Denne undersøgelse beskriver syntetiske ruter for aminopropyl-afsluttet polydimethylsiloxanes og polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-blok copolymerer og blød polysiloxane-baseret urinstof (PSU) elastomerer. Det præsenterer anvendelsen af primærenheder som imødekommende en intraokulær linse. En evalueringsmetode til i vitro celletoksicitet er også beskrevet.
Denne undersøgelse beskriver en syntese rute for blød polysiloxane-baseret urinstof (PSU) elastomerer for deres programmer som imødekommende Intraokulære linser (a-IOLs). Aminopropyl-opsagt polydimethylsiloxanes (PDMS) blev tidligere tilberedt via ring-kæde ækvilibrering cyklisk siloxan octamethylcyclotetrasiloxane (D4) og 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Phenyl grupper blev indført i siloxan rygraden via copolymerization af D4 og 2,4,6,8-tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4mig, Ph). Disse polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-blok copolymerer blev syntetiseret for at øge de refraktive indeks af radikaler. For applikationer som en a-IOL skal brydningsindekset af radikaler svare til, af en ung menneskelige øje linse. Polysiloxane molekylvægt er kontrolleret af forholdet mellem den cykliske siloxan til endblocker APTMDS. Gennemsigtigheden af PSU elastomerer er undersøgt af transmittans måling af film mellem 200 og 750 nm, ved hjælp af en UV-Vis Spektrofotometer. Transmittans værdier ved 750 nm (øvre ende af det synlige spektrum) afbildes mod PDMS molekylvægt, og > 90% af transmittans er observeret indtil en molekylevægt på 18.000 g·mol1. Mekaniske egenskaber af PSU elastomerer undersøges ved hjælp af stress-strain forsøg på die-cut hund-ben-formede enheder. Til evaluering af mekaniske stabilitet, mekanisk hysterese måles ved gentagne udspænding (10 x) modellerne til 5% og 100% brudforlængelse. Hysterese falder betydeligt med stigningen i PDMS Molekylær vægt. In vitro celletoksicitet af nogle udvalgte PSU elastomerer evalueres ved hjælp af en MTS celle levedygtighed assay. De metoder, der beskrives heri tillade syntesen af en blød, transparent og noncytotoxic PSU elastomer med en cirka lig med den af en ung menneskelige øje linse brydningsindeks.
Senil grå stær, der påvirker aldersgruppe af ≥ 60 år, fører til den avancerede mattering af den naturlige krystallinske linse. Denne alders-relaterede tilstand er sandsynligvis forårsaget af oxidative ændringer, der er fremskyndet af UV bestråling1,2,3. Konventionel behandling af senile cataract indebærer kirurgisk udvinding af cataractous linsen, efterfulgt af implantation af en kunstig intraokulær linse (IOL) i en tom linse kapsel via en indsprøjtning system2. Men et flertal af IOLs er fremstillet af akryl polymerer (hydrofobe og hydrofile acrylat eller methacrylat polymerer) med ekstremt stive strukturer; således, øjet mister sin evne til at rumme forskellige afstande2,4. Derfor, patienter med Monofokal IOL implantater er afhængige af briller til i nærheden af visionen (fx., mens du læser en avis eller en bog)5.
Forskellige tilgange til at genoprette muligheden for overnatning efter grå stær kirurgi er blevet rapporteret. Blandt disse tilgange, to vigtigste strategier kan skelnes: genpåfyldning tomme linsen kapslen ved at indsprøjte en flydende eller gel-lignende polymerer og udvikle bløde, foldbar a-IOLs6,7,8. Begrebet “linse genpåfyldning” er lovende, fordi geler kan tilberedes med Young’s moduli så lavt som det naturlige menneskelige øje linse (ca. 1-2 kPa)9; men denne fremgangsmåde er stadig på forsøgsstadiet8, og undersøgelser udføres kun på dyrs øjne.
