מחקר זה מתאר סינטטי מסלולים עבור המסתיימת ב- aminopropyl polydimethylsiloxanes וסופולימרים polydimethyl-מתיל-phenyl-siloxane-בלוק ועבור אלסטומרים רכים מבוססי ששינינו אוריאה (PSU). הוא מציג את היישום של Psu כמו אדיב של העדשה תוך-עיני. גם מתוארת שיטה הערכה עבור במבחנה cytotoxicity.
מחקר זה עוסק דרך סינתזה אלסטומרים רכים מבוססי ששינינו אוריאה (PSU) על היישומים שלהם כמו התאמת עדשות תוך עינייות (-IOLs). המסתיימת ב- Aminopropyl polydimethylsiloxanes (PDMS) הוכנו בעבר באמצעות הטבעת-השרשרת equilibration של octamethylcyclotetrasiloxane siloxane מחזורית (4יח), 1, 3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). קבוצות phenyl הוכנסו לתוך siloxane עמוד השדרה דרך copolymerization של D4 ו- 2,4,6,8-tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4אותי, ה-Ph). Copolymers polydimethyl-מתיל-phenyl-siloxane-בלוק אלה היו מסונתז להגדלת את מדדי השבירה של polysiloxanes. עבור יישומים כמו-IOL, שונות polysiloxanes חייב להיות מקבילה לזו של עדשת העין האנושית צעירים. משקל מולקולרי ששינינו נשלטת על ידי היחס של siloxane מחזורית כדי endblocker APTMDS. השקיפות של אלסטומרים כח נבדק ע י המדד להדמיה של סרטים בין 200 ל-750 ננומטר, שימוש ספקטרופוטומטרים UV-Vis. ערכי להדמיה 750 ננומטר (החלק העליון של הספקטרום הנראה) מותוות נגד משקל מולקולרי PDMS ולאחר > 90% להדמיה נצפית עד משקל מולקולרי של g·mol 18,000− 1. תכונות מכניות של אלסטומרים כח נחקרות באמצעות בדיקות הלחץ-זן-למות לחתוך לכלב עצמות-בצורת דגימות. להערכת יציבות מכנית, היסטרזיס מכני נמדד על ידי מתיחת שוב ושוב (10 x) דגימות התארכות 5% ל- 100%. היסטרזיס פוחתת במידה ניכרת עם עליית משקל מולקולרי PDMS. במבחנה cytotoxicity של כמה אלסטומרים כח שנבחר מוערך שימוש assay הכדאיות של MTS התא. בשיטות המתוארות בזאת היתר הסינתזה של אלסטומר כח רך, שקוף, noncytotoxic עם מקדם שבירה כ שווה לזה של עדשת העין האנושית צעירים.
קטרקט סנילי, להשפיע על קבוצת גיל של ≥ 60 שנים, מוביל opacification מתקדמים של העדשה הטבעית הגבישי. מצב זה הקשורות לגיל נגרמת ככל הנראה חמצוני השינויים הם מואצת על-ידי UV הקרנה1,2,3. הטיפול הקונבנציונלי קטרקט סנילי כרוך החילוץ כירורגי של העדשה cataractous, ואחריו ההשתלה של תוך-עיני מלאכותי של העדשה (IOL) לתוך העדשה ריק הקפסולה באמצעות הזרקת מערכת2. עם זאת, רוב IOLs מיוצרות פולימרים אקריליק (הידרופובי, הידרופילית אקרילט או methacrylate פולימרים) עם מבנים מאוד נוקשה; לפיכך, העין מאבד את היכולת להכיל מרחקים שונים2,4. לכן, חולים עם monofocal IOL שתלים תלויים משקפיים החזון ליד (למשל., תוך כדי קריאת עיתון או ספר)5.
גישות שונות להשבת יכולת אירוח לאחר ניתוח קטרקט דווחו. בין הגישות הללו ניתן להבחין שתי אסטרטגיות העיקרי: מילוי הקפסולה העדשה ריק ע י הזרקת נוזל או דמוי ג’ל פולימרים ופיתוח רך, מתקפלת-IOLs-6,–7,–8. המושג “עדשה מילוי” הוא מבטיח כי ג’לים ניתן להכין עם מודולים של יאנג נמוך כמו אלה של העדשה (ca. 1-2 kPa) עין אנושית טבעית9; עם זאת, גישה זו הוא עדיין נסיוני8ולאחר הלימודים מתנהלים רק על עיניים חייתיות.
