水凝胶作为角膜接触镜材料的应用

本科课程论文题目:水凝胶作为角膜接触镜材料的应用(Hydrogelsascontactlensmaterialsapplications)院（系）化学学院专业化学(师范)课程材料化学二○一三年一月水凝胶作为角膜接触镜材料的应用摘要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。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。本文章介绍了用作角膜接触镜的水凝胶材料;分析了材料的性能要求;综述了角膜接触镜材料的研究进展。关键词:角膜接触镜;水凝胶;亲水性;透氧性;HydrogelsascontactlensmaterialsapplicationsAbstractThehydrogelisaswellinwaterandmaintainlargeamountsofwaterwithoutbeingdissolvedinacrosslinkedpolymer.Suchmaterialafterabsorbingwaterissoftandelastic,noteasytocausetissuedamage,andisnowwidelyappliedinthebiomedicalfield.Comfortabletowearsofthydrophilichydrogelmaterial,andcanbegiventocertainopticalproperties,canwellmeettherequirementsofpeoplecorrectedvisualacuityandnaturalvisual,andthereforebecomethedominantmaterialofaclassmanufacturingcontactlenses.Thisarticledescribesthehydrogelmaterialusedasacontactlens;analysisoftheperformancerequirementsofthematerial;contactlensmaterials.Keywordscontactlenses;thehydrogel;hydrophilic;oxygenpermeability;引言隐形眼镜又称角膜接触镜,已经被广泛应用于矫正视力、眼睛美容、视力防护、眼科手术辅助治疗、治疗眼外伤、矫正红绿色盲、眼药控制释放等领域。我国需要戴眼镜的潜在人数应占总人数的50%,国内眼镜市场发展潜力极大。制造角膜接触镜的材料可以分为硬性不透气材料、硬性透气性材料、软性非亲水性材料(又称为弹性材料)和软性亲水性材料(又称为水凝胶材料)。其中,采用硬性不透气材料和硬性透气性材料制造的角膜接触镜具有较高的硬度,人眼难以适应,配戴舒适度不高,应用不广泛。采用软性非亲水性材料制造的角膜接触镜与人眼的相容性差,一般需要进行表面改性,这种表面改性容易降低角膜接触镜的透氧性,应用亦不广泛。而采用水凝胶材料制造的角膜接触镜与人眼的相容性好,配戴舒适,具有较高的透氧性能,是当前角膜接触镜制造材料的发展方向。本文就水凝胶角膜接触镜的制造材料、成型方法及其应用进行简要述评。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。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Dk和氧气传导系数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;而过夜配戴和延长配戴时要求Dk/t值分别大于87banrrers/mm和125banrrers/mm才无因缺氧引起的相关症状。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用于制造角膜接触镜的水凝胶材料2.1含甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)的水凝胶甲基丙烯酸羟乙酯聚合物(Poly-HEMA)水凝胶是第一种用于制造角膜接触镜的水凝胶材料,是HEMA单体聚合形成的有交联侧联的聚合物,含水量为38%。这种材料比较柔软,力学强度也比较高,具有一定的透氧性和弹性。但是,目前,含HEMA的水凝胶角膜接触镜材料的缺点主要是抗蛋白质和类酯物质沉积性能差。且Poly-HEMA水凝胶材料的透氧性能不很理想,因此,人们设法在该聚合物中引进其他单体,借以改善其性能。一些含有HEMA成分的水凝胶角膜接触镜材料如下表所示。2.2含聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的水凝胶聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一种水溶性高分子化合物,具有良好的生物相容性,可以用于制备多种水凝胶。