Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Syntesen av mjuk Polysiloxane-urea elastomerer för intraokulär lins ansökan

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

Denna studie beskriver syntetiska rutter för aminopropyl-avslutad polydimethylsiloxanes och polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-block sampolymerer och för mjuk polysiloxane-baserad karbamid (PSU) elastomerer. Det presenterar tillämpningen av nätaggregat som rymmer en intraokulär lins. En utvärderingsmetod för i vitro cytotoxicitet beskrivs också.

Abstract

Denna studie diskuterar en syntes rutt för mjuk polysiloxane-baserad karbamid (PSU) elastomerer för sina tillämpningar som rymmer intraokulära linser (a-Ioler). Aminopropyl-avslutad polydimethylsiloxanes (PDMS) var tidigare förberedda via ring-kedjan Jämviktstiden cykliska siloxan oktametylcyklotetrasiloxan (D4) och 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Fenyl grupper infördes i den siloxan ryggrad via copolymerization av D4 och 2,4,6,8-tetrametyl-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4mig, Ph). Dessa polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-block sampolymerer var syntetiseras för att öka de refractive index av polysiloxanes. För applikationer som en a-IOL, måste brytningsindex för polysiloxanes vara likvärdig med en unga mänskliga ögat lins. Den polysiloxane molekylvikten styrs av förhållandet mellan den cykliska siloxan till endblocker APTMDS. Insyn i de PSU elastomerer undersöks av transmittans mätning av filmer mellan 200 och 750 nm, med en UV-Vis-spektrofotometer. Transmittans värden vid 750 nm (övre slutet av det synliga spektrumet) ritas mot PDMS molekylvikten och > 90% av transmittans observeras tills en molekylvikt av 18.000 g·mol−1. Mekaniska egenskaper hos de PSU elastomerer undersöks med stress-stam tester på stansade hund-ben-formade exemplar. För bedömning av mekanisk stabilitet, mekaniska hysteresisen mäts genom att upprepade gånger sträcka (10 x) exemplaren till 5% och 100% töjning. Hysteres minskar betydligt med ökningen i PDMS molekylvikt. In vitro cytotoxicitet av vissa utvalda PSU elastomerer utvärderas med en MTS cell livskraft-analys. De metoder som beskrivs häri tillåta syntesen av en mjuk, transparent och noncytotoxic PSU elastomer med ett brytningsindex som är ungefär lika stor som en ung mänskliga ögat lins.

Introduction

Senil katarakt, som påverkar åldersgruppen ≥ 60 år, leder till den avancerade kontrastverkan i naturliga kristallina linsen. Detta åldersrelaterade tillstånd orsakas troligen av oxidativa förändringar som accelereras av UV bestrålning1,2,3. Konventionell behandling för senil katarakt innebär kirurgisk extraktion av cataractous linsen, följt av implantation av en konstgjord intraokulär lins (IOL) i en tom lins kapseln via en injektion system2. Dock en majoritet av Ioler är tillverkade av akrylpolymerer (hydrofoba och hydrofil akrylat eller form polymerer) med extremt stela strukturer; Därför förlorar ögat sin förmåga att anpassa sig till olika avstånd2,4. Patienter med monofokal IOL implantat är därför beroende av glasögon för närseende (t.ex., medan du läser en tidning eller en bok)5.

Olika metoder för att återställa den boende förmågan efter Kataraktkirurgi har rapporterats. Bland dessa synsätt, två huvudsakliga strategier kan urskiljas: påfyllning Tom linskapseln genom att injicera en vätska eller gel-liknande polymerer och utveckla mjuk, hopfällbara a-Ioler6,7,8. Begreppet ”lins påfyllning” är lovande eftersom geler kan förberedas med Youngs moduli så låg som de av den naturliga mänskliga ögat objektivet (ca. 1-2 kPa)9. men detta synsätt är fortfarande på experimentstadiet8och studier utförs endast på djurens ögon.

Lins kapslar har fyllts genom att implantera uppblåsbara silikon ballonger10 fylld med flytande silikon eller genom direkt injicering silikon11,12 , som var därefter härdas i en kapsel via hydrosilylation . Dock problem med surface rynkor på ballonger, en lägre amplitud boende jämfört med preoperativ staten, och bildandet av allvarliga sekundära katarakter (främre och bakre kapseln grumling) har varit noterade7, 8,12,13. Särskilt orsaka långa torktider (70 min - 12 h) en ökad risk för läckage i de omgivande ögat fack, leder till postoperativ inflammation10,14. Därför rekommenderas andra material för att ersätta den kristallina linsen, inklusive hydrogels baserat på polyetylenglykol diacrylate, akrylat-modifierade Sampolymerer av vinyl alkohol (N-vinylpyrrolidon)15, form-modifierade polysiloxanes16,17, poloxamer18och diisocyanat-tvärbunden polyalkoholer9. Monomer viskositet (dvs, gel svullnad efter injektion och crosslinking), extremt låga eller höga refractive index, mekanisk stabilitet och integritet, oförutsägbara postoperativ refraktion, låg Boende spänner, och efter Starr utgör de viktigaste frågor6,7,8,9,15,18. Boende förmågan återställs kommersiellt, främst genom att utveckla hopfällbara a-Ioler. Sådan a-Ioler bör tillhandahålla boende genom förflyttning av den IOL optik till främre platsen för den lins kapseln via sammandragning av strålkroppen muskeln. Flera modeller har införts på marknaden 1996, 2001 och 20027,8. Dock under kliniska studier lågt uppskattade Boende amplituderna för de implanterade en-Ioler var extremt (≤ 1,5 D) för att tillåta blotta läsning (3-4 D)6,7,8,19 , 20. därför, en en-IOL bestående av två anslutna optik (dual-optic IOL) utvecklas för att öka boendet intervall6,21. Utformningen av bara en lins har undersökts för sin ackommoderande prestanda i människors ögon, om än motstridiga resultat har varit rapporterade22,23,24,25.

