Introduction
Les dispositifs viscochirurgicaux ophtalmiques (DVO) sont des solutions ou des gels viscoélastiques utilisés pour protéger l'endothélium cornéen des traumatismes mécaniques et pour maintenir l'espace intraoculaire pendant la chirurgie de l'œil. Ils contiennent généralement un ou plusieurs des composants suivants : acide hyaluronique ou son sel de sodium, sulfate de chondroïtine ou méthylcellulose. Comme ces matériaux sont polymères, ils ont tendance à être viscoélastiques et leurs propriétés dépendent fortement de facteurs tels que la concentration, le poids moléculaire et l'architecture moléculaire, ainsi que des interactions intra- ou intermoléculaires en solution.
Les OVD peuvent être classés en fonction de leur "cohésion ou de leur dispersion", qui sont en fin de compte liées à leurs propriétés rhéologiques. Les OVD cohésifs sont des matériaux à haute viscosité qui adhèrent les uns aux autres par le biais d'associations moléculaires. Ils ont tendance à avoir des poids moléculaires plus élevés et à s'amincir sous l'effet du cisaillement, avec une tension de surface élevée. En raison de leur viscosité élevée, les OVD cohésifs sont capables de pressuriser l'œil et de créer un espace pour l'insertion de l'implant optique (lentille). Leur cohésion facilite également leur retrait à la fin de l'intervention chirurgicale, car la masse entière adhère. En revanche, les OVD dispersifs ont tendance à avoir un poids moléculaire plus faible et sont plus newtoniens. Ils ont une viscosité plus faible et une tension de surface plus basse, ce qui leur permet d'enrober les tissus et les instruments chirurgicaux et d'y adhérer, ainsi que de lubrifier l'implant optique pendant l'insertion. Les OVD dispersifs ont tendance à être plus difficiles à retirer après l'intervention chirurgicale en raison de leur plus grande fluidité. Outre les deux classes décrites ci-dessus, il existe également des OVD combinés qui intègrent des propriétés dispersives et cohésives et des OVD visco-adptifs qui présentent des propriétés différentes en fonction des conditions d'utilisation.
Il existe désormais une norme internationale (ISO15798:2013) détaillant les exigences relatives à la caractérisation de ces matériaux en termes de caractéristiques biologiques, chimiques et physiques. Dans le cadre de cette note d'application, nous nous intéressons à la section de la norme traitant de la caractérisation rhéologique. La norme stipule que le produit doit être testé dans son état fini et stérilisé à 25°C pour les essais rhéologiques et implique des essais de cisaillement oscillatoire et régulier respectivement pour caractériser les caractéristiques viscoélastiques et d'écoulement en termes de viscosité dynamique, de viscosité complexe et de modules viscoélastiques.
La viscosité complexe est mesurée en fonction de la fréquence d'oscillation en utilisant des incréments logarithmiques pour démontrer simultanément la résistance à l'écoulement et à la déformation de la formulation OVD. La gamme de fréquences spécifiée est comprise entre 0,001 Hz et 1000 Hz, mais 0,01 Hz à 100 Hz est considéré comme acceptable tant que le plateau de viscosité à cisaillement nul (à des fréquences décroissantes) est accessible. Cela se produit à des fréquences plus basses pour les matériaux à forte viscosité. Souvent, il n'est pas possible d'atteindre 100 Hz sur un rhéomètre rotatif en raison de limitations inertielles et il faut donc viser la fréquence la plus élevée possible.
L'élasticité ou la viscoélasticité de l'OVD est caractérisée par G' et G" et est mesurée simultanément avec n* jusqu'à une fréquence de 100 Hz idéalement, ou aussi élevée que possible compte tenu des limitations d'inertie. Les données doivent être présentées soit sur une double échelle logarithmique en fonction de la fréquence, soit sous la forme d'un graphique du pourcentage d'élasticité en fonction de la fréquence logarithmique, par exemple 100 × [G'/ (G'+G")] en fonction de la fréquence logarithmique.
Pour les mesures de cisaillement constant, la plage de taux de cisaillement suggérée va de 0,001 s-1 pour approcher la viscosité de cisaillement zéro, représentative des conditions dans la chambre antérieure, à un taux de cisaillement d'environ 100 s-1, pour reproduire les conditions dans lesquelles le fluide viscoélastique est injecté dans l'œil à travers une canule. Les taux de cisaillement doivent être augmentés par incréments logarithmiques et les données de viscosité de cisaillement stable doivent être présentées en fonction du taux de cisaillement sur une double échelle logarithmique. Étant donné que la mesure de fluides peu visqueux à de faibles taux de cisaillement peut être problématique, le taux de cisaillement le plus bas auquel la viscosité de cisaillement nulle peut être atteinte est considéré comme acceptable. Le plateau de la viscosité de cisaillement zéro tend à apparaître à des taux de cisaillement plus élevés pour les matériaux de faible viscosité et à des taux de cisaillement plus faibles pour les matériaux de haute viscosité, de sorte que les faibles taux de cisaillement ne sont pas toujours nécessaires. Il convient de noter que la viscosité à cisaillement zéro en régime permanent doit correspondre à la valeur équivalente de n* mesurée à l'aide d'essais oscillatoires.
Expérimental
- Une formulation OVD contenant de l'acide hyaluronique à trois concentrations différentes 15 mg/ml, 18 mg/ml et 25 mg/ml a été analysée et comparée conformément à la norme ISO15798:2013.
- Les mesures au rhéomètre rotatif ont été effectuées à l'aide d'un rhéomètre rotatif Kinexus avec une cartouche à plaques Peltier et en utilisant un système de mesure à plaque conique de 4°/40 mm pour les mesures oscillatoires et une plaque conique de 2°/20 mm pour les tests de viscosimétrie.
- Une séquence de chargement standard a été utilisée pour s'assurer que les deux échantillons étaient soumis à un protocole de chargement cohérent et contrôlable. Toutes les mesures rhéologiques ont été effectuées à 25°C.
- Un balayage de fréquence contrôlé par la déformation dans le cadre de la viscoélastique linéaire prédéterminée a été effectué pour déterminer G', G" et η* en fonction de la fréquence.
- Un test de table d'équilibre des taux de cisaillement a été effectué pour déterminer la viscosité de cisaillement à l'état stable (dynamique) en fonction du taux de cisaillement.
- Les valeurs de η0 ont été obtenues au moyen d'une analyse de modèle croisé dans le logiciel rSpace
Résultats et discussion
Test d'oscillation
Les courbes de viscosité complexe en fonction de la fréquence angulaire (ω = 2πf) sont illustrées à la figure 1. Ces courbes sont typiques d'un fluide viscoélastique : à haute fréquence, la viscosité complexe est faible (plus élastique) et augmente à mesure que la fréquence diminue, car l'énergie élastique est convertie en énergie visqueuse, pour aboutir à un plateau de viscosité constante. Le début de ce plateau de viscosité constante ou de viscosité à cisaillement nul (n*0) est clairement visible pour tous les échantillons, les concentrations les plus élevées ayant des viscosités plus élevées.
La figure 2 montre les courbes G' et G" sur la même plage de fréquences pour les trois solutions d'AH. Aux fréquences élevées, le module élastique G' est dominant, concomitant avec une faible valeur de n* et décroît avec la diminution de la fréquence (augmentation du temps) à mesure que l'énergie élastique est convertie en énergie visqueuse, ce qui est cohérent avec l'augmentation et le plateau final de n*.
Le croisement G'/G" indique une transition entre un comportement à dominante élastique (pseudo-gel) et un comportement à dominante liquide, l'inverse de la fréquence de croisement 1/ωc représentant le temps de relaxation le plus long du matériau ou le temps nécessaire pour qu'environ 63 % de l'énergie ou de la contrainte élastique soit dissipée lorsque le polymère se détend. Le module à ce point de croisement peut être appelé "module de croisement" (Gc) et est une mesure de la rigidité totale à cette fréquence angulaire. Comme pour n*, les solutions d'AH ayant les concentrations les plus élevées présentent les valeurs les plus importantes de G' à toutes les fréquences et également le temps de relaxation le plus long. Ceci est cohérent avec un plus grand nombre d'interactions ou d'enchevêtrements intermoléculaires qui font que ces matériaux se comportent de manière plus élastique et plus longtemps lorsqu'ils sont soumis à des contraintes.
Essais de viscosimétrie
Les courbes d'écoulement en régime permanent pour les trois solutions d'AH sont présentées à la figure 3. Tous les échantillons s'amincissent par cisaillement ou sont pseudoplastiques, montrant une chute de la viscosité avec l'augmentation du taux de cisaillement, ce qui reflète largement les courbes de viscosité complexe en fonction de la fréquence angulaire de la figure 1. C'est l'une des raisons pour lesquelles les données de viscosité complexe sont tracées en fonction de la fréquence angulaire, étant donné que la fréquence angulaire peut être mise en équation avec la vitesse de cisaillement et que, pour les systèmes liquides et polymères simples, n*(ω) ≈ n(γ) lorsque ω tend vers zéro. Dans ce cas, les données n et n* concordent très bien dans la région de basse fréquence et de faible taux de cisaillement, avec des valeurs comparables de n0 et la même tendance de concentration.
Analyse des données
La viscosité à cisaillement nul peut être estimée directement en prenant un seul point ou une moyenne de plusieurs points à l'intérieur du plateau de viscosité à cisaillement nul. Une autre méthode, souvent préférée, consiste à appliquer un modèle rhéologique connu pour s'adapter très bien aux courbes de ce type. Ces modèles comprennent les modèles Cross et Carreau qui sont disponibles dans le logiciel rSpace. Ils peuvent être ajustés aux données n*(ω) et n(γ), à condition que le coefficient de corrélation de l'ajustement soit élevé. La figure 4 montre un modèle de Cross ajusté aux données de taux de viscosité-cisaillement pour la solution d'AH de 15 mg/ml et démontre à quel point ce modèle s'ajuste bien aux données.
La viscosité à cisaillement nul pour tous les échantillons, basée sur l'ajustement du modèle croisé des données n*(ω) et n*(γ), est répertoriée dans le tableau 1. Les données de l'analyse croisée automatisée pour les courbes G' et G" sont également indiquées.
Des valeurs plus élevées de n0 indiquent une mobilité plus faible et donc des propriétés plus cohésives, tandis que des valeurs plus faibles indiquent une meilleure dispersivité. En ce qui concerne les données G' et G", une fréquence de croisement plus faible (ωc) et un module de croisement plus élevé (Gc) indiquent une structure plus cohésive, tandis qu'une valeur plus élevée de ωc et une valeur plus faible de Gc indiquent un système plus dispersif. Plus généralement, les OVD dispersives ont tendance à avoir des valeurs de n0 inférieures à 50 Pas et les OVD cohésives entre 100 et 100 000 Pas, ces viscosités plus élevées étant généralement associées à des valeurs plus élevées de Gc et à des valeurs plus faibles de ωc. Selon ce critère, les trois solutions testées seraient classées comme étant de nature plus cohésive que dispersive.
Tableau 1 : Valeurs rapportées pour la viscosité de cisaillement zéro n0), la fréquence de croisement (ωc) et le module de croisement (Gc) suite à l'ajustement du modèle croisé et à l'analyse de croisement, respectivement
| Concentration d'AH | 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 |
Conclusion
Les propriétés rhéologiques d'un OVD à base d'AH à trois concentrations d'AH différentes ont été évaluées conformément à la norme ISO15798:2013 à l'aide d'un rhéomètre rotatif Kinexus. Il s'agissait de mesurer la viscosité de cisaillement dynamique à l'état stable, la viscosité complexe et les modules viscoélastiques (G' et G"). Les différents échantillons ont été caractérisés et comparés en termes de viscosité de cisaillement à zéro et de profils de relaxation afin de mieux les classer en fonction de leurs propriétés "cohésives et dispersives".