Это исследование описывает синтетические маршруты для аминопропил готовая полидиметилсилоксоланы и polydimethyl метил фенил силоксановой блок-сополимеры и мягкие на основе полисилоксан мочевины (PSU) эластомеров. Она представляет применение БП как интраокулярной линзы. Также описан метод оценки в vitro цитотоксичности.
Это исследование обсуждается синтез маршрут для мягкой на основе полисилоксан мочевины (PSU) эластомеров для их применения как размещения внутриглазных контактных линз (ИОЛ). Аминопропил готовая полидиметилсилоксоланы (PDMS) были ранее подготовлены через кольцо цепи уравновешивания циклических силоксановых octamethylcyclotetrasiloxane (4D) и 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Фенильные группы были введены в силоксановых позвоночника через сополимеризации 2,4,6,8-тетраметилсвинца-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4меня, Ph) и D4 . Эти polydimethyl метил фенил силоксановой блок-сополимеры были синтезированы для увеличения преломления полисилоксаны. Для таких приложений, как a ИОЛ преломления полисилоксанов должна быть эквивалентна что молодой человеческий глаз объектива. Молекулярный вес полисилоксан контролируется отношение циклических силоксановых к endblocker APTMDS. Прозрачность PSU эластомеров рассматривается измерения пропускания фильмов между 200 и 750 нм, используя Спектрофотометр UV-Vis. Значения коэффициента пропускания на 750 Нм (верхний конец видимого спектра) заговор против PDMS молекулярный вес, и > 90% пропускания наблюдается до молекулярной массой 18000 г•моль−1. Механических свойств эластомеров PSU исследуются с помощью механические испытания на образцах собака кость формы высечки. Для оценки механическую стабильность, механического гистерезиса измеряется неоднократно растяжения (10 x) образцов до 5% и 100% удлинения. Гистерезис значительно уменьшается с увеличением молекулярной массы PDMS. В vitro цитотоксичность некоторых выбранных эластомеров PSU оценивается с помощью МТС assay жизнеспособность клеток. Описанные здесь методы позволяют синтез мягким, прозрачным и noncytotoxic PSU эластомер с преломления примерно равно количеству молодых человеческий глаз объектива.
Старческая катаракта, затрагивающих возрастной группе ≥ 60 лет, приводит к дополнительно помутнение естественный хрусталик. Это условие, связанные с возрастом, вероятно, вызвана окислительных изменений, которые ускоряются УФ облучения1,2,3. Обычные лечения старческой катаракты включает в себя Хирургическое Извлечение помутневшего хрусталика, имплантация искусственной интраокулярной линзы (ИОЛ) с последующим в пустой объектив капсула через системы впрыска2. Однако большинство ИОЛ производится из акриловых полимеров (гидрофобных и гидрофильных акрилата или метакрилата полимеров), с чрезвычайно жестких структур; Следовательно глаза теряет свою способность размещения на различных расстояниях2,4. Таким образом, пациенты с Монофокальные ИОЛ имплантатов зависят от очки для зрения вблизи (например., читая газету или книгу)5.
Были зарегистрированы различные подходы к восстановлению способности проживание после хирургии катаракты. Среди этих подходов, можно выделить две основные стратегии: Заправка капсула пустой объектива путем инъекций жидкость или гель как полимеров и разработки мягкие, складная в ИОЛ6,,78. Понятие «объектив заправка» является перспективным, потому что гели могут быть подготовлены с модули Юнга, как низко как те естественный человеческий глаз объектива (ОК. 1-2 кПа)9; Однако этот подход до сих пор экспериментальная8и исследования проводятся только на глазах животных.