Typiskt, silikonelastomerer är anses vara biologiskt inert och giftfritt; Därför har silikonelastomerer en lång historia av tillämpas som biokompatibla material i medicin och medicinsk teknik (t.ex., i bröstimplantat, kraniofaciala implantat, gemensamma protetik, sårförband, katetrar, avlopp och shuntar) 26 , 27. på grund av sin mjukhet, öppenhet och hög syrepermeabilitet, silikonelastomerer också hitta program som kontaktlinser och IOLs2,28,29. Silikoner måste dock vara kovalent tvärbunden och kräver ofta förstärkande fyllmedel för att få tillräcklig mekanisk integritet. Crosslinking är ofördelaktigt eftersom det förbjuder den efterföljande behandlingen av elastomerer antingen genom termoplastiska metoder (t.ex., formsprutning) eller efter bearbetning från lösningar (t.ex.lösningsmedel gjutning). Däremot termoplastiska polyuretaner uppvisar mekanisk stabilitet men är känsliga för nedbrytning inom den biologiska miljön, särskilt om polyester - eller polyeter-baserade macrodiols används. Därför insatser att kombinera flexibilitet och hydrolytisk eller oxidativ stabilitet med utmärkta mekaniska egenskaper är koncentrerade på införlivandet av hydroxyl - eller amino-funktionella PDMS som mjuka segment i polyuretan, polyuretan-ureas, och polyureas27. Att förbättra förenligheten av polar uretan eller urea hårt segmentet med ett högt nonpolar PDMS mjuka segment och att förbättra mekaniska egenskaper, ingår olika polyeter-baserade macrodiols tillsammans med PDMS30,31 ,32. Särskilt, har gruppen Thilak Gunatillake systematiskt undersökt utvecklingen av silikon polyuretaner med förbättrad biostability och mekaniska egenskaper för långsiktiga biomedicinska tillämpningar såsom pacemaker isolering eller konstgjorda hjärta ventiler33. De syntetiseras aromatiska polyuretan med blandade mjuka segment bestående av hydroxyl-avslutad PDMS och olika Polyetrar samt alifatiska polykarbonat dioler. Bland alla de syntetiserade polyuretaner, kombinationen av polyhexamethylene oxid (PHMO) och PDMS utställningar segmentera de bästa mekaniska egenskaperna när det gäller hårda kompatibilitet30. I senare studier, de ytterligare undersökt effekten av PDMS-till-PHMO förhållandet och införlivandet av en disiloxane-baserade kedjan extender på de mekaniska egenskaperna hos silikon polyuretaner34,35, 36. resultaten visade att en macrodiol sammansättning av 80 wt % PDMS och 20 wt % PHMO, utöver en samtidig kedja extender, såsom 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), ger mjukare polyuretaner med goda mekaniska egenskaper och termoplastiska processbarhet. Dessutom uppvisar dessa silikon-polyuretaner en förbättrade biostability jämfört med en allmänt tillämpad mjuk polyeter uretan37,38,39.

Av biokompatibilitet och stabilitet i liknande material och deras användning för kardiovaskulära applikationer har också rapporterade40,41,42. Baserat på dessa resultat är silikonbaserat ockragul elastomerer (eller PSU) med en disiloxane-baserade kedjan extender tänkt att ge hög flexibilitet och mjukhet, om än med tillräcklig mekanisk styrka, att behålla sin form efter tillämpning av upprepade stress. Exempelvis har Hermans et al. konstruerat en experimentell polyuretanbaserat dual-optic a-IOL prototyp eftersom designen, som tidigare användes för en tillverkning använda silikon, var extremt mjuk att hantera de pålagda lasterna inom utan gris ögon43.

Den här artikeln beskrivs syntesen av en mjuk siloxan-baserade PSU, som är optimerad i form av mekaniska och optiska egenskaper för program som en tillmötesgående IOL. Som de mekaniska egenskaperna hos de PSU elastomerer kan ändras av siloxan molekylvikt, kan samma förfarande tillämpas på utveckla siloxan-baserade nätaggregat, som kan hitta program i beläggningar och hud förband. Detta förfarande kan dessutom användas för att förbereda siloxan-baserad polyuretan eller polyuretan-urea elastomerer om carbinol-avslutad PDMS används. Beroende på vilken typ av diisocyanat (dvsalifatiska eller aromatiska) används för syntes, kan reaktion villkor (inklusive tid, temperatur och kanske lösningsmedel sammansättning) behöva ändras. För tillämpningen av alifatiska diisocyanater såsom 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) eller isophorone diisocyanat, reaktionen har påskyndas med hjälp av en tennorganiska katalysator, såsom dibutyltenndi(acetat) dilaurate eller diacetoxytetrabutyl distannoxane. Till exempel fortsätter reaktionen mellan en hydroxypropyl-avslutad PDMS och H12MDI i närvaro av katalysator. Dessutom behöver den reaktion temperaturen ökas till 50-60 ° C. För tillämpningen av en aromatisk diisocyanat såsom 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), måste reaktion temperatur måttligt men tillräckligt ökas som aromatiska diisocyanater är vanligtvis mer reaktiva mot nukleofil grupper än alifatiska diisocyanater är. Reaktionen av MDI med carbinol-avslutad PDMS kan främjas med hjälp av lösningsmedel blandningar av vattenfri tetrahydrofuran () THF) och dimetylformamid (DMF) eller dimetylacetamid (Jimmys) som tertiära aminer uppvisar vissa katalytisk aktivitet.

Protocol

Varning: Läs alla relevanta säkerhetsdatablad (MSDS) före användning. Flera kemikalier som används i synteser uppvisar akut toxicitet och stark irritation på huden och ögonen samt inandning. Vänligen använd personlig skyddsutrustning (laboratorium rockar, skyddsglasögon, hand handskar, hellånga byxor och stängd tå skor) och hantera kemikalierna, om möjligt, under ett dragskåp eller i en väl ventilerad plats. Utföra alla synteser under spiskåpa. Tetramethylammonium hydroxid pentahydrat (TMAH): TMAH är en stark bas, akut giftiga vid förtäring och vid kontakt med huden, det orsakar allvarliga frätskador på hud och ögon. Den är känslig för luft och är hygroskopiskt. Förvara den under kyl- och kväve. Hantera TMAH i en väl ventilerad plats på grund av dess starka ammoniak-liknande lukt. APTMDS: APTMDS är känslig för luft och måste lagras under kväve. Det orsakar allvarliga frätskador på hud och ögon. H12MDI: H12MDI är giftigt vid inandning och orsakar irritation på hud och ögon. D4: D4 kan försämra fertiliteten. THF: THF är skadligt, orsakar irritation på inandning och förmodligen är cancerframkallande. Kloroform (CHCl3): CHCl3 är skadliga vid inandning, förmodligen cancerframkallande, kan orsaka möjlig skada fertilitet och ett ofött barn, och dess ångor kan orsaka dåsighet.

