用于人工晶状体的软质聚硅氧烷-脲弹性体的合成

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。