Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Синтез мягкой полисилоксан мочевина эластомеров для приложения интраокулярной линзы

Published: March 8, 2019 doi: 10.3791/58590
Automatic Translation
*1,2, *3, 1,2, 3,4, 1,2
1Reutlingen Research Institute, Reutlingen University, 2School of Applied Chemistry, Reutlingen University, 3Fraunhofer-Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB, 4Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology IGVP, University of Stuttgart
* These authors contributed equally

Summary

Это исследование описывает синтетические маршруты для аминопропил готовая полидиметилсилоксоланы и polydimethyl метил фенил силоксановой блок-сополимеры и мягкие на основе полисилоксан мочевины (PSU) эластомеров. Она представляет применение БП как интраокулярной линзы. Также описан метод оценки в vitro цитотоксичности.

Abstract

Это исследование обсуждается синтез маршрут для мягкой на основе полисилоксан мочевины (PSU) эластомеров для их применения как размещения внутриглазных контактных линз (ИОЛ). Аминопропил готовая полидиметилсилоксоланы (PDMS) были ранее подготовлены через кольцо цепи уравновешивания циклических силоксановых octamethylcyclotetrasiloxane (4D) и 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Фенильные группы были введены в силоксановых позвоночника через сополимеризации 2,4,6,8-тетраметилсвинца-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4меня, Ph) и D4 . Эти polydimethyl метил фенил силоксановой блок-сополимеры были синтезированы для увеличения преломления полисилоксаны. Для таких приложений, как a ИОЛ преломления полисилоксанов должна быть эквивалентна что молодой человеческий глаз объектива. Молекулярный вес полисилоксан контролируется отношение циклических силоксановых к endblocker APTMDS. Прозрачность PSU эластомеров рассматривается измерения пропускания фильмов между 200 и 750 нм, используя Спектрофотометр UV-Vis. Значения коэффициента пропускания на 750 Нм (верхний конец видимого спектра) заговор против PDMS молекулярный вес, и > 90% пропускания наблюдается до молекулярной массой 18000 г•моль−1. Механических свойств эластомеров PSU исследуются с помощью механические испытания на образцах собака кость формы высечки. Для оценки механическую стабильность, механического гистерезиса измеряется неоднократно растяжения (10 x) образцов до 5% и 100% удлинения. Гистерезис значительно уменьшается с увеличением молекулярной массы PDMS. В vitro цитотоксичность некоторых выбранных эластомеров PSU оценивается с помощью МТС assay жизнеспособность клеток. Описанные здесь методы позволяют синтез мягким, прозрачным и noncytotoxic PSU эластомер с преломления примерно равно количеству молодых человеческий глаз объектива.

Introduction

Старческая катаракта, затрагивающих возрастной группе ≥ 60 лет, приводит к дополнительно помутнение естественный хрусталик. Это условие, связанные с возрастом, вероятно, вызвана окислительных изменений, которые ускоряются УФ облучения1,2,3. Обычные лечения старческой катаракты включает в себя Хирургическое Извлечение помутневшего хрусталика, имплантация искусственной интраокулярной линзы (ИОЛ) с последующим в пустой объектив капсула через системы впрыска2. Однако большинство ИОЛ производится из акриловых полимеров (гидрофобных и гидрофильных акрилата или метакрилата полимеров), с чрезвычайно жестких структур; Следовательно глаза теряет свою способность размещения на различных расстояниях2,4. Таким образом, пациенты с Монофокальные ИОЛ имплантатов зависят от очки для зрения вблизи (например., читая газету или книгу)5.

Были зарегистрированы различные подходы к восстановлению способности проживание после хирургии катаракты. Среди этих подходов, можно выделить две основные стратегии: Заправка капсула пустой объектива путем инъекций жидкость или гель как полимеров и разработки мягкие, складная в ИОЛ6,,78. Понятие «объектив заправка» является перспективным, потому что гели могут быть подготовлены с модули Юнга, как низко как те естественный человеческий глаз объектива (ОК. 1-2 кПа)9; Однако этот подход до сих пор экспериментальная8и исследования проводятся только на глазах животных.

Объектив капсулы были дозаправлены имплантации надувные силиконовые шары10 заполнены с жидкого силикона или непосредственно вводя силиконовые11,12 , который впоследствии был устранен в капсулах через hydrosilylation . Однако вопросы, связанные с поверхностные морщины на воздушных шарах, меньше амплитуда проживание по сравнению с предоперационным состоянием, и формирование тяжелых вторичной катаракты (передняя и задняя капсула помутнение) было отмечено7, 8,12,13. В частности давно отверждения раз (70 мин.-12 ч) вызывают повышенный риск утечки на окружающие глаз отсеков, ведущих к послеоперационное воспаление10,14. Поэтому рекомендуется другие материалы для замены хрусталика, включая гидрогели на основе полиэтиленгликоля diacrylate, модифицированный акрилатный сополимеры виниловый спирт (N-винилпирролидона)15, метакрилат изменение полисилоксанов16,17, Плюроники18и диизоцианата сшитый полиспирты9. Однако, вязкость мономера (то есть, гель, отеки после инъекции и сшивки), крайне низкой или высокой преломления, механические стабильности и целостности, непредсказуемым послеоперационной преломления, низкий диапазон размещения, и после катаракты составляют основные вопросы6,,78,9,15,18. Коммерчески возможность размещения главным образом восстанавливается путем разработки a ИОЛ. Такая-ИОЛ следует предусмотреть размещение движением ИОЛ оптика на передней сайте объектив капсула через сокращение цилиарной мышцы. Несколько моделей были введены на рынке в 1996, 2001, и 20027,8. Однако во время клинических исследований, предполагаемое размещение амплитуд для тех имплантированных в ИОЛ были чрезвычайно низким (≤ 1,5 D) разрешить самостоятельно читать (3-4 D)6,,78,19 , 20. Таким образом, в ИОЛ, включающий два подключенных оптика (dual оптические ИОЛ) в настоящее время разрабатывается для увеличения размещение диапазон6,21. Дизайн только один объектив был рассмотрен для его либеральной производительности в глаза человека, хотя и противоречивые результаты были сообщил22,23,24,25.

Как правило Эластомеры силиконовые считается биологически инертен и нетоксичен; Таким образом Эластомеры силиконовые имеют долгую историю применяются как биосовместимых материалов в медицине и медицинской технике (например, маммопластика, черепно-лицевых имплантантов, совместные протезирование, повязки, катетеры, водостоки и шунтов) 26 , 27. ввиду их мягкость, прозрачность и высокой кислородной проницаемости, Эластомеры силиконовые также найти приложения, как контактные линзы и ИОЛ2,,2829. Однако силиконы необходимо ковалентно высокоструктурированные и часто требуют армирующие наполнители для получения достаточной механической целостности. Сшивки невыгодно, поскольку она запрещает последующей обработки эластомеров, либо термопластичных методами (например, литье) или путем обработки от решения (например, растворителей литья). В отличие от этого Термопластичные полиуретаны выставку механическую стабильность, но подвержены деградации в биологической среде, особенно если используются на основе полиэфира или полиэфирных macrodiols. Таким образом, усилия сочетать гибкость и гидролизного или окислительной стабильности с превосходными механическими свойствами сосредоточены на включение гидроксил - или амино функционального PDMS как мягкие сегменты в полиуретанов, полиуретан мочевин, и polyureas27. Для повышения совместимости полярных уретана или мочевины жесткий сегмента с мягкой сегмент очень неполярных PDMS и для улучшения механических свойств, различные macrodiols на основе полиэфирных включены наряду с PDMS30,31 ,32. В частности Thilak Gunatillake Группа расследовала систематически развитие полиуретанов силиконовые с улучшение биостойкость и механических свойств для долгосрочного биомедицинских приложений например кардиостимулятором изоляции или искусственные 33клапанов сердца. Они синтезированы ароматических полиуретанов с смешанной мягких сегментов, гидроксил завершенной PDMS и различные полиэфиров, а также алифатических поликарбоната диолов. Среди всех синтезированных Полиуретаны, сочетание полигексаметиленгуанидина оксид (PHMO) и экспонатов PDMS лучшие механические свойства в отношении жестких сегмент совместимости30. В последующие исследования, они дополнительно изучить влияние коэффициента PDMS-PHMO и учета на основе disiloxane Цепочка-удлинитель на механические свойства силикона полиуретаны34,35, 36. Результаты показали, что macrodiol состав 80 wt % PDMS и 20 wt % PHMO, помимо совместного Цепочка-удлинитель, таких как 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), дает мягкие полиуретанов с хорошими механическими свойствами и Термопластичные технологичность. Кроме того эти силиконовые полиуретаны обладают расширенной биостойкостью, по сравнению с обычно применяемые мягкий полиэстер уретан37,38,39.

