Введение
Офтальмологические вискохирургические устройства (OVD) - это вязкоупругие растворы или гели, используемые для защиты эндотелия роговицы от механических травм и сохранения внутриглазного пространства во время операций на глазах. Обычно они содержат один или несколько следующих компонентов: гиалуроновую кислоту или ее натриевую соль, хондроитинсульфат или метилцеллюлозу. Поскольку эти материалы являются полимерами, они, как правило, вязкоупругие, а их свойства сильно зависят от таких факторов, как концентрация, молекулярный вес и молекулярная arcархитектура, а также внутри- и межмолекулярные взаимодействия в растворе.
OVD можно классифицировать в зависимости от их "когезивности или дисперсности", которые в конечном итоге связаны с их реологическими свойствами. Когезивные OVD - это материалы с высокой вязкостью, которые прилипают друг к другу за счет молекулярных ассоциаций. Как правило, они имеют более высокую молекулярную массу и обладают высокой сдвиговой тонкостью и высоким поверхностным натяжением. Благодаря высокой вязкости когезивные OVD способны оказывать давление на глаз и создавать пространство для введения оптического имплантата (линзы). Их когезивность также способствует легкому удалению в конце операции, поскольку вся масса слипается. В отличие от них, дисперсные OVD имеют более низкую молекулярную массу и более ньютоновскую структуру. Они имеют более низкую вязкость и меньшее поверхностное натяжение, что позволяет им лучше покрывать ткани и хирургические инструменты, а также смазывать оптический имплантат во время введения. Дисперсные OVD, как правило, сложнее удалить после операции из-за их высокой текучести. Помимо двух описанных классов, существуют также комбинированные OVD, сочетающие в себе дисперсионные и когезивные свойства, и вязкоадгезивные OVD, проявляющие различные свойства в зависимости от условий использования.
В настоящее время существует международный стандарт (ISO15798:2013), в котором подробно изложены требования к определению характеристик этих материалов с точки зрения их биологических, химических и физических свойств. В рамках данной инструкции по применению мы рассматриваем раздел стандарта, посвященный реологическим характеристикам. Стандарт гласит, что продукт должен быть испытан в готовом и стерилизованном состоянии при температуре 25°C для проведения реологических испытаний и включает в себя как колебательные, так и устойчивые испытания на сдвиг, соответственно, для определения вязкоупругих и текучих характеристик в виде динамической вязкости, комплексной вязкости и вязкоупругих модулей.
Комплексная вязкость измеряется как функция частоты колебаний с использованием логарифмических приращений, чтобы одновременно продемонстрировать сопротивление течению и деформации состава OVD. Указанный диапазон частот составляет от 0,001 до 1000 Гц, но приемлемым считается диапазон от 0,01 до 100 Гц при условии, что плато нулевой сдвиговой вязкости (при уменьшающихся частотах) доступно. Для материалов с высокой вязкостью это происходит на более низких частотах. Часто на вращающемся реометре невозможно достичь частоты 100 Гц из-за инерционных ограничений, поэтому следует стремиться к максимально возможной частоте.
Эластичность или вязкоупругость OVD характеризуется через G' и G" и измеряется одновременно с n* до частоты 100 Гц в идеале или настолько высокой, насколько это возможно с учетом инерционных ограничений. Данные должны быть представлены либо в двойном логарифмическом масштабе от частоты, либо в виде графика процентной упругости от частоты, например, как 100 × [G'/ (G'+G"] от частоты.
Для измерений при постоянном сдвиге предлагается диапазон скоростей сдвига от 0,001 с-1 для приближения к нулевой вязкости сдвига, характерной для условий в передней камере, до скорости сдвига приблизительно 100 с-1 для воспроизведения условий, когда вязкоупругая жидкость вводится в глаз через канюлю. Скорость сдвига следует увеличивать с логарифмическим шагом, а данные о стабильной сдвиговой вязкости представлять как функцию скорости сдвига в двойной логарифмической шкале. Поскольку измерение жидкостей с низкой вязкостью при низких скоростях сдвига может быть проблематичным, приемлемой считается самая низкая скорость сдвига, при которой может быть достигнута нулевая вязкость при сдвиге. Плато нулевой вязкости при сдвиге обычно появляется при более высоких скоростях сдвига для материалов с низкой вязкостью и при более низких скоростях сдвига для материалов с высокой вязкостью, поэтому низкие скорости сдвига не всегда необходимы. Обратите внимание, что нулевая вязкость при устойчивом сдвиге должна соответствовать эквивалентному значению n*, измеренному с помощью колебательных испытаний.
Экспериментальный
- Формула OVD, содержащая гиалуроновую кислоту в трех различных концентрациях 15 мг/мл, 18 мг/мл и 25 мг/мл, была проанализирована и сравнена в соответствии с ISO15798:2013.
- Измерения проводились на реометре Kinexus с картриджем для пластин Пельтье, с использованием конической пластины 4°/40 мм для осцилляторных измерений и конической пластины 2°/20 мм для вискозиметрических испытаний.
- Использовалась стандартная последовательность загрузки, чтобы гарантировать, что оба образца подвергались последовательному и контролируемому протоколу загрузки. Все реологические измерения проводились при 25°C.
- Для определения G', G" и η* в зависимости от частоты была проведена частотная развертка с контролем деформации в рамках заданной линейной вискоэластичности.
- Испытание по таблице равновесных скоростей сдвига проводилось для определения устойчивой сдвиговой (динамической) вязкости в зависимости от скорости сдвига.
