Deze studie beschrijft synthetische routes voor aminopropyl-beëindigd polydimethylsiloxanes en siliconenvloeist-methyl-fenyl-siloxaan-blokcopolymeren en voor zachte polysiloxaan gebaseerde ureum (PSU) elastomeren. Het presenteert de toepassingvan PSUs als opvang van een intraoculaire lens. Een evaluatiemethode voor in vitro cytotoxiciteit wordt ook beschreven.
Deze studie bespreekt een synthese route voor zachte polysiloxaan gebaseerde ureum (PSU) elastomeren voor hun toepassingen als opvang intraoculaire lenzen (a-IOLs). Aminopropyl-beëindigd polydimethylsiloxanes (PDMS) waren eerder bereid via de ring-ketting evenwichtsinstelling van de cyclische siloxaan octamethylcyclotetrasiloxane (D4) en 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Fenyl groepen werden binnengebracht de siloxaan backbone via de copolymerization van D4 en 2,4,6,8-tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4Me, Ph). Deze siliconenvloeist-methyl-fenyl-siloxaan-blokcopolymeren werden gesynthetiseerd voor het verhogen van de brekingsindices van polysiloxanes. Voor toepassingen als een a-IOL moeten de brekingsindex van de polysiloxanes gelijkwaardig zijn aan die van een jonge menselijk oog lens. Het molecuulgewicht polysiloxaan wordt bepaald door de verhouding van de cyclische siloxaan aan de endblocker APTMDS. De transparantie van de PSU-elastomeren wordt onderzocht door het meten van de lichtdoorlatendheid van films tussen 200 en 750 nm, met behulp van een UV-Vis spectrofotometer. De waarden doorlatingsfactor bij 750 nm (bovenste einde van het zichtbare spectrum) worden uitgezet tegen het PDMS molecuulgewicht en > 90% van de lichtdoorlatendheid tot een molecuulgewicht van 18.000 g·mol−1wordt waargenomen. Mechanische eigenschappen van de PSU-elastomeren worden onderzocht met behulp van spanning-spanning proeven op gestanst hond-been-vormige exemplaren. Voor de evaluatie van mechanische stabiliteit, mechanische hysteresis wordt gemeten door herhaaldelijk uit te rekken (10 x) de specimens aan 5% en 100% rek. Hysteresis vermindert aanzienlijk met de toename van het PDMS molecuulgewicht. In vitro cytotoxiciteit van sommige geselecteerde PSU elastomeren wordt geëvalueerd met een MTS assay voor de levensvatbaarheid van de cel. De hierin beschreven methoden toestaan de synthese van een zacht, transparant en noncytotoxic PSU elastomeer met een brekingsindex die ongeveer gelijk is aan die van een jonge mens eye lens.
Senile cataract, beïnvloeden de leeftijdsgroep van ≥ 60 jaar, leidt tot de geavanceerde opacificatie van de natuurlijke ooglens. Deze leeftijd gerelateerde aandoening wordt waarschijnlijk veroorzaakt door oxidatieve wijzigingen die zijn versneld door UV bestraling1,2,3. Conventionele behandeling voor seniel cataract omvat de chirurgische extractie van de cataractous lens, gevolgd door de inplanting van een kunstmatige intraoculaire lens (IOL) in een lege lens capsule via een injectie systeem2. Echter, een meerderheid van IOLs zijn vervaardigd uit acryl polymeren (hydrofobe en hydrofiele acrylaat of polymeren methacrylaat) met een uiterst rigide structuren; Vandaar, het oog verliest haar vermogen om aan te passen aan verschillende afstanden2,4. Daarom, patiënten met monofocal IOL implantaten zijn afhankelijk van de bril voor in de omgeving van visie (bv., tijdens het lezen van een krant of een boek)5.
Verschillende benaderingen tot het herstel van de accommodatie-mogelijkheid na cataract chirurgie zijn gemeld. Onder deze benaderingen, twee belangrijkste strategieën kunnen worden onderscheiden: de lege lens capsule bijvullen door het injecteren van een vloeistof of gel-achtige polymeren en zachte, opvouwbare a-IOLs6,7,8te ontwikkelen. Het concept van “lens bijvullen” is veelbelovend omdat gels kunnen bereid worden met Youngs moduli zo laag als die van de natuurlijke menselijke oog lens (ca. 1-2 kPa)9; echter, deze aanpak is nog steeds experimenteel8en onderzoeken worden alleen uitgevoerd op dierlijke ogen.