О40,,4142были также биосовместимость и стабильность подобных материалов и их использования для сердечно-сосудистой системы приложений. На основе этих результатов, на силиконовой основе полимочевины эластомеры (или БП) с расширителя на основе disiloxane цепь считается высокой гибкости и мягкости, хотя и с достаточной механической прочностью, чтобы сохранить свою форму после применения повторяющегося стресса. Например Херманс et al. построили прототип экспериментальный полиуретановых двойной оптические a ИОЛ, потому что дизайн, который ранее использовался для изготовления с использованием силикона, был чрезвычайно мягкой обработки приложенных нагрузок в рамках энуклеированные свинья глаза43.

Эта статья описывает синтез мягкой на основе силоксановых PSU, которая оптимизирована с точки зрения механических и оптических свойств приложений как размещения ИОЛ. Как механических свойств эластомеров БП может быть изменено, силоксановых молекулярный вес, та же процедура может применяться для разработки на основе силоксановых БП, которые могут найти применение в покрытий и кожи повязки. Кроме того эта процедура может использоваться для подготовки на основе силоксановых полиуретана или Эластомеры полиуретановые мочевина если используется карбинол завершенной PDMS. В зависимости от типа диизоцианат (т.е., алифатические или ароматические) используется для синтеза условий реакции (включая время, температура и возможно состав растворителей) может должны быть изменены. Для применения алифатические diisocyanates например 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) или акриловых диизоцианата, реакция должен быть ускорен с помощью оловоорганических катализатора, например дибутилолова dilaurate или diacetoxytetrabutyl distannoxane. Например реакция между гидроксипропил завершенной PDMS и H12MDI проходит в присутствии катализатора. Кроме того Температура реакции должна быть увеличена до 50-60 ° C. Для применения ароматических диизоцианата, например 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI) температура реакции должна быть умеренно, но достаточно возросло как ароматические diisocyanates обычно более реактивный сторону нуклеофильных групп, чем Алифатические diisocyanates. Реакция MDI с нулем карбинол PDMS может осуществляться с помощью жидкостной смеси тетрагидрофуран безводного ТГФ () и диметилформамида (DMF) или диметилацетамид (DMAc) как третичных аминогрупп демонстрируют некоторые каталитической активности.

Protocol

Предупреждение: Обратитесь все соответствующие листы данных безопасности материалов (MSDS) перед использованием. Несколько химических веществ, используемых в синтезах exhibit острой токсичности и сильное раздражение кожи и глаз, а также ингаляции. Пожалуйста носить личного защитного снаряжения (лаборатории пальто, защитные очки, руки перчатки, полнометражные штаны и закрыты носок ботинки) и обращения с химическими веществами, если это возможно, под вытяжного шкафа или в хорошо вентилируемом месте. Выполните все синтезы под зонт. Тетраметиламмония гидроксид пентагидрат (TMAH): TMAH является мощной базой, остро токсичен при проглатывании, и после контакта с кожей, он вызывает сильные химические ожоги на кожу и глаза. Она чувствительна к воздуху и гигроскопичен. Храните его под холодильной и азота. Из-за его сильного запаха аммиака как обработайте TMAH в хорошо вентилируемом месте. APTMDS: APTMDS чувствительна к воздуху и должны храниться под азота. Это вызывает серьезные ожоги кожи и повреждение глаз. H12MDI: H12MDI токсичных при вдыхании и вызывает раздражение кожи и глаз. 4D: D4 могут отражаться на плодовитости. ТГФ: ТГФ вредно, вызывает раздражение при вдыхании и предположительно канцерогенных. Хлороформе (3КХКЛ): КХКЛ3 вредно при вдыхании, предположительно канцерогенных, может причина возможного ущерба рождаемости и нерожденного ребенка и его паров может вызвать сонливость.

1. синтез катализатора и амино завершенной полисилоксан Macromonomers

  1. Синтез катализатора Тетраметиламмония-3-аминопропил dimethylsilanolate
    Примечание: Катализатора был синтезирован по методу сообщили44Хоффман и лир.
    1. Дега APTMDS под вакуумом, прежде чем использовать и хранить его под азота. Пипетка примерно 10 г APTMDS, с помощью шприца.
    2. Добавление 8.13 g (33,0 ммоль) дегазацию APTMDS и 11,88 g (66,0 ммоль) TMAH в 100 мл три шеи раунд нижней колбе. Добавьте 20 мл ТГФ распустить APTMDS и приостановить TMAH, наряду с большой овальный магнитные перемешать бар.
      Предупреждение: TMAH является гигроскопичность, коррозионные и токсичные вещества с сильным запахом аммиака как и должны храниться в плотно закрытом состоянии в холодильнике. Весят TMAH сразу в хорошо вентилируемом месте; Надевайте защитный руки перчатки и защитные очки во время обработки. APTMDS воздух, чувствительной и вызывает ожоги кожи и повреждение глаз. Вес APTMDS из закрытых бутылки с помощью шприца; Надевайте защитный руки перчатки и защитные очки во время обработки.
    3. Оборудуйте три шея раунд дно колбу с Дефлегматоры и впуски и выпуски для азота и тепла реакционной смеси до 80 ° C, с использованием глицерина или силиконовые масла Отопление ванна. Перемешайте смесь реакции 2 h под рефлюкс и с небольшой, непрерывный азота поток.
      Примечание: Первоначальный, слегка мутная подвеска изменения прозрачный раствор в течение 2 ч.
    4. Удаление Дефлегматоры и дистиллировать вне ТГФ с помощью вакуум отсос. Затем сухие слегка желтоватый сырой продукт под вакуумом 0,1 мбар за 5 ч при 70 ° C, с помощью строки Шленк.
      Примечание: После этого шага, сырой продукт может храниться в холодильнике при 10 ° C до следующего дня.
    5. Ресуспензируйте сырой продукт в 50 мл ТГФ. При необходимости, лопаточкой для уничтожения крупных агломератов и фильтрации с помощью вакуум отсос подвеска. Вымойте осадка по крайней мере 3 x с 20 мл ТГФ части до тех пор, пока продукт становится белым порошковые твердые.
    6. Сухой продукт под вакуумом 0,1 мбар при комнатной температуре в течение 3 ч. Затем Храните катализатора в холодильник на 10 ° C под азота до использования.
  2. Синтез Α, ω-bis(3-aminopropyl)-полидиметилсилоксоланы
    Примечание: Синтез PDMS с молекулярной массой ~ 15500 г•моль-1.
    1. Дега D4 и APTMDS под вакуумом перед использованием. Пипетка примерно 1,5 г APTMDS, с помощью шприца.
    2. Добавление 19.5 g (65.7 ммоль) 0,9 г (3,6 ммоль) APTMDS в 100 мл три шеи раунд нижней колбе, которая оборудована с PTFE-покрытием центробежные мешалкой и азота впускных и выпускных и дегазации D4 .
    3. Добавить ~ 26 мг катализатора (раздел 1.1) и перемешать смесь реакции 30 мин при 80 ° C под поток незначительные, непрерывной азота.
      Примечание: Глицерин или силиконовое масло, Кондиционер ванна может использоваться.
    4. Добавьте 45.5 g (153,4 ммоль) D4 каплям в реакционной смеси, используя воронку снижается (в течение 2-3 ч) и дальнейшее движение на 80 ° C в течение 24 ч при непрерывной азота потока.
      Примечание: Реакция может перейти на ночь.
    5. Нагрейте смесь реакции до 150 ° C и размешать 2 h для разложения катализатора. Затем позволяют PDMS остыть до комнатной температуры.
    6. Обмен центробежные мешалка с большой овальный магнитные перемешать бар и уплотнением круглым дном настой три шеи с двумя пробками. Использование адаптера с клапаном и медленно тепла PDMS до 150 ° C под вакуумом 0,1 мбар для того чтобы дистиллировать от циклических побочных продуктов с помощью строки Шленк. Разрешить PDMS остыть до комнатной температуры.
      Примечание: Вакуумной дистилляции обычно происходит в 4-5 ч.
  3. Синтез α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethyl метил phenylsiloxane
    Примечание: В этом разделе описывается процедура синтеза полисилоксан с молекулярной массой ~ 15500 г•моль-1 и 14 моль % метил фенил силоксан; Эта процедура сопоставима с PDMS синтеза, который описан в разделе 1.2.
    1. Дега D4 и APTMDS под вакуумом перед использованием. Пипетка примерно 1,5 г APTMDS, с помощью шприца. D место4меня, Ph при 70 ° C для 3-5 ч в вакуумной камере полностью расплава и однородный продукт перед его использованием.
    2. Добавление 4.54 g (15.3 ммоль) D4, 14.96 g (27,5 ммоль) D4меня, Phи 0,9 г (3,6 ммоль) APTMDS в 100 мл три шеи раунд нижней колбе, которая оборудована с PTFE-покрытием центробежные мешалкой и азота впускных и выпускных.
    3. Добавить ~ 26 мг катализатора (раздел 1.1) и перемешать смесь реакции при 80 ° C за 30 мин под непрерывной азота потока.
    4. Добавьте 45.5 g (153,4 ммоль) D4 каплям в реакционную смесь, используя воронку снижается (в течение 2-3 ч) и дальнейшее движение на 80 ° C в течение 24 ч при непрерывной азота потока.
      Примечание: Реакция может перейти на ночь.
    5. Продолжите с синтезом, выполните шаги 1.2.5 и 1.2.6.

