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Corso di chimica

Materiali per l’Ottica

Parte 2: Proprietà chimico-fisiche dei Materiali per Lenti a Contatto (LAC)

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Generalità Le prime lenti a contatto erano in vetro e non utilizzabili per tempi lunghi a causa di irritazioni che provocavano. Quando (1936) William Feinbloom introdusse lenti a base di PMMA (polimetilmetacrilato, materia plastica formata da polimeri del metacrilato di metile, estere dell’acido metacrilico. Perspex/Plexiglas), le lenti a contatto divennero molto più convenienti. Le lenti di PMMA vengono anche dette lenti rigide. Le lenti di PMMA hanno anche effetti collaterali: impermeabilità all’ossigeno che non raggiungendo la cornea porta a insorgenza di diversi effetti clinici negativi. Alla fine anni ‘70 e durante gli ‘80 e ‘90, vennero sviluppati materiali rigidi permeabili all’ossigeno. Questi materiali vengono chiamati RGP (rigid gas permeable).

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Lenti rigide e lenti morbide

•  Le lenti rigide offrono un numero unico di proprietà. La lente è in grado di sostituire la conformazione naturale della cornea con una nuova superficie rifrangente. Ciò permette un buon livello di visione alle persone affette da astigmatismo o aventi una superficie distorta della cornea (keratocono) anche utilizzando una normale lente sferica. •  Le lenti rigide sono disponibili da moltissimi anni mentre le prime morbide sono apparse in alcuni paesi negli anni ‘60 ed approvate dalla FDA (U. S. Food and Drug Administration) nel 1971. I polimeri usati per le lenti morbide sono migliorati moltissimo negli ultimi 25 anni specie per quel che riguarda la permeabilità all’ossigeno.

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Idrogels

Nel 1999 sono state commercializzate le prime a base di silicone idrogel. Esse permettono una permeabilità dell’ossigeno elevata tipica dei siliconi ed il comfort e performance clinica degli idrogel convenzionali. All’inizio erano preferite per usi prolungati (overnight) ma recentemente vengono usate anche periodi più brevi (no overnight).

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Ibridi

Esistono anche ibridi, lente rigida/lente morbida: la prima (più piccola), rigida, sovrapposta sulla morbida di diametro maggiore. Si ricorre a questo quando una lente singola non offre la correzione ottica adeguata e comfort richiesti.

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Tipi di lenti Esistono tre tipi di lenti:

1. DW (daily wear) “indossate” durante il giorno e rimosse prima di andare a letto.

2. EW (extended wear) che si tengono anche di notte fino a 6 o più giorni consecutivi.

3. CW (continuous wear) che si possono utilizzare fino a 30 giorni consecutivi e sono fatte con materiali più nuovi (idrogel siliconici).

EW e CW possono essere utilizzate per periodi piuttosto lunghi grazie all’alta permeabilità all’ossigeno dei materiali utilizzati.

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Lenti usa e getta (disposable) Usa e getta (disposable)

• Le lenti di tipo “giornaliero” usa-e-getta sono meglio indicate per pazienti con problemi di allergia in quanto l’utilizzo limitato limita il deposito di antigeni e proteine.

• Queste lenti sono anche utili per persone che ne fanno un uso non prolungato o durante attività sportive (es. nuoto) quando vi è probabilità elevata di perderle.

In genere le lenti vengono usate per periodi di 2 settimane o un mese. Le lenti usate su base trimestrale o annuale non sono più tanto comuni. RGP (rigid gas permeable) durano a lungo e possono durare anche alcuni anni.

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Proprietà caratterizzanti i materiali per LAC

• Densità • Indice di rifrazione • Trasmittanza ottica • Stabilità dimensionale • Permeabilità all'ossigeno • Bagnabilità • Proprietà meccaniche • Conducibilità termica

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Densità

La densità d è il rapporto tra la massa m e il volume V della lente a contatto:

d = m/V

La densità (g/cm3) è un parametro importante in quanto può influire sul comfort, ma i cui valori variano relativamente poco tra un polimero e l’altro.

A causa della dilatazione termica dei materiali la densità dipende dalla temperatura, dato che con l'aumento della temperatura la massa della LAC non cambia mentre il volume aumenta.

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Densità e indice di rifrazione dei materiali per LAC

PMMA

Gomme al silicone

PHEMA Cornea

Densità (g/cm3) 1.18 1.10 1.16 1.03

Indice di rifrazione 1.49 1.43 1.43 1.37

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Indice di rifrazione L'indice di rifrazione di un mezzo ottico è dato dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto c e la velocità della luce nel mezzo considerato v :

n = c/v indice di rifrazione elevato: maggiore deviazione. A parità di raggi di curvatura della lente, si ottiene una maggiore potenza diottrica, o, a parità di potere diottrico, una minore curvatura. A differenza delle lenti oftalmiche, la curvatura della superficie interna della lente a contatto è condizionata dalla scelta del tipo di applicazione in relazione alla curvatura corneale. L'indice di rifrazione di un materiale dipende dalla lunghezza d’onda della luce incidente.

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Trasmittanza % T = trasmittanza = I/I0 frazione di luce incidente di λ specificata che passa attraverso il campione (100 x T = % T).

In questo grafico viene riportata in ascissa la lunghezza d'onda, nell’intervallo tra 200 nm e 800 nm (UV-VIS), e in ordinata la trasmittanza % delle lenti. Generalmente i materiali usati in contattologia trasmettono più del 90% della radiazione visibile (380-780 nm).

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Permeabilità all’ossigeno e bagnabilità

•  I siliconi permettono una elevata permeabilità dell’ossigeno ma rendono la superficie della lente fortemente idrofobica e meno “bagnabile”. Questo porta a ridotto comfort e a secchezza dell’occhio. Gli idrogel vengono aggiunti ai siliconi per rendere la lente più idrofilica.

•  Per minimizzare l’idrofobicità residua alcune lenti vengono sottoposte a speciali trattamenti superficiali. In altre si aggiungono speciali composti che ne aumentano la bagnabilità.

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Ossigeno: permeabilità, trasmissibilità e flusso La permeabilità è la misura della “performance” di ossigeno del materiale.

Sistemi polimerici: P = DS

P è coefficiente di permeabilità per un dato sistema polimero-gas D è il coefficiente di diffusione del gas attraverso il polimero (dipende dalla flessibilità catene polimero e dal volume libero) S è la solubilità del gas nel polimero (rappresenta il numero di molecole di ossigeno sciolte nel materiale e dipende dall’interazione chimica fra polimero ed ossigeno)

Lenti a contatto: P = Dk

k è la solubilità del gas nella LAC

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Trasmissibilità

La trasmissibiltà è una caratteristica della LAC (spessore finito):

Dk/t t è lo spessore del materiale o meglio lo spessore medio della parte centrale della lente. Permeabilità e trasmissibiltà: permettono di confrontare la facilità di passaggio dell’ossigeno attraverso lenti di materiale diverso. Situazione clinica: più rilevante considerare la quantità di ossigeno che di fatto raggiunge la cornea per unità di tempo.

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Permeabilità e trasmissibilità: unità di misura

unità di misura: barrer o unità Fatt Permeabilità:

10-11 cm2 s-1 ml O2 ml-1 mmHg-1 (coeff. Diff. Coeff. Solubilità)

Unità ISO: 10-11 cm2 s-1 ml O2 ml-1 hPa-1

Trasmissibilità:

10-9 cm s-1 ml O2 ml -1 mmHg-1

Unità ISO: 10-9 cm s-1 ml O2 ml-1 hPa-1

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Flusso di Ossigeno La legge di Fick calcola la quantità di ossigeno che passa dalla superficie esterna a quella interna della LAC:

J = A(Dk/t)(P1-P2)

J è volume di gas per unità di tempo che passa attraverso la lente di area A e spessore t con una permeabilità Dk

P1 e P2 = pressione di O2 sulla superficie anteriore e posteriore della lente

J/A= flusso ossigeno (j) = (Dk/t)(P1-P2)

J/A = volume di gas per unità di tempo che attraversa un’area di 1 cm2

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Flusso di Ossigeno

P1- P2 = differenza di pressione di O2 sulla superficie anteriore e posteriore della lente è la forza motrice per il passaggio di O2 attraverso la lente. P1 = 159 mmHg per occhio aperto e 59 mmHg per occhio chiuso P2 dipende dalla trasmissibilità della lente

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Flusso di Ossigeno/Trasmissibilità

Valori limite

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Materiali idrogel silicolici

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Flusso di Ossigeno

J/A= flusso ossigeno (j) = (Dk/t)(P1-P2) La misura o il calcolo di P2 la pressione di ossigeno sulla superficie posteriore della LAC è difficile Potenziale ossigeno equivalente (EOP): misura indiretta della tensione di ossigeno sulla superficie posteriore della LAC

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Potenziale ossigeno equivalente (EOP) 1.  Si espone la cornea a diverse atmosfere contenenti una percentuali note e

decrescenti di O2, partendo da 21% es i misura la velocità di assorbimento da parte della cornea con un sensore polarografico. Al diminuire della percentuale di O2 diversa la velocità di assorbimento sarà più alta in quanto la cornea viene esposta ad una concentrazione di O2 più bassa rispetto ai valori fisiologici normali.

2.  Si mette la LAC sulla cornea e si espone l’occhio a una atmosfera contenente una percentuale nota di O2: es. 21%. Si rimuove la lente e si misura la velocità di assorbimento della cornea e si confronta con i valori in assenza di lente (misurati al punto 1). Si ottiene così il Potenziale di ossigeno equivalente.

fatto fluire sulla superficie corneale. Rimosso il flusso,s u l l ’ a rea corneale viene posto un sensore di ossigeno.L’esaurimento di ossigeno viene monitorato attraversola membrana del sensore. Il processo viene poi ripetutoper una serie di ambienti, contenenti gas con concen-trazioni di ossigeno diverse, ottenendo così delle curvedi riferimento. Dopo di che, sulla cornea viene posta la lente da testare .La curva dell’esaurimento, proveniente dalla membranadel serbatoio, viene quindi paragonata con quella pro-veniente dall’esaurimento in ambiente gassoso equi-valente. L’ E O P può avere valori compresi tra 0 e 20.9%.

Senza lente a contatto nell’occhio il valore di EOP è 21%,lo stesso valore della concentrazione di ossigeno nel-l’atmosfera. A p a l p e b re chiuse, quando la pressione par-ziale dell’ossigeno cade a 55 mm Hg, il valore di EOPscende al 7.5%. Questi due valori sono i valori di rife-rimento con i quali è possibile confro n t a re le perfor-mance delle lenti a contatto.

Questa procedura è una misurazione in vivo, vienee ffettuata sia sui conigli che sugli esseri umani e per-mette di valutare come la lente si comporta nell’occhiotenendo in debito conto le variazioni fisiologiche indi-v i d u a l i .Generalmente, durante la misurazione dell’EOP l ’ a m-miccamento viene inibito. In questo modo non vienemisurato l’ossigeno che fluirebbe sotto la lente duranteil normale ammiccamento. Un importante aspetto dellatecnica appena illustrata sta proprio nel fatto che il fat-t o re ammiccamento può essere facilmente intro d o t t o .Così facendo è possibile valutare il comportamento diuna lente nell’occhio tenendo conto sia del passaggio diossigeno attraverso la lente che di quello attraverso ilmeccanismo di pompa lacrimale.

Recentemente Harvitt e Bonanno hanno utilizzato deim a rcatori per ottenere una valutazione della tensionedi ossigeno al di sotto della lente in vivo utilizzando unmodello animale 7 4. I valori così ottenuti confortanoquelli ottenuti con la tecnica EOP e permettono quindidi avere a disposizione un nuovo modello per misurared i rettamente la tensione dell’ossigeno sotto la lente ac o n t a t t o .

Un altro noto sistema di quantificazione del passaggiodi ossigeno attraverso una lente a contatto è statodescritto da Fatt e St.Helen nel 1971.7 5 Il ben noto Dk, opermeabilità all’ossigeno di una materiale, è un coeff i-ciente della legge di Fick, termine ben conosciuto inambito ingegneristico, il quale determina quanto gasfluisce attraverso un campione di materiale a un gra-diente di pressione parziale unitario. Esso è quindi unacostante per un dato materiale. L’unità di misura è ilB a r re r, che corrisponde a (cm2/ s e c ) ( m l O2/ml x mmHg).

Il Dk/t (trasmissibilità all’ossigeno) è in sostanza la per-meabilità all’ossigeno diviso per lo spessore del cam-pione e risulta pertanto relato a una specifica lente. Lalettera “t” identifica lo spessore della lente.La tecnica del Dk è stata ampiamente accettata dallacomunità scientifica sebbene la tecnica dell’EOP s i aquella maggiormente utilizzata dai clinici. La misura-zione del valore di Dk è una tecnica in vitro, che vienee ffettuata su un banco di laboratorio e non coinvolgenessun tessuto vivente. Quindi, sebbene essa sia più pre-vedibile della misurazione dell’EOP, non è in grado nédi misurare né di pre d i re variazioni e risposte indivi-duali. Il Dk è solamente una misura del materiale,m e n t re l’EOP è la misura della risposta del tessutovivente di un individuo a uno specifico materiale e a unaspecifica geometria. Il Dk è influenzato dalla tempera-tura e un suo innalzamento determina un incre m e n t odel Dk. In generale viene misurato a 35°+/- 1°C, che èa p p rossimativamente la temperatura dell’occhio aperto.Il valore di Dk/t può essere utilizzato anche nella leggedi Fick

