Sviluppo di un hydrogel con proprietà viscoelastiche assimilabile all’umor vitreo

Abstract

A causa di molte patologie oculari, è spesso necessario rimuovere l'umor vitreo attraverso un intervento di vitrectomia e sostituirlo con un materiale non tossico e non temporaneo. Per questo motivo, la ricerca di un sostituto del vitreo adatto che imiti al meglio quello nativo e sia permanente sta diventando sempre più popolare. In questo studio abbiamo creato diversi idrogel, costituiti da diverse concentrazioni di acqua, Agar e acido ialuronico, con l'obiettivo di ottenere un vitreo artificiale, utilizzabile in esperimenti in vitro, dalle proprietà reologiche il più possibile simili a quelle del vitreo naturale. A differenza dei sostituti del vitreo esistenti, infatti, questo tessuto fittizio presenta le caratteristiche viscoelastiche dell'umor vitreo naturale in vivo, come misurato mediante un reometro rotazionale. Il vitreo artificiale verrà utilizzato principalmente per riempire un modello di camera vitreale tramite iniezione, per poi replicare la procedura di vitrectomia in vitro utilizzando uno speciale strumento chiamato vitrectomo, fornito all'Università di Genova dall'azienda Bausch+Lomb. Per eseguire test affidabili, era necessario valutare gli effetti dell'iniezione sulle proprietà meccaniche del gel, per capire se il fluido che si troverà nella camera vitreale è ancora una valida simulazione del fluido in vivo. Per questo motivo, sono stati eseguiti test di estrusione del gel con diverse velocità di iniezione, in seguito ai quali sono state analizzate le proprietà reologiche del materiale. A causa dell'uso di un ago di piccolo diametro, precisamente 0,21 mm, la velocità di deformazione del gel durante la fase di iniezione è stata molto elevata; pertanto, la struttura del fluido è stata alterata, così come le sue proprietà reologiche. Quindi, il test è stato ripetuto senza ago. Sono stati eseguiti anche test di recupero per capire se il gel, una volta nella camera di vetro, fosse in grado di ricreare i legami interrotti durante l'iniezione.

Due to many ocular diseases, it is often necessary to remove the vitreous humor through a vitrectomy procedure and replace it with a material that is nontoxic and no temporary. For this reason, the search for a suitable vitreous substitute that best mimics the native one and is permanent is becoming increasingly popular. In this study, we created several hydrogels, consisting in different concentrations of water, Agar and hyaluronic acid, with the aim of obtaining an artificial vitreous, which could be used in in vitro experiments, having the rheological properties as similar as possible to those of natural vitreous. Unlike existing vitreous substitutes, in fact, this dummy tissue has the viscoelastic characteristics of natural vitreous humor in vivo, as measured by means a rotational rheometer. The artificial vitreous will be used primarily to fill a model of a vitreous chamber by injection, and then the vitrectomy procedure can be replicated in vitro using a special instrument called a vitrectome, provided to the University of Genoa by the company Bausch+Lomb. In order to perform reliable tests, it was necessary to evaluate the effects of the injection on the mechanical properties of the gel, to understand whether the fluid that will be found in the vitreous chamber is still a valid simulation of the fluid in vivo. For this reason, gel extrusion tests were performed with various injection rates, following which the rheological properties of the material were analyzed. Due to the use of a small-diameter needle, precisely 0.21 mm, the strain rate of the gel during the injection phase was very high; therefore, the structure of the fluid was altered, as well as its rheological properties. For this reason, the test was repeated without a needle, using only a silicone tube. Recovery tests were also performed to understand if the gel, once in the glass chamber, could recreate the bonds broken during injection and, thus, recover its characteristics.