Name: 软聚聚硅氧烷-尿素弹性体在人工晶体中的应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-08T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 49 s
Description: 了解软聚硅氧烷-尿素弹性体的合成方法及其在人工晶体中的应用。本研究展示了氨基丙基封端聚硅氧烷的制备流程，并评估了材料的高透明度、柔软特性及无细胞毒性，为白内障治疗提供了新型生物医用材料方案。

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作者感谢德国联邦教育与研究部（BMBF）通过资助编号13FH032I3对本工作的资助。感谢德国研究基金会（DFG，Gepris项目编号253160297）提供的资金支持。作者还感谢图宾根大学的Priska Kolb和Paul Schuler协助完成1H-NMR和29Si-NMR测试。感谢CSC Jäkle Chemie GmbH &amp;#38; Co. KG提供H12MDI。作者还感谢Biotronik公司的Herbert Thelen和André Lemme对PSU样品进行环氧乙烷灭菌处理，以及Reutlingen大学的Lada Kitaeva在应力-应变和滞后测量方面提供的支持。

作者声明无任何利益冲突。

获得高分子量氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷 通过 使用无水强碱性催化剂对于实现环链平衡至关重要。其他常用的催化剂，如四甲基氢氧化铵（TMAH）或氢氧化钾（KOH），含有水分残留，会促进副反应的发生，因此会得到分子量相近的双官能、单官能和非官能聚二甲基硅氧烷（PDMS）链的混合物。44此外，如果使用TMAH，反应需要 &gt;48 小时完成，且并不总是伴随单体完全消耗而进行44.
特别是，端基封端剂APTMDS的称量对于获得目标分子量的PDMS至关重要。例如，按照方案第2.1节所述，若合成PDMS时使用0.85 g APTMDS而非0.9 g，则理论分子量将约为 &gt;900 g·mol-1此外，理论分子量取决于转化情况。如果环状副产物未被显著去除 通过 减压蒸馏，将获得较高的转化率。例如，采用相同的合成步骤（如方案第2.1节所述），计算得到90%的转化率时，理论上计算的分子量为910 g·mol-1 高于假定转化率为85%时的情况。通过滴定法测定聚硅氧烷分子量时出现的偏差，可能与将聚二甲基硅氧烷（PDMS）称量至烧瓶中的操作有关，尤其是在使用50 mL滴定管进行滴定时。与称量0.06 g聚硅氧烷相关的偏差可能导致计算出的分子量差异约为~650 g·mol⁻¹-1因此，建议使用半自动滴定仪。
通过引入苯基团可提高聚二甲基硅氧烷（PDMS）的折射率17,51卤代苯基团52，或含硫基团53尝试将苯基引入聚二甲基硅氧烷 通过 八苯基环四硅氧烷（D4pH如Yilgör、Riffle和McGrath所述54 在所采用的反应条件下未能成功，可能是因为庞大的环状骨架使得所用催化剂在选定的反应温度下无法断裂硅氧烷键。D4pH 若使用 KOH 且反应温度为 160 °C然而，所得到的聚硅氧烷分子量极高，可能含有大量非功能性杂质。此外，这些共聚物中催化剂KOH的去除并不简单，需要使用乙醇盐酸进行中和，随后通过水相萃取除去催化剂。然后，需将PDMS溶解于有机溶剂（如CH2Cl2，以分离水相和含有机PDMS相。最后，有机相应在MgSO₄上干燥4，随后通过旋转蒸发仪进行过滤和减压蒸馏54相比之下，本论文所述方法可立即去除催化剂 通过 热分解。因此，不使用固体单体 D4pH，通过液体单体D与PDMS主链的共聚反应，成功将苯基引入PDMS主链4Me,Ph，经证实 29Si-NMR波谱法50.
合成的 PSU 弹性体表现出 0.6–5.5 MPa 的杨氏模量（YM），并具有高达 1,000% 的高延展性。如此高的延展性不仅与聚合物的嵌段结构有关，还与 PSU 弹性体的高分子量相关。<img alt="平均分子量符号 \( \overline{M}_n \)；聚合物化学方程分析" src="/files/ftp_upload/58590/58590eq1.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> &gt; 100,000 g·mol-1)48氨基与脂肪族异氰酸酯基团在室温下发生瞬时反应，导致分子量迅速增加。这一结果在溶剂中进行反应时得到了进一步证实，因为尽管黏度略有上升，但并未显著减缓反应速率，而若反应速率受到明显影响，则在接近平衡的化学计量比条件下会显著改变产物分子量。相比之下，当使用短链二醇（如1,4-丁二醇）作为扩链剂时，所得聚氨酯-脲弹性体不仅弹性较差，且机械稳定性显著下降，尤其是在采用高分子量PDMS进行合成的情况下。这一现象可能与弹性体分子量显著偏低有关（结果未发表），对应于在聚加成反应最后阶段异氰酸酯基团未能完全转化。此外，氨基与羟基对脂肪族二异氰酸酯的反应活性差异显著，这对所获得的结果产生了重大影响 体外 细胞毒性试验。由氨基扩链剂APTMDS制备的PSU弹性体的提取物对HaCaT细胞未表现出任何细胞毒性作用（图12然而，若使用基于硅氧烷的聚氨酯-脲弹性体的提取物，则细胞活力显著降低（结果未发表），这可能与低分子量的浸出物及残留的未反应异氰酸酯基团有关。
本方案描述了一种制备氨基功能化聚硅氧烷的便捷方法，所得产物可作为大分子二胺用于合成高分子量、柔软且具有弹性的聚硅氧烷-脲（PSU）弹性体。由于PSU的力学性能可根据聚二甲基硅氧烷（PDMS）的分子量进行调节，因此这些聚合物可应用于其他领域。此外，该氨基功能化聚硅氧烷的制备方法还可用于引入乙烯基等侧基 通过 带有侧链乙烯基的环状硅氧烷的共聚反应（结果未显示）。这可能开辟新的应用领域，包括制备柔软的交联聚硅氧烷凝胶（例如，通过氢化硅烷基硅油的铂催化硅氢化反应，或巯基功能化PDMS的紫外光引发硫醇-烯加成反应（结果未显示）。