1. Sammanfattning av katalysator och Amino-avslutad Polysiloxane Macromonomers

  1. Syntes av tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate katalysatorn
    Obs: Katalysatorn var syntetiseras enligt den metod som rapporterats av Hoffman och Leir44.
    1. Degas APTMDS under vakuum innan använda och lagra den under kväve. Pipettera ca 10 g APTMDS med en spruta.
    2. Lägg till 8,13 g (33,0 mmol) avgasade APTMDS och 11.88 g (66,0 mmol) av TMAH i en 100 mL tre-hals runda-botten kolv. Tillsätt 20 mL THF att upplösa APTMDS och att avbryta TMAH, tillsammans med en stor oval magnetiska rör bar.
      Varning: TMAH är ett hygroskopiskt, frätande och giftigt ämne med en stark ammoniak-liknande lukt och bör förvaras tätt tillsluten i kylskåp. Väg TMAH omedelbart på en väl ventilerad plats; bär skyddande hand handskar och skyddsglasögon när du hanterar. APTMDS är luft känsliga och orsakar frätskador på hud och ögon. Väg APTMDS från en förseglad flaska med hjälp av en spruta. bär skyddande hand handskar och skyddsglasögon när du hanterar.
    3. Utrusta tre-hals runda-botten kolven med en återloppskylare, vikar och avsättningsmöjligheter för kväve och värme reaktionsblandningen att 80 ° C med en glycerin eller silikon olja värme bad. Rör reaktionsblandningen för 2 h under reflux och med en liten, kontinuerlig kväveflödet.
      Obs: Den ursprungliga, lätt grumlig suspensionen ändras till en tydlig lösning inom 2 h.
    4. Avlägsna återloppskylaren och destillera av THF använder ett vakuum insugningsventil. Torka sedan, svagt gul rå produkten under ett vakuum på 0,1 mbar för 5 h vid 70 ° C med en Schlenk linje.
      Obs: Efter detta steg, rå produkten kan förvaras i kylskåp vid 10 ° C tills dagen efter.
    5. Återsuspendera rå produkten i 50 mL THF. Om det behövs, Använd en spatel för att strimla stora agglomeratbildning och filtrera fjädringen med en vakuum insugningsventil. Tvätta den förhastade minst 3 x med 20 mL THF delar tills produkten blir en vit pulver-liknande solid.
    6. Torka produkten under ett vakuum på 0,1 mbar i rumstemperatur i 3 h. Sedan, lagra katalysatorn i kylskåpet vid 10 ° C under kväve fram till användning.
  2. Syntesen av Α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethylsiloxanes
    Obs: Syntes av PDMS med en molekylvikt av publiksiffran 15 500 ~ g·mol-1.
    1. Degas D4 och APTMDS under vakuum före användning. Pipettera ca 1,5 g APTMDS, med hjälp av en spruta.
    2. Lägg till 19,5 g (65,7 mmol) avgasade D4 och 0.9 g (3,6 mmol) av APTMDS i en 100 mL tre-hals runda-botten kolv, som är utrustad med en PTFE-belagda centrifugal omrörare och kväve inlopp och utlopp.
    3. Tillsätt ~ 26 mg av katalysatorn (från avsnitt 1.1) och rör reaktionsblandningen för 30 min vid 80 ° C under en liten, kontinuerlig kväveflödet.
      Obs: En glycerin eller silikon olja värme bad kan användas.
    4. Lägga till 45,5 g (153,4 mmol) D4 droppvis i reaktionsblandningen, använder en dropptratt (inom 2-3 h), och ytterligare rör vid 80 ° C under 24 h under en kontinuerlig kväveflödet.
      Obs: Reaktionen kan fortsätta över natten.
    5. Värm reaktionsblandningen att 150 ° C och rör det för 2 h sönderdelas katalysatorn. Sedan låt PDMS svalna till rumstemperatur.
    6. Utbyta centrifugal omröraren med stora ovala magnetiska rör bar och tillslut tre-hals runda-botten kolven med två proppar. Använd en adapter med en ventil och långsamt värma PDMS till 150 ° C under vakuum 0,1 mbar att destillera av de cykliska sida produkter använder en Schlenk linje. Låt PDMS svalna till rumstemperatur.
      Obs: Vakuum destillation förekommer vanligen i 4-5 h.
  3. Syntesen av α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethyl-metyl-phenylsiloxane
    Obs: Detta avsnitt beskriver hur syntes en polysiloxane med en molekylvikt av publiksiffran 15 500 ~ g·mol-1 och 14 mol % metyl-fenyl siloxan; Detta förfarande är jämförbar med PDMS syntesen, som beskrivs i avsnitt 1.2.
    1. Degas D4 och APTMDS under vakuum före användning. Pipettera ca 1,5 g APTMDS med en spruta. Plats D4mig, Ph vid 70 ° C för 3-5 h i en vakuumkammare att helt smälta och homogenisera produkten innan användning.
    2. Lägg till 4,54 g (15,3 mmol) D4, 14,96 g (27,5 mmol) D4mig, Phoch 0.9 g (3,6 mmol) av APTMDS i en 100 mL tre-hals runda-botten kolv, som är utrustad med en PTFE-belagda centrifugal omrörare och kväve inlopp och utlopp.
    3. Tillsätt ~ 26 mg av katalysatorn (från avsnitt 1.1) och rör reaktionsblandningen vid 80 ° C i 30 min under en kontinuerlig kväveflödet.
    4. Lägga till 45,5 g (153,4 mmol) D4 droppvis i reaktionsblandningen, använder en dropptratt (inom 2-3 h), och ytterligare rör vid 80 ° C under 24 h under en kontinuerlig kväveflödet.
      Obs: Reaktionen kan fortsätta över natten.
    5. Fortsätt med syntesen genom att följa steg 1.2.5 och 1.2.6.

2. molekylvikt bestämning av Polysiloxane

  1. Teoretiska molekylvikt av polysiloxane
    1. Beräkna den teoretiska molekylvikten Equation 1 av polysiloxane enligt följande ekvation:
      Equation 2(1)
      Här, Equation 1 är Polydimetylsiloxan nummer genomsnittlig molekylvikt, m är massan (g) används monomerer D4 och APTMDS och n är mängden APTMDS i mullvadar.
  2. Molekylvikt bestämning av polysiloxane av 1H-NMR-spektroskopi
    1. Lös 10-20 mg polysiloxane i 0,5 mL CDCl3, registrera dess NMR-spektrum och kalibrera kemiska förskjutningarna [δ] till lösningsmedel signalen på 7,26 ppm.
    2. Beräkna molekylvikt Equation 1 av polysiloxane från integrerad värden enligt följande ekvation.
      Equation 3(2)
  3. Molekylvikt bestämning av polysiloxane genom titrering
    1. Tillsätt 1,5-2 g polysiloxane i en 250 mL e-kolv och lös den i 50 mL THF under kontinuerlig omrörning med hjälp av en magnetisk uppståndelse bar.
    2. Titrera amino grupper med 0,1 M HCl med bromofenolblått tills ändra en färg från blå till gul observeras. Upprepa titreringen med tre prover att beräkna antalet genomsnittliga molekylvikten.

3. Sammanfattning av Polysiloxane-urea elastomerer

Obs: Detta avsnitt beskriver hur syntes en PDMS-baserad karbamid elastomer 10 w % hård-segmentet innehåll (HS %) (PDMS: 15.500 g·mol-1).

Equation 4(3)

  1. Tillsätt 2.939 g (11,2 mmol) H12MDI i en 250 mL kolv med fyra-hals runda-botten reaktion, som är utrustad med en PTFE-belagda centrifugal omrörare, släppa tratt, och kväve inlopp och utlopp, och lös det i 20 mL THF.
    FÖRSIKTIGHET: H12MDI är en låg flyktiga diisocyanat och orsakar irritation på hud och ögon. Använd skyddande hand handskar och skyddsglasögon.
    Obs: Alternativt lös H12MDI i THF i en 50 mL bägare och tillsätt lösningen genom en tratt eller en tulip glas in i reaktionskärlet. Sedan skölj bägaren och tratt med 10 mL THF.
    1. Lös 45,0 g (2,9 mmol) av avgasade PDMS i 100 mL THF; Tillsätt denna lösning droppvis i H12MDI lösningen med en dropptratt under kontinuerlig omrörning och kväve flöde vid rumstemperatur. Skölj bägaren och släppa tratt med 50 mL THF och lägga till denna lösning i reaktionsblandningen.
    2. Kontroll bildandet av den prepolymer via FTIR spektroskopin.
      Obs: Reaktion framstegen kan övervakas på två sätt: med inline eller offline ATR-FTIR spektroskopi.
      1. För inline ATR-FTIR spektroskopi, infoga en infogad ATR-FTIR probe som är ansluten till spektrometern, in i centrala gemensamma i början av reaktionen. Använd en stor oval magnetiska rör bar istället för en PTFE-belagda omrörare. Starta inspelningen spektra av H12MDI lösningen och välj NCO absorption toppen vid 2266 cm-1 att följa omvandlingen av isocyanat grupper.
      2. För offline ATR-FTIR spektroskopi, ta prover av reaktionsblandningen använder en Pasteur-pipett och tillsätt några droppar på ATR kristallen. Avdunsta lösningsmedlet under en kväveflödet tills en tunn hinna kvar på ATR crystal ytan. Spela in spectra skeden olika reaktion (efter komplett tillägg av PDMS och efter tillsats av varje del av APTMDS).
    3. Lägga till delar av stökiometriska mängden kedja förlängaren APTMDS prepolymer lösningen.
      Obs: Tillägg av kedjan förlängaren kan fortsätta på två sätt (se steg 3.1.3.1 och 3.1.3.2).
      1. Lös upp vägde mängden kedja förlängaren i 5-10 mL THF och Lägg till lösningen droppvis reaktionsblandningen med hjälp av en Pasteur-pipett eller en dropptratt, följt av sköljning igen med 3 mL THF.
      2. Lägg delar av kedjan Extender-enheten i en spruta och kedja förlängaren droppvis till reaktionsblandningen. I det här fallet försegla det fjärde gemensamma med en gummipropp septum.
        1. Lägg till 1,65 g (6.6 mmol) av APTMDS, motsvarande 80% av det beräknade beloppet för APTMDS, till prepolymer. Sedan styra den reaktion framsteg via FTIR spektroskopin.
        2. Sedan lägga till 0.21 g (0,8 mmol) APTMDS (i totalt 90% av det beräknade beloppet) i reaktionsblandningen och styra de reaktion framsteg av FTIR.
        3. Tillsätt 0,1 g (0,4 mmol) APTMDS (i totalt, 95%) reaktionsblandningen och kontroll reaktionen framsteg med hjälp av FTIR.
        4. Slutligen, lägga till den sista delen av kedjan förlängaren (0.102 g, 0,41 mmol) i reaktionsblandningen och kontrollera försvinnandet av NCO absorptionsbandet i FTIR spektrumet.
          Obs: Efter tillägg av den första delen av kedjan förlängaren noteras en ökning av viskositeten.
    4. Häll över PSU lösningen i ett PTFE-folie-täckt glas petriskål och avdunsta lösningsmedlet över natten under spiskåpa. Dessutom torr PSU i en vakuumkammare vid 80 ° C i 12 h.

4. mekanisk testförfarandet

  1. Beredning av polysiloxane-urea elastomer filmer
    1. Lös upp 7-8 g PSU småbitar i 200-250 mL CHCl3 i en 300 mL konisk kolv, löst tillslut kolven med en propp av glas och rör blandningen med en magnetisk uppståndelse bar under minst 24 h. Om det behövs, lägga till ytterligare delar av lösningsmedel.
      Varning: Kloroform är förmodligen cancerframkallande. Ångor kan orsaka dåsighet vid inandning. Hantera kloroform på väl ventilerad plats.
    2. Tillsätt den homogena lösningen i ett glas petriskål och täck det med perforerad aluminiumfolie. Låt lösningsmedlet avdunsta långsamt antingen genom att placera petriskål i en väl ventilerad plats eller i ett dragskåp med skärp fönstret öppet.
      Obs: När du placerar petriskål i dragskåp, minska luftflödet om möjligt. Extremt snabb avdunstning av lösningsmedlet leder till oenhetlighet och bildandet av ogenomskinlig fläckar inom transparent filmerna.
    3. Torra filmen på 80 ° C i en vakuumkammare för 12 h.
    4. Försiktigt bort filmen från glasytan med hjälp av en liten tunn spatel och lagra PSU filmen inom ett öppet kuvert vid efterföljande användning för mekaniska karakterisering.
  2. Stress-stam tester på Polysiloxane-urea elastomer filmer
    1. Förbereda stansade hund-ben-formade exemplar från PSU filmerna enligt Keiper45 (typ S2). Placera PSU filmen, som är täckt av kuvert folier, under en stansning kniv-enhet med en form som visas i figur 4. Tryck spaken nedåt att stansa ut provkroppen och lagra den för i minst 72 timmar vid rumstemperatur (23 ± 2 ° C).
    2. Slå på dragprovningsmaskin och dator. Starta programmet genom att klicka på ikonen. Välj metoden som dragprovet och kolla om den rätta lastcell (100 N) installeras i provningsmaskinen.
    3. Välj metod assistent och kontrollera om samtliga inställningar är korrekta. Gå till förtest och kontrollera om följande inställningar aktiveras: den original sampels längden (L0) på 20 mm, av förspänning vid 0.1 MPa och hastigheten tills preload nås på 5 mm/min.
    4. Gå till testa parametern och kontrollera om följande inställningar aktiveras: hastigheten för bestämning av Youngs modul 1 mm/min, hastighet tills provet paus vid 25 mm/min, detektion av provet rast vid 80% Fmax, den bestämning av Youngs modul på Regression, början av Youngs modulus bestämning på 2% stam, och i slutet av Youngs modulus bestämning på 6% stam. Lämna metod assistent och växla till huvudfönstret i programvaran.
    5. Tryck på strömbrytaren på provningsmaskinen och klicka på knappen gå till startpunkten i huvudfönstret i programvaran.
    6. Avlägsna de skydd folier och inspektera provet under en cross-polarisator att utesluta någon inre stress. Mät provets tjocklek och prov bredd med hjälp av en kaliber. Sätt sedan värdena för prov tjocklek och bredd i motsvarande fält i huvudfönstret i programvaran.
    7. Fixa provstycket mellan provningsmaskinen övre fastspänning käftar. Klicka på den knappen noll kraft i huvudfönstret i programvaran. Fixa den nedre änden av provstycket mellan botten klämbackar i provningsmaskinen.
      Obs: Om ytorna av fastspänning käftarna är hala, placera ändarna av preparatet mellan finkorniga sandpapper så att preparatet glider under mätningen.
    8. Klicka på starta mätningen -knappen för att starta dragprovet.
    9. Efter avslutad mätning, Fortsätt med steg 4.2.6 och 4.2.7. Efter fastställande av provstycket mellan övre fastspänning käkarna och välja noll kraft, Välj den knappen gå till startpunkten på huvudfönstret i programvaran. Sedan fixa den nedre änden av provstycket mellan botten klämbackar och klicka på starta mätningen igen.
    10. Upprepa steg 4.2.6 - 4.2.8 för en PSU-prov minst en ytterligare 3 x för statistisk utvärdering av Youngs modulus, draghållfasthet och töjning vid paus.
  3. Hysteres tester på PSU elastomer filmer
    1. Slå på dragprovningsmaskin och dator. Starta programmet genom att klicka på ikonen. Välj metoden som cyklisk dragprovet och kontrollera installationen av den rätta lastcell (100 N) i provningsmaskinen.
    2. Välj metod assistent och kontrollera om samtliga inställningar är korrekta. Gå till förtest och kontrollera om följande inställningar aktiveras: den original sampels längden (L0) på 20 mm, av förspänning vid 0,05 MPa och hastigheten tills preload nås på 5 mm/min.
    3. Gå till den testa parametern och kontrollera aktivering av följande inställningar: antalet cykler vid 10, börvärdet lastning vid 100% belastning, börvärdet lossning vid 0% stam, och hastigheten på 25 mm/min. lämna metod assistent och Växla till huvudfönstret i programvaran.
    4. Fortsätt med steg 4.2.5 - 4.2.8.
    5. Upprepa hysteres mätningarna med två exemplar för statistisk utvärdering. Beräkna den mekaniska hysteresen för varje cykel enligt följande ekvation.
      Equation 5(4)