Linse kapsler har været genopfyldes ved implanterer oppustelige silikone balloner10 fyldt med flydende silikone eller ved direkte indsprøjtning silikone11,12 , blev senere helbredt i kapsel via hydrosilylation . Men spørgsmål relateret til overflade rynker på balloner, en lavere overnatning amplitude i forhold til den præoperative stat, og dannelsen af alvorlige sekundære grå stær (forreste og bageste kapsel mattering) har været noteret7, 8,12,13. Navnlig, forårsage længe hærdning gange (70 min – 12 h) en øget risiko for lækage i de omkringliggende øje rum, fører til postoperativ betændelse10,14. Derfor, andre materialer til at erstatte den krystallinske linse er anbefalet, herunder hydrogels baseret på polyethylen glycol diacrylate, acrylat-modificerede copolymerer af vinyl alkohol (N-vinylpyrrolidon)15, methylmethacrylat-modificeret radikaler16,17, poloxamer18, og diisocyanat-crosslinked polyalcohols9. Dog monomer viskositet (dvs., gel hævelse efter injektion og crosslinking), ekstremt lavt eller højt refraktivt indeks, mekanisk stabilitet og integritet, uforudsigelige postoperative refraktion, lav overnatning udvalg, og efter kataraktdannelse udgør den vigtigste spørgsmål6,7,8,9,15,18. Mulighed for overnatning gendannes kommercielt, hovedsagelig ved at udvikle foldbar en IOLs. Sådan en IOLs bør give overnatning ved bevægelse af IOL optik til den forreste site af den linse kapsel via sammentrækning af ciliaere musklen. Flere modeller er blevet indført i markedet i 1996, 2001 og 20027,8. Dog under kliniske undersøgelser lav anslået overnatning amplituder for disse indopereret en IOLs var meget (≤ 1,5 D) for at tillade blotte læsning (3-4 D)6,7,8,19 , 20. derfor en en IOL, bestående af to forbundne optik (dual-optisk IOL) udvikles for at øge Indkvarteringen spænder6,21. Design af kun én linse er blevet undersøgt for sin lempelig ydeevne i menneskets øjne, omend modstridende resultater har været rapporteret22,23,24,25.
Typisk, silikone elastomerer er anses for at være biologisk inaktivt og ugiftige; Derfor, silikone elastomerer har en lang tradition for at blive anvendt som biokompatible materialer i medicin og medicinsk teknik (f.eks.i brystimplantater, kraniofaciale implantater, fælles proteser, forbindinger, katetre, afløb og shunts) 26 , 27. på grund af deres blødhed, åbenhed og høj ilt permeabilitet, silikone elastomerer også finde programmer som kontaktlinser og IOLs2,28,29. Dog skal silikone være kovalent crosslinked og ofte kræver styrke fyldstoffer for at få tilstrækkelig mekanisk integritet. Crosslinking er ufordelagtige som det forbyder den efterfølgende behandling af elastomerer enten af termoplastisk metoder (f.eks., sprøjtestøbning) eller ved forarbejdning af løsninger (f.eks.opløsningsmidler støbning). Derimod termoplastisk polyurethaner udstille mekanisk stabilitet men er modtagelige for nedbrydning inden for det biologiske miljø, især hvis polyester – eller polyether-baserede macrodiols bruges. Derfor, bestræbelser på at kombinere fleksibilitet og hydrolytisk eller oxidativ stabilitet med gode mekaniske egenskaber er koncentreret om indarbejdelse af hydroxy – eller amino-funktionelle PDMS som bløde segmenter i polyurethaner, polyurethan-ureas, og polyurea27. At øge foreneligheden af den polar urethan eller urea hårdt segment med en meget upolære PDMS bløde segment og forbedre mekaniske egenskaber indgår forskellige polyether-baserede macrodiols sammen med PDMS30,31 ,32. Især har gruppen Thilak Gunatillake systematisk undersøgt udviklingen af silikone polyurethaner med forbedret biostability og mekaniske egenskaber for langsigtet biomedicinske programmer såsom pacemakere isolering eller kunstige hjerte ventiler33. De syntetiseret aromatiske polyurethaner med blandet soft segmenter bestående af hydroxyl-afsluttet PDMS samt forskellige polyethers og alifatiske polycarbonat dioler. Blandt alle de syntetiserede polyurethaner, kombinationen af polyhexamethylenbiguanid oxid (PHMO) og PDMS udstiller segmentere de bedste mekaniske egenskaber med hensyn til hårde kompatibilitet30. I efterfølgende undersøgelser, de yderligere undersøgt effekten af PDMS til PHMO ratio og indarbejdelse af en disiloxane-baserede kæde extender på de mekaniske egenskaber af silikone polyurethaner34,35, 36. Resultaterne viste, at et macrodiol sammensætning af 80 wt % PDMS og 20 wt % PHMO, ud over en fælles kæde extender, såsom 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), giver blødere polyurethaner med gode mekaniske egenskaber og termoplastisk processability. Desuden, disse silikone-polyurethaner udviser en forbedret biostability sammenlignet med et almindeligt anvendt bløde polyestersegmenter urethan37,38,39.
Biokompatibilitet og stabilitet af lignende materialer og deres brug for hjerte-kar-programmer har også været rapporteret40,41,42. Baseret på disse resultater, silikone-baserede polyurea elastomerer (eller PSU’er) med en disiloxane-baserede kæde extender er tænkt til at give høj fleksibilitet og blødhed, omend med tilstrækkelig mekanisk styrke, at beholde deres form efter anvendelse af gentagne stress. For eksempel, har Hermans et al. konstrueret en eksperimentel polyurethan-baseret dual-optisk a-IOL prototype fordi design, som tidligere blev brugt til en fabrikation ved hjælp af silikone, var yderst blød til at håndtere de anvendte belastninger inden for kerneløse gris øjne43.
