7.35.3.2 Polymere formuleringen
HEMA (fig. 6) wordt gemaakt door polymerisatie van 2-hydroxyethylmethacrylaat monomeer met een cross-linker zoals ethyleenglycol dimethacrylaat (EGDMA) (fig. 6). Het hydrofiele gedrag van HEMA is grotendeels toe te schrijven aan de aanwezigheid van de hydroxylgroep (OH) aan het eind van het monomeer. Op deze plaats in het resulterende polymeer ontstaat een waterstofbinding met watermoleculen, waardoor deze in de polymeermatrix worden getrokken. Het resultaat is dat contactlenzen gemaakt van pHEMA ongeveer 40% water bevatten in de volledig gehydrateerde toestand.
Fig. 6. Enkele van de monomeren die worden gebruikt in conventionele hydrogel lensmaterialen. HEMA, hydroxyethylmethacrylaat; NVP, N-vinylpyrrolidon; MMA, methylmethacrylaat; Maa, methacrylzuur; EGDMA, ethyleenglycoldimethacrylaat; GMA, glycerylmethacrylaat; DMA, N,N-dimethylacrylamide.
Opgenomen uit Maldonado-Codina, M.; Efron, N. In Contact Lens Practice, 2nd ed.; Efron, N., Ed.; Butterworth-Heinemann/Elsevier: Maryland Heights, MO, 2010; p 75.
Lenzen vervaardigd uit pHEMA werden voor het eerst gedistribueerd in West-Europa in 1962, maar de verkoop was teleurstellend. In 1965 kocht de National Patent Development Corporation (NPDC) van de Tsjechen de licentie voor de Amerikaanse rechten op de technologie. Deze werd vervolgens doorverkocht aan Bausch & Lomb, die op dat moment oogheelkundige apparatuur en brillenglazen produceerde. Bausch & Lomb verfijnde Wichterle׳’s spin-giet proces aanzienlijk en verkreeg uiteindelijk goedkeuring van de Food and Drug Administration (FDA) voor hun pHEMA lenzen in 1971. Deze keer werden de lenzen snel erg populair – zowel praktijkbeoefenaars als patiënten genoten van de voordelen van het verhoogde comfort, de kortere aanpassingstijd en de gemakkelijkere aanpasprocedures. Na verloop van tijd ontwikkelden steeds meer bedrijven hun eigen pHEMA lenzen; het werd echter al snel duidelijk dat deze lenzen niet probleemloos waren. De meeste van deze problemen kwamen voort uit het feit dat de lenzen hypoxie veroorzaakten, maar andere problemen met betrekking tot toxiciteit van de vloeistof en lensspoliation kwamen ook vaak voor.
Contactlensfabrikanten konden daarom twee wegen bewandelen om de zuurstoftransmissie van lenzen te verhogen: ‘hyperdunne’ lenzen ontwikkelen of materialen ontwikkelen met een hoger watergehalte. Het produceren van dunnere lenzen was een relatief eenvoudige zaak voor lensontwerpers en er werden verschillende van dergelijke lenzen gelanceerd, bijvoorbeeld de Hydrocurve dunne lens (Soft Lenses, Inc.) in 1977 en vervolgens de O3-serie (Bausch & Lomb). Deze lenzen hadden een dikte van ongeveer 0,035-0,06 mm, wat minder was dan de helft van de dikte van de oorspronkelijke Bausch & Lomb pHEMA lenzen.
De ontwikkeling van materialen met een hogere EWC leidde tot de succesvolle ontwikkeling van HEMA copolymeren. Een van de eerste succesvolle copolymerisaties was met N-vinyl pyrrolidon (NVP) (Fig. 6). Het amide (N-C=O) gedeelte is zeer polair en twee watermoleculen kunnen er waterstofgebonden aan worden. Op NVP gebaseerde copolymeren verliezen het gladde “gevoel” van pHEMA en kunnen bijgevolg vrij rubberachtig aanvoelen. Deze copolymeren hebben ook de neiging een relatief hoge verdampingssnelheid van water te hebben, wat als een probleem voor de stabiliteit en het comfort van de lens kan worden gezien. Dit komt doordat de amidegroep water niet zo sterk bindt als een hydroxylgroep. Bovendien zijn deze polymeren aanzienlijk temperatuurgevoeliger dan materialen op basis van pHEMA; dat wil zeggen dat hun parameters de neiging hebben te veranderen bij toenemende of afnemende temperatuur. Dit is van belang wanneer een lens uit de verpakking wordt gehaald (bij een kamertemperatuur van bijvoorbeeld 20°C) en in het oog wordt geplaatst (~33°C); dat wil zeggen dat de lensparameters op het oog kunnen veranderen.
lenzen op basis van NVP zijn ook in verband gebracht met verhoogde toxische reacties op het hoornvliesepitheel – waargenomen als vlekken van ‘verkleuring’ op het hoornvliesoppervlak, die klinisch worden waargenomen met behulp van fluoresceïne16 – en verminderd comfort wanneer ze worden gebruikt in combinatie met oplossingen die hogere concentraties polyhexanide bevatten.17,18 Dit betekent niet dat oplossingen op basis van polyhexanide niet gebruikt kunnen worden in combinatie met NVP-bevattende lenzen, maar wel dat men rekening moet houden met de interactie als er zich aanzienlijke hoornvliesverkleuringen of ongemaksymptomen voordoen – deze kunnen gewoonlijk eenvoudig worden verholpen door de oplossing te vervangen door een oplossing met een lager gehalte polyhexanide of een oplossing zonder polyhexanide.
Methylmethacrylaat (MMA) is het materiaal waarvan harde contactlenzen oorspronkelijk zijn gemaakt, namelijk PMMA (Fig. 6). Wanneer MMA en NVP worden gecopolymeerd, wordt een geheel nieuw materiaal verkregen met heel andere eigenschappen dan de HEMA/NVP (ook bekend als HEMA/VP) copolymeren. Afhankelijk van hun samenstelling kunnen contactlenzen gemaakt van MMA/VP copolymeren 60-85% water bevatten. MMA is zeer hydrofoob, maar is nuttig in hydrogels voor zachte lenzen omdat het de resulterende polymeren een grotere mechanische sterkte geeft.
Een ander hydrofiel monomeer dat met veel succes is gebruikt in hydrogels voor contactlenzen is MAA (fig. 6). Wanneer dit aan een polymeerformule voor zachte lenzen wordt toegevoegd, ontstaat een zachte lens met geïoniseerde groepen (negatief geladen) in de polymeermatrix, waardoor de lens meer water kan absorberen. Hoe hoger de hoeveelheid MAA, hoe hoger de EWC van het resulterende polymeer. Hoeveelheden MAA in de orde van 1,5-2,5% verhogen het watergehalte van een HEMA materiaal tot het middengebied van 50-60%, waardoor de zuurstofdoorlaatbaarheid aanzienlijk toeneemt.
Als HEMA/MAA lenzen eenmaal zijn vervaardigd, moeten ze worden geïoniseerd (d.w.z. het waterstofatoom in de carboxylgroep wordt verwijderd). De omzetting van de carboxylgroep (CO2H) in de meer hydrofiele geïoniseerde vorm (het carboxylaat anion, CO2-) veroorzaakt een verhoging van het watergehalte. Dit wordt gewoonlijk bereikt door de lenzen te wassen in een natriumbicarbonaatoplossing of gebufferde zoutoplossing en wordt “expansie van de matrix” genoemd. Helaas heeft het gebruik van MAA om het watergehalte van een polymeer te verhogen ook nadelen. Deze omvatten het volgende:
Een lens die uiterst gevoelig is voor veranderingen in toniciteit.19 De Na+ ionen die in een zoutoplossing aanwezig zijn, hebben het effect dat zij de carboxylaatanionen “afschermen”. In hypotone oplossingen (b.v. zuiver water), waar deze afschermende ionen in veel mindere mate aanwezig zijn, zal meer ketenafstoting optreden, waardoor de zwelling van het netwerk en dientengevolge de EWC van het materiaal toeneemt. In hypertone oplossingen doet zich de omgekeerde situatie voor en krimpt het materiaalnetwerk, waardoor de EWC afneemt.
Een pH-gevoelige lens.20 Als de pH van de oplossing waarin de lens is ondergedompeld, wordt verlaagd (d.w.z. als de waterstofionenconcentratie wordt verhoogd), worden de carboxylaatanionen meer afgeschermd en wordt het netwerk minder uitgebreid. Dit leidt tot een afname van de EWC van de lens.
Een zeer aanzienlijk niveau van eiwitafzetting zowel op het lensoppervlak als binnen de lensmatrix.21,22 Het is echter de biologische activiteit van afgezette eiwitten zoals lysozym waarvan wordt aangenomen dat deze het meest relevant is voor biocompatibiliteitsvraagstukken zoals contactlensgerelateerde papillaire conjunctivitis en comfort; met andere woorden, eiwitten die actief blijven (in tegenstelling tot gedenatureerd worden) worden geacht biocompatibel te zijn. Het eiwit dat op HEMA/MAA-lenzen wordt afgezet, blijkt aanzienlijk minder te denatureren dan andere lensmaterialen.23
Dimensionale instabiliteit wanneer de lens met hitte wordt gedesinfecteerd.
Glycerylmethacrylaat (GMA) is hydrofieler dan HEMA vanwege het feit dat het monomeer twee hydroxylgroepen bevat (fig. 6). Dit monomeer is op twee belangrijke manieren gebruikt in contactlensmaterialen. Bij de eerste methode is GMA gebruikt in combinatie met MMA om materialen te produceren met een watergehalte tussen 30 en 42%. Deze materialen zouden stijver en sterker zijn dan pHEMA-hydrogels, maar hun zuurstofdoorlaatbaarheid is niet ideaal voor gebruik in de ogen.
De tweede methode is het gebruik van GMA in combinatie met HEMA om een hoog watergehalte, niet-ionisch contactlensmateriaal te produceren (tot ~70% is mogelijk gebleken). Van deze contactlenzen wordt gezegd dat zij “biomimetisch” zijn, d.w.z. dat wordt beweerd dat zij de biocompatibiliteit verbeteren door de hydrofiele eigenschappen van mucine na te bootsen. De fabrikanten beweren ook dat deze lenzen weinig uitdrogen en snel weer bevochtigen, d.w.z. dat ze een goede “waterbalansverhouding” hebben. Bovendien zouden de materialen vrij goed bestand zijn tegen afzettingen en lijken ze relatief ongevoelig voor pH-veranderingen in het bereik van pH 6-10. Een voorbeeld van een dergelijke lens is het hioxifilcon A materiaal dat wordt gebruikt in de Clear 1 Day lenzen die door Clearlab worden vervaardigd. Een ander voorbeeld van een zogenaamde “biomimetische” lens is de Proclear lens (Coopervision) die fosforylcholine (PC) en HEMA bevat. Van PC wordt gezegd dat het de natuurlijke chemie van celmembranen nabootst.