Introduktion
Ophthalmic Viscosurgical Devices (OVD'er) er viskoelastiske opløsninger eller geler, der bruges til at beskytte hornhindeendotelet mod mekanisk traume og til at opretholde det intraokulære rum under øjenkirurgi. De indeholder normalt en eller flere af følgende komponenter: hyaluronsyre eller dens natriumsalt, chondroitinsulfat eller methylcellulose. Da disse materialer er polymere, har de tendens til at være viskoelastiske, og deres egenskaber er stærkt afhængige af faktorer som koncentration, molekylvægt og molekylær arkitektur samt intra- eller intermolekylære interaktioner i opløsning.
OVD'er kan klassificeres efter deres "kohæsivitet eller dispersivitet", som i sidste ende er relateret til deres reologiske egenskaber. Kohæsive OVD'er er materialer med høj viskositet, der klæber til hinanden gennem molekylære forbindelser. De har tendens til at have højere molekylvægt og er meget forskydningsfortyndende med høj overfladespænding. På grund af deres høje viskositet er kohæsive OVD'er i stand til at sætte øjet under tryk og skabe plads til indsættelse af det optiske implantat (linsen). Deres kohæsivitet gør det også lettere at fjerne dem efter operationen, da hele massen klæber sammen. I modsætning hertil har dispersive OVD'er en tendens til at have en lavere molekylvægt og er mere newtonske. De har lavere viskositet og lavere overfladespænding, hvilket gør dem bedre i stand til at belægge og klæbe til både væv og kirurgiske instrumenter, og de hjælper også med at smøre det optiske implantat under indsættelsen. Dispersive OVD'er har en tendens til at være sværere at fjerne efter operationen på grund af deres højere fluiditet. Ud over de to netop beskrevne klasser findes der også kombinations-OVD'er, som indeholder dispersive og kohæsive egenskaber, og viskoadaptive OVD'er, som har forskellige egenskaber afhængigt af anvendelsesbetingelserne.
Der findes nu en international standard (ISO15798:2013), som beskriver kravene til karakterisering af disse materialer med hensyn til deres biologiske, kemiske og fysiske egenskaber. I denne applikationsnote beskæftiger vi os med den del af standarden, der handler om reologisk karakterisering. Standarden siger, at produktet skal testes i færdig og steriliseret tilstand ved 25 °C til reologisk testning og involverer både oscillerende og stabil shear-testning til karakterisering af både viskoelastiske og flow-egenskaber i form af dynamisk viskositet, kompleks viskositet og viskoelastisk moduli.
Den komplekse viskositet måles som en funktion af svingningsfrekvensen ved hjælp af logaritmiske trin for samtidig at demonstrere OVD-formuleringens modstandsdygtighed over for flow og deformation. Det specificerede frekvensområde er mellem 0,001 Hz og 1000 Hz, men 0,01 Hz til 100 Hz anses for at være acceptabelt, så længe nulforskydningsviskositetsplateauet (ved aftagende frekvenser) er tilgængeligt. Dette vil forekomme ved lavere frekvenser for materialer med højere viskositet. Ofte er det ikke muligt at opnå 100 Hz på et rotationsreometer på grund af inertibegrænsninger, og derfor bør man sigte efter den højest opnåelige frekvens.
OVD'ens elasticitet eller viskoelasticitet karakteriseres gennem G' og G" og måles samtidig med n* op til en frekvens på 100 Hz ideelt set, eller så højt som det er muligt i betragtning af inertibegrænsninger. Data skal enten præsenteres på en dobbelt logaritmisk skala mod frekvens eller som et plot af procentvis elasticitet mod logfrekvens, for eksempel som 100 × [G'/ (G'+G"] mod logfrekvens.
Til målinger af stabil shear er det foreslåede shear rate-område fra 0,001 s-1 for at tilnærme sig nul shear-viskositeten, som er repræsentativ for forholdene i det forreste kammer, til en shear rate på ca. 100 s-1 for at efterligne forholdene, når den viskoelastiske væske indsprøjtes i øjet gennem en kanyle. Forskydningshastighederne skal øges i logaritmiske trin, og data for stabil forskydningsviskositet skal præsenteres som en funktion af forskydningshastigheden på en dobbeltlogaritmisk skala. Da det kan være problematisk at måle væsker med lav viskositet ved lave forskydningshastigheder, anses den laveste forskydningshastighed, hvor der kan opnås nul forskydningsviskositet, for at være acceptabel. Plateauet for nulforskydningsviskositet har en tendens til at vise sig ved højere forskydningshastigheder for materialer med lav viskositet og lavere forskydningshastigheder for materialer med høj viskositet, så lave forskydningshastigheder er ikke altid nødvendige. Bemærk, at steady shear zero shear-viskositeten skal svare til den tilsvarende værdi af n* målt ved hjælp af oscillerende test.
Eksperimentel
- En OVD-formulering indeholdende hyaluronsyre i tre forskellige koncentrationer, 15 mg/ml, 18 mg/ml og 25 mg/ml, blev analyseret og sammenlignet i henhold til ISO15798:2013.
- Der blev foretaget rotationsreometermålinger med et Kinexus rotationsreometer med en Peltier-pladepatron og et 4°/40 mm kegleplademålesystem til oscillerende målinger og en 2°/20 mm kegleplade til viskometritest.
- Der blev anvendt en standard belastningssekvens for at sikre, at begge prøver blev udsat for en ensartet og kontrollerbar belastningsprotokol. Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C.
- Et belastningskontrolleret frekvenssweep inden for den forudbestemte lineære viskoelastik blev udført for at bestemme G', G" og η* som en funktion af frekvensen.