Denne artikel beskriver syntesen af en blød siloxan-baserede PSU, som er optimeret med hensyn til mekaniske og optiske egenskaber for programmer som en imødekommende IOL. Som de mekaniske egenskaber af PSU elastomerer kan ændres af siloxan molekylvægt, kan samme procedure anvendes til at udvikle siloxan-baserede primærenheder, som kan finde programmer i belægninger og hud forbindinger. Denne procedure kan desuden bruges til at forberede siloxan-baseret polyurethan eller polyurethan-urea elastomerer hvis carbinol-afsluttet PDMS bruges. Afhængigt af den type diisocyanat (dvs., alifatiske eller aromatiske) brugt til syntese, skal reaktionsbetingelser (herunder tid, temperatur og måske opløsningsmiddel sammensætning) ændres. For anvendelsen af alifatiske diisocyanater såsom 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) eller isophorone diisocyanat, reaktionen har fremskyndes ved hjælp af en tin katalysator, såsom dibutyltin dilaurate eller diacetoxytetrabutyl distannoxane. For eksempel, provenuet reaktion mellem et hydroxypropyl-afsluttet PDMS og H12MDI i tilstedeværelse af en katalysator. Derudover skal reaktion temperatur øges til 50-60 ° C. For anvendelsen af en aromatisk diisocyanat såsom 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), skal reaktion temperatur være moderat men tilstrækkeligt steg som aromatiske diisocyanater er typisk mere reaktiv mod nukleofil grupper end alifatiske diisocyanater er. Reaktionen af MDI med carbinol-afsluttet PDMS kan fremmes ved hjælp af opløsningsmiddelblandinger af vandfri tetrahydrofuran () THF) og dimethylformamid (DMF) eller dimethylacetamid (DMAc) som tertiære aminer udstille nogle katalytisk aktivitet.
For at opnå høj molekylvægt aminopropyl-afsluttet PDMS via ring-kæde ækvilibrering, ved hjælp af en vandfri, er stærkt basisk katalysator afgørende. Andre typisk anvendt katalysatorer såsom tetramethylammonium hydroxid (TMAH) eller kaliumhydroxid (KOH), indeholder vand restkoncentrationer, der fremmer side reaktioner; dermed opnås en blanding af difunktionelle, monofunctional og ikke-fungerende PDMS kæder med lignende molekylære vægte44. Desuden, hvis TMAH er anvendt, reaktionen kræver > 48 timer for afslutning og gør ikke altid gå videre med komplet monomer forbrug44.
Især vejning af endblocker APTMDS er afgørende for at opnå den ønskede molekylvægt af PDMS. For eksempel, i stedet for 0,9 g af APTMDS, hvis 0.85 g bruges til at syntetisere PDMS, som beskrevet i punkt 2.1 i protokollen, dette ville føre til en teoretisk molekylvægt af ca > 900 g·mol-1. Den teoretiske molekylvægt er derudover afhængig af konverteringen. Hvis de cykliske side produkter ikke er betydeligt fjernet via vakuumdestillation, opnås en høj konverteringsværdi. For eksempel, hvis du vil bruge den samme syntese procedure (som i punkt 2.1 i protokollen), ville en beregnede konvertering af 90% føre til en teoretisk beregnede molekylvægt; Denne værdi er 910 g·mol-1 større end hvis en konvertering af 85% antages. Afvigelser i polysiloxane molekylvægt bestemmelse ved titrering er muligvis relateret til vejning af PDMS i målekolber, især hvis en 50 mL burette er anvendt til titrering. En afvigelse, der vedrører vejer 0,06 g polysiloxane kan føre til en beregnede forskel på ~ 650 g·mol-1. Derfor anbefales brug af et semiautomatisk titrator.
Brydningsindeks af PDMS kan øges ved inddragelse af phenyl grupper17,51, halogenerede phenyl grupper52eller svovl-holdige grupper53. Forsøg på at indarbejde phenyl grupper i PDMS via copolymerization af octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph), som beskrevet af Yilgör, riffel og McGrath54 var mislykket betingelser anvendes reaktion muligvis fordi pladskrævende ring rygraden gjorde det umuligt for den anvendte katalysator til at bryde op siloxan obligationer på den valgte reaktion temperatur. D4Ph ring kan åbnes, hvis KOH bruges ved en reaktion temperatur på 160 ° C. Dog fås radikaler af ekstremt høj molekylvægt, som formentlig indeholder store mængder af ikke-fungerende urenheder. Hertil kommer, fjernelse af katalysator KOH i disse copolymere er ikke ligetil og kræver en neutralisering trin ved hjælp af ethanoliske HCl, efterfulgt af et vandigt udtræk af katalysatoren. Derefter, PDMS har at blive opløst i et organisk opløsningsmiddel, såsom CH2Cl2, for at adskille den vandige fase fra den organiske PDMS-holdige fase. Endelig, den organiske fase skal tørres over MgSO4, efterfulgt af filtrering og vakuumdestillation ved hjælp af en rotationsfordamper54. Derimod metoden præsenteret i dette håndskrift tillader katalysator skal fjernes straks via termisk nedbrydning. Derfor, istedet for benytter solid monomer D4Ph, phenyl grupper er med held indført i PDMS rygraden af copolymerization af den flydende monomer D4mig, Ph, som bekræftet af 29Si-NMR spektroskopi50.
De syntetiserede PSU elastomerer udstillet YM på 0,6 – 5,5 MPa og høj elasticitet med brudforlængelse værdier på op til 1.000%. Sådanne høje brudforlængelse værdier var ikke kun vedrører polymer segmenteret struktur men også til de høj Molekylær vægt af PSU elastomerer ( > 100.000 g·mol-1)48. En øjeblikkelig reaktion opstår mellem amino grupper og alifatiske isocyanyate grupper ved stuetemperatur, fører til hastigt stigende molekylvægt. Dette resultat blev yderligere støttet ved at foretage reaktion i et opløsningsmiddel, fordi en svag stigning i viskositet ikke syntes at bremse reaktionshastighed betydeligt, som ville ellers dramatisk indflydelse molekylvægt for et næsten afbalanceret Støkiometrisk forhold. Derimod når en kort kæde diol, såsom 1,4-butandiol, blev brugt som kæde extender, var de resulterende polyurethan-urea elastomerer ikke kun mindre elastiske, men også tabt betydelige mekaniske stabilitet, især hvis høj molekylvægt PDMS var brugt til syntese. Dette resultat var formentlig relateret til den betydeligt lav Molekylær vægt af elastomerer (resultater ikke offentliggjort), svarende til den ufuldstændige omdannelse af alle isocyanat grupper i den sidste fase af polyaddition. Desuden påvirket forskelle i reaktivitet mellem amino og hydroxyl grupper mod alifatiske diisocyanater dramatisk resultaterne fra i vitro celletoksicitet tests. Uddrag af den PSU elastomer forberedt fra amino-kæde extender APTMDS ikke udviser nogen cytotoksiske effekt på HaCaT-cellerne (figur 12). Men hvis ekstrakter af siloxan-baseret polyurethan-urea elastomer blev brugt, cellernes levedygtighed var drastisk nedsat (resultater ikke offentliggjort), som var muligvis relateret til lav Molekylær vægt udvaskningsprodukter og resterende ureageret isocyanat grupper.
Denne protokol beskriver en praktisk metode til forberedelse af amino-funktionelle radikaler, som senere kan bruges som macrodiamines for syntese høj molekylvægt, blød og elastisk polysiloxane-urea elastomerer. Som de mekaniske egenskaber af PSU’er kan differentieres efter PDMS Molekylær vægt, er det muligt at bruge disse polymerer i andre programfelter. Proceduren for udarbejdelsen af amino-funktionelle radikaler kan desuden bruges til indførelsen af side grupper, såsom vinyl grupper, via et cyklisk siloxan copolymerization med vedhæng vinyl grupper (resultater ikke vist). Dette kan åbne nye programfelter, herunder forberedelse af bløde crosslinked polysiloxane geler (f.eks.ved Pt-katalyseret hydrosilylation med en hydrid-funktionelle silikone eller UV-aktiveret thiol-en tilsætning af mercapto-funktionelle PDMS)) resultater ikke vist).
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke den Forbundsministeriet for uddannelse og forskning (BMBF) til finansiering af dette arbejde under tildele nummeret 13FH032I3. Finansiel støtte fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Gepris projekt 253160297) anerkendes taknemmeligt. Forfatterne yderligere gerne udtrykke deres tak til Priska Kolb og Paul Schuler fra universitetet i Tübingen til at udføre 1H-NMR og 29Si-NMR målinger. Tak er også på grund af CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG på deres forsyning af Hansens12MDI. Forfatterne vil gerne takke Herbert Thelen og André Lemme fra Biotronik til udførelse af ethylen oxid Sterilisation af PSU prøver og Lada Kitaeva (Reutlingen Universitet) for hendes støtte med stress-strain og hysterese målinger.
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 |