（材料学专业论文）有机硅改性水凝胶角膜接触镜材料的研究.pdf

摘要 摘要 针对水凝胶角膜接触镜材料透氧性能较差的缺陷，本文利用硅氧烷材料分子 结构蓬松、有利于氧气渗透的特点，采用y - ( 甲基丙烯酰氧) 丙基三甲氧基硅 烷( k h 5 7 0 ) 与甲基丙烯酸2 羟基乙酯( h e m a ) 以及n 乙烯基吡咯烷酮( n v p ) 共聚制备具有较高透氧性能的有机硅改性水凝胶角膜接触镜材料，研究了单体选 择对材料性能的影响，并初步研究了材料对抗菌药物氯霉素的缓释作用。 有机硅改性水凝胶角膜接触镜材料可以采用本体共聚法制各，以偶氮二异丁 腈( a i b n ) 为引发剂，在8 0 c 下反应2 8 小时，反应产物溶胀之后具有良好的 光学透明性和折光率稳定性，其拉伸强度随n v p 用量的增加而降低，随k h 5 7 0 用量的增加而增大。瓜及d s c 分析结果表明，产物是共聚物而不是均聚物的简 单混合。 采用重量法和t g 法研究了有机硅改性共聚物水凝胶材料的溶胀行为。结果 表明，水凝胶膜的饱和含水量随温度的变化不大，但随溶液中n a c i 的浓度增大 而降低；水凝胶膜在溶胀过程中出现过量溶胀现象，其特征溶胀指数与菲克溶胀 的特征溶胀指数0 4 5 - - 0 5 相差较大，其溶胀动力学属于非菲克型溶胀类型。偏离 菲克溶胀动力学模型的原因在于大分子链舒张需要较长时间，交联网络之间的大 分子链松弛时间不可忽略。水凝胶膜的含水量和线性溶胀率随n v p 含量增大而 增大，随k h 5 7 0 含量增大而减小。 探讨了有机硅改性共聚物水凝胶角膜接触镜材料的脱水机理，提出可采用两 种极限情况下的幂律模型来描述其脱水机理：即动力学级数n = 0 5 和n = l 。当n = 1 时，水凝胶的失水率( m t m o c ) 与时间t 成正比，为蒸发阶段，是脱水的最初阶 段；随后的脱水阶段中n = 0 5 ，水凝胶的m t m o c 与时间t 怩成正比，称为扩散阶 段。有机硅改性共聚物水凝胶角膜接触镜材料的脱水速率随单体n v p 和k h 5 7 0 质量百分含量的增加而降低，脱水速率随脱水温度的升高而提高，随盐离子浓度 的增加而降低。而总脱水百分含量随单体n v p 用量的增加而提高，随k h 5 7 0 用 量的增加先提高后降低。 采用等压渗透法研究了有机硅改性水凝胶角膜接触镜材料的通透性。结果表 明，随温度升高、水凝胶材料中n v p 组分的含量增大，有机硅改性共聚物水凝 胶角膜接触镜材料的钠离子扩散系数增大；随水凝胶材料中k h 5 7 0 组分的含量 西北工业大学工学博士学位论文 增大，水凝胶膜的钠离子扩散系数先减小后增大。随温度升高、水凝胶材料中 n v p 组分的含量增大，有机硅改性共聚物水凝胶角膜接触镜材料的透氧性能增 大；但是，随水凝胶材料中k h 5 7 0 组分的含量增大，有机硅改性共聚物水凝胶 角膜接触镜材料的透氧性能先减小而后增大。 分析了有机硅改性共聚物水凝胶角膜接触镜材料的透氧机理包括两种，第一 种机理是在水凝胶自由水中的扩散机理；第二种机理是溶解在水中的氧气分子在 k h 5 7 0 构成的毛细管中的扩散机理。在k h 5 7 0 含量较低的情况下，第二种机理 对氧气扩散的贡献可以忽略不计。 探讨了牛血清蛋白( b s a ) 在有机硅改性共聚物水凝胶接触镜材料上的吸附 作用，发现b s a 的吸附量随溶液浓度增大而增大，为匀速吸附过程，其后期吸 附速度受b s a 向含硅水凝胶本体扩散的速度控制，低于前期吸附速度。b s a 的 吸附量在p h 值为4 5 附近为最大，酸性或者碱性过大均导致吸附量下降。溶液 中n a c l 的浓度增大有利于b s a 的吸附，而水凝胶膜中n v p 或者k h 5 7 0 组分的 含量增大导致水凝胶的有效交联密度下降，分子结构蓬松，有利于b s a 向水凝 胶本体扩散而有利于b s a 的吸附。采用f r e u n d l i c h 置换吸附关系式可以很好地 描述b s a 在有机硅改性共聚物水凝胶膜上的吸附行为，表明吸附作用是通过分 布在吸附剂表面上的活性点起作用的，与是否为单分子层吸附无关。 初步探索了有机硅改性共聚物水凝胶角膜接触镜材料对抗菌药物氯霉素的 缓释作用。结果表明，随氯霉素溶液浓度增大、n a c i 浓度降低、温度升高以及 n v p 或者k h 5 7 0 组分的含量增大，有机硅改性共聚物水凝胶角膜接触镜材料对 氯霉索的吸收量增大；随有机硅改性共聚物水凝胶角膜接触镜材料中n v p 或者 k h 5 7 0 组分含量的增大，氯霉素的释放速度明显增大：氯霉素从水凝胶膜中缓 释的动力学可采用f i c k 扩散动力学描述，其释放过程受水凝胶膜溶胀过程以及 氯霉素扩散过程控制。 