- En ligevægtstabel med forskydningshastigheder blev udført for at bestemme den stabile forskydningsviskositet (dynamisk) som en funktion af forskydningshastigheden.
- Værdier for η0 blev opnået ved hjælp af en Cross-model-analyse i rSpace-softwaren
Resultater og diskussion
Test af oscillation
De komplekse viskositetskurver som funktion af vinkelfrekvensen (ω = 2πf) er vist i figur 1. Disse kurver er typiske for en viskoelastisk væske, hvor den komplekse viskositet ved høje frekvenser er lav (mere elastisk) og stiger med faldende frekvens, efterhånden som elastisk energi omdannes til viskøs energi, hvilket kulminerer i et plateau med konstant viskositet. Begyndelsen på dette plateau med konstant viskositet eller nulforskydningsviskositet (n*0) er tydeligt synlig for alle prøver, hvor de højere koncentrationer har højere viskositeter.
Figur 2 viser G'- og G"-kurver over det samme frekvensområde for de tre HA-opløsninger. Ved høje frekvenser er det elastiske modul G' dominerende, samtidig med en lav værdi af n*, og det falder med faldende frekvens (stigende tid), når elastisk energi omdannes til viskøs energi, hvilket stemmer overens med stigningen og det endelige plateau i n*.
G'/G"-overgangen indikerer en overgang fra elastisk dominerende (pseudo-gel-lignende) adfærd til væskedominerende adfærd, hvor den omvendte af overgangsfrekvensen 1/ωc repræsenterer materialets længste afslapningstid eller den tid, det tager for ca. 63 % af den elastiske energi eller spænding at blive spredt, når polymeren slapper af. Modulet ved dette crossover-punkt kan kaldes "crossover-modulet" (Gc) og er et mål for den samlede stivhed ved denne vinkelfrekvens. Ligesom med n* har HA-opløsningerne med de højeste koncentrationer de største værdier af G' på tværs af alle frekvenser og også den længste relaxationstid. Det stemmer overens med et større antal intermolekylære interaktioner eller sammenfiltringer, der får disse materialer til at opføre sig mere elastisk i længere tid, når de belastes.
Test af viskometri
Steady state-flowkurver for de tre HA-opløsninger er vist i figur 3. Alle prøver er forskydningsfortyndende eller pseudoplastiske og viser et fald i viskositet med stigende forskydningshastighed, som i høj grad afspejler kurverne for kompleks viskositet i forhold til vinkelfrekvens i figur 1. Dette er en af grundene til, at komplekse viskositetsdata plottes mod vinkelfrekvensen, da vinkelfrekvensen kan ækvivaleres med forskydningshastigheden, og for simple flydende og polymere systemer er n*(ω) ≈ n(γ), når ω går mod nul. I dette tilfælde stemmer n- og n*-data meget godt overens i området med lav frekvens og lav forskydningshastighed med sammenlignelige værdier af n0 og samme koncentrationstendens.
Analyse af data
Nulforskydningsviskositeten kan estimeres direkte ved at tage et enkelt punkt eller et gennemsnit af flere punkter inden for nulforskydningsviskositetsplateauet. En alternativ og ofte foretrukken metode er at anvende en reologisk model, som er kendt for at passe godt til kurver af denne type. Disse modeller omfatter Cross- og Carreau-modellerne, som er tilgængelige i rSpace-softwaren. De kan tilpasses til både n*(ω)- og n(γ)-data, så længe korrelationskoefficienten for tilpasningen er høj. Figur 4 viser en Cross-model, der er tilpasset viskositets-shear rate-data for 15 mg/ml HA-opløsning, og viser, hvor godt denne model passer til dataene.
Nulforskydningsviskositet for alle prøver baseret på krydsmodeltilpasning af n*(ω)- og n*(γ)-data er angivet i tabel 1. Automatiserede crossover-analysedata for G'- og G"-kurver er også rapporteret.
Højere værdier af n0 indikerer lavere mobilitet og dermed mere sammenhængende egenskaber, mens lavere værdier indikerer bedre spredningsevne. Med hensyn til G'- og G"-data vil en lavere crossover-frekvens (ωc) og et højere crossover-modul (Gc) indikere en mere sammenhængende struktur, mens en højere værdi af ωc og en lavere værdi af Gc vil indikere et mere dispersivt system. Mere generelt har dispersive OVD'er en tendens til at have n0-værdier på mindre end 50 Pas og sammenhængende OVD'er et sted mellem 100 og 100000 Pas, hvor disse højere viskositeter normalt er forbundet med højere værdier af Gc og lavere værdier af ωc. I henhold til disse kriterier ville de tre testede opløsninger blive klassificeret som værende mere sammenhængende end dispersive af natur.
Tabel 1: Rapporterede værdier for nulforskydningsviskositet n0), crossover-frekvens (ωc) og crossover-modul (Gc) efter henholdsvis cross model fitting og crossover-analyse
| HA-koncentration | 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 |
Konklusion
De reologiske egenskaber af en HA-baseret OVD med tre forskellige HA-koncentrationer blev evalueret i henhold til ISO15798:2013 ved hjælp af et Kinexus rotationsreometer. Dette indebar måling af den dynamiske forskydningsviskositet i stabil tilstand, kompleks viskositet og viskoelastiske moduli (G' og G"). De forskellige prøver blev karakteriseret og sammenlignet med hensyn til henholdsvis deres nulforskydningsviskositet og afslapningsprofiler for bedre at kunne klassificere dem med hensyn til deres 'sammenhængende og dispersive' egenskaber.