Για πρώτη φορά πραγματοποιήθηκε ακριβής και ελεγχόμενη σμίλευση επιφάνειας πολυμερούς PMMA (Polymethyl methacrylate) χρησιμοποιώντας υπερβραχείς παλμούς femtosecond στο ορατό φάσμα (λ = 513 nm). Η διαδικασία επέτρεψε έλεγχο βάθους τροποποίησης με ακρίβεια 10μm, χρησιμοποιώντας Optical Coherence Tomography (OCT) για in situ μέτρηση της μορφολογίας και του βάθους επεξεργασίας.
Η διαθλαστική χειρουργική αναδύθηκε ως ένα επαναστατικό πεδίο της οφθαλμολογίας, με στόχο τη μόνιμη τροποποίηση της διαθλαστικής ισχύος του οφθαλμού και την απεξάρτηση των ασθενών από τα διορθωτικά μέσα.
Η αντιμετώπιση σύνθετων διαθλαστικών ανωμαλιών και η εξατομίκευση της θεραπείας με βάση τη μοναδική μορφολογία του κάθε οφθαλμού, αποτελούν ενεργά πεδία έρευνας. Στο πλαίσιο αυτό, η ανάπτυξη εξατομικευμένων ενδοφακών (IOLs) μέσω προηγμένων τεχνικών κατεργασίας υλικών, όπως η αφαίρεση υλικού τους με femtosecond laser, καθώς και η ελεγχόμενη μόνιμη αλλαγή του δείκτη διάθλασής τους, αναδεικνύεται ως μία ιδιαίτερα υποσχόμενη κατεύθυνση για την επόμενη γενιά διαθλαστικών επεμβάσεων [1,4].
Για την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης, πραγματοποιήσαμε πειράματα αφαίρεσης υλικού (ablation) με χρήση femtosecond laser για πρώτη φορά στο ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος σε ενδοφακούς από πολυμεθακρυλικό μεθυλεστέρα (PMMA), χρησιμοποιώντας παλμούς διάρκειας 200fs στα 513nm, με στόχο τη διερεύνηση ελεγχόμενης τροποποίησης της επιφάνειας. Επιπλέον, η παρούσα μελέτη είναι η πρώτη που συνδυάζει την Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM) και την Οπτική Τομογραφία Συνοχής (Optical Coherence Tomography, OCT) ως τεχνολογίες ανίχνευσης για την ανάλυση, την ακριβή μέτρηση του βάθους και της τρισδιάστατης δομής των κρατήρων αφαίρεσης. Ο σχηματισμός λείων κρατήρων με ελάχιστη θερμική βλάβη περιμετρικά αναδεικνύει τις δυνατότητες της κατεργασίας με femtosecond laser στο ορατό φάσμα μέσω μη γραμμικών φαινομένων απορρόφησης ως ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για την ανάπτυξη εξατομικευμένων ενδοφακών, προσαρμοσμένων στον εκάστοτε ασθενή.
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
Η πηγή laser ήταν ένα σύστημα femtosecond (fs) laser PHAROS (Light Conversion, Vilnius, Λιθουανία), το οποίο εξέπεμπε παλμούς διάρκειας 200fs με κεντρικό μήκος κύματος 513nm (δεύτερη αρμονική). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Ερευνητικό Κέντρο Laser του Πανεπιστημίου του Βίλνιους (VULRC). Η μέγιστη μέση ισχύς εξόδου ήταν 528mW, με μέγιστο ρυθμό επανάληψης 6kHz. Η διάμετρος της δέσμης πριν από την εστίαση ήταν 4,5mm (μετρημένη στο 1/e της μέγιστης έντασης). Τα δείγματα ενδοφακών (IOL) ήταν κατασκευασμένα από PMMA και είχαν ονομαστική ισχύ +24,5dpt και +25,5dpt (Hanita Lenses, μοντέλο BAL-15, Kibbutz Hanita, Ισραήλ). Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, η ενέργεια παλμού και η αντίστοιχη μέγιστη ένταση μεταβάλλονταν συστηματικά για την παραγωγή κρατήρων αφαίρεσης (ablation) διαφορετικών μεγεθών και μορφολογιών. Τα δομικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά που προέκυψαν από τη διαδικασία αφαίρεσης εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM, JEOL JSM-6510LV, JEOL, Τόκιο, Ιαπωνία). Οι μετρήσεις Οπτικής Τομογραφίας Συνοχής (OCT Optovue RTVue Avanti XR, Optovue Inc., Fremont, CA, USA) πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Οπτικής Μετρολογίας, του Τομέα Οπτικής και Οπτομετρίας, του Τμήματος Βιοϊατρικών Επιστημών, του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Η πειραματική διερεύνηση επικεντρώθηκε στην τροποποίηση της επιφάνειας δειγμάτων ενδοφακών PMMA υπό ακτινοβόληση με fs laser, μεταβάλλοντας την ενέργεια παλμού και τον ρυθμό επανάληψης. Ο πρωταρχικός στόχος ήταν να αξιολογηθεί εάν μπορούν να δημιουργηθούν ελεγχόμενα και αναπαραγώγιμα χαρακτηριστικά αφαίρεσης χωρίς να διακυβεύεται η οπτική ποιότητα του φακού. Παρουσιάζουμε αντιπροσωπευτικές εικόνες δειγμάτων μετά από αφαίρεση. Χρησιμοποιώντας παλμούς laser διάρκειας 200fs στα 513nm (δεύτερη αρμονική), παρατηρήσαμε τον σχηματισμό καλά καθορισμένων μικροκρατήρων στην επιφάνεια του φακού. Αυτοί οι κρατήρες εμφάνιζαν λεία και καλά διαμορφωμένα χείλη, χωρίς κανένα ίχνος εσωτερικών ρωγμών ή υπολειμμάτων (debris), ένα αποτέλεσμα που είναι ουσιώδες για τη διατήρηση της οπτικής ακεραιότητας του ενδοφακού (Εικόνες 1,2).
Μια ποσοτική ανάλυση της διαδικασίας αφαίρεσης πραγματοποιήθηκε με τη γραφική παράσταση του μέγιστου βάθους κρατήρα συναρτήσει του αριθμού των διαδοχικών παλμών που εφαρμόστηκαν στο δείγμα (Εικόνα 3). Γι’αυτή τη μέτρηση, η ενέργεια παλμού διατηρήθηκε σταθερή στα 88μJ. Η καμπύλη που προκύπτει δείχνει μια μη γραμμική εξάρτηση του βάθους από τον αριθμό των παλμών, υποδεικνύοντας αθροιστική εναπόθεση ενέργειας και μια τάση προς κορεσμό της αφαίρεσης πέρα από ένα ορισμένο όριο.
Πειραματικά, παρατηρήσαμε ότι η αύξηση του αριθμού των παλμών εντός του υπό διερεύνηση εύρους οδήγησε σε μια ελαφρώς μη γραμμική αύξηση του βάθους των κρατήρων, ενώ η ποιότητα των κρατήρων παρέμεινε σταθερή, με λεία χείλη και ελάχιστα ίχνη μικρορωγμών ή θερμικής υποβάθμισης. Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η ακτινοβόληση με femtosecond laser στα 513nm, υπό τις ενέργειες παλμού που δοκιμάστηκαν στην παρούσα μελέτη, αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνική για την εξατομίκευση ενδοφακών PMMA μετά την κατασκευή τους. Εστιάζοντας το laser στο εσωτερικό του ενδοφακού, μπορούν να επιτευχθούν επίσης ελεγχόμενες μεταβολές του δείκτη διάθλασης, παρέχοντας μια δυνητική οδό για την εξατομίκευση των ενδοφακών μετά την κατασκευή τους μέσω προσαρμοσμένης διάδοσης του φωτός [5]. Μια τέτοια προσέγγιση θα μπορούσε να επιτρέψει τροποποιήσεις της διαθλαστικής ισχύος ειδικά προσαρμοσμένες στον εκάστοτε ασθενή, διατηρώντας παράλληλα την ακεραιότητα του υλικού του εμφυτευμένου φακού.
Εικόνα 1. Πρώτο δείγμα ενδοφακού. Η ισχύς του laser ήταν 528 mW, ο ρυθμός επανάληψης 6 kHz και εφαρμόστηκαν 500 παλμοί στο δείγμα. (α) Εικόνα SEM της περιοχής αφαίρεσης με laser (β) Εικόνες OCT των μετρήσεων τόσο του πάχους του ενδοφακού όσο και του βάθους αφαίρεσης. Ο ενδοφακός τοποθετήθηκε κάθετα ως προς τον άξονα του φακού του συστήματος OCT· το κάτω μέρος της εικόνας OCT αντιστοιχεί στο υπόστρωμα πολυουρεθάνης που χρησιμοποιήθηκε για τη στήριξη.
Εικόνα 2. Δεύτερο δείγμα ενδοφακού. Η ισχύς του laser ήταν 528 mW, ο ρυθμός επανάληψης 6 kHz και εφαρμόστηκαν 500 παλμοί στο δείγμα. (α) Εικόνα SEM της περιοχής αφαίρεσης με laser· (β) Εικόνες OCT των μετρήσεων τόσο του πάχους του ενδοφακού όσο και του βάθους αφαίρεσης.
Εικόνα 3. Γράφημα του μέγιστου βάθους αφαίρεσης σε συνάρτηση με τον αριθμό των διαδοχικών παλμών που προσέπτωσαν στο δείγμα. Η ενέργεια παλμού ήταν 88 μJ. Οι ράβδοι σφάλματος (error bars) στον άξονα y αντιστοιχούν στη διακριτική ικανότητα του συστήματος OCT που χρησιμοποιήθηκε.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Η αλληλεπίδραση παλμών femtosecond laser στα 513nm σε ενδοφακούς PMMA ευνοεί τη δημιουργία λείων κρατήρων με υπο-μικρομετρική ακρίβεια και ελάχιστες θερμικές ρωγμές. Δεν παρατηρήθηκε σημαντική ενανθράκωση (carbonization) η οποία συνδέεται με θερμικά φαινόμενα που γίνονται πιο έντονα για μεγαλύτερες διάρκειες παλμών (ns ή ps), όπου η θερμική διάχυση οδηγεί σε παράπλευρη βλάβη. Στην αφαίρεση με femtosecond, η εξαιρετικά μικρή διάρκεια παλμού περιορίζει την εναπόθεση ενέργειας εντός του βάθους οπτικής διείσδυσης και ελαχιστοποιεί τη μεταφορά θερμότητας στο περιβάλλον υλικό. Επιπλέον, η επιλογή ακτινοβολίας στα 513nm (πράσινο) συμβάλλει επίσης σε αυτό το αποτέλεσμα, καθώς έχει αναφερθεί ενανθράκωση στην κόκκινη περιοχή του ορατού φάσματος [6,9]. Έτσι, ο συνδυασμός της εξαιρετικά μικρής διάρκειας παλμού με τη λειτουργία στην πράσινη φασματική περιοχή πιθανότατα εξηγεί την απουσία αξιοσημείωτης ενανθράκωσης στα αποτελέσματά μας. Το εύρημα αυτό αναδεικνύει ένα πρόσθετο πλεονέκτημα της ακτινοβόλησης με ορατό femtosecond έναντι των υπέρυθρων laser μεγαλύτερου μήκους κύματος για την ακριβή μικρο-δόμηση πολυμερικών υλικών.
Έτσι, υπάρχει πλέον η δυνατότητα για ακριβή, μη θερμική τροποποίηση επιφανειών με χωρική ανάλυση λίγων μικρο- μέτρων. Είναι πλέον εφικτό:
- Να χαρτογραφούνται διαθλαστικά σφάλματα μετά την κατεργασία ενδοφακών
- Να βελτιώνονται οι οπτικές ιδιότητές τους με στοχευμένες διορθώσεις
- Να προβλέπεται η οπτική συμπεριφορά πριν από την εμφύτευση
- Τοπογραφία και τομογραφία ενδοφακών
- Αναλυτική αποτύπωση κερατοειδικών χαρτών και διαθλαστικών εκτροπών έως 5ης τάξης (Zernike polynomials) σε PMMA ενδοφακούς
- Ανάλυση πάχους και διαθλαστικού δείκτη με μικρομετρική ακρίβεια
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Laser Research Center του Πανεπιστημίου του Βίλνιους, Λιθουανία (Vilnius University, Lithuania), σε συνεργασία με το Εργαστήριο Οπτικής Μετρολογίας του Τομέα Οπτικής και Οπτομετρίας, Τμήμα Βιοϊατρικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής και παρουσιάστηκαν στο διεθνές συνέδριο “Radiate and Laserlab-Europe Users Meeting in Nanoscience”, 10/2025 στη Σεβίλλη, Ανδαλουσία, Ισπανία. Η εργασία αυτή έχει δημοσιευτεί στο έγκυρο διεθνές επιστημονικό περιοδικό photonics 11/2025: https://www.mdpi. com/2304-6732/12/11/1082
Βιβλιογραφία
- Davison, J.A.; Simpson, M.J. History and Development of the Apodized Diffractive Intraocular Lens. J. Cataract Refract. Surg. 2006, 32, 849–858.
- Khandelwal, S.S.; Jun, J.J.; Mak, S.; Booth, M.S.; Shekelle, P.G. Effectiveness of Multifocal and Monofocal Intraocular Lenses for Cataract Surgery and Lens Replacement: A Systematic Review and Meta-Analysis. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 2019, 257, 863–875.
- Olson, R.J.; Werner, L.; Mamalis, N.; Cionni, R. New Intraocular Lens Technology. Am. J. Ophthalmol. 2005, 140, 709–716.
- Mol, I.E.; Van Dooren, B.T. Toric Intraocular Lenses for Correction of Astigmatism in Keratoconus and after Corneal Surgery. Clin. Ophthalmol. 2016, 10, 1153–1159.
- Bacharis, C.; Tsilikas, G.; Sianoudis, I.; Makropoulou, M.; Zoulinakis, G.; Serafetinides A. Laser Induced Refractive Index Modification of Intraocular Lenses. E-J. Sci. Technol. 2018, 13, 89–96.
- Sinani, A.; Palles, D.; Bacharis, C.; Kandyla, M.; Riziotis, C. Laser Processing of Intraocular Lenses. Appl. Sci. 2024, 14, 6071.
- Kudryashov, S.; Gulina, Y.; Danilov, P.; Smirnov, N.; Rimskaya, E.; Krasin, G.; Saraeva, I.; Shelygina, S.; Rupasov, A.; Pershin, K.; et al. Photo-Physical Mechanism of Near-IR Femtosecond Laser-Induced Refractive-Index Change in PMMA. Opt. Lett. 2025, 50,129–132.
- Ndifon, I.N.; Dikande, A.M. Dynamics of Femtosecond Lasers and Induced Plasma in Non-Kerr Nonlinear Transparent Materials. AIP Adv. 2024, 14, 055320.
- Serafetinides A.; Makropoulou, M.; Fabrikesi, E.; Spyratou, E.; Bacharis, C.; Thomson, R.R.; Kar, A.K. Ultrashort Laser Ablation of PMMA and Intraocular Lenses. Appl. Phys. A 2008, 93, 111–116.
