水凝胶角膜接触镜材料研究进展

水凝胶角膜接触镜材料研究进展

汤 琦,于俊荣,陈 蕾,诸 静,胡祖明

(东华大学材料科学与工程学院,上海201620)

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。

关键词 水凝胶角膜接触镜 高透氧 互穿网络中图分类号:T Q314.2

Research Progress on Hydrogel Contact Lens Materials

T ANG Qi,YU Junrong,CHEN Lei,ZH U Jing,HU Zuming

(Scho ol of M ater ial Science and Eng ineering ,Dong hua U niv ersity ,Shang hai 201620)

Abstract St arted w ith the basic needs of contact lens mater ials,some recent advances and the dev elo pment trends r egar ding soft hydro gel contact lens materials are review ed in this ar ticle based o n related literatur es and pa -tents.Specially ,for the requirements o f o xy gen per meability and ho mo geneous co nstr uctio n,new ly co nt act lens ma -terials w ith high o xy gen permeability and inter penetrating po lymer netw or ks (IP N s)str uctures are emphatically intr o -duced.T ime -la pse wear of contact lens can be acquired by ox yalkylat ion,ho mo geneity and stabilit y can be achiev ed v ia obtaining crosslinked inter lo cking str ucture,that w ill make the contact lens materials used widely in drug liber ation and treatment.

Key words hy dr og el contact lens,hig h o x yg en permeability,IPN s

汤琦:女,1985年生,博士研究生,主要从事接触镜材料的研究 E -mail:tang qi@ 胡祖明:通讯联系人,教授 E -mail:hzm@

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。这类材料吸水后柔软而富有弹性,不容易造成组织损伤,目前被广泛地应用在生物医学领域中[1-4]。软性亲水的水凝胶材料配戴舒适,又能被赋予一定的光学性能,能很好地满足人们矫正视力和 自然视觉 的要求,因此成为制造角膜接触镜的一类主导材料。

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。 E WC (%)=(M e-M )/M 100%(1)式中:E WC 为平衡含水量;M e 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 perm eability)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24banrrers/mm ;而过夜配戴(Over -night w ear)和延长配戴(Extended w ear,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- -羟乙酯(Poly -H EM A)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 -H EM A 是H EM A 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。

图1 H EMA 单体Fig.1 HEMA mon omer

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(NV P)(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]。NV P 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,PV P 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。

图2 NVP 单体Fig.2 NVP monome r

常用的亲水单体还有丙烯酰胺(AM )、N,N -二甲基丙烯酰胺(DM AA)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。

表1 传统共聚物水凝胶接触镜材料Table 1 Conventional copolym er hydrogel

contac t lens mateials

T rade name Chemical constituents

Water content/%

Polymacon HEMA,EGDA 38

Vifilcon -A H EM A,MA,PVP,EGDA

55Surfilcon -A MM A,MA,PVP 74Droxifilcon -A HEMA,MA 47Ocufilcon -A

H EMA,M A,EGDA

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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N VP 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(CH 3)2-O -),因此O 2在有机硅材料上有较大的扩散系数D 。纯二甲基硅氧烷的D k/t 值可达600banrrers/m m,远远大于连续配戴要求的125banrrers/m m,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 [10-12]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。T RIS 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[14-18]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。

图3 常用的低相对分子质量助溶单体(TRIS )Fig.3 Common ly u se d low molecu lar cosolvent

mon omer(TRIS )

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M ichael 加成反应[19-22],与异氰酸酯的加成反应[21-24]

,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[26,28-30],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