关键词水凝胶；角膜接触镜；甲基丙烯酸羟乙酯( h e m a ) ；y ( 甲基丙烯 酰氧) 丙基三甲氧基硅烷( k h 5 7 0 ) ； 1 , 4 - 7 , 烯基吡咯烷酮( n v p ) a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s i l i c a n em o d i f i e dc o p o l y m e rh y d r o g e lf o rc o n t a c tl e n sw i t hh i 曲 o x y g e np e r m e a b i l i t y w e r e p r e p a r e db yc o p o l y m e r i z a t i o n o f k h 5 7 0 ， n - v m y l p y r r o l i d o n e ( n v f ) a n dh y d r o x y e t b y l m e t h a c r y l a t e ( h e m a ) ，i n f l u e n c eo f m o n o m e r so nt h ep r o p e r t i e so ft h eh y d r o g e lw e r es t u d i e d ，a n dd e l a y e dr e l e a s eo f c h l o r a r n p h e n i c o lb yt h eh y d r o g e lw e r es t u d i e d a sw e l l w h e na i b nw a gu s e da si n i t i a t o ra n dt h er e a c t i o nc a r r i e do nf o r2 8h o u r su n d e r t h et e m p e r a t u r eo f8 0 c ，t h ec o p o l y m e ro fk h 5 7 0 - n v p h e m aw a st r a n s p a r e n t h y d r o g e la f t e rf u l l ys w o l l e n , a n dt h es 缸 e t e hi n t e n s i t yo ft h eh y d r o g e li n c r e a s e sw i t l l d e c r e a s i n go ft h ec o n t e n to fn v p a n di n c r e a s i n go ft h ec o n t e n to fk h 5 7 0i nt h e h y d r o g e l t h es w e l l i n gb e h a v i o ro ft h ec o p o l y m c rh y d r o g e lw e r es t u d i e db yw e i g h ta n d t ga n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a te w co ft h eh y d r o g e lc h a n g el i t t l ew i t ht h e c h a n g eo ft e m p e r a t u r e , a n dd e c r e a s e sw i t ht h ec o n t e n to fn a c ! i n c r e a s i n g e x c e s s s w e l l i n gw e r eo b s e r v e da n dt h es w e l l i n gi n d e xw a sd i f f e r e n tw i t hf i c k ss w e l l i n g i n d e x ，t h es w e l l i n gk e n e t i c sw a sn o n - f i c kt y p e t h ee w c o f t h ec o p o l y m e rh y d r o g e l i n c r e a s e sw i mi n c r e a s i n go f t h ec o n t e n to f n v pi nt h eh y d r o g e l 。w h i l ed e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n go f t h ec o n t e n to f k h 5 7 0 i nt h eh y d r o g e l t h ed e h y d r a t i o nm e c h a n i s mo ft h ec o p o l y m e rh y d r o g e lw e r es t u d i e d ，a n d2 m e c h a n i s m sw e r eg i v e nt oe x p l a i nd i f f e r e n td e h y d r a t i o nm e c h a n i s ma td i f f e r e n t d e h y d r a t i o ns t a g e s a tt h ef i r s td e h y d r a t i o ns t a g e ，t h ek e n e t i e si n d e xw a sla n dt h e e v a p