はじめに
眼科用粘弾性デバイス（OVD）は、機械的外傷から角膜内皮を保護し、眼科手術中に眼内スペースを維持するために使用される粘弾性溶液またはゲルである。通常、ヒアルロン酸またはそのナトリウム塩、コンドロイチン硫酸、メチルセルロースのうち1つ以上の成分を含んでいる。これらの材料は高分子であるため粘弾性を示す傾向があり、その特性は溶液中の濃度、分子量、分子構造、分子内あるいは分子間の相互作用などの要因に強く依存する。
OVDは、そのレオロジー特性に最終的に関係する「凝集性」と「分散性」によって分類することができます。凝集性OVDは、分子会合によって互いに接着する高粘度材料です。分子量が高く、せん断減粘性が高く、表面張力が高い傾向がある。粘度が高いため、凝集性OVDは眼球を加圧し、光学インプラント（レンズ）を挿入するスペースを作ることができる。また、凝集性が高いため、手術終了時に塊全体がくっつき、容易に取り出すことができる。対照的に、分散型OVDは分子量が低く、ニュートン流体である傾向がある。粘度が低く、表面張力も低いため、組織や手術器具をコーティングして付着させるのに適しており、挿入時に光学インプラントの潤滑にも役立ちます。分散型OVDは流動性が高いため、手術後の除去がより困難になる傾向がある。今述べた2つのクラスの他に、分散性と凝集性を併せ持つコンビネーションOVDや、使用条件によって異なる特性を示す粘接着性OVDもあります。
現在では国際規格（ISO15798:2013）が制定され、これらの材料の生物学的、化学的、物理的特性を評価するための要求事項が詳述されている。本アプリケーションノートでは、この規格のレオロジー特性評価に関するセクションを取り上げます。この規格では、製品は完成し滅菌された状態で25℃でレオロジー試験を行うべきであり、動的粘度、複素粘度、粘弾性率という観点から粘弾性と流動特性の両方の特性を評価するために、それぞれ振動試験と定常せん断試験の両方が行われるとしています。
複素粘度は、OVD製剤の流動と変形に対する抵抗性を同時に示すために、対数増分を使って振動数の関数として測定されます。指定された周波数範囲は0.001 Hz～1000 Hzですが、0.01 Hz～100 Hzであれば、ゼロせん断粘度プラトー（周波数が低下するとき）に到達できる限り許容範囲と考えられます。粘度の高い材料では、このプラトーはより低い周波数で発生します。回転型レオメータでは、慣性の制限により100 Hzを達成できないことが多いため、達成可能な最高周波数を目指す必要があります。
OVDの弾性または粘弾性は、G'およびG "によって特徴付けられ、理想的には周波数100 Hzまで、または慣性の制限を考慮して可能な限り高い周波数まで、n*と同時に測定されます。データは、周波数に対する両対数スケールで表示するか、対数周波数に対する弾性率のプロット、例えば100×[G'/(G'+G"]対数周波数で表示します。
定常せん断測定の場合、せん断速度の範囲は、前房内の状態を代表するゼロせん断粘度に近似する0.001 s-1から、粘弾性流体がカニューレを通して眼内に注入されるときの状態を再現する約100 s-1のせん断速度が推奨されます。せん断速度は対数単位で増加させ、定常せん断粘度データはせん断速度の関数として両対数スケールで表示する。低粘度流体を低せん断速度で測定することは問題があるため、ゼロせん断粘度を達成できる最低せん断速度を許容範囲とします。ゼロせん断粘度のプラトーは、低粘度材料ではより高いせん断速度で、高粘度材料ではより低いせん断速度で現れる傾向があるため、低いせん断速度が常に必要というわけではありません。定常せん断ゼロせん断粘度は、振動試験で測定されたn*の等価値と一致する必要があることに注意してください。
実験的
- ISO15798:2013に従って、3つの異なる濃度15 mg/ml、18 mg/ml、25 mg/mlのヒアルロン酸を含むOVD製剤を分析し、比較した。
- ペルチェプレートカートリッジ付きKinexus回転型レオメータを使用し、振動測定には4°/40 mmコーンプレート測定システムを、粘度測定試験には2°/20 mmコーンプレートを用いて回転型レオメータ測定を行いました。
- 両試料が一貫して制御可能な負荷プロトコルに従うよう、標準負荷シーケンスを使用した。レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- あらかじめ決められた線形粘弾性内でひずみ制御周波数掃引を行い、周波数の関数としてG'、G"、η*を決定した。