Объектив капсулы были дозаправлены имплантации надувные силиконовые шары10 заполнены с жидкого силикона или непосредственно вводя силиконовые11,12 , который впоследствии был устранен в капсулах через hydrosilylation . Однако вопросы, связанные с поверхностные морщины на воздушных шарах, меньше амплитуда проживание по сравнению с предоперационным состоянием, и формирование тяжелых вторичной катаракты (передняя и задняя капсула помутнение) было отмечено7, 8,12,13. В частности давно отверждения раз (70 мин.-12 ч) вызывают повышенный риск утечки на окружающие глаз отсеков, ведущих к послеоперационное воспаление10,14. Поэтому рекомендуется другие материалы для замены хрусталика, включая гидрогели на основе полиэтиленгликоля diacrylate, модифицированный акрилатный сополимеры виниловый спирт (N-винилпирролидона)15, метакрилат изменение полисилоксанов16,17, Плюроники18и диизоцианата сшитый полиспирты9. Однако, вязкость мономера (то есть, гель, отеки после инъекции и сшивки), крайне низкой или высокой преломления, механические стабильности и целостности, непредсказуемым послеоперационной преломления, низкий диапазон размещения, и после катаракты составляют основные вопросы6,,78,9,15,18. Коммерчески возможность размещения главным образом восстанавливается путем разработки a ИОЛ. Такая-ИОЛ следует предусмотреть размещение движением ИОЛ оптика на передней сайте объектив капсула через сокращение цилиарной мышцы. Несколько моделей были введены на рынке в 1996, 2001, и 20027,8. Однако во время клинических исследований, предполагаемое размещение амплитуд для тех имплантированных в ИОЛ были чрезвычайно низким (≤ 1,5 D) разрешить самостоятельно читать (3-4 D)6,,78,19 , 20. Таким образом, в ИОЛ, включающий два подключенных оптика (dual оптические ИОЛ) в настоящее время разрабатывается для увеличения размещение диапазон6,21. Дизайн только один объектив был рассмотрен для его либеральной производительности в глаза человека, хотя и противоречивые результаты были сообщил22,23,24,25.
Как правило Эластомеры силиконовые считается биологически инертен и нетоксичен; Таким образом Эластомеры силиконовые имеют долгую историю применяются как биосовместимых материалов в медицине и медицинской технике (например, маммопластика, черепно-лицевых имплантантов, совместные протезирование, повязки, катетеры, водостоки и шунтов) 26 , 27. ввиду их мягкость, прозрачность и высокой кислородной проницаемости, Эластомеры силиконовые также найти приложения, как контактные линзы и ИОЛ2,,2829. Однако силиконы необходимо ковалентно высокоструктурированные и часто требуют армирующие наполнители для получения достаточной механической целостности. Сшивки невыгодно, поскольку она запрещает последующей обработки эластомеров, либо термопластичных методами (например, литье) или путем обработки от решения (например, растворителей литья). В отличие от этого Термопластичные полиуретаны выставку механическую стабильность, но подвержены деградации в биологической среде, особенно если используются на основе полиэфира или полиэфирных macrodiols. Таким образом, усилия сочетать гибкость и гидролизного или окислительной стабильности с превосходными механическими свойствами сосредоточены на включение гидроксил – или амино функционального PDMS как мягкие сегменты в полиуретанов, полиуретан мочевин, и polyureas27. Для повышения совместимости полярных уретана или мочевины жесткий сегмента с мягкой сегмент очень неполярных PDMS и для улучшения механических свойств, различные macrodiols на основе полиэфирных включены наряду с PDMS30,31 ,32. В частности Thilak Gunatillake Группа расследовала систематически развитие полиуретанов силиконовые с улучшение биостойкость и механических свойств для долгосрочного биомедицинских приложений например кардиостимулятором изоляции или искусственные 33клапанов сердца. Они синтезированы ароматических полиуретанов с смешанной мягких сегментов, гидроксил завершенной PDMS и различные полиэфиров, а также алифатических поликарбоната диолов. Среди всех синтезированных Полиуретаны, сочетание полигексаметиленгуанидина оксид (PHMO) и экспонатов PDMS лучшие механические свойства в отношении жестких сегмент совместимости30. В последующие исследования, они дополнительно изучить влияние коэффициента PDMS-PHMO и учета на основе disiloxane Цепочка-удлинитель на механические свойства силикона полиуретаны34,35, 36. Результаты показали, что macrodiol состав 80 wt % PDMS и 20 wt % PHMO, помимо совместного Цепочка-удлинитель, таких как 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), дает мягкие полиуретанов с хорошими механическими свойствами и Термопластичные технологичность. Кроме того эти силиконовые полиуретаны обладают расширенной биостойкостью, по сравнению с обычно применяемые мягкий полиэстер уретан37,38,39.
