JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

النماذج الحالية في المختبر لتقييم العدسات اللاصقة (CLS) وغيرها من التطبيقات ذات الصلة العين هي محدودة للغاية. منصة العين عرض تحاكي تدفق الفسيولوجية المسيل للدموع، وحجم المسيل للدموع، والتعرض للهواء وارتداء الميكانيكية. هذا النظام هو تنوعا للغاية ويمكن تطبيقها على مختلف في المختبر يحلل مع CLS.

Abstract

Currently, in vitro evaluations of contact lenses (CLs) for drug delivery are typically performed in large volume vials,1-6 which fail to mimic physiological tear volumes.7 The traditional model also lacks the natural tear flow component and the blinking reflex, both of which are defining factors of the ocular environment. The development of a novel model is described in this study, which consists of a unique 2-piece design, eyeball and eyelid piece, capable of mimicking physiological tear volume. The models are created from 3-D printed molds (Polytetrafluoroethylene or Teflon molds), which can be used to generate eye models from various polymers, such as polydimethylsiloxane (PDMS) and agar. Further modifications to the eye pieces, such as the integration of an explanted human or animal cornea or human corneal construct, will permit for more complex in vitro ocular studies. A commercial microfluidic syringe pump is integrated with the platform to emulate physiological tear secretion. Air exposure and mechanical wear are achieved using two mechanical actuators, of which one moves the eyelid piece laterally, and the other moves the eyeballeyepiece circularly. The model has been used to evaluate CLs for drug delivery and deposition of tear components on CLs.

Introduction

وتشمل منطقتين كبيرة من الاهتمام داخل الساحة العدسات اللاصقة (CL) الانزعاج وتطوير تطبيقات CL الجديدة. توضيح الآليات الكامنة وراء CL عدم الراحة هي مسألة استعصت على الميدان لعقود. 8 تطور الرواية، CLS الوظيفية، مثل أجهزة توصيل الدواء 1،3،9 وأجهزة الاستشعار، 10-12 هو مساحة من الاهتمام المتزايد، مع الأسواق المحتملة كبيرة. في كلتا الحالتين، فإن تطورا في نموذج المختبر تقديم المعلومات ذات الصلة للمساعدة في اختيار المواد العدسة أو خصائص التصميم المناسب خلال مرحلة التطوير. للأسف، تيار نماذج في المختبر لتقييم CLS وغيرها من التطبيقات المتعلقة العين والخام نسبيا وغير معقدة. تقليديا، يتم تنفيذ الدراسات في المختبر CL تقييم ترسب الفيلم المسيل للدموع أو تسليم المخدرات في ثابتة، قارورة كبيرة الحجم تحتوي على حجم السائل الثابتة، التي العظمى!يتجاوز TLY كميات الفسيولوجية. وعلاوة على ذلك، وهذا نموذج بسيط يفتقر إلى عنصر تدفق المسيل للدموع الطبيعي والتصرفات وامض، وكلاهما تحديد عوامل البيئة العين.

تطوير "نموذج" متطورة العين ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية سوف تتطلب نهجا متعدد التخصصات وتتطلب كبيرا في التحقق من صحة الجسم الحي. لهذه الأسباب، والإطار الأساسي لدينا في المختبر نموذج العين هي متعددة للغاية، مثل أن النموذج يمكن تحسينها باستمرار من خلال تحديث والتحويرات في المستقبل. حتى الآن، وهذا النموذج هو قادر على محاكاة حجم المسيل للدموع، وتدفق المسيل للدموع، وارتداء الميكانيكية والتعرض للهواء. والهدف من ذلك هو خلق نموذج في المختبر من شأنها أن توفر نتائج ذات مغزى، وهو التنبؤية ومكملة لفي الجسم الحي وخارج الحي الملاحظات.

Protocol

تم الانتهاء من جميع التجارب وفقا والامتثال لجميع المبادئ التوجيهية ذات الصلة التي حددتها جامعة واترلو في لجنة أخلاقيات البحوث الحيوانية. يتم التبرع بها للعيون البقر بسخاء من المسالخ المحلية.