o r a t i o nw a st h ek e yf a c t o rw h i c hi n f l u e n c et h ed e h y d r a t i o np r o c e s s ，a n dt h e k e n e t i c si n d e xw a s0 5a tt h es e c o n dd e h y d r a t i o ns t a g e t h ed e h y d r a t i o nr a t eo ft h e e o p o l y m e rh y d r o g e li n c r e a s e d w i t ht e m p e r a t u r ea n dt h ec o n t e n to fn v p , w h i m d e c r e a s e dw i t l li n c r e a s e so ft h ec o n c e n t r a t i o no fn a c li nt h es o l u t i o na n dt h ec o n t e n t o f k h 5 7 0 p e r m e a b i l i t yo ft h ec o p o l y m e rh y d r o g e l i nc a s eo fn a + a n do x y g e nw a s u i 西北工业大学工学博士学位论文 m e a s u r e db yw a yo fp e n e t r a t i o nu n d e re q u a lp r e s s u r e n 圮r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e d i f f u s i o nc o e f f i c i e n c yo f n a + i n c r e a s e dw h e nt h et e m p e r a t u r ea n dt h ec o n t e n to f n v p i nt h eh y d r o g e li n c r e a s e ，a n dd e c r e a s e df i r s t l yt h e ni n c r e a s e dw h e nt h ec o n t e n to f k h 5 7 0i nt h eh y d r o g e li n c r e a s e d t h ep e r m e a b i l i t yo fo x y g e ni n c r e a s e dw h e nt h e t e m p e r a t u r ea n dt h ec o n t e n to fn v pi nt h eh y d r o g e li n c r e a s e ，a n dd e c r e a s e df i r s t l y t h e ni n c r e a s e dw h e nt h ec o n t e n to f k h 5 7 0i nt h eh y d r o g e li n c r e a s e d t h ed i f f u s i o nm e c h a n i s mo fo x y g e ni i it h eh y d r o g e lw a sa n a l y s i z e d a n di tw a s s u g g e s t e dt h a tt h ed i f f u s i o np r o c e s so f o x y g e ni n t h eh y d r o g e lc o n t a i n i n gt w ok i n d so f m e c h a n i s m ，o n ew a st h ed i f f u s i o np r o c e s si nt h ef r e ew a t e ro ft h eh y d r o g e l ，a n dt h e o t h e rw a st h ed i f f u s i o np r o c e s si nt h ec a p i l l a r yf o r m e db yk h 5 7 0 a d s o r p t i o no fb s ao nt h ec o p o l y m e rh y d r o g e lm e m b r a n ew a si n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yi n c r e a s e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fb s a a n dn a c li nt h es o l u t i o ni n c r e a s e d t h ea d s o r p t i o nr a t ew a su n i f o r m l ya n dd e c r e a s e d w h e nt h