j= (Dk/t)(P1- P2)

per determinare il flusso “j” attraverso una data lente,con una pressione parziale (P1- P2) diversa da una parteall’altra della lente. In generale, la pressione sotto unalente a contatto è un valore non noto ed è quindi pos-sibile utilizzare il modello di diffusione, utilizzato iningegneria, per determinare questo valore e il flussoattraverso la lente a contatto. A questo pro p o s i t o ,Harvitt e Bonanno hanno appurato che questo sistemaè meno accurato di quello della tecnica EOP.

2001, vol. III, n. 2

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Cornea, lenti a contatto eo s s i ge n o

Figura 9Percentuale di ossigeno equivalente.

X% O2s e n s o r e

di O2

s e n s o r edi O2

Lente test

Flussorilevatodalsensore

Flussorilevatodalsensore

Curva diriferimentoper determinarel’EOP

X% O2

0 5 1 0 2 1

t

t

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Limiti del metodo

Il metodo è basato sulle proprietà della lente usata ma la misura dipende anche dalle variazioni individuali della risposta fisiologica della cornea. • Misure fatte in vivo ma su animali • La lente usata è rigida e in posizione statica • Battito delle palpebre (blinking) fa spostare la lente e il rinnovo del film di liquido lacrimale apporta altro ossigeno alla cornea

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Misura di Dk e Dk/t in vitro

Metodo Polarografico Anodo di Ag (anello) : Ag → Ag+ + e-

Catodo (Au o Pt) : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

la corrente è proporzionale alla quantità di O2

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Metodo polarografico Effetto barriera: uno strato sottile di acqua è intrappolato fra lente e sensore ed agisce come barriera che riduce quantità di O2 che raggiunge superficie catodo. Il grafico del il reciproco della trasmissibilità t/Dk di lenti di spessore t diverso rispetto allo spessore t della lente si ottiene una retta dalla cui pendenza si può calcolare la permeabilità reale.

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Metodo polarografico

Effetto spessore: si assume che lo spessore della lente sia infinitamente sottile. Questo di solito non si verifica e O2 passa lateralmente attraverso lo spessore del bordo e quindi più ossigeno raggiunge il catodo e se non si fanno correzioni si sovrastimano i valori di permeabilità e trasmissibilità. International Standard (ISO) ha implementato una procedura di correzione che tiene conto del diametro del catodo e dello spessore della lente.

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Metodo Coulombimetrico

Camera di misura con due volumi separati da una membrana fatta dal materiale della lente. In una zona gas contenente ossigeno viene fatto passare sulla parte frontale della lente. Nella seconda zona passa sulla parte posteriore della lente gas che non contiene ossigeno. La variazione di concentrazione di ossigeno in questa zona può essere misurata e correlata al la trasmissibilità di ossigeno della lente.

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Permeabilità e trasmissibilità Trasmissibilità è legata a diffusione O2 attraverso il materiale, alla solubilità dell’O2 nel materiale e allo spessore del materiale.

Per aumentare la performance di ossigeno della lente si è:

1) cambiata la chimica del materiale per ottenere un disposizione più “lasca” delle catene del polimero ed aumentare la velocità di diffusione di O2 attraverso il materiale

2) aumentato il contenuto di acqua nei materiali idrogel e questo aumenta sia la velocità di diffusione che la solubilità di O2 nella lente

3) diminuito lo spessore con conseguente aumento della trasmissibilità

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Chimica del materiale

Materiali a base siliconica hanno catene molto mobili e flessibili: O2 diffonde rapidamente all’ interno. Le caratteristiche elettroniche dello scheletro ---Si-O-Si--- portano ad aumento della solubilità di O2. Lenti contenenti “segmenti” siliconici hanno una solubilità di O2 100 > lenti PMMA. Lenti contenenti siliconi:

- Rigide -  Idrogel

Rigide combinano la facile processabilità del PMMA con la più alta performance di ossigeno dei siliconi.

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Contenuto di acqua In idrogel convenzionali il fattore che governa la permeabilità di O2 è il contenuto d’acqua. Il polimero disidratato è essenzialmente impermeabile all’ossigeno. Acqua agisce da plastificante e rende le catene del polimero più flessibili. Il primo polimero usato per idrogel è stato il poliidrossietilmetacrilato (pHEMA) che ha 38% d’acqua e una permeabilità a O2 di circa 7·1011 barrer. Copolimeri HEMA e N-vinilpirrolidone contengono fino a 70% d’acqua. Esiste una correlazione tra contenuto d’acqua (W) e permeabilità di O2 (Dk):

Dk = A e BW

A e B = costanti sperimentali per un certo valore di T A = 1.67; B = 0.0397 a 35°C (T della cornea)

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Permeabilità ossigeno e contenuto acqua del materiale

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Trasmissibilità ossigeno e flusso di ossigeno

Trasmissibilità ossigeno e flusso di ossigeno di LAC morbide commerciali

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LAC: Monomeri e nome usato in USA per materiali idrogel

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Trasmissibilità all’ossigeno

Dk/t

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Quantità di ossigeno necessaria

Per evitare irritazione della cornea (rigonfiamento) in una giornata di uso della lente è richiesta una trasmissibilità di 24.7 (21.8) unità di O2 • Durante la notte per contenere il rigonfiamento al 4%(normale) una trasmissibilità di 87 (73) unità è richiesta • Harvitt e Bonnano indicano valori di 23 e 89 per occhio aperto e chiuso per evitare condizione di anossia dell’epitelio della cornea • Tali valori sono medi e relativi ma possono indicare se la lente è adatta ad essere portata per periodi prolungati e se potrebbe provocare una risposta ipossica durante l’uso notturno

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Conclusioni •  La permeabilità delle lenti rigide è ben documentata •  La permeabilità dipende dal tipo di materiale: per rigide a base di

fluoroacrilati siliconici si hanno i valori più elevati •  Per lenti a base di idrogel convenzionali la permeabilità è legata al

valore di % di acqua •  Quando si considera la trasmissibiltà bisogna ricordare che lenti con alto

contenuto d’acqua sono più spesse: quindi alta permeabilità non corrisponde ad alta trasmissibilità

•  I valori devono essere corretti per effetto barriera e spessore •  Trasmissibiltà è riportata per lenti di 3 diottrie •  Spessore e contenuto d’acqua variano durante l’uso a causa

disidratazione e quindi anche la trasmissibiltà varierà •  Idrogel siliconici minimizzano disidratazione e danno valori costanti di

trasmissibiltà •  La seconda generazione di lenti a base di idrogel siliconici danno una

performance di O2 alta, un comfort più elevato, sono lenti che calzano meglio ed con proprietà superficiali più elevate.

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Bagnabilità La bagnabilità è la capacità che un liquido ha di distribuirsi sulla superficie di un solido; è una caratteristica estremamente importante poiché il mantenimento del film lacrimale pre-corneale, nella forma di un sottile strato capillare, è una necessità fondamentale per la compatibilità fisiologica tra paziente e lente. Le forze intermolecolari che agiscono nei liquidi e tra un liquido e un solido sono di coesione e di adesione.

Le forze che agiscono tra molecole dello stesso tipo (come in una goccia d'acqua) vengono dette forze di coesione , mentre le forze che agiscono tra molecole di due sostanze diverse (come tra l'acqua e la lente) vengono dette forze di adesione. Queste forze di adesione sono responsabili della bagnabilità di una lente a contatto.

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Coesione e adesione

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Bagnabilità

Dipende da tre proprietà: • Tensione superficiale del liquido (es. lacrimale) • Tensione superficiale del materiale (es. lente) • Tensione interfacciale fra i due

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Angolo di contatto θ

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Tipi di angolo di contatto θ

•  Di avanzamento θA: formato quando una goccia avanza lentamente: es. uscendo da una siringa, ed aumenta di volume

•  Di regressione θR : formato quando una goccia si ritira lentamente da una superficie che aveva bagnato : es. risucchiata da una siringa, e diminuisce di volume •  θA - θR = angolo di isteresi Isteresi: dovuta a re-orientazione delle catene del polimero alla superficie del materiale.

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Bagnabilità

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Conclusioni sulla bagnabilità

Problemi: •  I valori angolo di contatto misurati in vitro non sono trasferibili a situazione in vivo (necessità di valutazioni di bagnabiltà in-vivo)

•  Nella misura dell’angolo di contatto di si usa l’acqua, mentre il liquido lacrimale ha composizione diversa e più complessa

I risultati permettono comunque una distinzione fra i materiali così poco bagnabili da non essere adatti per lenti a contatto e i materiali in grado di mantenere potenzialmente un film stabile di liquido lacrimale.