Une étude de cas sur la Sélection des matériaux pour les lentilles oculaires

Résumé

Une étude de cas sur la sélection des matériaux pour les lentilles oculaires est rapportée au moyen des diagrammes de sélection des matériaux d’Ashby. Dans cette étude, 6 matériaux polymères de PMMA, PC, PS, PVC, PET et PA sont examinés et leurs propriétés sont trouvées à partir des diagrammes de sélection d’Ashby et comparées dans un tableau. Les résultats finaux ont confirmé que le PMMA (acrylique) est le meilleur matériau pour les lentilles oculaires. Le résultat a également montré que le matériau actuel est respectueux de l’environnement, non toxique et recyclable.

1. Introduction

Une lentille de contact est une lentille portée devant l’œil, principalement utilisée pour traiter la myopie, l’hypermétropie, l’astigmatisme et la presbytie. Les lunettes ou “lunettes” sont portées sur le visage à une courte distance devant l’œil. Les lentilles de contact sont portées directement à la surface de l’œil. Les lentilles intraoculaires sont implantées chirurgicalement le plus souvent après l’ablation de la cataracte, mais récemment à des fins purement réfractives. La myopie (myopie) nécessite une lentille divergente, tandis que l’hypermétropie (hypermétropie) nécessite une lentille convergente.

Les lentilles de contact ont généralement le même objectif correctif que les lunettes conventionnelles, mais sont légères et pratiquement invisibles — de nombreuses lentilles commerciales sont teintées d’un bleu pâle pour les rendre plus visibles lorsqu’elles sont immergées dans des solutions de nettoyage et de stockage. Certaines lentilles cosmétiques sont délibérément colorées pour modifier l’apparence de l’œil.

On estime que 125 millions de personnes utilisent des lentilles de contact dans le monde (2%), dont 28 à 38 millions aux États-Unis et 13 millions au Japon. Les types de lentilles utilisées et prescrites varient considérablement d’un pays à l’autre, les lentilles rigides représentant plus de 20% des lentilles actuellement prescrites au Japon, aux Pays-Bas et en Allemagne, mais moins de 5% en Scandinavie.

Les gens choisissent de porter des lentilles de contact pour de nombreuses raisons, souvent en raison de leur apparence et de leur praticité. Par rapport aux lunettes, les lentilles de contact sont moins affectées par le temps humide, ne se vaporisent pas et offrent un champ de vision plus large. Ils conviennent mieux à un certain nombre d’activités sportives. De plus, les conditions ophtalmologiques telles que le kératocône et l’aniséikonie peuvent ne pas être corrigées avec précision avec des lunettes.

De nombreux types de lentilles de contact sont disponibles. Le type de contacts que vous utilisez dépend de votre situation particulière. Votre ophtalmologiste pourra vous aider à choisir parmi les types de lentilles suivants.

Les contacts rigides ou “durs” ont été les premières lentilles; elles ont été développées dans les années 1960.Elles sont faites d’un type de plastique appelé PMMA (polyméthacrylate de méthyle), très résistant mais ne permettant pas à l’oxygène de l’air d’atteindre directement la cornée. Lorsque l’œil clignote, la lentille se déplace, ce qui permet à l’oxygène dissous dans les larmes d’atteindre la cornée. Les lentilles rigides sont le type de contacts le moins confortable et ne sont plus vraiment utilisées. Cependant, certaines personnes les préfèrent encore pour leur durabilité et leur coût inférieur.

Les lentilles perméables aux gaz sont également appelées “RGPs.”Ce sont de nouvelles lentilles rigides ou “dures” en plastique combinées à d’autres matériaux, tels que le silicone et les fluoropolymères, qui permettent à l’oxygène de l’air de passer directement à travers la lentille. Pour cette raison, ils sont appelés “perméables aux gaz.”