老年性白内障影响60岁及以上人群，导致天然晶状体出现明显的混浊。这种与年龄相关的疾病可能由氧化改变引起，而紫外线照射会加速这一过程。1,2,3老年性白内障的传统治疗方法包括手术摘除混浊的晶状体，随后将人工眼内镜片（IOL）植入空的晶状体囊袋中 通过 一种注射系统2然而，大多数人工晶状体由丙烯酸类聚合物（疏水性和亲水性丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯聚合物）制成，其结构极为刚性，因此眼睛失去了对不同距离的调节能力。2,4因此，单焦点人工晶状体植入患者在近视力方面依赖于眼镜例如，例如阅读报纸或书籍时5.
已有多种方法被报道用于恢复白内障手术后的调节能力。在这些方法中，可区分出两种主要策略：通过注射液体或凝胶状聚合物来填充空的晶状体囊，以及开发柔软、可折叠的人工晶状体（a-IOLs）6,7,8。其中，“&#34;晶状体囊填充&#34;”这一概念具有前景，因为所制备的凝胶其杨氏模量可低至接近天然人眼晶状体的水平（ca. 1 - 2 kPa）9；然而，该方法目前仍处于实验阶段8，相关研究仅在动物眼球上进行。
通过植入可膨胀的硅胶球囊来重新填充晶状体囊10 填充液态硅胶或直接注射硅胶11,12 随后在胶囊中固化 通过 氢硅化反应。然而，已观察到与球囊表面皱褶、与术前状态相比适应幅度较低，以及严重继发性白内障（前囊和后囊混浊）形成相关的问题7,8,12,13特别是，较长的固化时间（70 分钟至 12 小时）会增加渗漏至周围眼部腔室的风险，从而导致术后炎症10,14因此，建议使用其他材料替代晶状体，包括基于二丙烯酸聚乙二醇、丙烯酸酯修饰的乙烯醇（N-乙烯基吡咯烷酮）共聚物的水凝胶15甲基丙烯酸酯修饰的聚硅氧烷16,17泊洛沙姆18以及二异氰酸酯交联的多元醇9。然而，单体的黏度（即注射后凝胶膨胀及交联问题、折射率过低或过高、机械稳定性与完整性不足、术后屈光度不可预测、调节范围小以及后发性白内障形成是主要问题6,7,8,9,15,18临床上，主要通过开发可折叠的人工晶状体（a-IOLs）来恢复眼的调节能力。这类a-IOLs应通过人工晶状体光学部向晶状体囊前方的移动来实现调节功能。 通过 睫状肌的收缩。市场上已先后于1996年、2001年和2002年推出了多种模型。7,8然而，在临床研究中，植入人工晶状体（a-IOL）的受试者所测得的调节幅度极低（≤ 1.5 D），无法满足无需矫正即可阅读所需的调节需求（3 - 4 D）。6,7,8,19,20因此，一种由两个连接光学元件组成的有晶状体眼人工晶状体（双光学元件IOL）正在被开发，以增加调节范围6,21仅有一种晶状体的设计在人眼中的调节性能方面得到了研究，但已有相互矛盾的结果被报道22,23,24,25.
通常，硅橡胶被认为具有生物惰性和无毒性，因此在医学和医学工程领域作为生物相容性材料已有长期应用历史（例如，用于乳房假体、颅面假体、关节假体、伤口敷料、导管、引流管和分流管26,27由于其柔软性、透明性以及高透氧性，硅酮弹性体也被用于制造隐形眼镜和人工晶状体2,28,29然而，硅酮必须通过共价交联，并且通常需要添加增强填料以获得足够的机械强度。交联的缺点在于其会阻碍&#160;随后通过热塑性方法对弹性体进行加工（例如，注塑成型）或通过溶液加工（例如溶剂浇铸）。相比之下，热塑性聚氨酯具有良好的机械稳定性，但在生物环境中易发生降解，特别是当使用聚酯或聚醚类大分子二醇时。因此，目前的研究重点在于将含羟基或氨基的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为软段引入聚氨酯、聚氨酯脲和聚脲中，以兼具柔韧性、水解或氧化稳定性以及优异的机械性能27为了增强极性聚氨酯或脲硬段与高度非极性的PDMS软段之间的相容性，并改善材料的力学性能，将不同聚醚类大分子二醇与PDMS共同引入体系中30,31,32特别是Thilak Gunatillake团队系统地研究了硅酮型聚氨酯的开发，以改善其生物稳定性和机械性能，用于起搏器绝缘或人工心脏瓣膜等长期生物医学应用33他们合成了具有混合软段的芳香族聚氨酯，软段包括羟基封端的PDMS、不同的聚醚以及脂肪族聚碳酸酯二醇。在所有合成的聚氨酯中，聚己亚甲基氧化物（PHMO）与PDMS的组合在硬段相容性方面表现出最佳的机械性能30在后续研究中，他们进一步考察了PDMS与PHMO的比例以及引入基于二硅氧烷的扩链剂对硅酮聚氨酯机械性能的影响。34,35,36结果表明，采用80 wt% PDMS和20 wt% PHMO组成的宏观二醇，并添加如1,3-双(4-羟丁基)-四甲基二硅氧烷（BHTD）等共链延伸剂，可制得具有优良机械性能和热塑性加工性能的较软聚氨酯。此外，与常用的软质聚醚型聚氨酯相比，这类硅氧烷-聚氨酯表现出更优的生物稳定性。37,38,39.
类似材料的生物相容性、稳定性及其在心血管领域的应用已有报道40,41,42。基于这些研究结果，采用二硅氧烷基链延伸剂的硅酮基聚脲弹性体（或称PSUs）被认为具有高柔韧性和柔软性，同时具备足够的机械强度，可在反复施加应力后仍保持其形状。例如，Hermans et al. 构建了一种基于聚氨酯的双光区人工晶状体实验原型，因为此前用于硅酮材料制造的设计在处理去核猪眼内的载荷时过于柔软43。
本文描述了一种基于有机硅氧烷的软性PSU的合成方法，该材料的力学和光学性能已针对可调节人工晶状体（IOL）的应用进行了优化。由于PSU弹性体的力学性能可通过有机硅氧烷的分子量进行调节，因此相同的方法也可用于开发其他有机硅氧烷基PSU，这些材料可能在涂层和皮肤敷料领域具有应用前景。此外，若使用羟基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS），该方法还可用于制备有机硅氧烷基聚氨酯或聚氨酯-脲弹性体。根据所用二异氰酸酯（即脂肪族或芳香族）类型的不同，反应条件（包括时间、温度以及可能的溶剂组成）可能需要相应调整。当使用脂肪族二异氰酸酯（如4,4'-亚甲基双(环己基异氰酸酯)（H12MDI）或异佛尔酮二异氰酸酯）时，需使用有机锡催化剂（如二月桂酸二丁基锡或乙酸氧基四丁基二锡氧烷）来加速反应。例如，在催化剂存在下，羟丙基封端的PDMS与H12MDI之间的反应可顺利进行，且反应温度需升高至50–60 °C。当使用芳香族二异氰酸酯（如4,4'-亚甲基双(苯基异氰酸酯)（MDI））时，由于芳香族二异氰酸酯通常比脂肪族二异氰酸酯对亲核基团更具反应活性，因此反应温度需适度但充分地提高。MDI与羟基封端PDMS的反应可通过使用无水四氢呋喃（THF）与二甲基甲酰胺（DMF）或二甲基乙酰胺（DMAc）的混合溶剂来促进，因为叔胺类物质表现出一定的催化活性。