О40,,4142были также биосовместимость и стабильность подобных материалов и их использования для сердечно-сосудистой системы приложений. На основе этих результатов, на силиконовой основе полимочевины эластомеры (или БП) с расширителя на основе disiloxane цепь считается высокой гибкости и мягкости, хотя и с достаточной механической прочностью, чтобы сохранить свою форму после применения повторяющегося стресса. Например Херманс et al. построили прототип экспериментальный полиуретановых двойной оптические a ИОЛ, потому что дизайн, который ранее использовался для изготовления с использованием силикона, был чрезвычайно мягкой обработки приложенных нагрузок в рамках энуклеированные свинья глаза43.
Эта статья описывает синтез мягкой на основе силоксановых PSU, которая оптимизирована с точки зрения механических и оптических свойств приложений как размещения ИОЛ. Как механических свойств эластомеров БП может быть изменено, силоксановых молекулярный вес, та же процедура может применяться для разработки на основе силоксановых БП, которые могут найти применение в покрытий и кожи повязки. Кроме того эта процедура может использоваться для подготовки на основе силоксановых полиуретана или Эластомеры полиуретановые мочевина если используется карбинол завершенной PDMS. В зависимости от типа диизоцианат (т.е., алифатические или ароматические) используется для синтеза условий реакции (включая время, температура и возможно состав растворителей) может должны быть изменены. Для применения алифатические diisocyanates например 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) или акриловых диизоцианата, реакция должен быть ускорен с помощью оловоорганических катализатора, например дибутилолова dilaurate или diacetoxytetrabutyl distannoxane. Например реакция между гидроксипропил завершенной PDMS и H12MDI проходит в присутствии катализатора. Кроме того Температура реакции должна быть увеличена до 50-60 ° C. Для применения ароматических диизоцианата, например 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI) температура реакции должна быть умеренно, но достаточно возросло как ароматические diisocyanates обычно более реактивный сторону нуклеофильных групп, чем Алифатические diisocyanates. Реакция MDI с нулем карбинол PDMS может осуществляться с помощью жидкостной смеси тетрагидрофуран безводного ТГФ () и диметилформамида (DMF) или диметилацетамид (DMAc) как третичных аминогрупп демонстрируют некоторые каталитической активности.
Для достижения высокой молекулярно аминопропил завершенной PDMS через кольцо цепи уравновешивания веса, используя безводный, сильно основного катализатора имеет решающее значение. Другие обычно применяются катализаторы, например Тетраметиламмония гидроксид (TMAH) или гидроксид калия (KOH), содержат остатки воды, способствующие побочных реакций; Следовательно смесь difunctional, монофункциональные и нефункциональным PDMS цепи с подобными молекулярными весами проникли получено44. Кроме того, если используется TMAH, реакция требует > 48 часов для завершения и не не всегда действовать с полным мономер потребления44.
В частности весом endblocker APTMDS имеет решающее значение для получения желаемого молекулярная масса PDMS. Например, вместо 0,9 г APTMDS, если 0,85 г используется для синтеза PDMS, как описано в разделе 2.1 протокола, это приведет к теоретической молекулярной массой около > 900 г•моль-1. Кроме того теоретические молекулярный вес зависит от преобразования. Если циклические побочных продуктов не значительно удалены через вакуумной дистилляции, будет получен высокий преобразования значение. Например чтобы использовать ту же процедуру синтеза (как в разделе 2.1 протокола), вычисляемое преобразованием 90% приведет к теоретически рассчитанных молекулярной массой; Это значение-910 г•моль-1 больше, чем, если предполагается преобразование 85%. Отклонения в определение молекулярной массы полисилоксан путем титрования возможно связаны с весом PDMS во флягах, особенно если 50 мл Бюретка используется для титрования. Связанных с весом 0,06 г полисилоксан отклонение может привести к рассчитанные разности ~ 650 г•моль-1. Следовательно рекомендуется использовать полуавтоматические титратор.
