často není možné dosáhnout 100 Hz na rotačním reometru kvůli setrvačným omezením, a proto je třeba usilovat o nejvyšší dosažitelnou frekvenci.
Pružnost nebo viskoelasticita OVD se charakterizuje pomocí G' a G" a měří se současně s n* až do frekvence 100 Hz v ideálním případě nebo tak vysoké, jak je to možné s ohledem na setrvačná omezení. Údaje by se měly prezentovat buď v dvojnásobné logaritmické stupnici v závislosti na frekvenci, nebo jako graf procentuální elasticity v závislosti na logaritmické frekvenci, například jako 100 × [G'/ (G'+G"] v závislosti na logaritmické frekvenci.
Pro měření ustáleného smyku se navrhuje rozsah smykové rychlosti od 0,001 s-1, aby se přiblížila nulové smykové viskozitě, která je reprezentativní pro podmínky v přední komoře, až po smykovou rychlost přibližně 100 s-1, aby se napodobily podmínky, kdy je viskoelastická tekutina vstřikována do oka kanylou. Smykové rychlosti by se měly zvyšovat v logaritmických krocích a údaje o ustálené smykové viskozitě by se měly prezentovat jako funkce smykové rychlosti na dvojité logaritmické stupnici. Protože měření nízkoviskózních kapalin při nízkých smykových rychlostech může být problematické, považuje se za přijatelnou nejnižší smyková rychlost, při které lze dosáhnout nulové smykové viskozity. Plošina nulové smykové viskozity má tendenci se objevovat při vyšších smykových rychlostech u materiálů s nízkou viskozitou a při nižších smykových rychlostech u materiálů s vysokou viskozitou, takže nízké smykové rychlosti nejsou vždy nutné. Všimněte si, že nulová smyková viskozita při ustáleném smyku by měla odpovídat ekvivalentní hodnotě n* naměřené pomocí oscilační zkoušky.
Experimentální
- Složení OVD obsahující kyselinu hyaluronovou ve třech různých koncentracích 15 mg/ml, 18 mg/ml a 25 mg/ml bylo analyzováno a porovnáno podle normy ISO15798:2013.
- Rotační reometrická měření byla provedena pomocí rotačního reometru Kinexus s Peltierovou deskovou kazetou a s použitím měřicího systému s kuželovou deskou 4°/40 mm pro oscilační měření a kuželovou deskou 2°/20 mm pro viskozimetrické testy.
- Byla použita standardní sekvence zatěžování, aby bylo zajištěno, že oba vzorky byly podrobeny konzistentnímu a kontrolovatelnému protokolu zatěžování. Všechna reologická měření byla prováděna při teplotě 25 °C.
- Pro stanovení G', G" a η* v závislosti na frekvenci byl proveden frekvenční rozptyl řízený deformací v rámci předem stanovené lineární viskoelastiky.
- Byla provedena zkouška rovnovážné tabulky smykových rychlostí za účelem stanovení ustálené smykové (dynamické) viskozity v závislosti na smykové rychlosti.
- Hodnoty η0 byly získány pomocí křížové analýzy v rámci softwaru rSpace
Výsledky a diskuse
Testování oscilací
Křivky komplexní viskozity v závislosti na úhlové frekvenci (ω = 2πf) jsou zobrazeny na obrázku 1. Tyto křivky jsou typické pro viskoelastickou kapalinu, kde při vysokých frekvencích je komplexní viskozita nízká (více elastická) a s klesající frekvencí roste, jak se elastická energie mění na viskózní, a vrcholí na plošině konstantní viskozity. Nástup této plošky konstantní viskozity nebo nulové smykové viskozity (n*0) je jasně patrný u všech vzorků, přičemž vyšší koncentrace mají vyšší viskozitu.
Obrázek 2 ukazuje křivky G' a G" ve stejném frekvenčním rozsahu pro tři řešení HA. Při vysokých frekvencích je Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti G' dominantní, což souvisí s nízkou hodnotou n*, a s klesající frekvencí (rostoucím časem) klesá, protože elastická energie se přeměňuje na energii viskózní, což je v souladu s nárůstem a konečným plató n*.