et i m ew a so v e r1 2 h ；t h em a x i n l h i na d s o r p t i o nr e a c h e dw h e nt h ep hv a l u eo f t h es o l u t i o nw a sa b o mg 5 ，a n di n c r e a s i n go ft h ec o n t e n to fn v po rk h 5 7 0i nt h e c o p o l y m e rh y d r o g e ll e a d i n gt oi n c r e a s i n go f t h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yo fb s a d e l a y e dr e l e a s eo fc h l o r a m p h e n i c o lb yt h ee o p o l y m e rh y d r o g e lw e 佗i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yo fc h l o r a m p h e n i c o lb yt h ec o p o l y m e r h y d r o g e ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go ft h ec o n c e n t r a t i o no fe h l o r a m p h e n i e o ti nt h e s o l u t i o na n dt h ec o n t e n to fn v po rk h 5 7 0i nt h eh y d r o g e l ，w h i l ed e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n go ft h ec o n c e n t r a t i o no fn a c l i nt h es o l u t i o n t h er e l e a s er a t eo f c h l o r a m p h e n i c o li n c r e a s e sw i t ht h ec o n t e n to f n v p o rk h 5 7 0i nt h eh y d r o g e l ，a n dt h e r e l e a s ek e n e t i c sc a nb ed e s c r i b e db yf i c k s d e f f u s i o nk e n e t i c s ，t h er e l e a s eo f c h l o r a m p h e n i c o lw a sc o n t r o l l e db yt h es w e l l i n gp r o c e s so ft h eh y d r o g e la n dt h e d i f f u s i o np r o c e s so f c h l o r a m p h e n i c 0 1 k e y w o r d sh y d r o g e l ；c o n t a c tl e n s ；k h 5 7 0 ；h y d r o x y e t h y l m e t h a c r y l a t e ( h e m a ) ； n - v i n y l p y r r o l i d o n e ( n v p ) i v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文 _ 作的知识产权单位属丁两北t 业大学。学校有权保留并向国家有 关部j j 或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学 校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工、人学。 学位论文作者签名：幽一指导教师笔名： z 。6 年。月z 占日蒯年 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郊重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导卜- 进行研究 i 作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它_ 【= | 途使闱过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关 。学位论文作者签名： 0 6 年6 月, - b 日 论文的主要刨新与贡献 论文的主要创新与贡献 ( 1 ) 成功地采用本体共聚法制备了k h 5 7 0 - n v p h e m a 三元共聚物水凝胶 角膜接触镜材料。该材料具有良好的透氧性、光学透明性和折光率稳定性，其拉 伸强度随n v p 用量的增加而降低，随k h 5 7 0 用量的增加而增大。 ( 2 ) 实验发现有机硅改性水凝胶角膜接触镜材料的脱水过程分阶段性，可 以采用两种极限情况下的幂律模型来描述其脱水机理；脱水动力学级数n = l 的时 候，水凝胶的失水率m t m o e 与时间t 成正比，是脱水的初期阶段，为蒸发过程； 脱水动力学级数n = 0 5 的时候，水凝胶的失水率m t m o e 与时间t 忱成正比，是 脱水的后期阶段，为扩散阶段。 ( 3 ) 揭示了有机硅改性水凝胶角膜接触镜材料的透氧机理：一是氧气分子 在水凝胶自由水中的扩散机理；二是溶解在水中的氧气分子在k h 5 7 0 构成的毛 细管中的扩散机理。在k h 5 7 0 含量较低的情况下，后者对氧气扩散的贡献可以 忽略不计。 ( 4 ) 发现有机硅改性共聚物水凝胶膜对b s a 吸附作用是通过分布在吸附剂 表面上的活性点起作用的，与是否为单分子层吸附无关。且其吸附行为可用 f r e u n d l i c h 置换吸附关系式来描述。 ( 5 ) 提出采用角膜接触镜缓释药物，以克服现有眼科药物剂型的缺点，并 初步研究了有机硅改性共聚物水凝胶膜对抗菌药物氯霉素的缓释作用，发现氯霉 素从水凝胶膜中缓释的动力学可采用f i c k 扩散动力学描述，其释放过程受水凝 胶膜溶胀过程以及氯霉素扩散过程控制。 v 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 角膜接触镜又称为“隐形眼镜”，与普通眼镜相比，具有配戴美观及配戴安 定性等优点，越来越受到人们的喜爱，其使用人数正大量增加。据统计，配戴角 膜接触镜人数约占全世界人口总数的1 5 左右；在美国、日本等发达国家，角 膜接触镜的使用人数已占全国总人口的1 0 左右【l j 。在我国，青少年近视发病率 一直居高不下，导致我国的角膜接触镜市场发展迅速。另外，随着人们生活水平 的提高和医学领域的进步，对防护性角膜接触镜、美容性角膜接触镜以及医疗性 角膜接触镜的开发和应用也提上日程p 引。据统计，近年来，我国角膜接触镜市 场以每年高达2 0 的速度增长吲。 由于角膜接触镜在配戴过程中紧贴人眼角膜，因此，其制造材料的配戴舒适 性、配戴安全性以及配戴方便性成为角膜接触镜能否为消费者所接受的关键因 素。目前，角膜接触镜的制造材料，主要是甲基丙烯酸2 羟基乙酯 ( h y d r o x y e t h y l m e t h a e r y l a t e ，简称为h e m a ) 的聚合物水凝胶( p o l y h e m a 水 凝胶) 0 0 。尽管p o l y - h e m a 水凝胶角膜接触镜材料具有配戴舒适、容易为人眼 所接受等优点，但其含水量不高，在透氧性能以及实现功能化等方面仍然有待改 进【1 1 1 2 1 。虽然人们也试图采用甲基丙烯酸( m a ) 、甲基丙烯酸钠( m a - n a ) 等 水溶性单体与h e m a 共聚，可制得含水量更高的水凝胶角膜接触镜材料，但由 于水凝胶材料的透氧机理方面的原因，其透氧性能难以满足过夜配戴要求，配戴 不方便，并且其机械强度随含水量的增大而急剧降低，引进离子型单体共聚改性 导致人眼泪液中的蛋白质更容易在角膜接触镜上沉积，仍然难以具备配戴方便性 的优点【1 3 】。 本文针对水凝胶角膜接触镜材料的透氧性能较低、不能满足过夜配戴要求的 缺点，利用h e m a 以及卜卜乙烯基吡咯烷酮( n v i n y l p y r r o l i d o n e ，简称为n v p ) 的亲水性和生物相容性，并利用t ( 甲基丙烯酰氧) 丙基三甲氧基硅烷( 简称为 k h 5 7 0 ) 分子结构蓬松、有利于氧气扩散的特点，采用本体聚合法制备具有较高 西北工业大学工学博士学位论文 透氧性能的h e m a - n v p - k h 5 7 0 共聚物水凝胶角膜接触镜材料，研究各单体组分 对材料性能的影响，具有重要的应用前景和一定的科学意义。 1 2 角膜接触镜材料的研究现状 角膜接触镜材料的发展，经历了硬性不透气性材料、硬性透气性材料、软性 非亲水性材料以及水凝胶材料四个阶段。 1 2 1 硬性不透气性角膜接触镜材料 最初使用的角膜接触镜材料，是硬度很高、并且不能透过氧气的无机玻璃或 者聚合物材料( 如有机玻璃) 【l4 】。p m m a ( 有机玻璃) 较早使用的硬性角膜接 触镜材料，它具有良好的光学性能和生理惰性，耐褪色，重量轻，容易加工，不 对眼睛造成刺激。但其缺点是不能透过氧气，在配戴过程中，只能通过眨眼所产 生的泵吸效应，将新鲜泪液运送到角膜表面，使角膜表面保持湿润，这样才能保 持角膜的透明度和健康。如果角膜没有得到充足的氧气供应，缺氧代谢旺盛，糖 原将分解为乳酸，角膜膨胀，变得模糊。p m m a 不能透过氧气，角膜所需要的 氧气全部由富氧的泪液和角膜交换。而配带这种材料制造的硬性角膜接触镜时， 角膜接触镜下部的泪液交换被中断l l ”。 硬性不透气性角膜接触镜材料比较坚硬，配戴不舒适，眼中有异物感，人眼 难以适应。另外，这种材料的透氧性能较差，不能渗透人眼角膜正常生理代谢所 需要的氧气，容易引起缺氧性角膜损伤。因此，硬性不透气性角膜接触镜材料已 经被淘汰“。 