Bevezetés
A szemészeti viszkoszsebészeti eszközök (OVD-k) viszkoelasztikus oldatok vagy gélek, amelyeket a szaruhártya endotheliumának mechanikai traumával szembeni védelmére és a szemműtét során a szemüregben lévő tér fenntartására használnak. Általában az alábbi összetevők közül egyet vagy többet tartalmaznak: hialuronsav vagy annak nátriumsója, kondroitin-szulfát vagy metilcellulóz. Mivel ezek az anyagok polimerek, általában viszkoelasztikusak, és tulajdonságaik erősen függnek olyan tényezőktől, mint a koncentráció, a molekulatömeg és a molekuláris felépítés, valamint az oldatban fellépő intra- vagy intermolekuláris kölcsönhatások.
Az OVD-ket "összetartó vagy diszpergáló képességük" szerint lehet osztályozni, amelyek végső soron reológiai tulajdonságaikhoz kapcsolódnak. Az összetartó OVD-k olyan nagy viszkozitású anyagok, amelyek molekuláris társulások révén egymáshoz tapadnak. Ezek általában nagyobb molekulatömegűek, és nagy felületi feszültséggel rendelkező, erősen nyíróhígító hatásúak. Nagy viszkozitásuk miatt a kohéziós OVD-k képesek nyomást gyakorolni a szemre és helyet teremteni az optikai implantátum (lencse) behelyezéséhez. Kohéziójuk megkönnyíti a műtét végén történő könnyű eltávolítást is, mivel a teljes massza összetapad. Ezzel szemben a diszperzív OVD-k általában alacsonyabb molekulatömegűek és Newton-szerűek. Alacsonyabb viszkozitásuk és kisebb felületi feszültségük van, így jobban bevonják a szöveteket és a műtéti eszközöket, és jobban tapadnak hozzájuk, valamint segítik az optikai implantátum kenését a behelyezés során. A diszperzív OVD-ket a nagyobb folyékonyságuk miatt általában nehezebb eltávolítani a műtét után. Az imént ismertetett két osztályon kívül léteznek kombinált OVD-k, amelyek diszperzív és kohéziós tulajdonságokkal rendelkeznek, valamint viszkoadpatív OVD-k, amelyek a felhasználási körülményektől függően eltérő tulajdonságokat mutatnak.
Jelenleg létezik egy nemzetközi szabvány (ISO15798:2013), amely részletesen meghatározza az ezen anyagok biológiai, kémiai és fizikai tulajdonságaikra vonatkozó jellemzési követelményeit. Ezen alkalmazási megjegyzés alkalmazásában a szabványnak a reológiai jellemzéssel foglalkozó részével foglalkozunk. A szabvány kimondja, hogy a terméket kész és sterilizált állapotban, 25°C-on kell vizsgálni a reológiai vizsgálathoz, és mind oszcillációs, mind pedig állandósult nyírási vizsgálatot tartalmaz mind a viszkoelasztikus, mind az áramlási jellemzők jellemzésére a dinamikus viszkozitás, a komplex viszkozitás és a viszkoelasztikus modulusok tekintetében.
A komplex viszkozitást az oszcillációs frekvencia függvényében mérik logaritmikus növekményeket alkalmazva, hogy egyidejűleg kimutassák az OVD-készítmény áramlási és deformációs ellenállását. A megadott frekvenciatartomány 0,001 Hz és 1000 Hz között van, de a 0,01 Hz és 100 Hz közötti frekvencia is elfogadhatónak tekinthető, amennyiben a nulla nyírási viszkozitású plató (csökkenő frekvencián) elérhető. Ez a magasabb viszkozitású anyagok esetében alacsonyabb frekvencián fog bekövetkezni. Gyakran nem lehetséges a 100 Hz elérése egy rotációs reométeren a tehetetlenségi korlátok miatt, ezért a legmagasabb elérhető frekvenciára kell törekedni.
Az OVD rugalmasságát vagy viszkoelaszticitását a G' és G" értékekkel jellemezzük, és az n* értékkel egyidejűleg mérjük, ideális esetben 100 Hz-es frekvenciáig, vagy olyan magas frekvenciáig, amilyen magasra a tehetetlenségi korlátokat figyelembe véve lehetséges. Az adatokat vagy a frekvencia függvényében kettős logaritmikus skálán, vagy a százalékos rugalmasság logaritmikus frekvencia függvényében, például 100 × [G'/(G'+G"] a logaritmikus frekvencia függvényében kell ábrázolni.
Állandó nyírási mérések esetén a javasolt nyírási sebesség tartománya 0,001 s-1 - az elülső kamrában uralkodó viszonyokra jellemző nulla nyírási viszkozitás megközelítésére - és körülbelül 100 s-1 nyírási sebesség között van, hogy a viszkoelasztikus folyadék kanülön keresztül a szembe történő befecskendezése során uralkodó viszonyokat reprodukálja. A nyírási sebességet logaritmikus lépésekben kell növelni, és az állandó nyírási viszkozitási adatokat a nyírási sebesség függvényében, kettős logaritmikus skálán kell bemutatni. Mivel az alacsony viszkozitású folyadékok mérése alacsony nyírási sebességgel problémás lehet, a legalacsonyabb nyírási sebességet, amelynél a nulla nyírási viszkozitás elérhető, elfogadhatónak tekintjük. A nulla nyírási viszkozitási szint alacsony viszkozitású anyagoknál általában magasabb nyírási sebességnél, míg nagy viszkozitású anyagoknál alacsonyabb nyírási sebességnél jelenik meg, így nem mindig van szükség alacsony nyírási sebességre. Megjegyzendő, hogy az egyenletes nyírási nulla nyírási viszkozitásnak meg kell felelnie az n* oszcillációs vizsgálat során mért egyenértékű értékének.
Kísérleti
- Az ISO15798:2013 szabvány szerint elemeztek és összehasonlítottak egy hialuronsavat tartalmazó OVD-készítményt, amely három különböző koncentrációban, 15 mg/ml, 18 mg/ml és 25 mg/ml koncentrációban tartalmazott.
- A rotációs reométeres méréseket Peltier lemezkazettával ellátott Kinexus rotációs reométerrel végeztük, az oszcillációs mérésekhez 4°/40 mm-es kúplemezes mérőrendszert, a viszkoziméteres vizsgálatokhoz pedig 2°/20 mm-es kúplemezt használtunk.
- Egy szabványos betöltési sorrendet alkalmaztunk annak biztosítása érdekében, hogy mindkét minta következetes és ellenőrizhető betöltési protokollnak legyen alávetve. Minden reológiai mérést 25°C-on végeztünk.
- A G', G" és η* meghatározásához a frekvencia függvényében az előre meghatározott lineáris viszkoelasztikus tartományon belül egy feszültségvezérelt frekvenciasöprést végeztünk.
- A nyírási sebességek egyensúlyi táblázatának vizsgálatát végeztük el az állandósult nyírási (dinamikus) viszkozitás meghatározására a nyírási sebesség függvényében.
- Az η0 értékeit az rSpace szoftverben végzett keresztmodell-elemzéssel értékelték
Eredmények és vita
Oszcillációs tesztelés
A komplex viszkozitási görbéket a szögfrekvencia (ω = 2πf) függvényében az 1. ábra mutatja. Ezek a görbék jellemzőek egy viszkoelasztikus folyadékra, ahol magas frekvenciáknál a komplex viszkozitás alacsony (rugalmasabb), és a frekvencia csökkenésével nő, ahogy a rugalmas energia viszkózus energiává alakul, és egy állandó viszkozitású platón tetőzik. Ennek az állandó viszkozitású vagy nulla nyírási viszkozitású platónak a kezdete (n*0) minden minta esetében jól látható, a magasabb koncentrációk magasabb viszkozitást mutatnak.
A 2. ábra a G' és G" görbéket mutatja a három HA megoldás azonos frekvenciatartományában. Magas frekvenciákon a G' Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus dominál, ami egybeesik az n* alacsony értékével, és csökkenő frekvenciával (növekvő idővel) csökken, ahogy a rugalmas energia viszkózus energiává alakul át, ami összhangban van az n* növekedésével és végül a plató kialakulásával.
A G'/G" átmenet a rugalmas domináns (pszeudogélszerű) viselkedésből a folyékony domináns viselkedésbe való átmenetet jelzi, ahol az átmenet frekvenciájának fordítottja, 1/ωc az anyag leghosszabb RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idejét jelzi, vagy azt az időt, amely alatt a rugalmas energia vagy feszültség kb. 63%-a eloszlik a polimer RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációja során. A modulus ebben a keresztezési pontban "keresztezési modulusnak" (Gc) nevezhető, és az adott szögfrekvencián mért teljes merevség mérőszáma. Az n*-hoz hasonlóan a legnagyobb koncentrációjú HA-oldatok rendelkeznek a legnagyobb G' értékekkel minden frekvencián és a leghosszabb RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idővel is. Ez összhangban van azzal, hogy a molekulák közötti kölcsönhatások vagy összefonódások nagyobb száma miatt ezek az anyagok hosszabb ideig rugalmasabban viselkednek terhelés esetén.
Viszkozimetriás vizsgálat
A 3. ábra a három HA-oldat állandósult áramlási görbéit mutatja. Valamennyi minta nyírási hígulásos vagy pszeudoplasztikus, és a nyírási sebesség növekedésével csökken a viszkozitás, ami nagymértékben tükrözi az 1. ábrán látható komplex viszkozitás-szögfrekvencia görbéket. Ez az egyik oka annak, hogy a komplex viszkozitási adatokat a szögfrekvencia függvényében ábrázoljuk, mivel a szögfrekvencia egyenlőségjelet adhat a nyírási sebességgel, és az egyszerű folyékony és polimer rendszerek esetében n*(ω) ≈ n(γ), ahogy ω nullához közelít. Ebben az esetben az n és az n* adatok nagyon jól egyeznek az alacsony frekvenciájú, alacsony nyírási sebességű tartományban, hasonló n0 értékekkel és azonos koncentrációs trenddel.
Adatelemzés
A nulla nyírási viszkozitás közvetlenül becsülhető egyetlen pont vagy a nulla nyírási viszkozitás platóján belüli több pont átlagának meghatározásával. Egy alternatív és gyakran előnyben részesített módszer egy olyan reológiai modell alkalmazása, amelyről ismert, hogy nagyon jól illeszkedik az ilyen típusú görbékhez. Ilyen modellek például a Cross és Carreau modellek, amelyek az rSpace szoftverben elérhetők. Ezek mind az n*(ω), mind az n(γ) adatokra illeszthetők, amennyiben az illesztés korrelációs együtthatója magas. A 4. ábra a 15 mg/ml HA-oldat viszkozitás-nyírási sebesség adataira illesztett Cross-modellt mutatja, és szemlélteti, hogy ez a modell mennyire jól illeszkedik az adatokhoz.
Az összes minta n*(ω) és n*(γ) adatok keresztmodell-illesztésén alapuló nulla nyírási viszkozitását az 1. táblázat tartalmazza. A G' és G" görbékre vonatkozó automatizált keresztezéselemzési adatokat is közöljük.
Az n0 magasabb értékei kisebb mobilitást és ezáltal nagyobb kohéziós tulajdonságokat, míg az alacsonyabb értékek jobb diszperzivitást jeleznek. A G' és G" adatokat tekintve az alacsonyabb keresztezési frekvencia (ωc) és a magasabb keresztezési modulus (Gc) kohéziósabb szerkezetre utal, míg az ωc magasabb értéke és a Gc alacsonyabb értéke diszperzívebb rendszerre utal. Általánosságban elmondható, hogy a diszperzív OVD-k általában 50 Pas-nál kisebb n0 értékekkel rendelkeznek, míg a koherens OVD-k 100 és 100000 Pas közöttiek, és ezekhez a magasabb viszkozitásokhoz általában magasabb Gc-értékek és alacsonyabb ωc-értékek társulnak. E kritériumok szerint a három vizsgált oldat inkább kohéziós, mint diszperzív jellegűnek minősül.
1. táblázat: Az nulla nyírási viszkozitás (n0), a keresztezési frekvencia (ωc) és a keresztezési modulus (Gc) bejelentett értékei a keresztmodell-illesztés, illetve a keresztezési elemzés nyomán
| HA koncentráció | 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 |
Következtetés
A HA-alapú OVD reológiai tulajdonságait három különböző HA-koncentrációban az ISO15798:2013 szabvány szerint értékelték egy Kinexus rotációs reométerrel. Ennek során megmérték az állandósult állapotú dinamikus nyírási viszkozitást, a komplex viszkozitást és a viszkoelasztikus modulusokat (G' és G"). A különböző mintákat jellemezték és összehasonlították a nulla nyírási viszkozitások, illetve a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs profilok tekintetében, hogy jobban be lehessen őket osztályozni "kohéziós és diszperzív" tulajdonságaik szempontjából.