עדשה קפסולות כבר מילא על ידי השתלת סיליקון מתנפח בלונים10 מלא עם סיליקון נוזלי או ישירות הזרקת סיליקון11,12 זה היה לאחר מכן לרפא את הקפסולה באמצעות hydrosilylation . עם זאת, נושאים הקשורים משטח קמטים על הבלונים, משרעת נמוכה יותר לינה בהשוואה למצב לפני הניתוח, היווצרות של קטרקט משני חמורה (anterior ואת אחורי קפסולת opacification) כבר ציין7, 8,12,13. בפרט, זמן ריפוי פעמים (70 דקות – 12 h) לגרום לסיכון מוגבר של דליפה לתוך התאים העין שמסביב, שמוביל לדלקת לאחר הניתוח10,14. לכן, חומרים אחרים עבור החלפת העדשה הגבישי מומלצים, כולל hydrogels מבוסס על diacrylate פוליאתילן גליקול, אקרילט-השתנה copolymers של ויניל אלכוהול (N-vinylpyrrolidone)15, methacrylate-השתנה 16,polysiloxanes17poloxamer18, diisocyanate-תפור polyalcohols9. עם זאת, צמיגות מונומר (קרי, ג’ל נפיחות אחרי הזרקת crosslinking), מדדי השבירה מאוד נמוך או גבוה, יציבות מכנית ושלמות, שבירה לאחר הניתוח לא צפויים, נמוך מגוון מקומות לינה, ו קטרקט לאחר היווצרות מהווים נושאים עיקריים6,7,8,9,15,18. מסחרית, יכולת לינה משוחזר בעיקר על ידי פיתוח foldable-IOLs. כה-IOLs צריך לספק אירוח על ידי התנועה של הראייה IOL לאתר הקדמי של עדשה כמוסה ויה ההתכווצות של השריר ciliary. מספר מודלים הוכנסו לשוק בשנת 1996, 2001 ו 20027,8. עם זאת, במהלך מחקרים קליניים, amplitudes לינה המשוער עבור אלה מושתל-IOLs היו מאוד נמוך (≤ 1.5 D) להתיר ללא עזרה בקריאת (3-4 יח)6,7,8,19 , 20. לפיכך,-IOL הכוללת אופטיקה מחוברים שני (dual-אופטיים IOL) מפותח עבור הגדלת אפשרויות הלינה בטווח6,21. העיצוב של עדשה אחת נבדקה על ביצועיו accommodative בעיניי האדם, אף על פי תוצאות סותרות כבר דווח על22,23,24,25.
בדרך כלל, אלסטומרים סיליקון נחשב להיות פעיל ביולוגית ולא רעילים; לכן, אלסטומרים סיליקון יש היסטוריה ארוכה של להיות מיושם כחומרי מסתיימים ב רפואה והנדסה רפואית (למשל, שתלים, שתלים ואסטתיים, תותבות משותפת, הפצע תחבושות, קטטרים, שאיבות ו shunts) 26 , 27. בשל שלהם רכות, שקיפות, חדירות חמצן גבוהה, אלסטומרים סיליקון גם למצוא יישומים כמו עדשות מגע ו28,2,IOLs29. עם זאת, סיליקונים חייב להיות covalently תפור ולעיתים קרובות דורשים חיזוק ומרק להרוויח מספיק מכנית. Crosslinking היא חסרון כפי היא אוסרת על עיבוד עוקבות אלסטומרים או על ידי שיטות תרמופלסטיים (למשלהזרקה) או על-ידי עיבוד מפתרונות (למשל, הליהוק ממס). לעומת זאת, פוליאוריתנים גומי סינתטי אשר בהתקשותו מפגינים יציבות מכני אך הם רגישים השפלה בתוך הסביבה ביולוגי, במיוחד אם macrodiols פוליאסטר – או פוליאטר מבוססי משמשים. לכן, המאמצים לשלב גמישות ויציבות hydrolytic או חמצוני עם תכונות מכניות מצוינות מרוכזים על המיקום של הידרוקסיל או אמינו-תפקודית PDMS כמו מקטעי רך לתוך פוליאוריתנים, פוליאוריתן-ureas, ו polyureas27. כדי לשפר את התאימות קוטבי urethane או אוריאה קשה מקטע עם קטע רך מאוד פולרי PDMS וכדי לשפר את תכונות מכניות, macrodiols שונים מבוססי פוליאטר משולבים יחד עם PDMS30,31 ,32. במיוחד, באופן שיטתי חקרה קבוצת Thilak Gunatillake הפיתוח של פוליאוריתנים סיליקון עם