1. نموذج العين

  1. تصميم وإنتاج قوالب 13
    1. تصميم نماذج العين وفقا لمتوسط ​​الأبعاد الفسيولوجية للعيون الكبار الإنسان. 13
    2. ترك فجوة من 250 ميكرون بين مقلة العين والجفن قطع من طراز العين. تصميم قوالب منها باستخدام تصميم (CAD) البرمجيات بمساعدة الكمبيوتر.
    3. خلق فرص عمل جديدة ملف .cad أو ملف .sldprt مع أوتوكاد أو سوليدووركس. خلق 3D نماذج من مقلة العين البشرية / جفن. إنشاء قوالب النماذج وحفظ قوالب على شكل ملفات تنسيق stl.
    4. استيراد ملفات تنسيق stl في برنامج الطابعة 3D (على سبيل المثال، makeware لreplicator2). تعيين معلمات من الطباعة (الموقع، تناثر، والحجم، والتوجه، ونعومة، الخ ) 13.
    5. حفظ الملف كملف G رمز للطابعات 3D لقراءة. حدد المواد مثل جيش التحرير الشعبى الصينى (عديد حمض اللبنيك)، ABS (الأكريلونيتريل الستايرين)، وأجهزة الكمبيوتر (البولي)، أو مزيج منها، لطباعة قوالب 13.
    6. تثبيت خيوط المطلوب من المواد في الاختيار. استيراد ملف G رمز في الطابعة 3D لقراءة. طباعة القالب.
      ملاحظة: بدلا من ذلك، وإنتاج قوالب العين باستخدام العددية الكمبيوتر التي تسيطر عليها (CNC) الجهاز، إذا كان المطلوب أكثر سلاسة السطح على نموذج العين. لCNC الإنتاج العفن والمواد لقوالب لم تعد تقتصر على المواد البلاستيكية الحرارية، ولكن تمتد إلى المعادن والسيراميك، والبوليمرات مقاوم كيميائيا مثل تترافلوروإيثيلين.
    7. فتح واجهة البرنامج باستخدام الحاسب الآلي المتصل الحفر القطع. بناء قوالب 3D وفقا لالجبهة، أعلى، الجانب، وجهات النظر منظور قوالب نموذج مقلة العين / جفن شيدت سابقا في واجهة برنامج حاسوبي لمراقبة. تحديد المعايير المناسبة لبالقطع (حجم الشيء، والمواد الركيزة، سمك المواد)، والشروع في قطع قالب.
  2. توليف العدسات باستخدام PDMS
    1. باستخدام حقنة، قياس 10 مل حجم PDMS (ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان) قاعدة وملئه في أنبوب الطرد المركزي 15-50 مل. إضافة 10٪ ث / ت من الحل المطاط الصناعي من حيث الوزن الكلي للPDMS. باستخدام قضيب التحريك، مزيج من الحلول أيضا.
    2. من أجل حل PDMS في قوالب مقلة العين والجفن. السماح للPDMS ليستقر على مستوى RT O / N (أو على الأقل 12 ساعة) لبدء البلمرة والسماح فقاعات إلى حل للخروج من البوليمر.
      ملاحظة: تأكد من عدم وجود فقاعات اليسار في PDMS التي قد ترتفع أو التوسع.
    3. وفي وقت لاحق، ووضع القوالب في الفرن 75 درجة مئوية (167 درجة فهرنهايت) لمدة 1 ساعة، أو 150 درجة مئوية (302 درجة فهرنهايت) لمدة 5 دقائق. لهلام ليونة، والسماح للPDMS الجلوس على RT لمدة لا تقل عن 48 ساعة لبلمرة تماما.
    4. وضع العينات في الفريزر لدقائق قليلة. هذا سوف يتقلص PDMS وتبسيطإزالة عينات من القوالب. استخراج العدسات من القوالب باستخدام ملعقة رقيقة.
