Wie hart arbeiten die Augen Ihrer Kunden?

Sowohl im wörtlichen als auch im wissenschaftlichen Sinn „arbeiten“ Ihre Augen genauso hart wie Sie. Innovative Kontaktlinsen können den Augen Arbeit abnehmen. In einer Arbeit von Dr. Charles Scales (PhD) und Optometrist Brian Pall (OD, MS, FAAO) wurde diesem Thema besondere Beachtung geschenkt.

Das Leben wird heutzutage immer schnelllebiger und viele von uns nehmen in Arbeit und Freizeit immer mehr auf sich. In diesem ehrgeizigen Umfeld rasen wir von Aktivität zu Aktivität. Unsere Augen wechseln vom Computerbildschirm zum Smartphone zu der Person, mit der wir nebenbei reden. Während wir das Fußballspiel unseres Kindes anschauen, machen wir uns Notizen für ein Arbeitsprojekt und schreiben außerdem noch E-Mails auf dem Tablet. Wenn wir so hart arbeiten, ist es kein Wunder, dass wir nach einem langen Tag erschöpft sind.

Unsere Augen können erschöpft sein

Auch unsere Augen bekommen diese anstrengenden Tage zu spüren. Die unzähligen Aktivitäten und die ständig wechselnden Umgebungen (von Zuhause ins Auto zur Arbeit zum Sport ins Kino und zurück nach Hause) – all das beeinflusst unsere Augen. Und Millionen von uns tragen dabei auch noch Kontaktlinsen.

Während wir unserem anstrengenden Tagesgeschäft nachgehen, arbeiten unsere Augen und Lider hart, um eine scharfe Sicht und eine gesunde Augenoberfläche aufrechtzuerhalten. Dafür müssen sie am Tag mindestens 11.000 Mal blinzeln. Und Blinzeln benötigt Energie. Zwar ist der Energiebedarf für ein einzelnes Blinzeln vernachlässigbar, aber die notwendige Energie für 11.000 Mal Blinzeln jeden Tag kann beachtlich sein.

Wie anstrengend das Blinzeln genau ist, lässt sich mit einer Formel ausrechnen. Dabei ist die „Arbeit“ das Produkt von Kraft x Weg.

Der Weg sind in diesem Fall die rund 10 mm, die sich das Lid während des Blinzelvorgangs bewegt. Die Kraft ist die Anstrengung, die nötig ist, um den Widerstand gegen das Blinzeln zu überwinden. Dieser Widerstand besteht vor allem aus der Reibung zwischen Lid und Hornhaut (oder der Kontaktlinse im Fall von Kontaktlinsenträgern). Die Energie, mit der diese Reibung überwunden wird, ist die Reibungsenergie.

Die Reibungsenergie zwischen Oberflächen hängt von zwei Dingen ab: (1) Welche möglichen Schmierstoffe zwischen den Oberflächen existieren und (2) der Zustand der Oberflächen selbst.

Es ist zum Beispiel deutlich einfacher – und benötigt daher weniger Energie – eine große Kiste über einen glattpolierten Boden zu schieben als über eine raue Asphaltstraße. Es gibt zwar zusätzlich zur Rauheit noch weitere Faktoren, die die Reibungsenergie beeinflussen, aber es ist klar, dass Oberflächen mit verschiedenen Rauheitsgraden ein unterschiedliches Ausmaß an Kraft verlangen, um die gleiche Beweglichkeit zu erreichen.

Reibungsenergie und das Auge

Unsere Augen „arbeiten“ während des Blinzelvorgangs, weil Energie notwendig ist, um die Reibungskräfte zu überwinden. Diese Reibungskräfte widersetzen sich der Bewegung des Augenlids. Zum Glück macht der Tränenfilm das Lid und die Augenoberfläche gleitfähiger. Aber was passiert, wenn die Reibung zwischen Augenlidern und -oberfläche mit fortschreitendem Tag zunimmt? Das könnte zum Beispiel dann der Fall sein, wenn die Oberfläche an Gleitfähigkeit verliert und rauer wird, weil sie im Tagesverlauf austrocknet und sich Ablagerungen ansammeln.

In einer solchen Situation kann die tausendmal wiederholte Bewegung des Augenlids über eine im Tagesverlauf zunehmend widerständige Fläche dazu führen, dass das Auge spürbar mehr „arbeiten“ muss. Dementsprechend finden viele Kontaktlinsenträger ihre Linsen morgens noch bequem, aber zeigen später am Tag Symptome von Augenerschöpfung.¹

Was wir aus der Wissenschaft lernen

Die Tribologie ist die Wissenschaft von der Interaktion bewegter Flächen. Sie erforscht Zusammenhänge, die wir jeden Tag selbst erleben: Reibung, Gleitfähigkeit und Abnutzung.

In den letzten Jahren hat die Tribologie Erkenntnisse zu der Frage beigetragen, welche Faktoren den Tragekomfort von Kontaktlinsen beeinflussen.² Es ist intuitiv einleuchtend, dass bei ansonsten unveränderten Bedingungen eine geringere Reibung zwischen Augenlid und Kontaktlinse zu einem bequemeren und unproblematischeren Tragegefühl führt. Die Evidenz stützt genau das.³

Ein unbequemes Tragegefühl ist der Hauptgrund, warum Kunden das Kontaktlinsentragen aufgeben. Deswegen sind solche Faktoren wie Reibung und Gleitfähigkeit, die mit dem Tragekomfort zusammenhängen, natürlich hochinteressant für die Kontaktlinsenindustrie und für Kontaktlinsenspezialisten.^{1, 4}

Die Physik des Tragekomforts

Reibung ist die Kraft, die zwischen zwei festen Oberflächen wirkt und einer gegenläufigen Bewegung dieser Oberflächen entgegenwirkt.⁵ Die Stärke dieses Widerstands ist eine Eigenschaft von Oberflächen, die man Reibungskoeffizient nennt (CoF vom Englischen Coefficient of Friction). Der Reibungskoeffizient wird aus zwei verschiedenen Kräften berechnet: (1) Die benötigte Kraft, um die Gleitbewegung der Objekte aufrechtzuerhalten und (2) die Kraft, die die Oberflächen zusammen hält (die sogenannte Normalkraft). Beide Kräfte können direkt gemessen werden, sodass der Reibungskoeffizient mit folgender Gleichung berechnet werden kann:

Je höher der Reibungskoeffizient, desto höher der Widerstand durch Reibung und desto grösser dementsprechend die Reibungsenergie, die benötigt wird, damit die Oberflächen einen bestimmten Weg aneinander vorbeigleiten können. Wenn sowohl die Reibungskraft als auch der zurückzulegende Weg bekannt sind, kann die Reibungsenergie mit folgender Formel berechnet werden.

Reibungsenergie messen

„Wir haben also festgestellt, dass die Arbeit des Augenlids, die es zum Blinzeln benötigt, der Reibungsenergie entspricht, mit der das Lid über die Hornhaut (oder eine Kontaktlinse) bewegt wird. Außerdem wissen wir, dass die erzeugte Reibungsenergie vom Reibungskoeffizienten abhängt, denn beide Gleichungen beinhalten die Reibungskraft. Da der Kontaktlinsenkomfort also mit dem Reibungskoeffizienten zusammenhängt, bringt die Messung des Energieverlusts durch Reibung in einer Blinzelsimulation wichtige Einsichten: die Messung sollte uns zeigen, welche Leistung verschiedene Kontaktlinsen im Auge erbringen“, so die Autoren.

Die Reibungskräfte zwischen Augenlid und Kontaktlinse können zwar nicht direkt gemessen werden, aber es wurden bereits verschiedene Geräte eingesetzt, mit denen diese Kräfte geschätzt werden können – darunter auch Instrumente, die zum Ziel haben, die relevanten Eigenschaften der Augenumgebung zu simulieren.¹ Diese Messungen in vitro und ex vivo werden unter physiologisch relevanten Bedingungen gemacht. Sie können ein wichtiger Schritt hin zur Vorhersage des Tragekomforts von Kontaktlinsen sein.

Damit der Vergleich von Gleitfähigkeit sinnvoll ist, müssen natürlich nicht nur die Physiologie des Auges, sondern auch die Bedingungen des Kontaktlinsentragens nachgeahmt werden. Es ist zum Beispiel eine Sache, den Energieverlust durch Reibung mit zwei Kontaktlinsen zu testen, die frisch dem Blister entnommen wurden. Aber können wir daraus schließen, wie die Linsen sich nach 10, 12 oder sogar 14 Stunden Tragezeit verhalten? Damit die Ergebnisse wirklich nutzbar sind, muss die Reibung im zeitlichen Verlauf betrachtet werden. Und zwar unter den Bedingungen, bei denen die Kontaktlinse vermutlich getragen wird.

Abbildung 1: Mit einem Mikrotribometer werden Reibung und Weg gemessen, um die Reibungsenergie zu berechnen. Eine mucinbedeckte Oberfläche wird in TLF (tränenähnlicher Flüssigkeit) über die Kontaktlinse bewegt mit einer Kraft und Geschwindigkeit, die das Augenlid simuliert. Foto mit freundlicher Genehmigung von SuSoS, AG.

In diesem Experiment bewegten sich ACUVUE OASYS^® 1-Day with HydraLuxe™ Technologie Kontaktlinsen bis zu 18 Stunden durch eine tränenähnliche Flüssigkeit – mit beeindruckenden Ergebnissen. Die blaue Linie in Abbildung 2 zeigt die Reibungsenergie der Linsen über die Zeit hinweg. Diese Zeit entspricht einem sehr langen Tragetag, in diesem Fall 18 Stunden. Die auffällige und wichtige Erkenntnis: Die Reibungsenergie ist von Anfang an niedrig und bleibt über die gesamte Tragedauer hinweg niedrig. Würde die Linie stattdessen in einer Kurve nach oben führen, würde das bedeuten, dass die erhöhte Reibungsenergie zu einer verringerten Leistung der Kontaktlinsen führen könnte.

Auch die Variabilität zwischen unterschiedlichen ACUVUE OASYS^® 1-Day Linsen ist sehr gering, wie sich an der hellblauen Kennzeichnung des Konfidenzintervalls ablesen lässt. Das bedeutet, dass die Reibungsenergie von Linse zu Linse übereinstimmend niedrig ist. Zusammengenommen sprechen diese Faktoren für ein vorteilhaftes und stabiles Reibungsverhalten der Linse unter physiologischen Bedingungen.

„Bei der Durchführung der gleichen Blinzelsimulation mit Dailies Total1^® (Alcon) fanden wir eine doppelt so hohe Reibungsenergie wie bei ACUVUE OASYS^® 1-Day with HydraLuxe™ Technologie (verglichen wurden nach 14 Stunden die Durchschnittsdaten von ACUVUE OASYS^® 1-Day mit dem niedrigsten Vorhersageintervall von Dailies Total1^®, siehe Abbildung 2). Die Ursache hierfür könnte daran liegen, dass der Wassergradient von Dailies Total1^® (mit nahezu 100% Wasser an der Oberfläche und 33% im Kern) nicht zu einer einheitlichen Zusammensetzung der Linse führt und außerdem eine hohe Oberflächenrauheit besitzt, die sich mit Rasterkraftmikroskopen (AFM, atomic force) messen lässt“, vermuten die Autoren.

Weniger Arbeit erzeugen

Woran liegt es, dass ACUVUE OASYS^® 1-Day so eine gute und stabile Leistung in tribologischen Experimenten zeigen? Dafür könnten verschiedene Aspekte der Linse verantwortlich sein. Zum einen sorgt die HydraLuxe™ Technologie dafür, dass die Linse den ganzen Tag benetzt und gleitfähig gemacht wird. Dazu verfügen die Kontaktlinsen über ein einzigartiges Tear-infused Design mit einem verfeinerten Netzwerk tränenähnlicher Moleküle. Ein stark atmungsaktives Silikon verbindet sich mit dem eigenen Tränenfilm des Trägers. Dieses einheitliche, tränenähnliche Netzwerk zieht sich durch die gesamte Linse, es handelt sich nicht um eine oberflächliche Beschichtung. Die Daten zeigen, dass das niedrige Profil der Reibungsenergie den ganzen Tag über anhält.

Darüber hinaus ist die Linse extrem glatt. Das konnte mit Transmissionselektronenmikroskopen (TEM) gezeigt werden. Dabei wird die Kontaktlinsenoberfläche stark vergrößert untersucht (im Bereich von Mikrometern und kleiner), was eine präzise Darstellung der Oberfläche und der Masse oder der Matrix eines Materials ermöglicht. Diese Erkenntnisse werden auch von Messungen mit Rasterkraftmikroskopen (AFM) gestützt.

Geeignete Benetzung und Gleitfähigkeit

Innovationen führen zu Fortschritt und letztlich zum Vorteil des Kunden. ACUVUE OASYS^® 1-Day with HydraLuxe™ Technologie zeigt konsistent eine geringe Reibungsenergie über die Zeit hinweg. Gemessen wurde dabei mit physiologisch relevanten Methoden. Klinische Studien und die Rückmeldungen von Kontaktlinsenspezialisten und Kunden werden zeigen, ob diese Kontaktlinsen auf dem Auge ebenfalls die Leistung zeigen, die ihre beeindruckend niedrige und stabile Reibungsenergie vorhersagt.

Dieser Artikel basiert auf einem Originalartikel aus der Sonderausgabe von Optometric Management 2015, www.optometricmanagement.com, monatlich veröffentlicht von PentaVision LLC © 2015 Alle Rechte vorbehalten.

Dieser Artikel wurde der Redaktion freundlicherweise von Johnson & Johnson Vision zur Verfügung gestellt. Er wurde erstmals in englischer Sprache in der britischen Fachzeitschrift Optician veröffentlicht (Scales et al: How Hard Are Your Patients’ Eyes Working? Optician 2016, 252; 6568: 24-26).

Quellen

1. Nichols JJ, Willcox MDP, Bron AJ, et al. The TFOS International Workshop on Contact Lens Discomfort: Executive Summary. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2013;54:TFOS7-TFOS13.
2. Roba M, Duncan EG, Hill GA, Spencer ND, Tosatti SPG. Friction measurements on contact lenses in their operating environment. Tribol Lett. 2011;44: 387-97.
3. Coles-Brennan C, Brennan N. Coefficient of Friction and Soft Contact Lens Comfort. Presented at American Academy of Optometry Annual Meeting. Phoenix AZ, October 24, 2012. Poster 70.
4. Dumbleton K, Woods CA, Jones LW, Fonn D. The impact of contemporary contact lenses on contact lens discontinuation. Eye Contact Lens. 2013 Jan;39(1):93-9.
5. Subbaraman LN, Jones LW. Measuring Friction and Lubricity of Soft Contact Lenses: A Review. Contact Lens Spectrum. June 2013. Aufgerufen am 28. August 2015 auf http://www.clspectrum.com/articleviewer.aspx?articleID=108560

Über die Autoren

Dr. Charles Scales ist leitender Wissenschaftler bei Johnson & Johnson Vision Inc., USA.

Brian Pall (OD, MS, FAAO) ist Optometrist und vorgesetzter leitender Forscher bei Johnson & Johnson Vision Inc., USA.

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