biostability משופר, תכונות מכניות לטווח ארוך ביו יישומים כגון בידוד קוצב לב או מלאכותיים שסתומי הלב33. הם מסונתז פוליאוריתנים ארומטי מקטעים רך מעורבים הכוללת המסתיימת הידרוקסיל PDMS polyethers שונים, כמו גם diols פוליקרבונט אליפטיות. בין כל פוליאוריתנים מסונתזת את, השילוב של תחמוצת polyhexamethylene (PHMO) ותצוגות PDMS התכונות המכאניות הטובה ביותר ביחס קשה קטע תאימות30. במחקרים הבאים, נוסף בחנו את ההשפעה של היחס PDMS-אל-PHMO וסוכם על הקמת הרחבה של רשת מבוססי disiloxane על תכונות מכניות של סיליקון פוליאוריתנים34,35, 36. התוצאות עולה כי הרכב macrodiol של wt 80% PDMS ו- 20% wt PHMO, בנוסף הרחבה של רשת משותף, כגון 1, 3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), התשואות פוליאוריתנים רך יותר עם תכונות מכניות טובות, גומי סינתטי אשר בהתקשותו processability. יתר על כן, אלה-הסיליקון-פוליאוריתנים התערוכה של biostability משופרת בהשוואה בדרך כלל יישומית פוליאטר רך urethane37,38,39.
הביו ויציבות חומרים דומים, השימוש שלהם עבור יישומים וכלי דם היו גם דיווחו40,41,42. בהתבסס על תוצאות אלו, מבוססי סיליקון פוליאוריאה אלסטומרים (או Psu) עם הרחבה של רשת מבוססי disiloxane נחשבים תשואה גבוהה וגמישויות, רכות, אמנם עם חוזק מכני מספיק, כדי לשמור על צורתם לאחר היישום של מתח חוזרות ונשנות. למשל, הרמנס. et al. יש נבנה אב טיפוס של הניסוי על בסיס פוליאוריתן כפול-אופטיים-IOL בגלל העיצוב, שבעבר שימשה עבור המצאה באמצעות סיליקון, היה רך מאוד להתמודד עם עומסים יישומית בתוך החזיר enucleated עיניים43.
מאמר זה מתאר את הסינתזה של רך מבוסס-siloxane כח, גזאשר מבחינת מאפייני מכניים, אופטיים עבור יישומים כמו IOL שמברי. ככל התכונות המכאניות של אלסטומרים כח הרקעים לפי משקל מולקולרי siloxane, ניתן להחיל את ההליך לפיתוח מבוסס-siloxane Psu, אשר עשוי למצוא יישומים ציפוי עור רטבים. בנוסף, הליך זה יכול לשמש כדי להכין מבוסס-siloxane פוליאורטן או אלסטומרי פוליאוריתן-שתנן אם המסתיימת בקרבינול PDMS משמש. בהתאם לסוג של diisocyanate (כלומר, או ארומטי aliphatic) המשמשים סינתזה, תנאי ריאקציה (כולל זמן, טמפרטורה, אולי ההרכב ממס) ייתכן שתצטרך להשתנות. עבור היישום של diisocyanates אליפטיות כגון 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) או isophorone diisocyanate, התגובה חייב להיות מואץ באמצעות זרז של organotin, כגון dibutyltin dilaurate או diacetoxytetrabutyl distannoxane. לדוגמה, התגובה בין המסתיימת hydroxypropyl PDMS ו- H12MDI ממשיך בנוכחות זרז. יתר על כן, טמפרטורת התגובה זקוק ל 50-60 מעלות צלזיוס. של יישום diisocyanate ארומטי כגון 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), הטמפרטורה התגובה חייב להיות בינוני אבל מספיק מוגברת כמו diisocyanates ארומטיים הם בדרך כלל יותר תגובתי כלפי קבוצות נוקלאופילי מאשר הם diisocyanates אליפטיות. התגובה של MDI עם PDMS המסתיימת בקרבינול ניתן לפתח באמצעות את תערובות ממס של נטול מים tetrahydrofuran (THF) ו dimethylformamide (DMF) או dimethylacetamide (DMAc) כמו אמינים שלישוני להפגין קצת פעילות קטליטית.
