Εισαγωγή
Οι οφθαλμικές ιξωδοχειρουργικές συσκευές (OVD) είναι ιξωδοελαστικά διαλύματα ή πηκτές που χρησιμοποιούνται για την προστασία του ενδοθηλίου του κερατοειδούς από μηχανικά τραύματα και για τη διατήρηση του ενδοφθάλμιου χώρου κατά τη διάρκεια χειρουργικών επεμβάσεων στον οφθαλμό. Συνήθως περιέχουν ένα ή περισσότερα από τα ακόλουθα συστατικά: υαλουρονικό οξύ ή το νατριούχο άλας του, θειική χονδροϊτίνη ή μεθυλοκυτταρίνη. Καθώς τα υλικά αυτά είναι πολυμερή, τείνουν να είναι ιξωδοελαστικά με τις ιδιότητές τους να εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από παράγοντες όπως η συγκέντρωση, το μοριακό βάρος και η μοριακή arcαρχιτεκτονική καθώς και οι ενδο- ή διαμοριακές αλληλεπιδράσεις στο διάλυμα.
Τα OVD μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τη "συνεκτικότητα ή τη διασπορά" τους, οι οποίες σχετίζονται τελικά με τις ρεολογικές τους ιδιότητες. Τα συνεκτικά OVD είναι υλικά υψηλού ιξώδους που προσκολλώνται μεταξύ τους μέσω μοριακών ενώσεων. Τείνουν να έχουν υψηλότερα μοριακά βάρη και είναι ιδιαίτερα διατμητικά με υψηλή επιφανειακή τάση. Λόγω του υψηλού ιξώδους τους, τα συνεκτικά OVDs είναι σε θέση να πιέζουν τον οφθαλμό και να δημιουργούν χώρο για την εισαγωγή του οπτικού εμφυτεύματος (φακού). Η συνεκτικότητά τους διευκολύνει επίσης την εύκολη αφαίρεση στο τέλος της χειρουργικής επέμβασης, καθώς ολόκληρη η μάζα κολλάει μαζί. Αντίθετα, τα διασκορπιστικά OVD τείνουν να έχουν χαμηλότερο μοριακό βάρος και είναι περισσότερο Νευτώνεια. Έχουν χαμηλότερο ιξώδες και χαμηλότερη επιφανειακή τάση, καθιστώντας τα ικανότερα να επικαλύπτουν και να προσκολλώνται τόσο στους ιστούς όσο και στα χειρουργικά εργαλεία, ενώ βοηθούν επίσης στη λίπανση του οπτικού εμφυτεύματος κατά την εισαγωγή. Τα διασκορπιστικά OVD τείνουν να είναι πιο δύσκολο να αφαιρεθούν μετά τη χειρουργική επέμβαση λόγω της υψηλότερης ρευστότητάς τους. Εκτός από τις δύο κατηγορίες που μόλις περιγράφηκαν, υπάρχουν επίσης συνδυαστικά OVD που ενσωματώνουν διασκορπιστικές και συνεκτικές ιδιότητες και ιξωδοπροσθετικά OVD που εμφανίζουν διαφορετικές ιδιότητες ανάλογα με τις συνθήκες χρήσης.
Υπάρχει πλέον ένα διεθνές πρότυπο (ISO15798:2013) που περιγράφει λεπτομερώς τις απαιτήσεις για τον χαρακτηρισμό αυτών των υλικών όσον αφορά τα βιολογικά, χημικά και φυσικά χαρακτηριστικά τους. Για τους σκοπούς του παρόντος σημειώματος εφαρμογής, ασχολούμαστε με το τμήμα του προτύπου που αφορά τον ρεολογικό χαρακτηρισμό. Το πρότυπο αναφέρει ότι το προϊόν πρέπει να δοκιμάζεται στην τελική και αποστειρωμένη του κατάσταση στους 25°C για ρεολογικές δοκιμές και περιλαμβάνει τόσο δοκιμές ταλάντωσης όσο και σταθερής διάτμησης αντίστοιχα για τον χαρακτηρισμό τόσο των ιξωδοελαστικών χαρακτηριστικών όσο και των χαρακτηριστικών ροής όσον αφορά το δυναμικό ιξώδες, το σύνθετο ιξώδες και τα ιξωδοελαστικά μόρια.
