水凝胶软隐形眼镜材料研究进展

水凝胶软隐形眼镜材料研究进展（共2篇）

水凝胶软隐形眼镜材料研究进展 篇1

水凝胶软隐形眼镜材料研究进展

摘要：介绍了用作软隐形眼镜（SCL）的水凝胶材料；介绍了材料的性能要求；综述了用于SCL水凝胶材料新研究进展，包括互穿网络水凝胶、药物控制释放水凝胶及改性硅水凝胶。

关键词：水凝胶；软隐形眼镜

Research Progress on Hydrogel Soft Contact Lens

Materials

Abstract: The application of hydrogel in Soft Contact Lens(SCL)was introduced.The properties of materials for SCL were also introduced.And the research development of SCL was reviewed, including interpenetrating polymer network hydrogel, drug controlled-release hydrogel and modified silicone hydrogel.Keywords: hydrogel;soft contact lens 0引言

水凝胶是一种能在水中溶胀并保持大量水分而又不被溶解的交联聚合物，是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水，并能被赋予一定的光学性能，因此成为制造软隐形眼镜（SCL）的首选材料。

1软隐形眼镜水凝胶材料

最早的软隐形眼镜由HEMA材料制成，含水量在30%左右，这种材料柔软、具有一定的力学强度，生物相容性好，但透光性及透氧性不理想。目前市售的隐形眼镜材料仍然是以PHEMA为首的丙烯酸衍生物及其与其他几种单体的共聚物,以及含水量高的聚N-乙烯基吡咯烷酮(PNVP)及其衍生物[1]。

2水凝胶软隐形眼镜材料性能要求

软质隐形眼镜与人的眼角膜接触,当光通过眼镜时要发生折射.这决定了软质隐形眼镜必须具备这些条件:a生物相容性；b良好的光学性能；c 透氧性能；d对蛋白质及酯类吸附较少；e亲水性及保湿性；f一定的机械强度和弹性模量。

3软隐形眼镜新型水凝胶

3.1互穿网络水凝胶

为了保证透光性能要求，隐形眼镜应具有各向同性的结构，Wang[2]等用聚（2-甲基丙烯酸羟乙酯）（PHEMA）与聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱)（PMPC）制备连续互穿网络聚合物（IPNs），通过接触角测试表明该互穿网络聚合物水凝胶表面亲水性好于PHEMA，BCA蛋白浓度测定可知该网络体系对蛋白质吸附明显低于PHEMA。这些结果表明基于PHEMA与PMPC的互穿网络体系聚合物在眼科生物材料方面有很大发展。3.2药物控制释放水凝胶

为了提高眼药的利用率以及减少副作用，眼药缓释水凝胶材料应该具有较大的药物负载量,同时眼药的缓释过程是可控制的,而且在药物储存与释放过程中水凝胶能保持其形状、光学性能以及透氧性。Jose Fernando Rosa dos Santos[3-4 ]等在温和条件下将β-环状糊精单元接枝到PHEMA 网络,相比于PHEMA 其药物装载得到改善,能防止药物漏出,即使较大量的β-环状糊精单元存在时凝胶力学性能也不受影响。3.3改性硅水凝胶

用作隐形眼镜的水凝胶必须有良好的透氧性能，提高自由水的含量可以提高水凝胶的透氧性能。用于软隐形眼镜的硅水凝胶表面性质在生物相容性及蛋白质沉积方面起很大作用，Sun[5]等通过常压辉光放电等离子体（APGDP）接枝共聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（MPC），改善硅水凝胶的表面亲水性及蛋白沉积阻力。MPC接枝共聚硅水凝胶接触角为55°，结果表明MPC接枝聚合显著改善硅水凝胶的亲水性。

参考文献

[1] Jindrich Kopecek.Hydrogels: From Soft Contact Lenses and Implants to Self-Assembled Nanomaterials[J].Journal of Polymer Science,2009,(47):5929-5946.[2] Wang, Jingjing, Li, Xinsong.Enhancing Protein Resistance of Hydrogels Based on Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)and Poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)with Interpenetrating Network Structure[J].Jouranl of Applied Polymer Science,2011, 121(6):3347-3352

[3] Jose Fernando Rosa dos Santos.Poly(hydroxyethyl methacrylate-co-methacrylated-b-cyclodextrin)hydrogels :Synthesis , cytocompatibility mechanical properties and drug loading/ release properties [ J ].Acta Biomater ,2008 ,(4):745-755.[4]Jose Fernando Rosa dos Santos.Soft contact lenses functionalized with pendant cyclodextrins for controlled drug delivery [J].Biomaterials , 2009 ,(30):1348-1355.[5] Sun,Fuqian.Improving hydrophilicity and protein resistance of silicone hydrogel by plasma induced graft polymerization of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine[J].E-Polymers.2011,(42):1-11

