7.35.3.2 Polymerní formulace
HEMA (obr. 6) se vyrábí polymerací monomeru 2-hydroxyethylmetakrylátu s příčným pojivem, jako je ethylenglykol dimetakrylát (EGDMA) (obr. 6). Většina hydrofilních vlastností HEMA je způsobena přítomností hydroxylové skupiny (OH) na konci monomeru. V tomto místě výsledného polymeru dochází k vodíkové vazbě s molekulami vody, což způsobuje jejich vtahování do polymerní matrice. Výsledkem je, že kontaktní čočky vyrobené z pHEMA obsahují přibližně 40 % vody v plně hydratovaném stavu.
Obr. 6. Obr. 6. Voda v kontaktních čočkách. Některé monomery používané v běžných hydrogelových materiálech pro čočky. HEMA, hydroxyethylmethakrylát; NVP, N-vinylpyrrolidon; MMA, methylmethakrylát; Maa, kyselina methakrylová; EGDMA, ethylenglykol dimetakrylát; GMA, glycerylmethakrylát; DMA, N,N-dimethylakrylamid.
Převzato z Maldonado-Codina, M.; Efron, N. In Contact Lens Practice, 2nd ed.; Efron, N., Ed.; Butterworth-Heinemann/Elsevier: Maryland Heights, MO, 2010; str. 75.
Čočky vyrobené z pHEMA byly poprvé distribuovány v západní Evropě v roce 1962, ale prodej byl neuspokojivý. V roce 1965 koupila společnost National Patent Development Corporation (NPDC) od Čechů licenci na americká práva k této technologii. Ta byla následně prodána společnosti Bausch & Lomb, která v té době vyráběla oční přístroje a brýlové čočky. Společnost Bausch & Lomb výrazně zdokonalila Wichterleho proces spin-casting a nakonec v roce 1971 získala od Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) schválení pro své čočky pHEMA. Tentokrát si čočky rychle získaly velkou oblibu – praktičtí lékaři i pacienti využívali výhod většího pohodlí, kratší doby adaptace a jednodušších postupů při nasazování. Postupem času vyvíjelo vlastní čočky pHEMA stále více společností, brzy se však ukázalo, že ani tyto čočky nejsou bezproblémové. Většina těchto problémů pramenila z toho, že čočky způsobovaly hypoxii, ale časté byly i další problémy týkající se toxicity roztoku a rozsypávání čoček.
Výrobci kontaktních čoček proto měli dvě možné cesty, jak zvýšit propustnost kyslíku v čočkách: vyvinout „hypertenké“ čočky nebo vyvinout materiály s vyšším obsahem vody. Výroba tenčích čoček byla pro konstruktéry poměrně jednoduchou záležitostí a několik takových čoček bylo uvedeno na trh, například tenké čočky Hydrocurve (Soft Lenses, Inc.) v roce 1977 a následně řada O3 (Bausch & Lomb). Tyto čočky měly tloušťku v rozmezí 0,035-0,06 mm, což byla méně než polovina tloušťky původních čoček Bausch & Lomb pHEMA.
Vývoj materiálů s vyšší EWC vedl k úspěšnému vývoji kopolymerů HEMA. Jedna z prvních úspěšných kopolymerizací byla s N-vinylpyrrolidonem (NVP) (obr. 6). Amidová (N-C=O) část je velmi polární a mohou se na ni vodíkově vázat dvě molekuly vody. Kopolymery na bázi NVP ztrácejí kluzký „pocit“ pHEMA a v důsledku toho mohou působit dosti gumově. Tyto kopolymery mají také tendenci k poměrně vysokému odpařování vody, což lze považovat za problém z hlediska stability a pohodlí čoček. K tomu dochází proto, že amidová skupina neváže vodu tak silně jako hydroxylová skupina. Kromě toho jsou tyto polymery výrazně citlivější na teplotu než materiály na bázi pHEMA; to znamená, že jejich parametry mají tendenci se měnit s rostoucí nebo klesající teplotou. To je důležité při vyjmutí čočky z obalu (při pokojové teplotě např. 20 °C) a jejím vložení do oka (~33 °C); to znamená, že parametry čočky se mohou změnit přímo na oku.
Čočky na bázi NVP byly také spojeny se zvýšenou toxickou reakcí rohovkového epitelu – pozorovanou jako skvrny „zabarvení“ na povrchu rohovky, které se klinicky pozorují pomocí fluoresceinového barviva16 – a sníženým komfortem při použití v kombinaci s roztoky obsahujícími vyšší množství polyhexanidu.17,18 To neznamená, že roztoky na bázi polyhexanidu nelze používat s čočkami obsahujícími NVP, spíše je třeba mít na paměti tuto interakci, pokud se objeví výrazné zabarvení rohovky nebo příznaky nepohodlí – ty lze obvykle jednoduše řešit změnou roztoku na roztok s nižším obsahem polyhexanidu nebo roztok bez polyhexanidu.
