Introducción
Los dispositivos viscoquirúrgicos oftálmicos (OVD) son soluciones o geles viscoelásticos utilizados para proteger el endotelio corneal de traumatismos mecánicos y mantener el espacio intraocular durante la cirugía ocular. Suelen contener uno o varios de los siguientes componentes: ácido hialurónico o su sal sódica, condroitín sulfato o metilcelulosa. Como estos materiales son poliméricos, tienden a ser viscoelásticos y sus propiedades dependen en gran medida de factores como la concentración, el peso molecular y la arquitectura molecular, así como de las interacciones intramoleculares o intermoleculares en solución.
Los OVD pueden clasificarse según su "cohesividad o dispersividad", que en última instancia están relacionadas con sus propiedades reológicas. Los OVD cohesivos son materiales de alta viscosidad que se adhieren entre sí mediante asociaciones moleculares. Suelen tener pesos moleculares más elevados y son muy viscosos, con una elevada tensión superficial. Debido a su alta viscosidad, los OVD cohesivos son capaces de presurizar el ojo y crear espacio para la inserción del implante óptico (lente). Su cohesividad también facilita su extracción al final de la cirugía, ya que toda la masa se adhiere entre sí. Por el contrario, los OVD dispersivos suelen tener un peso molecular inferior y son más newtonianos. Tienen menor viscosidad y menor tensión superficial, lo que les permite recubrir y adherirse mejor tanto a los tejidos como a los instrumentos quirúrgicos, y también ayudan a lubricar el implante óptico durante la inserción. Los OVD dispersivos tienden a ser más difíciles de retirar después de la cirugía debido a su mayor fluidez. Además de las dos clases que acabamos de describir, también existen OVD combinados que incorporan propiedades dispersivas y cohesivas, y OVD viscoadaptativos que presentan propiedades diferentes en función de las condiciones de uso.
Actualmente existe una norma internacional (ISO15798:2013) que detalla los requisitos para caracterizar estos materiales en términos de sus características biológicas, químicas y físicas. Para los fines de esta nota de aplicación, nos interesa la sección de la norma que trata de la caracterización reológica. La norma establece que el producto debe probarse en su estado acabado y esterilizado a 25°C para las pruebas reológicas e incluye pruebas de cizallamiento oscilatorio y constante, respectivamente, para caracterizar las características viscoelásticas y de flujo en términos de viscosidad dinámica, viscosidad compleja y módulos viscoelásticos.
La viscosidad compleja se mide en función de la frecuencia de oscilación utilizando incrementos logarítmicos para demostrar simultáneamente la resistencia al flujo y la deformación de la formulación OVD. El rango de frecuencias especificado está entre 0,001 Hz y 1000 Hz, pero se considera aceptable entre 0,01 Hz y 100 Hz siempre que se pueda acceder a la meseta de viscosidad de cizallamiento cero (a frecuencias decrecientes). Esto ocurrirá a frecuencias más bajas para materiales de mayor viscosidad. A menudo no es posible alcanzar los 100 Hz en un reómetro rotacional debido a las limitaciones de inercia y, por lo tanto, se debe aspirar a la frecuencia más alta alcanzable.
La elasticidad o viscoelasticidad del OVD se caracteriza mediante G' y G" y se mide simultáneamente con n* hasta una frecuencia de 100 Hz idealmente, o tan alta como sea posible teniendo en cuenta las limitaciones de inercia. Los datos deben presentarse en una escala logarítmica doble frente a la frecuencia o como un gráfico de porcentaje de elasticidad frente a la frecuencia logarítmica, por ejemplo como 100 × [G'/ (G'+G"] frente a la frecuencia logarítmica.