水凝胶软隐形眼镜材料研究进展 篇2

1 水凝胶角膜接触镜材料的设计要求

作为一类特殊的生物材料, 角膜接触镜材料必须在具有良好光学性能的同时保证与眼环境的相容性[5]。因此, 除了需要具有各向同性的结构以保证透光性的要求外, 亲水性和透氧性是为了保证配戴过程舒适健康需要考虑的2个关键因素。

1.1 材料的亲水性

水凝胶角膜接触镜材料的亲水性一方面表现在材料与水结合的能力即材料的含水量上, 另一方面则表现在材料表面的可湿润性上。水凝胶的平衡含水量由式 (1) 表示。

EWC (%) = (Me-M) /M×100% (1)

式中:EWC为平衡含水量;Me为水凝胶吸水平衡后质量;M为水凝胶干重。平衡含水量越高, 镜片柔软性越好。同时, 对于传统型角膜接触镜来说, 含水量越高, 透氧性、离子渗透性能越好, 配戴也更为舒适。

1.2 材料的透氧性

角膜需要多种营养物质以保证其正常的代谢功能, 氧气是其中的重要部分。角膜只有在充分供氧的状态下才能保持稳定的水合状态, 这是保证镜片材料配戴安全性和有效性的关键, 否则就会引起角膜的水肿。角膜接触镜的透氧能力常用氧气渗透系数 (Oxygen permeability) Dk和氧气传导系数 (Oxygen transmissibility) Dk/t (单位厚度材料的透氧性能) 来表示。医学研究指出, 要满足无角膜水肿的日戴要求, Dk/t值必须大于24 banrrers/mm;而过夜配戴 (Over-night wear) 和延长配戴 (Extended wear, EW) 时要求Dk/t值分别大于87banrrers/mm和125banrrers/mm才无因缺氧引起的相关症状[5,6]。

基于接触镜材料的这些特殊要求, 在设计此类材料时, 一方面要选择合适的单体来赋予材料亲水性、透氧性等特殊性能, 另一方面还要有合理的成分组建形式来保证材料透明性的要求。

2 传统日戴型水凝胶接触镜材料

自1970年Wichterle[7]制造出聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯 (Poly-HEMA) 水凝胶并发明水凝胶材料角膜接触镜的离心浇注成型工艺以来, 角膜接触镜工业在20世纪70年代就出现了繁荣的局面。Poly-HEMA是HEMA单体 (如图1) 聚合形成的有交联侧链的聚合物, 含水量为38%。这种材料比较柔软, 力学强度较高, 具有很好的生物相容性和光学性能, 但透氧性能还不很理想。

传统型软性接触镜考虑通过提高材料含水量来增加其透氧性和柔软性。通常的做法是在丙烯酸酯类单体中引入其它亲水单体, 如N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP) (如图2) 等, 通过自由基引发剂引发, 以无规共聚的方式形成[8,9]。NVP是一种水溶性高分子化合物, 具有较好的透光性和生物相容性。一般来说, PVP在水凝胶中的含量越高, 所得材料的平衡含水量也就越大, 透氧性能也越好。

常用的亲水单体还有丙烯酰胺 (AM) 、N, N′-二甲基丙烯酰胺 (DMAA) 等。表1所示为几种市售传统共聚物水凝胶接触镜材料的化学成分和含水量。

3 新型角膜接触材料

传统软镜材料通过增加材料含水量的方法来提高材料的透氧性存在以下局限:一方面由于丙烯酸酯类单体与NVP等亲水单体竞聚率存在较大差异, 随着亲水单体含量的增加容易出现相分离现象, 使材料变得不透明, 同时使强度减小;另一方面, 由于水的Dk/t值为80banrrers/mm, 也就是说, 通过增加材料含水量的方式提高透氧性使其达到的极限值仅仅是80banrrers/mm, 因此这类材料只能满足日戴的需求, 更长时间的配戴则会受到限制。

所以, 对于角膜接触镜的设计, 近几年的研究重点主要放在2个方面: (1) 选择有更好透氧性的单体; (2) 组建更加稳定均一的体系。

3.1 高透氧角膜接触镜

由于含硅聚合物有良好的链柔顺性, 并且有较大体积的硅氧基团 (-Si (CH3) 2-O-) , 因此O2 在有机硅材料上有较大的扩散系数D。纯二甲基硅氧烷的Dk/t值可达600 banrrers/mm, 远远大于连续配戴要求的125banrrers/mm, 而且生物相容性优良, 被用来制造高透氧角膜接触镜。

但是由于单纯硅胶材料制得的镜片不含水, 容易疏水粘附在角膜上, 因此人们希望将水凝胶材料的亲水性与硅氧烷材料优异的透氧性能相结合, 提出了硅水凝胶的概念。但是, 有机硅的内在疏水性导致其与大多数亲水单体不相容。为了防止较大程度的相分离, 保证镜片的透明度, 必须对此加以改善。

