7.35.3.2 Formulacje polimerowe
HEMA (Rys. 6) jest wytwarzana przez polimeryzację monomeru metakrylanu 2-hydroksyetylu z sieciującym środkiem, takim jak dimetakrylan glikolu etylenowego (EGDMA) (Rys. 6). Hydrofilowe właściwości HEMA wynikają głównie z obecności grupy hydroksylowej (OH) na końcu monomeru. W tym miejscu w powstałym polimerze dochodzi do wiązania wodorowego z cząsteczkami wody, co powoduje ich wciągnięcie do matrycy polimerowej. W rezultacie soczewki kontaktowe wykonane z pHEMA zawierają około 40% wody w stanie w pełni uwodnionym.
Rys. 6. Niektóre z monomerów stosowanych w konwencjonalnych hydrożelowych materiałach soczewkowych. HEMA, metakrylan hydroksyetylu; NVP, pirolidon N-winylu; MMA, metakrylan metylu; Maa, kwas metakrylowy; EGDMA, dimetakrylan glikolu etylenowego; GMA, metakrylan glicerolu; DMA, N,N-dimetyloakryloamid.
Adapted from Maldonado-Codina, M.; Efron, N. In Contact Lens Practice, 2nd ed.; Efron, N., Ed.; Butterworth-Heinemann/Elsevier: Maryland Heights, MO, 2010; p 75.
Soczewki wykonane z pHEMA zostały po raz pierwszy rozprowadzone w Europie Zachodniej w 1962 roku, ale sprzedaż była rozczarowująca. W 1965 roku National Patent Development Corporation (NPDC) kupiła od Czechów licencję na amerykańskie prawa do tej technologii. Została ona następnie sprzedana firmie Bausch & Lomb, która w tym czasie produkowała sprzęt okulistyczny i soczewki okularowe. Firma Bausch & Lomb znacznie udoskonaliła proces odlewania Wichterle׳ i w końcu w 1971 roku uzyskała aprobatę Food and Drug Administration (FDA) dla swoich soczewek pHEMA. Tym razem soczewki szybko stały się bardzo popularne – zarówno specjaliści, jak i pacjenci cieszyli się z korzyści płynących ze zwiększonego komfortu, skróconego czasu adaptacji i łatwiejszych procedur dopasowania. Z czasem coraz więcej firm opracowywało swoje własne soczewki pHEMA, jednak szybko okazało się, że nie są one wolne od problemów. Większość z tych problemów wynikała z faktu, że soczewki powodowały niedotlenienie, ale powszechne były również inne problemy związane z toksycznością roztworu i sklejaniem się soczewek.
Producenci soczewek kontaktowych mieli zatem dwie możliwości zwiększenia przepuszczalności tlenu w soczewkach: opracowanie „hipercienkich” soczewek lub opracowanie materiałów o wyższej zawartości wody. Produkcja cieńszych soczewek była stosunkowo prostym zadaniem dla projektantów soczewek i kilka takich soczewek zostało wprowadzonych na rynek, na przykład cienka soczewka Hydrocurve (Soft Lenses, Inc.) w 1977 roku, a następnie seria O3 (Bausch & Lomb). Grubość tych soczewek wynosiła 0,035-0,06 mm, co stanowiło mniej niż połowę grubości oryginalnych soczewek Bausch & Lomb pHEMA.
Opracowanie materiałów o wyższej EWC doprowadziło do pomyślnego opracowania kopolimerów HEMA. Jedną z pierwszych udanych kopolimeryzacji przeprowadzono z N-winylopirolidonem (NVP) (Rys. 6). Cząsteczka amidowa (N-C=O) jest bardzo polarna i dwie cząsteczki wody mogą się z nią związać wodorowo. Kopolimery na bazie NVP tracą śliskość pHEMA i w rezultacie mogą być dość gumowate. Kopolimery te charakteryzują się również stosunkowo wysokim współczynnikiem odparowywania wody, co może być postrzegane jako problem dla stabilności i komfortu użytkowania soczewek. Dzieje się tak, ponieważ grupa amidowa nie wiąże wody tak silnie jak grupa hydroksylowa. Ponadto, polimery te są znacznie bardziej wrażliwe na temperaturę niż materiały na bazie pHEMA; oznacza to, że ich parametry mają tendencję do zmiany wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury. Ma to znaczenie podczas wyjmowania soczewki z opakowania (w temperaturze pokojowej, np. 20°C) i wkładania jej do oka (~33°C); oznacza to, że parametry soczewki mogą się zmieniać w trakcie patrzenia.
Soczewki oparte na NVP są również związane z nasilonymi reakcjami toksycznymi na nabłonek rogówki – obserwowanymi jako plamy „przebarwień” na powierzchni rogówki, które są obserwowane klinicznie przy pomocy barwnika fluoresceiny16 – oraz obniżonym komfortem użytkowania w połączeniu z roztworami zawierającymi wyższe stężenia poliheksanidu.17,18 Nie oznacza to, że roztwory na bazie poliheksanidu nie mogą być stosowane z soczewkami zawierającymi NVP, należy raczej pamiętać o tej interakcji w przypadku pojawienia się znaczącego zabarwienia rogówki lub objawów dyskomfortu – zazwyczaj można je zwalczyć po prostu zmieniając roztwór na taki, który zawiera niższy poziom poliheksanidu lub taki, który nie zawiera poliheksanidu.
