소개
안과용 점성 수술 장치(OVD)는 각막 내피를 기계적 외상으로부터 보호하고 안구 수술 중 안구 내 공간을 유지하는 데 사용되는 점탄성 용액 또는 젤입니다. 일반적으로 히알루론산 또는 그 나트륨 염, 콘드로이틴 설페이트 또는 메틸셀룰로오스 중 하나 이상의 성분이 포함되어 있습니다. 이러한 물질은 고분자이기 때문에 농도, 분자량, 분자 구조, 용액 내 또는 분자 간 상호 작용과 같은 요인에 따라 점탄성이 크게 좌우되는 경향이 있으며, 점탄성 특성은 용액 내 또는 분자 간 상호 작용에 따라 크게 달라집니다.
OVD는 궁극적으로 유변학적 특성과 관련된 '응집성 또는 분산성'에 따라 분류할 수 있습니다. 응집성 OVD는 분자 결합을 통해 서로 달라붙는 고점도 물질입니다. 이들은 분자량이 높고 표면 장력이 높아 전단 박화가 잘되는 경향이 있습니다. 점도가 높기 때문에 응집성 OVD는 눈에 압력을 가하고 광학 임플란트(렌즈)를 삽입하기 위한 공간을 만들 수 있습니다. 또한 응집력은 전체 덩어리가 서로 달라붙기 때문에 수술이 끝날 때 쉽게 제거할 수 있습니다. 이와 대조적으로 분산형 OVD는 분자량이 더 낮고 뉴턴적 성질을 띠는 경향이 있습니다. 점도가 낮고 표면 장력이 낮기 때문에 조직과 수술 기구를 더 잘 코팅하고 접착할 수 있으며 삽입 시 광학 임플란트를 윤활하는 데도 도움이 됩니다. 분산형 OVD는 유동성이 높기 때문에 수술 후 제거하기가 더 어려운 경향이 있습니다. 방금 설명한 두 가지 종류 외에도 분산성과 응집성을 결합한 복합 OVD와 사용 조건에 따라 다른 특성을 나타내는 점성 첨가형 OVD도 있습니다.
현재 생물학적, 화학적, 물리적 특성 측면에서 이러한 물질을 특성화하기 위한 요구 사항을 자세히 설명하는 국제 표준(ISO15798:2013)이 있습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 이 표준의 유변학적 특성 분석에 관한 부분을 다루고자 합니다. 이 표준은 유변학적 테스트를 위해 25°C에서 완제품 및 멸균된 상태에서 제품을 테스트해야 하며 동점도, 복소점도 및 점탄성 계수 측면에서 점탄성 및 유동 특성을 모두 특성화하기 위해 각각 진동 및 정상 전단 테스트를 포함한다고 명시하고 있습니다.
복소점도는 OVD 제형의 흐름 및 변형에 대한 저항성을 동시에 입증하기 위해 대수 증분을 사용하여 진동 주파수의 함수로 측정됩니다. 지정된 주파수 범위는 0.001Hz에서 1000Hz 사이이지만, 전단 점도 영점(감소하는 주파수에서)에 접근할 수 있는 한 0.01Hz에서 100Hz도 허용되는 것으로 간주됩니다. 이는 점도가 높은 재료의 경우 더 낮은 주파수에서 발생합니다. 관성 제한으로 인해 회전 레오미터에서 100Hz를 달성할 수 없는 경우가 많으므로 달성 가능한 가장 높은 주파수를 목표로 해야 합니다.
OVD의 탄성 또는 점탄성은 G' 및 G"를 통해 특성화되며, 이상적으로는 100Hz의 주파수까지, 또는 관성 제한을 고려하여 가능한 한 높은 주파수까지 n*와 동시에 측정됩니다. 데이터는 주파수에 대한 이중 로그 스케일로 표시하거나 로그 주파수에 대한 탄성률 퍼센트 플롯(예: 100 × [G'/(G'+G")] 대 로그 주파수)으로 표시해야 합니다.
