Eine Fallstudie zur Auswahl von Materialien für Augenlinsen
Zusammenfassung
Eine Fallstudie zur Auswahl von Materialien für Augenlinsen wird anhand von Ashbys Materialauswahldiagrammen berichtet. In dieser Studie werden 6 Polymermaterialien aus PMMA, PC, PS, PVC, PET und PA überprüft und ihre Eigenschaften aus den Auswahldiagrammen von Ashby ermittelt und in einer Tabelle verglichen. Die Endergebnisse bestätigten, dass PMMA (Acryl) das beste Material für Augenlinsen ist. Das Ergebnis zeigte auch, dass das vorliegende Material umweltfreundlich, ungiftig und recycelbar ist.
1. Einführung
Eine Kontaktlinse ist eine vor dem Auge getragene Linse, die hauptsächlich zur Behandlung von Myopie, Hyperopie, Astigmatismus und Presbyopie verwendet wird. Brillen oder “Brillen” werden kurz vor dem Auge im Gesicht getragen. Kontaktlinsen werden direkt auf der Augenoberfläche getragen. Intraokularlinsen werden am häufigsten nach Kataraktentfernung operativ implantiert, in letzter Zeit jedoch zu rein refraktiven Zwecken. Myopie (Kurzsichtigkeit) erfordert eine Divergenzlinse, während Hyperopie (Weitsichtigkeit) eine Konvergenzlinse erfordert.
Kontaktlinsen erfüllen normalerweise den gleichen Korrekturzweck wie herkömmliche Brillen, sind jedoch leicht und praktisch unsichtbar — viele handelsübliche Linsen sind schwach blau getönt, um sie beim Eintauchen in Reinigungs- und Aufbewahrungslösungen besser sichtbar zu machen. Einige kosmetische Linsen sind absichtlich gefärbt, um das Aussehen des Auges zu verändern.
Schätzungen zufolge verwenden weltweit 125 Millionen Menschen Kontaktlinsen (2%) , darunter 28 bis 38 Millionen in den USA und 13 Millionen in Japan . Die verwendeten und verschriebenen Brillengläser variieren stark zwischen den Ländern, wobei starre Brillengläser in Japan, den Niederlanden und Deutschland über 20% der derzeit verschriebenen Brillengläser ausmachen, in Skandinavien jedoch weniger als 5% .
Menschen entscheiden sich aus vielen Gründen für Kontaktlinsen, oft aufgrund ihres Aussehens und ihrer Praktikabilität . Im Vergleich zu Brillen sind Kontaktlinsen weniger von nassem Wetter betroffen, dämpfen nicht und bieten ein breiteres Sichtfeld. Sie eignen sich eher für eine Reihe von sportlichen Aktivitäten. Darüber hinaus können ophthalmologische Zustände wie Keratokonus und Aniseikonie mit einer Brille möglicherweise nicht genau korrigiert werden.
Viele arten von kontaktlinsen sind verfügbar. Die Art der Kontakte, die Sie verwenden, hängt von Ihrer speziellen Situation ab. Ihr Augenarzt kann Ihnen bei der Auswahl der folgenden Linsentypen helfen.
Starre oder “harte” Kontakte waren die ersten Linsen; Sie wurden in den 1960er Jahren entwickelt. Sie bestehen aus einer Art Kunststoff namens PMMA (Polymethylmethacrylat), der sehr langlebig ist, aber keinen Sauerstoff in der Luft direkt in die Hornhaut gelangen lässt. Wenn das Auge blinkt, bewegt sich die Linse, wodurch der in den Tränen gelöste Sauerstoff die Hornhaut erreichen kann. Starre Linsen sind die am wenigsten bequeme Art von Kontakten und werden nicht mehr wirklich verwendet. Einige Leute bevorzugen sie jedoch immer noch wegen ihrer Haltbarkeit und geringeren Kosten.
Gasdurchlässige Linsen werden auch als “RGPs” bezeichnet.” Sie sind neuere starre oder “harte” Linsen aus Kunststoffen in Kombination mit anderen Materialien wie Silikon und Fluorpolymeren, die Sauerstoff in der Luft direkt durch die Linse strömen lassen. Aus diesem Grund werden sie “gasdurchlässig” genannt.”
Weiche Kontaktlinsen bestehen aus Kunststoffen, die Wasser enthalten. Das Wasser macht sie weich und flexibel und lässt Sauerstoff die Hornhaut erreichen. Mehr als 75% der Kontaktlinsenträger in den USA verwenden weiche Linsen.
Im Allgemeinen sollten Kontakte vor dem Schlafengehen aufgrund des Infektionsrisikos und des Risikos einer Kontaktlinsenunverträglichkeit entfernt werden. In diesem Artikel wird eine Fallstudie zur Auswahl von Materialien für Augenlinsen anhand von Ashbys Auswahldiagrammen gegeben.
2. Materialien für Augenlinsen
Bis in die späten 1970er Jahre wurden Kontaktlinsen aus zwei Materialien hergestellt. Harte Kontaktlinsen wurden aus Polymethylmethacrylat (PMMA) hergestellt, während die weichen Kontaktlinsen aus einem hydratisierten Polymer, Hydroxyethylmethacrylat (HEMA), hergestellt wurden, das 37,8 Gew.-% Wasser enthielt. Diese Linsen boten klare Sicht und Komfort, aber es gab ein Problem. Diese Linsen ließen keinen Sauerstoff in die Hornhaut gelangen. Aus diesem Grund könnte sich die Hornhaut bei einigen Kontaktlinsenträgern nachteilig verändern.
PMMA ist veraltet und wird durch starre Kunststoffe ersetzt, meist hydrophobe Materialien mit hoher Sauerstoffdurchlässigkeit. Diese Linsen werden als starre gasdurchlässige (RGP) Linsen bezeichnet. Für die Herstellung weicher Linsen wird HEMA durch Polymere ersetzt, die bis zu 80% Wasser enthalten. Diese weichen Linsen, die wegen der Wassermenge oft als Hydrogele bezeichnet werden, weisen einen hohen Sauerstofftransfer auf und behalten trotz hohem Wassergehalt ihre Form. Diese neuen Materialien, die bei der Herstellung von Kontaktlinsen verwendet werden, sowie dünnere Linsen und ein größerer Sauerstofftransfer haben Hornhautprobleme reduziert, aber es gibt noch andere mögliche Komplikationen.
Die neuen Materialien waren auch maßgeblich an der Herstellung von Einweg-Kontaktlinsen in verschiedenen Ausführungen beteiligt. Einweg-Kontaktlinsen gibt es in monatlichen, zweimonatlichen, wöchentlichen und sogar täglichen Einwegtypen. Die dünneren Materialien machen das Tragen dieser Kontaktlinsen angenehmer und die Kosten für Kontaktlinsen wurden gesenkt. Dies ermöglicht einen nahezu wartungsfreien Kontaktlinsenverschleiß.
3. Die Auswahl
Materialauswahl ist der Prozess der Auswahl des besten Materials für ein bestimmtes Design. In der mechanischen Konstruktion tritt die Materialauswahl in jeder Phase des Konstruktionsprozesses ein und ist miteinander verbunden und ebenso wichtig wie Design und Herstellung. Im Gesamtentwurfsmodell wird Materialauswahl als einer der grundlegenden Parameter zusammen mit Marktuntersuchung, Produktentwurfsspezifikation, Teilentwurf, Entwurfsanalyse, Fertigung und Versammlung bewertet. Andere Modelle des Produktdesigns betonen auch die Bedeutung der richtigen Materialauswahl. Ashby hat gezeigt, dass sich der Materialbedarf ändert, wenn sich das Design vom Konzept über die Ausführung bis zum Detail bewegt. Das computergestützte System, das aus diesen Ideen entwickelt wurde, ist als Cambridge Engineering System (CES) bekannt, ursprünglich Cambridge Material Selector (CMS). Das System verwendet Materialauswahldiagramme, die eine Möglichkeit darstellen, Materialeigenschaftsdaten durch den Einsatz optimierter Verfahren anzuzeigen. Die Auswahl erfolgt durch Auswertung von Leistungsindizes, die aus der mechanischen Analyse abgeleitet wurden und bei Maximierung die Leistung optimieren.
In dieser Studie werden Augenlinsenmaterialien bewertet und für dieses Problem ausgewählt, um das bessere Material für das Kataraktproblem zu finden. Die folgenden Schritte werden für die Materialauswahl verwendet.
3.1. Analyse der erforderlichen Eigenschaften für Augenlinsen
Es ist bekannt, dass Augenlinsen die folgenden Eigenschaften haben sollten:(i) einfache Herstellung, (ii) muss transparent sein, (iii) leicht (niedrige Dichte), (iv) billig (angemessener Preis), (v) biokompatibel, (vi) mittlere Bruchzähigkeit, (vii) niedrigerer Elastizitätsmodul.
3.2. Bereich alternativer Materialien
In Anbetracht der oben genannten Eigenschaften für Augenlinsen ist es möglich, die Kandidatur für die folgenden Materialien zu geben: (i)Polymethylmethacrylat (PMMA: Acryl), (ii)Polycarbonat (PC), (iii)Polystyrol (PS), (iv) Polyvinylchlorid (PVC), (v) Polyester (PET, PBT), (vi) Polyamid (PA: Naylon).
3.3. Bewertung der Kandidaten
Um die Kandidatenmaterialien zu bewerten, können wir eine Tabelle erstellen, in der die Kandidatenmaterialien in der ersten Zeile und die Eigenschaften in der ersten Spalte aufgeführt sind. Danach können wir ihre numerischen Werte aus Ashbys Auswahldiagrammen lesen . Die Endergebnisse sind in Tabelle 1 unter Verwendung der Materialeigenschaften von Ashby (Abbildungen 1 und 2) dargestellt. In Tabelle 1 sind die Zahlenwerte in einem Bereich und in der Klammer die Punktzahl zwischen 1 und 10 Punkten angegeben. Wenn das Material vollständig mit den erforderlichen Eigenschaften übereinstimmt, werden 10 Punkte als Punktzahl angegeben, andernfalls kann in einem schlechteren Zustand nur 1 Punkt für das Kandidatenmaterial angegeben werden.
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Die Idee eines Materialeigenschaftendiagramms: Der Elastizitätsmodul 𝐸 wird auf Log-Skalen gegen die Dichte 𝜌 aufgetragen .
Bruchzähigkeit, 𝐾IC, aufgetragen gegen den Elastizitätsmodul, 𝐸 .
3.4. Auswahl des besten Materials für Augenlinsen
Aus Tabelle 1 geht hervor, dass die Punktzahl von PMMA 47 Punkte beträgt und daher seine Leistung maximal ist. PMMA (Acryl) hat die beste Leistung aufgrund seiner einfachen Herstellung, Transparenz, geeigneten Elastizitätsmodul und auch seinen günstigen Preis. In der zweiten Ordnung werden PC und PET innerhalb der gleichen Punktzahl von 44 gesehen. PET muss jedoch aufgrund seiner Deckkraft abgebrochen werden. PC ist ein wenig billiger als Acryl, aber es hat einige Herstellungsschwierigkeiten . Daher nimmt es einen niedrigeren Punkt als Acryl auf. Darüber hinaus sollten alle Materialien im Körper biokompatibel sein und alle in Augen verwendeten polymeren Materialien haben Biokompatibilität. Daher ist kein Problem mit diesem Problem konfrontiert.
4. Postscript
Acryl oder PMMA ist der Thermoplast, der Glas in Transparenz und Witterungsbeständigkeit am nächsten kommt. Es ist hart und steif wie Polymere, leicht zu polieren, aber empfindlich gegenüber Spannungskonzentrationen. Es teilt mit Glas eine gewisse Zerbrechlichkeit, die durch Mischen mit Acrylkautschuk zu einer schlagfesten Legierung (HIPMMA) überwunden werden kann. PVC kann mit PMMA gemischt werden, um starke, dauerhafte Blätter zu geben. Acryl ist als Platte, Stab oder Rohr erhältlich und kann durch Gießen oder Extrudieren geformt werden. Auch Recyclingpotential und Witterungsbeständigkeit von Acryl sind hoch, daher werden Augenlinsen weitgehend aus Acryl oder PMMA hergestellt.
5. Schlussfolgerung
In diesem Artikel wird eine Fallstudie zur Auswahl von Materialien für Augenlinsen anhand von Ashby-Auswahldiagrammen gegeben. In dieser Arbeit werden 6 Polymermaterialien aus PMMA, PC, PS, PVC, PET und PA berücksichtigt und ihre Eigenschaften aus den Auswahldiagrammen von Ashby gefunden und in Tabelle 1 verglichen. Die Endergebnisse zeigten, dass PMMA (Acryl) das Beste für Augenlinsen ist. Das Ergebnis bestätigte auch, dass PMMA-Material für Umweltaspekte gut ist (ungiftig und recycelbar).