1 2 2 硬性透气性角膜接触镜材料 为了克服硬性不透气性角膜接触镜材料难以透过人眼角膜所需要的氧气的 缺点，人们研究了可以通过氧气的硬性角膜接触镜材料，包括聚4 - 甲基- 1 一戊烯 ( t p x ) 、聚醋酸纤维素丁酯( c a b ) 、氟碳聚合物等【埘。由于这些材料能够部分 透过氧气，泪液交换而对角膜供应氧气不象p m m a 那样重要。但是，它们一般 2 第1 章绪论 具有比较低的弹性模量，形状记忆效应比较差。 使用最广泛的硬性透气性角膜接触镜材料是硅氧烷与丙烯酸酯的共聚物，例 如甲基丙烯酸- 3 ( 三甲基硅氧基) 硅丙酯的聚合物。由于硅氧键具有较大的键 长，分子结构蓬松，氧气容易扩散，使硅氧烷对氧气的透过性能比较高。采用硅 氧烷与丙烯酸酯共聚的原因，在于丙烯酸酯共聚单体可以使材料具有良好的尺寸 稳定性，并使材料具有一定的力学强度。有时也采用其它共聚单体，例如苯乙烯 等，以改善材料的加工性能和折光指数。 尽管硬性透气性角膜接触镜材料具有良好的透氧性，但因配戴过程中人眼中 有异物感，因而配戴不舒适，人眼难队适应，有时甚至对人眼角膜造成磨损性伤 害，因而难以获得消费者的认可，应用并不广泛【1 ”。以硬性材料制造的角膜 塑形镜( 即o k 镜) ，尽管曾获得美国食品与药品管理局( f d a ) 的认可，但在使 用过程中发现角膜磨损现象，因此，f d a 于1 9 9 8 年关闭了几家与o k 镜相关的 公司( 南方周末，2 0 0 1 年5 月1 8 日) 。 1 2 3 软性非亲水性角膜接触镜材料 用硅胶材料制造的软性角膜接触镜，也称为弹性接触镜。这种材料具有良好 的透氧性能，可以透过人眼角膜正常生理代谢所需要的氧气。但是，由于硅胶材 料是一种非亲水性的材料，也存在配戴不舒适，人眼难以适应等缺点 2 2 - 2 3 1 。 1 2 4 水凝胶角膜接触镜材料 各种角膜接触镜材料的区别在于配戴的舒适性。硬性角膜接触镜材料不仅在 配戴过程中眼中有异物感，而且与软性非亲水性角膜接触镜材料一样，其表面与 角膜之间必须存在比较厚的泪液层，不仅在保持角膜健康方面具有重要意义，还 在光学上具有重要意义。而水凝胶角膜接触镜材料可以紧紧地贴在角膜上，中间 的泪液层比较薄，因而具有配戴舒适，容易被大多数人接受的优点。 水凝胶是交联的三维高分子网络包含大量水分的一类“软湿件”材料，同时 具有固体和液体的某些性质，具有良好的亲水性。水凝胶材料不仅能够保持稳定 西北工业大学工学博士学位论文 的形状，还能够允许小分子物质渗透和扩散，在生物医学工程领域具有重要的用 途 2 4 - 2 6 1 。水凝胶在自然界中广泛存在，很多生命体组织就是天然的水凝胶，因 而水凝胶角膜接触镜材料容易被人体接受。 水凝胶不溶解于水但能够在水中溶胀，其性能依赖于交联高分子网络与吸附 在这种交联高分子网络中的水分子之间的相互作用。一般说来，水凝胶的含水量 越大，其透氧性和透过水溶性物质的能力也越大，但其强度下降。水凝胶的达到 溶胀饱和时的含水量，依赖于聚合物的成分和交联密度、温度、p h 值、以及溶 剂中的离子强度和流体静力学压力。随着环境条件的变化，水凝胶的含水量随之 变化，从而出现吸收或者排出水分的现象2 m 优。 在配戴过程中，溶胀饱和的水凝胶角膜接触镜中的水分与人眼泪液中的水分 相互交换，泪液中的低分子量物质和离子在水凝胶的自由水和环境溶液之间达到 分配平衡。但是，有些小分子物质或者离子更倾向于进入水凝胶角膜接触镜中， 因而这些物质被水凝胶角膜接触镜材料所浓缩。同样道理，有些小分子物质或者 离子更倾向于进入人眼泪液中，表现为释放到泪液中，这样，水凝胶角膜接触镜 材料可以吸收具有这种性质的眼科药物，然后在配戴过程中缓慢释放到眼睛中。 这样不需要频繁使用高剂量的眼科药物1 3 j j 。 w i c h t e r l e 和l i m 最先制造出丙烯酸水凝胶角膜接触镜材料，使整个角膜接 触镜行业出现革命性的变化1 3 2 】。第一种水凝胶角膜接触镜材料是轻度交联的 p o l y h e m a 水凝胶，直到现在，它仍然是最常用的角膜接触镜材料。p o l y - h e m a 水凝胶是h e m a 单体在交联剂( 一般是双甲基丙烯酸7 , - - 醇酯或者其它双官能 团单体) 存在下聚合而形成的交联聚合物，含水量为3 8 。这种水凝胶角膜接触 镜材料比较柔软，力学强度也比较高，具有一定的透氧性和弹性。但其透氧性能 不很理想，难以实现过夜配戴。因此，人们设法在该聚合物中引进其它单体，借 以改善其性能。一些含有h e m a 成分的水凝胶角膜接触镜材料如表l 一1 所示 3 如3 s 1 。 4 第1 章绪论 b u f i l c o n a d i m e f i l c o n - a d r o x i f i i c o n - a e t a f i l c o n a o c u f i l c o l l a p h e m f i l c o n - a h e m a 、d o a m ( - - 甲基丁氧基丙烯酰胺) 、m a ( 甲 基丙烯酸) 无规共聚物 瑚j m a 、m a 共聚物 h e m a 、m a 无规共聚物 h e m a 、m a - n a ( 甲基丙烯酸钠) 、m a 共聚物 h e m a 、m a 、e g d a ( 双甲基丙烯酸乙二醇酯) 交 联共聚物 h e m a 、m a 、e e m a ( 甲基丙烯酸2 乙氧基乙酯) 共聚物 4 5 ，5 5 3 6 4 7 5 8 4 6 p o l y m a c o n h e m a 、e g d a 交联聚合物3 8 n 乙烯基吡咯烷酮( n v p ) 是一种水溶性单体，可以与多种单体共聚制备水 凝胶【3 9 1 。n v p 单体与其它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n v p 的水凝胶角膜接触镜材料，强度均不高。一些含有n v p 的 水凝胶角膜接触镜如表1 2 所示m 删。 表1 2 含有n v p 的水凝胶角膜接触镜材料 t a b l e1 - 2h y d r o g e lf o rc o n t a n tl e nc o n t a i n i n gn v p 聚乙烯醇( p v a ) 水凝胶与人体组织具有高度的相容性，无毒副作用、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 5 西北工业大学工学博士学位论文 制造角膜接触镜。硒t a 等【4 刀用p v a 溶液在水和甘油、乙烯乙二纯、二甲亚砜等 混合溶剂混合，冷却p v a 溶液，得到一种透明的p v a 水凝胶，在5 0 - - - 6 0 0 c 下浇 铸成直径1 4 r a m 、曲率8 m m 、厚度为o 1 7 m m 的接触镜，含水量达8 0 。并且这 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。 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【4 8 】。 y o n gg 等 4 9 1 发明一种添加有磷酸胆碱衍生物的仿生材料o m a f i l c o n a ，这种 材料含有两性离子基团，含水量达5 8 ，d k 值达到3 3 。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。 1 3 角膜接触镜材料的性能要求及其发展趋势 1 3 1 角膜接触镜材料的性能要求 1 3 1 1 良好的生物相容性 在医学上，角膜接触镜被认为是一种非植入性人工器官。因此。对角膜接触 镜材料的基本要求，是具有良好的生物相容性。 1 3 1 2 良好的光学性能 要求制造角膜接触镜的材料具有一定的透光率和透光均匀性。如果制造角膜 接触镜的材料是水凝胶，则要求在水凝胶材料从未水台状态到水合状态时，能够 保持其形状和表面连续性，丽不发生扭曲，透光率和分辨率应该保持连续。在配 戴时，角膜接触镜不改变其外形及其在角膜表面上的位置【5 们。 1 ，3 1 3 良好的通透性 角膜接触镜的制造材料应该能够透过和传播液体、气体，这既包括从眼球上 排出的液体，也包括泪液从外表面向里进入眼球表面。如果泪液不能通过角膜接 6 第1 章绪论 触镜而达到其外表面，角膜接触镜的外表面脱水变干，会导致雾化现象出现，使 角膜接触镜的透光率不再均匀。 另外，眼球上新陈代谢产生的二氧化碳能够透过角膜接触镜排出，而空气中 的氧气也能够透过角膜接触镜进入眼球表面。泪液中的离子能够在角膜接触镜中 渗透，使角膜接触镜两侧的液体渗透压保持平衡 5 1 - 5 3 】。 人眼角膜上没有血管，需要直接从空气中获得氧气，以满足其正常新陈代谢 对氧气消耗之需求刚。若眼角膜长时间缺氧，会引起人眼角膜无氧代谢增加，乳 酸浓度升高，导致角膜水肿等眼部疾病【5 5 j 。人眼配戴角膜接触镜之后，角膜泪液 层与空气中氧气的交换被机械隔开，导致空气中的氧气不能直接被角膜利用。尽 管因眨眼而导致的泵吸作用可以促进新鲜泪液的交换，为角膜提供一定的溶解 氧，但远远不能满足角膜正常生理代谢之需求5 7 1 。因此，角膜接触镜材料必 须具备一定的透氧性能，以保证角膜的生理健康。 对于水凝胶角膜接触镜材料而言，由于角膜接触镜与人眼结膜之间的泪液层 很薄，很难通过泵吸作用交换新鲜泪液，人眼角膜新陈代谢所需要的氧气只能通 过角膜接触镜渗透。氧气透过水凝胶角膜接触镜材料的过程是这样的：氧气首先 溶解在水凝胶角膜接触镜表面的水相中，然后在浓度差的推动下扩散而穿过水凝 胶，到达与角膜接触的表面，然后通过泪液交换而进入角膜表面。氧气的渗透量 取决于溶解于水凝胶水相中的氧气的量，并取决于水凝胶对氧气扩散的阻力。 可以用扩散系数d 和氧气在水凝胶材料中的溶解性来说明对角膜供应氧气 的能力，扩散系数d 是f i c k 扩散定律中的比例常数【5 8 】： j = d ( d c d x )( 1 - 1 ) 氧气的溶解能力k 是h e n r y 定律中的比例常数： c = k p ( 1 - 2 ) 角膜接触镜材料的透氧性能一般用透氧系数或者氧气透过率表示。透氧系数 是氧气在角膜接触镜材料中的扩散系数d 与溶解系数k 的乘积，通常简称为d k 值，它与单位重量的干燥水凝胶在达到溶胀平衡的时候所能吸收的水分的重量成 正比。其单位为1 0 4 1 e m 3 0 2 e m c m 2 s r m n h g 。单位厚度角膜接触镜的透氧性 称为透氧系数，称为d i a l ，单位为l o 母锄3 0 2 c m 2 s m m h g 。由于角膜接触镜 7 茜北工业大学工学博士学位论文 材料的d k 值与其厚度有关，而不同材料制造的角膜接触镜厚度不同，因此，氧 气透过率d l f f l 更能体现角膜接触镜材料的实际透氧性能。据文献报道，目前市 场上常见水凝胶角膜接触镜材料的氧气透过率( d k l 值) ，一般在9 2 - - 3 2 5 ( 1 0 9 c m 3 0 2 c m 2 s m m h g ) 左右【5 州】。 从配戴方便性方面考虑，为了减少配戴麻烦，角膜接触镜的配戴者希望尽可 能长时间地配戴角膜接触镜。目前，大多数角膜接触镜为日戴型，但也有长戴型 的。二者的差别是后者必须比前者有更强的透氧性能，以保证角膜的健康。日戴 型角膜接触镜，可以保证角膜在夜晚能够修复白天的损伤。长戴型角膜接触镜通 常比日戴型的更薄，或者含水量更大，或者二者兼而有之。 人眼配戴角膜接触镜之后，在一般配戴条件下，保证人眼角膜的正常生理状 况不发生变化所要求的角膜接触镜的最低d k 值以及d k l 值，个体之间的差别 很大。尽管医学界对此尚无统一认识，但一般认为，角膜接触镜的d k l 值达到 3 3 ，即可实现过夜配戴【6 5 1 。 水凝胶材料制造的角膜接触镜，其透氧性能可通过电化学方法测定。v c o m p a n 等脚。7 0 1 曾发明一种电化学方法，用于测定角膜接触镜的透氧性能，其测 定装置如图1 1 所示： 测量样 测量电极及热敏电 结果显示 图1 - i 透氧性能测定装置 f i g 1 - lm e 豁u r i n gd e v i c co f o x y g e np e r m e a b i l i t y 其测量原理是： 氧气通过水层，以溶解状态进入水凝胶角膜接触镜。溶解状态的氧，通过角 膜接触镜之后，在电极上发生反应： 0 2 ( 溶解) + 2 h 2 0 + 4 e - - 4 0 h ( 1 - 3 ) 氧气渗透达到稳定状态之后，结合f i c k 第一扩散定律和h e n r y 定律， s 第l 章绪论 j = - d k ( a p l )( 1 - 4 ) 式中p ，i r 氧气分压差的压力梯度 由于渗透装置下部的氧气浓度很小，ap 也可直接用氧气的分压代替。 另外，氧气渗透达到稳定状态的时候，通过水凝胶角膜接触镜的电流i 可以 按照下式计算： i = - n a f j( 1 - 5 ) 式中，r _ 每摩尔氧气所消耗的电子数目。根据式( 1 1 ) ，n = 4 爿角膜接触镜的有效渗透面积 p f a 船d y 常数 因此，结合式( 1 - 2 ) 以及式( 1 - 3 ) ，可得到水凝胶角膜接触镜透氧性能的 计算公式为： d k ，i = i f ( n f a a p )( 1 6 ) 通过测量电极电流i ，结合角膜接触镜的氧气有效渗透面积a ，以及氧气的 分压差，即可测量水凝胶角膜接触镜的透氧性能。 电化学法测定水凝胶角膜接触镜透氧性能的缺点，是使用昂贵的金、银电极 以及高精度的电流检测仪器。 1 3 1 4 容易加工成型 包括容易加工成型，容易抛光。尽管可以采用铸造法制造角膜接触镜，还是 希望对角膜接触镜的边缘进行加工，以最大限度地减小在配戴过程中，由于眼球 运动而导致角膜接触镜配戴位置改变的可能性。 1 3 1 5 耐久性 角膜接触镜应该能够经受正常使用过程中甚至非正常使用过程中的擦刮、撕 裂等。 1 3 1 6 良好的稳定性 对光、热、某些化学物质稳定，能够满足灭菌及清洗操作要求。 1 3 1 7 对蛋白质和酯类物质的亲和力低 在配戴过程中，能够最大限度地减少蛋白质和类脂在角膜接触镜上的沉积。 9 型型竺坠塑型堡鳖一 1 3 2 水凝胶角膜接触镜材料的应用 随科学技术的发展，采用水凝胶材料制造的角膜接触镜的用途越来越多，目 前主要包括以下几个方面： 1 3 2 1 矫正视力 角膜接触镜n - - j 以设计具有一定的屈光度，矫正人眼因近视、远视、散光、老 花而引起的屈光不正，提高视力。其中，角膜接触镜只能矫正角膜散光，对晶状 体散光不能起到矫正作用f 7 ”。 1 3 2 2 美容 目前，可以采用水凝胶染色技术，生产具有不同颜色的角膜接触镜，作为美 容镜投放市场，满足人们的美容需求【7 2 j 。 1 3 2 3 防护 一些虹膜缺损或者白化病患者显示出畏光症状，需要选择性遮蔽部分或者全 部光线。某些工种的工作条件要求长期接触有毒气体、射线等，可能会对眼睛造 成损伤。另外，紫外光照射比较强烈的地区或者时段，在户外活动时也要求对眼 睛采取一定的保护性措施。如果在角膜接触镜材料中添加某些成分，或者将角膜 接触镜染成一定的颜色，则可以起到遮光、抵抗或者吸收紫外光、防护有毒气体 或者射线等作用，对眼睛起到防护作用1 7 3 - 7 s l 。 1 3 2 4 辅助医疗 准分子激光切削术( p r k ) 是一种理想的屈光性角膜手术，具有安全、准确 等优点，但在手术后到角膜上皮愈合的过程中，患者有一定的痛苦。如果在p r k 手术后给病人配戴高含水量的角膜接触镜，而非采用传