Metakrylan metylu (MMA) jest materiałem, z którego pierwotnie wykonano sztywne soczewki kontaktowe, czyli PMMA (Ryc. 6). W wyniku kopolimeryzacji MMA i NVP uzyskuje się zupełnie nowy materiał o bardzo odmiennych właściwościach niż kopolimery HEMA/NVP (znane również jako HEMA/VP). W zależności od składu, soczewki kontaktowe wykonane z kopolimerów MMA/VP mogą zawierać 60-85% wody. MMA jest bardzo hydrofobowy, ale jest przydatny w hydrożelach soczewek miękkich, ponieważ nadaje powstałym polimerom zwiększoną wytrzymałość mechaniczną.
Innym hydrofilowym monomerem, który został z dużym powodzeniem zastosowany w hydrożelach soczewek kontaktowych, jest MAA (Rys. 6). Po dodaniu go do formuły polimerowej soczewki miękkiej uzyskuje się miękką soczewkę z grupami zjonizowanymi (naładowanymi ujemnie) w matrycy polimerowej, co pozwala soczewce wchłonąć więcej wody. Im wyższa ilość MAA, tym wyższe jest EWC powstałego polimeru. Ilości MAA w zakresie 1,5-2,5% zwiększą zawartość wody w materiale HEMA do średniego zakresu 50-60%, umożliwiając tym samym znaczne zwiększenie przepuszczalności tlenu.
Po wyprodukowaniu soczewek HEMA/MAA należy je zjonizować (tzn. usunąć atom wodoru z grupy karboksylowej). Zamiana grupy karboksylowej (CO2H) na bardziej hydrofilną formę zjonizowaną (anion karboksylanowy, CO2-) powoduje wzrost zawartości wody. Jest to powszechnie osiągane poprzez płukanie soczewek w roztworze wodorowęglanu sodu lub zbuforowanej soli fizjologicznej i jest określane jako „rozszerzanie macierzy”. Niestety, stosowanie MAA w celu zwiększenia zawartości wody w polimerze ma również swoje wady. Należą do nich następujące kwestie:
Soczewka, która jest niezwykle wrażliwa na zmiany toniczności.19 Jony Na+ obecne w roztworze soli fizjologicznej powodują efekt „osłaniania” anionów karboksylanowych. W roztworach hipotonicznych (np. w czystej wodzie), ponieważ jony osłaniające są obecne w znacznie mniejszym stopniu, dochodzi do większego odpychania łańcuchów, co zwiększa pęcznienie sieci, a w konsekwencji EWC materiału. W roztworach hipertonicznych zachodzi sytuacja odwrotna i sieć materiału kurczy się, powodując zmniejszenie jego EWC.
Soczewka wrażliwa na pH.20 Jeśli pH roztworu, w którym zanurzona jest soczewka, jest obniżone (tzn. stężenie jonów wodorowych jest zwiększone), aniony karboksylanowe są bardziej osłonięte i sieć staje się mniej rozszerzona. Spowoduje to zmniejszenie EWC soczewki.
Bardzo znaczący poziom odkładania się białek zarówno na powierzchni soczewki jak i w jej macierzy.21,22 Jednakże to aktywność biologiczna osadzonych białek takich jak lizozym jest uważana za najbardziej istotną w kwestiach biokompatybilności, takich jak związane z soczewkami kontaktowymi brodawkowate zapalenie spojówek i komfort; to znaczy, że białko, które pozostaje aktywne (w przeciwieństwie do zdenaturowanego) jest uważane za biokompatybilne. Stwierdzono, że białko osadzone na soczewkach HEMA/MAA ulega denaturacji w znacznie mniejszym stopniu w porównaniu z innymi materiałami soczewek.23
Niestabilność wymiarowa podczas dezynfekcji termicznej.
Metakrylan glicerolu (GMA) jest bardziej hydrofilny niż HEMA, ponieważ monomer zawiera dwie grupy hydroksylowe (Rys. 6). Monomer ten został wykorzystany w materiałach do produkcji soczewek kontaktowych na dwa główne sposoby. W pierwszej metodzie wykorzystano GMA w połączeniu z MMA do produkcji materiałów o zawartości wody w zakresie 30-42%. Uważa się, że materiały te są sztywniejsze i mocniejsze niż hydrożele pHEMA, ale ich przepuszczalność tlenu nie jest idealna do stosowania wewnątrz oka.
Druga metoda polega na wykorzystaniu GMA w połączeniu z HEMA do produkcji niejonowych materiałów do soczewek kontaktowych o wysokiej zawartości wody (możliwe jest uzyskanie zawartości do ~70%). Mówi się, że te soczewki kontaktowe są „biomimetyczne”, to znaczy, że poprawiają biokompatybilność poprzez naśladowanie hydrofilowych właściwości mucyny. Producenci sugerują również, że soczewki te charakteryzują się niskim współczynnikiem odwodnienia i szybkim tempem ponownego uwodnienia, czyli mają dobry „współczynnik równowagi wodnej”. Ponadto materiały te są uważane za stosunkowo odporne na osady i wydają się być stosunkowo niewrażliwe na zmiany pH w zakresie pH 6-10. Przykładem takiej soczewki jest materiał hioxifilcon A stosowany w soczewkach Clear 1 Day produkowanych przez Clearlab. Innym przykładem tak zwanej soczewki „biomimetycznej” jest soczewka Proclear (Coopervision), która zawiera fosforylocholinę (PC) i HEMA. Mówi się, że PC naśladuje naturalny skład chemiczny błon komórkowych.