Para las mediciones de cizallamiento constante, el intervalo de velocidad de cizallamiento sugerido es de 0,001 s-1 para aproximar la viscosidad de cizallamiento cero, representativa de las condiciones dentro de la cámara anterior, a una velocidad de cizallamiento de aproximadamente 100 s-1, para reproducir las condiciones cuando el fluido viscoelástico se inyecta en el ojo a través de una cánula. Las velocidades de cizallamiento deben aumentarse en incrementos logarítmicos y los datos de viscosidad de cizallamiento constante deben presentarse como una función de la velocidad de cizallamiento en una escala logarítmica doble. Dado que la medición de fluidos de baja viscosidad a velocidades de cizallamiento bajas puede ser problemática, se considera aceptable la velocidad de cizallamiento más baja a la que puede alcanzarse la viscosidad de cizallamiento cero. La meseta de viscosidad de cizallamiento cero tiende a aparecer a velocidades de cizallamiento más altas para materiales de baja viscosidad y velocidades de cizallamiento más bajas para materiales de alta viscosidad, por lo que no siempre se necesitan velocidades de cizallamiento bajas. Obsérvese que la viscosidad de cizallamiento cero de cizallamiento constante debe corresponderse con el valor equivalente de n* medido mediante ensayos oscilatorios.
Experimental
- Se analizó y comparó una formulación OVD que contenía ácido hialurónico en tres concentraciones diferentes 15 mg/ml, 18 mg/ml y 25 mg/ml según la norma ISO15798:2013.
- Las mediciones con reómetro rotacional se realizaron con un reómetro rotacional Kinexus con un cartucho de placa Peltier y utilizando un sistema de medición de placa cónica de 4°/40 mm para las mediciones oscilatorias y una placa cónica de 2°/20 mm para las pruebas de viscometría.
- Se utilizó una secuencia de carga estándar para garantizar que ambas muestras se sometían a un protocolo de carga coherente y controlable. Todas las mediciones reológicas se realizaron a 25°C.
- Se realizó un barrido de frecuencia controlado por deformación dentro de la viscoelástica lineal predeterminada para determinar G', G" y η* en función de la frecuencia.
- Se realizó una prueba de tabla de equilibrio de velocidades de cizallamiento para determinar la viscosidad de cizallamiento (dinámica) en estado estacionario en función de la velocidad de cizallamiento.
- Los valores de η0 se obtuvieron mediante un análisis de modelos cruzados con el programa informático rSpace
Resultados y debate
Pruebas de oscilación
En la figura 1 se muestran las curvas de viscosidad compleja en función de la frecuencia angular (ω = 2πf). Estas curvas son típicas de un fluido viscoelástico, donde a altas frecuencias la viscosidad compleja es baja (más elástica) y aumenta con la disminución de la frecuencia a medida que la energía elástica se convierte en energía viscosa, culminando en una meseta de viscosidad constante. El inicio de esta viscosidad constante o meseta de viscosidad de cizallamiento cero (n*0) es claramente visible para todas las muestras, y las concentraciones más altas tienen viscosidades más elevadas.
La figura 2 muestra las curvas G' y G" en el mismo intervalo de frecuencias para las tres soluciones de HA. A altas frecuencias, el Módulo elásticoEl módulo complejo (componente elástico), módulo de almacenamiento o G', es la parte "real" del módulo complejo global de la muestra. Este componente elástico indica la respuesta sólida, o en fase, de la muestra que se está midiendo. módulo elástico G' es dominante, concomitante con un valor bajo de n* y decae con la disminución de la frecuencia (aumento del tiempo) a medida que la energía elástica se convierte en energía viscosa, en consonancia con el aumento y la eventual meseta en n*.
El Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce G'/G" indica una transición del comportamiento elástico dominante (pseudogel) al comportamiento líquido dominante con la inversa de la frecuencia de Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce1/ωc que representa el tiempo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación más largo del material o el tiempo que tarda aproximadamente el 63% de la energía o tensión elástica en disiparse a medida que el polímero se relaja. El módulo en este Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra.punto de cruce puede denominarse "módulo de Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce" (Gc) y es una medida de la rigidez total a esta frecuencia angular. Al igual que ocurre con n*, las soluciones de HA con las mayores concentraciones presentan los mayores valores de G' en todas las frecuencias y también el mayor tiempo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación. Esto es coherente con un mayor número de interacciones o enredos intermoleculares que hacen que estos materiales se comporten de forma más elástica durante más tiempo cuando se someten a tensión.