Το σύνθετο ιξώδες μετράται ως συνάρτηση της συχνότητας ταλάντωσης χρησιμοποιώντας λογαριθμικές αυξήσεις για να καταδειχθεί ταυτόχρονα η αντίσταση στη ροή και την παραμόρφωση του σκευάσματος OVD. Το εύρος συχνοτήτων που καθορίζεται είναι μεταξύ 0,001 Hz και 1000 Hz, αλλά 0,01 Hz έως 100 Hz θεωρείται αποδεκτό εφόσον είναι προσβάσιμο το πλατώ μηδενικού ιξώδους διάτμησης (σε φθίνουσες συχνότητες). Αυτό θα συμβεί σε χαμηλότερες συχνότητες για υλικά υψηλότερου ιξώδους. Συχνά δεν είναι δυνατόν να επιτευχθούν 100 Hz σε ένα περιστροφικό ρεόμετρο λόγω περιορισμών αδράνειας και ως εκ τούτου θα πρέπει να επιδιώκεται η υψηλότερη εφικτή συχνότητα.
Η ελαστικότητα ή η ιξωδοελαστικότητα του OVD χαρακτηρίζεται μέσω των G' και G" και μετράται ταυτόχρονα με το n* μέχρι μια συχνότητα 100 Hz ιδανικά, ή όσο υψηλότερη είναι δυνατή λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς αδράνειας. Τα δεδομένα θα πρέπει να παρουσιάζονται είτε σε διπλή λογαριθμική κλίμακα ως προς τη συχνότητα είτε ως διάγραμμα της ποσοστιαίας ελαστικότητας ως προς τη λογαριθμική συχνότητα, για παράδειγμα ως 100 × [G'/(G'+G"] ως προς τη λογαριθμική συχνότητα.
Για τις μετρήσεις σταθερής διάτμησης, το προτεινόμενο εύρος ρυθμού διάτμησης είναι από 0,001 s-1 για την προσέγγιση του ιξώδους μηδενικής διάτμησης, που αντιπροσωπεύει τις συνθήκες εντός του πρόσθιου θαλάμου, έως ένα ρυθμό διάτμησης περίπου 100 s-1, για την αναπαραγωγή των συνθηκών όταν το ιξωδοελαστικό υγρό εγχέεται στον οφθαλμό μέσω μιας κάνουλας. Οι ρυθμοί διάτμησης πρέπει να αυξάνονται σε λογαριθμικές αυξήσεις και τα δεδομένα σταθερού ιξώδους διάτμησης να παρουσιάζονται ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης σε διπλή λογαριθμική κλίμακα. Δεδομένου ότι η μέτρηση ρευστών χαμηλού ιξώδους σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης μπορεί να είναι προβληματική, ο χαμηλότερος ρυθμός διάτμησης στον οποίο μπορεί να επιτευχθεί μηδενικό ιξώδες διάτμησης θεωρείται αποδεκτός. Το οροπέδιο μηδενικού ιξώδους διάτμησης τείνει να εμφανίζεται σε υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης για υλικά χαμηλού ιξώδους και σε χαμηλότερους ρυθμούς διάτμησης για υλικά υψηλού ιξώδους, οπότε οι χαμηλοί ρυθμοί διάτμησης δεν είναι πάντα απαραίτητοι. Σημειώστε ότι το ιξώδες μηδενικής διάτμησης σταθερής διάτμησης πρέπει να αντιστοιχεί στην ισοδύναμη τιμή του n* που μετράται με τη χρήση ταλαντωτικών δοκιμών.
Πειραματικό
- Ένα σκεύασμα OVD που περιέχει υαλουρονικό οξύ σε τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις 15 mg/ml, 18 mg/ml και 25 mg/ml αναλύθηκε και συγκρίθηκε σύμφωνα με το πρότυπο ISO15798:2013.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και με τη χρήση συστήματος μέτρησης κωνικής πλάκας 4°/40 mm για ταλαντωτικές μετρήσεις και κωνικής πλάκας 2°/20 mm για ιξωδομετρικές δοκιμές.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι και τα δύο δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης. Όλες οι μετρήσεις ρεολογίας πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
- Πραγματοποιήθηκε μια σάρωση συχνότητας ελεγχόμενης παραμόρφωσης εντός της προκαθορισμένης γραμμικής ιξωδοελαστικότητας για τον προσδιορισμό των G', G" και η* ως συνάρτηση της συχνότητας.