Les lentilles de contact souples sont faites de matériaux plastiques qui incorporent de l’eau. L’eau les rend souples et flexibles, tout en permettant à l’oxygène d’atteindre la cornée. Plus de 75% des porteurs de lentilles de contact aux États-Unis utilisent des lentilles souples.

En règle générale, les contacts doivent être retirés au coucher en raison du risque d’infection et du risque d’intolérance aux lentilles de contact. Dans cet article, une étude de cas sur la sélection des matériaux pour les lentilles oculaires est donnée à l’aide des diagrammes de sélection d’Ashby.

2. Matériaux pour les lentilles oculaires

Jusqu’à la fin des années 1970, les lentilles de contact étaient fabriquées à partir de deux matériaux. Les lentilles de contact dures sont en polyméthacrylate de méthyle (PMMA), tandis que les lentilles de contact souples sont en polymère hydraté, l’hydroxyéthylméthacrylate (HEMA), qui contient 37,8% d’eau en poids. Ces lentilles offraient une vision claire et un confort, mais il y avait un problème. Ces lentilles ne permettaient pas à l’oxygène d’atteindre la cornée. Pour cette raison, la cornée pourrait changer, négativement, chez certains porteurs de lentilles de contact.

Le PMMA est maintenant obsolète et est remplacé par des plastiques rigides, principalement des matériaux hydrophobes à haute perméabilité à l’oxygène. Ces lentilles sont appelées lentilles rigides perméables aux gaz (RGP). Pour la fabrication de lentilles souples, le HEMA est remplacé par des polymères contenant jusqu’à 80% d’eau. Ces lentilles souples, souvent appelées hydrogels en raison de la quantité d’eau, ont un transfert d’oxygène élevé tout en conservant leur forme malgré une teneur élevée en eau. Ces nouveaux matériaux utilisés dans la fabrication de lentilles de contact ainsi que des lentilles plus minces et un transfert d’oxygène plus important ont réduit les problèmes cornéens, mais il existe encore d’autres complications possibles.

Les nouveaux matériaux ont également contribué à la création de lentilles de contact jetables de différents types. Les lentilles de contact jetables sont disponibles en types jetables mensuels, bimensuels, hebdomadaires et même quotidiens. Les matériaux plus minces rendent le port de ces lentilles de contact plus confortable et le coût des lentilles de contact a été réduit. Cela permet une usure presque sans entretien des lentilles de contact.

3. La sélection

Des matériaux est le processus de sélection du meilleur matériau pour un design particulier. Dans la conception mécanique, la sélection des matériaux entre à chaque étape du processus de conception et est interdépendante et aussi importante que la conception et la fabrication. Dans le modèle de conception totale, la sélection des matériaux est considérée comme l’un des paramètres fondamentaux avec l’étude de marché, la spécification de la conception du produit, la conception des composants, l’analyse de la conception, la fabrication et l’assemblage. D’autres modèles de conception de produits soulignent également l’importance d’une sélection correcte des matériaux. Ashby a montré que les exigences en matière de matériaux changent à mesure que la conception passe du concept au détail en passant par la réalisation. Le système informatique développé à partir de ces idées est connu sous le nom de Cambridge Engineering System (CES), à l’origine Cambridge Material Selector (CMS). Le système utilise des graphiques de sélection des matériaux, qui sont un moyen d’afficher les données de propriété des matériaux grâce à l’utilisation de procédures optimisées. La sélection fonctionne en évaluant les indices de performance, dérivés de l’analyse mécanique, qui, s’ils sont maximisés, optimisent les performances.

Dans cette étude, afin de trouver le meilleur matériau pour le problème de la cataracte, les matériaux du cristallin sont évalués et sélectionnés pour ce problème. Les étapes suivantes sont utilisées pour la sélection des matériaux.

3.1. Analyse des propriétés requises pour les lentilles oculaires

Il est connu que les lentilles oculaires doivent avoir les propriétés suivantes:(i) fabrication facile, (ii) doit être transparent, (iii) léger (faible densité), (iv) bon marché (prix raisonnable), (v) bio compatible, (vi) ténacité moyenne à la rupture, (vii) module d’élasticité inférieur.