Lens capsules hebben is bijgevuld door het implanteren van opblaasbare siliconen ballonnen10 gevuld met vloeibare silicone of door het rechtstreeks injecteren van siliconen11,12 , die vervolgens werd genezen in de capsule via hydrosilylation . Echter kwesties in verband met oppervlakkige rimpels op de ballonnen, een lagere accommodatie-amplitude ten opzichte van de preoperatieve staat, en de vorming van ernstige secundaire staar (anterior en posterior capsule troebelingen) heb genoteerd7, 8,12,13. In het bijzonder veroorzaken lang genezen keer (70 min – 12 h) een verhoogd risico van lekkage in de omliggende oog compartimenten, wat leidt tot postoperatieve ontsteking10,14. Daarom, andere materialen voor het vervangen van de ooglens worden aanbevolen, met inbegrip van de hydrogels gebaseerd op polyethyleenglycol diacrylate, acrylaat gemodificeerde copolymeren van vinyl alcohol (N-vinylpyrrolidon)15, methacrylaat gemodificeerde polysiloxanes16,17, poloxamer18en diisocyanaat-kruisverwijzende polyalcoholen9. Echter, het monomeer viscositeit (d.w.z., gel zwelling na de injectie en crosslinking), extreem lage of hoge brekingsindices, mechanische stabiliteit en integriteit, onvoorspelbare postoperatieve breking, lage bereik van de accommodatie, en na cataract formatie vormen de belangrijkste kwesties6,7,8,9,15,18. De mogelijkheid accommodatie is commercieel, voornamelijk door het ontwikkelen van opvouwbare a-IOLs hersteld. Dergelijke a-IOLs moeten bieden accommodatie door de beweging van de IOL optiek op de voorste site van de lens capsule via de contractie van de spier Ciliaire. Verschillende modellen zijn ingevoerd in de markt in 1996, 2001 en 20027,8. Echter tijdens klinische studies laag de amplitudes van de geschatte accommodatie voor deze geïmplanteerde a-IOLs zeer waren (≤ 1,5 D) zodat de blote lezen (3-4 D)6,7,8,19 , 20. daarom een per-IOL bestaande uit twee verbonden optica (dual-optic IOL) is ontwikkeld voor het verhogen van de accommodatie variëren van6,21. Het ontwerp van slechts één lens heeft onderzocht voor de accommoderende prestaties in menselijke ogen, zij het tegenstrijdige resultaten zijn gerapporteerde22,23,24,25.
Typisch, silicone-elastomeren worden beschouwd als biologisch inert en niet giftig; Daarom, silicone-elastomeren hebben een lange geschiedenis van wordt toegepast als biocompatibel materiaal in geneeskunde en medische techniek (b.v.in borstimplantaten, craniofaciale implantaten, gezamenlijke protheses, wond dressings, katheters, drains en shunts) 26 , 27. als gevolg van hun zachtheid, transparantie en hoge zuurstof permeabiliteit, silicone-elastomeren vinden ook toepassingen zoals contactlenzen en IOLs2,28,29. Siliconen moeten echter worden covalent kruisverwijzende en vereisen vaak vulstoffen te krijgen voldoende mechanische integriteit te versterken. Crosslinking is nadelig als het verbiedt de latere verwerking van elastomeren door thermoplastische methoden (bijvoorbeeldspuitgieten) of door verwerking van oplossingen (bijvoorbeeldoplosmiddel gieten). In tegenstelling, thermoplastisch polyurethaan vertonen mechanische stabiliteit maar zijn gevoelig voor afbraak binnen de biologische omgeving, met name als polyester of polyether-gebaseerde macrodiols worden gebruikt. Daarom streven naar flexibiliteit en Hydrolytische of oxidatieve stabiliteit combineren met uitstekende mechanische eigenschappen worden geconcentreerd op de opneming van hydroxyl – of amino-functionele PDMS als zachte segmenten polyurethanen, polyurethaan-ureas, en polyureas27. Ter verbetering van de verenigbaarheid van de polar urethaan of ureum hard segment met een zeer apolaire PDMS zachte segment en te verbeteren van mechanische eigenschappen, zijn verschillende polyether gebaseerde macrodiols opgenomen samen met PDMS30,31 ,–32. In het bijzonder heeft de Thilak Gunatillake groep systematisch onderzocht de ontwikkeling van siliconen polyurethaan met verbeterde