<table><tbody><tr><td>八甲基环四硅氧烷 (D4)，97%</td><td>ABCR GmbH</td><td>AB111277</td><td>可能损害生育能力，使用前必须脱气&lt;br/&gt; &lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;556-67-2&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>1,3-双(3-氨丙基)-四甲基二硅氧烷，97%</td><td>ABCR GmbH</td><td>110832</td><td>对空气敏感，必须在氮气下储存&lt;br/&gt; &lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;2469-55-8&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四苯基环四硅氧烷&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>40094</td><td>工业级&lt;br/&gt; &lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;77-63-4&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>五水合四甲基氢氧化铵</td><td>Alfa Aesar</td><td>L09658</td><td>吞咽及皮肤接触有毒，强碱性，对空气敏感，易吸湿，需冷藏并在氮气下储存&lt;br/&gt; &lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;10424-65-4&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>4,4&amp;cent;-亚甲基双(环己基异氰酸酯) (H12MDI)</td><td>Covestro via CSC J&amp;auml;kle Chemie GmbH &amp; Co. KG</td><td></td><td>吸入有毒，对皮肤和眼睛有刺激性&lt;br/&gt; &lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;5124-30-1&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>四氢呋喃（无水），99.8%</td><td>Alfa Aesar</td><td>44608</td><td>以BHT稳定&lt;br/&gt; &lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;109-99-9&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>氯仿，99%</td><td>Gr&amp;uuml;ssing GmbH Analytica</td><td>1025125000</td><td>以乙醇稳定，可能具有致癌性，可能损害生育能力并导致胎儿损伤&lt;br/&gt; &lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;67-66-3&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>氘代氯仿，99.8%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>151823</td><td>&lt;strong&gt;CAS&lt;/strong&gt;:&amp;nbsp;865-49-6&lt;br/&gt; </td></tr><tr><td>杜尔贝科改良伊格尔培养基（DMEM）高糖</td><td>Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH</td><td>41965-039</td><td></td></tr><tr><td>胎牛血清（FBS）</td><td>Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH</td><td>A3160801</td><td></td></tr><tr><td>胰蛋白酶/EDTA，0.25% 酚红</td><td>Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH</td><td>25200056</td><td></td></tr><tr><td>Cell Titer Aqueous One Solution 细胞增殖检测试剂（MTS）</td><td>Promega GmbH</td><td>G3580</td><td></td></tr><tr><td>HaCaT 细胞</td><td>CLS Cell Lines Service GmbH</td><td>300493</td><td></td></tr><tr><td>BioComFold&amp;nbsp;</td><td>Morcher GmbH</td><td></td><td>可折叠调节型人工晶状体</td></tr><tr><td>Accommodative 1CU</td><td>Human Optics AG</td><td></td><td>可折叠调节型人工晶状体</td></tr><tr><td>CrystaLens&amp;nbsp;</td><td>Bausch and Lomb Inc.</td><td></td><td>可折叠调节型人工晶状体</td></tr><tr><td>Silmer OH-Di10</td><td>Siltech Corp.</td><td></td><td>羟基封端聚二甲基硅氧烷</td></tr><tr><td>Synchrony&amp;nbsp;</td><td>Visiogen Inc.</td><td></td><td>双光学元件可折叠调节型人工晶状体</td></tr><tr><td>Elast-Eon</td><td>AorTech International plc</td><td></td><td>用于医疗应用的热塑性PDMS-PHMO基聚氨酯</td></tr><tr><td>Pellethane 2363-80A</td><td>Lubrizol Life Sciences</td><td></td><td>用于医疗应用的热塑性聚醚基聚氨酯</td></tr><tr><td>Zwick 81565 型万能拉力试验机及 testXpert II 软件</td><td>Zwick GmbH &amp; Co. KG</td><td></td><td>拉力试验机</td></tr><tr><td>CASY</td><td>Roche Innovatis AG</td><td></td><td>细胞计数系统</td></tr><tr><td>Multisizer</td><td>Beckman Coulter Life Sciences</td><td></td><td>细胞计数系统</td></tr></tbody></table>

