Inleiding
Ophthalmic Viscosurgical Devices (OVD's) zijn visco-elastische oplossingen of gels die worden gebruikt om het endotheel van het hoornvlies te beschermen tegen mechanisch trauma en om de intraoculaire ruimte te behouden tijdens oogchirurgie. Ze bevatten gewoonlijk een of meer van de volgende componenten: hyaluronzuur of het natriumzout daarvan, chondroïtinesulfaat of methylcellulose. Aangezien deze materialen polymeer zijn, hebben ze de neiging visco-elastisch te zijn, waarbij hun eigenschappen sterk afhankelijk zijn van factoren zoals concentratie, molecuulgewicht en molecuularchitectuur, evenals intra- of intermoleculaire interacties in oplossing.
OVD's kunnen worden ingedeeld volgens hun 'cohesie of dispersie', die uiteindelijk verband houden met hun reologische eigenschappen. Cohesieve OVD's zijn materialen met een hoge viscositeit die aan elkaar kleven door middel van moleculaire associaties. Ze hebben meestal hogere molecuulgewichten en zijn sterk afschuifverdunnend met een hoge oppervlaktespanning. Door hun hoge viscositeit kunnen cohesieve OVD's het oog onder druk zetten en ruimte creëren voor het inbrengen van het optische implantaat (lens). Hun cohesie vergemakkelijkt ook het verwijderen aan het einde van de operatie, omdat de hele massa aan elkaar kleeft. Dispersieve OVD's hebben daarentegen een lager moleculair gewicht en zijn Newtoner. Ze hebben een lagere viscositeit en een lagere oppervlaktespanning, waardoor ze zich beter kunnen coaten en hechten aan zowel weefsels als chirurgische instrumenten, en ook helpen bij het smeren van het optische implantaat tijdens het inbrengen. Dispersieve OVD's zijn vaak moeilijker te verwijderen na een operatie door hun hogere vloeibaarheid. Naast de twee klassen die zojuist zijn beschreven, zijn er ook combinatie-OVD's met dispersieve en cohesieve eigenschappen en visco-adpatieve OVD's die verschillende eigenschappen vertonen afhankelijk van de gebruiksomstandigheden.
Er is nu een internationale norm (ISO15798:2013) die de vereisten beschrijft voor het karakteriseren van deze materialen in termen van hun biologische, chemische en fysische eigenschappen. In deze toepassingsnotitie houden we ons bezig met het gedeelte van de norm dat gaat over reologische karakterisering. De norm stelt dat het product in afgewerkte en gesteriliseerde toestand bij 25°C moet worden getest op reologische tests en omvat zowel oscillerende als constante afschuiftests voor het karakteriseren van zowel visco-elastische als vloei-eigenschappen in termen van dynamische viscositeit, complexe viscositeit en visco-elastische moduli.
De complexe viscositeit wordt gemeten als functie van de oscillatiefrequentie met logaritmische stappen om tegelijkertijd de weerstand tegen stroming en vervorming van de OVD-formulering aan te tonen. Het gespecificeerde frequentiebereik ligt tussen 0,001 Hz en 1000 Hz, maar 0,01 Hz tot 100 Hz wordt acceptabel geacht zolang het plateau van nul afschuifviscositeit (bij afnemende frequenties) bereikbaar is. Dit zal gebeuren bij lagere frequenties voor materialen met een hogere viscositeit. Vaak is het niet mogelijk om 100 Hz te bereiken op een roterende reometer vanwege traagheidsbeperkingen en daarom moet men streven naar de hoogst haalbare frequentie.
De elasticiteit of visco-elasticiteit van het OVD wordt gekarakteriseerd door G' en G" en wordt gelijktijdig gemeten met n* tot een frequentie van 100 Hz in het ideale geval, of zo hoog als mogelijk is gezien de traagheidsbeperkingen. De gegevens moeten worden gepresenteerd op een dubbele logaritmische schaal ten opzichte van de frequentie of als een plot van de procentuele elasticiteit ten opzichte van de logfrequentie, bijvoorbeeld als 100 × [G'/ (G'+G")] ten opzichte van de logfrequentie.
Voor constante afschuifmetingen wordt een afschuifsnelheidsbereik voorgesteld van 0,001 s-1 om de nulafschuifviscositeit te benaderen, die representatief is voor de omstandigheden in de voorste oogkamer, tot een afschuifsnelheid van ongeveer 100 s-1 om de omstandigheden na te bootsen wanneer de visco-elastische vloeistof via een canule in het oog wordt geïnjecteerd. De afschuifsnelheden moeten worden verhoogd in logaritmische stappen en constante afschuifviscositeitsgegevens moeten worden gepresenteerd als functie van de afschuifsnelheid op een dubbele logaritmische schaal. Omdat het meten van vloeistoffen met lage viscositeit bij lage afschuifsnelheden problematisch kan zijn, wordt de laagste afschuifsnelheid waarbij de nulafschuifviscositeit kan worden bereikt, acceptabel geacht. Het nulafschuifviscositeitsplafond verschijnt meestal bij hogere afschuifsnelheden voor materialen met lage viscositeit en lagere afschuifsnelheden voor materialen met hoge viscositeit, dus lage afschuifsnelheden zijn niet altijd nodig. Merk op dat de nulafschuifviscositeit bij constante afschuiving moet overeenkomen met de equivalente waarde van n* gemeten met oscillerende testen.
Experimenteel
- Een OVD-formulering met hyaluronzuur in drie verschillende concentraties 15 mg/ml, 18 mg/ml en 25 mg/ml werd geanalyseerd en vergeleken volgens ISO15798:2013.
- Rotatie reometer metingen werden uitgevoerd met behulp van een Kinexus rotatie reometer met een Peltier plaat cartridge en met behulp van een 4°/40 mm kegel-plaat meetsysteem voor oscillerende metingen en een 2°/20 mm kegel-plaat voor viscometrie testen.
- Er werd een standaard beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat beide monsters aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol werden onderworpen. Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
- Er werd een spanningsgestuurde frequentiebeweging binnen de vooraf bepaalde lineaire visco-elastiek uitgevoerd om G', G" en η* te bepalen als functie van de frequentie.
- Er werd een evenwichtstest met afschuifsnelheden uitgevoerd om de (dynamische) afschuifviscositeit als functie van de afschuifsnelheid te bepalen.
- De waarden van η0 werden verkregen door middel van een cross-model analyse binnen de rSpace software
Resultaten en discussie
Oscillatietesten
De complexe viscositeitscurven als functie van de hoekfrequentie (ω = 2πf) worden getoond in figuur 1. Deze krommen zijn typisch voor een visco-elastische vloeistof, waar bij hoge frequenties de complexe viscositeit laag is (meer elastisch) en toeneemt met afnemende frequentie als elastische energie wordt omgezet in viskeuze energie, culminerend in een constant viscositeitsplafond. Het begin van dit plateau van constante viscositeit of nulschuifviscositeit (n*0) is duidelijk zichtbaar voor alle monsters, waarbij de hogere concentraties een hogere viscositeit hebben.
Figuur 2 toont de curven van G' en G" over hetzelfde frequentiebereik voor de drie HA-oplossingen. Bij hoge frequenties is de Elastische modulusDe complexe modulus (elastische component), opslagmodulus of G', is het "echte" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze elastische component geeft de respons van het te meten monster op een vaste stof of in fase aan. elastische modulus G' dominant, samengaand met een lage waarde van n* en neemt af met afnemende frequentie (toenemende tijd) als elastische energie wordt omgezet in viskeuze energie, in overeenstemming met de toename en het uiteindelijke plateau in n*.
De G'/G" overgang geeft een overgang aan van elastisch dominant (pseudo-gelachtig) gedrag naar vloeibaar dominant gedrag waarbij het omgekeerde van de overgangsfrequentie 1/ωc de langste relaxatietijd van het materiaal weergeeft of de tijd die nodig is om ongeveer 63% van de elastische energie of spanning af te voeren als het polymeer ontspant. De modulus op dit overnamepunt kan de 'overnamemodulus' (Gc) worden genoemd en is een maat voor de totale stijfheid bij deze hoekfrequentie. Net als bij n* hebben de HA-oplossingen met de hoogste concentraties de grootste waarden van G' over alle frequenties en ook de langste relaxatietijd. Dit komt overeen met een hoger aantal intermoleculaire interacties of verstrengelingen waardoor deze materialen zich bij belasting langer elastisch gedragen.
Viscometrietests
Vloeicurves in stabiele toestand voor de drie HA-oplossingen worden getoond in afbeelding 3. Alle monsters zijn afschuifverdunnend of pseudoplastisch en vertonen een afname in viscositeit bij toenemende afschuifsnelheid die grotendeels overeenkomt met de complexe viscositeit versus hoekfrequentiecurves in figuur 1. Dit is een van de redenen waarom complexe viscositeitsgegevens worden uitgezet tegen hoekfrequentie. Dit is een van de redenen waarom complexe viscositeitsgegevens worden uitgezet tegen hoekfrequentie, omdat hoekfrequentie gelijkgesteld kan worden met afschuifsnelheid en voor eenvoudige vloeibare en polymere systemen n*(ω) ≈ n(γ) als ω naar nul neigt. In dit geval komen de n- en n*-gegevens zeer goed overeen in het gebied met lage frequentie en lage afschuifsnelheid, met vergelijkbare waarden van n0 en dezelfde concentratietrend.
Gegevensanalyse
De nulschuifviscositeit kan rechtstreeks worden geschat door een enkel punt of een gemiddelde van meerdere punten binnen het nulschuifviscositeitsplafond te nemen. Een alternatieve en vaak geprefereerde methode is om een reologisch model toe te passen waarvan bekend is dat het goed past bij krommen van dit type. Deze modellen omvatten de Cross en Carreau modellen die beschikbaar zijn in de rSpace software. Deze kunnen worden aangepast aan zowel n*(ω) als n(γ) gegevens, zolang de correlatiecoëfficiënt voor de aanpassing hoog is. Figuur 4 toont een Cross-model dat past bij de viscositeit-schuifsnelheidsgegevens voor de 15 mg/ml HA-oplossing en laat zien hoe goed dit model bij de gegevens past.
Nulschuifviscositeit voor alle monsters op basis van kruismodelmontage van n*(ω) en n*(γ)-gegevens staan vermeld in tabel 1. Gegevens voor geautomatiseerde crossoveranalyse voor G'- en G'-curven worden ook gerapporteerd.
Hogere waarden van n0 duiden op een lagere mobiliteit en dus op meer cohesieve eigenschappen, terwijl lagere waarden duiden op een betere dispersie. In termen van G' en G" gegevens zou een lagere cross-over frequentie (ωc) en hogere cross-over modulus (Gc) duiden op een meer cohesieve structuur, terwijl een hogere waarde van ωc en een lagere waarde van Gc zou duiden op een meer dispersief systeem. Meer in het algemeen hebben dispersieve OVD's meestal n0-waarden van minder dan 50 Pas en cohesieve OVD's ergens tussen 100 en 100 000 Pas, waarbij deze hogere viscositeiten meestal samengaan met hogere waarden van Gc en lagere waarden van ωc. Volgens deze criteria zouden de drie geteste oplossingen meer cohesief dan dispersief van aard zijn.
Tabel 1: Gerapporteerde waarden voor de nul afschuifviscositeit n0), oversteekfrequentie (ωc) en oversteekmodulus (Gc) na respectievelijk kruismodel fitting en oversteekanalyse
| HA Concentratie | 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 |
Conclusie
De reologische eigenschappen van een OVD op basis van HA met drie verschillende HA-concentraties werden geëvalueerd volgens ISO15798:2013 met een Kinexus rotationele reometer. Hierbij werden de dynamische afschuifviscositeit in steady-state, de complexe viscositeit en de visco-elastische moduli (G' en G") gemeten. De verschillende monsters werden gekarakteriseerd en vergeleken in termen van respectievelijk hun nul afschuifviscositeiten en relaxatieprofielen om ze beter te kunnen classificeren in termen van hun 'cohesieve en dispersieve' eigenschappen.