- Значения η0 были получены с помощью кросс-модельного анализа в программе rSpace
Результаты и обсуждение
Испытание на колебания
Кривые комплексной вязкости в зависимости от угловой частоты (ω = 2πf) показаны на рис. 1. Эти кривые типичны для вязкоупругой жидкости, где на высоких частотах комплексная вязкость низкая (более упругая) и увеличивается с уменьшением частоты по мере преобразования упругой энергии в вязкую, завершаясь плато постоянной вязкости. Наступление этого плато постоянной вязкости или плато нулевой вязкости при сдвиге (n*0) хорошо видно для всех образцов, причем более высокие концентрации имеют более высокую вязкость.
На рис. 2 показаны кривые G' и G" в том же диапазоне частот для трех растворов HA. На высоких частотах преобладает модуль упругости G', что соответствует низкому значению n* и затухает с уменьшением частоты (увеличением времени) по мере преобразования упругой энергии в вязкую энергию, что соответствует увеличению и конечному плато n*.
Пересечение G'/G" указывает на переход от упругого доминирующего (псевдогелеобразного) поведения к жидкостному доминирующему поведению с обратной частотой пересечения 1/ωc, представляющей самое длительное время релаксации материала или время, необходимое для рассеивания примерно 63% упругой энергии или напряжения по мере релаксации полимера. Модуль упругости в этой точке пересечения можно назвать "модулем пересечения" (Gc), и он является мерой общей жесткости на данной угловой частоте. Как и в случае с n*, растворы HA с самыми высокими концентрациями имеют largeзначения G' на всех частотах, а также самое длительное время релаксации. Это согласуется с большим количеством межмолекулярных взаимодействий или сплетений, благодаря которым эти материалы ведут себя более упруго и долго сохраняют упругость при нагрузке.
Вискозиметрические испытания
Кривые стационарного течения для трех растворов HA показаны на рисунке 3. Все образцы являются сдвигово-упрочняющимися или псевдопластичными, демонстрируя падение вязкости с увеличением скорости сдвига, что largeотражает кривые зависимости комплексной вязкости от угловой частоты на рисунке 1. Это одна из причин, по которой данные комплексной вязкости строятся в зависимости от угловой частоты, поскольку угловая частота может быть эквивалентна скорости сдвига, а для простых жидких и полимерных систем n*(ω) ≈ n(γ), поскольку ω стремится к нулю. В этом случае данные n и n* очень хорошо согласуются в области низких частот и низких скоростей сдвига с сопоставимыми значениями n0 и одинаковым трендом концентрации.
Анализ данных
Вязкость при нулевом сдвиге можно оценить напрямую, взяв одну точку или среднее значение нескольких точек в пределах плато вязкости при нулевом сдвиге. Альтернативным и часто предпочтительным методом является применение реологической модели, которая, как известно, очень хорошо подходит для кривых такого типа. К таким моделям относятся модели Кросса и Карро, которые доступны в программном обеспечении rSpace. Они могут быть подобраны как к данным n*(ω), так и к данным n(γ), при условии, что коэффициент корреляции при подгонке высок. На рисунке 4 показана модель Кросса, подогнанная к данным по скорости вязкости и сдвига для раствора HA 15 мг/мл, и продемонстрировано, насколько хорошо эта модель соответствует данным.
Нулевая сдвиговая вязкость для всех образцов, полученная на основе кросс-моделирования данных n*(ω) и n*(γ), приведена в таблице 1. Также приведены данные автоматизированного кросс-анализа для кривых G' и G".
Более высокие значения n0 указывают на меньшую подвижность и, следовательно, на более высокие когезионные свойства, в то время как более низкие значения указывают на лучшую дисперсность. Что касается данных G' и G", то более низкая частота пересечения (ωc) и более высокий модуль пересечения (Gc) указывают на более когезионную структуру, в то время как более высокое значение ωc и более низкое значение Gc указывают на более дисперсную систему. Как правило, дисперсные OVD имеют значения n0 менее 50 Па, а когезивные OVD - от 100 до 100000 Па, при этом более высокая вязкость обычно ассоциируется с более высокими значениями Gc и более низкими значениями ωc. В соответствии с этим критерием три протестированных раствора можно отнести скорее к когезионным, чем к дисперсным по своей природе.
Таблица 1: Полученные значения для нулевой сдвиговой вязкости n0), частоты кроссовера (ωc) и модуля кроссовера (Gc) после подгонки кросс-модели и кроссоверного анализа, соответственно
| Концентрация НА | n0 (Па.с) | n*0 (Па.с) | ωc(рад/с) | Gc(PA) |
|---|---|---|---|---|
| 15 мг/мл | 365 | 389 | 0.768 | 62 |
| 18 мг/мл | 623 | 660 | 0.094 | 85 |
| 25 мг/мл | 1867 | 1919 | 0.064 | 145 |
Заключение
Реологические свойства OVD на основе HA при трех различных концентрациях HA оценивались в соответствии с ISO15798:2013 с помощью ротационного реометра Kinexus. При этом измерялись динамическая сдвиговая вязкость в стационарном состоянии, комплексная вязкость и вязкоупругие модули (G' и G"). Различные образцы были охарактеризованы и сравнены по их нулевой сдвиговой вязкости и релаксационным профилям соответственно, чтобы лучше классифицировать их по "когезионным и дисперсионным" свойствам.