2. Молекулярный вес определение полисилоксан

  1. Теоретическая масса молекулярной полисилоксан
    1. Расчет теоретического молекулярный вес Equation 1 из полисилоксан по следующему уравнению:
      Equation 2(1)
      Здесь Equation 1 номер средняя молекулярная масса полидиметилсилоксан, m — масса (g) используется мономеров D4 и APTMDS, и n — это количество APTMDS в родинки.
  2. Определение молекулярной массы полисилоксан на 1H ЯМР спектроскопии
    1. Распустить 10-20 мг полисилоксан в 0,5 мл CDCl3, записывать его спектра ЯМР и калибровки химических сдвигов [δ] растворителя сигнал в 7.26 ppm.
    2. Вычислить молекулярный вес Equation 1 из полисилоксан из целых значений по следующей формуле.
      Equation 3(2)
  3. Определение молекулярной массы полисилоксан путем титрования
    1. Добавить 1,5-2 g полисилоксан в коническую колбу 250 мл и растворяют в 50 мл ТГФ при непрерывном помешивании, с использованием магнитной перемешать бар.
    2. Титруйте аминогруппами с 0,1 М HCl, используя бромфеноловый синий, до тех пор, пока изменение цвета от синего на желтый наблюдается. Повторите титрование с трех образцов для вычисления Среднечисловая молекулярная масса.

3. синтез полисилоксан мочевина эластомеров

Примечание: В этом разделе описывается процедура синтеза мочевины на основе PDMS эластомер содержания трудно сегмента 10 w % (HS %) (PDMS: 15500 г•моль-1).

Equation 4(3)

  1. Добавьте 2.939 g (11,2 ммоль) H12MDI в колбу четыре шея раунд дно реакции 250 мл, которая оборудована с PTFE-покрытием центробежные мешалкой, сбросив воронку и азота входе и выходе и растворяют в 20 мл ТГФ.
    Предупреждение: H12MDI низкий летучие диизоцианата и вызывает раздражение кожи и глаз. Надевайте защитный руки перчатки и защитные очки.
    Примечание: в качестве альтернативы, распустить H12MDI в ТГФ в 50 мл стакан и добавить решение через воронку или стекла тюльпан в колбу реакции. Затем промойте стакан и воронки с 10 мл ТГФ.
    1. Распустить 45.0 g (2.9 ммоль) о дегазации PDMS в 100 мл ТГФ; Это решение каплям добавьте в раствор MDI12H, используя воронку снижается при непрерывном помешивании и поток азота при комнатной температуре. Промойте стакан и снижается воронка с 50 мл ТГФ и добавить это решение к реакционной смеси.
    2. Управление образованием предполимер через ФУРЬЕ спектроскопии.
      Примечание: Прогресс реакции могут контролироваться двумя способами: с помощью встроенных или автономном ATR-ФУРЬЕ спектроскопии.
      1. Для встроенных ATR-ФУРЬЕ спектроскопии вставьте inline ATR-FTIR зонд, который подключен к спектрометр, в Центральной совместной в начале реакции. Используйте панель большой овальный магнитные перемешать вместо PTFE-покрытием мешалкой. Начать запись спектры решения MDI12H и выберите пик поглощения НКО на 2266 см-1 , чтобы следовать за преобразование изоцианатных групп.
      2. Для автономных ATR-ФУРЬЕ спектроскопии взять пробы реакционной смеси с помощью пипетки Пастера и добавить несколько капель на кристалл ATR. Испарения растворителя под поток азота до тех пор, пока остается тонкая пленка на поверхности кристалла ATR. Записывать спектры на этапах различные реакции (после завершения добавления PDMS и после добавления каждой части APTMDS).
    3. Добавьте части стехиометрические количества Цепочка-удлинитель APTMDS предполимер решение.
      Примечание: Добавление Цепочка-удлинитель можно действовать двумя способами (см. шаги 3.1.3.1 и 3.1.3.2).
      1. Распустить весил количество Цепочка-удлинитель в 5-10 мл ТГФ и добавить решение каплям в реакционной смеси с помощью пипетки Пастера или снижается воронки, следуют промывка снова с 3 мл ТГФ.
      2. Добавьте части цепи расширителя в шприц а цепочка-удлинитель каплям в реакционной смеси. В этом случае печать четвертой совместной с помощью резиновой пробкой перегородки.
        1. Добавьте APTMDS, соответствует 80% расчетного количества APTMDS, чтобы форполимера 1,65 g (6,6 ммоль). Затем контролировать прогресс реакции через ФУРЬЕ спектроскопии.
        2. Затем добавьте 0,21 g (0,8 ммоль) APTMDS (в целом, 90% от расчетной суммы) в реакционной смеси и контролировать прогресс реакции FTIR.
        3. Добавить 0,1 г (0,4 ммоль) APTMDS (в целом, 95%) реакционную смесь и контроля реакция прогресса с помощью FTIR.
        4. Наконец добавьте последнюю часть Цепочка-удлинитель (0,102 g, 0,41 ммоль) в реакционной смеси и проверьте исчезновение полосу поглощения НКО в ФУРЬЕ-спектра.
          Примечание: После добавления первой части цепи расширителя, отмечается увеличение вязкости.
    4. Залейте раствор БП в PTFE фольга покрытые стеклом Петри и испарения растворителя на ночь под зонт. Кроме того сухие БП в вакуумной камере при 80 ° C в течение 12 ч.