Индекс преломления PDMS может быть увеличен путем включения в нее фенильные группы17,51, галогенированные фенильные группы52, или серосодержащих групп53. Попытки включить фенильных групп в PDMS через сополимеризации octaphenylcyclotetrasiloxane (Ph4D), как описано в Yilgör, пороги и МакГрат54 были неудачными в условиях прикладной реакции, возможно потому, что громоздкие кольцо костяк сделало невозможным для прикладной катализатора сломать вверх силоксановых облигаций при температуре выбранной реакции. КольцоPh 4D может быть открыт, если Кох используется реакция при температуре 160 ° C. Однако получаются полисилоксанов чрезвычайно высокой молекулярной массой, которая предположительно содержат большое количество нефункциональных примесей. Кроме того удаление катализатора Кох в этих сополимеры не прост и требует нейтрализации шаг, используя обколоть HCl, следуют водной экстракции катализатора. Затем PDMS должен быть распущен в среде органического растворителя, например CH2Cl2, чтобы отделить водяной участок от этапа органических содержащие PDMS. Наконец органические фазы должны быть высушены над MgSO4, а затем фильтрации и вакуумной перегонки, используя роторный испаритель54. В отличие от этого, метод, представленный в этой рукописи позволяет катализатором быть немедленно удалены через термического разложения. Таким образом вместо сплошной мономера D4Ph, фенильные группы успешно вводятся в PDMS основу путем сополимеризации жидкого мономера D4,меня, рН, как подтверждено 29Si-ЯМР спектроскопия50.
Синтезированные эластомеры PSU выставлены YM 0,6 – 5,5 МПа и высокая эластичность значениями удлинение до 1000%. Такое высокое удлинение ценности были связаны не только к структуре полимера сегментированные но и к высоким молекулярным весом PSU эластомеров ( > 100 000 г•моль-1)48. Мгновенная реакция происходит между аминокислот и алифатические isocyanyate группами при комнатной температуре, ведущих к быстро растущей молекулярный вес. Этот результат далее поддерживалась путем проведения реакции в растворителе, потому что небольшое увеличение вязкости, по-видимому, не существенно, замедлить скорость реакции который бы в противном случае существенно повлиять на молекулярный вес для почти сбалансированное стехиометрический коэффициент. В противоположность этому когда короткие цепи диол, например 1,4-бутандиола, был использован в качестве Цепочка-удлинитель, результате Эластомеры полиуретановые мочевина были не только менее упругой, но также потеряли значительную механическую стабильность, особенно если высокий молекулярный вес PDMS используется для синтеза. Этот результат был предположительно по значительно низким молекулярным весом эластомеров (результаты не опубликованы), соответствующий неполного преобразования всех изоцианатных групп на последней стадии аддитивной. Кроме того различия в реактивности аминокислот и гидроксильных групп к алифатические diisocyanates резко сказывается результаты, полученные в пробирке тестов цитотоксичности. Выдержки из эластомера PSU, приготовленный из амино Цепочка-удлинитель APTMDS не проявляют каких-либо цитотоксическое действие на клетки HaCaT (Рисунок 12). Однако, если использовались выдержки на основе силоксановых эластомерного полиуретана мочевина, жизнеспособность клеток было резкое снижение (результаты не опубликованы), который, возможно, связаны с низким молекулярным весом вымываемые и остаточные непрореагировавшей изоцианатных групп.
Этот протокол описывает удобный метод для подготовки амино функциональные поликсилоксанов, который может впоследствии использоваться в качестве macrodiamines для синтеза высоким молекулярным весом, мягкой и упругой полисилоксан мочевина эластомеров. Как механические свойства БП может изменяться согласно PDMS молекулярный вес, это можно использовать эти полимеры в других областях применения. Кроме того процедуры подготовки амино функциональные полисилоксанов может использоваться для введения сторона групп, например групп винил, через сополимеризации циклических силоксановых с группами Винил Кулон (результаты не показано). Это может открыть новые области применения, включая подготовку мягкой высокоструктурированные полисилоксан гели (например, катализируемой Pt hydrosilylation Гидрид функциональные силиконом или добавив УФ активированный тиоловых Эне меркапто функциональные PDMS)) результаты не отображаются).
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы поблагодарить Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF) для финансирования этой работы под предоставить номер 13FH032I3. Финансовая поддержка со стороны Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Gepris проекта 253160297) с благодарностью. Далее авторы хотели выразить благодарность Priska Kolb и пол Schuler из университета Tübingen для выполнения 1H ЯМР и 29Si-NMR измерений. Благодарности заслуживают также CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG для их снабжения H12MDI. Авторы хотели бы поблагодарить Герберт телен и Андре Lemme от Биотроник для выполнения стерилизации этилен оксид PSU образцов и Lada Китаева (Ройтлинген университет) за ее поддержку с измерения напряженно деформированного и гистерезиса.
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 |