Denna studie beskriver syntetiska rutter för aminopropyl-avslutad polydimethylsiloxanes och polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-block sampolymerer och för mjuk polysiloxane-baserad karbamid (PSU) elastomerer. Det presenterar tillämpningen av nätaggregat som rymmer en intraokulär lins. En utvärderingsmetod för i vitro cytotoxicitet beskrivs också.
Denna studie diskuterar en syntes rutt för mjuk polysiloxane-baserad karbamid (PSU) elastomerer för sina tillämpningar som rymmer intraokulära linser (a-Ioler). Aminopropyl-avslutad polydimethylsiloxanes (PDMS) var tidigare förberedda via ring-kedjan Jämviktstiden cykliska siloxan oktametylcyklotetrasiloxan (D4) och 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Fenyl grupper infördes i den siloxan ryggrad via copolymerization av D4 och 2,4,6,8-tetrametyl-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4mig, Ph). Dessa polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-block sampolymerer var syntetiseras för att öka de refractive index av polysiloxanes. För applikationer som en a-IOL, måste brytningsindex för polysiloxanes vara likvärdig med en unga mänskliga ögat lins. Den polysiloxane molekylvikten styrs av förhållandet mellan den cykliska siloxan till endblocker APTMDS. Insyn i de PSU elastomerer undersöks av transmittans mätning av filmer mellan 200 och 750 nm, med en UV-Vis-spektrofotometer. Transmittans värden vid 750 nm (övre slutet av det synliga spektrumet) ritas mot PDMS molekylvikten och > 90% av transmittans observeras tills en molekylvikt av 18.000 g·mol−1. Mekaniska egenskaper hos de PSU elastomerer undersöks med stress-stam tester på stansade hund-ben-formade exemplar. För bedömning av mekanisk stabilitet, mekaniska hysteresisen mäts genom att upprepade gånger sträcka (10 x) exemplaren till 5% och 100% töjning. Hysteres minskar betydligt med ökningen i PDMS molekylvikt. In vitro cytotoxicitet av vissa utvalda PSU elastomerer utvärderas med en MTS cell livskraft-analys. De metoder som beskrivs häri tillåta syntesen av en mjuk, transparent och noncytotoxic PSU elastomer med ett brytningsindex som är ungefär lika stor som en ung mänskliga ögat lins.
Senil katarakt, som påverkar åldersgruppen ≥ 60 år, leder till den avancerade kontrastverkan i naturliga kristallina linsen. Detta åldersrelaterade tillstånd orsakas troligen av oxidativa förändringar som accelereras av UV bestrålning1,2,3. Konventionell behandling för senil katarakt innebär kirurgisk extraktion av cataractous linsen, följt av implantation av en konstgjord intraokulär lins (IOL) i en tom lins kapseln via en injektion system2. Dock en majoritet av Ioler är tillverkade av akrylpolymerer (hydrofoba och hydrofil akrylat eller form polymerer) med extremt stela strukturer; Därför förlorar ögat sin förmåga att anpassa sig till olika avstånd2,4. Patienter med monofokal IOL implantat är därför beroende av glasögon för närseende (t.ex., medan du läser en tidning eller en bok)5.
Olika metoder för att återställa den boende förmågan efter Kataraktkirurgi har rapporterats. Bland dessa synsätt, två huvudsakliga strategier kan urskiljas: påfyllning Tom linskapseln genom att injicera en vätska eller gel-liknande polymerer och utveckla mjuk, hopfällbara a-Ioler6,7,8. Begreppet ”lins påfyllning” är lovande eftersom geler kan förberedas med Youngs moduli så låg som de av den naturliga mänskliga ögat objektivet (ca. 1-2 kPa)9. men detta synsätt är fortfarande på experimentstadiet8och studier utförs endast på djurens ögon.
Lins kapslar har fyllts genom att implantera uppblåsbara silikon ballonger10 fylld med flytande silikon eller genom direkt injicering silikon11,12 , som var därefter härdas i en kapsel via hydrosilylation . Dock problem med surface rynkor på ballonger, en lägre amplitud boende jämfört med preoperativ staten, och bildandet av allvarliga sekundära katarakter (främre och bakre kapseln grumling) har varit noterade7, 8,12,13. Särskilt orsaka långa torktider (70 min – 12 h) en ökad risk för läckage i de omgivande ögat fack, leder till postoperativ inflammation10,14. Därför rekommenderas andra material för att ersätta den kristallina linsen, inklusive hydrogels baserat på polyetylenglykol diacrylate, akrylat-modifierade Sampolymerer av vinyl alkohol (N-vinylpyrrolidon)15, form-modifierade polysiloxanes16,17, poloxamer18och diisocyanat-tvärbunden polyalkoholer9. Monomer viskositet (dvs, gel svullnad efter injektion och crosslinking), extremt låga eller höga refractive index, mekanisk stabilitet och integritet, oförutsägbara postoperativ refraktion, låg Boende spänner, och efter Starr utgör de viktigaste frågor6,7,8,9,15,18. Boende förmågan återställs kommersiellt, främst genom att utveckla hopfällbara a-Ioler. Sådan a-Ioler bör tillhandahålla boende genom förflyttning av den IOL optik till främre platsen för den lins kapseln via sammandragning av strålkroppen muskeln. Flera modeller har införts på marknaden 1996, 2001 och 20027,8. Dock under kliniska studier lågt uppskattade Boende amplituderna för de implanterade en-Ioler var extremt (≤ 1,5 D) för att tillåta blotta läsning (3-4 D)6,7,8,19 , 20. därför, en en-IOL bestående av två anslutna optik (dual-optic IOL) utvecklas för att öka boendet intervall6,21. Utformningen av bara en lins har undersökts för sin ackommoderande prestanda i människors ögon, om än motstridiga resultat har varit rapporterade22,23,24,25.
Typiskt, silikonelastomerer är anses vara biologiskt inert och giftfritt; Därför har silikonelastomerer en lång historia av tillämpas som biokompatibla material i medicin och medicinsk teknik (t.ex., i bröstimplantat, kraniofaciala implantat, gemensamma protetik, sårförband, katetrar, avlopp och shuntar) 26 , 27. på grund av sin mjukhet, öppenhet och hög syrepermeabilitet, silikonelastomerer också hitta program som kontaktlinser och IOLs2,28,29. Silikoner måste dock vara kovalent tvärbunden och kräver ofta förstärkande fyllmedel för att få tillräcklig mekanisk integritet. Crosslinking är ofördelaktigt eftersom det förbjuder den efterföljande behandlingen av elastomerer antingen genom termoplastiska metoder (t.ex., formsprutning) eller efter bearbetning från lösningar (t.ex.lösningsmedel gjutning). Däremot termoplastiska polyuretaner uppvisar mekanisk stabilitet men är känsliga för nedbrytning inom den biologiska miljön, särskilt om polyester – eller polyeter-baserade macrodiols används. Därför insatser att kombinera flexibilitet och hydrolytisk eller oxidativ stabilitet med utmärkta mekaniska egenskaper är koncentrerade på införlivandet av hydroxyl – eller amino-funktionella PDMS som mjuka segment i polyuretan, polyuretan-ureas, och polyureas27. Att förbättra förenligheten av polar uretan eller urea hårt segmentet med ett högt nonpolar PDMS mjuka segment och att förbättra mekaniska egenskaper, ingår olika polyeter-baserade macrodiols tillsammans med PDMS30,31 ,32. Särskilt, har gruppen Thilak Gunatillake systematiskt undersökt utvecklingen av silikon polyuretaner med förbättrad biostability och mekaniska egenskaper för långsiktiga biomedicinska tillämpningar såsom pacemaker isolering eller konstgjorda hjärta ventiler33. De syntetiseras aromatiska polyuretan med blandade mjuka segment bestående av hydroxyl-avslutad PDMS och olika Polyetrar samt alifatiska polykarbonat dioler. Bland alla de syntetiserade polyuretaner, kombinationen av polyhexamethylene oxid (PHMO) och PDMS utställningar segmentera de bästa mekaniska egenskaperna när det gäller hårda kompatibilitet30. I senare studier, de ytterligare undersökt effekten av PDMS-till-PHMO förhållandet och införlivandet av en disiloxane-baserade kedjan extender på de mekaniska egenskaperna hos silikon polyuretaner34,35, 36. resultaten visade att en macrodiol sammansättning av 80 wt % PDMS och 20 wt % PHMO, utöver en samtidig kedja extender, såsom 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), ger mjukare polyuretaner med goda mekaniska egenskaper och termoplastiska processbarhet. Dessutom uppvisar dessa silikon-polyuretaner en förbättrade biostability jämfört med en allmänt tillämpad mjuk polyeter uretan37,38,39.
Av biokompatibilitet och stabilitet i liknande material och deras användning för kardiovaskulära applikationer har också rapporterade40,41,42. Baserat på dessa resultat är silikonbaserat ockragul elastomerer (eller PSU) med en disiloxane-baserade kedjan extender tänkt att ge hög flexibilitet och mjukhet, om än med tillräcklig mekanisk styrka, att behålla sin form efter tillämpning av upprepade stress. Exempelvis har Hermans et al. konstruerat en experimentell polyuretanbaserat dual-optic a-IOL prototyp eftersom designen, som tidigare användes för en tillverkning använda silikon, var extremt mjuk att hantera de pålagda lasterna inom utan gris ögon43.