用于人工晶状体的软质聚硅氧烷-脲弹性体的合成

Synthesis of Soft Polysiloxane-urea Elastomers for Intraocular Lens Application

本研究探讨了一种用于可调节人工晶状体（a-IOLs）的软质聚硅氧烷基脲（PSU）弹性体的合成路线。此前已制备了氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。 通过 环状硅氧烷八甲基环四硅氧烷（D₄）的环-链平衡4）和1,3-双(3-氨基丙基)-四甲基二硅氧烷（APTMDS）。苯基被引入到硅氧烷主链中 通过 D的共聚反应4 以及2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四苯基环四硅氧烷（D4Me,Ph）。这些聚二甲基-甲基-苯基硅氧烷嵌段共聚物的合成旨在提高聚硅氧烷的折射率。作为人工晶状体（a-IOL）的应用，聚硅氧烷的折射率必须与人年轻晶状体的折射率相当。聚硅氧烷的分子量通过环状硅氧烷与封端剂APTMDS的摩尔比进行调控。PSU弹性体的透明性通过紫外-可见分光光度计在200至750 nm波长范围内对薄膜的透光率进行测定来评估。在750 nm（可见光谱的上限）处的透光率数值被绘制为PDMS分子量的函数， &#62; 在分子量达到 18,000 g·mol 之前，可观察到 90% 的透射率−1采用冲压成型的哑铃形试样进行应力-应变测试，以研究PSU弹性体的力学性能。为评估其力学稳定性，通过循环拉伸（10次）试样至5%和100%的应变来测定力学滞后性。随着PDMS分子量的增加，滞后性显著降低。 体外 采用 MTS 细胞活力检测法评估部分选定 PSU 弹性体的细胞毒性。本文所述方法可用于合成一种柔软、透明且无细胞毒性的 PSU 弹性体，其折射率约等于年轻人体晶状体的折射率。

