Un caso di studio sulla selezione dei materiali per lenti oculari
Abstract
Un caso di studio sulla selezione dei materiali per lenti oculari è riportato mediante i diagrammi di selezione dei materiali di Ashby. In questo studio, 6 materiali polimerici di PMMA, PC, PS, PVC, PET e PA vengono esaminati e le loro proprietà vengono trovate dai diagrammi di selezione di Ashby e confrontate in una tabella. I risultati finali hanno confermato che il PMMA (acrilico) è il materiale migliore per le lenti oculari. Il risultato ha anche dimostrato che il materiale attuale è rispettoso dell’ambiente essendo non tossico e riciclabile.
1. Introduzione
Una lente a contatto è una lente indossata davanti all’occhio, utilizzata principalmente per trattare miopia, ipermetropia, astigmatismo e presbiopia. Occhiali o “occhiali” sono indossati sul viso a breve distanza davanti all’occhio. Le lenti a contatto sono indossate direttamente sulla superficie dell’occhio. Le lenti intraoculari vengono impiantate chirurgicamente più comunemente dopo la rimozione della cataratta, ma recentemente per scopi puramente rifrattivi. Miopia (miopia) richiede una lente divergente, mentre ipermetropia (lungimiranza) richiede lente convergente.
Le lenti a contatto di solito hanno lo stesso scopo correttivo degli occhiali convenzionali, ma sono leggere e praticamente invisibili: molte lenti commerciali sono colorate di blu tenue per renderle più visibili quando immerse in soluzioni di pulizia e conservazione. Alcune lenti cosmetiche sono volutamente colorate per alterare l’aspetto dell’occhio.
È stato stimato che 125 milioni di persone utilizzano lenti a contatto in tutto il mondo (2%) , tra cui 28 a 38 milioni negli Stati Uniti e 13 milioni in Giappone . I tipi di lenti utilizzate e prescritte variano notevolmente da un paese all’altro, con lenti rigide che rappresentano oltre il 20% delle lenti attualmente prescritte in Giappone, nei Paesi Bassi e in Germania, ma meno del 5% in Scandinavia .
Le persone scelgono di indossare le lenti a contatto per molte ragioni, spesso a causa del loro aspetto e praticità . Rispetto agli occhiali, le lenti a contatto sono meno influenzate dal tempo piovoso, non vaporizzano e forniscono un campo visivo più ampio. Sono più adatti per una serie di attività sportive. Inoltre, condizioni oftalmologiche come cheratocono e aniseikonia potrebbero non essere corrette con precisione con gli occhiali.
Sono disponibili molti tipi di lenti a contatto. Il tipo di contatti che usi dipende dalla tua situazione particolare. Il tuo oculista sarà in grado di aiutarti a scegliere tra i seguenti tipi di lenti.
I contatti rigidi o “duri” sono stati i primi obiettivi; sono stati sviluppati negli anni ‘ 60. Sono fatti di un tipo di plastica chiamato PMMA (polimetilmetacrilato), che è molto resistente ma non consente all’ossigeno nell’aria di raggiungere direttamente la cornea. Quando l’occhio lampeggia, la lente si muove, il che consente all’ossigeno disciolto nelle lacrime di raggiungere la cornea. Le lenti rigide sono il tipo di contatto meno comodo e non vengono più utilizzate. Tuttavia, alcune persone li preferiscono ancora per la loro durata e costi inferiori.
Lenti permeabili al gas sono noti anche come ” RGPS.”Sono più recenti lenti rigide o” dure ” in plastica combinate con altri materiali, come silicone e fluoropolimeri, che consentono all’ossigeno nell’aria di passare direttamente attraverso la lente. Per questo motivo, sono chiamati ” permeabili al gas.”
Le lenti a contatto morbide sono realizzate in materiali plastici che incorporano acqua. L’acqua li rende morbidi e flessibili, oltre a consentire all’ossigeno di raggiungere la cornea. Più del 75% dei portatori di lenti a contatto negli Stati Uniti utilizzano lenti morbide.
Generalmente, i contatti devono essere rimossi prima di coricarsi a causa del rischio di infezione e del rischio di intolleranza alle lenti a contatto. In questo articolo, viene fornito un caso di studio sulla selezione dei materiali per le lenti oculari utilizzando i diagrammi di selezione di Ashby.
2. Materiali per lenti oculari
Fino alla fine degli anni 1970, le lenti a contatto erano realizzate con due materiali. Le lenti a contatto dure erano fatte di polimetilmetacrilato (PMMA), mentre le lenti a contatto morbide erano fatte di un polimero idrato, l’idrossietilmetacrilato (HEMA), che conteneva il 37,8% di acqua in peso. Queste lenti hanno fornito una visione chiara e comfort, ma c’era un problema. Queste lenti non permettevano all’ossigeno di raggiungere la cornea. Per questo motivo, la cornea potrebbe cambiare, negativamente, in alcuni portatori di lenti a contatto.
Il PMMA è ormai obsoleto e viene sostituito con materie plastiche rigide, per lo più materiali idrofobi con elevata permeabilità all’ossigeno. Queste lenti sono chiamate lenti rigide permeabili al gas (RGP). Per la produzione di lenti morbide, l’HEMA viene sostituito da polimeri che contengono fino all ‘ 80% di acqua. Queste lenti morbide, spesso chiamate idrogel a causa della quantità di acqua, e hanno un elevato trasferimento di ossigeno pur mantenendo la forma nonostante l’alto contenuto di acqua. Questi nuovi materiali utilizzati nella produzione di lenti a contatto e lenti più sottili e un maggiore trasferimento di ossigeno hanno ridotto i problemi corneali, ma ci sono ancora altre possibili complicazioni.
I nuovi materiali hanno anche contribuito alla creazione di lenti a contatto usa e getta in una varietà di tipi. Le lenti a contatto eliminabili vengono nei tipi eliminabili mensili, bimestrali, settimanali e persino quotidiani. I materiali più sottili rendono l’uso di queste lenti a contatto più confortevole e il costo delle lenti a contatto è stato ridotto. Ciò tiene conto vicino all’usura senza manutenzione della lente a contatto.
3. La selezione
La selezione del materiale è il processo di scelta del materiale migliore per un particolare design. Nella progettazione meccanica, la selezione dei materiali entra in ogni fase del processo di progettazione ed è correlata e importante quanto la progettazione e la produzione. Nel modello di progettazione totale, la selezione dei materiali è valutata come uno dei parametri fondamentali insieme alle indagini di mercato, alle specifiche di progettazione del prodotto, alla progettazione dei componenti, all’analisi del design, alla produzione e all’assemblaggio. Altri modelli di design del prodotto sottolineano anche l’importanza della corretta selezione dei materiali. Ashby ha dimostrato che il requisito materiale cambia man mano che il design passa dal concetto all’incarnazione al dettaglio. Il sistema basato su computer sviluppato da queste idee è noto come Cambridge Engineering System (CES), originariamente Cambridge Material Selector (CMS). Il sistema utilizza grafici di selezione dei materiali, che sono un modo per visualizzare i dati delle proprietà dei materiali attraverso l’uso di procedure ottimizzate. La selezione funziona valutando gli indici di prestazione, derivati dall’analisi meccanica, che, se massimizzati, ottimizzano le prestazioni.
In questo studio, al fine di trovare il materiale migliore per il problema della cataratta, i materiali delle lenti oculari vengono valutati e selezionati per questo problema. I seguenti passaggi vengono utilizzati per la selezione dei materiali.
3.1. Analisi delle proprietà richieste per lenti oculari
È noto che le lenti oculari dovrebbero avere le seguenti proprietà:(i)fabbricazione facile, (ii)deve essere trasparente, (iii) leggero(bassa densità), (iv) economico(prezzo ragionevole), (v)bio compatibile, (vi)media tenacità alla frattura, (vii) modulo elastico inferiore.
3.2. Gamma di Materiali Alternativi
Considerando le proprietà sopra per lenti, è possibile dare la candidatura per i seguenti materiali:(i)di polimetilmetacrilato (PMMA: Acrilico),(ii)in policarbonato (PC),(iii)polistirene (PS),(iv)in cloruro di polivinile (PVC),(v)poliestere (PET, PBT),(vi)poliammide (PA: Naylon).
3.3. Valutazione dei candidati
Per valutare i materiali candidati, possiamo fare una tabella che mostra i materiali candidati nella prima riga e le proprietà sono nella prima colonna. Dopodiché, possiamo leggere i loro valori numerici dai diagrammi di selezione di Ashby . I risultati finali sono mostrati nella Tabella 1 utilizzando le proprietà dei materiali di Ashby (Figure 1 e 2). Nella Tabella 1, i valori numerici sono mostrati in un intervallo e tra parentesi il suo punteggio è mostrato tra 1 e 10 punti. Se il materiale è pienamente coerente con le proprietà richieste, 10 punti sono dati come punteggio, altrimenti in condizioni peggiori solo 1 punto può essere dato per il materiale candidato.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
L’idea di un grafico delle proprietà dei materiali: il modulo di Young,𝐸, è tracciato contro la densità,𝜌, su scale di log .
Resistenza alla frattura, IC IC, tracciato contro il modulo di Young,𝐸.
3.4. Selezione del miglior materiale per lenti oculari
Si vede dalla Tabella 1 che il punteggio di PMMA è di 47 punti e quindi le sue prestazioni sono massime. PMMA (acrilico) ha le migliori prestazioni grazie alla sua facile produzione, trasparenza, modulo elastico adatto e anche al suo prezzo ragionevole. Nel secondo ordine, PC e PET sono visti all’interno dello stesso punteggio di 44. Tuttavia, il PET deve essere cancellato a causa della sua opacità. Il PC è un po ‘ più economico dell’acrilico, ma ha alcune difficoltà di produzione . Pertanto, raccoglie un punto inferiore rispetto all’acrilico. Inoltre, tutti i materiali dovrebbero essere biocompatibili nel corpo e tutti i materiali polimerici utilizzati negli occhi hanno biocompatibilità. Pertanto, nessun problema è affrontato su questo problema.
4. Postscript
L’acrilico, o PMMA, è il termoplastico che assomiglia più da vicino al vetro in trasparenza e resistenza agli agenti atmosferici. È duro e rigido come i polimeri vanno, facile lucidare ma sensibile alle concentrazioni di sforzo. Condivide con il vetro una certa fragilità, qualcosa che può essere superata miscelando con la gomma acrilica per dare una lega ad alto impatto (HIPMMA). PVC può essere miscelato con PMMA per dare duro, fogli durevoli. L’acrilico è disponibile come foglio, asta o tubo e può essere modellato mediante fusione o estrusione . Inoltre, il potenziale di riciclo e la resistenza agli agenti atmosferici dell’acrilico sono elevati; pertanto le lenti oculari sono in gran parte prodotte da acrilico o PMMA.
5. Conclusione
In questo articolo, viene fornito un caso di studio sulla selezione dei materiali per le lenti oculari utilizzando i diagrammi di selezione di Ashby. In questo lavoro, 6 materiali polimerici di PMMA, PC, PS, PVC, PET e PA sono presi in considerazione e le loro proprietà sono trovate dai diagrammi di selezione di Ashby e confrontate nella Tabella 1. I risultati finali hanno mostrato che il PMMA (acrilico) è il migliore per le lenti oculari. Il risultato ha anche sostenuto che il materiale PMMA è buono per considerazioni ambientali (non tossico e riciclabile).