    5. لتقديم حل في الفضاء بين مقلة العين وقطع الجفن، توصيل "س 1/8" أنبوب تترافلوروإيثيلين 1/16 مع "المساواة الساق أنبوب موصل مقرنة 1/16 وإرفاقه قطعة جفن في ثقب الأنابيب .
  3. توليف قطعة مقلة العين عن طريق الاغاروز
    ملاحظة: قطعة مقلة العين يمكن تصنيعه باستخدام البوليمرات الأخرى مثل الاغاروز. ويمكن أيضا أن الإجراء التالي يمكن تعديلها لإنتاج قطع العين من مجموعة متنوعة من أنواع أجار، مثل المساعد الشخصي الرقمي (البطاطس سكر العنب أجار) أو حزب العمل الديمقراطي (سابورو سكر العنب أجار).
    1. لإنتاج 2٪ (2 غرام / 100 مل) هلام، قياس 2 غرام من الاغاروز وتخلط مع 100 مل من الماء عالى النقاء. تقديم حل ليغلي (100 درجة مئوية) بحيث الاغاروز يذوب تماما. اسمحوا الحل يبرد لمدة 5 دقائق.
    2. من أجل حل في القالب مقلة العين، والسماح للحل لتبرد لمدة 30 دقيقة في RT. إزالة القطع مقلة العين مع ملعقة. تخزين أجار مقلة العين في -20 ° C الفريزر لاستخدامها لاحقا. لدراسات علم الأحياء المجهرية، تعقيم قوالب مقلة العين بواسطة التعقيم و / أو الأشعة فوق البنفسجية التشعيع.
  4. إدماج الأبقار القرنية على PDMS مقلة العين
    ملاحظة: وقد تم تكييف هذا البروتوكول من باريخ وآخرون 14
    1. إجراء تشريح وإدماج القرنيات الأبقار في ظروف معقمة تحت غطاء تدفق الصفحي. الحصول على العينين وتشريح لهم في نفس اليوم.
    2. تحويل غطاء تدفق لمدة 10 دقيقة قبل الاستخدام وتعقيم مع الايثانول 70٪ كحول. التأكد من أن جميع المواد والأدوات معقمة قبل التعقيم في 273 ° F / 133 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة، وضعه لا يقل عن 4 بوصات من مدخل تدفق غطاء محرك السيارة.
    3. تزج العين البقري في كوب يحتوي على محلول البوفيدون اليود المخفف لمدة 2 دقيقة. شطف العين في دورق يحتوي على الفوسفات المالحة (PBS) صH 7.4. باستخدام ملقط وضع بلطف العين على طبق بتري الزجاج، والقرنية مكشوفة.
    4. إزالة العضلات الزائدة والأنسجة الدهنية عن طريق قطع عند نقطة التعلق الصلبة مع حادة مقص نهاية تشريح. التخلص من الأنسجة الزائدة في دورق عقيمة المخصصة لمخلفات الحيوانات.
    5. باستخدام المقص الصغير، وإزالة الملتحمة من العين. التفاف العين بشاش معقم، والحفاظ على مسافة 1 سم على الأقل من حوف.
    6. باستخدام مشرط، شق الصلبة حوالي 2 ملم من منطقة حوف وبشكل سطحي وذلك لتجنب انتشار المشيمية الكامنة والجسم الزجاجي. تمديد بعناية شق 360 درجة باستخدام مشرط أو تشريح مقص دون تشويه القرنية من انحناء الطبيعي.
    7. مع ملقط غرامة، وإزالة القرنية من العين. باستخدام ملقط، إزالة بعناية أي نوع من الأنسجة عنبوية الالتزام وشطف القرنية مع برنامج تلفزيوني.
    8. تخزين القرنية في 31ºC في حاوية معقمة مع الثقافةالمتوسطة (مثل متوسط ​​199) تحتوي على 3٪ مصل بقري جنيني للحفاظ على رطوبة الأنسجة وتغذية الخلايا.
    9. قبل التجريب، وبقية القرنية رفعه على مقلة العين PDMS، والمشبك قطعتين معا مع كليب على متخصص.