4. механические процедуры тестирования

  1. Подготовка фильмов эластомер полисилоксан мочевина
    1. Распустить 7-8 g небольшие БП в 200-250 мл3 КХКЛ в 300 мл Конические колбы, слабо печать с помощью стеклянной пробкой флакон и перемешать смесь с помощью магнитной перемешать бар для по крайней мере 24 часа. При необходимости добавьте дополнительные частей растворителя.
      Предупреждение: Хлороформ предположительно канцерогенными. Пары могут вызвать сонливость после ингаляции. Обрабатывают хлороформом в хорошо вентилируемом месте.
    2. Однородное решение добавить в стакан Петри и покрыть ее с перфорированной алюминиевой фольгой. Разрешить растворитель испаряется медленно, либо путем размещения Петри в хорошо проветриваемом помещении или в Зонта с открытым окном створки.
      Примечание: При размещении Петри в Зонта, если возможно уменьшение воздушного потока. Чрезвычайно быстрое испарение растворителя приводит к неоднородности и формирования непрозрачный пятна в пределах прозрачных пленок.
    3. Сухая пленка при 80 ° C в вакуумной камере в течение 12 ч.
    4. Тщательно удалить фильм из стеклянной поверхности, с помощью небольшой тонким шпателем и хранить PSU фильм в прозрачной оболочке после последующего использования для определения механических характеристик.
  2. Механические испытания полисилоксан мочевина фильмы из эластомера
    1. Подготовьте умереть надреза собака кости образный образцов от PSU фильмов согласно Кайпер45 (тип S2). Поместите блок питания фильм, который покрывается фольги Конверт, под Перфорационный нож блок с формы, как показано на рисунке 4. Нажмите на рычаг, чтобы выбивать испытательного образца и хранить его в течение не менее 72 ч при температуре (23 ± 2 ° C).
    2. Переключитесь на растяжение испытательная машина и компьютер. Запустите программу, щелкнув на значке. Выберите метод испытания на растяжение и проверить, если правильно тензодатчика (100 N) устанавливается в испытательная машина.
    3. Выберите метод помощник и проверить, если все тестовые параметры являются правильными. Перейти к пре-тест и проверить, если следующие параметры активации: первоначальной длины образца (L0) на 20 мм, преднагрузки на 0,1 МПа и скорости до натяг в 5 мм/мин.
    4. Перейти проверить параметр и проверьте, если активированы следующие параметры: скорость для определения Юнга в 1 мм/мин, скорость до перерыва образец в 25 мм/мин, обнаружения разрыва образца на 80% FМакс, определение Юнга в регрессии, начало определения модуля Юнга при 2% деформации и в конце определения модуля Юнга на 6% деформации. Оставьте метод помощник и перейдите в главное окно программы.
    5. Нажмите кнопку питания на тестирования компьютера и нажмите кнопку Перейти к начальной позиции в главном окне программного обеспечения.
    6. Удаление защиты пленки и проверить образец под кросс поляризатора для исключения любых внутренних напряжений. Измерения толщины образца и ширина образца с помощью калибра. Затем вставьте в соответствующие поля в главном окне программного обеспечения значения для образца толщины и ширины.
    7. Исправьте испытательного образца между верхней зажимные кулачки тестирования машины. Нажмите кнопку нулевой силой в главном окне программного обеспечения. Прикрепите нижний конец образца испытания между нижней зажимные кулачки тестирования машины.
      Примечание: Если скользкой поверхности зажимные кулачки, поместите концы образца между мелкозернистой наждачной бумагой, чтобы предотвратить соскальзывание во время измерения образца.
    8. Нажмите кнопку начать измерение , чтобы начать испытания на растяжение.
    9. После завершения измерения, продолжите шаги 4.2.6 и 4.2.7. После фиксации испытательного образца между верхней зажимные кулачки и выбрав нулевой силы, выберите кнопку Перейти к начальной позиции в главном окне программного обеспечения. Затем исправьте нижний конец образца испытания между нижней зажимные кулачки и снова нажмите кнопку начать измерение .
    10. Повторите шаги 4.2.6 - 4.2.8 для одного PSU образца по крайней мере еще 3 x для статистической оценки модуль Юнга, прочность на растяжение и относительное удлинение при разрыве.
  3. Гистерезис тесты на БП эластомер фильмов
    1. Переключитесь на растяжение испытательная машина и компьютер. Запустите программу, щелкнув на значке. Выберите метод как циклическое испытание на растяжение и проверьте установку правильной тензодатчика (100 N) в испытательная машина.
    2. Выберите метод помощник и проверить, если все тестовые параметры являются правильными. Перейти к пре-тест и проверьте, активированы ли следующие параметры: первоначальной длины образца (L0) на 20 мм, преднагрузки на 0,05 МПа и скорости до натяг в 5 мм/мин.
    3. Перейти проверить параметр и проверьте следующие параметры активации: количество циклов в 10, уставки, загрузки на 100% штамма, уставки, разгрузки на 0% деформации и скорость на 25 мм/мин оставить метод помощник и Перейдите в главное окно программы.
    4. Приступайте шаги 4.2.5 - 4.2.8.
    5. Повторите измерение гистерезиса с двумя образцами для статистической оценки. Вычислить механического гистерезиса для каждого цикла по следующему уравнению.
      Equation 5(4)

5. выращивание процедура HaCaT клетки

  1. Теплый cryotube с HaCaT клетками и Дульбекко изменение средних орла (DMEM) в ванну воды 37 ° C. По микробиологической безопасности workbench быстро передавать суспензию клеток 10 мл конические пластиковых пробирок, который наполнен теплой среде DMEM.
    1. Суспензию клеток подвергайте центрифугирования 6 мин на 845 x g. Отменить большинство супернатанта, используя одноразовые стеклянные пипетки Пастера, который прилагается к вакуумного насоса, и Ресуспензируйте Пелле ячейки в остальные жидкости, нежно закупорить агломератов ячейку вверх и вниз с помощью дозаторов Eppendorf.
    2. Ресуспензированы клетки перехода к колбе культуры клеток2 25 см и добавить 9 мл DMEM, который дополняется с 10% FBS. Инкубируйте клетки на 37 ± 1 ° C и 5% CO2 в инкубаторе кабинета. Управление пролиферации клеток, ежедневно с помощью инвертированного микроскопа. Измените DMEM каждый третий день, до тех пор, пока клетки становятся subconfluent.
    3. Выполняют клетки проход под безопасности workbench, удалив DMEM, используя одноразовые стеклянные пипетки Пастера. Добавьте 10 мл буфера PBS мыть слоя клеток. Удаление буфера PBS, используя одноразовые стеклянные пипетки Пастера снова.
    4. Добавьте 1 мл раствора трипсина/ЭДТА в 25 см2 клетки культуры Фляга для отсоединения клетки и инкубировать их в CO2 инкубатора кабинета. Проверьте, если клетки присутствуют в подвеске, с помощью инвертированного микроскопа.
    5. Добавьте 3 мл DMEM колбу культуры клеток для инактивации трипсина. Передача суспензию клеток для пластиковых пробирок и подлежит клетки центрифугированием на 6 мин на 845 x g. Удаление большинство супернатанта, с помощью стеклянной пипетки Пастера. Ресуспензируйте ячейки в остальные DMEM и добавляют 10 мл свежего теплого DMEM, который дополняется с 10% FBS.
    6. Передача 5 мл суспензии клеток в каждой из 75 см2 клетки культуры колбы и добавляют 15 мл свежего теплого DMEM, дополнена 10% FBS. Культивируйте клетки HaCaT на 37 ± 1 ° C и 5% CO2 в CO2 инкубатора кабинета, пока клетки становятся subconfluent.
    7. Повторите клетки проход по данным шаги 5.1.3 - 5.1.6 но на этот раз, используйте 2 мл раствора трипсина/ЭДТА и 6 мл DMEM инактивирует трипсина.

6. процедура для Assay жизнеспособность клеток МТС с использованием HaCaT клеток

Примечание: В пробирке цитотоксичность тесты были выполнены согласно Wenzelewski46, с использованием средних выдержек клетки. PSU проб и биомедицинских grade полиуретановой были стерилизации с помощью окиси этилена.

  1. Культура клетки HaCaT на 37 ± 1 ° C и 5% CO2 в среде DMEM, который дополняется с 10% FBS в колбе культуры клеток2 75 см. По крайней мере используйте клетки в пробирке тестов цитотоксичность, после четвертого прохода.
    1. Добавьте стерильные пробы PSU и справочным материалом (0,7 г) в 50 мл конические пробирок и извлекать образцы с DMEM, без FBS, 72 ± 2 ч при 37 ° C и 5% CO2 на коэффициент извлечения 0,1 г/мл. Используйте три экстракты для каждого образца, PSU. Подготовить слепой пробы, заполнив DMEM, без FBS, в 50 мл конические пробирок и выполнить же добычи.
    2. На 2 день процедуры извлечения выполняют клетки отряд согласно шаги 5.1.3 - 5.1.5 с 2 мл трипсина/ЭДТА и 6 мл DMEM. Взять 100 мкл аликвота суспензию клеток и 100 мкл DMEM. От этого разреженных подвеска взять 20 мкл Алиготе и 10 мкл раствора Трипановый синий 0,5% пятно мертвые клетки.
    3. Инкубировать клетки на 2 мин заливки с помощью микропипеткой Горяева и немедленно подсчитать количество ячеек в пределах четырех камер. Рассчитайте количество жизнеспособных и нежизнеспособных клеток для оценки жизнеспособности клеток в процентах.
      Примечание: в качестве альтернативы, клетки можно подсчитать с помощью системы подсчета ячейки.
    4. Семя HaCaT клетки (Четвертый проход) в концентрации 20 x 103 клеток/хорошо в 200 мкл DMEM в 96-луночных планшетов и инкубации клеток для 24 ч при 37 ° C и 5% CO2.
    5. День 3, после извлечения, добавить 10% FBS каждому из экстракта и слепых образцы и теплые образцы до 37 ° C, с помощью водяной бане. Удалите DMEM от каждого посеян хорошо и заменить среды, экстракты, слепой пробы и соответствующие положительной и отрицательной контроля. Для каждого блока питания экстракт (использование три экстракты для каждого образца, PSU), Пипетка 200 мкл концентрированного экстракта в шести скважин.
    6. Пипетка 200 мкл слепой образца (DMEM + 10% FBS) в шести скважин. Пипетка 200 мкл свежих DMEM, дополнена 10% FBS (отрицательный контроль), в шесть скважин. Пипетка 200 мкл позитивного управления (DMEM + 10% FBS + 1% SDS) в шести скважин. Инкубируйте клетки с экстрактами и контроль за 24 ч при 37 ° C и 5% CO2.
      Примечание: Для подготовки позитивного управления, приготовляют раствор 20% SDS в воде и разбавить его с DMEM 1:2. Затем Далее разбавьте его с DMEM приготовить раствор 1% SDS.
    7. День 4, незадолго до окончания время инкубации Подготовьте раствор МТС и DMEM без FBS (для каждой скважины, использование 20 мкл раствора МТС + 100 мкл DMEM). После инкубации время удалите экстракты, слепой решений и управления, и Пипетка 120 мкл раствора акций МТС в каждой скважине, а также шесть скважин без клетки для определения фона. Инкубируйте клетки для 4 ч при 37° C и 5% CO2.
    8. На 4 день после инкубации решения МТС, измерения оптической плотности каждой скважины в 492 Нм, используя Считыватель микропланшетов. Вычтите измеряемой оптической плотности фона от в сеяный скважин. Предположим, что значения измерений оптической плотности от позитивного управления представляют собой распространение 0% и установить эти значения поглощения 0. Предположим, что значения измерений оптической плотности от отрицательного контроля представляют собой 100% распространения и установить эти значения до 100.
    9. Вычислите пролиферации клеток от поглощения значений в процентах от значения поглощения от отрицательного контроля (100% распространения) и положительный контроль (0% распространения). Оцените образец экстрактов, которые exhibit пролиферации клеток до 81% как не цитотоксических.
      Примечание: По данным поставщика информации47, измерения поглощения позже. Пипетка 25 мкл раствора 10% SDS в каждой скважине для остановки реакции и хранить Гонав для защищены от света при комнатной температуре в камере увлажненный до 18 ч.

Representative Results

Кольцо цепи уравновешивания4 D и D4меня, Ph с endblocker APTMDS принесли аминопропил готовая полидиметилсилоксоланы и polydimethyl метил фенил силоксановой сополимеры, соответственно, которые были синтезированы с молекулярной массой от 3 000 до 33 000 г•моль-1 настраивая мономерные соотношение между D4 и APTMDS (рис. 6). Молекулярная масса Equation 1 из подготовленных PDMS, которые были определены от 1H ЯМР спектрах (рис . 5), были похожи на значения, полученные из титрования. Эти значения были согласны с вычисляемые теоретические молекулярным весом до 15000 г•моль–1. В ходе подготовки PDMS с более высокой молекулярной массой полученные молекулярных масс были немного больше, чем тех, кто предположительно теоретических расчетов. Сополимеризации циклических силоксановых с Кулон фенильные группы D4меня, Ph было сочтено успешным для слегка увеличивая преломления полисилоксаны. Индекс преломления (определяется с помощью рефрактометр Аббе при 37 ° C) увеличилась с 1.401 (неизмененном PDMS) до 1.4356 (14 моль % метил фенил силоксановых) (Рисунок 7). PSU эластомеры были синтезированы в два этапа, с использованием подготовленного аминопропил завершенной PDMS, алифатического диизоцианатов H12MDI и APTMDS, используя в качестве растворителя ТГФ. Этот метод разрешено строительство высокий молекулярный вес PSUs с сегментированным структуры мягких сегментов (PDMS) и жестких сегментов (диизоцианат + мочевина). Спектроскопия Inline FTIR подтвердил чрезвычайно быстрого реагирования изоцианатных групп с аминогруппами PDMS и Цепочка-удлинитель APTMDS (рис. 3 и рис. 8). В отличие от подготовки полиуретановых эластомеров, который занимает несколько часов, подготовка PSU эластомеры было удобно. Зависит от молекулярной массы PDMS прозрачности и механических свойств эластомеров PSU. Прозрачные пленки эластомер PSU выставлены пропускания > 90% до PDMS молекулярный вес 18000 г•моль-1. На более высоких PDMS молекулярным весом, PSU пленки стали все более непрозрачным (рис. 9). С увеличением молекулярной массы PDMS может быть подготовлен мягкие PSU эластомеров. Юнга PSU эластомеров снизилась с ~5.5 МПа (с молекулярной массой PDMS 3000 г•моль-1) до 0,6 МПа (с PDMS молекулярной массой ≥26, 000 г•моль-1) (рис. 10). Кроме того механического гистерезиса, который использовался для оценки механической стабильности под неоднократные приложенного напряжения, был сокращен для эластомеров PSU, когда они были подготовлены с высоким молекулярным весом PDMS. Значения гистерезиса для первого цикла на 100% деформации сократилось с 54% (с молекулярной массой PDMS 3000 г•моль-1) до 6% (с PDMS молекулярной массой 33000 г•моль-1) (рис. 11). Метод синтеза прикладной допускается подготовка PSU эластомеров, которые не выделяют цитотоксические остатков как примеры, приведенные в жизнеспособности клеток проверок с экстрактами некоторых выбранных эластомеров БП на HaCaT клетки (Рисунок 12).