3.2. Gamme de Matériaux Alternatifs

Compte tenu des propriétés mentionnées ci-dessus pour les lentilles oculaires, il est possible de présenter la candidature pour les matériaux suivants: (i) polyméthacrylate de méthyle (PMMA: Acrylique), (ii) polycarbonate (PC), (iii) polystyrène (PS), (iv) chlorure de polyvinyle (PVC), (v) polyesters (PET, PBT), (vi) polyamide (PA: Naylon).

3.3. Évaluation des candidats

Afin d’évaluer les matériaux candidats, nous pouvons faire un tableau montrant les matériaux candidats dans la première ligne et les propriétés sont dans la première colonne. Après cela, nous pouvons lire leurs valeurs numériques à partir des diagrammes de sélection d’Ashby. Les résultats finaux sont présentés dans le tableau 1 en utilisant les propriétés des matériaux d’Ashby (Figures 1 et 2). Dans le tableau 1, les valeurs numériques sont indiquées dans une plage et, entre parenthèses, son score est indiqué entre 1 et 10 points. Si le matériau est entièrement compatible avec les propriétés requises, 10 points sont donnés comme score, sinon dans un état pire, seul 1 point peut être donné pour le matériau candidat.

Figure 1

L’idée d’un graphique des propriétés des matériaux: Le module de Young, 𝐸, est représenté par rapport à la densité, 𝜌, sur des échelles logarithmiques.

Figure 2

Ténacité à la rupture,ICIC, tracé par rapport au module de Young, 𝐸.

3.4. Sélection du Meilleur Matériau pour les lentilles oculaires

Il ressort du tableau 1 que le score de PMMA est de 47 points et que ses performances sont donc maximales. Le PMMA (acrylique) a les meilleures performances en raison de sa fabrication facile, de sa transparence, de son module élastique approprié et de son prix raisonnable. Dans le deuxième ordre, PC et PET sont vus dans le même score de 44. Cependant, le PET doit être annulé en raison de son opacité. Le PC est un peu moins cher que l’acrylique, mais il présente quelques difficultés de fabrication. Par conséquent, il prend un point plus bas que l’acrylique. De plus, tous les matériaux doivent être biocompatibles dans le corps et tous les matériaux polymères utilisés dans les yeux ont une biocompatibilité. Par conséquent, aucun problème n’est rencontré à ce sujet.

4. Postscript

L’acrylique, ou PMMA, est le thermoplastique qui ressemble le plus au verre en termes de transparence et de résistance aux intempéries. Il est dur et rigide au fur et à mesure des polymères, facile à polir mais sensible aux concentrations de contraintes. Il partage avec le verre une certaine fragilité, quelque chose qui peut être surmonté en se mélangeant avec du caoutchouc acrylique pour donner un alliage à fort impact (HIPMMA). Le PVC peut être mélangé avec du PMMA pour donner des feuilles résistantes et durables. L’acrylique est disponible sous forme de feuille, de tige ou de tube et peut être façonné par moulage ou extrusion. En outre, le potentiel de recyclage et la résistance aux intempéries de l’acrylique sont élevés; par conséquent, les lentilles oculaires sont en grande partie produites à partir d’acrylique ou de PMMA.

5. Conclusion

Dans cet article, une étude de cas sur la sélection des matériaux pour les lentilles oculaires est donnée à l’aide des diagrammes de sélection d’Ashby. Dans ce travail, 6 matériaux polymères de PMMA, PC, PS, PVC, PET et PA sont pris en compte et leurs propriétés sont trouvées à partir des diagrammes de sélection d’Ashby et comparées dans le tableau 1. Les résultats finaux ont montré que le PMMA (acrylique) est le meilleur pour les lentilles oculaires. Le résultat a également soutenu que le matériau PMMA est bon pour les considérations environnementales (non toxique et recyclable).