biostability en mechanische eigenschappen voor lange termijn biomedische toepassingen zoals pacemakers isolatie of kunstmatige hart kleppen33. Ze aromatische polyurethanen gesynthetiseerd met gemengde zachte segmenten bestaande uit PDMS hydroxyl-beëindigd en andere polyethers, evenals alifatische polycarbonaat diolen. Onder alle de gesynthetiseerde polyurethanen, de combinatie van polyhexamethylene-oxide (PHMO) en PDMS exposities segment de beste mechanische eigenschappen met betrekking tot harde compatibiliteit30. In latere studies, ze verder onderzocht het effect van de verhouding tussen de PDMS-aan-PHMO en de opneming van een vergroting van de disiloxane gebaseerde keten op de mechanische eigenschappen van siliconen polyurethanen34,35, 36. de resultaten bleek dat de samenstelling van een macrodiol van 80% van de wt PDMS en 20 wt % PHMO, naast een keten van de mede-extender, zoals 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), zachter polyurethaan met goede mechanische eigenschappen opbrengsten en thermoplastische verwerkbaarheid. Bovendien, deze silicone-polyurethaan vertonen een verbeterde biostability ten opzichte van een vaak toegepaste zachte polyether urethaan37,38,39.
Ook zijn de biocompatibiliteit en de stabiliteit van dergelijke stoffen en het gebruik ervan voor cardiovasculaire toepassingen gerapporteerde40,41,42. Op basis van deze resultaten, worden siliconen gebaseerde polyurea elastomeren (of PSUs) met een disiloxane gebaseerde keten extender verondersteld om de opbrengst van hoge flexibiliteit en zachtheid, zij het met voldoende mechanische sterkte, behouden hun vorm na de toepassing van herhaalde stress. Hermans et al. hebben bijvoorbeeld een experimentele polyurethaan gebaseerde dual-optiek een-IOL prototype gebouwd, omdat het ontwerp, dat eerder werd gebruikt voor een verzinsel met behulp van siliconen, was extreem zacht om de toegepaste ladingen binnen te behandelen enucleated varken ogen43.
Dit artikel beschrijft de synthese van een zachte siloxaan gebaseerde PSU, die is geoptimaliseerd op het gebied van mechanische en optische eigenschappen voor toepassingen als een opvang IOL. Als de mechanische eigenschappen van de PSU-elastomeren kunnen worden gewijzigd door de siloxaan moleculair gewicht, kan dezelfde procedure worden toegepast voor de ontwikkeling van siloxaan gebaseerde PSUs, die kunnen vinden toepassingen in coatings en dressings van de huid. Deze procedure kan daarnaast worden gebruikt te bereiden siloxaan gebaseerde polyurethaan of polyurethaan-ureum elastomeren als PDMS carbinol-beëindigd wordt gebruikt. Afhankelijk van het type diisocyanaat (d.w.z., alifatische of aromatische) gebruikt voor synthese, wellicht reactie voorwaarden (met inbegrip van tijd, temperatuur, en misschien de oplosmiddelen samenstelling) worden gewijzigd. Voor de toepassing van alifatische diisocyanaten zoals 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12van MDI) of Isoforon-diisocyanaat, de reactie moet worden versneld met behulp van een organische tinverbinding katalysator, zoals dibutyltindi(acetaat) Propyleenglycoldilauraat of diacetoxytetrabutyl distannoxane. Bijvoorbeeld, verloopt de reactie tussen een hydroxypropyl-beëindigd PDMS en H12MDI in aanwezigheid van een katalysator. Bovendien, de temperatuur van de reactie moet worden verhoogd tot 50-60 ° C. Voor de toepassing van een aromatische diisocyanaat zoals 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), moet de temperatuur van de reactie worden matig maar voldoende verhoogd zoals aromatische diisocyanaten meestal meer reactieve richting nucleofiele groepen dan zijn alifatische diisocyanaten zijn. De reactie van de MDI-indeling met de PDMS carbinol-beëindigd kan worden bevorderd met behulp van oplosmiddelen mengsels van watervrij tetrahydrofuraan () THF) en dimethylformamide (DMF) of dimethylaceetamide (DMAc) als tertiaire amines vertonen sommige katalytische activiteit.