- せん断速度の平衡表試験を行い、定常状態のせん断（動的）粘度をせん断速度の関数として決定した。
- η0の値は、rSpace ソフトウェアのクロスモデル解析によって求めた。
結果と考察
振動試験
角周波数（ω = 2πf）の関数としての複素粘度曲線を図1に示す。これらの曲線は粘弾性流体の一般的なもので、高周波数では複素粘度は低く（より弾性的）、弾性エネルギーが粘性エネルギーに変換されるにつれて周波数が下がるにつれて増加し、最終的には一定の粘度プラトーに達します。この一定粘度またはゼロせん断粘度プラトー（n*0）の開始は、すべての試料ではっきりと確認でき、高濃度ほど粘度が高くなっている。
Fig.2は3つのHA溶液の同じ周波数範囲におけるG'およびG "曲線を示している。高周波数では、弾性率G'が支配的で、n*が低い値になり、弾性エネルギーが粘性エネルギーに変換されるにつれて、周波数が下がるにつれて（時間が長くなるにつれて）減衰し、n*の増加および最終的なプラトーと一致する。
G'/G "クロスオーバーは、弾性優勢（擬似ゲル状）挙動から液体優勢挙動への移行を示し、クロスオーバー周波数の逆数1/ωcは、材料の最長緩和時間、またはポリマーが緩和するにつれて弾性エネルギーまたは応力の約63%が消散するのにかかる時間を表します。このクロスオーバー点での弾性率は「クロスオーバー弾性率」(Gc)と呼ばれ、この角周波数における全剛性の尺度である。n*と同様に、最も高濃度のHA溶液は、すべての周波数にわたってG'の値が最も大きく、緩和時間も最も長い。これは、分子間相互作用やもつれの数が多いため、応力がかかったときにこれらの材料がより長く弾性的に振る舞うことと一致する。
粘度測定試験
3種のHA溶液の定常流動曲線をFig.3に示す。すべての試料はせん断減粘性または疑似塑性を示し、せん断速度の増加とともに粘度が低下している。角周波数はせん断速度と等価であり、単純な液体およびポリマー系では、ωがゼロになるにつれてn*(ω)≈n(γ)となるからです。この場合、nとn*のデータは、低周波数、低せん断速度領域で非常によく一致し、n0の値は同等で、濃度傾向も同じである。
データ分析
ゼロせん断粘度は、ゼロせん断粘度プラトー内の1点または複数の点の平均を取ることによって直接推定することができます。別の方法として、この種の曲線によく適合することが知られているレオロジーモデルを適用することもできます。このようなモデルには、rSpace で利用可能な Cross モデルや Carreau モデルがあります。これらのモデルは、フィットの相関係数が高ければ、n*(ω)とn(γ)の両方のデータにフィットさせることができます。Figure 4は15 mg/ml HA溶液の粘度-せん断速度データに適合させたCrossモデルを示し、このモデルがデータにいかによく適合するかを示している。
n*(ω)およびn*(γ)データのクロスモデルフィッティングに基づく全試料のゼロせん断粘度を表1に示す。G'およびG "曲線の自動クロスオーバー分析データも報告する。
n0の値が高いほど移動度が低く、したがって凝集性が高いことを示し、値が低いほど分散性が高いことを示す。G'およびG "データに関しては、クロスオーバー周波数（ωc）が低く、クロスオーバー弾性率（Gc）が高いほど、より凝集性の高い構造を示し、ωcの値が高く、Gcの値が低いほど、より分散性の高い系を示す。より一般的には、分散性OVDはn0値が50Pas以下、凝集性OVDは100から100000Pasの間にある傾向があり、これらの高い粘度は通常、より高いGc値とより低いωc値と関連している。この基準によれば、試験された3つの溶液は、分散性よりも凝集性に分類される。
表1：ゼロせん断粘度n0)、クロスオーバー周波数(ωc)およびクロスオーバー弾性率(Gc)は、それぞれクロスモデルフィッティングおよびクロスオーバー解析により報告された値である。
| HA濃度 | 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 |
結論
ISO15798:2013に従い、Kinexus回転型レオメータを用いて、3種の異なるHA濃度のHAベースOVDのレオロジー特性を評価した。これには定常状態の動的せん断粘度、複素粘度、粘弾性率（G'とG"）の測定が含まれた。異なる試料をそれぞれゼロせん断粘度と緩和プロファイルの観点から特性評価および比較し、「凝集性」と「分散性」の観点から試料をより適切に分類しました。