Pruebas de viscosimetría
En la figura 3 se muestran las curvas de flujo en estado estacionario de las tres soluciones de HA. Todas las muestras son pseudoplásticas o se adelgazan por cizallamiento y muestran una caída de la viscosidad al aumentar la velocidad de cizallamiento, lo que refleja en gran medida las curvas de viscosidad compleja frente a frecuencia angular de la figura 1. Esta es una de las razones por las que los datos de viscosidad compleja se trazan frente a la frecuencia angular, ya que la frecuencia angular puede equivocarse con la velocidad de cizallamiento y para sistemas líquidos y poliméricos simples n*(ω) ≈ n(γ) a medida que ω tiende a cero. En este caso los datos de n y n* concuerdan muy bien en la región de baja frecuencia y baja velocidad de cizalla con valores comparables de n0 y la misma tendencia de concentración.
Análisis de datos
La viscosidad de cizallamiento cero puede estimarse directamente tomando un único punto o una media de varios puntos dentro de la meseta de viscosidad de cizallamiento cero. Un método alternativo y a menudo preferido es aplicar un modelo reológico que se sabe que se ajusta muy bien a curvas de este tipo. Estos modelos incluyen los modelos Cross y Carreau que están disponibles en el software rSpace. Pueden ajustarse tanto a datos n*(ω) como n(γ), siempre que el coeficiente de correlación del ajuste sea alto. La figura 4 muestra un modelo de Cross ajustado a los datos de viscosidad-velocidad de cizallamiento para la solución de HA de 15 mg/ml y demuestra lo bien que este modelo se ajusta a los datos.
La viscosidad de cizallamiento cero para todas las muestras basada en el ajuste de modelos cruzados de los datos n*(ω) y n*(γ) se enumeran en la Tabla 1. También se indican los datos del análisis cruzado automatizado de las curvas G' y G".
Los valores más altos de n0 indican una menor movilidad y, por tanto, propiedades más cohesivas, mientras que los valores más bajos indican una mejor dispersividad. En cuanto a los datos de G' y G", una menor frecuencia de Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce (ωc) y un mayor módulo de Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce (Gc) indicarían una estructura más cohesiva, mientras que un mayor valor de ωc y un menor valor de Gc indicarían un sistema más dispersivo. De forma más general, los OVD dispersivos tienden a tener valores n0 inferiores a 50 Pas y los OVD cohesivos entre 100 y 100000 Pas, con estas viscosidades más altas asociadas normalmente a valores más altos de Gc y valores más bajos de ωc. Según este criterio, las tres soluciones ensayadas se clasificarían como de naturaleza más cohesiva que dispersiva.
Tabla 1: Valores comunicados para la viscosidad de cizallamiento cero n0), la frecuencia de Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce (ωc) y el módulo de Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce (Gc) tras el ajuste del modelo cruzado y el análisis cruzado, respectivamente
| Concentración de 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 |
Conclusión
Las propiedades reológicas de un OVD a base de HA en tres concentraciones diferentes de HA se evaluaron de acuerdo con la norma ISO15798:2013 utilizando un reómetro rotacional Kinexus. Para ello se midieron la viscosidad de cizallamiento dinámica en estado estacionario, la viscosidad compleja y los módulos viscoelásticos (G' y G"). Las diferentes muestras se caracterizaron y compararon en términos de sus viscosidades de cizallamiento cero y perfiles de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación, respectivamente, con el fin de clasificarlas mejor en términos de sus propiedades "cohesivas y dispersivas".