Inledning
Ophthalmic Viscosurgical Devices (OVDs) är viskoelastiska lösningar eller geler som används för att skydda hornhinnans endotel från mekaniskt trauma och för att bibehålla det intraokulära utrymmet under ögonkirurgi. De innehåller vanligen en eller flera av följande komponenter: hyaluronsyra eller dess natriumsalt, kondroitinsulfat eller metylcellulosa. Eftersom dessa material är polymera tenderar de att vara viskoelastiska och deras egenskaper är starkt beroende av faktorer som koncentration, molekylvikt och molekylär arkitektur samt intra- eller intermolekylära interaktioner i lösning.
OVD:er kan klassificeras enligt deras "sammanhållande eller spridande förmåga", som i slutändan är relaterade till deras reologiska egenskaper. Kohesiva OVD:er är material med hög viskositet som fäster vid varandra genom molekylära föreningar. De tenderar att ha högre molekylvikter och är mycket skjuvtunna med hög ytspänning. På grund av sin höga viskositet kan kohesiva OVD:er pressurisera ögat och skapa utrymme för insättning av det optiska implantatet (linsen). Deras kohesivitet gör det också lättare att avlägsna dem i slutet av operationen eftersom hela massan håller ihop. Dispersiva OVD:er tenderar däremot att ha lägre molekylvikt och är mer newtonska. De har lägre viskositet och lägre ytspänning, vilket gör att de bättre kan belägga och fästa på både vävnader och kirurgiska instrument, och även hjälpa till att smörja det optiska implantatet under insättningen. Dispersiva OVD:er tenderar att vara svårare att avlägsna efter operationen på grund av deras högre fluiditet. Förutom de två klasser som just beskrivits finns det också kombinations-OVD:er som innehåller dispersiva och kohesiva egenskaper och viskoadpativa OVD:er som uppvisar olika egenskaper beroende på användningsförhållandena.
Det finns nu en internationell standard (ISO15798:2013) som beskriver kraven för att karakterisera dessa material med avseende på deras biologiska, kemiska och fysiska egenskaper. I den här applikationsnoten behandlar vi det avsnitt i standarden som handlar om reologisk karakterisering. Standarden anger att produkten ska testas i sitt färdiga och steriliserade tillstånd vid 25°C för reologisk testning och omfattar både oscillerande och stadig skjuvningstestning för att karakterisera både viskoelastiska egenskaper och flödesegenskaper i form av dynamisk viskositet, komplex viskositet och viskoelastiska moduler.
Den komplexa viskositeten mäts som en funktion av svängningsfrekvensen med logaritmiska steg för att samtidigt visa OVD-formuleringens motståndskraft mot flöde och deformation. Det specificerade frekvensområdet är mellan 0,001 Hz och 1000 Hz, men 0,01 Hz till 100 Hz anses vara acceptabelt så länge som viskositetsplatån med nollskjuvning (vid avtagande frekvenser) är tillgänglig. Detta kommer att ske vid lägre frekvenser för material med högre viskositet. Ofta är det inte möjligt att uppnå 100 Hz på en rotationsreometer på grund av tröghetsbegränsningar och därför bör man sträva efter den högsta möjliga frekvensen.
Elasticiteten eller viskoelasticiteten hos OVD karakteriseras genom G' och G" och mäts samtidigt med n* upp till en frekvens av 100 Hz, eller så högt som möjligt med hänsyn till tröghetsbegränsningar. Data bör antingen presenteras på en dubbellogaritmisk skala mot frekvensen eller som en graf över procentuell elasticitet mot logfrekvensen, t.ex. som 100 × [G'/(G'+G"] mot logfrekvensen.
För mätningar med jämn skjuvning föreslås ett intervall för skjuvningshastigheten från 0,001 s-1 för att approximera viskositeten vid noll skjuvning, vilket är representativt för förhållandena i den främre kammaren, till en skjuvningshastighet på cirka 100 s-1 för att efterlikna förhållandena när den viskoelastiska vätskan injiceras i ögat genom en kanyl. Skjuvhastigheterna skall ökas i logaritmiska steg och data för stabil skjuvviskositet skall presenteras som en funktion av skjuvhastigheten på en dubbel logaritmisk skala. Eftersom det kan vara problematiskt att mäta vätskor med låg viskositet vid låga skjuvhastigheter, anses den lägsta skjuvhastighet vid vilken noll skjuvviskositet kan uppnås vara acceptabel. Viskositetsplatån för nollskjuvning tenderar att uppstå vid högre skjuvhastigheter för material med låg viskositet och lägre skjuvhastigheter för material med hög viskositet, så låga skjuvhastigheter behövs inte alltid. Observera att den jämna skjuvningsviskositeten vid noll skjuvning bör motsvara det ekvivalenta värdet för n* som uppmätts med oscillerande provning.
Experimentell
- En OVD-formulering innehållande hyaluronsyra i tre olika koncentrationer 15 mg/ml, 18 mg/ml och 25 mg/ml analyserades och jämfördes enligt ISO15798:2013.
- Mätningar med rotationsreometer gjordes med en Kinexus rotationsreometer med en Peltier-plattkassett och med ett 4°/40 mm konplattmätningssystem för oscillerande mätningar och en 2°/20 mm konplatta för viskometritester.
- En standardiserad laddningssekvens användes för att säkerställa att båda proverna genomgick ett konsekvent och kontrollerbart laddningsprotokoll. Alla reologimätningar utfördes vid 25°C.
- En töjningsstyrd frekvenssvepning inom den förutbestämda linjära viskoelastiken utfördes för att bestämma G', G" och η* som en funktion av frekvensen.
- Ett jämviktstest med tabell över skjuvhastigheter utfördes för att bestämma den dynamiska skjuvviskositeten i stationärt tillstånd som en funktion av skjuvhastigheten.
- Värdena för η0 erhölls med hjälp av en Cross-model-analys i programvaran rSpace
Resultat och diskussion
Oscillationstestning
Kurvorna för den komplexa viskositeten som funktion av vinkelfrekvensen (ω = 2πf) visas i figur 1. Dessa kurvor är typiska för en viskoelastisk vätska, där den komplexa viskositeten vid höga frekvenser är låg (mer elastisk) och ökar med sjunkande frekvens när elastisk energi omvandlas till viskös energi, vilket kulminerar i en platå med konstant viskositet. Uppkomsten av denna platå med konstant viskositet eller viskositet vid nollskjuvning (n*0) är tydligt synlig för alla prover, där de högre koncentrationerna har högre viskositet.
Figur 2 visar G'- och G"-kurvor över samma frekvensområde för de tre HA-lösningarna. Vid höga frekvenser är den elastiska modulen G' dominerande, samtidigt med ett lågt värde på n* och avtar med minskande frekvens (ökande tid) när elastisk energi omvandlas till viskös energi, vilket överensstämmer med ökningen och den slutliga platån i n*.
Övergången G'/G" indikerar en övergång från ett elastiskt dominerande (pseudogelliknande) beteende till ett vätskedominerande beteende, där inversen av övergångsfrekvensen 1/ωc representerar materialets längsta relaxationstid eller den tid det tar för ca 63% av den elastiska energin eller spänningen att försvinna när polymeren relaxerar. Modulen vid denna övergångspunkt kan kallas "övergångsmodulen" (Gc) och är ett mått på den totala styvheten vid denna vinkelfrekvens. Precis som med n* har HA-lösningarna med de högsta koncentrationerna de största värdena på G' över alla frekvenser och även den längsta relaxationstiden. Detta stämmer överens med att ett större antal intermolekylära interaktioner eller sammanflätningar gör att dessa material beter sig mer elastiskt under längre tid när de utsätts för påfrestningar.
Viskosimetrisk testning
Flödeskurvor i stationärt tillstånd för de tre HA-lösningarna visas i figur 3. Alla prover är skjuvtunnande eller pseudoplastiska och uppvisar en minskning av viskositeten med ökande skjuvhastighet, vilket i stort sett speglar kurvorna för komplex viskositet mot vinkelfrekvens i figur 1. Detta är ett av skälen till att komplexa viskositetsdata plottas mot vinkelfrekvensen, eftersom vinkelfrekvensen kan likställas med skjuvhastigheten och för enkla vätske- och polymersystem n*(ω) ≈ n(γ) när ω går mot noll. I detta fall överensstämmer n- och n*-data mycket väl i området med låg frekvens och låg skjuvhastighet, med jämförbara värden på n0 och samma koncentrationstrend.
Analys av data
Viskositeten vid nollskjuvning kan uppskattas direkt genom att ta en enda punkt eller ett medelvärde av flera punkter inom platån för viskositeten vid nollskjuvning. En alternativ och ofta föredragen metod är att tillämpa en reologisk modell som är känd för att passa kurvor av denna typ mycket bra. Dessa modeller inkluderar Cross- och Carreau-modellerna som finns tillgängliga i programvaran rSpace. Dessa kan anpassas till både n*(ω)- och n(γ)-data, så länge korrelationskoefficienten för anpassningen är hög. Figur 4 visar en Cross-modell som anpassats till data för viskositet och skjuvhastighet för HA-lösningen 15 mg/ml och visar hur väl denna modell passar data.
Nollskjuvviskositet för alla prover baserat på korsvis modellanpassning av n*(ω) och n*(γ) data listas i tabell 1. Automatiserad crossover-analysdata för G'- och G"-kurvor rapporteras också.
Högre värden på n0 indikerar lägre rörlighet och därmed mer sammanhängande egenskaper, medan lägre värden indikerar bättre dispersivitet. När det gäller G'- och G"-data skulle en lägre crossover-frekvens (ωc) och högre crossover-modul (Gc) indikera en mer sammanhållen struktur, medan ett högre värde på ωc och ett lägre värde på Gc skulle indikera ett mer dispersivt system. Mer generellt tenderar dispersiva OVD:er att ha n0-värden som är lägre än 50 Pas och kohesiva OVD:er någonstans mellan 100 och 100000 Pas, varvid dessa högre viskositeter vanligtvis förknippas med högre värden på Gc och lägre värden på ωc. Enligt dessa kriterier skulle de tre testade lösningarna klassificeras som mer sammanhängande än dispersiva till sin natur.
Tabell 1: Rapporterade värden för viskositet vid nollskjuvning n0), crossover-frekvens (ωc) och crossover-modul (Gc) efter cross model fitting respektive crossover-analys
| HA-koncentration | 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 |
Slutsats
De reologiska egenskaperna hos en HA-baserad OVD med tre olika HA-koncentrationer utvärderades enligt ISO15798:2013 med hjälp av en rotationsreometer från Kinexus. Detta innebar mätning av dynamisk skjuvviskositet vid steady state, komplex viskositet och viskoelastiska moduler (G' och G"). De olika proverna karakteriserades och jämfördes med avseende på deras viskositet vid nollskjuvning respektive relaxationsprofiler för att bättre kunna klassificera dem med avseende på deras "sammanhållande och dispersiva" egenskaper.