7.35.3.2 Formulazioni polimeriche
L’HEMA (Fig. 6) si ottiene polimerizzando il monomero 2-idrossietil metacrilato con un reticolante come il dimetacrilato di etilenglicole (EGDMA) (Fig. 6). La maggior parte del comportamento idrofilo dell’HEMA è dovuto alla presenza del gruppo idrossile (OH) alla fine del monomero. In questa posizione nel polimero risultante, si verifica un legame a idrogeno con le molecole d’acqua, facendole attirare nella matrice polimerica. Il risultato è che le lenti a contatto fatte di pHEMA contengono circa il 40% di acqua allo stato completamente idratato.
Fig. 6. Alcuni dei monomeri usati nei materiali convenzionali per lenti idrogel. HEMA, idrossietil metacrilato; NVP, N-vinil pirrolidone; MMA, metacrilato di metile; Maa, acido metacrilico; EGDMA, dimetacrilato di etilenglicole; GMA, metacrilato di glicerile; DMA, N,N-dimetil acrilamide.
Adattato da Maldonado-Codina, M.; Efron, N. In Contact Lens Practice, 2nd ed, Ed.; Butterworth-Heinemann/Elsevier: Maryland Heights, MO, 2010; p 75.
Le lenti fabbricate con pHEMA furono distribuite per la prima volta in Europa occidentale nel 1962, ma le vendite furono deludenti. Nel 1965, la National Patent Development Corporation (NPDC) acquistò dai cechi la licenza per i diritti americani sulla tecnologia. Questa fu poi venduta a Bausch & Lomb che all’epoca produceva attrezzature oftalmiche e lenti per occhiali. Bausch & Lomb raffinò significativamente il processo di spin-casting di Wichterle e finalmente ottenne l’approvazione della Food and Drug Administration (FDA) per le sue lenti pHEMA nel 1971. Questa volta, le lenti divennero rapidamente molto popolari – sia i professionisti che i pazienti godettero dei benefici di un maggiore comfort, di un tempo di adattamento ridotto e di procedure di applicazione più semplici. Con il tempo, sempre più aziende svilupparono le proprie lenti pHEMA; tuttavia, divenne presto chiaro che queste lenti non erano esenti da problemi. La maggior parte di questi problemi derivava dal fatto che le lenti causavano ipossia, ma erano comuni anche altri problemi relativi alla tossicità della soluzione e alla spoliazione della lente.
I produttori di lenti a contatto, quindi, avevano due possibili strade da seguire per aumentare la trasmissibilità all’ossigeno delle lenti: sviluppare lenti ‘iper-sottili’ o sviluppare materiali con un contenuto di acqua più elevato. Produrre lenti più sottili era una questione relativamente semplice per i progettisti di lenti e diverse lenti di questo tipo furono lanciate, per esempio, la lente sottile Hydrocurve (Soft Lenses, Inc.) nel 1977 e successivamente la serie O3 (Bausch & Lomb). Queste lenti avevano uno spessore di 0,035-0,06 mm, che era meno della metà dello spessore delle lenti originali Bausch & Lomb pHEMA.
Lo sviluppo di materiali con un EWC più alto ha portato allo sviluppo con successo dei copolimeri HEMA. Una delle prime copolimerizzazioni di successo fu con l’N-vinilpirrolidone (NVP) (Fig. 6). La parte ammidica (N-C=O) è molto polare e due molecole di acqua possono legarsi a idrogeno ad essa. I copolimeri a base di NVP perdono la “sensazione” di scivolosità del pHEMA e di conseguenza possono risultare piuttosto gommosi. Questi copolimeri tendono anche ad avere tassi di evaporazione dell’acqua relativamente alti, il che può essere considerato un problema per la stabilità e il comfort della lente. Questo accade perché il gruppo ammidico non lega l’acqua così fortemente come un gruppo idrossile. Inoltre, questi polimeri sono significativamente più sensibili alla temperatura rispetto ai materiali a base di pHEMA; cioè, i loro parametri tendono a cambiare con l’aumento o la diminuzione della temperatura. Questo è importante quando si rimuove una lente dal suo imballaggio (a temperatura ambiente di, diciamo, 20°C) e la si inserisce nell’occhio (~33°C); cioè, i parametri della lente possono cambiare sull’occhio.
Le lenti a base di NVP sono state anche associate ad un aumento delle reazioni tossiche dell’epitelio corneale – osservate come macchie di ‘staining’ sulla superficie corneale, che vengono osservate clinicamente con l’ausilio del colorante fluoresceina16 – e ad una diminuzione del comfort quando utilizzate in combinazione con soluzioni contenenti livelli più elevati di poliesanide.17,18 Questo non significa che le soluzioni a base di poliesanide non possano essere utilizzate con le lenti contenenti NVP, piuttosto l’interazione dovrebbe essere tenuta presente se insorgono macchie corneali significative o sintomi di disagio – questi possono essere solitamente trattati semplicemente cambiando la soluzione con una contenente un livello inferiore di poliesanide o una soluzione priva di poliesanide.