Om te bereiken hoog-moleculair-gewicht aminopropyl-beëindigd PDMS via ring-ketting evenwichtsinstelling, met behulp van een watervrij, is sterk basische katalysator cruciaal. Andere typisch toegepaste katalysatoren, zoals tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) of kaliumhydroxide (KOH), water residuen bevatten, die kant reacties bevorderen; Vandaar, is een mengsel van bifunctionele, monofunctional en functioneert PDMS kettingen met gelijkaardige molecuulgewichten44verkregen. Bovendien, als TMAH wordt gebruikt, de reactie vereist > 48u voor de voltooiing en doet niet altijd doorgaan met volledige monomeer consumptie44.
In het bijzonder, het wegen van de endblocker APTMDS is cruciaal voor het verkrijgen van de gewenste molecuulgewicht van PDMS. Bijvoorbeeld, in plaats van 0.9 g van APTMDS, als 0,85 g wordt gebruikt voor het synthetiseren van PDMS, zoals beschreven in paragraaf 2.1 van het protocol, dit zou leiden tot een theoretische molecuulgewicht van ongeveer > 900 g·mol-1. Bovendien, is de theoretische moleculair gewicht afhankelijk van de conversie. Als de cyclische kant-producten niet aanzienlijk verwijderd via vacuüm distillatie zijn, zal een hoge conversie-waarde worden verkregen. Bijvoorbeeld, als u wilt gebruiken dezelfde synthese procedure (zoals in deel 2.1 van het protocol), zou een berekende conversie van 90% leiden tot een theoretisch berekende molecuulgewicht; Deze waarde is 910 g·mol-1 groter is dan wanneer een conversie van 85% is uitgegaan. Afwijkingen in de bepaling van de moleculaire gewicht polysiloxaan door titratie zijn mogelijk gerelateerd aan het wegen van PDMS in de kolven, met name als een 50 mL-buret wordt gebruikt voor de titratie. Een afwijking aan het wegen van 0.06 g polysiloxaan gerelateerde kan leiden tot een berekende verschil van 650 ~ g·mol-1. Vandaar, is het gebruik van een halfautomatische titrator verdient.
De brekingsindex van PDMS kan worden verhoogd door de opneming van fenyl groepen17,51, gehalogeneerde fenyl groepen52of zwavel-bevattende groepen53. Geïntegreerd fenyl groepen PDMS via de copolymerization van octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph) zoals beschreven door Yilgör, Riffle en McGrath54 pogingen waren niet succesvol onder de voorwaarden van de toegepaste reactie, mogelijk omdat de ruggengraat omvangrijk ring het onmogelijk voor de toegepaste katalysator maakte te breken de siloxaan obligaties op de temperatuur van de geselecteerde reactie. RinguPh 4D kan worden geopend als KOH wordt gebruikt bij een temperatuur van de reactie van 160 ° C. Echter worden polysiloxanes met extreem hoge molecuulgewicht verkregen, die vermoedelijk bevatten hoge hoeveelheden van achterblijven onzuiverheden. Bovendien, het verwijderen van de katalysator KOH in deze copolymeren is niet eenvoudig en vereist een stap van de neutralisatie met behulp van ethanolbevattend HCl, gevolgd door een waterige extractie van de katalysator. Vervolgens moet de PDMS worden opgelost in een organisch oplosmiddel, zoals CH2Cl2, om te scheiden van de waterige fase van de organische PDMS-bevattende fase. Tot slot moet de organische fase over MgSO4, gevolgd door filtratie en vacuüm distillatie met behulp van een rotatieverdamper54worden gedroogd. Daarentegen het methode gepresenteerd in dit manuscript kan de katalysator worden onmiddellijk verwijderd via thermische ontleding. Dus, in plaats van solide monomeer D4Ph, fenyl groepen zijn met succes ingevoerd in de ruggengraat van het PDMS door de copolymerization van het vloeibare monomeer D4Me, Ph, zoals bevestigd door 29Si-NMR spectroscopie50.
De gesynthetiseerde PSU elastomeren tentoongesteld YM voor 0.6 – 5.5 MPa en hoge elasticiteit met rek waarden van maximaal 1.000%. Dergelijke hoge rek waarden waren niet alleen aan de polymeer gesegmenteerde structuur maar ook voor het hoge molecuulgewicht van de PSU-elastomeren gerelateerde ( > 100.000 g·mol-1)48. Een momentane reactie vindt plaats tussen de amino groepen en de groepen van de alifatische isocyanyate bij kamertemperatuur, leidt tot snel groeiende molecuulgewicht. Dit resultaat werd verder ondersteund door het uitvoeren van de reactie in een oplosmiddel, omdat een lichte toename van de viscositeit niet lijken te vertragen de reactiesnelheid aanzienlijk, die zou anders drastisch invloed op de moleculair gewicht voor een vrijwel evenwichtige de stoichiometrische verhouding. Daarentegen toen een korte keten-diol, zoals 1,4-butaandiol, werd gebruikt als de extender keten, waren de resulterende polyurethaan-ureum elastomeren niet alleen minder elastisch, maar ook verloren aanzienlijke mechanische stabiliteit, met name als hoog-moleculair-gewicht PDMS was gebruikt voor synthese. Dit resultaat was waarschijnlijk gerelateerd aan het aanzienlijk laag molecuulgewicht van de elastomeren (resultaten niet verschenen), overeenkomt met de onvolledige omzetting van alle isocyanaat groepen in het laatste stadium van polyadditie. Bovendien beïnvloed verschillen in reactiviteit tussen de groepen van het amino en hydroxyl richting alifatische diisocyanaten drastisch de resultaten van in vitro cytotoxiciteit testen. Extracten van de PSU-elastomeer bereid uit de amino-keten extender APTMDS deed niet cytotoxisch effect op de cellen van de HaCaT (Figuur 12) vertonen. Echter, als fragmenten van een polyurethaan-ureum siloxaan gebaseerde elastomeer werden gebruikt, de levensvatbaarheid van de cellen was drastisch verlaagd (resultaten niet verschenen), die mogelijk verwant was aan de laag-moleculair-gewicht leachables en de resterende spoorverontreiniging isocyanaat groepen.
Dit protocol beschrijft een handige methode voor het opstellen van amino-functionele polysiloxanes, die kan vervolgens worden gebruikt als macrodiamines voor de synthese van hoog-moleculair-gewicht, zachte en elastische polysiloxaan-ureum elastomeren. Als de mechanische eigenschappen van de PSUs kunnen gevarieerd worden volgens het PDMS moleculair gewicht, is het mogelijk gebruik van deze polymeren in andere toepassingsgebieden. Bovendien kan de procedure voor het voorbereiden van amino-functionele polysiloxanes worden gebruikt voor de invoering van kant groepen, zoals vinyl groepen, via de copolymerization van een cyclische siloxaan met hanger vinyl groepen (resultaten niet weergegeven). Dit kan open te stellen nieuwe toepassingsgebieden, met inbegrip van de voorbereiding van zachte kruisverwijzende polysiloxaan gels (bijvoorbeelddoor Pt-gekatalyseerde hydrosilylation met een hydride-functionele siliconen of door UV-geactiveerde thiol-een toevoeging van mercapto-functionele PDMS)) resultaten die niet worden weergegeven).
The authors have nothing to disclose.
De auteurs bedank het federale ministerie van onderwijs en onderzoek (goedgekeurd) voor de financiering van dit werk onder nummer 13FH032I3 verlenen. Financiële steun van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Gepris project 253160297) wordt dankbaar erkend. De auteurs verder graag hun dank betuigen aan Priska Kolb en Paul Schuler van de Universiteit van Tübingen voor het uitvoeren van 1H-NMR en 29Si-NMR metingen. Dank gaat ook uit naar CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG voor hun aanbod van H12MDI. De auteurs bedank Herbert Thelen en André Lemme van Biotronik voor het uitvoeren van ethyleen oxide sterilisatie van de PSU-monsters en Lada Kitaeva (Reutlingen University) voor haar steun met stress-spanning en hysteresis metingen.
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 |