Silmänpohjan viskokirurgisten laitteiden (OVD) karakterisointi rotaatioreometrin avulla

Johdanto

Silmäkirurgiset viskokirurgiset laitteet ovat viskoelastisia liuoksia tai geelejä, joita käytetään sarveiskalvon endoteelin suojaamiseen mekaanisilta vammoilta ja silmänsisäisen tilan säilyttämiseen silmäleikkauksen aikana. Ne sisältävät yleensä yhtä tai useampaa seuraavista aineosista: hyaluronihappoa tai sen natriumsuolaa, kondroitiinisulfaattia tai metyyliselluloosaa. Koska nämä materiaalit ovat polymeerisiä, ne ovat yleensä viskoelastisia, ja niiden ominaisuudet riippuvat voimakkaasti sellaisista tekijöistä kuin konsentraatio, molekyylipaino ja molekyylirakenne sekä molekyylien sisäiset tai väliset vuorovaikutukset liuoksessa.

OVD:t voidaan luokitella niiden "koheesiokyvyn tai dispersiivisyyden" mukaan, jotka viime kädessä liittyvät niiden reologisiin ominaisuuksiin. Kohesiiviset OVD:t ovat korkeaviskoosisia materiaaleja, jotka tarttuvat toisiinsa molekyyliyhdisteiden avulla. Niiden molekyylipaino on yleensä suurempi, ja ne ovat erittäin leikkausohuita ja niillä on suuri pintajännitys. Korkean viskositeettinsa vuoksi koheesiomateriaalit pystyvät paineistamaan silmän ja luomaan tilaa optisen implantin (linssin) asettamiselle. Niiden koheesiokyky helpottaa myös niiden poistamista leikkauksen lopussa, koska koko massa pysyy kiinni toisissaan. Sitä vastoin dispersiiviset OVD:t ovat yleensä molekyylipainoltaan pienempiä ja newtonisempia. Niiden viskositeetti ja pintajännitys ovat alhaisemmat, minkä vuoksi ne pystyvät paremmin päällystämään kudoksia ja kirurgisia instrumentteja ja kiinnittymään niihin sekä voitelemaan optisen implantin asettamisen aikana. Dispersiiviset OVD:t ovat yleensä vaikeammin poistettavissa leikkauksen jälkeen niiden suuremman juoksevuuden vuoksi. Edellä kuvattujen kahden luokan lisäksi on olemassa myös yhdistelmä-ODD:itä, joissa on dispersiivisiä ja koheesiopohjaisia ominaisuuksia, sekä viskoadaptiivisia OVD:itä, joilla on erilaisia ominaisuuksia käyttöolosuhteista riippuen.

Nykyään on olemassa kansainvälinen standardi (ISO15798:2013), jossa esitetään yksityiskohtaisesti vaatimukset näiden materiaalien karakterisoimiseksi niiden biologisten, kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien osalta. Tässä sovellusohjeessa käsitellään standardin reologista karakterisointia käsittelevää osaa. Standardissa todetaan, että tuote on testattava valmiissa ja sterilisoidussa tilassaan 25 °C:n lämpötilassa reologista testausta varten, ja siihen sisältyy sekä oskilloiva että tasainen leikkaustesti viskoelastisten ja virtausominaisuuksien kuvaamiseksi dynaamisen viskositeetin, kompleksisen viskositeetin ja viskoelastisten moduulien osalta.

Kompleksinen viskositeetti mitataan värähtelytaajuuden funktiona logaritmisin askelin, jotta voidaan samanaikaisesti osoittaa OVD-valmisteen virtaus- ja muodonmuutoskestävyys. Taajuusalueeksi on määritetty 0,001 Hz:n ja 1000 Hz:n välinen taajuus, mutta 0,01 Hz:n ja 100 Hz:n välinen taajuus katsotaan hyväksyttäväksi, kunhan leikkausviskositeetin nollatasolle (pienenevillä taajuuksilla) päästään. Tämä tapahtuu alhaisemmilla taajuuksilla korkeamman viskositeetin materiaaleille. Usein 100 Hz:n taajuutta ei ole mahdollista saavuttaa rotaatioreometrillä inertiarajoitusten vuoksi, joten olisi pyrittävä suurimpaan saavutettavissa olevaan taajuuteen.

OVD:n kimmoisuutta tai viskoelastisuutta kuvataan G':n ja G":n avulla, ja se mitataan samanaikaisesti n*:n kanssa 100 Hz:n taajuuteen asti, tai niin korkealle kuin inertiarajoitukset huomioon ottaen on mahdollista. Tiedot olisi esitettävä joko kaksinkertaisella logaritmisella asteikolla taajuuden suhteen tai prosentuaalisen kimmoisuuden kuvaajana logaritmisesta taajuudesta, esimerkiksi 100 × [G'/(G'+G"] logaritmisesta taajuudesta.