一方面可以通过添加低相对分子质量的疏水助溶单体来提高有机硅材料与亲水单体的相容性。Lai[10,11,12]的研究指出, 硅水凝胶镜片的透氧性能只与硅氧基团的含量有关, 而与硅氧基团的结构无关, 因此用含硅的助溶单体取代部分高相对分子质量的疏水聚合物是一种较为理想的选择。TRIS是常用的一种助溶单体, 如图3所示。TRIS的加入降低了交联密度, 从而使材料更加柔软[13]。专利[14,15,16,17,18]进一步指出, 低相对分子质量硅氧烷单体上的羟基等含活性氢的基团, 有助于有机硅组分与亲水单体或水性聚合物互溶。

另一方面可以通过在聚硅氧烷的主链或侧链上引入亲水乙烯基或甲基丙烯酸酯基等亲水基团, 从而使其与其它亲水单体能够更好地互溶。引入亲水或极性侧链的方法很多, 如Michael 加成反应[19,20,21,22], 与异氰酸酯的加成反应[21,22,23,24], 在氨基[21,25,26] 、羧基[27]等活性基团作用下的环氧基团开环反应等。但是, 在活性基团与环氧基团反应时需要考虑到转移酯化反应[26,28,29,30], 减少副产物。

美国Bausch & Lomb等公司[31]在硅水凝胶的开发方面做了较多的工作, 介绍了一种由乙烯基碳酸酯和乙烯基氨基甲酸聚硅氧烷组成的功能化合物。该功能化合物中含有N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP) , 从而提高了其生物相容性。添加特定的交联剂能改善乙烯基和氨基甲酸功能单体的共聚性能。该公司[32]还研制了一种适用于水凝胶接触镜材料的共聚物, 采用由三甲代甲硅烷基封端的单体形成硅氧烷水凝胶。

3.2 互穿网络角膜接触镜

为了具备优良的透光性能, 角膜接触镜材料应该具有各向同性的结构。因此可能存在2种不同的形式: (1) 具有连续相的分散体系, 传统共聚物角膜接触镜材料即属于这种形式; (2) 具有双/多连续相的互穿网络 (Interpenetrating polymer networks, IPNs) 体系[5]。

互穿网络的概念首先由美国人Miller提出[33], 用于描述2种或多种网络形成的聚合物合金, 每种聚合物网络通过化学键的方式各自独立形成独立的交联网络结构, 网络间不存在化学键作用, 只是通过聚合物分子链间的纠缠环连在一起。对于角膜接触镜材料的组建, 互穿网络结构不仅同时赋予材料2种聚合物的各自优良特性, 而且因为该类材料交联互锁的结构使其具有良好的均一性和稳定性, 从而体现出其优势。

IPN接触镜材料的制备主要以顺序互穿网络材料和同时互穿网络材料 (SIN) 为主。适用于角膜接触镜IPN结构的材料主要有:聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷 (PS) 类和聚氨酯 (PU) 类材料。由于后两类材料的聚合机理与亲水单体不一致, 更容易实现同时互穿。

较早的专利[34]中提出过制备丙烯酸酯类IPN材料的方法:将所有反应单体混合, 首先通过紫外光辐射引发乙烯吡咯烷酮单体形成交联网络, 最后通过加热方式引发丙烯酸酯单体与交联剂形成第二网络。Hu等[35]也提供了类似制造具有IPN结构的PVP/聚丙烯酸酯类材料工艺。但是此类方法存在的问题是在辐射阶段也有可能同时引发丙烯酸酯单体聚合, 而在加热引发丙烯酸酯单体时, 也可能将单体接枝到PVP大分子上, 因此在生成的IPN网络中, 丙烯酸酯网络与PVP网络间有可能存在共价键。

长田义仁等[36]则设计用10%以上带电荷的不饱和单体如2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS) 、丙烯酸 (AA) 、甲基丙烯酸 (MA) 等和物质的量分数在60%以上电中性的不饱和单体, 如丙烯酰胺 (AM) 、N-异丙基丙烯酰胺 (NIPAM) 、甲基丙烯酸甲酯 (MMA) 等作为IPN材料的组分, 通过加热或紫外灯照射的方法得到IPN水凝胶材料。

随着高透氧角膜接触镜材料的发展, 硅氧烷类的IPN材料也相应出现。美国 Bausch & Lomb公司的研究人员[37]首先利用PDMS与2-羟乙基甲基丙烯酸甲酯 (HEMA) 制备出PDMS/P (HEMA) 类SIN材料, 分别选择带烯键并含羟基官能团的低分子PDMS预聚物与2-羟基乙基甲基丙烯酸甲酯单体作为IPN网络的单体;PDMS的聚合采用含有机铂或含锡的有机物作为反应引发剂;HEMA 单体的聚合反应则采用传统的引发剂, 如偶氮二异丁腈 (AIBN) 、过氧化苯甲酰 (BPO) 等, 交联剂则使用双甲基丙烯酸乙二醇酯 (EGDMA) 。制备方法是:先将所有组分在常温下充分均匀混合;通氮除氧, 升温至80℃聚合成膜, 最后在100℃下进一步反应制得产品。