PVP单体与其他亲水性或者非亲水性单体共聚所得到的水凝胶,具有较好的透光性和生物相容性,含水量比较高,透氧性也比较好,适合制造角膜接触镜。但是,含PVP的水凝胶角膜接触镜材料,强度均不高。一些含有PVP的水凝胶角膜接触镜如表2所示。2.3聚乙烯醇(PVA)的水凝胶聚乙烯醇(PVA)水凝胶与人体组织具有高度的相容性,无毒、无副作用、无降解现象,化学性质稳定,具有良好的弹性,含水量高,容易成型加工,可以用于制造角膜接触镜。Kita等用PVA溶液在水和甘油、乙烯乙二醇、二甲亚砜等混合溶剂混合,冷却PVA溶液,得到一种透明的PVA水凝胶,在50~60e下浇铸成直径14mm、曲率8mm、厚度为0117mm的接触镜,含水量达80%。这种接触镜具有良好的透光性能,在白兔眼配戴实验中未发现角膜异常和镜片污染情况。2.4壳聚糖类水凝胶壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后的产物,化学名称为聚(1,4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。壳聚糖具有成膜性、生物活性以及吸湿、保湿性,可以用于制造软接触镜。采用壳聚糖制造的软接触镜,具有较好的染色性、透氧性和促进伤口愈合的特性,可以作为美容镜以及用于眼科手术辅助治疗。2.5硅氧烷水凝胶采用硅氧烷材料制备的软性非亲水性角膜接触镜具有很高的透氧性,但由于不具有亲水性,配戴舒适度不高。为了结合硅氧烷材料高透氧性优点,以及水凝胶材料配戴舒适性优点,一些研究人员将含有甲基丙烯酸酯或者乙烯基团的聚二甲基硅氧烷与亲水性单体共聚,制备硅氧烷水凝胶。硅氧烷水凝胶可以形成具有不同含水量和透氧性能的一系列结构,其透氧机理与一般水凝胶不同。硅氧烷水凝胶的透氧性能主要由硅氧烷部分决定,而水凝胶部分只赋予这种材料具有良好的配戴舒适性。因此,硅氧烷水凝胶材料的透氧性能随含水量的升高而下降。2.6仿生材料水凝胶YongG等发明一种添加有磷酸胆碱衍生物的仿生材料OmafilconA,这种材料含有两性离子基团,含水量达58%,透氧系数Dk值达到33。采用这种材料制造的角膜接触镜,具有较好的保湿性,能够抗泪液中的蛋白质沉淀,不需要使用蛋白酶片消毒。展望尽管采用水凝胶材料制造的角膜接触镜具有诸多优点,但目前也存在以下缺陷:(1)水凝胶材料的透氧性能与其含水量成线性关系,为了提高角膜接触镜的透氧性,必须提高其含水量。但是,提高含水量导致水凝胶的强度下降,需要增大角膜接触镜的厚度,又导致透氧性下降。(2)水凝胶含水量的提高,容易导致泪液中的蛋白质和类脂在角膜接触镜上沉积,不仅对角膜接触镜造成污染,还会影响其透光均匀性,导致细菌滋生。(3)带有电荷的水凝胶角膜接触镜材料,容易被微生物附着,引起眼部感染。(4)含水量高的水凝胶材料,也容易在配戴过程中脱水。脱水之后,角膜接触镜的透光率和透光均匀性下降,并夺取眼角膜上的水分。因此,水凝胶类角膜接触镜材料的研究方向,在于保证角膜接触镜材料具有较高含水量和透氧能力的同时,提高其强度和保湿性,增强抵御蛋白质和类脂物质沉积的能力。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和开发具有模拟泪膜结构的镜片表面(即仿生材料)来增加配戴的健康。参考文献1HouY,MatthewsAR,etal.Thermoresponsivenanocom-positehydrogelswithcel-lreleasingbehavior[J].Biomate-rials,2008,29(22):31752SahooS,ChungC,etal.Hydrolyticallydegradablehyalu-ronicacidhydrogelswithcontrolledtemporalstructures[J].Biomacromolecules,2008,9(4):10883ClapperJD,PearceME,etal.Biotinylatedbiodegradablenanotemplatedhydrogelnetworksforcellinteractiveapplica-tions[J].Biomacromolecules,2008,9(4):11884IwataJ,etal.Siliconehydrogelcontactlens:US,0063852-A1[P].2006-03-235鲁红,崔英德,黎新明等.丙烯酰胺在水凝胶角膜接触镜材料制备中的应用研究[J].化学推进剂与高分子材料,2007,5(3):33-36.6蔡立彬．有机硅改性水凝胶接触镜的研究［Ｄ］．西安：西北工业大学，２０0６．