D的环链平衡4 和 D4Me,Ph 分别使用端基阻断剂APTMDS制备了氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷和聚二甲基-甲基-苯基硅氧烷共聚物，其分子量介于3,000至33,000 g·mol之间-1 通过调整D单体之间的比例4 以及 APTMDS（图6）。分子量 <img alt="平均分子量符号 \( \overline{M}_n \)；聚合物化学方程分析" src="/files/ftp_upload/58590/58590eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 预处理PDMS的参数，由以下方法确定 1H-NMR 谱图（图 5），与滴定法获得的数值相似。这些数值与理论计算的分子量（最高达15,000 g·mol）相符-1在制备较高分子量的PDMS过程中，所得分子量略高于理论计算值。含侧链苯基的环状硅氧烷D的共聚反应4Me,Ph 被认定为在略微提高聚硅氧烷折射率方面是成功的。折射率（使用阿贝折射仪测定，于 37 °C）从1.401（未改性PDMS）增加到1.4356（14 mol% 甲基-苯基-硅氧烷）（图7PSU 弹性体采用制备的氨丙基封端 PDMS 和脂肪族二异氰酸酯 H 分两步合成12MDI 和 APTMDS，以 THF 为溶剂。该方法实现了具有软段（PDMS）和硬段（二异氰酸酯 + 脲）交替结构的高分子量 PSU 的构建。在线 FTIR 光谱证实了异氰酸酯基团与来自 PDMS 及链延伸剂 APTMDS 的氨基之间的反应极为迅速。图3 和 图8）。与聚氨酯弹性体的制备需要数小时不同，PSU弹性体的制备更为便捷。PSU弹性体的透明性和力学性能取决于PDMS的分子量。透明的PSU弹性体薄膜表现出的透光率为 &gt;90%，聚二甲基硅氧烷分子量最高达18,000 g·mol-1。随着PDMS分子量的升高，PSU薄膜变得越来越不透明（图9随着PDMS分子量的增加，可制备出较软的PSU弹性体。PSU弹性体的杨氏模量从约5.5 MPa（PDMS分子量为3,000 g·mol⁻¹时）降低-1) 至 0.6 MPa（使用分子量 ≥26,000 g·mol 的 PDMS）-1) (图10此外，当PSU弹性体由高分子量PDMS制备时，其在反复施加应力下的机械稳定性评估指标——机械滞后现象有所降低。在100%应变条件下，第一个循环的滞后值从PDMS分子量为3,000 g·mol时的54%下降。-1）至6%（PDMS分子量为33,000 g·mol⁻¹）-1) (图11所采用的合成方法能够制备出不释放细胞毒性残留物的PSU弹性体，这一点已在针对部分选定PSU弹性体提取物对HaCaT细胞进行的细胞活力测试中得到证实（图12).
<img alt="化学合成反应，TMAH 与 APTMDS 生成四甲基铵硅醇盐，示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 1"> 
图 1：四甲基铵-3-氨基丙基-二甲基硅醇盐催化剂的合成。 
五水合四甲基氢氧化铵（TMAH）与1,3-双(3-氨基丙基)-四甲基二硅氧烷（APTMDS）在 THF 中于 80 °C 反应 2 小时。将粗产物用 THF 洗涤后，得到白色固体状的催化剂四甲基铵-3-氨基丙基-二甲基硅醇盐。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="聚硅氧烷的化学合成，APTMDS 与催化剂反应形成大环结构。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS）及聚二甲基-甲基-苯基硅氧烷共聚物的合成路线。 在80 °C下，使用四甲基铵-3-氨基丙基-二甲基硅醇盐催化剂，将环状单体 D4/D4Me,Ph 与二硅氧烷封端剂 APTMDS 进行24小时的平衡反应。该图已根据 Riehle et al.48 修改。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="聚合物合成过程；化学反应方程式；示意图；通过H12MDI和APTMDS链扩展制备预聚物；硬段-软段结构" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3：分段式聚硅氧烷基脲弹性体（PSU）的两步合成法 第一步中，含有活性异氰酸酯基团的预聚物在H反应后形成12MDI 与氨基丙基封端的聚硅氧烷（R = CH3：PDMS；R = Ph；共聚物）。在第二步中，聚合物的分子量被提高 通过 剩余的活性异氰酸酯基团与扩链剂APTMDS的反应。所得弹性体是一种嵌段聚合物，包含脲键硬段和硅氧烷软段。该图已根据Riehle修改 等48. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="拉伸试样尺寸示意图、静力平衡、力学测试装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图4"> 
图4：用于应力-应变测试的狗骨状试样规格。 本图改编自Keiper45。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="通过显示指示分子环境的峰来分析化学结构的核磁共振波谱图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
图 5：1H-NMR 谱图分析氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷。 在分子量计算中，使用了亚甲基质子 d（δ 2.69 ppm）和 b（δ 0.56 ppm）以及甲基质子 a（δ ~ 0.07 ppm）的积分值。峰 c（δ ~1.5 ppm）与HDO峰重叠49，该峰对应于痕量水与溶剂CDCl3之间的质子交换；因此，该峰不用于分子量的计算。本谱图中PDMS的分子量约为 16,365 g·mol-1。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="聚合物分析图；Mn PDMS 与 1/APTMDS 的关系；包含核磁共振（NMR）、理论计算和滴定数据；R²=0.9964。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6：分子量之间的线性相关性 <img alt="聚合物科学研究中的数均摩尔质量（M̄n）公式符号，用于教学的示意图" src="/files/ftp_upload/58590/58590eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 6"> 氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷及封端剂浓度。 <img alt="平均分子量符号 \( \overline{M}_n \)；聚合物化学方程分析" src="/files/ftp_upload/58590/58590eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 数值已确定 通过 1核磁共振氢谱（H-NMR）分析、氨基端基滴定法，以及根据公式（1）进行的理论计算。该图经Riehle许可转载 等48. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="折射率与PDMS中甲基-苯基-硅氧烷含量的关系图，20°C和37°C下的温度效应。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
图7：氨基丙基封端的聚二甲基-甲基-苯基-硅氧烷共聚物的折射率。 使用阿贝折射仪测定了聚二甲基-甲基-苯基-硅氧烷共聚物在20 °C（黑色方块）和37 °C（红色圆圈）下的折射率（RI）。RI值随着引入的甲基-苯基-硅氧烷单元含量的增加而线性上升。0 mol%时的RI值对应于未改性的PDMS，其分子量与聚二甲基-甲基-苯基-硅氧烷共聚物相当。当甲基-苯基-硅氧烷含量为14 mol%时，共聚物在37 °C下获得最优RI值1.4346。本图经Riehle et al.48许可转载。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示光谱拟合分析结果的三维瞬态吸收光谱图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图8"> 
图8：聚二甲基硅氧烷-脲（PSU）合成过程中异氰酸酯基团的转化情况。 该图显示了在PSU合成过程中，通过在线傅里叶变换红外-衰减全反射（FTIR-ATR）光谱法监测到的2,266 cm1处NCO吸收峰随时间变化的趋势。加入氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷后，NCO峰强度下降，表明生成了NCO封端的预聚物链。随后加入扩链剂APTMDS后，红外光谱中NCO峰完全消失。本图经Riehle et al.50许可转载。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig8large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="750 nm 处透射率与 Mn_PDMS 的关系图，显示聚合物的光学特性。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图9"> 
图9：PSU弹性体薄膜在750 nm处的透光率与聚二甲基硅氧烷分子量的关系。 通过紫外-可见光谱法测定PSU薄膜的透光率。PSU在750 nm（可见光谱的上限）处的透光率 &gt;90%的PSUs是使用分子量在3,000至18,000 g·mol之间的PDMS合成的-1随着PDMS分子量的增加，薄膜的不透明度也随之提高。本图已获Riehle许可转载。 等48. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig9large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="杨氏模量与PDMS摩尔质量关系图、弹性分析、带误差棒的数据点" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图10"> 
图10：聚二甲基硅氧烷分子量对PSU弹性体杨氏模量的影响。 杨氏模量（YM）通过 PSU 薄膜的应力-应变测量确定。数值表示为五次重复测量所得的平均值，误差棒代表标准偏差。对于由分子量在 3,000 至 9,000 g·mol 范围内的 PDMS 合成的 PSU，观察到 YM 下降最为显著。-1在PDMS分子量介于12,000至18,000 g·mol之间时-1，杨氏模量值介于1.5 MPa至1.0 MPa之间。当分子量大于26,000 g·mol时-1，YM 值约为 0.6 MPa。该图已获 Riehle 许可转载 等48. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig10large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="PSU样品的应力-应变曲线；力学性能分析；聚合物测试结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图11"> 
图11：PSU弹性体的100%滞后回线。 显示了PSU弹性体在100%拉伸应变下的首个循环滞后回线。聚合物标记法表示PDMS的分子量（例如，PSU-3T是由分子量为3,000 g·mol-1的PDMS制备的聚脲弹性体）。由低分子量PDMS合成的PSU弹性体表现出最高的力学滞后性（43%–54%），如显著的滞后回线所示。随着PDMS分子量从15,000 g·mol-1（滞后性14%）增加到33,000 g·mol-1（滞后性6%），滞后性降低。本图经Riehle等48许可转载。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig11large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="不同材料对细胞增殖（%）影响的柱状图比较：空白组、Pellethane、PSU 变体" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58590/58590fig12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图12"> 
图12：结果 体外 PSU提取物处理HaCaT细胞的细胞毒性试验 该图显示了用 PSU 弹性体的细胞培养基提取物处理的 HaCaT 细胞的增殖情况。数据表示每种样品三个提取物的平均值，每个提取物重复测量六次（共 18 个重复）。误差线表示这些测量值的标准偏差。空白组为细胞培养基 DMEM（不含样品），其处理方式与用于提取的细胞培养基相同。选用医用级聚醚型聚氨酯作为参照材料。以 PDMS 为基础、分子量分别为 18,000 和 16,000 g·mol 的硅基聚脲弹性体（PSU-18T、PSU-16T 和 PSU-14Ph）被选为典型的测试样品。-1 （PSU-18T 和 PSU-16T），而 PSU-14Ph 则基于一种聚二甲基-甲基-苯基-硅氧烷共聚物，其中甲基-苯基-硅氧烷含量为 14 mol%，分子量约为 16,600 g·mol⁻¹-1HaCaT细胞经PSU弹性体提取物及参比聚氨酯处理后，平均增殖率均达到或超过100%。因此，PSU弹性体提取物及参比聚氨酯无细胞毒性。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58590/58590fig12large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

本研究描述了氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷和聚二甲基-甲基-苯基硅氧烷-嵌段共聚物的合成路线，以及基于软质聚硅氧烷的脲（PSU）弹性体的制备方法。文中介绍了PSU作为可调节人工晶状体的应用，并提出一种评估方法 体外 细胞毒性也进行了描述。

本研究讨论了一种用于可调节人工晶状体的软质聚硅氧烷基脲（PSU）弹性体的合成路线……

本视频展示的方法提供了一种便捷的途径，用于合成氨基封端的聚硅氧烷以及适用于可调节人工晶状体的柔性聚硅氧烷基聚脲。这些技术的主要优势在于，聚合物的合成与分析均可依据标准方法简便进行，无需任何复杂的实验装置。该技术的应用前景涉及白内障治疗领域，因为目前市面上大多数人工晶状体材料采用丙烯酸类聚合物，其刚性过强，难以实现足够的调节功能。尽管该方法经过优化以制备具有极软特性和极高透明度的材料，但也可轻松调整以制备具有完全不同性能特征的材料，例如可用作涂层的材料。方法的可视化演示至关重要，因为某些合成和分析步骤难以用文字描述，其中包含对成功实施至关重要的实验细节。首先，将19.5克脱气D4和0.9克APTMDS加入一个100毫升三颈圆底烧瓶中，烧瓶配备聚四氟乙烯（PTFE）涂层的离心搅拌子以及氮气进气口和出气口。加入约26毫克预先制备的催化剂，在持续通入氮气的条件下，于80摄氏度搅拌反应混合物30分钟。使用滴液漏斗在两到三小时内将45.5克D4逐滴加入反应混合物中，然后在持续通入氮气的条件下，于80摄氏度继续搅拌24小时。随后，将离心搅拌器更换为较大的椭圆形磁力搅拌子，并用两个玻璃塞密封三口圆底烧瓶。使用带有阀门的适配器，在0.1毫巴的真空条件下，通过施伦克线将聚二甲基硅氧烷（PDMS）缓慢加热至150摄氏度，以蒸馏除去环状副产物。接着，将1.5至2克聚硅氧烷加入含有磁力搅拌子的250毫升锥形瓶中，并在持续搅拌下用50毫升四氢呋喃（THF）溶解聚硅氧烷。使用溴酚蓝作为指示剂，以0.1摩尔盐酸滴定氨基，直至溶液颜色由蓝色变为黄色为止。重复滴定三个样品以计算数均分子量。将 2.939 克 H12 MDI 加入装有离心搅拌器、滴液漏斗以及氮气进出口的 250 毫升四颈圆底反应瓶中。用 40 至 50 毫升 THF 溶解 H12 MDI。接下来，将45克脱气的PDMS溶解于100毫升THF中，置于烧杯内。通过滴液漏斗，在持续搅拌及室温下通入氮气的条件下，将PDMS溶液逐滴加入H12 MDI溶液中。然后用50毫升THF冲洗烧杯和滴液漏斗，并将此洗涤液加入反应混合器中。向预聚物溶液中分批加入化学计量量的扩链剂 APTMDS。首先，将计算所得化学计量量的 80% 溶解态扩链剂 APTMDS 加入反应混合物中。随后将剩余部分的扩链剂加入反应混合物，并通过 FTIR 谱图检测异氰酸酯吸收峰的消失情况。为了获得具有高分子量且无细胞毒性的聚硅氧烷基聚脲弹性体，精确称量最后一部分链延伸剂并以平衡的化学计量比将其加入聚合物溶液中至关重要。将所得的聚硅氧烷基脲（PSU）溶液倒入覆盖有聚四氟乙烯（PTFE）薄膜的玻璃培养皿中，并在通风橱内过夜蒸发溶剂。取七至八克小块PSU材料与200至250毫升氯仿加入250至300毫升的锥形瓶中混合。加入磁力搅拌子，用玻璃塞松松地封住烧瓶，搅拌混合物至少24小时。次日，将均一溶液倒入玻璃培养皿中，并用带孔的铝箔覆盖。确保培养皿置于通风良好的区域，以使溶剂充分挥发。干燥薄膜后，使用小型薄刮刀小心地将其从培养皿的玻璃表面取下，并存放在透明信封中以进行力学性能表征。为制备冲切成狗骨形状的PSU薄膜试样，将薄膜置于冲切刀具下方，下压手柄以冲出测试样品，并在环境温度下存放至少72小时后再使用。接下来，打开拉伸试验机的电源按钮，并在软件主窗口中点击“回到起始位置”按钮。取下透明外包装后，在交叉偏振器下检查测试样品，以排除任何内部应力。使用卡尺测量测试样品的厚度和宽度。然后将厚度和宽度的数值输入到软件主窗口中对应的字段内。现在将测试样品固定在试验机的上部夹具之间。点击软件主窗口中的“归零力”按钮。然后将测试样品的底端固定在试验机的下部夹具之间。单击开始测量按钮，以启动滞后测量。对于拉伸试验，重复之前的步骤。将先前灭菌的PSU样品和0.7克Pellethane作为参比物加入15毫升锥形离心管中。以0.1克/毫升的浸提比例，用不含FBS的DMEM在37摄氏度、5%二氧化碳条件下浸提72±2小时。通过向50毫升锥形离心管中加入不含FBS的DMEM制备盲样，并进行相同的浸提操作。接下来，将每种PSU提取物各200微升加入含有HaCat细胞的96孔微孔板的六个孔中。随后，将200微升的盲样加入另外六个孔中。对于阴性对照，向六个孔中各加入200微升新鲜的含10%胎牛血清（FBS）的DMEM培养基。对于阳性对照，向六个孔中每孔加入200微升添加了10%胎牛血清和1%十二烷基硫酸钠的DMEM培养基。在37摄氏度、5%二氧化碳条件下培养细胞24小时后，移除提取液、盲样和对照样品。然后向包括六个无细胞孔在内的每个孔中加入120微升预先配制的MTS储存液，以测定背景值。将细胞在 MTS 溶液中孵育 4 小时后，使用酶标仪在 492 纳米处测定每个孔的吸光度。D4 和甲基苯基 D4 与 APTMDS 的环链平衡反应分别生成了氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷和聚二甲基甲基苯基硅氧烷共聚物。氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷的分子量介于 3,000 至 33,000 之间。成功实现了带有侧链苯基的环状硅氧烷甲基苯基D4的共聚，折射率从1.401提高至1.4356。对PSU弹性体进行的在线FTIR光谱分析证实，异氰酸酯基团与PDMS及APTMDS中的氨基基团反应极为迅速。透明的PSU弹性体薄膜在MDS分子量达到18,000时，透光率仍超过90%。随着PDMS分子量的增加，PSU薄膜变得越来越不透明。随着PDMS分子量的增加，可制备出柔软的PSU弹性体。PSU弹性体的杨氏模量从5.5降至0.6兆帕。当PSU弹性体由高分子量PDMS制备时，其力学滞后现象减少。在100%应变下的第一循环中，滞后值从54%降至6%。所采用的合成方法使得制备不释放细胞毒性残留物的PSU弹性体成为可能，这一点已在使用PSU弹性体提取物对HaCat细胞进行的细胞活力测试中得到证实。在合成氨基封端聚硅氧烷时，准确称量计算量的硅烷类物质至关重要，因为这在很大程度上决定了聚硅氧烷的最终分子量。通过该方法，可制备含有不同侧链基团（如硅烷）的聚脲或聚硅氧烷。硅烷具有形成交联材料的优势。这类交联材料将开拓新的潜在应用，例如载药释放敷料、生物功能化材料或软凝胶。请注意，使用异氰酸酯和四甲基氢氧化铵可能存在危险，因此在进行本实验操作时，必须采取适当的安全防护措施，例如佩戴护目镜和手套。

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软聚聚硅氧烷-尿素弹性体在人工晶体中的应用

当两种相邻的流体通过带有沟槽的微流控通道时，可被引导形成包裹预聚物核心的鞘层，从而 决定微纤维的形状和横截面。光引发聚合反应（如硫醇点击化学反应）非常适合将核心流体快速固化为具有预定尺寸和形状的微纤维。...

预设计尺寸与形状的聚合物及生物杂化纤维的微流控制备

我们提出一种制备完全由同一种基础材料——聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）构成的Janus微凝胶的方案，其结构具有明显的区室化特征，基于过饱和NIPAAm单体溶液的相分离形成。所合成的Janus微凝胶表现出独特的性质，如各向异性的热响应性以及亲油/亲水性负载能力。...

合成具有各向异性热响应性及亲油/亲水负载能力的聚(N-异丙基丙烯酰胺) Janus 微凝胶

微流控双乳液的生成通常涉及具有图案化润湿性的装置或定制制造的玻璃部件。本文介绍了一种全聚二甲基硅氧烷（PDMS）双乳液发生器的制备与测试方法，该发生器无需表面处理或复杂的制造工艺，能够生成低至14...

使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）同轴流动聚焦装置生成双重乳液

本文介绍了一种利用市售起始单体合成和编程主链型液晶弹性体的新方法。通过调节交联剂的用量，可定制一系列不同的热机械性能，而驱动性能则取决于编程过程中施加的应变程度。...

使用两步硫醇-丙烯酸酯反应合成可编程主链型液晶弹性体

我们展示了基于硅氧烷和环氧树脂的液晶弹性体（LCE）及LCE纳米复合材料的制备方法。对这些LCE材料的可逆应变、液晶有序性以及刚度进行了表征。作为潜在应用，我们演示了其在定制的活性细胞培养装置中作为形状响应性基底的使用。...

单畴液晶弹性体及液晶弹性体纳米复合材料的制备

当前 体外 用于评估接触镜（CLs）及其他眼部相关应用的模型严重受限。本研究所提出的ocular平台可模拟生理泪液流动、泪液体积、空气暴露以及机械磨损。该系统具有高度通用性，可应用于多种 体外...

一种的开发 体外 用于测试隐形眼镜的眼部平台

本文介绍了一种用于制备具有不同杨氏模量或厚度的聚合物薄膜复合结构的制造工艺。所制备的薄膜可用于高级细胞培养研究或作为皮肤粘合剂。...

用于细胞培养和皮肤应用的薄膜复合硅胶弹性体：制造与表征

在此，我们介绍一种通过炉内重力牵引法制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅胶长丝的方案。该长丝直径约为数百微米，长度可达数十厘米，并具有疏水性图案化特性。 通过...

拉制与疏水性图案化长聚二甲基硅氧烷硅胶细丝

本方案通过引入硅油作为聚二甲基硅氧烷（PDMS）双铸法中PDMS层间的非粘附性屏障，改进了脱模过程。与等离子体处理或化学表面修饰方法不同，该方法无需使用专用或昂贵设备，因此是一种更易实现且成本更低的替代方案。...

通过硅油处理改进聚二甲基硅氧烷（PDMS）双铸法用于密集微结构复制

本方案介绍了一种通过在硅烷涂层的纳米多孔表面上进行连续的数字图案化和接枝反应，光诱导制备滑润三维结构的方法。该方法可实现滑润区域的空间可控形成，从而实现图案化的液体排斥性，并对界面滑润性进行定量分析，在流体操控和表面工程领域具有应用价值。...

基于硅烷涂层纳米多孔结构的光诱导图案化与接枝制备润滑表面

了解软聚硅氧烷-尿素弹性体的合成方法及其在人工晶体中的应用。本研究展示了氨基丙基封端聚硅氧烷的制备流程，并评估了材料的高透明度、柔软特性及无细胞毒性，为白内障治疗提供了新型生物医用材料方案。

用于人工晶状体的软质聚硅氧烷-脲弹性体的合成

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