美国General Electric公司的Liu等[38]提出了一种制备顺序IPN材料的方法:用两端含羟基的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 大分子与苯基三氯硅烷在甲苯溶剂中低温 (～50℃) 聚合, 生成交联的硅氧烷树脂;用水洗涤, 干燥, 除去溶剂中未反应单体, 将硅氧烷树脂 (50%～80%) 分散在含有光引发剂和交联剂的丙烯酸酯单体混合液 (20%～50%) 中, 最后在紫外灯下聚合, 形成第二网络, 其主要组分为聚丙烯酸酯类聚合物。伊朗科学家Abbasi等[39]利用类似方法也制备出了组分分别为聚二甲基硅氧烷与聚2-羟乙基甲基丙烯酸酯 (PHEMA) 的顺序IPN材料。

Chekina等[40]通过顺序互穿网络结构合成了一种可用于软性接触镜的硅水凝胶材料。其中硅网络由2种具有氢化基团和乙烯基的含硅低聚物通过硅氢化作用得到。亲水网络是亲水单体 (N-vinyl pyrrolidone、N, N-dimethylacry-lamide) 、交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯混合物通过辐射引发共聚反应得到。所得产物经水溶胀后不仅具有良好的机械性能, 而且透光性、亲水性及透氧性也均表现良好。从而提供了一种不需要进行表面改性就可得到具有良好可湿润性的硅水凝胶镜片材料的方法。

在Hill等[41,42,43]申请的欧洲专利中, 提出采用反应注模工艺 (RIM) 生产SIN角膜接触镜材料。研究者通过使用反应注模机可以连续制备SIN材料:将含氨基的聚氨酯组分加入到一条温度约为100℃的管线中, 丙烯酸酯单体、交联剂、引发剂与异氰酸酯的混合物加入到另一条保持在室温的管线中;在通入氮气的条件下, 两管线中的液体组分别以不同的注入速率注入混合腔, 通过高压混合头的混合, 注入预热好的模具中完成聚合反应。材料中的第一网络单体由多胺和异氰酸酯组成, 通过缩聚反应形成聚脲;第二网络组分材料是通过自由基引发聚合生成的聚丙烯酸酯聚合物。在所生成的材料中, 2种聚合物组分的质量比为m (聚脲) ∶m (聚丙烯酸酯) = (90∶10) ～ (50∶50) 。第1阶段低温引发聚合时的反应温度为45～100℃, 第2阶段高温引发聚合时的反应温度为110～130℃, 第3阶段后处理阶段的反应温度为140～150℃, 最后在盐水中洗涤溶胀后制得产品。

4 展望

随着人们对水凝胶角膜接触镜更清晰、更方便、更舒适的追求以及医学领域对眼生理的更深入理解, 对适合于不同配戴方式的水凝胶角膜接触镜也提出了更新更高的要求。得到具有优异表面特性和适合的本体组分, 既不疏水也不亲脂, 并能最大程度地减轻配戴角膜接触镜所带来的副作用[44]的材料, 是水凝胶接触镜材料未来的研究发展趋势。甚至可以通过引入抗菌成分[45]和开发具有模拟泪膜结构的镜片表面 (即仿生材料) [44,45]来增加配戴的健康。

总之, 软性亲水性角膜接触镜的开发为屈光矫正提供了一种有效而理想的方法, 尤其是新型角膜接触镜材料的开发保证了角膜长时间配戴的健康, 从而为接触镜在药物缓释[46,47]、治疗[48,49]等方面的更广阔应用提供了可能性。目前, 角膜接触镜市场上占主导的仍然是传统型的水凝胶材料, 因此加强各种类型、各种功能角膜接触镜的开发, 将对新型角膜接触镜材料的市场化具有重要的意义。

摘要：以角膜接触镜材料的基本要求为出发点, 在相关文献和专利的基础上综述了目前软性亲水的水凝胶角膜接触镜材料的研究进展及发展趋势。特别针对传统型水凝胶角膜接触镜的透氧和均一成分构建的局限, 分别重点介绍了高透氧角膜接触镜材料及互穿网络角膜接触镜材料。前者通过引入硅氧烷成分使角膜接触镜的延长配戴成为可能, 后者则通过交联互锁的结构实现了材料的均一性和稳定性, 从而为角膜接触镜材料在药物释放和治疗用途上的更广泛应用创造了条件。