- Πραγματοποιήθηκε δοκιμή πίνακα ισορροπίας των ρυθμών διάτμησης για τον προσδιορισμό του σταθερού διατμητικού (δυναμικού) ιξώδους ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης.
- Οι τιμές του η0 επιτεύχθηκαν μέσω ανάλυσης cross-model στο πλαίσιο του λογισμικού rSpace
Αποτελέσματα και συζήτηση
Δοκιμή ταλάντωσης
Οι καμπύλες σύνθετου ιξώδους ως συνάρτηση της γωνιακής συχνότητας (ω = 2πf) παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Οι καμπύλες αυτές είναι χαρακτηριστικές ενός ιξωδοελαστικού ρευστού, όπου σε υψηλές συχνότητες το σύνθετο ιξώδες είναι χαμηλό (πιο ελαστικό) και αυξάνεται με τη μείωση της συχνότητας καθώς η ελαστική ενέργεια μετατρέπεται σε ιξώδη ενέργεια, με αποκορύφωμα ένα σταθερό οροπέδιο ιξώδους. Η έναρξη αυτού του πλατώ σταθερού ιξώδους ή μηδενικού ιξώδους διάτμησης (n*0) είναι σαφώς ορατή για όλα τα δείγματα, με τις υψηλότερες συγκεντρώσεις να έχουν υψηλότερα ιξώδη.
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται οι καμπύλες G' και G" στο ίδιο εύρος συχνοτήτων για τα τρία διαλύματα HA. Σε υψηλές συχνότητες, το μέτρο ελαστικότητας G' είναι κυρίαρχο, ταυτόχρονα με μια χαμηλή τιμή του n* και φθίνει με φθίνουσα συχνότητα (αυξανόμενο χρόνο) καθώς η ελαστική ενέργεια μετατρέπεται σε ιξώδη ενέργεια, σύμφωνα με την αύξηση και το τελικό πλατώ του n*.
Η διασταύρωση G'/G" υποδεικνύει μια μετάβαση από την κυρίαρχη ελαστική (ψευδο-γέλη) συμπεριφορά στην κυρίαρχη συμπεριφορά υγρού, με το αντίστροφο της συχνότητας διασταύρωσης 1/ωc να αντιπροσωπεύει τον μεγαλύτερο χρόνο χαλάρωσης του υλικού ή τον χρόνο που χρειάζεται για να διαλυθεί περίπου το 63% της ελαστικής ενέργειας ή τάσης καθώς το πολυμερές χαλαρώνει. Το μέτρο ελαστικότητας σε αυτό το σημείο διασταύρωσης μπορεί να αναφέρεται ως "μέτρο ελαστικότητας διασταύρωσης" (Gc) και αποτελεί μέτρο της συνολικής δυσκαμψίας σε αυτή τη γωνιακή συχνότητα. Όπως και με το n*, τα διαλύματα HA με τις υψηλότερες συγκεντρώσεις έχουν τις largest τιμές του G' σε όλες τις συχνότητες και επίσης τον μεγαλύτερο χρόνο χαλάρωσης. Αυτό συνάδει με έναν υψηλότερο αριθμό διαμοριακών αλληλεπιδράσεων ή περιπλοκών που κάνουν αυτά τα υλικά να συμπεριφέρονται πιο ελαστικά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα όταν καταπονούνται.
Δοκιμές ιξωδομετρίας
Οι καμπύλες ροής σταθερής κατάστασης για τα τρία διαλύματα HA παρουσιάζονται στο Σχήμα 3. Όλα τα δείγματα είναι διατμητικά αραιά ή ψευδοπλαστικά και παρουσιάζουν πτώση του ιξώδους με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης, η οποία largely αντικατοπτρίζει τις καμπύλες σύνθετου ιξώδους σε σχέση με τη γωνιακή συχνότητα στο Σχήμα 1. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους τα δεδομένα σύνθετου ιξώδους απεικονίζονται συναρτήσει της γωνιακής συχνότητας, καθώς η γωνιακή συχνότητα μπορεί να εξισωθεί με τον ρυθμό διάτμησης και για απλά υγρά και πολυμερή συστήματα n*(ω) ≈ n(γ) καθώς το ω τείνει στο μηδέν. Στην περίπτωση αυτή τα δεδομένα n και n* συμφωνούν πολύ καλά στην περιοχή χαμηλής συχνότητας, χαμηλού ρυθμού διάτμησης με συγκρίσιμες τιμές του n0 και την ίδια τάση συγκέντρωσης.