Figure 1
Рисунок 1: Синтез Тетраметиламмония-3-аминопропил dimethylsilanolate катализатора.
Тетраметиламмония гидроксид пентагидрат (TMAH) и 1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS) были отреагировали 2 ч в ТГФ на 80 ° C. Катализатор Тетраметиламмония-3-аминопропил dimethylsilanolate получил как сплошной белый после мытья сырой продукт с ТГФ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: синтез маршрут для аминопропил готовая полидиметилсилоксоланы (PDMS) и polydimethyl метил фенил силоксановой сополимеры. Циклические мономеров D4/D4меня, Ph являются достижение равновесного уровня, с помощью disiloxane endblocker APTMDS при 80 ° C для 24 ч с использованием катализатора Тетраметиламмония-3-аминопропил dimethylsilanolate. Эта цифра была изменена от Рихль и др. 48. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: синтез двухэтапный сегментирована на основе полисилоксан мочевины эластомеров (PSU). На первом шаге, форполимера, содержащие активные изоцианатных групп формируется после реакции H12MDI с аминопропил завершенной полисилоксан (R = CH3: PDMS; R = рН; сополимер). На втором шаге молекулярная масса полимеров является увеличение через реакцию оставшихся активных изоцианатных групп с Цепочка-удлинитель APTMDS. Результате эластомер — сегментирована полимер составе мочевины жесткий сегментов и силиконовые мягких сегментов. Эта цифра была изменена от Рихль и др. 48. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: спецификация собака кости образный испытательного образца для испытаний напряженно деформированного. Этот рисунок был изменен с Кейпер45. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5: 1H-NMR спектр аминопропил завершенной полидиметилсилоксан. Для расчета молекулярной массой, целочисленные значения d метиленовой протонов (δ 2.69 ppm) и b (δ 0,56 ppm) и метил протонов (δ ~ 0,07 ppm) были использованы. Пик c (δ ~1.5 ppm) накладывается HDO пик49, соответствующий обмен Протон следов воды с жидкостной CDCl3; Следовательно этот пик не используется для расчета молекулярной массы. PDMS молекулярный вес в этом спектре-~ 16,365 г•моль-1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6: Линейная корреляция между молекулярной массой Equation 6 аминопропил готовая полидиметилсилоксоланы и endblocker концентрации. Equation 1 значения были определены через 1H ЯМР спектроскопии, титрование амино конце групп и теоретический расчет по формуле (1). Эта цифра перепечатана с разрешения Рихль et al. 48. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 7
Рисунок 7: преломления аминопропил готовая polydimethyl метил фенил силоксановой-сополимеров. Преломления (RI) polydimethyl метил фенил силоксановой-сополимеров были определены при 20 ° C (черные квадраты) и 37 ° C (красные круги) с использованием рефрактометр Аббе. РИ значения линейно увеличилось количество включены метил фенил силоксановой единиц. РИ значения на 0 моль % представляют те от неизмененных PDMS с молекулярной массой сопоставима с polydimethyl метил фенил силоксановой сополимеры. Для сополимера с 14 моль % метил фенил-силоксана был получен оптимальный ри 1.4346 (37 ° C). Эта цифра была перепечатана с разрешения Рихль и др. 48. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 8
Рисунок 8: изоцианат преобразование во время синтеза полидиметилсилоксан-мочевины (PSU). Эта цифра показывает время зависимых участок полосу поглощения НКО на 2266 см1 следуют спектроскопия FTIR-ATR inline во время синтеза PSU. После добавления аминопропил завершенной полидиметилсилоксан высота группы NCO уменьшилось, свидетельствует о формирования NCO-завершенной предполимер цепи. После добавления Цепочка-удлинитель APTMDS NCO группа полностью исчез из ИК-спектры. Эта цифра была перепечатана с разрешения Рихль и др. 50. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 9
Рисунок 9: зависимость пропускания PSU эластомер фильмы на 750 нм и молекулярный вес полидиметилсилоксан. Коэффициент пропускания PSU фильмов определяется спектроскопия UV-Vis. Пропускание БП на 750 Нм (верхний край видимого спектра) > 90%, если БП синтезировано с использованием PDMS с молекулярной массой от 3 000 до 18 000 г•моль-1. С увеличение молекулярной массой PDMS непрозрачность фильмов увеличилось. Эта цифра была перепечатана с разрешения Рихль и др. 48. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 10
Рисунок 10: Юнга PSU эластомеров как функция молекулярная масса полидиметилсилоксан. Модули Юнга (YM) определялись из измерений напряженно деформированного PSU фильмов. Значения выражаются как среднее значение, полученное из пяти повторных измерений. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. Наибольшее сокращение YM было отмечено для БП, синтезированных из PDMS, начиная от 3000 до 9000 г•моль–1. В PDMS молекулярного веса между 12000 и 18000 г•моль-1YM значения между 1,5 МПа и 1,0 МПа. По молекулярным весом более чем 26000 г•моль-1YM значения были ~0.6 МПа. Эта цифра была перепечатана с разрешения Рихль и др. 48. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 11
Кривые гистерезиса рисунок 11:100 % PSU эластомеров. Показаны кривые гистерезиса первого цикла PSU эластомеров при удлинении 100%. Полимерные нотации относится к PDMS молекулярной массой (например, PSU-3T является полимочевины эластомер, приготовленных из PDMS с молекулярной массой 3000 г•моль-1). Высокая механическая гистерезиса (43-54%) наблюдалось в БП эластомеры, синтезированных из PDMS низкий молекулярный вес, как указано, выраженный гистерезиса кривых. Гистерезис сократилось с увеличением молекулярной массы PDMS от 14% (15 000 г•моль-1) до 6% (33,000 г•моль-1). Эта цифра была перепечатана с разрешения Рихль и др. 48. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 12
Рисунок 12: Результаты в пробирке тестов цитотоксичность на HaCaT клетки относиться с экстрактами PSU. Эта цифра показывает пролиферации HaCaT клеток, относились с средних выдержек клетки PSU эластомеров. Значения выражаются как среднее значение, полученное из трех проверенных экстрактов на сэмпл, с шестью повторные измерения для каждого экстракт (18 репликация в общей сложности). Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение от этих измерений. Пустые представляет ячейку среде DMEM (без образца), который рассматривался аналогичный средний ячейки, используемые для извлечения. Уретана полиэфиром медико класса был выбран в качестве справочного материала. На силиконовой основе полимочевины эластомеры (БП 18Т, PSU-16T и БП 14Ph) были выбраны в качестве представителя испытательных образцов, которые были основаны на PDMS с молекулярным весом 18 000 и 16000 г•моль-1 (БП 18Т и БП 16T), тогда как PSU-14Ph был основан на polydimethyl метил фенил силоксановой сополимера с 14% мол метил фенил-силоксана и молекулярный вес ~ 16600 г•моль-1. Средняя пролиферацию клеток HaCaT, лечение с экстрактами PSU эластомеры, ссылки из полиуретана и был 100% и выше. Таким образом экстракты PSU эластомеров и полиуретана ссылки не являются цитотоксические. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Для достижения высокой молекулярно аминопропил завершенной PDMS через кольцо цепи уравновешивания веса, используя безводный, сильно основного катализатора имеет решающее значение. Другие обычно применяются катализаторы, например Тетраметиламмония гидроксид (TMAH) или гидроксид калия (KOH), содержат остатки воды, способствующие побочных реакций; Следовательно смесь difunctional, монофункциональные и нефункциональным PDMS цепи с подобными молекулярными весами проникли получено44. Кроме того, если используется TMAH, реакция требует > 48 часов для завершения и не не всегда действовать с полным мономер потребления44.

В частности весом endblocker APTMDS имеет решающее значение для получения желаемого молекулярная масса PDMS. Например, вместо 0,9 г APTMDS, если 0,85 г используется для синтеза PDMS, как описано в разделе 2.1 протокола, это приведет к теоретической молекулярной массой около > 900 г•моль-1. Кроме того теоретические молекулярный вес зависит от преобразования. Если циклические побочных продуктов не значительно удалены через вакуумной дистилляции, будет получен высокий преобразования значение. Например чтобы использовать ту же процедуру синтеза (как в разделе 2.1 протокола), вычисляемое преобразованием 90% приведет к теоретически рассчитанных молекулярной массой; Это значение-910 г•моль-1 больше, чем, если предполагается преобразование 85%. Отклонения в определение молекулярной массы полисилоксан путем титрования возможно связаны с весом PDMS во флягах, особенно если 50 мл Бюретка используется для титрования. Связанных с весом 0,06 г полисилоксан отклонение может привести к рассчитанные разности ~ 650 г•моль-1. Следовательно рекомендуется использовать полуавтоматические титратор.

Индекс преломления PDMS может быть увеличен путем включения в нее фенильные группы17,51, галогенированные фенильные группы52, или серосодержащих групп53. Попытки включить фенильных групп в PDMS через сополимеризации octaphenylcyclotetrasiloxane (Ph4D), как описано в Yilgör, пороги и МакГрат54 были неудачными в условиях прикладной реакции, возможно потому, что громоздкие кольцо костяк сделало невозможным для прикладной катализатора сломать вверх силоксановых облигаций при температуре выбранной реакции. КольцоPh 4D может быть открыт, если Кох используется реакция при температуре 160 ° C. Однако получаются полисилоксанов чрезвычайно высокой молекулярной массой, которая предположительно содержат большое количество нефункциональных примесей. Кроме того удаление катализатора Кох в этих сополимеры не прост и требует нейтрализации шаг, используя обколоть HCl, следуют водной экстракции катализатора. Затем PDMS должен быть распущен в среде органического растворителя, например CH2Cl2, чтобы отделить водяной участок от этапа органических содержащие PDMS. Наконец органические фазы должны быть высушены над MgSO4, а затем фильтрации и вакуумной перегонки, используя роторный испаритель54. В отличие от этого, метод, представленный в этой рукописи позволяет катализатором быть немедленно удалены через термического разложения. Таким образом вместо сплошной мономера D4Ph, фенильные группы успешно вводятся в PDMS основу путем сополимеризации жидкого мономера D4,меня, рН, как подтверждено 29Si-ЯМР спектроскопия50.

Синтезированные эластомеры PSU выставлены YM 0,6 - 5,5 МПа и высокая эластичность значениями удлинение до 1000%. Такое высокое удлинение ценности были связаны не только к структуре полимера сегментированные но и к высоким молекулярным весом PSU эластомеров (Equation 1 > 100 000 г•моль-1)48. Мгновенная реакция происходит между аминокислот и алифатические isocyanyate группами при комнатной температуре, ведущих к быстро растущей молекулярный вес. Этот результат далее поддерживалась путем проведения реакции в растворителе, потому что небольшое увеличение вязкости, по-видимому, не существенно, замедлить скорость реакции который бы в противном случае существенно повлиять на молекулярный вес для почти сбалансированное стехиометрический коэффициент. В противоположность этому когда короткие цепи диол, например 1,4-бутандиола, был использован в качестве Цепочка-удлинитель, результате Эластомеры полиуретановые мочевина были не только менее упругой, но также потеряли значительную механическую стабильность, особенно если высокий молекулярный вес PDMS используется для синтеза. Этот результат был предположительно по значительно низким молекулярным весом эластомеров (результаты не опубликованы), соответствующий неполного преобразования всех изоцианатных групп на последней стадии аддитивной. Кроме того различия в реактивности аминокислот и гидроксильных групп к алифатические diisocyanates резко сказывается результаты, полученные в пробирке тестов цитотоксичности. Выдержки из эластомера PSU, приготовленный из амино Цепочка-удлинитель APTMDS не проявляют каких-либо цитотоксическое действие на клетки HaCaT (Рисунок 12). Однако, если использовались выдержки на основе силоксановых эластомерного полиуретана мочевина, жизнеспособность клеток было резкое снижение (результаты не опубликованы), который, возможно, связаны с низким молекулярным весом вымываемые и остаточные непрореагировавшей изоцианатных групп.

