Este estudo descreve rotas sintéticas para polydimethylsiloxanes terminada aminopropil e polydimethyl-metil-fenil-siloxano-bloco copolímeros e elastômeros ureia baseado em silicone macio (PSU). Apresenta a aplicação de UPAs como acomodar uma lente intra-ocular. Também é descrito um método de avaliação de citotoxicidade em vitro .
Este estudo discute uma rota de síntese para elastômeros ureia baseado em silicone macio (PSU) para as suas aplicações como acomodar lentes intra-oculares (por lentes intra-oculares). Polydimethylsiloxanes aminopropil terminada (PDMS) foram previamente preparados através da cadeia de anel equilibração do siloxano cíclica octamethylcyclotetrasiloxane (D.4) e 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Grupos fenil foram introduzidos o siloxano espinha dorsal através da copolimerização de D4 e 2,4,6,8-tetrametil-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4mim, Ph). Esses copolímeros polydimethyl-metil-fenil-siloxano-bloco foram sintetizados para aumentar os índices de refracção de polissiloxanos destruidores. Para aplicações como por uma lente intra-ocular, o índice de refração de polissiloxanos os destruidores deve ser equivalente de uma lente do olho humano jovem. O peso molecular polysiloxane é controlado pela relação entre o siloxano cíclica para o endblocker APTMDS. A transparência de elastômeros a PSU é examinada pela medição de transmitância de filmes entre 200 e 750 nm, usando um espectrofotômetro UV-Vis. Valores de transmitância em 750 nm (extremidade superior do espectro visível) são plotados contra o peso molecular PDMS, e > 90% da transmitância é observado até um peso molecular de 18.000 g·mol− 1. Propriedades mecânicas dos elastômeros a PSU são investigadas usando testes de tensão-deformação em espécimes de cortado em forma de osso de cachorro. Para avaliar a estabilidade mecânica, mecânica histerese é medida pelo alongamento várias vezes (10x) os espécimes para 5% e 100% de alongamento. Histerese diminui consideravelmente com o aumento do peso molecular PDMS. Citotoxicidade in vitro de alguns elastômeros PSU selecionados é avaliada usando um ensaio da viabilidade celular MTS. Os métodos aqui descritos permitem a síntese de um elastômero PSU fotoefeito, transparente e macio com um índice de refração aproximadamente igual ao de uma lente do olho humano jovem.
Catarata senil, que afetam o grupo de idade ≥ 60 anos, leva para a avançado opacificação do cristalino natural. Esta condição relacionada à idade é provavelmente causada por alterações oxidativas que são aceleradas por irradiação de UV a1,2,3. Tratamento convencional para a catarata senil envolve a extração cirúrgica da lente catarata, seguido da implantação de uma lente intra-ocular artificial (lente intra-ocular) em um vazio lente da cápsula através de um sistema de injeção2. No entanto, a maioria das lentes intra-oculares são fabricados a partir de polímeros acrílicos (acrilato hidrofóbico e hidrofílico ou polímeros de metacrilato) com estruturas extremamente rígidas; Portanto, o olho perde sua capacidade de acomodar a várias distâncias2,4. Portanto, pacientes com monofocal implantes de lentes intra-oculares são dependentes de óculos para visão de perto (ex., ao ler um jornal ou um livro)5.
Diferentes abordagens para restaurar a capacidade de alojamento após a cirurgia de catarata têm sido relatadas. Entre essas abordagens, podem distinguir-se duas estratégias principais: recarga a cápsula vazia lente injetando um líquido ou polímeros gelatinosa e desenvolvendo macio, foldable um-lentes intra-oculares6,7,8. O conceito de “lente recarga” é promissor porque géis podem ser preparados com o módulo de Young tão baixo quanto aqueles do olho humano natural lente (ca. 1-2 kPa)9; no entanto, essa abordagem é ainda experimental8, e estudos são realizados apenas nos olhos de animais.
Lente cápsulas foram reabastecidas por implante de silicone inflável balões10 preenchidos com silicone líquido ou injetando diretamente do silicone11,12 , que posteriormente foi curado na cápsula através de hydrosilylation . No entanto, questões relacionadas com a superfície rugas nos balões, uma amplitude de alojamento inferior comparado ao estado pré-operatório, e a formação da catarata secundária grave (opacificação da cápsula anterior e posterior) tem sido notável7, 8,12,13. Em particular, tempo cura vezes (70 min – 12 h) causam um aumento do risco de vazamento em compartimentos olho ao redor, levando a inflamação pós-operatória10,14. Portanto, outros materiais para substituir o cristalino são recomendados, incluindo hidrogel com base no polietileno glicol diacrylate, copolímeros de acrilato-modificado de vinil álcool (N-vinilpirrolidona)15, metacrilato modificado polissiloxanos destruidores16,17, Poloxâmero18e diisocianato-quitosana polialcoóis9. No entanto, a viscosidade de monômero (ou seja, gel de inchaço após a injeção e reticulação), extremamente baixos ou altos índices de refracção, estabilidade mecânica e integridade, refração pós-operatória imprevisível, baixa gama de alojamentos, e formação de após-catarata constituem as principais questões6,7,8,9,15,18. Comercialmente, a capacidade de alojamento é principalmente restaurada através do desenvolvimento de foldable um-lentes intra-oculares. Tais lentes intra-oculares. devem fornecer alojamento pelo movimento da óptica da lente intra-ocular para o site anterior da lente da cápsula através da contração do músculo ciliar. Vários modelos foram introduzidos no mercado em 1996, 2001 e 20027,8. No entanto, durante os estudos clínicos, as amplitudes de alojamento estimado para aqueles implantado um-lentes intra-oculares foram extremamente baixas (≤ 1,5 D) para permitir sem ajuda lendo (3-4 D)6,7,8,19 , 20. portanto, um um-IOL, compreendendo dois óptica conectada (dupla óptica da lente intra-ocular) está sendo desenvolvido para aumentar o alojamento variam de6,21. O design de única lente tem sido examinado por seu desempenho acomodativo nos olhos humanos, embora os resultados conflitantes têm sido relatados22,23,24,25.
Normalmente, os elastómeros de silicone são considerados para ser biologicamente inerte e não tóxico; Portanto, elastómeros de silicone têm uma longa história de aplicação como materiais biocompatíveis em medicina e engenharia médica (por exemplo, em implantes mamários, implantes craniofaciais, próteses conjunta, curativos, cateteres, drenos e derivações) 26 , 27. devido a sua suavidade, transparência e permeabilidade do oxigênio elevado, elastómeros de silicone também encontrar aplicações como lentes de contato e lentes intra-oculares de28,2,29. No entanto, silicones devem ser covalentemente quitosana e muitas vezes exigem reforço enchimentos para ganhar a integridade mecânica suficiente. Reticulação é desvantajosa, como proíbe o posterior processamento de elastômeros por métodos termoplásticos (p. ex., moldagem por injeção) ou por processamento de soluções (por exemplo, fundição de solvente). Em contraste, poliuretanos termoplásticos apresentam estabilidade mecânica, mas são suscetíveis à degradação do ambiente do biológico, particularmente se macrodiols de poliéster ou poliéter-baseados são usados. Portanto, os esforços para combinar flexibilidade e estabilidade hidrolítica ou oxidativa com excelentes propriedades mecânicas estão concentrados na incorporação de hidroxila ou amino-funcional PDMS como segmentos macios em poliuretanos, poliuretano-ureases, e poliureias27. Para melhorar a compatibilidade do polar uretano ou ureia difícil segmento com um segmento altamente apolar de macio PDMS e para melhorar as propriedades mecânicas, macrodiols diferentes baseados em poliéter são incorporados juntamente com PDMS30,31 ,32. Particularmente, o grupo Thilak Gunatillake investigou sistematicamente o desenvolvimento dos poliuretanos de silicone com biostability melhorada e propriedades mecânicas para aplicações biomédicas a longo prazo, tais como a isolação do pacemaker ou artificial válvulas de coração33. Eles sintetizaram poliuretanos aromáticos com segmentos de macios mistos composto por terminada hidroxila PDMS e poliéteres diferentes, bem como policarbonato alifáticos dióis. Entre todos os poliuretanos sintetizados, a combinação de óxido de polyhexamethylene (PHMO) e de exposições PDMS as melhores propriedades mecânicas relativamente difícil segmento compatibilidade30. Em estudos posteriores, eles examinaram ainda mais o efeito da relação de PDMS-para-PHMO e a incorporação de um extensor de cadeia disiloxane-baseado nas propriedades mecânicas do silicone poliuretanos34,35, 36. os resultados revelaram que uma composição de macrodiol de 80% em peso PDMS e 20 wt % PHMO, além de um extensor de cadeia co, tais como tetramethyldisiloxane-1,3-bis(4-hydroxybutyl) (BHTD), produz poliuretanos mais macios, com boas propriedades mecânicas e processabilidade de termoplástica. Além disso, do silicone-poliuretanos apresentam uma biostability melhorada em comparação com um comumente aplicada macio poliéter uretano37,38,39.
A biocompatibilidade e estabilidade de materiais similares e seu uso para aplicações cardiovasculares também foram relatadas40,41,42. Com base nestes resultados, à base de silicone poliureia elastômeros (ou UPAs) com um extensor de cadeia baseada em disiloxane são pensadas para produzir altas flexibilidades e suavidade, embora com resistência mecânica suficiente, para manter sua forma após a aplicação de estresse repetido. Por exemplo, et al . Hermans construiu um protótipo experimental baseada em poliuretano dupla óptica por-IOL porque o projeto, que foi usado anteriormente para uma fabricação usando silicone, era extremamente suave para lidar com as cargas aplicadas dentro olhos de porco sem núcleo43.
Este artigo descreve a síntese de uma PSU de siloxano-baseado macio, que é otimizado em termos de propriedades mecânicas e ópticas para aplicações como um IOL obsequioso. Como as propriedades mecânicas dos elastômeros a fonte de alimentação podem ser alteradas pelo peso molecular de siloxano, o mesmo procedimento pode ser aplicado ao desenvolvimento baseado em siloxano UPAs, que podem encontrar aplicações em tintas e limpezas de pele. Além disso, este procedimento pode ser usado para preparar o poliuretano à base de siloxano ou elastômeros de poliuretano-ureia se terminada carbinol PDMS é usado. Dependendo do tipo de-isocianato (i.e., alifáticos ou aromáticos) usado para a síntese, as condições de reação (incluindo o tempo, temperatura e talvez a composição de solvente) podem ter que ser alterado. Para a aplicação de diisocianatos alifáticos, tais como 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) ou diisocianato de isoforona, a reação tem que ser acelerado usando um catalisador de organoestânicos, tais como dilaurato de diaceto ou diacetoxytetrabutyl distannoxane. Por exemplo, a reação entre uma terminação hydroxypropyl PDMS e H12MDI continua na presença de um catalisador. Além disso, a temperatura de reação precisa ser aumentada para 50-60 ° C. Para a aplicação de um diisocianato aromática tais como 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), a temperatura de reação deve ser moderadamente mas suficientemente aumentada como diisocianatos aromáticos são tipicamente mais reativos para grupos nucleofílicos do que diisocianatos alifáticos são. A reação de MDI com PDMS carbinol terminada pode ser promovida usando as misturas solventes tetraidrofurano anidro (THF) e dimetilformamida (DMF) ou dimetilacetamida (DMAc) como aminas terciárias apresentam alguma atividade catalítica.
Para conseguir high-molecular-weight terminada aminopropil PDMS através do anel-cadeia equilibração, usando um anidro, catalisador fortemente básica é crucial. Outros catalisadores normalmente aplicadas, como hidróxido de tetrametilamónio (ouvido) ou hidróxido de potássio (KOH), contêm resíduos de água, que promovem reações colaterais; daí, uma mistura de bifuncionais, monofuncionais e não-funcionais PDMS cadeias com peso moleculares similares é obtida44. Além disso, se o ouvido é usado, a reação requer > 48 h para conclusão e faz nem sempre proceder com monômero completo consumo44.
Em particular, a pesagem do endblocker APTMDS é fundamental para obter o peso molecular desejado de PDMS. Por exemplo, em vez de 0,9 g de APTMDS, se 0,85 g é usada para sintetizar o PDMS, conforme descrito na seção 2.1 do protocolo, isso levaria a um teórico peso molecular de aproximadamente > 900 g·mol-1. Além disso, o peso molecular teórico é dependente da conversão. Se os produtos de lado cíclico não são consideravelmente removido através de destilação a vácuo, um valor de alta conversão será obtido. Por exemplo, para usar o mesmo procedimento de síntese (como no ponto 2.1 do protocolo), uma conversão calculada de 90% levaria a um peso molecular teoricamente calculado; Esse valor é 910 g·mol-1 maior do que se presume-se uma conversão de 85%. Desvios para a determinação do peso molecular de polisiloxano por titulação são possivelmente relacionados com a pesagem de PDMS, os balões, particularmente se uma bureta de 50 mL é usada para a titulação. Um desvio relacionado para a pesagem de 0,06 g de polisiloxano pode levar a uma diferença calculada de 650 ~ g·mol-1. Portanto, recomenda-se o uso de um tubinho semi-automática.
O índice de refração de PDMS pode ser aumentada pela incorporação de fenil grupos17,51, halogenados de grupos fenil52, ou enxofre, contendo grupos53. As tentativas de incorporar grupos fenil PDMS através da copolimerização de octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph) conforme descrito por Yilgör, Riffle e McGrath54 foram infrutíferas sob as condições de reação aplicada, Possivelmente porque a espinha dorsal de anel volumoso tornou impossível para o catalisador aplicado romper os laços de siloxano na temperatura selecionada de reação. O anel dePh D4pode ser aberto se KOH é usado a uma temperatura de reação de 160 ° C. No entanto, são obtidos polissiloxanos destruidores de extremamente alto peso molecular, que presumivelmente contêm altas quantidades de impurezas não-funcionais. Além disso, a remoção do catalisador KOH nesses copolímeros não é tão simples e requer uma etapa de neutralização utilizando etanol HCl, seguido por uma extração aquosa do catalisador. Então, o PDMS deve ser dissolvido em um solvente orgânico, como o CH2Cl2, para separar a fase aquosa da fase orgânica contendo PDMS. Finalmente, a fase orgânica deve ser secas sobre MgSO4, seguido de filtração e destilação a vácuo usando um evaporador rotativo54. Em contraste, o método apresentado neste manuscrito permite que o catalisador ser removido imediatamente através de decomposição térmica. Portanto, em vez de usar o monômero sólido D4Ph, grupos fenil são com êxito introduzidos a espinha dorsal PDMS pela copolimerização do monômero líquido D4mim, Ph, como confirmado por 29Si-NMR espectroscopia de50.
Os elastômeros PSU sintetizados exibiram YM de 0.6 – 5,5 MPa e elasticidade elevada, com valores de alongamento de até 1.000%. Tais valores alto alongamento foram relacionados não só à estrutura de polímero segmentado, mas também para os altos pesos moleculares de elastômeros a PSU ( > 100.000 g·mol-1)48. Ocorre uma reação instantânea entre os grupos aminoácidos e isocyanyate alifáticos grupos à temperatura ambiente, levando a aumentar rapidamente o peso molecular. Este resultado foi ainda mais apoiado por realizar a reação em um solvente, porque um ligeiro aumento na viscosidade não apareceu diminuir a velocidade de reação, significativamente, que caso contrário iria afetar drasticamente o peso molecular de um quase equilibrada relação estequiométrica. Em contraste, quando um diol de cadeia curta, como 1,4-butanodiol, foi usado como o extensor de cadeia, os elastômeros de poliuretano-ureia resultantes não eram menos elástico mas também perdida considerável estabilidade mecânica, particularmente se high-molecular-weight PDMS foi usado para a síntese. Este resultado foi presumivelmente relacionado com os pesos moleculares consideravelmente baixos dos elastômeros (resultados não publicados), correspondente à conversão incompleta de todos os grupos isocianato na última fase de poliadição. Além disso, diferenças na reatividade entre os grupos aminoácidos e hidroxila em direção de diisocianatos alifáticos afetou drasticamente os resultados obtidos em testes de citotoxicidade in vitro . Extratos do elastômero PSU, preparada a partir do extensor de cadeia de amino APTMDS não apresentam qualquer efeito citotóxico sobre as células de HaCaT (Figura 12). No entanto, se foram utilizados extratos de um elastômero de poliuretano-ureia siloxano-baseado, a viabilidade celular foi drasticamente reduzidos (resultados não publicados), que foi possivelmente relacionado com a leachables de baixo peso molecular e grupos isocianato reagido residual.
Este protocolo descreve um método conveniente para a preparação de polissiloxanos destruidores amino-funcional, que podem ser posteriormente usado como macrodiamines para a síntese de elastômeros de alto peso molecular, macio e elástico polysiloxane-ureia. Como as propriedades mecânicas das fontes de alimentação podem ser variadas de acordo com o peso molecular PDMS, é possível usar estes polímeros em outros campos de aplicação. Além disso, o procedimento para a preparação de polissiloxanos destruidores amino funcional pode ser usado para a introdução de grupos laterais, tais como grupos de vinil, através da copolimerização de um siloxano cíclico com grupos de vinil pingente (resultados não mostrados). Isto pode abrir novos campos de aplicação, incluindo a preparação de quitosana macia polysiloxane geles ((por exemplo, por hydrosilylation Pt-catalisada com um silicone de hidreto-funcional ou por adição de UV-ativado thiol-ene de PDMS mercapto-funcional) resultados não mostrados).
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostaria de agradecer o Ministério Federal da educação e pesquisa (BMBF) para o financiamento deste trabalho sob concessão número 13FH032I3. Apoio financeiro a Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, projeto Gepris 253160297) é reconhecido com gratidão. Os autores mais gostam de expressar seus agradecimentos a Priska Kolb e Paul Schuler na Universidade de Tubingen, para a realização de medições de 29Si-NMR e 1H-NMR. Obrigado também é devido a CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG para seu suprimento de H12MDI. Os autores gostaria de agradecer seu apoio com medições de tensão-deformação e histerese Herbert Thelen e André Lemme da Biotronik para a realização de esterilização por óxido de etileno das amostras PSU e Lada Kitaeva (Universidade de Reutlingen).
Octamethylcyclotetrasiloxane (D4), 97 % | ABCR GmbH | AB111277 | presumably impairs fertility, must be degassed before use CAS: 556-67-2 |
1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane, 97% | ABCR GmbH | 110832 | sensitive to air, must be stored under nitrogen CAS: 2469-55-8 |
2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenylcyclotetrasiloxane | Sigma Aldrich | 40094 | technical grade CAS: 77-63-4 |
Tetramethylammonium hydroxide pentahydrate | Alfa Aesar | L09658 | toxic if swallowed and upon skin contact, strong base, sensitive to air, hygroscopic, store under refrigeration and under nitrogen CAS: 10424-65-4 |
4,4¢-Methylenbis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) | Covestro via CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG | toxic if inhaled, skin and eye irritant CAS: 5124-30-1 |
|
Tetrahydrofuran (anhydrous) 99.8 % | Alfa Aesar | 44608 | stabilized with BHT CAS: 109-99-9 |
Chloroform 99 % | Grüssing GmbH Analytica | 1025125000 | stabilized with ethanol, presumably carcinogenic, can impair fertility and cause damage to an unborn child CAS: 67-66-3 |
Chloroform-d, 99.8 % | Sigma Aldrich | 151823 | CAS: 865-49-6 |
Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) high glucose | Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH | 41965-039 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH | A3160801 | |
Trypsin/EDTA, 0.25 % phenol red | Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH | 25200056 | |
Cell Titer Aqueous One Solution cell proliferation assay (MTS) | Promega GmbH | G3580 | |
HaCaT-cells | CLS Cell Lines Service GmbH | 300493 | |
BioComFold | Morcher GmbH | foldable accommodating intraocular lens | |
Accommodative 1CU | Human Optics AG | foldable accommodating intraocular lens | |
CrystaLens | Bausch and Lomb Inc. | foldable accommodating intraocular lens | |
Silmer OH-Di10 | Siltech Corp. | Carbinol-terminated Polydimethylsiloxane | |
Synchrony | Visiogen Inc. | dual-optic foldable accommodating intraocular lens | |
Elast-Eon | AorTech International plc | thermoplastic PDMS-PHMO-based polyurethane for medical applications | |
Pellethane 2363-80A | Lubrizol Life Sciences | thermoplastic polyether-based polyurethane for medical applications | |
Zwick universal tensile testing machine model 81565 and software testXpert II | Zwick GmbH & Co. KG | tensile testing machine | |
CASY | Roche Innovatis AG | cell counting system | |
Multisizer | Beckman Coulter Life Sciences | cell counting system |