Wprowadzenie
Oftalmiczne wyroby wiskochirurgiczne (OVD) to wiskoelastyczne roztwory lub żele stosowane w celu ochrony śródbłonka rogówki przed urazami mechanicznymi i utrzymania przestrzeni wewnątrzgałkowej podczas operacji oka. Zazwyczaj zawierają one jeden lub więcej z następujących składników: kwas hialuronowy lub jego sól sodową, siarczan chondroityny lub metylocelulozę. arcPonieważ materiały te są polimerowe, mają tendencję do bycia lepkosprężystymi, a ich właściwości silnie zależą od czynników takich jak stężenie, masa cząsteczkowa i struktura molekularna, a także interakcje wewnątrz- lub międzycząsteczkowe w roztworze.
OVD można sklasyfikować według ich "spoistości lub dyspersyjności", które są ostatecznie związane z ich właściwościami reologicznymi. Spójne OVD to materiały o wysokiej lepkości, które przylegają do siebie poprzez związki molekularne. Mają one zwykle wyższą masę cząsteczkową i są wysoce rozrzedzane ścinaniem z wysokim napięciem powierzchniowym. Ze względu na wysoką lepkość, spoiste OVD są w stanie zwiększyć ciśnienie w oku i stworzyć przestrzeń do wprowadzenia implantu optycznego (soczewki). Ich spoistość ułatwia również łatwe usuwanie po zakończeniu operacji, ponieważ cała masa przylega do siebie. Z kolei dyspersyjne OVD mają zwykle niższą masę cząsteczkową i są bardziej newtonowskie. Mają niższą lepkość i niższe NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.napięcie powierzchniowe, dzięki czemu lepiej pokrywają i przylegają zarówno do tkanek, jak i narzędzi chirurgicznych, a także pomagają smarować implant optyczny podczas wprowadzania. Dyspersyjne OVD są zwykle trudniejsze do usunięcia po operacji ze względu na ich wyższą płynność. Oprócz dwóch opisanych klas, istnieją również kombinowane OVD, które łączą właściwości dyspersyjne i kohezyjne oraz lepkoadhezyjne OVD, które wykazują różne właściwości w zależności od warunków użytkowania.
Obecnie istnieje międzynarodowa norma (ISO15798:2013) określająca szczegółowo wymagania dotyczące charakterystyki tych materiałów pod względem ich właściwości biologicznych, chemicznych i fizycznych. Do celów niniejszej noty aplikacyjnej zajmujemy się częścią normy dotyczącą charakterystyki reologicznej. Norma stanowi, że produkt powinien być testowany w stanie gotowym i wysterylizowanym w temperaturze 25°C w celu przeprowadzenia testów reologicznych i obejmuje zarówno testy oscylacyjne, jak i testy stałego ścinania w celu scharakteryzowania zarówno lepkosprężystości, jak i charakterystyki przepływu pod względem lepkości dynamicznej, lepkości złożonej i modułów lepkosprężystości.
Lepkość złożona jest mierzona jako funkcja częstotliwości oscylacji przy użyciu przyrostów logarytmicznych w celu jednoczesnego wykazania odporności na przepływ i odkształcenie preparatu OVD. Określony zakres częstotliwości wynosi od 0,001 Hz do 1000 Hz, ale 0,01 Hz do 100 Hz jest uważane za dopuszczalne, o ile dostępne jest plateau lepkości przy zerowym ścinaniu (przy malejących częstotliwościach). Będzie to miało miejsce przy niższych częstotliwościach dla materiałów o wyższej lepkości. Często nie jest możliwe osiągnięcie 100 Hz na reometrze rotacyjnym ze względu na ograniczenia bezwładnościowe, dlatego należy dążyć do uzyskania najwyższej osiągalnej częstotliwości.
Elastyczność lub lepkosprężystość OVD jest charakteryzowana przez G' i G" i jest mierzona jednocześnie z n*, najlepiej do częstotliwości 100 Hz lub tak wysokiej, jak to możliwe, biorąc pod uwagę ograniczenia bezwładności. Dane powinny być przedstawione w podwójnej skali logarytmicznej względem częstotliwości lub jako wykres procentowej sprężystości względem częstotliwości logarytmicznej, na przykład jako 100 × [G'/ (G'+G"] względem częstotliwości logarytmicznej.