Den här artikeln beskrivs syntesen av en mjuk siloxan-baserade PSU, som är optimerad i form av mekaniska och optiska egenskaper för program som en tillmötesgående IOL. Som de mekaniska egenskaperna hos de PSU elastomerer kan ändras av siloxan molekylvikt, kan samma förfarande tillämpas på utveckla siloxan-baserade nätaggregat, som kan hitta program i beläggningar och hud förband. Detta förfarande kan dessutom användas för att förbereda siloxan-baserad polyuretan eller polyuretan-urea elastomerer om carbinol-avslutad PDMS används. Beroende på vilken typ av diisocyanat (dvsalifatiska eller aromatiska) används för syntes, kan reaktion villkor (inklusive tid, temperatur och kanske lösningsmedel sammansättning) behöva ändras. För tillämpningen av alifatiska diisocyanater såsom 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) eller isophorone diisocyanat, reaktionen har påskyndas med hjälp av en tennorganiska katalysator, såsom dibutyltenndi(acetat) dilaurate eller diacetoxytetrabutyl distannoxane. Till exempel fortsätter reaktionen mellan en hydroxypropyl-avslutad PDMS och H12MDI i närvaro av katalysator. Dessutom behöver den reaktion temperaturen ökas till 50-60 ° C. För tillämpningen av en aromatisk diisocyanat såsom 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), måste reaktion temperatur måttligt men tillräckligt ökas som aromatiska diisocyanater är vanligtvis mer reaktiva mot nukleofil grupper än alifatiska diisocyanater är. Reaktionen av MDI med carbinol-avslutad PDMS kan främjas med hjälp av lösningsmedel blandningar av vattenfri tetrahydrofuran () THF) och dimetylformamid (DMF) eller dimetylacetamid (Jimmys) som tertiära aminer uppvisar vissa katalytisk aktivitet.
För att uppnå hög molekylvikt aminopropyl-avslutad PDMS via ring-kedjan Jämviktstiden, använder en vattenfri, är starkt grundläggande katalysator avgörande. Andra vanligen tillämpad katalysatorer, såsom tetrametylammoniumhydroxid (TMAH) eller kaliumhydroxid (KOH), innehålla rester av vatten, som främjar sidoreaktioner; därmed erhålls en blandning av bifunktionella, monofunktionella och nonfunctional PDMS kedjor med liknande molekylvikter44. Vidare om TMAH används, reaktionen kräver > 48 h för slutförande och gör inte alltid fortsätta med komplett monomer konsumtion44.
I synnerhet vägning av endblocker APTMDS är avgörande för att erhålla önskad molekylvikten för PDMS. Till exempel, istället för 0,9 g av APTMDS, om 0,85 g används för att syntetisera PDMS, enligt beskrivningen i avsnitt 2.1 i protokollet, detta skulle leda till en teoretisk molekylvikt av ungefärligt > 900 g·mol-1. Den teoretiska molekylvikten är dessutom beroende av konverteringen. Om de cykliska sida produkterna inte avsevärt borttagna via vakuumdestillation, kommer en hög konverteringsvärde att erhållas. Till exempel för att använda samma syntes förfarande (som i avsnitt 2.1 i protokollet), skulle en beräknade konvertering av 90% leda till en teoretiskt beräknad molekylvikt; Detta värde är 910 g·mol-1 större än om en omvandling av 85% antas. Avvikelser i polysiloxane molekylvikt bestämning genom titrering är möjligen relaterade till vägning av PDMS in kolvar, särskilt om 50 mL byrett används för titrering. En avvikelse som avser vägning av 0,06 g polysiloxane kan leda till en beräknad skillnad ~ 650 g·mol-1. Användning av en halvautomatisk titrator rekommenderas därför.
Brytningsindex för PDMS kan ökas vid inkorporeringen av fenyl grupper17,51, halogenerade fenyl grupper52eller svavelhaltiga grupper53. Försök att införliva fenyl grupper i PDMS via copolymerization av octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph) som beskrivs av Yilgör, räfflad och McGrath54 var misslyckade på tillämpad reaktion villkor, eventuellt eftersom skrymmande ring ryggraden gjorde det omöjligt för tillämpad katalysatorn att bryta upp siloxan obligationer på den valda reaktion temperaturen. D4Ph ring kan öppnas om KOH används en reaktion temperatur på 160 ° C. Dock erhålls polysiloxanes med extremt hög molekylvikt, som förmodligen innehåller höga halter av nonfunctional orenheter. Dessutom avlägsnande av katalysator KOH i dessa sampolymerer är inte okomplicerad och kräver en neutralisering steg använder enprocentig HCl, följt av ett vattenhaltigt utvinning av katalysatorn. Därefter har PDMS ska upplösas i ett organiskt lösningsmedel, såsom CH2Cl2, för att separera vattenfasen från den organiska PDMS-innehållande fasen. Den organiska fasen måste slutligen torkas över MgSO4, följt av filtrering och vakuum destillation med en rotationsindunstare54. Däremot metoden presenteras i detta manuskript tillåter katalysatorn ska tas bort omedelbart via termisk nedbrytning. Därför, i stället för fasta monomer D4Ph, fenyl grupper framgångsrikt införs i PDMS ryggraden av copolymerization av den flytande monomer D4mig, Ph, vilket bekräftas av 29Si-NMR spektroskopi50.
De syntetiserade PSU elastomerer uppvisade YM 0,6 – 5,5 MPa och hög elasticitet med töjning värden på upp till 1000%. Sådana hög töjning värden avsåg inte bara polymer segmenterad struktur men också till hög molekylvikt av de PSU elastomerer ( > 100.000 g·mol-1)48. En ögonblicklig reaktion inträffar mellan amino grupper och alifatiska isocyanyate grupper i rumstemperatur, vilket leder till snabbt ökande molekylvikt. Detta resultat var ytterligare stöd av genomföra reaktionen i ett lösningsmedel, eftersom en liten ökning i viskositet inte föreföll sakta ner reaktionstiden betydligt, som skulle annars dramatiskt påverkar den molekylära vikten för en nästan balanserad stökiometriskt förhållande. Däremot när en kort kedja diol, såsom 1,4-butandiol, användes som kedjan förlängaren, var de resulterande polyuretan-urea elastomerer inte bara mindre elastisk men också förlorat betydande mekanisk stabilitet, särskilt om hög molekylvikt PDMS var används för syntes. Detta resultat var förmodligen relaterad till betydligt låg molekylvikt av elastomerer (resultat ej offentliggjort), motsvarande ofullständiga omvandlingen av alla isocyanat grupper i det sista skedet av polyaddition. Dessutom påverkas skillnader i reaktivitet mellan grupperna amino och hydroxyl mot alifatiska diisocyanater dramatiskt resultat från in vitro- cytotoxicitet tester. Extrakt av den PSU elastomer beredd från amino-kedjan förlängaren APTMDS inte uppvisar någon cytotoxisk effekt på HaCaT celler (figur 12). Om extrakt av en siloxan-baserad polyuretan-urea elastomer användes, cellviabiliteten var dock drastiskt minskad (resultat ej offentliggjort), som var möjligen relaterade till låg molekylär vikt urlakningsprodukter och återstående oreagerade isocyanat grupper.
Det här protokollet beskriver en bekväm metod för att förbereda amino-funktionella polysiloxanes, som senare kan användas som macrodiamines för syntetisera hög molekylvikt, mjuk och elastisk polysiloxane-urea elastomerer. Som de mekaniska egenskaperna hos nätaggregat kan varieras enligt PDMS molekylvikt, är det möjligt att använda dessa polymerer i andra användningsområden. Förfarandet för att förbereda amino-funktionella polysiloxanes kan dessutom användas för införandet av sida grupper, såsom vinyl grupper, via copolymerization av en cyklisk siloxan med hänge vinyl grupper (resultat inte visas). Detta kan öppna upp nya användningsområden, inklusive utarbetandet av mjuk tvärbundna geler polysiloxane (t.ex., genom Pt-katalyseras hydrosilylation med en metallhydrid-funktionella silikon eller genom UV-aktiverat thiol-ene tillägg av mercapto-funktionella PDMS)) resultat som inte visas).
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF) för att finansiera detta arbete under bevilja nummer 13FH032I3. Ekonomiskt stöd av den Deutsche Forschungsgemeinschafts (DFG, Gepris projektet 253160297) är erkänt tacksamt. Författarna ytterligare vilja uttrycka sin tacksamhet till Priska Kolb och Paul Schuler från universitetet i Tübingen för att utföra 1H-NMR och 29Si-NMR mätningar. Tack är också på grund av CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG för sin leverans av H12MDI. Författarna vill tacka Herbert Thelen och André Lemme från Biotronik för att utföra sterilisering med etylenoxid PSU prover och Lada Kitaeva (Reutlingen universitet) för hennes stöd med stress-stam och hysteres mätningar.
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 |