Přechod G'/G" naznačuje přechod od dominantního elastického (pseudogelového) chování k dominantnímu kapalnému chování, přičemž inverzní frekvence přechodu 1/ωc představuje nejdelší relaxační dobu materiálu nebo dobu, za kterou se při relaxaci polymeru rozptýlí přibližně 63 % elastické energie nebo napětí. Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. Modul pružnosti v tomto bodě křížení lze označit jako "Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti při křížení" (Gc) a je mírou celkové tuhosti při této úhlové frekvenci. Stejně jako v případě n* mají roztoky HA s nejvyšší koncentrací největší hodnoty G' na všech frekvencích a také nejdelší relaxační dobu. To odpovídá většímu počtu mezimolekulárních interakcí nebo propletenců, které způsobují, že se tyto materiály při namáhání chovají déle pružně.
Viskometrické testování
Křivky toku v ustáleném stavu pro tři roztoky HA jsou uvedeny na obrázku 3. Všechny vzorky jsou smykově řídké nebo pseudoplastické a vykazují pokles viskozity s rostoucí smykovou rychlostí, což do značné míry odráží komplexní křivky viskozity v závislosti na úhlové frekvenci na obrázku 1. To je jeden z důvodů, proč jsou údaje o komplexní viskozitě vyneseny v závislosti na úhlové frekvenci, protože úhlovou frekvenci lze ztotožnit se smykovou rychlostí a pro jednoduché kapalné a polymerní systémy n*(ω) ≈ n(γ), jak ω směřuje k nule. V tomto případě se údaje n a n* velmi dobře shodují v oblasti nízkých frekvencí a nízkých smykových rychlostí se srovnatelnými hodnotami n0 a stejným trendem koncentrace.
Analýza dat
Nulovou smykovou viskozitu lze odhadnout přímo pomocí jednoho bodu nebo průměru více bodů v rámci nulové smykové viskozity. Alternativní a často upřednostňovanou metodou je použití reologického modelu, o němž je známo, že velmi dobře odpovídá křivkám tohoto typu. Mezi tyto modely patří Crossův a Carreauův model, které jsou k dispozici v softwaru rSpace. Lze je použít jak pro data n*(ω), tak pro data n(γ), pokud je korelační koeficient shody vysoký. Obrázek 4 ukazuje Crossův model přizpůsobený údajům o viskozitě a rychlosti smyku pro 15 mg/ml roztok HA a ukazuje, jak dobře tento model odpovídá údajům.
Nulová smyková viskozita pro všechny vzorky na základě křížového modelového přizpůsobení dat n*(ω) a n*(γ) je uvedena v tabulce 1. Uvedeny jsou rovněž údaje z automatizované křížové analýzy pro křivky G' a G".
Vyšší hodnoty n0 naznačují nižší pohyblivost, a tedy i koheznější vlastnosti, zatímco nižší hodnoty naznačují lepší disperznost. Pokud jde o údaje G' a G", nižší frekvence křížení (ωc) a vyšší modul křížení (Gc) by ukazovaly na soudržnější strukturu, zatímco vyšší hodnota ωc a nižší hodnota Gc by ukazovaly na disperznější systém. Obecněji mají disperzní OVD tendenci mít hodnoty n0 nižší než 50 Pas a kohezní OVD kdekoli mezi 100 a 100 000 Pas, přičemž tyto vyšší viskozity jsou obvykle spojeny s vyššími hodnotami Gc a nižšími hodnotami ωc. Podle tohoto kritéria by byly tři testované roztoky klasifikovány jako roztoky spíše kohezní než disperzní povahy.
Tabulka 1: Uváděné hodnoty nulové smykové viskozity n0), frekvence křížení (ωc) a modulu křížení (Gc) po fitování křížového modelu, resp. po analýze křížení
| Koncentrace 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 |
Závěr
Reologické vlastnosti OVD na bázi HA při třech různých koncentracích HA byly hodnoceny podle normy ISO15798:2013 pomocí rotačního reometru Kinexus. To zahrnovalo měření dynamické smykové viskozity v ustáleném stavu, komplexní viskozity a viskoelastických modulů (G' a G"). Různé vzorky byly charakterizovány a porovnány z hlediska jejich nulové smykové viskozity, resp. relaxačních profilů, aby bylo možné je lépe klasifikovat z hlediska jejich "kohezních a disperzních" vlastností.