Tasaisen leikkausnopeuden mittauksia varten suositellaan leikkausnopeuden vaihteluväliä 0,001 ^s-1, joka vastaa nollaviskositeettia, joka edustaa etukammion olosuhteita, ja noin 100 ^s-1 leikkausnopeutta, joka vastaa olosuhteita, joissa viskoelastista nestettä ruiskutetaan silmään kanyylin kautta. Leikkausnopeuksia olisi lisättävä logaritmisin askelin ja vakaan leikkausviskositeetin tiedot olisi esitettävä leikkausnopeuden funktiona kaksinkertaisella logaritmisella asteikolla. Koska matalaviskoosisten nesteiden mittaaminen alhaisilla leikkausnopeuksilla voi olla ongelmallista, pienin leikkausnopeus, jolla leikkausviskositeetti nolla voidaan saavuttaa, katsotaan hyväksyttäväksi. Nollaviskositeettitaso esiintyy yleensä korkeammilla leikkausnopeuksilla matalaviskoosisilla materiaaleilla ja alhaisemmilla leikkausnopeuksilla korkeaviskoosisilla materiaaleilla, joten alhaisia leikkausnopeuksia ei aina tarvita. Huomaa, että tasaisen leikkauksen nollaviskositeetin pitäisi vastata oskilloivalla testauksella mitattua vastaavaa n*-arvoa.

Kokeellinen

• Hyaluronihappoa kolmessa eri pitoisuudessa 15 mg/ml, 18 mg/ml ja 25 mg/ml sisältävää OVD-valmistetta analysoitiin ja vertailtiin ISO15798:2013:n mukaisesti.
• Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-pyörimisreometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja jossa käytettiin 4°/40 mm:n kartiolevymittausjärjestelmää värähtelymittauksissa ja 2°/20 mm:n kartiolevyä viskometritesteissä.
• Käytettiin vakiolatausjärjestystä sen varmistamiseksi, että molemmille näytteille tehtiin yhdenmukainen ja hallittavissa oleva latausprotokolla. Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
• Ennalta määritellyn lineaarisen viskoelastisuuden puitteissa suoritettiin venymäohjattu taajuuspyyhkäisy G':n, G":n ja η*:n määrittämiseksi taajuuden funktiona.
• Leikkausnopeuksien tasapainotaulukko -testi suoritettiin vakaan tilan leikkausviskositeetin (dynaamisen) määrittämiseksi leikkausnopeuden funktiona.
• _Η0:n arvot saatiin Cross-model-analyysin avulla rSpace -ohjelmiston avulla

Tulokset ja keskustelu

Värähtelytestaus

Kompleksisen viskositeetin käyrät kulmataajuuden (ω = 2πf) funktiona on esitetty kuvassa 1. Nämä käyrät ovat tyypillisiä viskoelastiselle nesteelle, jossa korkeilla taajuuksilla kompleksinen viskositeetti on alhainen (kimmoisampi) ja kasvaa taajuuden laskiessa, kun kimmoinen energia muunnetaan viskoosiksi energiaksi, ja huipentuu vakioviskositeettitasoon. Tämän vakioviskositeetti- tai nollaviskositeettitasanteen (n*0) alkaminen on selvästi nähtävissä kaikissa näytteissä, ja korkeammilla pitoisuuksilla on korkeampi viskositeetti.

Kuvassa 2 esitetään G' ja G" -käyrät samalla taajuusalueella kolmelle HA-ratkaisulle. Suurilla taajuuksilla KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. kimmomoduuli G' on hallitseva, mikä on yhtä aikaa n*:n alhaisen arvon kanssa, ja se laskee taajuuden laskiessa (ajan kasvaessa), kun kimmoenergia muunnetaan viskoosienergiaksi, mikä on johdonmukaista n*:n kasvun ja lopullisen tasotason kanssa.

G'/G" -ylitys osoittaa siirtymistä kimmoisasta (pseudogeelimäisestä) käyttäytymisestä nestemäiseen käyttäytymiseen, ja ylitystaajuuden käänteisarvo _1/ωc edustaa materiaalin pisintä relaksaatioaikaa tai aikaa, joka kuluu, kun noin 63 prosenttia kimmoisasta energiasta tai jännityksestä häviää polymeerin relaksaation aikana. Moduulia tässä siirtymispisteessä voidaan kutsua "siirtymismoduuliksi" (Gc), ja se on kokonaisjäykkyyden mitta kyseisellä kulmataajuudella. Kuten n*:n kohdalla, HA-liuoksilla, joissa on korkeimmat pitoisuudet, on suurimmat G' -arvot kaikilla taajuuksilla ja myös pisin relaksaatioaika. Tämä on johdonmukaista sen kanssa, että suurempi määrä molekyylien välisiä vuorovaikutuksia tai kietoutumia saa nämä materiaalit käyttäytymään elastisemmin pidempään rasituksessa.