Il metacrilato di metile (MMA) è il materiale con cui sono originariamente realizzate le lenti a contatto rigide, cioè il PMMA (Fig. 6). Quando MMA e NVP vengono copolimerizzati, si ottiene un materiale completamente nuovo con caratteristiche molto diverse dai copolimeri HEMA/NVP (noti anche come HEMA/VP). A seconda della loro composizione, le lenti a contatto realizzate con copolimeri MMA/VP possono contenere il 60-85% di acqua. L’MMA è molto idrofobico ma è utile negli idrogeli per lenti morbide in quanto conferisce ai polimeri risultanti una maggiore resistenza meccanica.
Un altro monomero idrofilo che è stato usato con molto successo negli idrogeli per lenti a contatto è il MAA (Fig. 6). Quando viene aggiunto alla formulazione di un polimero per lenti morbide, risulta in una lente morbida con gruppi ionizzati (caricati negativamente) all’interno della matrice polimerica, permettendo alla lente di assorbire più acqua. Maggiore è la quantità di MAA, maggiore è l’EWC del polimero risultante. Quantità di MAA dell’ordine dell’1,5-2,5% aumenteranno il contenuto d’acqua di un materiale HEMA nell’intervallo di contenuto medio di acqua del 50-60%, permettendo così alla permeabilità all’ossigeno di aumentare significativamente.
Una volta che le lenti HEMA/MAA sono state prodotte, devono essere ionizzate (cioè, l’atomo di idrogeno nel gruppo carbossilico viene rimosso). La conversione del gruppo carbossilico (CO2H) nella forma ionizzata più idrofila (l’anione carbossilato, CO2-) produce un aumento del contenuto di acqua. Questo si ottiene comunemente lavando le lenti in una soluzione di bicarbonato di sodio o in una soluzione salina tamponata e si parla di “espansione della matrice”. Sfortunatamente, l’uso di MAA per aumentare il contenuto d’acqua di un polimero ha anche i suoi svantaggi. Questi includono i seguenti:
Una lente estremamente sensibile ai cambiamenti di tonicità.19 Gli ioni Na+ presenti nella soluzione salina hanno l’effetto di ‘schermare’ gli anioni carbossilati. In soluzioni ipotoniche (ad esempio, acqua pura), poiché questi ioni schermanti sono presenti in misura molto minore, si verifica una maggiore repulsione a catena, che aumenta il rigonfiamento della rete e di conseguenza l’EWC del materiale. In soluzioni ipertoniche, si verifica la situazione inversa e la rete del materiale si restringe, causando una diminuzione della sua EWC.
Una lente sensibile al pH.20 Se il pH della soluzione in cui è immersa la lente è diminuito (cioè, la concentrazione di ioni idrogeno è aumentata), gli anioni carbossilati sono più schermati e la rete si espande meno. Questo causerà una diminuzione dell’EWC della lente.
Un livello molto significativo di accumulo di proteine sia sulla superficie della lente che all’interno della matrice della lente.21,22 Tuttavia, è l’attività biologica delle proteine depositate come il lisozima che si pensa sia più rilevante in questioni di biocompatibilità come la congiuntivite papillare legata alle lenti a contatto e il comfort; cioè, le proteine che rimangono attive (invece di diventare denaturate) si pensa siano biocompatibili. È stato riscontrato che la proteina depositata sulle lenti HEMA/MAA si denatura in misura significativamente inferiore rispetto ad altri materiali per lenti.23
Instabilità dimensionale quando la lente viene disinfettata a caldo.
Il gliceril metacrilato (GMA) è più idrofilo dell’HEMA a causa del fatto che il monomero contiene due gruppi idrossili (Fig. 6). Questo monomero è stato usato nei materiali per lenti a contatto in due modi principali. Il primo metodo ha usato il GMA in combinazione con l’MMA per produrre materiali che hanno contenuti d’acqua nell’intervallo del 30-42%. Si pensa che questi materiali siano più rigidi e più forti degli idrogeli pHEMA, ma la loro permeabilità all’ossigeno non è ideale per l’uso negli occhi.
Il secondo metodo è stato quello di usare GMA in combinazione con HEMA per produrre un materiale per lenti a contatto ad alto contenuto d’acqua e non ionico (fino al ~70% è stato possibile). Queste lenti a contatto sono dette “biomimetiche”, cioè si sostiene che migliorino la biocompatibilità imitando le proprietà idrofile della mucina. I produttori suggeriscono anche che queste lenti mostrano un basso tasso di disidratazione e un rapido tasso di reidratazione, cioè hanno buoni “rapporti di equilibrio idrico”. Inoltre, i materiali sono ritenuti relativamente resistenti ai depositi e sembrano essere relativamente insensibili ai cambiamenti di pH nella gamma di pH 6-10. Un esempio di tale lente è il materiale hioxifilcon A usato nelle lenti Clear 1 Day prodotte da Clearlab. Un altro esempio di lente cosiddetta ‘biomimetica’ è la lente Proclear (Coopervision) che contiene fosforilcolina (PC) e HEMA. Si dice che il PC imiti la chimica naturale delle membrane cellulari.