Determination Of Some Physical Parameters Of Alternative Treatment Solutions In Keratoconus

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015Canlıların gözlerinde en ön kısımda yer alan kornea; saydam, esnek ve optik kırıcılık özelliği olan bir dokudur. Işığı kırma özelliğinin yanında, dış ortamdan gelen toz, mikrop ve benzeri zararlı maddelere karşı göz ve çevresini korumaya da yardımcı olur. İnsan gözünde genetik veya çevresel etkilerle meydana gelen Keratokonus hastalığı , kornea tabakasının esneklik özelliğini yitirmesi sonucu, incelerek, huni biçiminde öne doğru sivrileşmesidir. Bu şekil bozukluğu korneada ışığı kırma işlevini etkileyerek, ileri derecede astigmatizmle birlikte, gözlük kullanılarak düzeltilemeyecek görme kusurlarına yol açar. Daha ince bir çerçeveden bakıldığı zaman Keratokonus hastalığının altında yatan sebebin , korneada nano boyutlu kolajen fibrillerin arasındaki çapraz bağların zayıflaması sonucu ,esnekliğin yitirilmiş olduğu görülür. Bu çapraz bağları arttırabilme düşüncesinden yola çıkılarak Keratokonus hastalığı için günümüzde tüm dünyada etkin bir şekilde kullanılan “ Korneada Çapraz Bağlama “ kısaca CCL denilen tedavi önerilmiştir. Basitçe ışıkla etkileşebilen Riboflavin( B2 vitamini) ve UV-A ışınının etkileşmesi olarak açıklanan CCL; Keratokonusun ilerlemesini tamamen durdurur ve gerilemesine yardımcı olur. CCL düşük maliyetlerle gerçekleşen, hızlı ve kolay bir tedavidir. Rutin olarak kullanılan CCL de %0,1 Riboflavin, % 20 Dextranla birlikte tuzlu su içerisinde çözdürülerek korneaya damlatılır. 370 nm dalga boyunda 3mw/cm2 lik enerjiye sahip ışıkla kornea etkileştirilerek, korneada bir reaksiyon gerşekleşmesine sebep olur. Bu reaksiyon sonucu açığa çıkan serbest oksijen radikalleride korneada nano boyutlu kolajen fibriller arasında çapraz bağların oluşumuna sebep olur. Bu çapraz bağlar korneada biyomekaniksel işlevi arttırarak, daha önceki esnekliğini kazanmasına sebep olur. Yukarıda adı geçen Dextran maddesi; bir çeşit polisakkarit olup, tedavi süresince korneanın yeterince ıslanmasını ve şişmesini sağlamak için kullanılmıştır. Korneada çapraz bağlama tedavisi Keratokonus hastalığı için kullanılan ve başarılı sonuçlar alınan bir yöntem olmasına rağmen hala tüm hastalar için uygun değildir. İlk olarak kornea kalınlığı 400 µm den daha ince hastalara uygulanamamaktadır. İkinci olarakta tedavi sırasındaki sıcaklık artışı gözde kuruluğa, yanmalara sebep olabilir. Bu durumda göz yaşı damlası önerilir fakat bu damla da tedavide kullanılan solüsyonu seyrelttiği için tavsiye edilmez. Kornea protein yapılı olduğundan ve arkada bulunan mercekten dolayı yüksek sıcaklık bu yapıların bozulmasına dahası katarakta sebep olur. Sunulan bu tez çalışmasında öncelikle rutin tedavide kullanılan solüsyona alternatif solüsyonlar üretilmeye çalışılmıştır. Bunun için Dextran yerine maliyeti düşürebilmek adına daha ucuz bir diğer polisakkarit olan Dextrin ve tuz yerinede korneanın beslenmesinde görev alan glikoz kullanılmıştır. Riboflavinin %0,1 olan kritik konsantrasyon değerine ek olarak daha büyük (%0,2) ve daha düşük (%0,04) konsantrasyon değerleri seçilmiş, böylelikle Riboflavinin konsantrasyon değerinin tedavideki etkinliği araştırılmıştır. Alternatif solüsyonlardan hangisinin tedavide kullanılabileceğini saptayabilmek için bazı fiziksel parametreler belirlenmiştir. Bu parameterlerin ölçülmesiyle korneada çapraz bağlama tedavisinin geliştirilmesi hedeftir. Bu parametrelerden ilki sıcaklıktır. Sıcaklığın 1ºC bile artması korneanın protein yapısını bozabileceğinden ,sıcaklık değişiminin tedavi üzerideki etkisi önemle araştırılmıştır. Bu araştırma için de belirleyici olduğu düşünülen 3 sıcaklık değeri seçilmiştir. 24°C (oda sıcaklığı), 34°C (kornea sıcaklığı) ve 41°C (yüksek ateş sıcaklığı) değerleri seçilerek tüm konsantrasyonlar için sıcaklığın zamanla değişimi incelenmiş ve sonuçlar değerlendirilerek solüsyonların davranışları gözlemlenmiştir. Sıcaklık parametresinin deneysel olarak gözlenmesinin yanında, teorik hesaplamalarla da sonuçların tutarlı olup olmadığı karşılaştırılmıştır. Deneysel verilerden gelen başlangıç koşulları kullanılarak ısı denklemi çözülmüş , Matlab kodları yardımıyla grafikleri oluşturulmuştur. Solüsyonlar UV-A ışımasına tutularak time-drive grafikleri oluşturulmuş, bu grafiklerin eğimleri ile Fick’in İkinci Difüzyon Yasası kullanılarak tüm solüsyonların difüzyon katsayıları hesaplanmıştır. Difüzyon katsayısı büyük olan solüsyon, cornea tarafından daha iyi emileceğinden , alternatif olarak önerilmeye adaydır. Işımadan önce ve ışımadan sonra ki pH değerleri ölçülerek, korneanın pH toleransına en uygun solüsyona karar verilmiştir. Eğer pH değeri kornea tolerasının dışında bir değerse gözde geri dönüşü olamayacak türde kimyasal yanıklara sebep olabilir. Bu nedenle pH seviyesinin değişimi alternatif solüsyon önerilmesinde önemsenmiştir. Bir diğer paramatere olarak UV-A öncesinde ve sonradında viskozite değişimi olarak belirlenmiştir. Viskozite değerinin büyük olması solüsyonlar için tercih edilebilecek bir durumdur. Çünkü çapraz bağlama tedavisi sırasında göze damlatılan solüsyonun mümkünse gözden akmaması, olduğu yerde muhafaza edilmesi, solüsyonun kornea tarafından iyice emilmesi açısından önemli bir kriter olarak belirlenmiştir. Viskoziteleri ölçülerek, korneada çapraz bağ mekanizmasının işlerliği kontrol edilmiştir. Ayrıca viskozitenin , kayma gerilimi etkisi altında değişip değişmemesine bakılarak solüsyonların Newtonyen ya da Non-Newtonyen bir davranış sergilediği söylenebilmiştir. Yapılan bu tez çalışması sonucunda deney boyunca incelenen tüm fiziksel parametreler için elde edilmiş sonuçlar derlenerek tedavide kullanılabilecek alternatif bir solüsyon önerilerilebilmiştir.Genetically or enviromentally occurance of Keratoconus illness in human eyes causes thinner cornea with lose of transparency. Thinner cornea tends to bulg outward like a cone shape. As a result of Keratoconus cornea can not refract the light correctly and some eye disorders are occured which can not be suppported by eye glasses. Collagen Cross Linking (CXL or CCL) is suggested in this study to overcome these eye disorders. By the application of CXL with proper corneas , firstly cornea gain its primer elasticity, curvature of it becomes better and the illness of Keratoconus is stopped completely. Basicly in collagen crosslinking , a solution with Riboflavin is dropped and a particular intensity of UV-A radiation is exposed to the cornea. The light is absorbed by Riboflavin and this reaction lets the free oxygen radicals to be generated. This radicals cause cross links between nano dimensional fibrilles and collagen cross linking are observed through cornea. In the routin treatment, 0,1% Riboflavin and Dextran are dissolved in saline solution. Here Riboflavin is a photoreactive chemical and Dextran is a high weight polysaccharide works as a preventer for cornea against undesirable swelling during treatment. Today all over the world, CXL is used as the unique treatment for Keratoconus and it is quite succesful to stop the illness, but it has still some insufficiencies and side effects. First of all CXL can not be applied thin corneas like having a thickness under 400 µm. UV-A radiation may cause chemical burns inside the bottom layers of cornea. Another risk is edemas as a result of sudden temperature exchanges on the cornea causing degeneration of DNA structure. Also high temperature can disturb the protein structure of cornea and it results as cataract. In this master thesis, in order to overcome the insufficiencies of the CXL, new alternative solutions were proposed and some important physical parameters are measured within them. Also the dependence of different Riboflavin concentrations with respect to temperature exchange are measured. 0,2% as high concentration and 0,04% Riboflavin as low concentration are chosen. To prepare the new solutions, apart from Dextran which is a polysaccharide having many glucose molecules, another polysaccharide called Dextrin was used too. Glucose molecule is an important role for nutrition for the cornea. Combining of all this materials, eight new solutions were prepared. To be able to search the reason of the side effects in the CXL treatment, some physical parameters were investigated in this study. These parameters are temperature exchange which was studied with three different temperatures like 24 °C (room temperature), 34° C (cornea temperature), 41°C (high fever temperature) and compared the results of experimental temperature exchanges with theretical ones, pH level exchange before and after UV-A radiation, diffusion coefficients which were determined by the time-drive measurements and finally viscosity of the solutions. As it mentioned before, sudden temperature exchanges are dangerous for cornea and so it shoul be get under control. Moreover any solution which has a pH level not compatible with cornea, may cause acidic or alcali burns. Solutions’ diffusion coefficients are compared with respect to their magnitudes, because the greater coefficient let greater penetration of solutions with cornea. Finally the viscosity of solutions are measured before and after UV-A radiation. By measuring viscosity, the solutions could be analysed as Newtonian or Non-Newtonian fluid. Moreover wheter UV-A radiation cause any change in viscosity of solutions could be determined. After all physical parameters are measured with all solutions, a most proper alternative is suggested for routine CXL treatment.Yüksek LisansM.Sc