Introducere
Dispozitivele oftalmologice viscochirurgicale (OVD) sunt soluții sau geluri viscoelastice utilizate pentru a proteja endoteliul cornean de traumatisme mecanice și pentru a menține spațiul intraocular în timpul intervențiilor chirurgicale oculare. Acestea conțin de obicei una sau mai multe dintre următoarele componente: acid hialuronic sau sarea sa de sodiu, sulfat de condroitină sau metilceluloză. Deoarece aceste materiale sunt polimerice, ele tind să fie viscoelastice, proprietățile lor depinzând puternic de factori precum concentrația, greutatea moleculară și arhitectura moleculară, precum și de interacțiunile intra- sau intermoleculare în soluție.
OVD-urile pot fi clasificate în funcție de "coeziune sau dispersie", care sunt legate în ultimă instanță de proprietățile lor reologice. OVD-urile coezive sunt materiale cu vâscozitate ridicată care aderă unele la altele prin asocieri moleculare. Acestea tind să aibă greutăți moleculare mai mari și sunt foarte subțiri la forfecare, cu tensiune superficială ridicată. Datorită vâscozității lor ridicate, OVD-urile coezive sunt capabile să presurizeze ochiul și să creeze spațiu pentru introducerea implantului optic (lentila). Coezivitatea lor facilitează, de asemenea, îndepărtarea ușoară la sfârșitul intervenției chirurgicale, deoarece întreaga masă rămâne lipită. În schimb, OVD-urile dispersive tind să aibă o greutate moleculară mai mică și sunt mai newtoniene. Acestea au o vâscozitate mai mică și o tensiune superficială mai scăzută, ceea ce le face mai capabile să acopere și să adere atât la țesuturi, cât și la instrumentele chirurgicale și, de asemenea, ajută la lubrifierea implantului optic în timpul inserției. OVD-urile dispersive tind să fie mai dificil de îndepărtat după operație din cauza fluidității lor mai mari. Pe lângă cele două clase descrise mai sus, există și OVD-uri combinate care încorporează proprietăți dispersive și coezive și OVD-uri viscoadpative care prezintă proprietăți diferite în funcție de condițiile de utilizare.
În prezent, există un standard internațional (ISO15798:2013) care detaliază cerințele pentru caracterizarea acestor materiale în ceea ce privește caracteristicile lor biologice, chimice și fizice. În scopul prezentei note de aplicare, ne interesează secțiunea din standard care se referă la caracterizarea reologică. Standardul prevede ca produsul să fie testat în starea sa finită și sterilizată la 25°C pentru teste reologice și implică atât teste de forfecare oscilatorie, cât și teste de forfecare stabilă pentru caracterizarea caracteristicilor vâscoelastice și de curgere în ceea ce privește vâscozitatea dinamică, vâscozitatea complexă și modulele vâscoelastice.
Vâscozitatea complexă se măsoară în funcție de frecvența de oscilație folosind creșteri logaritmice pentru a demonstra simultan rezistența la curgere și deformare a formulei OVD. Intervalul de frecvență specificat este între 0,001 Hz și 1000 Hz, dar 0,01 Hz până la 100 Hz este considerat acceptabil atâta timp cât platoul de vâscozitate cu forfecare zero (la frecvențe descrescătoare) este accesibil. Acest lucru se va întâmpla la frecvențe mai mici pentru materialele cu vâscozitate mai mare. Adesea, nu este posibil să se atingă 100 Hz pe un reometru rotațional din cauza limitărilor inerțiale și, prin urmare, trebuie să se urmărească cea mai mare frecvență posibilă.
Elasticitatea sau vâscoelasticitatea OVD este caracterizată prin G' și G" și se măsoară simultan cu n* până la o frecvență de 100 Hz, în mod ideal, sau la o frecvență cât mai mare posibil având în vedere limitările inerției. Datele trebuie prezentate fie pe o scară logaritmică dublă în funcție de frecvență, fie sub forma unui grafic al procentului de elasticitate în funcție de frecvența logaritmică, de exemplu 100 × [G'/ (G'+G")] versus frecvența logaritmică.
Pentru măsurătorile de forfecare constantă, intervalul sugerat al vitezei de forfecare este de la 0,001 s-1 pentru a aproxima vâscozitatea de forfecare zero, reprezentativă pentru condițiile din camera anterioară, la o viteză de forfecare de aproximativ 100 s-1, pentru a reproduce condițiile în care fluidul vâscoelastic este injectat în ochi printr-o canulă. Vitezele de forfecare trebuie crescute în trepte logaritmice, iar datele privind vâscozitatea de forfecare constantă trebuie prezentate ca funcție a vitezei de forfecare pe o scară logaritmică dublă. Deoarece măsurarea fluidelor cu vâscozitate redusă la viteze de forfecare mici poate fi problematică, se consideră acceptabilă cea mai mică viteză de forfecare la care se poate atinge vâscozitatea de forfecare zero. Platoul vâscozității de forfecare zero tinde să apară la viteze de forfecare mai mari pentru materialele cu vâscozitate scăzută și la viteze de forfecare mai mici pentru materialele cu vâscozitate ridicată, astfel încât nu sunt întotdeauna necesare viteze de forfecare scăzute. Rețineți că vâscozitatea de forfecare zero la forfecare constantă trebuie să corespundă cu valoarea echivalentă a n* măsurată cu ajutorul încercărilor oscilatorii.
Experimental
- O formulă OVD care conține acid hialuronic la trei concentrații diferite: 15 mg/ml, 18 mg/ml și 25 mg/ml a fost analizată și comparată în conformitate cu ISO15798:2013.
- Măsurătorile cu reometru rotațional au fost efectuate utilizând un reometru rotațional Kinexus cu un cartuș cu plăci Peltier și utilizând un sistem de măsurare cu plăci conice de 4°/40 mm pentru măsurători oscilatorii și o placă conică de 2°/20 mm pentru testele de viscometrie.
- A fost utilizată o secvență de încărcare standard pentru a se asigura că ambele probe au fost supuse unui protocol de încărcare consecvent și controlabil. Toate măsurătorile reologice au fost efectuate la 25°C.
- S-a efectuat o scanare de frecvență controlată prin deformare în cadrul vâscoelasticii liniare predeterminate pentru a determina G', G" și η* în funcție de frecvență.
- S-a efectuat un tabel de echilibru al vitezelor de forfecare pentru a determina vâscozitatea de forfecare (dinamică) în stare de echilibru în funcție de viteza de forfecare.
- Valorile η0 au fost obținute prin intermediul unei analize Cross-model în cadrul software-ului rSpace
Rezultate și discuții
Testarea oscilației
Curbele vâscozității complexe în funcție de frecvența unghiulară (ω = 2πf) sunt prezentate în figura 1. Aceste curbe sunt tipice unui fluid vâscoelastic, în care, la frecvențe înalte, vâscozitatea complexă este scăzută (mai elastică) și crește odată cu scăderea frecvenței pe măsură ce energia elastică este transformată în energie vâscoasă, culminând cu un platou de vâscozitate constantă. Debutul acestui platou de vâscozitate constantă sau vâscozitate la forfecare zero (n*0) este clar vizibil pentru toate probele, concentrațiile mai mari având vâscozități mai mari.
Figura 2 prezintă curbele G' și G" pe aceeași gamă de frecvențe pentru cele trei soluții HA. La frecvențe înalte, Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic G' este dominant, concomitent cu o valoare scăzută a n* și scade odată cu scăderea frecvenței (creșterea timpului) pe măsură ce energia elastică este convertită în energie vâscoasă, în concordanță cu creșterea și plafonarea finală a n*.
Trecerea G'/G" indică o tranziție de la comportamentul dominant elastic (pseudo-gel) la comportamentul dominant lichid, inversul frecvenței de trecere 1/ωc reprezentând cel mai lung timp de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare al materialului sau timpul necesar pentru ca aproximativ 63% din energia sau tensiunea elastică să fie disipată pe măsură ce polimerul se relaxează. Modulul în acest punct de intersecție poate fi denumit "modul de intersecție" (Gc) și este o măsură a rigidității totale la această frecvență unghiulară. Ca și în cazul n*, soluțiile HA cu cele mai mari concentrații au cele mai mari valori ale G' la toate frecvențele și, de asemenea, cel mai lung timp de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare. Acest lucru este în concordanță cu un număr mai mare de interacțiuni intermoleculare sau încurcături care fac ca aceste materiale să se comporte mai elastic pentru o perioadă mai lungă atunci când sunt solicitate.
Teste de viscometrie
Curbele de curgere în stare stabilă pentru cele trei soluții HA sunt prezentate în figura 3. Toate probele se subțiază prin forfecare sau sunt pseudoplastice, prezentând o scădere a vâscozității odată cu creșterea vitezei de forfecare, care reflectă în mare măsură curbele vâscozității complexe în funcție de frecvența unghiulară din figura 1. Acesta este unul dintre motivele pentru care datele privind vâscozitatea complexă sunt trasate în funcție de frecvența unghiulară, deoarece frecvența unghiulară poate fi confundată cu rata de forfecare, iar pentru sistemele lichide și polimerice simple n*(ω) ≈ n(γ) pe măsură ce ω tinde spre zero. În acest caz, datele n și n* concordă foarte bine în regiunea cu frecvență joasă și rată de forfecare scăzută, cu valori comparabile ale n0 și aceeași tendință de concentrare.
Analiza datelor
Vâscozitatea de forfecare zero poate fi estimată direct prin luarea unui singur punct sau a unei medii a mai multor puncte din platoul vâscozității de forfecare zero. O metodă alternativă și adesea preferată este aplicarea unui model reologic care se potrivește foarte bine curbelor de acest tip. Aceste modele includ modelele Cross și Carreau care sunt disponibile în software-ul rSpace. Acestea pot fi ajustate atât la datele n*(ω), cât și la datele n(γ), atâta timp cât coeficientul de corelație pentru ajustare este ridicat. Figura 4 prezintă un model Cross ajustat la datele privind viteza de vâscozitate-înălțare pentru soluția de HA de 15 mg/ml și demonstrează cât de bine se potrivește acest model cu datele.
Vâscozitatea de forfecare zero pentru toate probele pe baza ajustării modelului încrucișat al datelor n*(ω) și n*(γ) este prezentată în tabelul 1. De asemenea, sunt raportate datele de analiză automată a încrucișării pentru curbele G' și G".
Valorile mai mari ale n0 indică o mobilitate mai scăzută și, prin urmare, proprietăți mai coezive, în timp ce valorile mai mici indică o dispersivitate mai bună. În ceea ce privește datele G' și G", o frecvență de încrucișare mai mică (ωc) și un modul de încrucișare mai mare (Gc) ar indica o structură mai coezivă, în timp ce o valoare mai mare a ωc și o valoare mai mică a Gc ar indica un sistem mai dispersiv. În general, OVD-urile dispersive tind să aibă valori n0 mai mici de 50 Pas, iar OVD-urile coezive între 100 și 100 000 Pas, aceste vâscozități mai mari fiind de obicei asociate cu valori mai mari ale Gc și valori mai mici ale ωc. Conform acestui criteriu, cele trei soluții testate ar fi clasificate ca fiind de natură mai mult coezive decât dispersive.
Tabelul 1: Valori raportate pentru vâscozitatea de forfecare zero n0), frecvența de încrucișare (ωc) și modulul de încrucișare (Gc) în urma ajustării modelului încrucișat și, respectiv, a analizei încrucișării
| Concentrație 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 |
Concluzie
Proprietățile reologice ale unui OVD pe bază de HA la trei concentrații diferite de HA au fost evaluate în conformitate cu ISO15798:2013 utilizând un reometru rotațional Kinexus. Aceasta a implicat măsurarea vâscozității de forfecare dinamică în regim staționar, a vâscozității complexe și a modulelor vâscoelastice (G' și G"). Probele diferite au fost caracterizate și comparate în ceea ce privește vâscozitatea la forfecare zero și, respectiv, profilurile de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare, pentru a le clasifica mai bine în funcție de proprietățile lor "coezive și dispersive".