Pendahuluan
Ophthalmic Viscosurgical Devices (OVD) adalah larutan atau gel viskoelastik yang digunakan untuk melindungi endotel kornea dari trauma mekanis dan untuk mempertahankan ruang intraokular selama pembedahan mata. OVD biasanya mengandung satu atau beberapa komponen berikut ini; asam hialuronat atau garam natriumnya, kondroitin sulfat, atau metilselulosa. Karena bahan-bahan ini bersifat polimer, mereka cenderung bersifat visko-elastis dengan sifat-sifatnya yang sangat bergantung pada faktor-faktor seperti konsentrasi, berat molekul, dan arsitektur molekul, serta interaksi intra atau antar molekul dalam larutan.
OVD dapat diklasifikasikan menurut 'kekompakan atau dispersivitas' yang pada akhirnya terkait dengan sifat reologi mereka. OVD kohesif adalah bahan dengan viskositas tinggi yang melekat satu sama lain melalui asosiasi molekuler. Mereka cenderung memiliki berat molekul yang lebih tinggi dan sangat tipis dengan tegangan permukaan yang tinggi. Karena viskositasnya yang tinggi, OVD kohesif mampu memberikan tekanan pada mata dan menciptakan ruang untuk memasukkan implan optik (lensa). Kekompakan mereka juga memudahkan pengangkatan pada akhir operasi karena seluruh massa saling menempel. Sebaliknya, OVD dispersif cenderung memiliki berat molekul yang lebih rendah dan lebih bersifat Newtonian. OVD dispersif memiliki viskositas yang lebih rendah dan tegangan permukaan yang lebih rendah sehingga lebih mampu melapisi dan menempel pada jaringan dan instrumen bedah, serta membantu melumasi implan optik selama pemasangan. OVD dispersif cenderung lebih sulit dikeluarkan setelah operasi karena fluiditasnya yang lebih tinggi. Selain dua kelas yang baru saja dijelaskan, ada juga OVD kombinasi yang menggabungkan sifat dispersif dan kohesif, serta OVD visko-adpatif yang menunjukkan sifat yang berbeda, bergantung pada kondisi penggunaan.
Saat ini terdapat Standar Internasional (ISO15798: 2013) yang merinci persyaratan untuk mengkarakterisasi bahan-bahan ini dalam hal karakteristik biologis, kimiawi, dan fisiknya. Untuk tujuan catatan aplikasi ini, kami memperhatikan bagian standar yang berhubungan dengan karakterisasi reologi. Standar tersebut menyatakan bahwa produk harus diuji dalam keadaan jadi dan disterilkan pada suhu 25 ° C untuk pengujian reologi dan melibatkan pengujian geser osilasi dan mantap untuk mengkarakterisasi karakteristik viskoelastik dan aliran dalam hal viskositas dinamis, viskositas kompleks, dan modulus viskoelastik.
Viskositas kompleks diukur sebagai fungsi frekuensi osilasi menggunakan kenaikan logaritmik untuk secara simultan menunjukkan resistensi terhadap aliran dan deformasi formulasi OVD. Rentang frekuensi yang ditentukan adalah antara 0,001 Hz dan 1000 Hz, tetapi 0,01 Hz hingga 100 Hz dianggap dapat diterima selama dataran tinggi viskositas geser nol (pada frekuensi yang semakin berkurang) dapat diakses. Hal ini akan terjadi pada frekuensi yang lebih rendah untuk bahan dengan viskositas yang lebih tinggi. Seringkali tidak mungkin untuk mencapai 100 Hz pada rheometer rotasi karena keterbatasan inersia dan oleh karena itu seseorang harus menargetkan frekuensi tertinggi yang dapat dicapai.
Elastisitas atau viskoelastisitas OVD dikarakterisasi melalui G' dan G" dan diukur secara bersamaan dengan n* hingga frekuensi 100 Hz secara ideal, atau setinggi mungkin dengan mempertimbangkan keterbatasan inersia. Data harus disajikan dalam skala logaritmik ganda terhadap frekuensi atau sebagai plot persen elastisitas terhadap frekuensi log, misalnya sebagai 100 × [G'/(G'+G") terhadap frekuensi log.
Untuk pengukuran geser yang stabil, rentang laju geser yang disarankan adalah dari 0,001 s-1 untuk mendekati viskositas geser nol, yang mewakili kondisi di dalam bilik mata depan, hingga laju geser sekitar 100 s-1, untuk meniru kondisi saat cairan viskoelastik disuntikkan ke dalam mata melalui kanula. Laju geser harus ditingkatkan dengan peningkatan logaritmik dan data viskositas geser yang stabil disajikan sebagai fungsi laju geser pada skala logaritmik ganda. Karena mengukur cairan dengan viskositas rendah pada laju geser yang rendah dapat menimbulkan masalah, maka laju geser terendah di mana viskositas geser nol dapat dicapai dianggap dapat diterima. Dataran tinggi viskositas geser nol cenderung muncul pada laju geser yang lebih tinggi untuk material dengan viskositas rendah dan laju geser yang lebih rendah untuk material dengan viskositas tinggi, sehingga laju geser yang rendah tidak selalu diperlukan. Perhatikan bahwa viskositas geser nol geser yang stabil harus sesuai dengan nilai ekuivalen n* yang diukur menggunakan pengujian osilasi.
Eksperimental
- Formulasi OVD yang mengandung asam hialuronat dengan tiga konsentrasi berbeda yaitu 15 mg/ml, 18 mg/ml, dan 25 mg/ml dianalisis dan dibandingkan menurut ISO15798:2013.
- Pengukuran rheometer rotasi dilakukan dengan menggunakan rheometer rotasi Kinexus dengan kartrid pelat Peltier dan menggunakan sistem pengukuran pelat kerucut 4 ° / 40 mm untuk pengukuran osilasi dan pelat kerucut 2 ° / 20 mm untuk uji viskometri.
- Urutan pemuatan standar digunakan untuk memastikan bahwa kedua sampel tunduk pada protokol pemuatan yang konsisten dan terkendali. Semua pengukuran reologi dilakukan pada suhu 25°C.
- Sapuan frekuensi terkontrol SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan dalam viskoelastik linier yang telah ditentukan sebelumnya dilakukan untuk menentukan G', G" dan η* sebagai fungsi frekuensi.
- Tabel kesetimbangan uji laju geser dilakukan untuk menentukan viskositas geser kondisi tunak (dinamis) sebagai fungsi laju geser.
- Nilai η0 diperoleh dengan menggunakan analisis model silang dalam perangkat lunak rSpace
Hasil dan Pembahasan
Pengujian Osilasi
Kurva viskositas kompleks sebagai fungsi frekuensi sudut (ω = 2πf) ditunjukkan pada Gambar 1. Kurva ini adalah tipikal fluida viskoelastik, di mana pada frekuensi tinggi viskositas kompleks rendah (lebih elastis) dan meningkat dengan menurunnya frekuensi karena energi elastis diubah menjadi energi viskos, yang berujung pada dataran viskositas konstan. Permulaan viskositas konstan atau dataran tinggi viskositas geser nol (n*0) ini terlihat jelas untuk semua sampel dengan konsentrasi yang lebih tinggi yang memiliki viskositas yang lebih tinggi.
Gambar 2 menunjukkan kurva G' dan G" pada rentang frekuensi yang sama untuk ketiga larutan HA. Pada frekuensi tinggi, Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas G' dominan, bersamaan dengan nilai n* yang rendah dan meluruh dengan penurunan frekuensi (bertambahnya waktu) karena energi elastis diubah menjadi energi kental, konsisten dengan peningkatan dan akhirnya mencapai titik puncak pada n*.
Persilangan G'/G" menunjukkan transisi dari perilaku dominan elastis (seperti gel semu) ke perilaku dominan cair dengan kebalikan dari frekuensi persilangan 1/ωc yang mewakili waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi terpanjang dari bahan atau waktu yang dibutuhkan sekitar 63% dari energi elastis atau tegangan untuk dihamburkan saat polimer berelaksasi. Modulus pada titik persimpangan ini dapat disebut sebagai 'modulus persimpangan' (Gc) dan merupakan ukuran kekakuan total pada frekuensi sudut ini. Seperti halnya n*, larutan HA dengan konsentrasi tertinggi memiliki nilai G' terbesar di semua frekuensi dan juga waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi terpanjang. Hal ini konsisten dengan jumlah interaksi antar-molekul yang lebih tinggi atau keterikatan yang membuat bahan ini berperilaku lebih elastis lebih lama ketika diberi tekanan.
Pengujian Viskometri
Kurva aliran kondisi tunak untuk ketiga larutan HA ditunjukkan pada Gambar 3. Semua sampel yang menipiskan geser atau pseudoplastik menunjukkan penurunan viskositas dengan meningkatnya laju geser yang sebagian besar mencerminkan kurva viskositas kompleks vs frekuensi sudut pada Gambar 1. Ini adalah salah satu alasan mengapa data viskositas kompleks diplot terhadap frekuensi sudut, karena frekuensi sudut dapat disamakan dengan laju geser dan untuk sistem cairan dan polimer sederhana n*(ω) ≈ n(γ) karena ω cenderung nol. Dalam hal ini data n dan n* sangat cocok pada frekuensi rendah, daerah laju geser rendah dengan nilai n0 yang sebanding dan tren konsentrasi yang sama.
Analisis Data
Viskositas geser nol dapat diestimasi secara langsung dengan mengambil satu titik atau rata-rata dari beberapa titik di dalam dataran tinggi viskositas geser nol. Metode alternatif yang sering digunakan adalah dengan menerapkan model reologi yang diketahui cocok dengan kurva jenis ini dengan sangat baik. Model-model ini termasuk model Cross dan Carreau yang tersedia dalam perangkat lunak rSpace. Model-model ini dapat digunakan pada data n*(ω) dan n(γ), selama koefisien korelasi untuk kecocokannya tinggi. Gambar 4 menunjukkan model Cross yang dipasang pada data laju viskositas-geser untuk larutan HA 15 mg/ml dan menunjukkan seberapa baik model ini cocok dengan data.
Viskositas geser nol untuk semua sampel berdasarkan pencocokan model silang data n*(ω) dan n*(γ) tercantum dalam Tabel 1. Data analisis crossover otomatis untuk kurva G' dan G" juga dilaporkan.
Nilai n0 yang lebih tinggi menunjukkan mobilitas yang lebih rendah dan karenanya lebih kohesif, sementara nilai yang lebih rendah menunjukkan dispersivitas yang lebih baik. Dalam hal data G' dan G", frekuensi cross over yang lebih rendah (ωc) dan modulus crossover yang lebih tinggi (Gc) akan mengindikasikan struktur yang lebih kohesif, sedangkan nilai ωc yang lebih tinggi dan nilai Gc yang lebih rendah akan mengindikasikan sistem yang lebih dispersif. Secara umum, OVD dispersif cenderung memiliki nilai n0 kurang dari 50 Pas dan OVD kohesif di mana saja antara 100 dan 100000 Pas dengan viskositas yang lebih tinggi ini biasanya dikaitkan dengan nilai Gc yang lebih tinggi dan nilai ωc yang lebih rendah. Menurut kriteria ini, tiga solusi yang diuji akan diklasifikasikan sebagai lebih kohesif daripada dispersif.
Tabel 1: Nilai-nilai yang dilaporkan untuk viskositas geser nol n0), frekuensi crossover (ωc) dan modulus crossover (Gc) masing-masing setelah pencocokan model silang dan analisis crossover
| Konsentrasi 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 |
Kesimpulan
Sifat reologi dari OVD berbasis HA pada tiga konsentrasi HA yang berbeda dievaluasi sesuai dengan ISO15798: 2013 menggunakan rheometer rotasi Kinexus. Hal ini melibatkan pengukuran viskositas geser dinamis kondisi tunak, viskositas kompleks, dan modulus viskoelastik (G' dan G"). Sampel yang berbeda dikarakterisasi dan dibandingkan dalam hal viskositas geser nol dan profil RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi masing-masing untuk mengklasifikasikannya dengan lebih baik dalam hal sifat 'kohesif dan dispersif'.