5. odling förfarande för HaCaT celler

  1. Värma en cryotube med HaCaT celler och Dulbeccos ändrades örnens medium (DMEM) i 37 ° C vattenbad. Under den mikrobiologiska säkerheten workbench, snabbt överföra cellsuspensionen till ett 10 mL koniskt centrifugrör, som är fylld med varm DMEM.
    1. Omfattas av cellsuspensionen centrifugering i 6 min vid 845 x g. Kasta en majoritet av supernatanten med en Engångsglas Pasteur-pipett, som fästas till en vakuumpump, och resuspendera cellpelleten i återstående vätskan genom försiktigt pipettering cell agglomeratbildning upp och ner med hjälp av en pipett i Eppendorf.
    2. Flytta de återsuspenderade cellerna till en 25 cm2 cell kultur mätkolv och tillsätt 9 mL DMEM, som kompletteras med 10% FBS. Inkubera cellerna vid 37 ± 1 ° C och 5% CO2 i kuvös skåp. Kontroll av cellproliferation dagligen med ett inverterat Mikroskop. Ändra DMEM varje tredje dag tills cellerna blir subconfluent.
    3. Utföra en cell passage under säkerhet arbetsbänken genom att ta bort den DMEM använder en Engångsglas Pasteur-pipett. Tillsätt 10 mL PBS-bufferten att tvätta det cell-lagret. Ta bort PBS-bufferten med en Engångsglas Pasteur-pipett igen.
    4. Tillsätt 1 mL av en trypsin/EDTA-lösningen till 25 cm2 cell kultur kolven att lossa cellerna och inkubera dem i CO2 inkubatorn skåp. Kontrollera om cellerna är i suspensionen, genom en inverterade Mikroskop.
    5. Tillsätt 3 mL DMEM till cell kultur kolven att inaktivera trypsin. Överföra cellsuspensionen till ett centrifugrör och centrifugering i 6 min vid 845 x gsom omfattas av cellerna. Ta bort en majoritet av supernatanten, med ett glas Pasteur-pipett. Att resuspendera cellerna i de återstående DMEM och tillsätt 10 mL av färska varma DMEM, som kompletteras med 10% FBS.
    6. Över 5 mL cellsuspension till de 75 cm2 cell kultur kolvarna och tillsätt 15 mL färsk varm DMEM, kompletterad med 10% FBS. Odla HaCaT celler vid 37 ± 1 ° C och 5% CO2 CO2 inkubatorn skåp tills cellerna blir subconfluent.
    7. Upprepa cell passagen enligt steg 5.1.3 - 5.1.6 men den här gången, Använd 2 mL av en trypsin/EDTA-lösning och 6 mL DMEM för att inaktivera trypsin.

6. förfarandet för ett MTS Cell livskraft test använder HaCaT celler

Obs: In vitro cytotoxicitet tester utfördes enligt Wenzelewski46, använder cell medium extrakt. PSU prover och biomedicinsk-grade polyuretan prover var steriliserad med etylenoxid.

