Πειραματική μελέτη της δράσης των laser σε οφθαλμικούς ιστούς και βιοπολυμερή

Abstract

Η ακτινοβολία laser σήμερα βρίσκει πλήθος εφαρμογών σε μια σειρά από επιστήμες κι αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες για τη ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας. Στην ιατρική, η ακτινοβολία laser χρησιμοποιείται ευρύτατα τόσο για τη διάγνωση, όσο και για τη θεραπεία πολλών παθήσεων. Τα συστήματα των laser εφαρμόζονται με μεγάλη επιτυχία στο τομέα της οφθαλμολογίας, της οδοντιατρικής, της δερματολογίας, της ογκολογίας, της μικροχειρουργικής κ.α. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας αρχικά μελετήθηκε πειραματικά η δράση των laser στους οφθαλμικούς ιστούς και συγκεκριμένα στον κερατοειδή χιτώνα του ματιού. Ακτινοβολήθηκαν οφθαλμοί ανθρώπου και χοίρου με χρήση Er:YAG laser μέσου υπερύθρου (2,94 μm). Οι οφθαλμοί χοίρου, άλλωστε, πλησιάζουν τον ανθρώπινο οφθαλμό όσο κανενός άλλου πλάσματος που έχει μελετηθεί και έχουν χρησιμοποιηθεί επανειλημμένα για τέτοιου είδους πειράματα. Επιπρόσθετα, δεδομένου ότι οι οφθαλμικοί ιστοί αποτελούνται κατά 25% - 90% από νερό, η χρήση του laser Er:YAG ενδύκνειται για αποδόμηση χάρη στον υψηλό συντελεστή απορρόφησης του νερού στα 2,94 μm. Ακόμη, εξετάστηκε ο ρόλος του νερού στην αποδόμηση του κερατοειδούς χιτώνα επαναλαμβάνοντας το ίδιο πείραμα για οφθαλμικούς ιστούς που είχαν προηγούμενα βυθιστεί σε διάλυμα D2O. Εφόσον το D2O συμπεριφέρεται σαν υπεροσμωτικό διάλυμα, επηρεάζει τη συγκέντρωση του H2O στους κερατοειδείς μέσω μιας σχετικά γρήγορης διαδικασίας ανταλλαγής πρωτονίου/δευτερίου. Η αποδόμηση που είχε προκληθεί μελετήθηκε στη συνέχεια μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM). Στη συνέχεια, εξετάστηκε η δράση της ακτινοβολίας laser σε βιοπολυμερή, με το βομβαρδισμό ακρυλικών ενδοφακών κι ενδοφακών κατασκευασμένων από Πολυμεθυλ - μεθακρυλικό πολυμερές (Polymethyl-methacrylate, PMMA). Το σύστημα laser που χρησιμοποιήθηκε για αυτό το σκοπό ήταν το Nd:YAG laser, στην τέταρτη αρμονική του (266 nm). Τα αποτελέσματα της ακτινοβόλησης μελετήθηκαν τόσο με τη βοήθεια απλού μικροσκοπίου ανάκλασης, όσο και με τη μέθοδο της μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (Atomic Force Microscopy, AFM). Στην αρχή αυτής της εργασίας γίνεται αναφορά στη χρήση της ακτινοβολίας laser στην ιατρική κι αναλύονται οι μηχανισμοί αλληλεπίδρασής της με τους βιολογικούς ιστούς. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανατομία του οφθαλμού, εξηγούνται οι αιτίες των διαθλαστικών παθήσεων, καθώς και οι επεμβατικές μέθοδοι διόρθωσής τους με τη χρήση ακτινοβολίας laser. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και συζητούνται τα πειράματα αποδόμησης κερατοειδών ανθρώπου και χοίρου που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση Er:YAG laser μέσου υπερύθρου, παρουσιάζονται οι εικόνες από την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και γίνεται μια μελέτη του ρόλου της απορρόφησης του νερού. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα πολυμερή υλικά και ειδικότερα στα ακρυλικά πολυμερή και το ΡΜΜΑ. Περιγράφεται η αλληλεπίδραση των ακρυλικών πολυμερών με την ακτινοβολία laser, όπως και η χρήση των ενδοφακών στην οφθαλμολογία. Προχωρώντας στο επόμενο κεφάλαιο περιγράφεται η αποδόμηση ακρυλικών ενδοφακών κι ενδοφακών από ΡΜΜΑ με τη χρήση του Nd:YAG laser και τα αποτελέσματα εξετάζονται μέσω του οπτικού μικροσκοπίου. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, γίνεται η μελέτη των ακτινοβολημένων ενδοφακών με τη μέθοδο της μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (AFM).

Nowadays, laser radiation is being used in a huge spectrum of scientific fields and finds itself among the most important factors that lead to the rapid development of technology. In medicine, laser radiation is very widely used not only for the diagnosis, but also for the treatment of affections. Lasers are successfully used in ophthalmology, dentistry, dermatology, oncology, microsurgery etc. In this work, we firstly studied experimentally the interaction of the laser radiation and the ocular tissues and, more concretely, the cornea. We irradiated human and porcine eyes using medium IR (2.94 μm) Er:YAG laser. The porcine eye approaches the human one more than the eye of any other creature ever studied and has been repeatedly used for such experiments. Knowing that ocular tissues contain water in a percentage of 25% - 90%, the Er:YAG laser is recommended for their ablation, thanks to the high absorption coefficient of water at 2.94 μm. Followingly, the role of water in the ablation of the cornea was examined, by repeating the same experimental procedure for ocular tissues that had previously been sunk in a D2O solution. Since D2O behaves as a hyper osmotic solution, it influences the concentration of H2O in the cornea via a relatively fast exchange of proton/deuterium. The results of the ablation were then studied via Scanning Electron Microscopy (SEM). Furthermore, the interaction of laser radiation and biocompatible polymers was examined, by the irradiation of acrylic intraocular lenses, as well as intraocular lenses manufactured by Polymethyl-methacrylate (PMMA). In order to ablate the intraocular lenses, the fourth harmonics of a Nd:YAG laser system has been used (266 nm). The results of the radiation were studied via a conventional microscope, as well as by use of the Atomic Force Microscopy - AFM technique. In the beginning of this work we study the application of laser radiation in medicine and the mechanisms of its interaction with the biological tissues. In the second chapter the anatomy of the eye is presented, the refractive errors are described, as well as the methods for their correction using laser radiation. Then, in the next chapter we present and discuss the ablation experiments realised on human and porcine corneas using Er:YAG of medium IR and the images we got from the scanning electron microscopy (SEM). In plus, we talk about the role of the absorption of water. In the fourth chapter, we introduce polymeric materials and specifically the acrylate polymers and the PMMA. The interaction of acrylic polymers and laser radiation is described, as well as the use of intraocular lenses in ophthalmology. The next chapter consists of the description of the ablation of acrylic intraocular lenses and lenses made of PMMA using a Nd:YAG laser. In the same chapter, its results are examined via an optical microscope whereas a study through atomic force microscopy (AFM) is presented in the last chapter.