안정된 전단 측정의 경우, 전단 속도 범위는 전방 챔버 내의 조건을 대표하는 제로 전단 점도에 근접하기 위해 0.001초-1부터 점탄성 유체가 캐뉼라를 통해 눈에 주입될 때의 조건을 재현하기 위해 약 100초-1의 전단 속도까지 권장됩니다. 전단 속도는 로그 단위로 증가해야 하며, 전단 점도는 이중 로그 스케일에서 전단 속도의 함수로 일정한 전단 점도 데이터를 표시해야 합니다. 낮은 전단 속도에서 저점도 유체를 측정하는 것은 문제가 될 수 있으므로 제로 전단 점도에 도달할 수 있는 최저 전단 속도가 허용되는 것으로 간주됩니다. 제로 전단 점도 고원은 저점도 재료의 경우 더 높은 전단 속도에서, 고점도 재료의 경우 더 낮은 전단 속도에서 나타나는 경향이 있으므로 낮은 전단 속도가 항상 필요한 것은 아닙니다. 일정한 전단 영점 점도는 진동 테스트를 사용하여 측정한 n*의 등가 값과 일치해야 합니다.
실험적
- ISO15798:2013에 따라 히알루론산을 15 mg/ml, 18 mg/ml, 25 mg/ml의 세 가지 농도로 함유한 OVD 제형을 분석하고 비교했습니다.
- 회전 레오미터 측정은 펠티에 플레이트 카트리지가 있는 키넥서스 회전 레오미터를 사용하여 진동 측정을 위해 4°/40mm 콘 플레이트 측정 시스템을, 점도 테스트에는 2°/20mm 콘 플레이트를 사용했습니다.
- 두 시료가 일관되고 제어 가능한 로딩 프로토콜을 따르도록 하기 위해 표준 로딩 순서를 사용했습니다. 모든 유변학 측정은 25°C에서 수행되었습니다.
- 미리 결정된 선형 점탄성 내에서 변형률 제어 주파수 스윕을 수행하여 주파수의 함수로서 G', G" 및 η*를 결정했습니다.
- 전단 속도에 따른 정상 상태 전단(동적) 점도를 결정하기 위해 전단 속도 평형 테이블 테스트를 수행했습니다.
- Η0의 값은 rSpace 소프트웨어 내의 교차 모델 분석을 통해 얻었습니다
결과 및 토론
진동 테스트
각 주파수(ω = 2πf)의 함수인 복소점도 곡선은 그림 1에 나와 있습니다. 이 곡선은 점탄성 유체의 전형적인 곡선으로, 고주파수에서는 복소점도가 낮고(탄성 에너지가 점성 에너지로 변환되면서) 주파수가 감소함에 따라 증가하여 일정한 점도 정점에 도달합니다. 이 일정한 점도 또는 제로 전단 점도 고원(n*0)의 시작은 농도가 높을수록 점도가 높은 모든 시료에서 명확하게 볼 수 있습니다.
그림 2는 세 가지 HA 솔루션에 대한 동일한 주파수 범위의 G' 및 G" 곡선을 보여줍니다. 고주파수에서 탄성 계수 G' 는 낮은 값의 n*와 함께 지배적이며, 탄성 에너지가 점성 에너지로 변환됨에 따라 주파수가 감소(시간 증가)하면서 감소하며, 이는 n*의 증가 및 최종 정체와 일치합니다.
G'/G" 크로스오버는 재료의 가장 긴 이완 시간 또는 폴리머가 이완될 때 탄성 에너지 또는 응력의 약 63%가 소실되는 데 걸리는 시간을 나타내는 크로스오버 주파수 1/ωc의 역으로 탄성 우세(유사 젤 같은) 거동에서 액체 우세 거동으로 전환됨을 나타냅니다. 이 크로스오버 지점의 계수는 '크로스오버 계수'(Gc)라고 할 수 있으며 이 각도 주파수에서 총 강성을 측정합니다. N*와 마찬가지로, 농도가 가장 높은 HA 용액은 모든 주파수에서 G' 값이 가장 크고 이완 시간도 가장 깁니다. 이는 분자 간 상호작용 또는 얽힘이 많을수록 스트레스를 받았을 때 더 오랫동안 탄력적으로 작동하는 것과 일치합니다.
점도 측정 테스트
세 가지 HA 솔루션의 정상 상태 흐름 곡선은 그림 3에 나와 있습니다. 모든 샘플은 전단 속도가 증가함에 따라 점도가 떨어지는 전단 박화 또는 유사 플라스틱이며, 이는 그림 1의 복소 점도 대 각 주파수 곡선과 거의 일치합니다. 이는 복잡한 점도 데이터를 각 주파수에 대해 플롯하는 이유 중 하나인데, 각 주파수는 전단 속도와 동일시할 수 있고 단순한 액체 및 폴리머 시스템의 경우 ω가 0이 되는 경향이 있으므로 n*(ω) ≈ n(γ)가 되기 때문입니다. 이 경우 n과 n* 데이터는 저주파, 낮은 전단 속도 영역에서 n0의 비슷한 값과 동일한 농도 경향으로 매우 잘 일치합니다.
데이터 분석
영점 전단 점도는 영점 전단 점도 고원 내에서 단일 점 또는 여러 점의 평균을 구하여 직접 추정할 수 있습니다. 이러한 유형의 곡선에 매우 잘 맞는 것으로 알려진 유변학 모델을 적용하는 것이 대안으로 자주 선호되는 방법입니다. 이러한 모델에는 rSpace 소프트웨어에서 사용할 수 있는 Cross 및 Carreau 모델이 포함됩니다. 이러한 모델은 상관 계수가 높기만 하면 n*(ω) 및 n(γ) 데이터 모두에 맞출 수 있습니다. 그림 4는 15 mg/ml HA 용액의 점도-전단 속도 데이터에 맞춘 크로스 모델을 보여주며, 이 모델이 데이터에 얼마나 잘 맞는지 보여줍니다.
N*(ω) 및 n*(γ) 데이터의 교차 모델 피팅을 기반으로 한 모든 샘플의 제로 전단 점도는 표 1에 나열되어 있습니다. G' 및 G" 곡선에 대한 자동화된 크로스오버 분석 데이터도 보고됩니다.
N0의 값이 높을수록 이동성이 낮아 응집성이 강하고, 값이 낮을수록 분산성이 우수함을 나타냅니다. G' 및 G" 데이터의 경우, 크로스 오버 주파수(ωc)가 낮고 크로스 오버 계수(Gc)가 높을수록 응집력이 높은 구조를 나타내며, ωc 값이 높고 Gc 값이 낮을수록 분산형 시스템임을 나타냅니다. 일반적으로 분산형 OVD는 n0 값이 50 Pas 미만인 경향이 있고 응집형 OVD는 100~100,000 Pas 사이이며, 이러한 높은 점도는 일반적으로 높은 Gc 값과 낮은 ωc 값과 관련이 있습니다. 이 기준에 따르면 테스트한 세 가지 솔루션은 본질적으로 분산성보다 응집성이 더 높은 것으로 분류됩니다.
표 1: 교차 모델 피팅 및 교차 분석 후 각각 제로 전단 점도 n0), 교차 주파수(ωc) 및 교차 계수(Gc)에 대한 보고된 값입니다
| HA 농도 | 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 |
결론
세 가지 다른 HA 농도에서 HA 기반 OVD의 유변학적 특성은 ISO15798:2013에 따라 키넥서스 회전 레오미터를 사용하여 평가했습니다. 여기에는 정상 상태 동적 전단 점도, 복합 점도 및 점탄성 계수(G' 및 G")를 측정하는 것이 포함되었습니다. 서로 다른 샘플을 '응집 및 분산' 특성 측면에서 더 잘 분류하기 위해 각각 제로 전단 점도와 이완 프로파일의 관점에서 특성화 및 비교했습니다.