  1. Kultur HaCaT celler vid 37 ± 1 ° C och 5% CO2 DMEM, som kompletteras med 10% FBS i en 75 cm2 cell kultur kolv. Använda cellerna för i vitro cytotoxicitet tester, åtminstone efter fjärde passagen.
    1. Tillsätt sterila prover av PSU och ett referensmaterial (0.7 g) i 50 mL koniskt centrifugrör och extrahera proverna med DMEM, utan FBS, för 72 ± 2 timmar vid 37 ° C och 5% CO2 på en utvinning baserat på 0,1 g/mL. Använda tre utdrag för varje prov som PSU. Förbereda blinda prover av fyllning DMEM, utan FBS, i 50 mL koniskt centrifugrör och utföra samma utvinning.
    2. På dag 2 av extraktionsförfarande, utföra cell avlossning enligt steg 5.1.3 - 5.1.5 med 2 mL av trypsin/EDTA och 6 mL DMEM. Ta en 100 µL delmängd av cellsuspensionen och tillsätt 100 µL av DMEM. Från denna utspädda suspension, ta 20 µL alikvot och tillsätt 10 µL av en 0,5% trypan blå lösning att färga döda celler.
    3. Inkubera cellerna för 2 min. Fyll i hemocytometer med hjälp av en mikropipett och omedelbart räkna cellerna inom de fyra kamrarna. Beräkna antalet livskraftiga och icke celler att utvärdera cellviabilitet i procentsatser.
      Obs: Alternativt cellerna kan räknas med hjälp av en cell som räknar systemet.
    4. Utsäde HaCaT celler (fjärde passage) vid en koncentration på 20 x 103 celler per brunn i 200 µL DMEM in 96 brunnar Mikroplattor och inkubera cellerna för 24 h vid 37 ° C och 5% CO2.
    5. På dag 3, efter utvinning, lägga till 10% FBS att varje extrakt och blinda prover och varma proverna upp till 37 ° C med ett vattenbad. Ta bort DMEM från varje seedade väl och ersätta mediet med extrakt, blind prover och motsvarande positiva och negativa kontroller. För varje PSU extrakt (användning tre utdrag för varje prov som PSU), Pipettera 200 µL av extraktet i sex brunnar.
    6. Pipettera 200 µL av blinda provet (DMEM + 10% FBS) i sex brunnar. Pipettera 200 µL av färska DMEM, kompletterad med 10% FBS (negativ kontroll), i sex brunnar. Pipettera 200 µL av den positiva kontrollen (DMEM + 10% FBS + 1% SDS) i sex brunnar. Inkubera cellerna med extrakt och kontroller för 24 h vid 37 ° C och 5% CO2.
      Obs: För beredning av en positiv kontroll, Bered en 20% SDS i vatten och späd med DMEM på 1:2. Sedan ytterligare späd med DMEM att förbereda en lösning med 1% i SDS.
    7. Dag 4, strax före slutet av inkubationstiden, förbereda en stamlösning av MTS och DMEM utan FBS (för varje brunn, användning 20 µL av MTS lösning + 100 µL av DMEM). Efter inkubationstiden, ta bort den extrakt, blind lösningar och kontroller och Pipettera 120 µL MTS stamlösning i varje brunn, liksom i sex brunnar utan celler att fastställa bakgrunden. Inkubera cellerna för 4 h på 37° C och 5% CO2.
    8. Dag 4 efter inkubering av MTS lösningen, Mät absorbansen hos varje brunn på 492 nm, med en microplate reader. Subtrahera uppmätta absorbansen av bakgrunden för de seedade brunnarna. Anta att de uppmätta absorptionsvärdena från den positiva kontrollen representerar 0% spridning och anger de absorptionsvärdena till 0. Anta att de uppmätta absorptionsvärdena från den negativa kontrollen representerar 100% spridning och ange dessa värden till 100.
    9. Beräkna den cell spridningen från absorptionsvärdena som en procentandel av absorbansvärdena från negativ kontroll (100% spridning) och positiv kontroll (0% spridning). Utvärdera de provextrakt som uppvisar cellproliferation upp till 81% som inte cytotoxiska.
      Obs: Enligt leverantörens information47, Mät absorbansen senare. Pipettera 25 µL av en lösning med 10% i SDS i varje brunn för att stoppa reaktionen och lagra mikroplattan för upp till 18 h skyddas från ljus vid rumstemperatur i en fuktig kammare.

Representative Results

De ring-kedjan Jämviktstiden D4 och D-4mig, Ph med endblocker APTMDS gav aminopropyl-avslutad polydimethylsiloxanes och polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-sampolymerer, respektive, som var syntetiseras med molekylvikt mellan 3 000 och 33 000 g·mol-1 genom att justera monomer förhållandet mellan D4 och APTMDS (figur 6). Molekylvikter Equation 1 av den beredda PDMS, som bestämdes genom 1H-NMR spectra (figur 5), liknade de värden som erhålls från titrering. Dessa värden var överens med de beräknade teoretiska molekylvikter upp till 15.000 g·mol–1. Under utarbetandet av PDMS med högre molekylvikt var erhållna molekylvikt något större än de förmodade genom teoretisk beräkning. Copolymerization av den cykliska siloxan med hänge fenyl grupper D4mig, Ph ansågs framgångsrikt för något stigande brytningsindex för polysiloxanes. Brytningsindex (bestäms med hjälp av Abbe refraktometer vid 37 ° C) ökade från 1.401 (omodifierade PDMS) till 1.4356 (14 mol % metyl-fenyl-siloxan) (figur 7). PSU elastomerer var syntetiseras i två steg med förberedda aminopropyl-avslutad PDMS, alifatiska diisocyanat H12MDI och APTMDS, med THF som lösningsmedel. Denna metod tillåten byggandet av hög molekylvikt nätaggregat med en segmenterad struktur av mjuk (PDMS) och hårda segment (diisocyanat + urea). Inline FTIR spektroskopi bekräftade den extremt snabba reaktionen i grupperna isocyanat med amino grupper från PDMS och kedja extender APTMDS (figur 3 och figur 8). Till skillnad från utarbetandet av de polyuretan elaster, som tar flera timmar, var utarbetandet av de PSU elastomerer bekvämt. Öppenheten och mekaniska egenskaper hos PSU elastomerer var beroende av PDMS molekylvikten. Transparent PSU elastomer filmer uppvisade en ljustransmission på > 90% upp till en PDMS molekylvikt av 18.000 g·mol-1. Vid högre PDMS molekylvikt, PSU filmerna blev alltmer ogenomskinlig (figur 9). Med ökningen av PDMS molekylvikt, kunde mjuka PSU elastomerer förberedas. De Youngs modulus av PSU elastomerer minskade från ~5.5 MPa (med PDMS molekylvikt 3.000 g·mol-1) till 0,6 MPa (med PDMS molekylvikt av ≥26, 000 g·mol-1) (figur 10). Dessutom sänktes mekaniska hysteres, som användes för att utvärdera den mekaniska stabiliteten under upprepade tillämpad stress, för de PSU elastomerer när de var förberedda från hög molekylvikt PDMS. Hysteres värdena för den första cykeln på en 100% stam minskade från 54% (med PDMS molekylvikt 3.000 g·mol-1) 6% (med PDMS molekylvikt 33.000 g·mol-1) (figur 11). Metoden tillämpad syntes tillåtna utarbetandet av PSU elastomerer som inte släpper cytotoxiska rester som exempel visas i cell genomförbarhet tester utförs med extrakt av vissa utvalda PSU elastomerer på HaCaT celler (figur 12).

Figure 1
Figur 1: Syntes av tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate katalysatorn.
Tetramethylammonium hydroxid pentahydrat (TMAH) och 1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS) var reagerade 2 h i THF vid 80 ° C. Den katalysator tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate tas emot som en solid vit efter tvättning rå produkten med THF. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: syntes rutt för aminopropyl-avslutad polydimethylsiloxanes (PDMS) och polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-sampolymerer. Cykliska monomerer D4d4mig, Ph är utjämnad med en disiloxane endblocker APTMDS vid 80 ° C under 24 h med tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate katalysatorn. Denna siffra har ändrats från Riehle o.a. 48. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Two-step syntes av segmenterade polysiloxane-baserad karbamid elastomerer (PSU). I det första steget, en prepolymer innehåller aktiva isocyanat grupper bildas efter reaktionen av H12MDI med aminopropyl-avslutad polysiloxane (R = CH3: PDMS; R = Ph; sampolymer). I det andra steget är polymer molekylvikten ökad via reaktionen av de återstående aktiva isocyanat grupperna med kedja förlängaren APTMDS. Den resulterande elastomer är en segmenterad polymer bestående av urea hårt och silikon mjuka segment. Denna siffra har ändrats från Riehle o.a. 48. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: specifikation av hund-ben-formade provkroppen för stress-stam tester. Denna siffra har ändrats från Keiper45. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: 1H-NMR spectrumen av aminopropyl-avslutad Polydimetylsiloxan. För molekylär Viktberäkning, integrerad värden av metylen protoner d (δ 2,69 ppm) och b (δ 0.56 ppm) och metyl protoner en (δ ~ 0,07 ppm) utnyttjades. Peak c (δ ~1.5 ppm) är övertäckt av HDO peak49, motsvarar proton utbyte av vatten spår med lösningsmedel CDCl3; denna topp är därför inte används för att beräkna molekylvikt. PDMS molekylvikt i detta spektrum är ~ 16,365 g·mol-1. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Linjär korrelation mellan molekylvikten Equation 6 aminopropyl-avslutad polydimethylsiloxanes och endblocker koncentration. Equation 1 värden var beslutsamma via 1H-NMR spektroskopi, titrering av amino slutet grupper och teoretisk beräkning enligt ekvation (1). Denna siffra återges med tillstånd från Riehle o.a. 48. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: Refractive index av aminopropyl-avslutad polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-sampolymerer. Refractive index (RI) av polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-sampolymerer bestämdes vid 20 ° C (svarta fyrkanter) och 37 ° C (röda cirklar) använder en Abbe refraktometer. RI värdena ökade linjärt med beloppet av de bolagiserade metyl-fenyl-siloxan enheterna. RI värdena på 0 mol % representerar de från omodifierade PDMS med en molekylvikt som är jämförbar med de polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-sampolymerer. En optimal RI av 1.4346 (37 ° C) erhölls för en sampolymer med 14 mol % av metyl-fenyl-siloxan. Denna siffra har varit omtryckt med tillåtelse från Riehle o.a. 48. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: isocyanat omvandling under syntesen av Polydimetylsiloxan-urea (PSU). Denna figur visar en tidsberoende tomt NCO absorptionsbandet på 2 266 cm1 följt av inline FTIR-ATR spektroskopi under syntesen av PSU. Efter tillägg av aminopropyl-avslutad Polydimetylsiloxan minskade höjden av NCO bandet, vägledande bildandet av NCO-avslutad prepolymer kedjor. Efter tillägg av kedjan förlängaren APTMDS försvunnit NCO bandet helt från de IR-spektra. Denna siffra har varit omtryckt med tillåtelse från Riehle o.a. 50. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 9
Figur 9: beroendet av överföringen av PSU elastomer filmer vid 750 nm och molekylvikten för Polydimetylsiloxan. Överföringen av PSU filmerna bestämdes av UV-Vis spektroskopi. Överföringen av nätaggregat på 750 nm (övre kanten av det synliga spektrumet) var > 90% om PSU var syntetiseras med PDMS med molekylvikter mellan 3 000 och 18 000 g·mol-1. Med en ökande molekylvikt av PDMS ökad opacitet för filmer. Denna siffra har varit omtryckt med tillåtelse från Riehle o.a. 48. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 10
Figur 10: Youngs modul av PSU elastomerer som en funktion av molekylvikten för Polydimetylsiloxan. Youngs moduli (YM) bestämdes från stress-påfrestningar mätningar av PSU filmerna. Värdena uttrycks som ett medelvärde som erhållits från fem upprepade mätningar. Felstaplar representera standardavvikelsen. Den högsta minskningen av YM observerades för nätaggregat syntetiseras från PDMS alltifrån 3000 till 9000 g·mol–1. Vid PDMS molekylvikt mellan 12 000 och 18 000 g·mol-1var YM värden mellan 1,5 MPa och 1,0 MPa. Molekylvikt större än 26.000 g·mol-1var YM värden ~0.6 MPa. Denna siffra har varit omtryckt med tillåtelse från Riehle o.a. 48. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 11
Figur 11:100 % hysteres kurvor av PSU elastomerer. De PSU elastomerer på 100% töjning grundnivå hysteres kurvor visas. Polymer notationen refererar till PDMS molekylvikt (t.ex., PSU-3T är en ockragul elastomer beredd från PDMS med en molekylvikt av 3.000 g·mol-1). Den högsta mekaniska hysteresen (43% - 54%) observerades i PSU elastomerer syntetiseras från låg molekylär vikt PDMS, indikerat av uttalad hysteres kurvorna. Hysteres minskade med ökningen av PDMS molekylvikten från 14% (15.000 g·mol-1) 6% (33.000 g·mol-1). Denna siffra har varit omtryckt med tillåtelse från Riehle o.a. 48. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 12
Figur 12: Resultat i vitro cytotoxicitet tester på HaCaT celler behandlas med PSU extrakt. Denna figur visar proliferation av HaCaT celler behandlas med cell medium extrakt av PSU elastomerer. Värdena uttrycks som det medelvärdet som erhålls från tre testade extrakt per prov, med sex upprepade mätningar för varje extrakt (18 replikeras totalt). Felstaplar representera standardavvikelsen från dessa mätningar. Tomrummet representerar cellen medium DMEM (utan provet), som behandlades analogt med det cell-medium som används för utvinning. En medicinsk kvalitet polyeter uretan valdes som referensmaterialet. Silikonbaserat ockragul elastomerer (PSU-18T, PSU-16T och PSU-14Ph) valdes som representativa prover, vilka var baserade på PDMS med molekylvikten 18 000 och 16 000 g·mol-1 (PSU-18T och PSU-16T), medan PSU-14Ph baserades på en polydimethyl-metyl-fenyl-siloxan-sampolymer med 14 mol % av metyl-fenyl-siloxan och en molekylvikt på 16 600 ~ g·mol-1. Genomsnittlig spridningen av HaCaT celler, behandlas med extrakt av de PSU elastomerer och referens polyuretan var 100% och högre. Extrakt av den PSU elastomerer och referens polyuretan är därför inte cytotoxiska. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

För att uppnå hög molekylvikt aminopropyl-avslutad PDMS via ring-kedjan Jämviktstiden, använder en vattenfri, är starkt grundläggande katalysator avgörande. Andra vanligen tillämpad katalysatorer, såsom tetrametylammoniumhydroxid (TMAH) eller kaliumhydroxid (KOH), innehålla rester av vatten, som främjar sidoreaktioner; därmed erhålls en blandning av bifunktionella, monofunktionella och nonfunctional PDMS kedjor med liknande molekylvikter44. Vidare om TMAH används, reaktionen kräver > 48 h för slutförande och gör inte alltid fortsätta med komplett monomer konsumtion44.

I synnerhet vägning av endblocker APTMDS är avgörande för att erhålla önskad molekylvikten för PDMS. Till exempel, istället för 0,9 g av APTMDS, om 0,85 g används för att syntetisera PDMS, enligt beskrivningen i avsnitt 2.1 i protokollet, detta skulle leda till en teoretisk molekylvikt av ungefärligt > 900 g·mol-1. Den teoretiska molekylvikten är dessutom beroende av konverteringen. Om de cykliska sida produkterna inte avsevärt borttagna via vakuumdestillation, kommer en hög konverteringsvärde att erhållas. Till exempel för att använda samma syntes förfarande (som i avsnitt 2.1 i protokollet), skulle en beräknade konvertering av 90% leda till en teoretiskt beräknad molekylvikt; Detta värde är 910 g·mol-1 större än om en omvandling av 85% antas. Avvikelser i polysiloxane molekylvikt bestämning genom titrering är möjligen relaterade till vägning av PDMS in kolvar, särskilt om 50 mL byrett används för titrering. En avvikelse som avser vägning av 0,06 g polysiloxane kan leda till en beräknad skillnad ~ 650 g·mol-1. Användning av en halvautomatisk titrator rekommenderas därför.

Brytningsindex för PDMS kan ökas vid inkorporeringen av fenyl grupper17,51, halogenerade fenyl grupper52eller svavelhaltiga grupper53. Försök att införliva fenyl grupper i PDMS via copolymerization av octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph) som beskrivs av Yilgör, räfflad och McGrath54 var misslyckade på tillämpad reaktion villkor, eventuellt eftersom skrymmande ring ryggraden gjorde det omöjligt för tillämpad katalysatorn att bryta upp siloxan obligationer på den valda reaktion temperaturen. D4Ph ring kan öppnas om KOH används en reaktion temperatur på 160 ° C. Dock erhålls polysiloxanes med extremt hög molekylvikt, som förmodligen innehåller höga halter av nonfunctional orenheter. Dessutom avlägsnande av katalysator KOH i dessa sampolymerer är inte okomplicerad och kräver en neutralisering steg använder enprocentig HCl, följt av ett vattenhaltigt utvinning av katalysatorn. Därefter har PDMS ska upplösas i ett organiskt lösningsmedel, såsom CH2Cl2, för att separera vattenfasen från den organiska PDMS-innehållande fasen. Den organiska fasen måste slutligen torkas över MgSO4, följt av filtrering och vakuum destillation med en rotationsindunstare54. Däremot metoden presenteras i detta manuskript tillåter katalysatorn ska tas bort omedelbart via termisk nedbrytning. Därför, i stället för fasta monomer D4Ph, fenyl grupper framgångsrikt införs i PDMS ryggraden av copolymerization av den flytande monomer D4mig, Ph, vilket bekräftas av 29Si-NMR spektroskopi50.

De syntetiserade PSU elastomerer uppvisade YM 0,6 - 5,5 MPa och hög elasticitet med töjning värden på upp till 1000%. Sådana hög töjning värden avsåg inte bara polymer segmenterad struktur men också till hög molekylvikt av de PSU elastomerer (Equation 1 > 100.000 g·mol-1)48. En ögonblicklig reaktion inträffar mellan amino grupper och alifatiska isocyanyate grupper i rumstemperatur, vilket leder till snabbt ökande molekylvikt. Detta resultat var ytterligare stöd av genomföra reaktionen i ett lösningsmedel, eftersom en liten ökning i viskositet inte föreföll sakta ner reaktionstiden betydligt, som skulle annars dramatiskt påverkar den molekylära vikten för en nästan balanserad stökiometriskt förhållande. Däremot när en kort kedja diol, såsom 1,4-butandiol, användes som kedjan förlängaren, var de resulterande polyuretan-urea elastomerer inte bara mindre elastisk men också förlorat betydande mekanisk stabilitet, särskilt om hög molekylvikt PDMS var används för syntes. Detta resultat var förmodligen relaterad till betydligt låg molekylvikt av elastomerer (resultat ej offentliggjort), motsvarande ofullständiga omvandlingen av alla isocyanat grupper i det sista skedet av polyaddition. Dessutom påverkas skillnader i reaktivitet mellan grupperna amino och hydroxyl mot alifatiska diisocyanater dramatiskt resultat från in vitro- cytotoxicitet tester. Extrakt av den PSU elastomer beredd från amino-kedjan förlängaren APTMDS inte uppvisar någon cytotoxisk effekt på HaCaT celler (figur 12). Om extrakt av en siloxan-baserad polyuretan-urea elastomer användes, cellviabiliteten var dock drastiskt minskad (resultat ej offentliggjort), som var möjligen relaterade till låg molekylär vikt urlakningsprodukter och återstående oreagerade isocyanat grupper.

Det här protokollet beskriver en bekväm metod för att förbereda amino-funktionella polysiloxanes, som senare kan användas som macrodiamines för syntetisera hög molekylvikt, mjuk och elastisk polysiloxane-urea elastomerer. Som de mekaniska egenskaperna hos nätaggregat kan varieras enligt PDMS molekylvikt, är det möjligt att använda dessa polymerer i andra användningsområden. Förfarandet för att förbereda amino-funktionella polysiloxanes kan dessutom användas för införandet av sida grupper, såsom vinyl grupper, via copolymerization av en cyklisk siloxan med hänge vinyl grupper (resultat inte visas). Detta kan öppna upp nya användningsområden, inklusive utarbetandet av mjuk tvärbundna geler polysiloxane (t.ex., genom Pt-katalyseras hydrosilylation med en metallhydrid-funktionella silikon eller genom UV-aktiverat thiol-ene tillägg av mercapto-funktionella PDMS)) resultat som inte visas).

Disclosures

Författarna har inget att deklarera.

Acknowledgments

Författarna vill tacka federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF) för att finansiera detta arbete under bevilja nummer 13FH032I3. Ekonomiskt stöd av den Deutsche Forschungsgemeinschafts (DFG, Gepris projektet 253160297) är erkänt tacksamt. Författarna ytterligare vilja uttrycka sin tacksamhet till Priska Kolb och Paul Schuler från universitetet i Tübingen för att utföra 1H-NMR och 29Si-NMR mätningar. Tack är också på grund av CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG för sin leverans av H12MDI. Författarna vill tacka Herbert Thelen och André Lemme från Biotronik för att utföra sterilisering med etylenoxid PSU prover och Lada Kitaeva (Reutlingen universitet) för hennes stöd med stress-stam och hysteres mätningar.

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

Kemi fråga 145 segmenterade polysiloxane-urea elastomerer Polydimetylsiloxan ring-kedjan Jämviktstiden brytningsindex mekaniska egenskaper mekaniska hysteres cellernas viabilitet biomedicinsk tillämpning
Syntesen av mjuk Polysiloxane-urea elastomerer för intraokulär lins ansökan
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