2. الطرفة منصة

  1. تصميم وإنتاج وميض منصة
    ملاحظة: يتكون طرفة منصة من ثلاثة أجزاء وظيفية: نموذج العين (كما هو موضح في القسم 1)، ونظام والعتاد، والنظام الإلكتروني.
    1. تصميم وتصنيع منصة طرفة باستخدام CAD والطباعة 3D، مماثلة لتلك التي وصفها لنموذج العين (القسم 1.1). تصميم نظام العتاد بحيث يترجم دوران بسيط من المحركات إلى الحركات الجانبية ودوران العدسات. 15
    2. استخدام ترس وآلية والعتاد، وترجمة الحركة الدورانية للمحرك السائر في الحركة الجانبية للجناح الطائر، وهذا مرتبط إلى القطع جفن.
    3. باستخدامنظام العتاد المتقارن، تضخيم الحركة الدورانية واحدة من السيارات السائر إلى ثلاثة (أو أكثر) حركات دورانية لمدة ثلاث قطع مقلة العين المختلفة.
    4. محاذاة نظامي والعتاد، واحدة للجفن واحد لمقلة العين، بحيث تكون المسافة بينهما ثابتة. تجميع نظام إلكتروني مع متحكم، درع المحرك، واثنين من المحركات.
      ملاحظة: استخدام اثنين من المحركات السائر لتوفير المحركات الدورانية، والتي تترجم من قبل النظام والعتاد إلى الحركة وامض.
    5. ربط اثنين من المحركات السائر مع نظام يتكون من درع السيارات مكدسة على متحكم. ربط وتكوين المكونات الإلكترونية للعمل مع منتجات البرمجيات مفتوحة المصدر.
    6. برمجة نظام للسيطرة على المعلمات الحركية مثل طلقة في الدقيقة الواحدة (دورة في الدقيقة)، وعدد من الجولات إلى الأمام، وعدد من جولات الى الوراء، وتحول النمط.
      ملاحظة: يرجى الرجوع إلى "ملف التعليمات البرمجية اردوينو" تكميلي للحصول على التفاصيل.
    7. تحميل برامج النظام من أماهموقع nufacturers ".
    8. تثبيت البرنامج وفتحه. كتابة التعليمات البرمجية للسيطرة على المحركات السائر في تكوين المطلوب. ربط النظام مع مصدر لتشغيل النظام الإلكتروني بحيث تتحرك المحركات بالطريقة المطلوبة كما هو محدد من قبل الباحث.
      ملاحظة: يرجى الرجوع إلى "ملف التعليمات البرمجية اردوينو" التكميلي.
  2. الجمعية مع على microfluidics (المسيل للدموع الاصطناعي الحل)
    1. خذ مقلة العين المركبة وقطع الجفن، وتنزلق لهم على من المقابلة كليب الإضافات للعين طراز. ربط الأنابيب الذي انضم مع حقنة وضعه على مضخة ميكروفلويديك مع قطعة جفن (القسم 1.2.5). اختبار تشغيل منصة وتحقق للحركة متسقة.
    2. رئيس الأنبوب والتحقق من وجود تدفق مستمر من حل المسيل للدموع اصطناعية (ATS). وقد ذكرت سابقا وصفة لATS 16
    3. يدويا نقل أجزاء العين نموذج معا على متن طائرة مستوى، بحيث مقلة العين والعينغطاء على اتصال. ضبط معدل تدفق المضخة ميكروفلويديك إلى القيم المطلوبة. تعيين معدلات تدفق الفسيولوجية ل1-1.5 ميكرولتر / دقيقة. 17
    4. بدء تشغيل المضخة والمحركات لبدء التجربة. للتجارب تسليم المخدرات، ووضع العدسات اللاصقة التي تحتوي على المخدرات على قطعة مقلة العين.
    5. تسمح للسائل التدفق من خلال أن يتقطر في لوحة 12-جيدا. في فترات الزمنية المحددة المطلوبة، قياس تركيز تحليلها أو المخدرات باستخدام طرق الكشف الشائعة مثل التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية فيس أو مضان. 1،4،18
    6. لدراسات تقييم ترسب مكونات المسيل للدموع على العدسات اللاصقة، ووضع العدسات اللاصقة على "مقلة العين" قطعة. جمع السائل التدفق من خلال، والتي يمكن التخلص منها.
    7. بعد فترات زمنية محددة، وإزالة العدسات اللاصقة من قطعة مقلة العين وإعداد عدسة لمزيد من التحليل مثل المجهر متحد البؤر.