W przypadku stałych pomiarów ścinania sugerowany zakres szybkości ścinania wynosi od 0,001 s-1, aby przybliżyć zerową lepkość ścinania, reprezentatywną dla warunków w komorze przedniej, do szybkości ścinania około 100 s-1, aby odtworzyć warunki, w których lepkosprężysty płyn jest wstrzykiwany do oka przez kaniulę. Szybkość ścinania powinna być zwiększana w przyrostach logarytmicznych, a dane dotyczące stałej lepkości ścinania przedstawione jako funkcja szybkości ścinania w podwójnej skali logarytmicznej. Ponieważ pomiar płynów o niskiej lepkości przy niskich prędkościach ścinania może być problematyczny, najniższa prędkość ścinania, przy której można osiągnąć zerową lepkość ścinania, jest uważana za akceptowalną. Płaskowyż zerowej lepkości ścinania ma tendencję do pojawiania się przy wyższych szybkościach ścinania dla materiałów o niskiej lepkości i niższych szybkościach ścinania dla materiałów o wysokiej lepkości, więc niskie szybkości ścinania nie zawsze są potrzebne. Należy pamiętać, że zerowa lepkość przy stałym ścinaniu powinna odpowiadać równoważnej wartości n* zmierzonej przy użyciu testów oscylacyjnych.
Eksperymentalny
- Preparat OVD zawierający kwas hialuronowy w trzech różnych stężeniach 15 mg/ml, 18 mg/ml i 25 mg/ml został przeanalizowany i porównany zgodnie z normą ISO15798:2013.
- Pomiary reometrem rotacyjnym wykonano przy użyciu reometru rotacyjnego Kinexus z wkładem z płytką Peltiera i przy użyciu systemu pomiarowego stożek-płytka 4°/40 mm do pomiarów oscylacyjnych oraz stożek-płytka 2°/20 mm do testów wiskozymetrycznych.
- Zastosowano standardową sekwencję ładowania, aby zapewnić, że obie próbki podlegały spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania. Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
- W celu określenia G', G" i η* w funkcji częstotliwości przeprowadzono kontrolowane odkształceniem przemiatanie częstotliwości w ramach wstępnie określonej liniowej lepkosprężystości.
- Przeprowadzono test równowagi szybkości ścinania w celu określenia lepkości ścinania (dynamicznej) w stanie ustalonym w funkcji szybkości ścinania.
- Wartości η0 uzyskano za pomocą analizy modelu krzyżowego w oprogramowaniu rSpace
Wyniki i dyskusja
Badanie oscylacji
Krzywe lepkości złożonej w funkcji częstotliwości kątowej (ω = 2πf) pokazano na rysunku 1. Krzywe te są typowe dla płynu lepkosprężystego, gdzie przy wysokich częstotliwościach lepkość złożona jest niska (bardziej elastyczna) i wzrasta wraz ze spadkiem częstotliwości, gdy energia sprężysta jest przekształcana w energię lepką, osiągając punkt kulminacyjny w postaci płaskowyżu stałej lepkości. Początek tej stałej lepkości lub zerowego plateau lepkości ścinania (n*0) jest wyraźnie widoczny dla wszystkich próbek, przy czym wyższe stężenia mają wyższą lepkość.
Rysunek 2 przedstawia krzywe G' i G" w tym samym zakresie częstotliwości dla trzech roztworów HA. Przy wysokich częstotliwościach Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości G' jest dominujący, wraz z niską wartością n* i maleje wraz ze spadkiem częstotliwości (wzrostem czasu), ponieważ energia sprężysta jest przekształcana w energię lepką, co jest zgodne ze wzrostem i ostatecznym plateau w n*.
Zwrotnica G'/G" wskazuje naPunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście od dominującego zachowania sprężystego (pseudo-żelowego) do dominującego zachowania ciekłego, przy czym odwrotność częstotliwości zwrotnicy 1/ωc reprezentuje najdłuższy czas relaksacji materiału lub czas potrzebny na rozproszenie około 63% energii sprężystej lub naprężenia podczas relaksacji polimeru. Moduł w tym punkcie krzyżowania może być określany jako "moduł krzyżowania" (Gc) i jest miarą całkowitej sztywności przy tej częstotliwości kątowej. Podobnie jak w przypadku n*, roztwory HA o najwyższych stężeniach mają largest wartości G' we wszystkich częstotliwościach, a także najdłuższy czas relaksacji. Jest to zgodne z większą liczbą interakcji międzycząsteczkowych lub splątań, które sprawiają, że materiały te zachowują się bardziej elastycznie przez dłuższy czas pod wpływem naprężeń.
Testy wiskozymetryczne
Krzywe płynięcia w stanie ustalonym dla trzech roztworów HA pokazano na rysunku 3. Wszystkie próbki są rozrzedzane ścinaniem lub pseudoplastyczne, wykazując spadek lepkości wraz ze wzrostem szybkości ścinania, co largely odzwierciedla krzywe lepkości złożonej w zależności od częstotliwości kątowej na rysunku 1. Jest to jeden z powodów, dla których złożone dane lepkości są wykreślane względem częstotliwości kątowej, ponieważ częstotliwość kątowa może być utożsamiana z szybkością ścinania, a dla prostych układów ciekłych i polimerowych n*(ω) ≈ n(γ), gdy ω dąży do zera. W tym przypadku dane n i n* zgadzają się bardzo dobrze w obszarze niskiej częstotliwości, niskiej szybkości ścinania z porównywalnymi wartościami n0 i tym samym trendem stężenia.
Analiza danych
Lepkość przy zerowym ścinaniu można oszacować bezpośrednio, przyjmując pojedynczy punkt lub średnią z wielu punktów w obrębie płaskowyżu lepkości przy zerowym ścinaniu. Alternatywną i często preferowaną metodą jest zastosowanie modelu reologicznego, o którym wiadomo, że bardzo dobrze pasuje do krzywych tego typu. Modele te obejmują modele Cross i Carreau, które są dostępne w oprogramowaniu rSpace. Można je dopasować zarówno do danych n*(ω), jak i n(γ), o ile współczynnik korelacji dla dopasowania jest wysoki. Rysunek 4 przedstawia model Crossa dopasowany do danych lepkości i szybkości ścinania dla roztworu HA o stężeniu 15 mg/ml i pokazuje, jak dobrze model ten pasuje do danych.
Lepkość przy zerowym ścinaniu dla wszystkich próbek na podstawie dopasowania modelu krzyżowego danych n*(ω) i n*(γ) podano w tabeli 1. Podano również dane zautomatyzowanej analizy krzyżowej dla krzywych G' i G".
Wyższe wartości n0 wskazują na niższą mobilność, a tym samym na lepsze właściwości kohezyjne, podczas gdy niższe wartości wskazują na lepszą dyspersyjność. Jeśli chodzi o dane G' i G", niższa częstotliwość krzyżowania (ωc) i wyższy moduł krzyżowania (Gc) wskazywałyby na bardziej spójną strukturę, podczas gdy wyższa wartość ωc i niższa wartość Gc wskazywałyby na bardziej dyspersyjny system. Ogólnie rzecz biorąc, dyspersyjne OVD mają zwykle wartości n0 mniejsze niż 50 Pas, a kohezyjne OVD w zakresie od 100 do 100000 Pas, przy czym te wyższe lepkości są zwykle związane z wyższymi wartościami Gc i niższymi wartościami ωc. Zgodnie z tymi kryteriami, trzy testowane roztwory zostałyby sklasyfikowane jako bardziej kohezyjne niż dyspersyjne.
Tabela 1: Podane wartości zerowej lepkości ścinania (n0), częstotliwości krzyżowania (ωc) i modułu krzyżowania (Gc) po dopasowaniu modelu krzyżowego i analizie krzyżowania, odpowiednio
| Stężenie 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 |
Wnioski
Właściwości reologiczne OVD na bazie kwasu hialuronowego w trzech różnych stężeniach kwasu hialuronowego zostały ocenione zgodnie z normą ISO15798:2013 przy użyciu reometru rotacyjnego Kinexus. Obejmowało to pomiar lepkości dynamicznej przy ścinaniu w stanie ustalonym, lepkości złożonej i modułów lepkosprężystości (G' i G"). Różne próbki zostały scharakteryzowane i porównane pod względem ich lepkości przy zerowym ścinaniu i profili relaksacyjnych w celu lepszej klasyfikacji pod względem ich właściwości "kohezyjnych i dyspersyjnych".