Ανάλυση δεδομένων
Το ιξώδες μηδενικής διάτμησης μπορεί να εκτιμηθεί άμεσα με τη λήψη ενός σημείου ή του μέσου όρου πολλαπλών σημείων εντός του πλατώ μηδενικού ιξώδους διάτμησης. Μια εναλλακτική και συχνά προτιμώμενη μέθοδος είναι η εφαρμογή ενός ρεολογικού μοντέλου το οποίο είναι γνωστό ότι προσαρμόζεται πολύ καλά σε καμπύλες αυτού του τύπου. Τα μοντέλα αυτά περιλαμβάνουν τα μοντέλα Cross και Carreau, τα οποία είναι διαθέσιμα στο λογισμικό rSpace. Αυτά μπορούν να προσαρμοστούν τόσο σε δεδομένα n*(ω) όσο και σε δεδομένα n(γ), εφόσον ο συντελεστής συσχέτισης για την προσαρμογή είναι υψηλός. Το Σχήμα 4 δείχνει ένα μοντέλο Cross προσαρμοσμένο σε δεδομένα ιξώδους-ρυθμού διάτμησης για το διάλυμα 15 mg/ml HA και καταδεικνύει πόσο καλά αυτό το μοντέλο προσαρμόζεται στα δεδομένα.
Το μηδενικό ιξώδες διάτμησης για όλα τα δείγματα με βάση την προσαρμογή των δεδομένων n*(ω) και n*(γ) σε διασταυρούμενα μοντέλα παρατίθενται στον πίνακα 1. Αναφέρονται επίσης τα δεδομένα αυτοματοποιημένης ανάλυσης διασταύρωσης για τις καμπύλες G' και G".
Υψηλότερες τιμές του n0 υποδηλώνουν χαμηλότερη κινητικότητα και, ως εκ τούτου, πιο συνεκτικές ιδιότητες, ενώ χαμηλότερες τιμές υποδηλώνουν καλύτερη διασπορά. Όσον αφορά τα δεδομένα G' και G", μια χαμηλότερη συχνότητα διασταύρωσης (ωc) και ένα υψηλότερο μέτρο διασταύρωσης (Gc) θα υποδείκνυε μια πιο συνεκτική δομή, ενώ μια υψηλότερη τιμή ωc και μια χαμηλότερη τιμή Gc θα υποδείκνυε ένα πιο διασκορπιστικό σύστημα. Γενικότερα, τα διασκορπιστικά OVD τείνουν να έχουν τιμές n0 μικρότερες από 50 Pas και τα συνεκτικά OVD οπουδήποτε μεταξύ 100 και 100000 Pas, με αυτά τα υψηλότερα ιξώδη να συνδέονται συνήθως με υψηλότερες τιμές του Gc και χαμηλότερες τιμές του ωc. Σύμφωνα με αυτά τα κριτήρια, τα τρία διαλύματα που δοκιμάστηκαν θα μπορούσαν να ταξινομηθούν ως περισσότερο συνεκτικά παρά διασκορπιστικά από τη φύση τους.
Πίνακας 1: Αναφερόμενες τιμές για το μηδενικό διατμητικό ιξώδες n0), τη συχνότητα διασταύρωσης (ωc) και το μέτρο διασταύρωσης (Gc) μετά από προσαρμογή διασταυρούμενου μοντέλου και ανάλυση διασταύρωσης, αντίστοιχα
| Συγκέντρωση 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 |
Συμπέρασμα
Οι ρεολογικές ιδιότητες ενός OVD με βάση το ΗΑ σε τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις ΗΑ αξιολογήθηκαν σύμφωνα με το πρότυπο ISO15798:2013 με τη χρήση περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus. Αυτό περιελάμβανε τη μέτρηση του δυναμικού ιξώδους διάτμησης σταθερής κατάστασης, του σύνθετου ιξώδους και των ιξωδοελαστικών συντελεστών (G' και G"). Τα διάφορα δείγματα χαρακτηρίστηκαν και συγκρίθηκαν ως προς το μηδενικό διατμητικό ιξώδες και το προφίλ χαλάρωσης αντίστοιχα, προκειμένου να ταξινομηθούν καλύτερα ως προς τις "συνεκτικές και διασκορπιστικές" τους ιδιότητες.