Actas del Congreso Nacional de
Tecnología Aplicada a Ciencias
de la Salud
Actas del Congreso Nacional de Tecnología Aplicada a Ciencias de la Salud Vol. 6, 2024
De acuerdo al Centro Nacional de Trasplantes, en México, durante el año 2023 se realizaron 3426 trasplantes de córnea y cerca de 3400 personas se quedaron en espera de un donante[1]. Se estima que aproximadamente 10 millones de personas padecen ceguera corneal bilateral derivada de enfermedades como Queratocono, infecciones por Tracoma y opacidad corneal, entre otras[2]. La alta demanda de trasplantes, así como la escasez de donantes ha dado lugar al estudio de polímeros como una potencial alternativa para aplicaciones oftalmológicas, incluyendo la fabricación de queratoprótesis[3]. En este trabajo se presentan los resultados de la caracterización del índice de refracción de muestras de Poli(dimeltilsiloxano) (PDMS Sylgard Sylgard 184 de Dow Corning)[4] en dos fases: líquida y elastómero. La medición del índice de refracción se realiza en base a los fenómenos de Ángulo de Mínima Desviación y de Reflexión Total Interna usando un goniómetro mecánico de alta precisión. Con los métodos antes mencionados es posible determinar el índice de refracción en función de la longitud de onda, esto permitirá estudiar el desempeño óptico de distintos polímeros para su posterior aplicación.
Palabras clave: Córnea, polidimetilsiloxano, medición de índice de refracción
According to the National Transplant Center, in México, during the year 2023, a total of 3426 corneal transplants were performed and about 3400 patients were awaiting for a donor[1]. It is estimated that approximately 10 million people suffer from bilateral corneal blindness derived from ocular diseases such as Keratoconus, Trachoma infections and corneal opacity, among others[2]. The high demand for transplants, and the shortage of donors, has led to the study of polymers as a potential alternative for ophthalmic applications, including the manufacture of keratoprostheses[3]. This work presents the results of the characterization of the refractive index of PDMS samples[4] in two phases: liquid and elastomer. The measurement of the refractive index has been carried out based on the phenomena of Minimum Deviation Angle and Total Internal Reflection using a high-precision mechanical goniometer. With the aforementioned methods it is possible to determine the refractive index as a function of the wavelength, this will allow studying the optical performance of different polymers for their subsequent application.
Keywords: Cornea, polydimethylsiloxane, refractive index measurement
De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, se considera ceguera a una agudeza visual menor a 3/60 (metros), equivalente a 10/200 (pies). Con esta definición se estima que en el mundo hay aproximadamente 43 millones de personas que padecen ceguera bilateral. Las principales causas de ceguera son, en orden de importancia, las cataratas, errores refractivos, degeneración macular, glaucoma y la retinopatía diabética[5].
Entre los errores refractivos, las enfermedades de la córnea causan aproximadamente 10 millones de casos de ceguera corneal bilateral. Las principales enfermedades que afectan a la córnea son infección por tracoma, opacidad corneal, queratocono, traumas oculares, úlceras corneales y enfermedades genéticas o de nacimiento, las cuales causan cicatrización, vascularización, deformación cambios en la morfología de la córnea, principalmente[6].
En México, hasta el 2020 se estimaban 16 millones de personas con visión débil de las cuales aproximadamente 540 mil eran ciegas[7]. Algunos de los padecimientos visuales que afectan a la córnea, como las quemaduras químicas o el queratocono, se pueden tratar mediante intervenciones quirúrgicas como la cirugía láser o los trasplantes. La córnea es la responsable de dos terceras partes del poder refractivo del ojo y uno de los órganos más trasplantados a nivel mundial, al cierre del año 2023, en México se realizaron 3426 trasplantes cubriendo apenas la mitad de los pacientes en lista de espera. Además, de acuerdo al Centro Nacional de Trasplantes, de las 3426 córneas utilizadas 2399 fueron de origen nacional y 1027 importadas[1]. Estas estadísticas, así como la alta demanda de trasplantes de córnea, representan un área importante para desarrollar proyectos para fabricar alternativas como las queratoprótesis (córneas artificiales) a base de polímeros, como el PDMS.
El PDMS, clasificado como un silicón elastómero, tiene propiedades importantes como flexibilidad, resistencia a la corrosión, estabilidad térmica y química, inercia química, relativo bajo costo y su posible biocompatibilidad[8]. Este polímero es ampliamente utilizado ampliamente en diversas áreas, particularmente en la oftalmología es usado, por ejemplo, en dispositivos de drenaje en cirugías por glaucoma, en lentes de contacto y lentes intraoculares[9].
Las propiedades ópticas del PDMS se consideran de interés particular para el desarrollo de queratoprótesis, ya que se destaca su alta transparencia y la variación de algunas de sus propiedades en función de sus parámetros de síntesis como, por ejemplo, su espectro de absorción y transmitancia o su índice de refracción, el cual, en particular, incrementa cuando se tiene un incremento en la temperatura de curado térmico o en la proporción (razón) de mezcla de sus componentes[4,10].
La variación en las propiedades ópticas del PDMS permiten la fabricación de lentes líquidas con distancia focal variable, así como la manufactura de lentes sólidas elásticas, lentes sintonizables multicapa y otros elementos ópticos[11].
En 2015, Cruz et al.[3] manufacturaron una superficie refractiva hecha a base de PDMS, ver Figura 1, usando un molde fabricado adaptando el modelo de la superficie anterior de la córnea humana con un perfil de esfericidad variable, desarrollado en 2009 por Rosales et al.[12] y el cual es representado por:
en donde e(r) describe diferentes valores de excentricidad de 71 ojos de pacientes con visión 20/20 (pies), equivalente a visión 6/6 (metros), y r es el radio medido desde el eje óptico.
Figura 1. Fotografías de a) moldes de superficie refractiva, b) superficie manufacturada con PDMS[13].
En dicho molde el PDMS es vertido y curado térmicamente, marcando un antecedente importante para la viabilidad de la manufactura de córneas artificiales a base de polímeros.
Es por lo anterior, que el objetivo de este trabajo es caracterizar el índice de refracción de muestras de PDMS en estado líquido y elastómero las cuales se manufacturan con variación de sus parámetros de síntesis (temperatura de curado y razón de mezcla de los componentes), para confirmar su aplicación en la manufactura de queratoprótesis.
El índice de refracción es una de las propiedades básicas e importantes de los materiales y es muy utilizado en áreas como la química y la biología. De manera simple y general es definido como la razón de la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en el material de interés[13-15].
En este trabajo dicha propiedad es medida usando tres láseres de diferentes longitudes de onda con la finalidad de conocer el desempeño óptico del polímero en longitudes de onda del espectro visible lo que nos proporcionará información sobre su posible aplicación en la fabricación de queratoprótesis. Para el desarrollo experimental se implementan dos métodos: Ángulo de Mínima Desviación (AMD) y Reflexión Total Interna (RTI) para lo cual se utiliza un espectro-goniómetro, ver Figura 2, que permite medir ángulos con una precisión de segundos de arco.
Figura 2. Espectro goniómetro (R.Fuess, Berlín, 1879)
El método de AMD es utilizado para la medición del índice de refracción de sustancias en estado líquido dado su facilidad de implementación al usar una cubeta triangular equilátera en la que se deposita la sustancia, ver Figura 3-a). El índice de refracción es obtenido a partir de la Ley de Snell, al medir el ángulo mínimo de desviación (δmin) cuando el haz del láser pasa a través de la cubeta y sustituyendo este valor en la ecuación (2), donde α es el valor de cualquiera de los ángulos internos de la cubeta (60°), ver figura 3-b)[14].
Figura 3. a) cubeta triangular, c) esquema del método AMD
Para sustancias en estado sólido o con baja transmitancia, como el caso de tejidos biológicos, el método de AMD no es útil, por lo que se implementa otras técnicas como la medición del índice de refracción por RTI. Para el método de RTI utilizamos una lente cilíndrica con un índice de refracción de n=1.491 en cuya cara plana se coloca el material en estado sólido verificando el máximo contacto entre las dos superficies, ver Figura 4-a) y b). Este método se basa en que, cuando el índice de refracción del medio incidente es mayor que el del medio de transmisión ni>nt, y el ángulo de incidencia θi (medido desde la normal a la interfaz) se vuelve gradualmente más grande, el haz transmitido se acerca tangencialmente a la interfaz. Conforme θi incrementa, más energía aparece en el rayo reflejado, hasta que este ángulo es mayor que el ángulo crítico θc, entonces toda la energía es reflejada hacia el medio de incidencia[13], lo que se conoce como Reflexión Total Interna. Para calcular nt se requiere conocer el valor de θc y usar la ecuación (3):
Figura 4. a) Fotografía de lente cilíndrica con muestra de PDMS, b) esquema del método por RTI
Preparación de muestras de PDMS
Para este trabajo se utiliza PDMS Sylgard 184, el cual es distribuido por el proveedor en dos partes, la base y el catalizador o agente de curado, las cuales de se mezclan en una proporción que se denota como base:catalizador.
Para la medición en estado líquido se preparan 3 muestras con 10 partes de base y 3 distintas cantidades de catalizador. Para esto, se pesan las10 partes de la base en un vaso de precipitado y se agrega las partes de catalizador, para la primer muestra 1 parte, para la segunda 1.5 partes y para la tercera 2 partes. Esta mezcla se agita lenta y manualmente durante un minuto, después es depositada en la cubeta triangular donde se deja reposar hasta que las burbujas formadas durante la agitación desaparezcan (de 20 a 30 minutos aproximadamente).
Para la medición en estado elastómero (sólido) se preparan 9 muestras con diferentes proporciones de base:catalizador, curadas térmicamente a 3 temperaturas diferentes durante 22 minutos, de acuerdo a lo descrito en la Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros usados para las 9 muestras preparadas.
| Muestra | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Proporción (base:catalizador) |
10:1 | 10:1 | 10:1 | 10:1.5 | 10:1.5 | 10:1.5 | 10:2 | 10:2 | 10:2 |
| Temperatura (°C) | 100 | 170 | 230 | 100 | 170 | 230 | 100 | 170 | 230 |
Para la preparación cada una de las muestras se sigue el procedimiento que se muestra en la Figura 5 que comprende los pasos: 1) pesaje de las partes de base y catalizador en un vaso de precipitado; 2) se agita durante un minuto de forma lenta y constante; 3) se vierten 1.5 gramos de la mezcla en el molde circular de aluminio de 35 mm de diámetro; 4) se deja reposar durante 30 minutos para asegurar la eliminación de burbujas; 5) se somete a curado térmico al introducir el molde a una Mufla FE-360 precalentada durante 4 horas a la temperatura elegida para cada caso; 6) se deja enfriar, se desmolda y finalmente 7) se corta la muestra en rectángulos de 14x39 mm con ayuda de un exacto.
Figura 5. Esquema de preparación de muestras de PDMS
Arreglo óptico
Para la caracterización se monta el arreglo óptico mostrado en la Figura 6.
Figura 6. Arreglo óptico para medición de índice de refracción.
El espectro-goniómetro (marca R. Fuess, 1879) utilizado en el arreglo óptico tiene una plataforma en la que se monta la muestra con ayuda de la lente cilíndrica o la celda triangular, dependiendo del estado de agregación. Además de lo anterior, se utilizó una segunda lente cilíndrica para enfocar al haz del láser en una línea, así como 2 filtros para disminuir la intensidad del láser y evitar la saturación de la cámara SONY CCD-IRIS que es usada para alinear.
Para la caracterización óptica del índice de refracción de cada una de las muestras, tanto en estado líquido como en elastómero, se utilizaron 3 láseres centrados en las longitudes de onda λB =405,λG =516,λR =632 nm. Se realizaron en total 36 conjuntos de datos, correspondiente a 3 mediciones por 12 muestras.
Se realiza el calibrado del goniómetro usando agua y filtros con una curva de transmitancia de banda angosta centrados en 420, 480 y 620 nm de longitud de onda (λ). En la Figura 7 se observan los valores de 5 mediciones del índice de refracción cada longitud de onda los cuales se compararon contra los reportados en la literatura[16].
Figura 7. Valores del índice de refracción del agua medidos contra los reportados en la literatura[16]
Para las muestras en estado líquido se realizan 9 conjuntos de mediciones, correspondientes a 3 diferentes longitudes de onda para cada una de las 3 muestras líquidas, ver Figura 7- a), b) y c). El error mostrado en las gráficas es calculado por la ecuación (4), donde ∆δmin es el error de medición de los ángulos dado por la precisión del instrumento.
La medición del índice de refracción de muestras en estado elastómero (sólido) se obtuvieron 27 sets, correspondientes a la medición en 3 longitudes de onda para las 9 muestras. Los valores del índice de refracción para las muestras en función de la longitud de onda y la temperatura de curado se muestran en la Figura 8-a), b) y c). El error mostrado en las gráficas se calcula por la ecuación (5), donde ∆θc es el error de medición dado por el espectro-goniómetro.
En las gráficas a), b) y c) de la Figura 8, se puede observar que el valor más alto del índice de refracción es obtenido en la longitud de onda λG = 516 nm, para todas las proporciones de mezcla y en todos los tiempos de curado térmico. Además, se observa que en general los valores de n para λR = 632 nm son más bajos que para λB = 405 nm.
Figura 8. Valores del índice de refracción de a) agua, b) mezcla 10:1, c) mezcla 10:1.5 y d) mezcla a 10:2
Figura 9. Valores del índice de refracción con respecto a λB, λG, λR para las concentraciones a) 10:1, b) 10:1.5 y c) 10:2
Es importante comprender el comportamiento del PDMS bajo las condiciones de síntesis en las que se planea trabajar ya que existen diversos reportes de los valores del índice de refracción en la literatura pero que corresponden a condiciones muy específicas.
Las gráficas de los valores de n de PDMS en estado elastómero nos dan información sobre el comportamiento del polímero para diversas longitudes de onda, de donde podemos inferir que el material refracta más a la luz cerca de la normal para longitudes de onda cercanas al pico de la curva de la eficiencia de la visión fotópica del ojo humano, λph = 530 nm.
De los resultados obtenidos podemos asegurar que es posible determinar con buena precisión los valores del índice de refracción de diversas sustancias en diferentes estados de agregación y en función de longitudes de onda específicas. La caracterización del polímero en la manufactura de queratoprótesis es importante ya que se espera que tengan un desempeño óptico semejante al de la córnea humana.
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