Viskometrinen testaus

Kuvassa 3 esitetään kolmen HA-liuoksen tasaisen tilan virtauskäyrät. Kaikki näytteet ovat leikkausohuita tai pseudoplastisia, ja viskositeetti laskee leikkausnopeuden kasvaessa, mikä pitkälti heijastaa kuvan 1 kompleksisia viskositeetin ja kulmataajuuden välisiä käyriä. Tämä on yksi syy siihen, että kompleksiviskositeettitiedot on piirretty kulmataajuutta vastaan, koska kulmataajuus voidaan rinnastaa leikkausnopeuteen ja yksinkertaisissa nestemäisissä ja polymeerisissä järjestelmissä n*(ω) ≈ n(γ), kun ω pyrkii nollaan. Tässä tapauksessa n- ja n*-tiedot sopivat hyvin yhteen matalan taajuuden ja alhaisen leikkausnopeuden alueella, kun n0:n arvot ovat vertailukelpoisia ja pitoisuussuuntaus on sama.

Tietojen analysointi

Nollan leikkausviskositeetti voidaan arvioida suoraan ottamalla yksi piste tai useiden pisteiden keskiarvo nollan leikkausviskositeetin tasolta. Vaihtoehtoinen ja usein suositeltavampi menetelmä on soveltaa reologista mallia, jonka tiedetään sopivan hyvin tämäntyyppisiin käyriin. Tällaisia malleja ovat esimerkiksi Crossin ja Carreaun mallit, jotka ovat saatavilla rSpace -ohjelmistossa. Niitä voidaan sovittaa sekä n*(ω)- että n(γ)-tietoihin, kunhan sovituksen korrelaatiokerroin on korkea. Kuvassa 4 on Cross-malli, joka on sovitettu 15 mg/ml HA-liuoksen viskositeetti-leikkausnopeustietoihin, ja se osoittaa, kuinka hyvin tämä malli sopii tietoihin.

Kaikkien näytteiden nollaviskositeetti, joka perustuu n*(ω)- ja n*(γ)-tietojen ristikkäismallisovitukseen, on lueteltu taulukossa 1. G' ja G" -käyrien automatisoidun ristiintaulukoinnin analyysitiedot ilmoitetaan myös.

Suuremmat _n0-arvot viittaavat pienempään liikkuvuuteen ja siten parempiin koheesio-ominaisuuksiin, kun taas pienemmät arvot viittaavat parempaan dispergoituvuuteen. G' ja G" -tietojen osalta alhaisempi ristikkäistaajuus (_ωc) ja korkeampi ristikkäismoduuli (_Gc) osoittaisivat kohesiivisempaa rakennetta, kun taas korkeampi _ωc-arvo ja alhaisempi _Gc-arvo osoittaisivat dispersiivisempää järjestelmää. Yleisemmin dispersiivisten OVD:iden _n0-arvot ovat yleensä alle 50 Pas ja kohesiivisten OVD:iden arvot 100-100 000 Pas, ja näihin korkeampiin viskositeetteihin liittyy yleensä korkeampia _Gc-arvoja ja alhaisempia _ωc-arvoja. Näiden kriteerien mukaan kolme testattua liuosta luokiteltaisiin luonteeltaan pikemminkin kohesiivisiksi kuin dispersiivisiksi.

Taulukko 1: Raportoidut arvot nollaviskositeetille (n0), ristikkäistaajuudelle (_ωc) ja ristikkäismoduulille (_Gc) ristikkäismallien sovituksen ja ristikkäisanalyysin jälkeen

Päätelmä

HA-pohjaisen OVD:n reologiset ominaisuudet arvioitiin kolmella eri HA-pitoisuudella ISO15798:2013-standardin mukaisesti Kinexus-rotaatioreometrillä. Tällöin mitattiin vakaan tilan dynaaminen leikkausviskositeetti, kompleksinen viskositeetti ja viskoelastiset moduulit (G' ja G"). Eri näytteitä karakterisoitiin ja verrattiin niiden nollaleikkausviskositeettien ja relaksaatioprofiilien osalta, jotta ne voitaisiin luokitella paremmin niiden "koheesio- ja dispersio-ominaisuuksien" suhteen.