Methylmetakrylát (MMA) je materiál, ze kterého se původně vyrábějí tuhé kontaktní čočky, tedy PMMA (obr. 6). Při kopolymeraci MMA a NVP se získá zcela nový materiál s velmi odlišnými vlastnostmi než kopolymery HEMA/NVP (známé také jako HEMA/VP). V závislosti na složení mohou kontaktní čočky vyrobené z kopolymerů MMA/VP obsahovat 60-85 % vody. MMA je velmi hydrofobní, ale je užitečný v hydrogelech měkkých čoček, protože výsledným polymerům dodává zvýšenou mechanickou pevnost.
Dalším hydrofilním monomerem, který byl velmi úspěšně použit v hydrogelech kontaktních čoček, je MAA (obr. 6). Po jeho přidání do polymerní formulace měkkých čoček vzniká měkká čočka s ionizovanými skupinami (záporně nabitými) v polymerní matrici, což umožňuje čočce absorbovat více vody. Čím vyšší je množství MAA, tím vyšší je EWC výsledného polymeru. Množství MAA v rozmezí 1,5-2,5 % zvýší obsah vody v materiálu HEMA do středního rozmezí obsahu vody 50-60 %, což umožní výrazné zvýšení propustnosti pro kyslík.
Po výrobě čoček HEMA/MAA je třeba je ionizovat (tj. odstranit atom vodíku v karboxylové skupině). Přeměna karboxylové skupiny (CO2H) na hydrofilnější ionizovanou formu (karboxylátový aniont, CO2-) způsobuje zvýšení obsahu vody. Toho se běžně dosahuje promýváním čoček v roztoku hydrogenuhličitanu sodného nebo pufrovaném fyziologickém roztoku a označuje se jako „rozšíření matrice“. Použití MAA ke zvýšení obsahu vody v polymeru má bohužel i své nevýhody. Mezi ně patří následující:
Čočka, která je extrémně citlivá na změny tonicity.19 Ionty Na+ přítomné ve fyziologickém roztoku mají za následek „stínění“ karboxylátových aniontů. Protože v hypotonických roztocích (např. v čisté vodě) jsou tyto stínící ionty přítomny v mnohem menší míře, dochází k většímu odpuzování řetězců, což zvyšuje bobtnání sítě a následně i EWC materiálu. V hypertonických roztocích dochází k opačné situaci a síť materiálu se smršťuje, což způsobuje pokles jeho EWC.
Čočka citlivá na pH.20 Pokud se sníží pH roztoku, v němž je čočka ponořena (tj. zvýší se koncentrace vodíkových iontů), karboxylátové anionty se více stíní a síť se méně rozpíná. To způsobí snížení EWC čočky.
Velmi významná je úroveň nahromadění bílkovin jak na povrchu čočky, tak v její matrici.21,22 Nicméně právě biologická aktivita usazených bílkovin, jako je lysozym, je považována za nejdůležitější v otázkách biokompatibility, jako je papilární konjunktivitida související s kontaktními čočkami a komfort; to znamená, že bílkoviny, které zůstávají aktivní (na rozdíl od denaturace), jsou považovány za biokompatibilní. Bylo zjištěno, že bílkovina nanesená na čočkách HEMA/MAA denaturuje ve výrazně nižší míře ve srovnání s jinými materiály pro čočky.23
Při tepelné dezinfekci čočky dochází k její rozměrové nestabilitě.24
Glycerylmetakrylát (GMA) je hydrofilnější než HEMA, protože monomer obsahuje dvě hydroxylové skupiny (obr. 6). Tento monomer byl použit v materiálech pro kontaktní čočky dvěma hlavními způsoby. První způsob použil GMA v kombinaci s MMA k výrobě materiálů, které mají obsah vody v rozmezí 30-42 %. Předpokládá se, že tyto materiály jsou tužší a pevnější než hydrogely pHEMA, ale jejich propustnost pro kyslík není ideální pro použití v oku.
Druhou metodou bylo použití GMA v kombinaci s HEMA k výrobě neiontového materiálu pro kontaktní čočky s vysokým obsahem vody (bylo možné dosáhnout až ~70 %). O těchto kontaktních čočkách se říká, že jsou „biomimetické“, to znamená, že údajně zlepšují biokompatibilitu tím, že napodobují hydrofilní vlastnosti mucinu. Výrobci rovněž uvádějí, že tyto čočky vykazují nízkou míru dehydratace a rychlou míru rehydratace, to znamená, že mají dobrý „poměr vodní bilance.“ Kromě toho se předpokládá, že tyto materiály jsou relativně odolné vůči usazeninám a zdají se být relativně necitlivé na změny pH v rozmezí pH 6-10. Příkladem takových čoček je materiál hioxifilcon A používaný v čočkách Clear 1 Day vyráběných společností Clearlab. Dalším příkladem takzvané „biomimetické“ čočky je čočka Proclear (Coopervision), která obsahuje fosforylcholin (PC) a HEMA. PC údajně napodobuje přirozenou chemii buněčných membrán.