Этот протокол описывает удобный метод для подготовки амино функциональные поликсилоксанов, который может впоследствии использоваться в качестве macrodiamines для синтеза высоким молекулярным весом, мягкой и упругой полисилоксан мочевина эластомеров. Как механические свойства БП может изменяться согласно PDMS молекулярный вес, это можно использовать эти полимеры в других областях применения. Кроме того процедуры подготовки амино функциональные полисилоксанов может использоваться для введения сторона групп, например групп винил, через сополимеризации циклических силоксановых с группами Винил Кулон (результаты не показано). Это может открыть новые области применения, включая подготовку мягкой высокоструктурированные полисилоксан гели (например, катализируемой Pt hydrosilylation Гидрид функциональные силиконом или добавив УФ активированный тиоловых Эне меркапто функциональные PDMS)) результаты не отображаются).

Disclosures

Авторы не имеют ничего объявить.

Acknowledgments

Авторы хотели бы поблагодарить Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF) для финансирования этой работы под предоставить номер 13FH032I3. Финансовая поддержка со стороны Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Gepris проекта 253160297) с благодарностью. Далее авторы хотели выразить благодарность Priska Kolb и пол Schuler из университета Tübingen для выполнения 1H ЯМР и 29Si-NMR измерений. Благодарности заслуживают также CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG для их снабжения H12MDI. Авторы хотели бы поблагодарить Герберт телен и Андре Lemme от Биотроник для выполнения стерилизации этилен оксид PSU образцов и Lada Китаева (Ройтлинген университет) за ее поддержку с измерения напряженно деформированного и гистерезиса.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Octamethylcyclotetrasiloxane (D4), 97 % ABCR GmbH AB111277 presumably impairs fertility, must be degassed before use
CAS: 556-67-2
1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane, 97% ABCR GmbH 110832 sensitive to air, must be stored under nitrogen
CAS: 2469-55-8
2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenylcyclotetrasiloxane  Sigma Aldrich 40094 technical grade
CAS: 77-63-4
Tetramethylammonium hydroxide pentahydrate Alfa Aesar L09658 toxic if swallowed and upon skin contact, strong base, sensitive to air, hygroscopic, store under refrigeration and under nitrogen
CAS: 10424-65-4
4,4¢-Methylenbis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) Covestro via CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG toxic if inhaled, skin and eye irritant
CAS: 5124-30-1
Tetrahydrofuran (anhydrous) 99.8 % Alfa Aesar 44608 stabilized with BHT
CAS: 109-99-9
Chloroform 99 % Grüssing GmbH Analytica 1025125000 stabilized with ethanol, presumably carcinogenic, can impair fertility and cause damage to an unborn child
CAS: 67-66-3
Chloroform-d, 99.8 % Sigma Aldrich 151823 CAS: 865-49-6
Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) high glucose Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH 41965-039
Fetal bovine serum (FBS) Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH A3160801
Trypsin/EDTA, 0.25 % phenol red Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH 25200056
Cell Titer Aqueous One Solution cell proliferation assay (MTS) Promega GmbH G3580
HaCaT-cells CLS Cell Lines Service GmbH 300493
BioComFold  Morcher GmbH foldable accommodating intraocular lens
Accommodative 1CU Human Optics AG foldable accommodating intraocular lens
CrystaLens  Bausch and Lomb Inc. foldable accommodating intraocular lens
Silmer OH-Di10 Siltech Corp. Carbinol-terminated Polydimethylsiloxane
Synchrony  Visiogen Inc. dual-optic foldable accommodating intraocular lens
Elast-Eon AorTech International plc thermoplastic PDMS-PHMO-based polyurethane for medical applications
Pellethane 2363-80A Lubrizol Life Sciences thermoplastic polyether-based polyurethane for medical applications
Zwick universal tensile testing machine model 81565 and software testXpert II Zwick GmbH & Co. KG tensile testing machine
CASY Roche Innovatis AG cell counting system
Multisizer Beckman Coulter Life Sciences cell counting system

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Berman, E. R. Biochemistry of the Eye. , Springer Science and Business Media. New York, NY. (1991).
  2. Bozukova, D., Pagnoulle, C., Jérôme, R., Jérôme, C. Polymers in modern ophthalmic implants-Historical background and recent advances. Materials Science and Engineering: R: Reports. 69 (6), 63-83 (2010).
  3. Kohnen, T., Baumeister, M., Kook, D., Klaproth, O. K., Ohrloff, C. Kataraktchirurgie mit Implantation einer Kunstlinse. Deutsches Ärzteblatt International. 106 (43), 695-702 (2009).
  4. Lace, R., Murray-Dunning, C., Williams, R. Biomaterials for ocular reconstruction. Journal of Materials Science. 50 (4), 1523-1534 (2015).
  5. Ong, H. S., Evans, J. R., Allan, B. D. S. Accommodative intraocular lens versus standard monofocal intraocular lens implantation in cataract surgery. Cochrane Database of Systematic Reviews. 5 (5), 1-44 (2014).
  6. Sheppard, A. L., Bashir, A., Wolffsohn, J. S., Davies, L. N. Accommodating intraocular lenses: a review of design concepts, usage and assessment methods. Clinical and Experimental Optometry. 93 (6), 441-452 (2010).
  7. Menapace, R., Findl, O., Kriechbaum, K., Leydolt-Koeppl, C. Accommodating intraocular lenses: a critical review of present and future concepts. Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 245 (4), 473-489 (2007).
  8. Dick, H. B. Accommodative intraocular lenses: current status. Current Opinion in Ophthalmology. 16 (1), 8-26 (2005).
  9. De Groot, J. H., et al. Hydrogels for an Accommodating Intraocular Lens. An Explorative Study. Biomacromolecules. 4 (3), 608-616 (2003).
  10. Nishi, O., et al. Refilling the lens with an inflatable endocapsular balloon: surgical procedure in animal eyes. Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 230 (1), 47-55 (1992).
  11. Nishi, O., Nishi, K. Accommodation amplitude after lens refilling with injectable silicone by sealing the capsule with a plug in primates. Archives of Ophthalmology. 116 (10), 1358-1361 (1998).
  12. Nishi, O., Nishi, K., Mano, C., Ichihara, M., Honda, T. Lens refilling with injectable silicone in rabbit eyes. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 24 (7), 975-982 (1998).
  13. Nishi, O., Nakai, Y., Mizumoto, Y., Yamada, Y. Capsule opacification after refilling the capsule with an inflatable endocapsular balloon. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 23 (10), 1548-1555 (1997).
  14. Koopmans, S. A., et al. Accommodative Lens Refilling in Rhesus Monkeys. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (7), 2976-2984 (2006).
  15. de Groot, J. H., et al. Injectable intraocular lens materials based upon hydrogels. Biomacromolecules. 2 (3), 628-634 (2001).
  16. Hao, X., et al. Functionalised polysiloxanes as injectable, in situ curable accommodating intraocular lenses. Biomaterials. 31 (32), 8153-8163 (2010).
  17. Hao, X., et al. High refractive index polysiloxane as injectable, in situ curable accommodating intraocular lens. Biomaterials. 33 (23), 5659-5671 (2012).
  18. Han, Y. K., et al. In vitro and in vivo study of lens refilling with poloxamer hydrogel. British Journal of Ophthalmology. 87, 1399-1402 (2003).
  19. Glasser, A. Accommodation: Mechanism and Measurement. Ophthalmology Clinics. 19 (1), 1-12 (2006).
  20. Glasser, A. Restoration of accommodation. Current Opinion in Ophthalmology. 17 (1), 12-18 (2006).
  21. Tomas-Juan, J., Murueta-Goyena, L. A. Axial movement of the dual-optic accommodating intraocular lens for the correction of the presbyopia: Optical performance and clinical outcomes. Journal of Optometry. 8 (2), 67-76 (2015).
  22. McLeod, S. D., Vargas, L. G., Portney, V., Ting, A. Synchrony dual-optic accommodating intraocular lens: Part 1: Optical and biomechanical principles and design considerations. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 33 (1), 37-46 (2007).
  23. McDonald, J. P., et al. Sarfarazi Elliptical Accommodating IntraOcular Lens (EAIOL) in Rhesus Monkey Eyes In Vitro and In Vivo. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 44 (13), 256 (2003).
  24. Ossma, I. L., et al. Synchrony dual-optic accommodating intraocular lens: Part 2: Pilot clinical evaluation. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 33 (1), 47-52 (2007).
  25. Alio, J. L., Plaza-Puche, A. B., Montalban, R., Ortega, P. Near visual outcomes with single-optic and dual-optic accommodating intraocular lenses. Journal of Cataract Refractive Surgery. 38 (9), 1568-1575 (2012).
  26. Chen, Q., Liang, S., Thousas, G. A. Elastomeric biomaterials for tissue engineering. Progress in Polymer Science. 38, 584-671 (2013).
  27. Ward, R. S., Jones, R. L. Polyurethanes and Silicone Polyurethane Copolymers. Comprehensive Biomaterials. Ducheyne, P. , Elsevier Science. 431-477 (2011).
  28. Yoda, R. Elastomers for biomedical applications. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 9 (6), 561-626 (1998).
  29. Nicolson, P. C., Vogt, J. Soft contact lens polymers: an evolution. Biomaterials. 22 (24), 3273-3283 (2001).
  30. Adhikari, R., Gunatillake, P. A., McCarthy, S. J., Meijs, G. F. Mixed macrodiol-based siloxane polyurethanes: effect of the comacrodiol structure on properties and morphology. Journal of Applied Polymer Science. 78 (5), 1071-1082 (2000).
  31. Sheth, J. P., et al. Structure-property behavior of poly(dimethylsiloxane) based segmented polyurea copolymers modified with poly(propylene oxide). Polymer. 46 (19), 8185-8193 (2005).
  32. Yilgor, I., Yilgor, E. Silicone-urea copolymers modified with polyethers. ACS Symposium Series. 964, Science and Technology of Silicones and Silicone-Modified Materials. 100-115 (2007).
  33. Elast-Eon biocompatible polyurethane - CSIROpedia. , Available from: https://csiropedia.csiro.au/elast-eon-biocompatible-polyurethane/ (2008).
  34. Gunatillake, P. A., Meijs, G. F., McCarthy, S. J., Adhikari, R. Poly(dimethylsiloxane)/poly(hexamethylene oxide) mixed macrodiol based polyurethane elastomers. I. Synthesis and properties. Journal of Applied Polymer Science. 76 (14), 2026-2040 (2000).
  35. Adhikari, R., Gunatillake, P. A., McCarthy, S. J., Meijs, G. F. Low-modulus siloxane-based polyurethanes. I. Effect of the chain extender 1,3-bis(4-hydroxybutyl)1,1,3,3-tetramethyldisiloxane (BHTD) on properties and morphology. Journal of Applied Polymer Science. 83 (4), 736-746 (2002).
  36. Adhikari, R., Gunatillake, P. A., McCarthy, S. J., Bown, M., Meijs, G. F. Low-modulus siloxane-polyurethanes. Part II. Effect of chain extender structure on properties and morphology. Journal of Applied Polymer Science. 87 (7), 1092-1100 (2003).
  37. Martin, D. J., et al. Polydimethylsiloxane/polyether-mixed macrodiol-based polyurethane elastomers: biostability. Biomaterials. 21 (10), 1021-1029 (2000).
  38. Simmons, A., et al. Long-term in vivo biostability of poly(dimethylsiloxane)/poly(hexamethylene oxide) mixed macrodiol-based polyurethane elastomers. Biomaterials. 25 (20), 4887-4900 (2004).
  39. Gunatillake, P. A., Martin, D. J., Meijs, G. F., McCarthy, S. J., Adhikari, R. Designing biostable polyurethane elastomers for biomedical implants. Australian Journal of Chemistry. 56 (6), 545-557 (2003).
  40. Briganti, E., et al. Silicone based polyurethane materials: a promising biocompatible elastomeric formulation for cardiovascular applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 17 (3), 259-266 (2006).
  41. Lim, F., Buchko, C., Shah, A., Simhambhatla, M. Medical device formed of silicone-polyurethane. U.S. Patent Application. , 09/879,023 (2002).
  42. Ward, R., Anderson, J., McVenes, R., Stokes, K. In vivo biostability of polysiloxane polyether polyurethanes: Resistance to biologic oxidation and stress cracking. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 77 (3), 580-589 (2006).
  43. Hermans, E. A., et al. Development of a ciliary muscle-driven accommodating intraocular lens. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 34 (12), 2133-2138 (2008).
  44. Hoffman, J. J., Leir, C. M. Tetramethylammonium 3-aminopropyl dimethylsilanolate-A new catalyst for the synthesis of high purity, high molecular weight α,ω-bis(aminopropyl) polydimethylsiloxanes. Polymer International. 24, 131-138 (1991).
  45. Keiper, F. D. I. N. Prüfung von Kautschuk und Elastomeren - Bestimmung von Reißfestigkeit, Zugfestigkeit, Reißdehnung und Spannungswerten im Zugversuch. Deutsches Institut für Normung e.V. , (2017).
  46. Wenzelewski, K. DIN EN ISO 10993-5. Biologische Beurteilung von Medizinprodukten - Teil 5: Prüfungen auf In-vitro-Zytotoxizität (ISO 10993-5:2009); Deutsche Fassung EN ISO 10993-5:2009. Deutsches Institut für Normung e.V. , (2009).
  47. Promega. CellTiter 96® AQ One Solution Cell Proliferation Assay. Technical Bulletin. , Available from: https://www.promega.com/-/media/files/resources/protocols/technical-bulletins/0/celltiter-96-aqueous-one-solution-cell-proliferation-assay-system-protocol.pdf (2012).
  48. Riehle, N., et al. Influence of PDMS molecular weight on transparency and mechanical properties of soft polysiloxane-urea-elastomers for intraocular lens application. European Polymer Journal. 101, 190-201 (2018).
  49. Gottlieb, H. E., Kotlyar, V., Nudelman, A. NMR Chemical Shifts of Common Laboratory Solvents as Trace Impurities. Journal of Organic Chemistry. 62 (21), 7512-7515 (1997).
  50. Riehle, N., Götz, T., Kandelbauer, A., Tovar, G. E. M., Lorenz, G. Data on the synthesis and mechanical characterization of polysiloxane-based urea-elastomers prepared from amino-terminated polydimethylsiloxanes and polydimethyl-methyl-phenyl-siloxane-copolymers. Data in Brief. 18, 1784-1794 (2018).
  51. Christ, R., Nash, B. A., Petraitis, D. J. Optically clear reinforced silicone elastomers of high optical refractive index and improved mechanical properties for use in intraocular lenses. U.S. Patent 5494946 A. , (1993).
  52. Jha, G. S., Seshadri, G., Mohan, A., Khandal, R. K. Sulfur containing optical plastics and its ophthalmic lenses applications. e-Polymers. 8 (1), 376-402 (2008).
  53. Rogulska, M., Kultys, A., Olszewska, E. New thermoplastic poly(thiourethane-urethane) elastomers based on hexane-1,6-diyl diisocyanate (HDI). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 114 (2), 903-916 (2013).
  54. Yilgör, I., Riffle, J. S., McGrath, J. E. Reactive Siloxane Oligomers. Reactive Oligomers. Harris, F. W., Spinelli, H. J. , American Chemical Society. Washington, DC. 161-174 (1985).

Tags

Химия выпуск 145 сегментированных полисилоксан мочевина эластомеры полидиметилсилоксан кольцо цепи уравновешивания преломления механические свойства механического гистерезиса жизнеспособность клеток биомедицинских приложений
Синтез мягкой полисилоксан мочевина эластомеров для приложения интраокулярной линзы
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Riehle, N., Thude, S., Kandelbauer,… More

Riehle, N., Thude, S., Kandelbauer, A., Tovar, G. E. M., Lorenz, G. Synthesis of Soft Polysiloxane-urea Elastomers for Intraocular Lens Application. J. Vis. Exp. (145), e58590, doi:10.3791/58590 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter