Introduzione
I dispositivi viscochirurgici oftalmici (OVD) sono soluzioni o gel viscoelastici utilizzati per proteggere l'endotelio corneale da traumi meccanici e per mantenere lo spazio intraoculare durante la chirurgia oculare. Di solito contengono uno o più dei seguenti componenti: acido ialuronico o il suo sale di sodio, condroitina solfato o metilcellulosa. Essendo polimerici, questi materiali tendono a essere viscoelastici e le loro proprietà dipendono fortemente da fattori quali la concentrazione, il peso molecolare e l'architettura molecolare, nonché dalle interazioni intra- o inter-molecolari in soluzione.
Gli OVD possono essere classificati in base alla loro "coesività o dispersività", che sono in ultima analisi correlate alle loro proprietà reologiche. Gli OVD coesivi sono materiali ad alta viscosità che aderiscono l'uno all'altro attraverso associazioni molecolari. Tendono ad avere pesi molecolari più elevati e sono altamente diluibili al taglio con un'elevata tensione superficiale. Grazie alla loro elevata viscosità, gli OVD coesivi sono in grado di pressurizzare l'occhio e creare spazio per l'inserimento dell'impianto ottico (lente). La loro coesività facilita inoltre la rimozione al termine dell'intervento chirurgico, poiché l'intera massa rimane unita. Al contrario, gli OVD dispersivi tendono ad avere un peso molecolare inferiore e sono più newtoniani. Hanno una viscosità più bassa e una minore tensione superficiale che li rende più capaci di rivestire e aderire sia ai tessuti che agli strumenti chirurgici, oltre a contribuire alla lubrificazione dell'impianto ottico durante l'inserimento. Gli OVD dispersivi tendono a essere più difficili da rimuovere dopo l'intervento chirurgico a causa della loro maggiore fluidità. Oltre alle due classi appena descritte, esistono anche OVD combinati che incorporano proprietà dispersive e coesive e OVD visco-adipativi che presentano proprietà diverse a seconda delle condizioni di utilizzo.
Esiste ora uno standard internazionale (ISO15798:2013) che dettaglia i requisiti per la caratterizzazione di questi materiali in termini di caratteristiche biologiche, chimiche e fisiche. Ai fini della presente nota applicativa, ci occupiamo della sezione della norma che riguarda la caratterizzazione reologica. La norma stabilisce che il prodotto deve essere testato nello stato finito e sterilizzato a 25°C per le prove reologiche e prevede prove di taglio oscillatorio e stazionario rispettivamente per la caratterizzazione delle caratteristiche viscoelastiche e di flusso in termini di viscosità dinamica, viscosità complessa e moduli viscoelastici.
La viscosità complessa viene misurata in funzione della frequenza di oscillazione con incrementi logaritmici per dimostrare contemporaneamente la resistenza al flusso e alla deformazione della formulazione OVD. L'intervallo di frequenza specificato è compreso tra 0,001 Hz e 1000 Hz, ma da 0,01 Hz a 100 Hz è considerato accettabile purché il plateau della viscosità di taglio zero (a frequenze decrescenti) sia accessibile. Questo si verificherà a frequenze più basse per i materiali a viscosità più elevata. Spesso non è possibile raggiungere i 100 Hz su un reometro rotazionale a causa di limitazioni inerziali e quindi si dovrebbe puntare alla massima frequenza raggiungibile.
L'elasticità o viscoelasticità dell'OVD è caratterizzata da G' e G" e viene misurata simultaneamente a n* fino a una frequenza ideale di 100 Hz, o il massimo possibile considerando i limiti di inerzia. I dati devono essere presentati su una doppia scala logaritmica rispetto alla frequenza o come grafico dell'elasticità percentuale rispetto alla frequenza log, ad esempio come 100 × [G'/ (G'+G"] rispetto alla frequenza log.
Per le misurazioni a taglio costante, la velocità di taglio suggerita va da 0,001 s-1 per approssimare la viscosità di taglio zero, rappresentativa delle condizioni all'interno della camera anteriore, a una velocità di taglio di circa 100 s-1, per replicare le condizioni in cui il fluido viscoelastico viene iniettato nell'occhio attraverso una cannula. Le velocità di taglio devono essere aumentate con incrementi logaritmici e i dati sulla viscosità di taglio costante devono essere presentati in funzione della velocità di taglio su una doppia scala logaritmica. Poiché la misurazione di fluidi a bassa viscosità a basse velocità di taglio può essere problematica, si considera accettabile la velocità di taglio più bassa alla quale è possibile raggiungere la viscosità di taglio zero. Il plateau della viscosità di taglio zero tende a comparire a velocità di taglio più elevate per i materiali a bassa viscosità e a velocità di taglio più basse per i materiali ad alta viscosità, per cui non sempre sono necessarie velocità di taglio basse. Si noti che la viscosità di taglio zero a taglio costante dovrebbe corrispondere al valore equivalente di n* misurato con prove oscillatorie.
Sperimentale
- Una formulazione OVD contenente acido ialuronico a tre diverse concentrazioni 15 mg/ml, 18 mg/ml e 25 mg/ml è stata analizzata e confrontata secondo la norma ISO15798:2013.
- Le misure al reometro rotazionale sono state effettuate utilizzando un reometro rotazionale Kinexus con una cartuccia a piastre di Peltier e utilizzando un sistema di misurazione a piastra conica di 4°/40 mm per le misure oscillatorie e una piastra conica di 2°/20 mm per le prove di viscometria.
- È stata utilizzata una sequenza di caricamento standard per garantire che entrambi i campioni fossero sottoposti a un protocollo di caricamento coerente e controllabile. Tutte le misure reologiche sono state eseguite a 25°C.
- Per determinare G', G" e η* in funzione della frequenza, è stato eseguito uno sweep di frequenza controllato dalla deformazione all'interno della viscoelastica lineare predeterminata.
- È stata eseguita una prova di equilibrio della tabella delle velocità di taglio per determinare la viscosità di taglio (dinamica) allo stato stazionario in funzione della velocità di taglio.
- I valori di η0 sono stati ottenuti mediante un'analisi cross-model con il software rSpace
Risultati e discussione
Test di oscillazione
Le curve della viscosità complessa in funzione della frequenza angolare (ω = 2πf) sono mostrate nella Figura 1. Queste curve sono tipiche di un fluido viscoelastico, dove alle alte frequenze la viscosità complessa è bassa (più elastica) e aumenta al diminuire della frequenza, man mano che l'energia elastica viene convertita in energia viscosa, culminando in un plateau di viscosità costante. L'inizio di questo plateau di viscosità costante o viscosità di taglio zero (n*0) è chiaramente visibile per tutti i campioni, con le concentrazioni più alte che presentano viscosità più elevate.
La Figura 2 mostra le curve G' e G" nello stesso intervallo di frequenze per le tre soluzioni HA. Alle alte frequenze, il Modulo elasticoIl modulo complesso (componente elastica), modulo di conservazione o G', è la parte "reale" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente elastica indica la risposta del campione in fase di misurazione. modulo elastico G' è dominante, in concomitanza con un basso valore di n* e decresce con la diminuzione della frequenza (aumento del tempo) quando l'energia elastica viene convertita in energia viscosa, coerentemente con l'aumento e l'eventuale plateau di n*.
L'incrocio G'/G" indica una transizione da un comportamento elastico dominante (pseudo-gel) a un comportamento liquido dominante, con l'inverso della frequenza di incrocio 1/ωc che rappresenta il tempo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento più lungo del materiale o il tempo necessario per dissipare circa il 63% dell'energia elastica o dello Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress quando il polimero si rilassa. Il modulo in questo Punto di incrocioNei test reologici, come lo sweep di frequenza o lo sweep di tempo/temperatura, il punto di cross over è un comodo punto di riferimento per indicare un punto di "transizione" del campione.punto di incrocio può essere definito "modulo di incrocio" (Gc) ed è una misura della rigidità totale a questa frequenza angolare. Come nel caso di n*, le soluzioni di HA con le concentrazioni più elevate presentano i valori largest di G' a tutte le frequenze e anche il tempo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento più lungo. Ciò è coerente con un numero più elevato di interazioni intermolecolari o di entanglements che rendono questi materiali più elastici per un periodo più lungo quando vengono sollecitati.
Test di viscometria
Le curve di flusso allo stato stazionario per le tre soluzioni di HA sono riportate nella Figura 3. Tutti i campioni sono shear-thinning o pseudoplastici e mostrano un calo della viscosità con l'aumento della velocità di taglio che largerispecchia le curve della viscosità complessa rispetto alla frequenza angolare nella Figura 1. Questo è uno dei motivi per cui i dati della viscosità complessa sono tracciati rispetto alla frequenza angolare, poiché la frequenza angolare può essere equivocata. Questo è uno dei motivi per cui i dati della viscosità complessa sono tracciati rispetto alla frequenza angolare, poiché la frequenza angolare può essere equivocata con la velocità di taglio e per i sistemi liquidi e polimerici semplici n*(ω) ≈ n(γ) quando ω tende a zero. In questo caso, i dati di n e n* concordano molto bene nella regione a bassa frequenza e bassa velocità di taglio, con valori comparabili di n0 e lo stesso andamento della concentrazione.
Analisi dei dati
La viscosità a taglio zero può essere stimata direttamente prendendo un singolo punto o una media di più punti all'interno del plateau della viscosità a taglio zero. Un metodo alternativo e spesso preferito è quello di applicare un modello reologico che è noto per adattarsi molto bene a curve di questo tipo. Questi modelli includono i modelli Cross e Carreau, disponibili nel software rSpace. Questi modelli possono essere adattati sia ai dati n*(ω) che a quelli n(γ), purché il coefficiente di correlazione sia elevato. La Figura 4 mostra un modello Cross adattato ai dati di viscosità-velocità di taglio per la soluzione di 15 mg/ml di HA e dimostra come questo modello si adatti bene ai dati.
La viscosità a taglio zero per tutti i campioni, basata sull'adattamento del modello incrociato dei dati n*(ω) e n*(γ), è elencata nella Tabella 1. Sono riportati anche i dati dell'analisi crossover automatizzata per le curve G' e G".
Valori più alti di n0 indicano una minore mobilità e quindi proprietà più coesive, mentre valori più bassi indicano una migliore dispersività. In termini di dati G' e G", una frequenza di incrocio più bassa (ωc) e un modulo di incrocio più alto (Gc) indicherebbero una struttura più coesa, mentre un valore più alto di ωc e un valore più basso di Gc indicherebbero un sistema più dispersivo. Più in generale, gli OVD dispersivi tendono ad avere valori di n0 inferiori a 50 Pas e OVD coesivi compresi tra 100 e 100000 Pas; queste viscosità più elevate sono solitamente associate a valori più alti di Gc e più bassi di ωc. Secondo questo criterio, le tre soluzioni testate sarebbero classificate come più coesive che dispersive.
Tabella 1: Valori riportati per la viscosità di taglio zero n0), la frequenza di crossover (ωc) e il modulo di crossover (Gc) in seguito all'adattamento del modello incrociato e all'analisi del crossover, rispettivamente
| Concentrazione di 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 |
Conclusione
Le proprietà reologiche di un OVD a base di HA a tre diverse concentrazioni di HA sono state valutate secondo la norma ISO15798:2013 utilizzando un reometro rotazionale Kinexus. Ciò ha comportato la misurazione della viscosità di taglio dinamica allo stato stazionario, della viscosità complessa e dei moduli viscoelastici (G' e G"). I diversi campioni sono stati caratterizzati e confrontati in termini di viscosità a taglio zero e profili di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento rispettivamente, al fine di classificarli meglio in termini di proprietà "coesive e dispersive".