כדי להשיג גבוהה משקל מולקולרי המסתיימת ב- aminopropyl PDMS באמצעות טבעת-שרשרת equilibration, שימוש נטול מים, זרז בסיסי מאוד חיוני. זרזים מיושם בדרך כלל אחרים, כגון tetramethylammonium הידרוקסיד (TMAH) או אשלגן הידרוקסידי (KOH), מכילים משקעים מים, אשר לקדם ריאקציות צדדיות; לפיכך, תערובת של difunctional, monofunctional, שרשראות PDMS מתפקד עם משקולות מולקולרי דומה מתקבל44. יתר על כן, אם TMAH, התגובה דורש > 48 שעות עבור השלמת והאם לא תמיד להמשיך מונומר מלאה צריכת44.
בפרט, שקילת endblocker APTMDS הוא קריטי כדי להשיג את המשקל המולקולרי הרצוי של PDMS. לדוגמה, במקום 0.9 g של APTMDS, אם 0.85 g משמש לסנתז PDMS, כמתואר בסעיף 2.1 של הפרוטוקול, זה יוביל משקל מולקולרי תיאורטי של > 900 g·mol-1. בנוסף, משקל מולקולרי תיאורטי תלויה ההמרה. אם המוצרים בצד מחזורית אינם מוסרים במידה ניכרת באמצעות זיקוק ואקום, ניתן להשיג ערך המרה גבוהה. לדוגמה, כדי להשתמש את ההליך סינתזה (כמו סעיף 2.1 לפרוטוקול), המרה מחושב של 90% יוביל משקל מולקולרי תיאורטית מחושב; ערך זה הוא 910 g·mol-1 גדול יותר אם הוא בחזקת המרה של 85%. סטיות התקן, בקביעת משקל מולקולרי ששינינו באמצעות טיטור אולי קשורים שקילת PDMS לתוך המבחנות, במיוחד אם burette 50 מ ל משמש עבור טיטור. סטייה הקשורים שקילת 0.06 גרם ששינינו עלול להוביל ההבדל המחושב של ~ 650 g·mol-1. לפיכך, מומלץ השימוש titrator חצי אוטומטי.
מקדם שבירה של PDMS יכול להיות מוגברת על ידי שילוב של phenyl קבוצות17,51, הלוגניים phenyl קבוצות52, או קבוצות המכילות גופרית53. ניסיונות לשלב קבוצות phenyl PDMS ויה copolymerization של octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph) כפי שתואר על ידי Yilgör, הרובה ואת McGrath54 הצליחו להזיזה בתנאים התגובה יישומית, ייתכן כי עמוד השדרה טבעת מגושם בלתי אפשרי הזרז שימושית לשבור את הקשרים siloxane בטמפרטורה התגובה שנבחרה. ניתן לפתוח את הטבעתPh 4D אם קו משמש בטמפרטורה התגובה של 160 מעלות צלזיוס. עם זאת, polysiloxanes של משקל מולקולרי גבוה מאוד מתקבלים, אשר ככל הנראה מכילים כמויות גבוהות של זיהומים מתפקד. בנוסף, הסרת הזרז KOH ב copolymers האלה היא לא פשוטה ודורשת צעד ניטרול באמצעות HCl ethanolic, ואחריו הוצאה מימית של הזרז. . אז, PDMS חייב להיות מומס של הממס האורגני, כגון CH2Cl2, להפריד את פאזה מימית השלב אורגניים המכילים PDMS. לבסוף, השלב אורגני יש לייבשם מעל MgSO4, ואחריו סינון, זיקוק ואקום באמצעות המאדה54. לעומת זאת, השיטה המובאת כתב יד זה מאפשר את הזרז יהיה להסיר מיידית באמצעות פירוק תרמי. לכן, במקום להשתמש מוצק מונומר D4Ph, קבוצות phenyl בהצלחה הציג לתוך עמוד השדרה PDMS על ידי copolymerization של מונומר נוזלי ד4.אותי, Ph, כפי שאושר על-ידי 29סי-NMR ספקטרוסקופיה50.
אלסטומרים מסונתזת כח הציג ימ ה של 0.6 – 5.5 MPa ו אלסטיות גבוהה עם התארכות ערכים של עד 1000%. ערכים התארכות גבוה כזה היו קשורים לא רק למבנה פולימר מקוטע אלא גם על משקלי מולקולרית גבוהה אלסטומרים כח ( g·mol > 100,000-1)48. לתגובה מיידית מתרחשת בין קבוצות אמינו קבוצות isocyanyate אליפטיות בטמפרטורת החדר, שמוביל במהירות הגדלת משקל מולקולרי. תוצאה זו נוספת נתמכה על ידי ביצוע התגובה ב בתור ממיס, בגלל עלייה קלה של צמיגות שלא הופיעו כדי להאט את מהירות התגובה באופן משמעותי, אחר אשר היו משפיעים באופן דרמטי את המשקל המולקולרי של כמעט מאוזנת יחס stoichiometric. לעומת זאת, כאשר diol קצרות שרשרת, כגון 1, 4-butanediol, שימש ב- extender שרשרת, אלסטומרי פוליאוריתן-שתנן וכתוצאה מכך היו לא רק פחות אלסטי אלא גם לאיבוד יציבות מכנית ניכר, במיוחד אם היה PDMS גבוהה משקל מולקולרי משמש עבור סינתזה. תוצאה זו היה ככל הנראה קשור המשקלות מולקולרי נמוך במידה ניכרת אלסטומרים (תוצאות לא פורסם), המייצגים ההמרה לא שלם של כל הקבוצות isocyanate בשלב האחרון של polyaddition. בנוסף, הבדלים תגובתיות בין הקבוצות אמינו ו הידרוקסיל לכיוון diisocyanates אליפטיות השפיעה באופן דרמטי את התוצאות המתקבל במבחנה cytotoxicity בדיקות. תמציות של אלסטומר כח שהוכנו אמינו מסועפות שרשרת ב- extender APTMDS לא התערוכה ציטוטוקסיות השפעה על תאי HaCaT (איור 12). עם זאת, אם תמציות אלסטומר פוליאוריתן-שתנן מבוסס-siloxane שימשו, הכדאיות תא היה צמצום דרסטי (תוצאות לא פורסם), אשר היה יכול להיות קשור leachables נמוך משקל מולקולרי וקבוצות שיורית isocyanate unreacted.
פרוטוקול זה מתאר שיטה נוחה להכנת polysiloxanes אמינו-פונקציונלי, אשר ניתן לאחר מכן לשמש macrodiamines עבור סינתזה ששינינו-אוריאה גבוהה משקל מולקולרי רך, אלסטיות אלסטומרי. תכונות מכניות של Psu יכולים להיות מגוונים לפי משקל מולקולרי PDMS, זה ניתן להשתמש פולימרים אלה בתחומים אחרים של היישום. יתר על כן, הליך הכנת polysiloxanes אמינו-פונקציונלי יכול לשמש היכרות של קבוצות צד, כגון קבוצות ויניל, דרך copolymerization של siloxane מחזורית עם תליון ויניל קבוצות (תוצאות לא מוצג). זה יכול לפתוח שדות יישומים חדשים, כולל הכנת תפור רך ששינינו ג ‘ לים (למשל, על ידי מזורז נק’ hydrosilylation עם סיליקון הידריד-פונקציונלי או מופעל UV תיול-ene תוספת של PDMS mercapto-פונקציונלי) ( תוצאות לא מוצג).
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצה להודות משרד החינוך הפדרלי ולהעניק מחקר (BMBF) למימון העבודה תחת מספר 13FH032I3. תמיכה כספית מאת פתוח (DFG, פרוייקט Gepris 253160297) הוא הודה בהכרת תודה. המחברים עוד יותר רוצה לבטא Priska קולב, פול שולר מ אוניברסיטת טיבינגן לביצוע 1H-NMR ומדידות 29סי-NMR. תודה הן גם בשל CSC Jäkle Chemie GmbH & ושות ק ג שלהם לאספקת H12MDI. המחברים רוצה להודות Thelen הרברט, תן לי אנדרה מ Biotronik לביצוע של הדגימות כח אתילן אוקסיד עיקור, לאדה Kitaeva (אונ’ רויטלינגן) לתמיכה שלה עם מדידות מתח-זן, היסטרזיס.
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 |