النتائج

وتظهر قوالب العين توليفها تم الحصول عليها من متجر للآلات ومن الطباعة 3-D في الشكل 1. هذه القوالب يمكن استخدامها مع مجموعة متنوعة من البوليمرات، مثل PDMS والاغاروز، لإنتاج العدسات مع الخصائص المطلوبة. يظهر التجمع أومأ من منصة نموذج العين مع ضخ ?...

Discussion

هناك ثلاث خطوات حاسمة في إطار البروتوكول التي تتطلب اهتماما خاصا: تصميم وإنتاج قوالب (القسم 1.1)، والتجمع منصة (قسم 2.2.1-2.2.3)، ورصد المدى التجريبية (قسم 2.2.4-2.2.7 ). من حيث التصميم وإنتاج قوالب (القسم 1.1)، وينبغي تصميم قطعة مقلة العين وفقا لأبعاد القرنية البشرية. ومع ذلك، قد تت?...

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgements

فإن الكتاب أن نعترف لدينا مصدر التمويل NSERC 20/20 الشبكة لتطوير المواد المتقدمة العيون.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Arduino Uno R3 (Atmega328 - assembled)Adafruit50Board
Stepper motorAdafruit324Motor and Motor shield
Equal Leg Coupler 1.6mm 1/16"VWRCA11009-28050 pcs of tube connector
Tubing PT/SIL 1/16"x1/8"VWR16211-316Case of 50feet
PDMSDow CorningSylgard 184 Solar Cell Encapsulation
Agarose, Type 1-A, low EEOSigma-AldrichA0169-25G
PHD UltraTMHarvard Apparatus703006MicroFluidic Pump
Bovine corneaCargill, Guelph/ON
SoldidworksDassault SystemesSoftware
3-D printingUniversity of Waterloo - 3D Print Centre
Dissection toolsFine Science ToolsGeneral dissection tools
Medium 199Sigma-AldrichCulture medium storage for cornea
Fetal bovine serumThermo FisherAdd to culture medium, 3% total volume

References

  1. Phan, C. M., Subbaraman, L. N., Jones, L. In vitro drug release of natamycin from beta-cyclodextrin and 2-hydroxypropyl-beta-cyclodextrin-functionalized contact lens materials. J Biomater Sci Polym Ed. 25, 1907-1919 (2014).
  2. Peng, C. C., Kim, J., Chauhan, A. Extended delivery of hydrophilic drugs from silicone-hydrogel contact lenses containing vitamin E diffusion barriers. Biomaterials. 31, 4032-4047 (2010).
  3. Hui, A., Willcox, M., Jones, L. In vitro and in vivo evaluation of novel ciprofloxacin-releasing silicone hydrogel contact lenses. Invest Ophthalmol Vis Sci. 55, 4896-4904 (2014).
  4. Boone, A., Hui, A., Jones, L. Uptake and release of dexamethasone phosphate from silicone hydrogel and group I, II, and IV hydrogel contact lenses. Eye Contact Lens. 35, 260-267 (2009).
  5. Lorentz, H., Heynen, M., Trieu, D., Hagedorn, S. J., Jones, L. The impact of tear film components on in vitro lipid uptake. Optom Vis Sci. 89, 856-867 (2012).
  6. Hall, B., Phan, C. M., Subbaraman, L., Jones, L. W., Forrest, J. Extraction versus in situ techniques for measuring surface-adsorbed lysozyme. Optom Vis Sci. 91, 1062-1070 (2014).
  7. Mishima, S., Gasset, A., Klyce, S. D., Baum, J. L. Determination of tear volume and tear flow. Invest Ophthalmol Vis Sci. 5, 264-276 (1966).
  8. Nichols, J. J., et al. The TFOS international workshop on contact lens discomfort: executive summary. Invest Ophthalmol Vis Sci. 54, 7-13 (2013).
  9. Peng, C. C., Burke, M. T., Carbia, B. E., Plummer, C., Chauhan, A. Extended drug delivery by contact lenses for glaucoma therapy. J Control Release. 162, 152-158 (2012).
  10. Faschinger, C., Mossbock, G. Continuous 24 h monitoring of changes in intraocular pressure with the wireless contact lens sensor Triggerfish. First results in patients. Der Ophthalmologe : Zeitschrift der Deutschen Ophthalmologischen Gesellschaft. 107, 918-922 (2010).
  11. Shaw, A. J., Davis, B. A., Collins, M. J., Carney, L. G. A technique to measure eyelid pressure using piezoresistive sensors. IEEE transactions on bio-medical engineering. 56, 2512-2517 (2009).
  12. Liao, Y. T., Yao, H. F., Lingley, A., Parviz, B., Otis, B. P. A 3-mu W CMOS glucose sensor for wireless contact-lens tear glucose monitoring. Ieee J Solid-St Circ. 47, 335-344 (2012).
  13. Coster, D. J. . Cornea. , (2002).
  14. Parekh, M., et al. A simplified technique for in situ excision of cornea and evisceration of retinal tissue from human ocular globe. Journal of visualized experiments : JoVE. , e3765 (2012).
  15. Way, S. Gear and pinion. US patent. , (1942).
  16. Lorentz, H., et al. Contact lens physical properties and lipid deposition in a novel characterized artificial tear solution. Molecular vision. 17, 3392-3405 (2011).
  17. Furukawa, R. E., Polse, K. A. Changes in tear flow accompanying aging. American journal of optometry and physiological optics. 55, 69-74 (1978).
  18. Bajgrowicz, M., Phan, C. M., Subbaraman, L., Jones, L. Release of ciprofloxacin and moxifloxacin from daily disposable contact lenses from an in vitro eye model. Invest Ophthalmol Vis Sci. , (2015).
  19. Luensmann, D., Zhang, F., Subbaraman, L., Sheardown, H., Jones, L. Localization of lysozyme sorption to conventional and silicone hydrogel contact lenses using confocal microscopy. Current eye research. 34, 683-697 (2009).
  20. Tieppo, A., Pate, K. M., Byrne, M. E. In vitro controlled release of an anti-inflammatory from daily disposable therapeutic contact lenses under physiological ocular tear flow. Eur J Pharm Biopharm. 81, 170-177 (2012).
  21. Ali, M., et al. Zero-order therapeutic release from imprinted hydrogel contact lenses within in vitro physiological ocular tear flow. J Control Release. 124, 154-162 (2007).
  22. White, C. J., McBride, M. K., Pate, K. M., Tieppo, A., Byrne, M. E. Extended release of high molecular weight hydroxypropyl methylcellulose from molecularly imprinted, extended wear silicone hydrogel contact lenses. Biomaterials. 32, 5698-5705 (2011).
  23. Kaczmarek, J. C., Tieppo, A., White, C. J., Byrne, M. E. Adjusting biomaterial composition to achieve controlled multiple-day release of dexamethasone from an extended-wear silicone hydrogel contact lens. J Biomater Sci Polym Ed. 25, 88-100 (2014).
  24. Mohammadi, S., Postnikoff, C., Wright, A. M., Gorbet, M. Design and development of an in vitro tear replenishment system. Ann Biomed Eng. 42, 1923-1931 (2014).
  25. Lorentz, H., Heynen, M., Khan, W., Trieu, D., Jones, L. The impact of intermittent air exposure on lipid deposition. Optom Vis Sci. 89, 1574-1581 (2012).
  26. Peng, C. C., Fajardo, N. P., Razunguzwa, T., Radke, C. J. In vitro spoilation of silicone-hydrogel soft contact lenses in a model-blink cell. Optom Vis Sci. 92, 768-780 (2015).
  27. Liu, P., et al. Dissolution studies of poorly soluble drug nanosuspensions in non-sink conditions. AAPS PharmSciTech. 14, 748-756 (2013).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

110

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved