KECSKÉS FLÓRA SZAKDOLGOZAT

Átírás

1 KECSKÉS FLÓRA SZAKDOLGOZAT

2 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR MECHATRONIKA, OPTIKA ÉS GÉPÉSZETI INFORMATIKA TANSZÉK SZAKDOLGOZATOK

3 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR MECHATRONIKA, OPTIKA ÉS GÉPÉSZETI INFORMATIKA TANSZÉK KECSKÉS FLÓRA SZAKDOLGOZAT Szemlencse tokjának mechanikai vizsgálata Konzulens: Dr. Kiss Zoltán adjunktus, minőségirányítási vezető Témavezető: Dr. Kiss Rita tanszékvezető helyettes, egyetemi tanár Budapest, 2016

4

5 NYILATKOZATOK Elfogadási nyilatkozat Ezen szakdolgozat a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kara által a Diplomatervezési és Szakdolgozat feladatokra előírt valamennyi tartalmi és formai követelménynek, továbbá a feladatkiírásban előírtaknak maradéktalanul eleget tesz. E szakdolgozatot a nyilvános bírálatra és nyilvános előadásra alkalmasnak tartom. A beadás időpontja: témavezető Nyilatkozat az önálló munkáról Alulírott, Kecskés Flóra (NR19YV), a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és sajátkezű aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és dolgozatomban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a hatályos előírásoknak megfelelően, a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, 20 szigorló hallgató v

6 TARTALOMJEGYZÉK Köszönetnyilvánítás... viii Jelölések jegyzéke... ix 1. Bevezetés Szakirodalmi áttekintés A szem élettani felépítése A szem anatómiája Működés A szem optikai rendszere Akkomodáció Lencsetok mechanikai vizsgálata A szemlencse Szürkehályog A szürkehályog és kialakulásának okai Szürkehályog műtét Műtéti seb széleinek minősége Szakítóvizsgálat D nyomtatás Kísérleti rész Felhasznált anyagok, berendezések A minta és preparálásához szükséges eszközök Szakító berendezés D nyomtatott befogó szerkezet Minta előkészítése A befogó bemutatása Mérés menete Mérések Mérések kivitelezése Első mérés Második mérés Harmadik mérés Negyedik mérés Eredmények Eredmények kiértékelése Hitelesítés vi

7 5. Összefoglalás Felhasznált források Summary Mellékletek vii

8 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnék köszönetet mondani témavezetőmnek, Dr. Kiss Ritának és konzulensemnek, Dr. Kiss Zoltánnak, akik szakértelmükkel és következetes instrukcióikkal a konzultációk során felügyelték és segítették munkámat. Köszönettel tartozom továbbá dr. Sándor Gábor Lászlónak, a Semmelweis Egyetem Szemészeti Klinika orvosának, aki lelkiismeretes hozzáállásával a minták preparálásában és a statisztikai elemzésben nyújtott segítségével járult hozzá szakdolgozatom létrejöttéhez. Köszönetet mondok a szabadbattyáni Kalória Kft. vágóhíd-húsüzem dolgozóinak is, akik a méréshez szükséges mintákat biztosították. Végezetül köszönöm szüleimnek és évfolyamtársaimnak az egyetemi tanulmányaim során kapott támogatást. A dolgozat a K számú OTKA kutatási projekt keretén belül készült. Budapest, 20 Kecskés Flóra viii

9 JELÖLÉSEK JEGYZÉKE A táblázatban a többször előforduló jelölések magyar és angol nyelvű elnevezése, valamint a fizikai mennyiségek esetén annak mértékegysége található. Az egyes menynyiségek jelölése ahol lehetséges megegyezik hazai és a nemzetközi szakirodalomban elfogadott jelölésekkel. A ritkán alkalmazott jelölések magyarázata első előfordulási helyüknél található. Latin betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység d lyukasztótüske átmérője mm D tárgyasztal furatátmérő mm p konfidencia szint 1 v tüske sebessége mm/min Indexek, kitevők Jelölés Megnevezés, értelmezés break szakadás pillanatában mért érték ix

10 1. BEVEZETÉS Mindennapi feladatainak ellátásához az átlagember megköveteli a jó látásminőséget. Ennek hiányában nehézkessé válhat számára munkájának elvégzése, az olvasás, a vezetés, bizonyos tárgyak alakjának felismerése, stb. Ha az ember látásában problémát észlel, orvoshoz fordul, majd a látásromlás okának megfelelően kezelésben részesül. Az egyik legfőbb gondot okozó betegség a szürkehályog. Sok esetben a szürkehályog felelős a vakság kialakulásáért. Megjelenését a szemlencse rostjaiban oldott fehérjék kicsapódása idézi elő. Ezzel a lencse fokozatosan elveszíti átlátszóságát, a látásminőség romlik. Tudományos cikkek sora foglalkozik azzal, hogy mi okozhatja a szürkehályog létrejöttét. Főként az öregedés idézi elő, de számos tényező (pl. női nem, cukorbetegség, barna írisz, diéta, cigaretta, stb.) növelheti kialakulásának kockázatát. A szürkehályog kezelése műtéti beavatkozással lehetséges. A fejlett országokban a pácienst korai stádiumban műtik, a fejlődő országokban a műtétek kivitelezése több problémába ütközik. A betegség által érintett egyének száma évről évre növekszik, viszont ezzel nem nő arányosan a szakképzett orvosok létszáma. Ha egyensúlyba szeretnénk billenteni a betegek és a műtétek számát, felmerül az igény a műtét részleges vagy teljes automatizálására. Ehhez a témához kapcsolódóan sok kutatás folyik. A kissé távolinak tűnő célok eléréséhez azonban szükséges a szem és részei mechanikai tulajdonságainak feltérképezése. Szakdolgozatom célja a szemlencse tokjának mechanikai vizsgálata. A lencsetok a szürkehályog műtétek során kulcsfontosságú szerepet játszik, hiszen a műtét alkalmával a szemlencse állományát távolítjuk el, a lencsetok megtartásával. A lencse eltávolításához a tokot fel kell metszeni, de az könnyen elszakadhat. Munkám során állati mintákon lyukasztási vizsgálatot végeztem. Az eredmények kiértékelésével 1

11 bizonyítandó, hogy a dolgozatban ismertetett mérési eljárás pontos, és alkalmas humán mintákon való tesztelésre is. 2

12 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS A mérési módszer bemutatása és a mérések eredményeinek közlése előtt a dolgozatban található egy irodalmi áttekintés, mely átfogó képet ad a szem felépítéséről és működéséről, információt nyújt a szürkehályogról és műtéti kezeléséről, illetve bemutatja a témában íródott tudományos cikkeket. Az alábbi fejezet ezzel foglalkozik A szem élettani felépítése A szem anatómiája A látószerv három fő részből áll, melyek a szemgolyó, a szemideg és a járulékos szervek. Az utóbbi részei a következők: a szemmozgató izmok, a védőkészülék és a könnykészülék. Az 1. ábrán látható a szem felépítésének sematikus rajza. Szűk értelemben véve a látószervünk a szemgolyó maga. A kismértékben összelapított kb. 24 mm átmérőjű gömb alakú szervet a szemmag és az azt körülvevő három burok alkotja. A külső rostos burkot az ínhártya és a szaruhártya adja. A középső burok az érhártya. A belső burok pedig az ideghártya, vagy más néven retina. A szem magjának alkotói a szemcsarnokok, a lencse és az üvegtest. [1] Az ínhártya tömött rostos kötőszövetből felépülő burok, ez adja a szem fehérét. A szemideg belépésének helyétől, ahol vastagsága 1-2 mm, előrefelé vékonyodik legvékonyabb 0,3 mm a szemizmok tapadásának helyénél újra vastagodik (0,6 mm). [1] A szaruhártya a szemgolyóból előredomborodó 13 mm átmérőjű gömbhéjszelvény, mely folytonosan megy át az ínhártyába, de szerkezete más, 5 szöveti rétege van. 3

13 1. ábra A szem felépítése (cornea=szaruhártya, lens=lencse, pupil=pupilla, anterior chamber=elülső csarnokzug, sclera=ínhártya, choroid=érhártya, fovea centralis=legélesebb látás helye, optic nerve=optikai ideg, ciliary body=sugártest, ciliary muscle=sugárizom, suspensory ligament=lencsefüggesztő rostok) [27] A középső burok részei hátulról előre: érhártya, sugártest, szivárványhártya (írisz). A retina egy kettős falú kehelyhez hasonló képződmény, melynek külső rétege pigmenthámréteggé alakult át, belső rétege sokrétegű idegszervvé differenciálódott. Hátul 0,4 mm, az üvegtest közelében már csak 0,1 mm vastag. A hátsó fényérzékeny részének 10 rétege között található a csapok és pálcikák (ezek a fotoreceptorok) rétege. [1] A szemlencse hám eredetű, bikonvex lencséhez hasonló, gyengén sárgás, 9 mm átmérőjű test. Elülső felszíne laposabb, hátsó felszíne domborúbb. Állományát kívülről üvegszerű hártya, a lencsetok veszi körül. A lencse a rugalmas külső kéregállományból és a tömörebb belső magból áll. A mag életünk során folyamatosan növekszik, ezért a lencse rugalmassága az öregedéssel párhuzamosan csökken. A lencsét lencsefüggesztő rostok (zonulák) rögzítik a sugártesthez. [1] Az üvegtest a lencse mögötti részt kitöltő, magas víztartalmú, átlátszó, kocsonyás állomány. Elölről a vékony megszilárdult határrétege választja el a lencsefüggesztő 4

14 rostoktól, a lencse hátsó részénél az üvegtestben gödör található. A retinával érintkező résznél nincs határoló hártya. [1] Szemcsarnokoknak a szaruhártya hátsó felszíne, a sugártest elülső része, a lencsefüggesztő rostok rendszere és a lencse elülső felszíne közé kerülő csarnokvízzel kitöltött teret nevezzük. Az írisz ezt két részre osztja: az elülső és a hátsó szemcsarnokra. A csarnokvíz kevés fehérjét, szőlőcukrot, karbamidot és hialuronsavat tartalmazó folyadék. A csarnokvizet filtráció útján a sugártest nyúlványainak sűrű érfonatai termelik. [1] Működés Funkció alapján a szemgolyó részeit a következőképpen csoportosíthatjuk: - Receptorszövetek: retina, pigmentepithel, chorioidea - Törőközegek: cornea, lencse, elülső-hátsó csarnok, üvegtest - Akkomodációs szövetek: lencse, corpus ciliare, zonulák - A fény blendézése: pupilla (iris). - Szemvíz (csarnokvíz) keringés: üvegtesttér, hátsó-elülső csarnok, csarnokzug elülső csarnok feladata a csarnokvíz tárolása hátsó csarnok szerepe a termelődő csarnokvíz felfogása, a csarnokvízkeringés első állomása csarnokzug a csarnokvíz elvezetésére szolgál [2] A szaruhártya speciális felépítésű kötőszövet, átlátszó, nem tartalmaz ereket, a szemgolyó rostos burkának része, a szem legfontosabb törőerejét képezi. Az ínhártya a szaruhártyával együtt alkotja a szemgolyó rostos burkát, előbbi átlátszatlan, fehér kötőszövet, mely ereket és idegeket tartalmaz. Az érhártya a szem belső nedvkeringését és a retina külső rétegeinek oxigénellátását és táplálását biztosítja. [2, 19] Az írisz gyűrű alakú szövet, közepén található a pupilla. A szem optikai rendszerének részeként a blende feladatát teljesíti. A pupilla fiziológiai szerepe, hogy szabályozza a szembe jutó fény mennyiségét, ezzel védve a retinát. Erős fényben a pupilla 5

15 beszűkül, félhomályban kitágul. Normális körülmények között 2-8 mm között ingadozik átmérője. [2] A sugárizmok működésükkel biztosítják a lencse alakváltozását és ezzel az alkalmazkodást. A lencsetok és a lencsefüggesztő rostok valósítják meg az összeköttetést a lencse rostos szerkezete és a sugárizom között, így a sugárizom összehúzódásából származó erők továbbításában előbbieknek fontos szerepe van. A sugártest másik fontos feladata a csarnokvíz termelése. [1, 20] A szem a funkcióit úgy képes ellátni, hogy a benne lévő szervek egymáshoz képest pontos geometriai elrendeződést mutatnak. A szem növekedését és formáját az üvegtest volumene befolyásolja. Az üvegtest tiszta törőközeg, optikai funkciója a fény átbocsátása, melyet a speciális kollagén elrendeződés biztosít. Az üvegtest védi is a szemet, főként a retinát, magas C-vitamin tartalma miatt biológiai, protektív szerepet képvisel a retinában keletkező toxikus oxigéngyöngyökkel szemben. Az üvegtest alkotóelemei viszkózus elaszticitást biztosítanak, így védik a retinát a mechanikai behatásoktól (ütés, nyomás, rázkódás). Ezen kívül akkomodáció során a sugártest összehúzódásakor az üvegtest elmozdul, így közvetetten részt vesz az akkomodációban is. [2] A retinában három, egymás után következő neuron található: a pálcikák és csapok, a bipoláris sejtek és a ganglionsejtek. A retina bonyolult szerkezete gondoskodik a szenzorikus funkciójáról. A fény a beesésének helyétől legtávolabb eső sejtekben kelt ingert, a csapok és pálcikák rétegében, majd az inget átadódik a bipoláris sejtekre, melyek a jelet továbbítják a ganglionsejteknek. A retinának van egy speciális kissé besüppedt része, ahol a fény közvetlen éri a receptorsejteket, mert ez csak csapokat tartalmaz, a többi réteg hiányzik. Minden itt elhelyezkedő csap egy bipoláris sejthez, azon keresztül egy ganglionsejthez kapcsolódik. A periféria felé haladva egy ganglionsejthez egyre több receptorsejt csatlakozik, emiatt a feloldóképesség (látásélesség) radiálisan kifelé egyre csökken. Tehát a látás a legélesebb a retina bemélyedésének közelében. A periféria felé haladva csökken a csapok és nő a pálcikák száma. 6

16 A csapok a színlátásért és a világos adaptációért, a pálcikák a sötétadaptációért felelős sejtek. [2] A szem optikai rendszere A látásérzet bonyolult folyamat végeredményeként jön létre. A neuroretina közel 127 millió receptora szolgál a fényinger felvételére. Ebben a fotoreceptor rétegben keletkező optikai inger alakul át kémiaivá, és a látópálya hosszú útján jut az occipitális látókéregbe. A látásérzet tehát nagymértékben függ az agyi tevékenységtől, a szemgolyó, mint optikai felvevőközeg a látásban csak az első lépcsőfokot jelenti. [2, 9] A szemet emmetropnak nevezzük, ha nincs fénytörési hibája, azaz a végtelenből érkező párhuzamos fénysugarak a retinán egy pontban képződnek le. Ha ezek a sugarak a látóhártya előtt egyesülnek, akkor rövidlátásról (myopia) beszélünk. Ha a sugarak a látóhártya mögött egyesülnek, akkor a szem túllátó (hypermetropia). [2] 2. ábra A rövidlátás és távollátás [28] 7

17 A szem fénytörését két tényező aránya határozza meg: a szaruhártya és a szemlencse együttesen képviselt törőereje és a szemgolyó hossza. A Gullstrand-féle mintaszem szerint a szemgolyó átlagos össztörőereje alkalmazkodás nélkül 58,64 dioptria (maximális alkalmazkodással 70,57 dioptria), és az ehhez tartozó emmetropiát biztosító szemtengelyhossz pedig 24 mm. A szemben elhelyezkedő 4 törőközeg törésmutatói: szaruhártya n=1,376, csarnokvíz n=1,336, szemlencse n=1,42, üvegtest n=1,336. A szem alábbi funkcióinak vizsgálatával információt nyerhetünk a látás minőségéről: látóélesség, perifériás látás vagy látótér, színlátás, adaptáció, kontrasztérzékenység. [2, 19] A látóélesség a szem felbontóképességére utal: minél közelebbi két pontot tud a szem különállóként felismerni, annál nagyobb a látóélessége. Ahhoz, hogy a retina két pontot elkülönítsen (különállóként lásson), a két csap között, amelyre a két pont képe esik, legalább egy olyan csap kell legyen, amelyre egyik pont képe sem vetül. Ebből következően a legjobb lehetséges látóélesség a fényérzékelő csapok méretétől és sűrűségétől függ, de olyan fizikai tényezők is befolyásolják, mint a diffrakció vagy az optikai aberrációk. Mivel a csapok sűrűsége a retina közepén a legnagyobb, a látóélesség centrálisan a legjobb, a retina perifériája felé pedig egyre csökken. A látótér az a térrész, amelyet a szem egyenes előretekintés mellett lát. A jó színlátó háromféle csappal rendelkezik, amelyek a három fő színt (vörös, zöld és kék) és ezek keverékeit érzékelik. [2] Az adaptáció során a retina érzékenysége alkalmazkodik a különböző fényerejű megvilágításokhoz. Ez a folyamat a pupilla gyors szűkülése és tágulása, valamint a csap- és pálcikalátás közötti átváltás révén valósul meg. Világoshoz adaptált állapotban a csapokkal, sötétben a pálcikákkal látunk. A világos adaptáció gyors folyamat, ellenben a sötétadaptációval, ami lassan, mintegy 30 perc alatt megy végbe. [2] Minél kisebb tónuskülönbségek észlelésére képes a személy, annál jobb a kontrasztérzékenysége. A kontrasztérzékenység csökkenése már a látóélesség romlásához képest jóval korábban is kórjelző lehet. [2] 8

18 Akkomodáció A távolban és közelben lévő tárgyak élesen látásához, így a retinán éles kép keletkezéséhez eltérő törőerő szükséges, ezért a szem fénytörése nem állandó. A szemlencse rugalmassága lehetővé teszi ezt az alkalmazkodási folyamatot, melyet akkomodációnak nevezünk. [2, 9, 12] Az akkomodáció anatómiai alapját a lencse anyaga, a lencsetok, a zonulák, a sugárizom és az érhártya rugalmas része adja. [4] A nyugvó állapotban lévő emmetropiás szemben csak a végtelenben lévő tárgy képe kerül élesen a retinára. Ekkor a szemlencse lapos állapotban van a zonularostok húzó hatása miatt, amely húzást a corpus ciliare izomrostjainak ellazulása okozza. Ilyenkor a szemlencse görbületi sugara a hátsó felszínén 6 mm, elülső felszínén pedig 10 mm, a szemlencse törőereje 20,5 dioptria. Közelre nézéskor a corpus ciliare rostjai összehúzódnak, a zonulák meglazulnak, és a szemlencse rugalmasságánál fogva gömbölyű alakot vesz fel. Ilyenkor a szemlencse mindkét felszínének görbületi sugara 5,3 mm-re csökken, amely változás különösen az első felszínen jelentős, és a törőerő 33 dioptriára nő. A szem alkalmazkodóképességét kifejező accommodációs szélességet dioptriában (D) fejezzük ki, és a szem távol- és közelpontjának meghatározásával állapíthatjuk meg. A szem távolpontja az a legnagyobb távolság, ahonnan érkező képet a szem képes a retinán élesen leképezni; a szem közelpontja pedig az a legkisebb távolság, amelyből még éles kép lehetséges. Akkomodációs szélesség: a legnagyobb és a legkisebb törőképesség különbsége. [2, 19] A szemlencse rugalmassága a születéskor a legnagyobb, majd az életkor előrehaladtával fokozatosan csökken, amely az alkalmazkodóképességet is hasonlóan csökkenti. Az alkalmazkodóképesség életkorral járó csökkenését presbyopiának nevezzük. A presbyopia akkor kezdődik, amikor az accommodációs képesség 3 dioptria alá csökken. [2, 12] 9

19 3. ábra Az akkomodáció folyamata [29] 2.2. Lencsetok mechanikai vizsgálata A lencsét a lencsehám által termelt, homogén, fénytörő, μm vastag lencsetok veszi körül. Ez kollagénlemezekből, lamininból, fibronektinből és proteoglikánokból áll. Elektronmikroszkóp alatt megfigyelhető a lemezes szerkezete, mely egy puha kompozitéhoz hasonló, úgymond a kollagén háló van mátrixba ágyazva. [3, 4, 13] A lencsetok mechanikai tulajdonságainak mérésére egy lehetséges módszer, hogy humán (vagy állati) lencsetok mintákból gyűrű alakot vágunk ki lézerrel egy fémgyűrű sablon segítségével. Ezt kifeszítjük két tűre, majd állandó sebességgel elkezdjük nyújtani azt, közben az erőt és a nyúlást folyamatosan mérjük, egészen a minta elszakadásáig. [21, 22, 23] Ezen vizsgálatok során megállapítható, hogy az öregedéssel a tok folyamatosan veszít mechanikai ellenálló képességéből. Az évek előrehaladtával a szakadási nyúlás, a szakítószilárdság csökken. Az anterior lencsetok vastagsága kb. 75 éves korig nő, utána kissé csökken. Ez a vastagságnövekedés nem kompenzálja a mechanikai tulajdonságok romlását. A fiatalok lencsetokja erős, nagymértékben nyújtható, műtéti úton nehéz felnyitni. [4, 5] 10

20 Vízsugár által biztosított, a lencsemagra kifejtett nyomás segítheti az anterior lencsetokon műtétileg képzett nyíláson a lencse magjának kifordítását. Ez a módszer annak mérésére alkalmas, hogy megállapítsuk, mekkora seben keresztül mekkora lencsemagot lehet eltávolítani a tok széthasadásának elkerülésével. [15] Szintén vizsgálható a fagyasztás hatása a mechanikai tulajdonságokra. Az előbbiekben leírt módszerhez hasonlóan a lencsetokból egy gyűrű kivágásával, annak két tűre kifeszítésével mérhető a szakításhoz szükséges erő. Az tapasztalható, hogy a fagyasztás során közel 5%-al megnövekszik a tok vastagsága, és ennek köszönhetően kissé nagyobb szakítóerő és nyúlásértékek mérhetőek. Összességében a szakítószilárdságot és a merevséget a fagyasztás jelentősen nem befolyásolja. [14] A lencsetokokon folyamatos kör alakú capsulorhexis elvégzése után (a cornea és az írisz eltávolítása után) tolómérő pofáira tűt szerelve, azt a tokon képzett nyílásba helyezve, majd a tolómérőt szakadásig nyitva a következő állapítható meg: a tok, minden nyílás átmérőjéhez hozzájáruló 1 mm után, 0,6 mm-t nyújtható a szakadás veszélye nélkül. [17] 2.3. A szemlencse A lencse átlátszó, bikonvex test, amely az iris és az üvegtest között foglal helyet. Elülső felszínének görbületi sugara nagyobb, mint a hátsóé, törésmutatója középen a legnagyobb, a szélek felé fokozatosan csökken. Akkomodáció során a lencse alakváltozást szenved, aminek következtében a törőképessége változik. A szemlencse mintegy 24 dioptriával járul hozzá a teljes törőképességhez, ami további 10 dioptriával növelhető közelre nézés esetén. [3] 11

21 4. ábra A szemlencse szerkezete (lencsetok, epithelium, lencserostok) [30] A lencse mikroszkopikus szerkezete a következő: a lencserostok 7-10 mm hosszú, hexagonális prizma alakú hasábok, amelyek a rendelkezésre álló teret hézagmentesen töltik ki. A rostok valójában nagyban megnyúlt és átalakult hámsejtek, amelyek az embryonalis lencsehólyag hámsejtjeiből alakulnak ki. A szomszédos rostok nexusokkal kapcsolódnak egymáshoz. A rostok lemezeket alkotnak, amelyek hagymalevélszerűen rendeződnek el a lencse geometriai középpontja körül. Legfontosabb komponensük az oldott állapotban található krisztallin nevű fehérje. A lencserostok a szervezet legnagyobb fehérjetartalmú (60%) sejtes elemei, ezek 90%-át a krisztallinok teszik ki. A fiatal lencserostok víztartalma magas, amely fokozatosan csökken a lencserostok mag felé nyomulásával. [3] 12

22 5. ábra A lencse mikroszkopikus szerkezete (sematikus ábra és mikroszkópos kép) [3, 31] A lencse optikai törőképességét a krisztallinok határozzák meg, amelyek rendkívül stabil, az egész élet folyamán változatlan formában fennmaradó molekulák. Optikai feladatuk ellátását az átlátszóságuk, törésmutatójuk és rugalmasságuk biztosítja. Előbbi két tulajdonság a lencserostok geometriai rendezettségére vezethető vissza. [3] Gyermekkorban a lencse állománya egyenletesen lágy. Az öregedés során először a lencse középpontjában lévő rostok veszítik el rugalmasságukat, a felszíni kéregállomány tovább is rugalmas marad. A lencsemag fokozatosan növekszik, és a lencse öregedése mintegy 40 éves korban jut el arra a szintre, hogy a közelre nézéshez szükséges alkalmazkodóképesség jelentősen beszűkül. Ilyenkor gyűjtőlencsével végezhető optikai korrekció. [3] 13

23 A lencserostokban oldott fehérjék valamilyen okból kicsapódhatnak, így a lencse fokozatosan elveszti átlátszóságát. Ezt a betegséget nevezzük szürkehályognak. Az átlátszatlan lencsét műtétileg el kell távolítani. A lencsenélküli szem nemcsak jelentős fénytörőképesség-veszteséget jelent, hanem az akkomodációs képesség elvesztését is. Ennek korrekciója megfelelő dioptriát képviselő szemüveggel vagy műlencse beültetésével valósítható meg. [3] 6. ábra Az egészséges szem és a szürkeályog [32] 2.4. Szürkehályog A szürkehályog világszerte a vakság fő okozója. Az esetek többségében ez kezelhető, esetleg megelőzhető lenne. A vakok nagyon nagy százaléka a fejlődő országok szegényebb régióiban él, megfelelő beavatkozás hiányában számuk az idő előrehaladtával egyre inkább nő. [6] A szürkehályog és kialakulásának okai A szürkehályog létrejöttének fő oka ha nem veleszületett rendellenesség az öregedés, de egyéb betegségek, kockázati tényezők is elősegíthetik kialakulását. [6] A szürkehályognak kialakulásának helyétől függően 3 fajtája van: nukleáris (magi), kortikális (kérgi) és szubkapszuláris (közvetlen a tok alatti). [6] 14

24 A nukleáris cataracta folyamatosan csökkenő kontrasztot és csökkenő színérzékenységet eredményez, az olvasást nem, de az arcfelismerést, illetve a tárgyak alakjának felismerését nehézkessé teszi. A kortikális cataracta esetében a fény szétszóródik az opak területekről és zavar keletkezik a fény áthaladásában. Ekkor az olvasás nehézkes, vezetéskor a fények zavaróan hatnak, illetve az alacsony szögben beeső napsugarak is kellemetlen érzést okozhatnak. A szubkapszuláris cataracta következményeképpen jó megvilágításnál rosszabb látást tapasztalhatunk, a nappali vezetés és az olvasás nehéz tevékenységgé válik. [6] Sok tanulmány található annak kapcsán, hogy milyen kockázati tényezők segítik elő a szürkehályog létrejöttét, illetve hogyan lehetne megelőzni azt. Ezek főként a következőket említik, mint szürkehályog kialakulásának valószínűségét növelő faktorok: női nem, magas vérnyomás vagy egyéb kardiovaszkuláris betegségek, barna írisz, napfénynek (UV sugárzásnak) való huzamosabb kitettség, bizonyos étrendek, nagymértékű alkoholfogyasztás, dohányzás, cukorbetegség, gyógyszerfogyasztás, fénytörési hiba, rossz lakhatási körülmények, írástudatlanság, egyéb betegségek, traumák. Megelőzőleg hathatnak bizonyos vitaminok a posterior subcapsularis cataractával szemben. [8, 9, 10, 11] Szürkehályog műtét A fejlett országokban manapság a szürkehályogot sokkal korábbi stádiumban operálják, mint régebben. Ennek oka az, hogy a páciensek hamarabb fordulnak látáscsökkenéssel orvoshoz, mint korábban, és életvitelükhöz jobb látásminőséget kívánnak. Műtétet ilyen esetben akkor végeznek, ha a korrigált látóélesség nem elégséges az olvasáshoz, munkához, mindennapi feladatok ellátásához. A fejlődő országokban ez nem olyan egyszerű. Az emberek nem kérnek segítséget, míg jelentős látásromlást nem tapasztalnak, az állam nem fordít elég figyelmet az idősek jóllétére, egészségére, illetve sok helyen kevés az orvos a műtétet igénylő betegek arányához képest. [2, 4] 15

25 A szürkehályogműtétek mintegy 98%-a komplikációmentesen operálható. Tudni kell azonban, hogy a műtét utáni látóélesség függ a szem állapotától, egyéb betegségeitől. [2] A szürkehályog műtéti gyógyításának lényege: az elszürkült lencse eltávolítása és az eltávolított lencse törőerejének pótlása. A lencse eltávolításának két fő formája van: extracapsularis és intracapsularis lencseextractio. [2] Az extracapsularis lencseeltávolítási műtét során a lencse magjának és kérgének eltávolítása történik tokjának helybenhagyásával. A tok meghagyása azt a célt szolgálja, hogy műanyaglencsét ültethessenek a lencse eredeti helyére, eredeti tokjába, ami a műtét utáni legoptimálisabb fénytörést biztosítja. [2] Az extracapsularis cataracta extractiónak két formája lehetséges: extracapsularis extractio a lencsemag kihajtásával (ECCE) 6-8 mm-es seben keresztül, valamint extracapsularis extractio phacoemulsificatióval 1,8-3,0 mm-es seben keresztül. [2] ECCE folyamán a műtétet a következő lépésekben végzik: Corneoscleralis sebkészítés után 6 mm átmérőjű, kör alakú nyílás készítése az elülső tokrészen, amelyen át a lencsemagot exprimálják. Szívó-öblítő berendezéssel a lencsekérget leszívják (irrigáció-aspiráció). A bennmaradt tok belső felszínét polírozzák az esetlegesen rajtamaradt lencserostok teljes eltávolítása céljából. Az így előkészített tokba ültetik a műlencsét. A műlencse két részből áll: 6-7 mm átmérőjű, lencse alakú, centrális optikai részből és ún. haptikából. Ez utóbbi különböző alakú lehet, de általában két, egymással ellentétes irányban hajlított, íves kampó, amely a lencsetokban a lencse aequatora táján elhelyezkedve a tokot mintegy megfeszíti, helyén tartva ezzel a lencsét. Az ECCE műtétek eseteiben beültetett műlencse általában kemény lencse. A lencse beültetése után a sebet 10/0-s monofil nylonvarrattal bevarrják. [2] A lencsemag eltávolítás phacoemulsificatioval a szürkehályogműtétek körében leggyakrabban (az esetek kb. 98%-ában) használt műtéti fajta. A phacoemulsificator egy titánból készült cső, benne ultrahang-frekvenciával longitudinális rezgés keletkezik, amely a kemény lencsemagot darabokra töri, ún. emulzifikálja, a széttört 16

26 magdarabokat kiszívja. A fémfej körül egy gumitömlő található, melyben folyadék kering; ez a hűtést szolgálja. A folyadék beáramlása kompenzálja az ultrahangfejben keletkező szívóhatást is. A bennmaradt kérget szívó-öblítő fejjel távolítjuk el. A phacoemulsificatio kivitelezése a következő lépésekben zajlik: sebkészítés a corneoscleralis határon indulva lamellárisan, alagútformában a corneában, vagy a corneában indulva. Majd nyíláskészítés az anterior lencsetokon. Ezután a mag eltávolítása phacoemulsificatioval, és a kéreg eltávolítása szívó-öblítő fejjel. Ekkor beültethető a műlencse. Ebben a műtéti technikában összehajtható, lágy lencsét alkalmaznak, amelyet 2-3 mm-es összehajtott állapotban ültetnek a lencsetokba, majd ott hő hatására szétterül. A sebet általában nem szükséges bevarrni, széleit folyadékkal felduzzasztva kellő tömítőhatás érhető el. [2] 7. ábra Lencseeltávolítás phacoemulsificatioval [33] Az extractio intracapsularis (ICCE) műtéti formában a lencse egészében, tokjával együtt kerül eltávolításra. Az elszürkült lencsét corneoscleralis seben keresztül kryoszondával távolítják el. Ha az eltávolított lencse fénytörését intraocularis műlencsével akarják korrigálni, ilyenkor elülső csarnoklencse vagy iris-clip lencse beülteté- 17

27 se lehetséges. Napjainkban tervezett intracapsularis extractiót csak nagyon kivételes esetben végeznek. [2] A műtét során felléphetnek komplikációk. A hátsó tok szakadása előfordulhat a műtét minden szakaszában. Ha elég tok marad ahhoz, hogy a műlencsét megtartsa, akkor a lencse beültethető kisebb ruptura esetén a tokba, nagyobb rupturában az elülső tokra, a sulcusba. Sor kerülhet a tok eltávolítására, ilyenkor úgy kezeljük a műtétet, mintha ICCE-műtétet végeztünk volna (elülső csarnoklencse, bevarrt lencse). A tok sérülésekor általában üvegtest jelenik meg az elülső csarnokban. Ezt vitrectommal úgy kell eltávolítani, hogy ne tapadjon a tokhoz vagy a műlencséhez, mert a tapadó üvegtesti köteg rongálhatja a retinát, annak leválását okozva. [2] A beültetendő lencse törőerejét műszerek segítségével megtervezhetjük: ultrahangos biomikroszkópia segítségével megmérjük a szemgolyó hosszát, kiszámoljuk a cornea törőerejét. A két adatból meghatározhatjuk, hogy mennyi törőerőt kell képviselni a beültetendő lencsének ahhoz, hogy az operáció után a szem emmetropiás fénytörését kapjuk. [2] Az intraocularis lencséket anyaguk szerint két csoportra oszthatjuk: kemény és lágy lencsékre. Kemény lencséket ECCE-műtétek alkalmával ültetnek a szembe. Előnyük, hogy nemcsak a tokba, de a sulcusba is jól ültethetők. Hátrányuk, hogy nagyobb seb szükséges behelyezésükhöz, mint a lágy lencsék esetében. A kemény lencsék anyaga polimetil-metakrilát (PMMA-plexiüveg). Évtizedek után is transzparens marad, a környezetével nem lép reakcióba. A lágy lencsék összehajthatók, 2-3 mm-es seben keresztül is beültethetők. Készülhetnek szilikonból vagy akril polimerekből. A jelenlegi lencsék anyaga szövetbarát, idegentest-reakciótól nem kell tartani. [2] 18

28 8. ábra Intraokuláris lencsék típusai [34] A műlencse nem képes törőerejét változtatni, így a páciens vagy közelre, vagy távolra lát élesen, attól függően, hogy műtét során milyen törőerejű lencse lett beültetve a szembe. Az elmúlt pár évben már multifokális lencsék beültetését is végzik. Ezekkel távolra és közelre is jó látás érhető el. [2] Műtéti seb széleinek minősége A szürkehályog műtét során a tokon ejtett bemetszés minőségének szerepe van, a seb szélének milyensége fontos ahhoz, hogy az intraokuláris lencse behelyezésekor ne hasadjon szét a lencsetok. A lencse beültetésekor a seb széleire ható erőnek kisebbnek kell lennie, mint a tok szakadásához szükséges erő. [4, 16] A manuális capsulorhexis (CCC folytonos kör alakú capsulorhexis) és a femtoszekundumos lézeres capsulotomia (FLC) által a tokon képzett nyílások összehasonlítása alkalmával az tapasztalható, hogy a CCC mechanikailag ellenállóbb széleket eredményez. Nagyszámú minta rendelkezésre állásával a két technikával történő tokon képzett nyílás (5 mm, kör alakú) szakadásig nyújtása során a szakítóerő és a kerületi nyúlás mérhető. Ez a két tényező CCC esetében jelentősen nagyobb a lézereshez képest. A manuálisan készített seb széle rendkívül sima, a lézeres esetben a szélek fűrészelt profilt mutatnak. Ideális esetben a rhexis jól centrált, megfelelő méretű, kör alakú és széle folyamatos, így kerülhet a behelyezett műlencse pontosan a helyére, mely ekkor tudja ellátni optikai feladatát. A CCC pontossága a sebész ta- 19

29 pasztaltságán és ügyességén múlik, az FLC kiszámíthatóbban viselkedik. Összességében a barázdált peremű toknyílás mechanikailag kevésbé ellenálló, mint egy sima, mert a barázdák feszültséggyűjtő helyek lehetnek, és a kialakult feszültségcsúcsok következtében a tok berepedhet. Az is megállapítható, hogy az FLC esetén beállított energiaszintek milyen hatással vannak a mechanikai tulajdonságokra. Mérések során azt tapasztaljuk, hogy a magasabb lézerenergiával képzett capsulotomia kevésbé ellenálló. [21, 22, 23] 9. ábra Sebszélek mikroszkopikus szerkezete - A: manuális capsulorhexis esetén sima, B: alacsony energiaszintű lézeres esetén fűrész profilú, C: közepes energiaszintű lézeres esetén jobban barázdált, D: magas energiaszintű lézer használatával már kollagén denaturáció is megfigyelhető [21] 2.5. Szakítóvizsgálat Bizonyos anyagok mechanikai tulajdonságainak meghatározására végezhetünk roncsolásos anyagvizsgálatot, melynek egyik formája a szakítóvizsgálat. A szakítóvizsgálat célja az anyagok húzó igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása, melyet a következő tulajdonságok jellemeznek: anyag rugalmassága, szilárdsága, alakváltozó képessége, szívóssága. A mérés során a vizsgált próbatestet folyama- 20

30 tosan növekvő, egytengelyű igénybevétellel általában szakadásig terheljük. A méréshez használt eszköz a szakítógép. [24] A szakítógépen a befogás módjától függően végezhető szakítás, hajlítás, lyukasztás, lefejtő, rétegközi vizsgálat is. A szakítógép keresztfejét adott sebességgel lefelé vagy felfelé mozgathatjuk hajtása hidraulikus úton vagy munkahengerek segítségével valósítható meg a vizsgálat során. Méréskor a keresztfejhez és a gépállványhoz rögzített befogókba helyezzük a próbatestet, és a keresztfej mozgatásával megtörténik a munkadarab terhelése. Eközben a keresztfej elmozdulását rögzítjük, így tudjuk a próbatest alakváltozását meghatározni. [24] A szakítógéppel szembeni követelmények: - próbatesthez képest nagy merevség - próbatesthez illeszkedő befogószerkezet - erőmérési és regisztrálási lehetőség - befogófej mozgásának mérése, mérési adatok rögzítése - próbatestre illeszkedő nyúlásmérős adatrögzítés (finom nyúlás mérése) - szabályozható sebesség [24] Az erő-elmozdulás diagramok meghatározásához, melyek a szakítóvizsgálat eredményének tekinthetőek, a szakítógép kiegészül egy erőmérő cellával. Működési elve, hogy a ráeső terhelést elektromos jellé alakítja. Felépítése a következő: található benne egy rugalmas alakváltozást szenvedő fém test, és a felületére helyezett nyúlásmérő bélyegek, melyek alakváltozás hatására változtatják villamos ellenállásukat. Az erőmérő cellát a keresztfej és a befogó közé szereljük, így a mérendő mintára ható erők rögzíthetők lesznek. [25] D nyomtatás A szakítógéphez csatlakoztatható befogó 3D nyomtatással készült, ezért érdemes megismerni a technológia alaptulajdonságait. 21

31 A 3D nyomtatás additív gyártástechnológia, anyaghozzáadás útján készíti el a legyártandó darabot. Ezzel a technológiával előállítható bármilyen alakú modell, szinte akármilyen anyag felhasználásával. A CAD rendszerekkel tervezett 3D-s modellek valós térbeli modellé transzformálásához szükséges a modell szeletekre bontása. Ezt az STL fájlformátumba mentés biztosítja. A 3D-s modellből úgy képez le adatokat, hogy a modell felszínét kis háromszögekre bontja, csúcsainak x,y,z koordinátáit és a háromszögekhez tartozó normálvektorok irányát számszerűen rögzíti. Előnye, hogy ez a legegyszerűbb és gyors módja a geometria adatfájlba alakításának. Hátránya, hogy a háromszögekre osztás miatt a lekerekített felületek mentén megjelenik a húrhiba, a képzett sokszögek csak közelítik a kívánt geometriát. [26] A 3D nyomtatás során a megvalósítandó geometria az alapanyagból egymáshoz illesztett vízszintes síkszeletekből épül fel. Egy síkszelet nyomtatása után meg kell várni annak megszilárdulását, majd következhet további rétegek nyomtatása. [26] 10. ábra PolyJet eljárás [26] 22

32 3. KÍSÉRLETI RÉSZ A feladat célja sertésszemek lencsetokjainak mechanikai vizsgálata, elsősorban azok rugalmasságának meghatározása végett. Ehhez szakítóvizsgálatot (lyukasztást) végzünk a mintákon Felhasznált anyagok, berendezések A minta és preparálásához szükséges eszközök A mérésekhez összesen 45 (próbaméréshez további 4) sertésszem került felhasználásra. Az előkészítésükről bővebben a 3.2. fejezetben szólok. A mérésre alkalmas minta kivágásához szükség van az alábbi eszközökre: mikrosebészeti ollók, horgas és sima csipeszek. Ezeket a Semmelweis Egyetem Szemészeti Klinikája biztosította Szakító berendezés Jelen mérésben egy német gyártmányú univerzális számítógép által vezérelt szakító berendezés, a Zwick Z005 vett részt. A keresztfej mozgatásának sebessége ennél a gépnél a 0, mm/min tartományon belül változtatható. Vezérlése számítógépen, a Zwick testxpert programmal történik. A méréshez használt erőmérő cella maximális terhelhetősége 20 N, érzékenysége 10 μn D nyomtatott befogó szerkezet A befogó geometriáját és a méréshez használt paramétereket a 3.3. fejezet ismerteti. A befogó a prototípusgyártó laborban található Object Geometries nevű cég által gyártott, Alaris 30 típusú 3D nyomtatóval készült, mely a PolyJet technológiát alkalmazza a kívánt termék előállításához. Ez az eljárás folyékony halmazállapotú fényérzékeny műgyanta alapanyagot használ. A mozgó nyomtatófejek μm vastag 23

33 rétegeket visznek fel, melyek a nyomtatófejben található UV lámpa fényének hatására szilárdulnak meg. Minden legyártott réteget a simítópenge lesimít, hogy a felület egyenetlenségei kiküszöbölhetőek legyenek. Egy-egy réteg kinyomtatása után a munkatér lefelé mozdul, így a modell maximális mérete korlátozott. Ennél a technológiánál külön támaszanyagra van szükség a gyártás alatt álló modell megtámasztásához. A támaszanyag vízzel oldható, a nyomtatás után könnyen eltávolítható. A laborban található nyomtató 0,028 mm rétegvastagsággal és 6 mm/óra sebességgel dolgozik, a FullCure 835 modell anyagot és a FullCure 705 támaszanyagot alkalmazza a gyártáshoz. A legvékonyabb függőlegesen elkészíthető fal vastagsága 0,6 mm, ez szab határt a lyukasztótüske átmérő méretének. A teljes modellt 0,05 mm pontossággal tudja legyártani. Az elkészült befogó tárgyasztal insert furatának és a tüske átmérőjének mérete (mikroszkóppal lemérve) 50 μm-rel kisebb a tervezettnél. Ez a mérési eredményeket nem befolyásolja. [26] 3.2. Minta előkészítése A minták preparálásához szükséges szemeket minden mérés előtt a Szabadbatytyánban található vágóhídról szereztem be. Az állatok körülbelül 7-8 hónapos korukban kerülnek levágásra, ekkor kg testtömeggel rendelkeznek. Ezt viszonylag homogén csoportnak tekinthetjük, bár minden biológiai minta különböző, a mérések eredményeiben egymáshoz közel eső értékeket várhatunk. A sertésszem anatómiájában hasonlít a humánhoz, ezért a mérést állati mintákon kivitelezzük. Ennek oka, hogy a humán minták nagyon értékesek, kevés áll rendelkezésre belőlük, és amíg a mérési módszer nem tökéletes, addig a validáláshoz szükséges méréseket sertésszemeken hajtjuk végre. A szemek preparálása a Semmelweis Egyetem Szemészeti Klinikáján történt, a beszerzés napján, néhány óra elteltével a vágóhídról kikerülés után. A minta előkészítésének lépéseit a 11. ábra mutatja. 24

34 11. ábra Preparálás lépései: a) szem rögzítése, b) cornea bemetszése, c) cornea eltávolítása, d) írisz eltávolítása, e) tripánkék oldattal megfestés, f) anterior lencsetok körbevágása az ekvátor mentén, g) és h) lencsetok eltávolítása [35] 25

35 Első lépésben célszerű a szemet rögzíteni, hogy a továbbiakban az ne forogjon el, megnehezítve a vágóeszközök használatát. A legegyszerűbb rögzítési mód, hogy az adott munkalapra pillanatragasztóval ráragasztjuk a szemgolyót. A dolgunkat méginkább megkönnyíti, ha ezt egy műanyag kupakba rögzítjük hasonló módon, és a kupakot ragasztjuk a munkalaphoz. A cianoakrilát polimerizációját a víz elősegíti, jelen esetben a szövetek nedességtartalma biztosítja a gyors megkötést. Így azonnal lehet vele dolgozni, a ragasztás nem változtat a szövetek mechanikai tulajdonságain, könnyen hozzáférhető marad a szem, illetve mikroszkóp alá is behelyezhető. Egy nagyobb méretű horgas csipesszel belekapaszkodunk az ínhártyába, és egy késsel a cornea és a sclera határán bemetszést ejtünk úgy, hogy a kést közel vízszintesen tartjuk. Ha a kés kissé befelé dől, rossz szögben vágja át a szaruhártyát, akkor az alatta lévő lencsetok sérülhet, melynek kilyukadása a szemlencsén buborékszerű dudort képez. Ez könnyen észrevehető, ilyenkor a minta értéktelenné válik, mérésre alkalmatlan lesz. A külső rostos burok teljes átvágását a csarnokvíz kifolyása jelzi. Ezután a bemetszés helyénél csipesszel megfogjuk a szaruhártyát, ollóval a corneoscleralis határ mentén, kissé az ínhártyában haladva körbevágjuk a szaruhártyát. Eközben a szaruhártyát a csipesz segítségével felemelve, feszesen tartjuk. A cornea eltávolításával hozzáférhetővé válik az írisz és a lencse (a tokkal együtt). Egy kisebb méretű horgas csipesz és egy kisebb olló segítségével az előzőekhez hasonló módon a szivárványhártya is eltávolításra kerül. A csipesszel óvatosan megfogva és felemelve, feszesen tartva, a szivárványhártya körbevágható. Célszerű több fogásban végighaladni a kerületén, mivel alatta a lencsetok található, és könnyen kiszakadhat, ha az eszközök megcsúsznak. Itt érdemes megjegyezni, hogy a szürkehályog műtétek alkalmával nem távolítják el a corneát és az íriszt, de jelen méréshez a befogás megkönnyítése végett a minta mérete így lesz a lehető legnagyobb. A következő lépésben a lencsetok eltávolítása következik. A preparálás alatt lévő szemgolyónak ekkor ez a legfelső látható hártyája. Alatta csak átlátszó, üvegszerű 26

36 rétegek találhatóak, ezért, valamint a minta mérés közbeni jól láthatóságáért tripánkék oldattal megfestjük a lencsetokot. Ez a mérést nem befolyásolja, a tok szerkezetén, mechanikai tulajdonságain nem változtat. Fecskendővel két cseppet tehát közvetlenül a lencsetokra juttatunk. Az anterior lencsetok eltávolítása a tok ekvátor menti körbevágását jelenti. Ehhez a kisebb olló egyik élét a tokba szúrva óvatosan megvágjuk azt, majd minden vágás után az ollót kivesszük a tokon képzett sebből, utána az előző vágásokhoz folytatólagosan újabb és újabb vágásokat végzünk. Eközben figyelnünk kell arra, hogy ha túl mélyre nyomjuk az ollót, az kifordíthatja a lencsét a tokból, illetve kilyukaszthatja a hátsó tokot, ami az elülső tok széthasadásához vezethet. Ha nem kényelmes a hozzáférés a csipesszel, érdemes akár a munkalapot közben forgatni, és úgy folytatni a körbevágást. A körbevágott lencsetok eltávolítása sima, nem horgas csipesszel történik, majd a mérés időpontjáig fiziológiás sóoldattal (nátrium-klorid vízben oldva) teli eppendorf csövekben hűtve tároljuk. A sóoldat közelítőleg olyan összetételű, mint a csarnokvíz. Látható, hogy a minta nedves közegben összepöndörödik, szélei begyűrődnek. Szivaccsal könnyedén kiteríthető a mérésre alkalmas, korongszerű alakra A befogó bemutatása A méréshez tartozó befogó az egyetem Polimertechnika Tanszékénél Karakas István által az előző évben készített szakdolgozat feladatának eredménye. Ennek tervezése az Autodesk Inventor 3D CAD-programban szimultán fejlesztés során megalkotott modell alapján történt. A végleges verziójú befogó a következő iterációs lépésekben érhető el: a modell alapján prototípusgyártás, azon tesztmérések végzése, majd továbbfejlesztés. A lyukasztás lényege, hogy egy furattal ellátott tárgyasztalra helyezzük a mérendő munkadarabot, és egy függőlegesen lefelé elmozduló, a furattal középpontosított tüske terheli a munkadarabot. A terhelés hatására a minta a furat kerülete és a tüske 27

37 hegye mentén megfeszül, majd a tüske állandó sebességű benyomódása során a minta anyagában folytonossági hiba jelenik meg, tehát kilyukad. Jelen mérések esetén a tüske mozgatása a szakítógéppel történik, így a tüskére ható erők és a tüske elmozdulása mérhető. A lyukasztáshoz tartozó mérési elrendezés vázlata a 12. ábrán látható. 12. ábra Lyukasztási vizsgálat sematikus rajza [35] Részei: - tárgyasztal: furattal van ellátva; a szakítógépbe történő rögzítése szükséges - minta: a mérendő munkadarab - fedlap: mivel a lencsetok μm vastag, ez annak leszorítására szolgál, így nem gyűrődik be a furatba, mérés során nem mozdul el - tüske A befogó tervezése során változtatott paraméterek a következők: D furat átmérője d tüske átmérője v tüske mozgatási sebessége illetve a tüske hegyének geometriája A tüske hegye félgömb alakú, így nincs olyan éle, ami a tokra túl nagy nyomást kifejtve kiszakítaná azt. 28

38 A szakítógéphez való csatlakoztatás megoldása a következőképpen valósul meg: a tárgyasztal a gépállványhoz, a tüske a keresztfejhez rögzítendő. A tüske rögzítése egy kisméretű, szálak befogására alkalmas befogófejjel történik. Ezzel a megoldással csak egy tengely mentén pozícionálható a tüske, így a tüske hegyének és a furat középpontjának centralizálása még nem teljesen megoldott. A tárgyasztal a gépállványon található furatokhoz csavarok segítségével rögzíthető. Ha a tárgyasztal furatai enyhén nagyobbak a szükségesnél, akkor a csavar és a furat játéka biztosítja a középpontosítást. A csavarok meghúzásával a tárgyasztal mérés közbeni elmozdulása gátolt. A konstrukció geometriai méreteinek megválasztásához az alábbi szempontokat kell figyelembe venni: a tüskének kellően kicsinek kell lennie ahhoz, hogy a lyukasztani kívánt terület homogénnek tekinthető legyen, ne befolyásolja azt a minta teljes geometriai kiterjedése, és kellően nagynak kell lennie ahhoz, hogy ne a lencsetokot érő szúró hatás, hanem a felületére eső terhelés miatt szakadjon el. Ezen kívül fontos a d/d arány; ahhoz, hogy ne legyen súrlódás a tüske és a furat között, az átmérőik geometriai méretei legalább 0,4 mm különbséget kell, hogy mutassanak. Azonban a furat átmérője nem lehet 1,2 mm-nél nagyobb, mert ekkor belesüppedne a furatba a lencsetok, így méréskor nem lenne sík a felülete, ami befolyásolná az eredményeket. A végleges mérési elrendezést a 13. ábra szemlélteti. Ennél a mérési paraméterek a következők: D=1,2 mm, d=0,8 mm, v=1 mm/min. 29

39 13. ábra A befogó szerkezet részei (felülről lefelé: tüske, fedlap, tárgyasztal insert, tárgyasztal) [35] A szakítógépbe közvetlen befogott tárgyasztal kiegészül egy insert elemmel, ami a tárgyasztalban kialakított négyzet alakú furat és az insert alsó részén található négyzetes csap illeszkedésével rögzül. Ennek előnye, hogy az alakzárás gátolja az insert elmozdulását mérés közben, illetve a mérések között a minták behelyezését, a cserélhetőséget könnyíti. A tárgyasztal inserten továbbá található két vezetőcsap, ehhez tartozóan a fedlapon két vezetőfurat, melyek kapcsolata a fedlap tárgyasztal inserthez képesti elmozdulását akadályozza meg. A lencsetok további rögzítése, tehát a két lap közé szorítása szükséges annak elcsúszása, gyűrődése elkerülése végett. A fedlap geometriája így kiegészül egy leszorító bordázattal: a lyukasztás tengelyéhez képest 2 koncentrikusan elhelyezkedő kör alakú félkör profilú borda 0,1 mm magasságban emelkedik ki a fedlap alsó síkjából. A borda azért félkör profilú, hogy a leszorítás folyamán a bordaélek ne vágják ki a min- 30

40 tát. Ezen kívül a bordák negatívjainak megfelelő süllyesztékek kerülnek a tárgyasztal insert furata köré. A leszorító erőt az insert és a fedlap széleire helyezett irodai binder csipeszek biztosítják. Így a lencsetok erővel és alakkal zárt, mérés közbeni elmozdulása gátolt Mérés menete Legelőször az előzőekben ismertetett mérési elrendezésnek megfelelően előkészítjük a szakítógépet. Csatlakoztatjuk a 20N terhelhetőségű erőmérő cellát mind a szakító berendezéshez, mind a számítógéphez. A szálak szakításához alkalmazott befogót rögzítjük a keresztfejhez. Ebbe befogjuk a tüskét úgy, hogy a tű középvonala egytengelyű legyen a befogó pofáinak középvonalával. Rögzítjük a tárgyasztalt is úgy, hogy a tárgyasztal insert furatának segítségével pozícionáljuk, és középpontosítjuk a tüskét és a furatot (ekkor a tüskét lefelé, a furatba mozgatva az erőmérő cella végig 0N erőt kell, hogy mérjen, így a tüske és a furat között nincs súrlódás). Ezután a Zwick TestXpert programban beállítjuk a mérés paramétereit (keresztfej sebessége, milyen magasságból induljon a mérés, milyen maximális elmozdulás értéknél állítsa le a program a mérést, hogy ne törjön el a tüske, mekkora maximális erő esetén állítsa le a program a mérést, hogy védje az erőmérő cellát, stb.), lenullázzuk az erőket. A mérés megkezdéséhez a lencsetokot ki kell teríteni a tárgyasztal insertre, háromszög szivacs vagy fültisztító pálca segítségével úgy, hogy a lencsetok kivágott korong alakú darabjának közepe essen a furat középpontjához. A következő lépésben ráhelyezzük a fedlapot, binder csipeszekkel leszorítjuk azt, majd a csipeszek fém kapcsait kiszedjük, mert aránylag nagy mérete miatt akadályozná a keresztfej által a minta megközelítését. A tárgyasztal insertet a leszorított fedlappal és a csipeszekkel együtt a tárgyasztalba illesztjük (négyzetes csap-furat kapcsolat). A mintadarab síkját megközelítjük a tüskével, innen fogjuk kezdeni a mérést. Ez lecsökkenti az egy minta mérésével töl- 31

41 tött időt, mivel a mérési sebesség kicsi. Eleinte méréseinkben a tüskét a lencsetoktól távolabbról, nagyobb sebességgel indítottuk és 0,01 N preload-ot beállítva lassítottuk le. Ez azt jelenti, hogy amíg az erőmérő cella nem mér 0,01 N-t, addig a megadott 10 mm/min sebességgel halad a tüske lefelé, majd a beállított erőérték meghaladása után lelassul 1 mm/min sebességűre. A további mérések esetén a tüskét a mérés indítása előtt a tárgyasztal insert síkjától 0,5 mm-re pozícionáltuk, és innen kezdődött a mérés, egyenletes 1 mm/min sebességgel. Így elkerülhetők azon mérési hibák, amik abból adódhatnak, hogy a tüske behatolásakor egy nagyságrenddel nagyobb sebességgel halad a lencsetokban, mint a megadott erőérték érzékelése után. Ekkor elindítható a mérés, a paramétereknek megfelelően. A lyukasztás végeztével a keresztfejet manuálisan feljebb toljuk, hogy könnyen hozzáférhető legyen a mintát tartalmazó szerkezet, majd ezt kivesszük. Eltávolítjuk a csipeszeket és a fedlapot, majd láthatóvá válik a lencsetok, melyen megvizsgálhatjuk, hogy kilyukadt-e illetve begyűrődött-e. A mérés során a programban generált erő-elmozdulás diagramot a görbe pontjaihoz tartozó adatokkal együtt elmentjük, és a későbbiekben ebből végezhető a mérés kiértékelése. A soron következő minta méréséhez csak el kell távolítani a befogóról az elszakított darabot, érdemes azt letörölni, megtisztítani, majd az újabb lencsetokot befogjuk az előzőekben leírt lépésekhez hasonlóan. 32

42 14. ábra A mérés kivitelezése (az ábrán látható a befogó szakítógéphez való csatlakozása is) [35] 33

43 4. MÉRÉSEK Összesen 45 minta mérésére került sor, melyeket 3 alkalommal, kéthetes eltérésekkel szereztem be. Feltételezzük, hogy a minták csoportjainak mérésekor az eredményekben lesznek eltérések, melyek forrását szeretnénk meghatározni, ezért érdemes összehasonlítani a különböző tárolási módokat, illetve azok hatását a mérési eredményekre. Erre a következő mérési tervet állítottuk fel: az első két mérés alatt vizsgáljuk az aznap preparált, fiziológiás sóoldatban tárolt, másnap lemért lencsetokokat. Ez összesen 30 mérési adatot eredményez. Majd a 3. adagot háromfelé választjuk, 5 mintát 1 napos fagyasztás után, 5 mintát egy hetes hűtőben tárolás után és 5 mintát egy hetes fagyasztás után vizsgálunk Mérések kivitelezése Első mérés Az első mérés alkalmával 15 minta került kilyukasztásra. Ezek közül egy volt olyan, ami kissé begyűrődött, ennél az erő-elmozdulás grafikonról megmondható, hogy hol szakadt el, továbbá egy minta rátapadt a fedlapra, de ez nem befolyásolta a mérési eredményt. A mérés paramétereiként a következőket állítottuk be: a tüskét a minta síkjától kissé feljebbi pozícióból úgy, hogy a tárgyasztal insert a fedlappal együtt könnyen kivehető legyen indítottuk 10 mm/min sebességgel, és a preload értékének 0,01 N-t adtunk meg. Amikor elérjük a preload erőértékét, a keresztfej sebessége lelassul 1 mm/min-re. A mért erő- és elmozdulás értékeket az alábbi diagramon (15. ábra) ábrázoltam, így megfigyelhető, hogy mely tartományokban oszlanak el az értékek, illetve az átlagos- 34

44 tól messzire eső pontok kiugró értékeknek (mérési hiba) tekinthetők, melyeket az eredmények kiértékelésénél nem veszünk figyelembe. 15. ábra Mérési adatok ábrázolása (a pirossal jelölt pontok a kiugró értékek) A mérések eredményeiként adódó erő-elmozdulás grafikon tipikus alakját a 16.ábra szemlélteti, melyen látható, hogy a kezdeti szakaszok nagyjából azonosak, de a szakadási pillanatban mért értékek nagy szórással rendelkeznek. Jelen esetben a könnyebb áttekinthetőség érdekében csak 4 diagramot mutatok be, de a többi is hasonló jelleget ölt. 35

45 16. ábra Tipikus erő-elmozdulás grafikonok Azonban nem minden mérés sikerült tökéletesen, az ideálistól jelentősen eltérő diagramokat is tapasztaltunk. A kiugró értékek esetén vagy a begyűrődésnél ilyen görbékkel álltunk szemben. A begyűrődött minták többségénél ugyan a grafikon alapján valószínűsíthető a szakadás helye, de ez a feltételezés a kiértékelés során okozhat különbségeket. 36

46 17. ábra Kiugró elmozdulás érték szakadásnál 18. ábra Begyűrődés jellege 37

47 Második mérés A második mérés során is 15 minta lett vizsgálat alá vetve, az első alkalomhoz teljesen hasonló módon. A különbséget a mérési paraméterekben a tüske kiinduló pozíciója és a preload előtti sebesség jelenti. A tüskét a minta behelyezése után 0,5 mm-re pozícionáljuk a tárgyasztal insert felső lapjától. Amíg az erőmérő nem érzékeli a preload értéket, addig is 1 mm/min sebességgel halad a keresztfej lefelé, 0,01 N elérése után nem változik a sebesség, csak innen kezdődik a mért értékek regisztrálása. Megjegyzésként megemlítendő, hogy a tüskét nem sikerült teljesen a furathoz középpontosítva befogni, ha a tüske nagyobb elmozdulás értékekig mozog az egyes mérések során, egy kisebb súrlódó erő hozzáadódhat a valódi értékekhez. A második mérési sorozat értékeit a 19. ábra tartalmazza: 19. ábra Második mérés adatai, a kiugró értékek pirossal jelölve 38

48 A második mérés tipikus erő-elmozdulás diagramjai az elsőhöz hasonlóak, illetve itt is találkoztunk ettől eltérő görbékkel. 20. ábra A második mérés során tapasztalt tipikus diagramok 21. ábra A minta kilyukadt, de rátapadt a felső lapra 39

49 22. ábra A szakadásnál mért elmozdulás érték kiugró Harmadik mérés Itt a tárolás hatását vizsgáljuk, 5 minta mérésén keresztül. Ezeket sóoldattal teli eppendorf csövekben tároltuk, 12 órára hűtőgép fagyasztójába (kb. -15 C) téve. A mérési paramétereken nem változtattunk, az eredmények a 23. ábra diagramjain találhatóak: 40

50 23. ábra Harmadik mérés adatainak ábrázolása Negyedik mérés Az utolsó mérésnél szintén a tárolás hatását vizsgáltuk. Először az 1 hétig sóoldattal teli fiolákban, hűtőgépben tárolt mintákat vetettük vizsgálat alá. Végül az 5 db üres, sóoldat nélküli eppendorf csövekben, -80 C-on tárolt minta került sorra. A mérési paraméterek itt sem változtak az előzőekhez képest. Megjegyzésként megemlítendő, hogy a fagyasztott minták tárgyasztal inserte való kiterítése nehézkesebb volt, mint a többié, mivel jobban tapadt a befogóhoz, nem nedves közegben volt tárolva. Feltételezhető, hogy a mérés során emiatt tapadt rá a tüskére, így minimális súrlódó erő hozzáadódhatott az eredményekhez. A hűtött minták mérési eredményeit a 24. ábra, a fagyasztott mintákét a 25. ábra tartalmazza: 41

51 24. ábra A negyedik mérés adatai (az egyik minta nem lyukadt ki, ezt nem ábrázoltam) 25. ábra A negyedik mérés fagyasztott mintáinak mért adatai (pirossal a kiugró érték) 42

52 A legtöbb tipikustól eltérő grafikonnal a 4. mérés során találkoztunk, ezért a következő ábrákon bemutatom a gyűrődés jellegét, a tüskére tapadást, illetve azt a mintát, amelyik nem lyukadt ki a mérés alatt. 26. ábra Gyűrődő minta diagramja 27. ábra A ki nem lyukadt minta diagramja 43

53 28. ábra A minta tüskére tapadásának jellege 4.2. Eredmények A mérési eredményeket a testxpert program TRA fájlformátumban el tudja menteni, amit a Microsoft Excel programba könnyű beimportálni. Az adatsorokat felhasználva a pontokra görbét illesztünk, ez lesz az erő-elmozdulás diagram. Egy tipikus görbe jellege hasonlít a membránok exponenciális karakterisztikájához. Amely mérések ettől nagymértékben eltérőek voltak, ott a lencsetok mérés közben begyűrődhetett a furatba, rátapadhatott a tüskére, akár ki sem lyukadt a minta, esetleg más mérési hibát tapasztaltunk. A kiugró értékeket elhagyva az alábbi átlagértékeket kapjuk: a lencsetok szakadásánál mérhető erő átlagos értéke: 0,45 ± 0,15 N a szakadásnál mért tüske elmozdulás: 1,57± 0,42 mm (a lencsetok érintésétől mérve) A tavalyi mérések eredményeivel ezek az értékek összehasonlíthatóvá válnak az alábbi oszlopdiagram alapján: 44

54 29. ábra Oszlopdiagram a különböző mérési napokon mért átlagos erő- és elmozdulás értékek és szórásuk szemléltetésére 45

55 4.3. Eredmények kiértékelése A mérési eredmények kiértékelése során fő célunk a lemért adatok eloszlásának meghatározása. Az összes mért érték közül a statisztikai elemzéshez a kiugró értékeket, melyek mérési hiba eredményeiként jöhettek létre vagy a biológiai minták különbözőségeiből fakadhatnak, figyelmen kívül hagyjuk. Először külön-külön a mérési napokat vizsgáljuk, majd a különböző alkalmakat egymáshoz viszonyítva figyeljük meg az eltéréseket. Az első mérés 15 mintájából végül 14 került statisztikai elemzésre. Mind az erő- és elmozdulás értékekre a Shapiro-Wilk tesztet alkalmaztuk a Statistica program segítségével. A teszt nullhipotézise az, hogy az adatsor normális eloszlású. Ha a szignifikancia szint nagyobb egy küszöbértéknél (p 0,05), akkor a nullhipotézist elfogadjuk. A mért értékek minimuma és maximuma közötti tartomány megfelelő számú, egyenlő szélességű részekre osztása után a gyakoriságokat ábrázoljuk. Erre az ábrára az elemzéshez használt próba eredményének tekinthető eloszlást is rárajzoljuk. A Shapiro-Wilk teszt alapján az erőértékek eloszlása normál (p=0,2063 szignifikancia szint mellett). Szintén a Shapiro-Wilk teszt szerint az elmozdulás értékek is normál eloszlásúak (p=0,1999). 46

56 30. ábra Az első mérés során mért szakadási erők eloszlása Shapiro-Wilk próba alapján (p=0,21) 31. ábra Az első mérés során mért tüske elmozdulás értékek eloszlása Shapiro-Wilk próba alapján (p=0,2) 47

57 A második mérési adatsorra, melynél 15 mintából 11 mérési eredmény maradt a kiugró értékek eltávolítása után, ugyanezt elvégezve a következőt kapjuk eredményül: Shapiro-Wilk próba alapján az erőértékek eloszlása normál (p=0,7398), és az elmozdulás értékek is normál eloszlásúak (p=0,79). 32. ábra A második mérés erőértékeinek eloszlása Shapiro-Wilk teszt alapján (p=0,74) 33. ábra A második mérés elmozdulás értékeinek eloszlása Shapiro-Wilk teszt alapján (p=0,79) 48