Waiting
Login-Verarbeitung ...

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

Chemistry

Syntese af blød Polysiloxane-urea elastomerer intraokulær linse anvendelse

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

Denne undersøgelse beskriver syntetiske ruter for aminopropyl-afsluttet polydimethylsiloxanes og polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-blok copolymerer og blød polysiloxane-baseret urinstof (PSU) elastomerer. Det præsenterer anvendelsen af primærenheder som imødekommende en intraokulær linse. En evalueringsmetode til i vitro celletoksicitet er også beskrevet.

Abstract

Denne undersøgelse beskriver en syntese rute for blød polysiloxane-baseret urinstof (PSU) elastomerer for deres programmer som imødekommende Intraokulære linser (a-IOLs). Aminopropyl-opsagt polydimethylsiloxanes (PDMS) blev tidligere tilberedt via ring-kæde ækvilibrering cyklisk siloxan octamethylcyclotetrasiloxane (D4) og 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Phenyl grupper blev indført i siloxan rygraden via copolymerization af D4 og 2,4,6,8-tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4mig, Ph). Disse polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-blok copolymerer blev syntetiseret for at øge de refraktive indeks af radikaler. For applikationer som en a-IOL skal brydningsindekset af radikaler svare til, af en ung menneskelige øje linse. Polysiloxane molekylvægt er kontrolleret af forholdet mellem den cykliske siloxan til endblocker APTMDS. Gennemsigtigheden af PSU elastomerer er undersøgt af transmittans måling af film mellem 200 og 750 nm, ved hjælp af en UV-Vis Spektrofotometer. Transmittans værdier ved 750 nm (øvre ende af det synlige spektrum) afbildes mod PDMS molekylvægt, og > 90% af transmittans er observeret indtil en molekylevægt på 18.000 g·mol1. Mekaniske egenskaber af PSU elastomerer undersøges ved hjælp af stress-strain forsøg på die-cut hund-ben-formede enheder. Til evaluering af mekaniske stabilitet, mekanisk hysterese måles ved gentagne udspænding (10 x) modellerne til 5% og 100% brudforlængelse. Hysterese falder betydeligt med stigningen i PDMS Molekylær vægt. In vitro celletoksicitet af nogle udvalgte PSU elastomerer evalueres ved hjælp af en MTS celle levedygtighed assay. De metoder, der beskrives heri tillade syntesen af en blød, transparent og noncytotoxic PSU elastomer med en cirka lig med den af en ung menneskelige øje linse brydningsindeks.

Introduction

Senil grå stær, der påvirker aldersgruppe af ≥ 60 år, fører til den avancerede mattering af den naturlige krystallinske linse. Denne alders-relaterede tilstand er sandsynligvis forårsaget af oxidative ændringer, der er fremskyndet af UV bestråling1,2,3. Konventionel behandling af senile cataract indebærer kirurgisk udvinding af cataractous linsen, efterfulgt af implantation af en kunstig intraokulær linse (IOL) i en tom linse kapsel via en indsprøjtning system2. Men et flertal af IOLs er fremstillet af akryl polymerer (hydrofobe og hydrofile acrylat eller methacrylat polymerer) med ekstremt stive strukturer; således, øjet mister sin evne til at rumme forskellige afstande2,4. Derfor, patienter med Monofokal IOL implantater er afhængige af briller til i nærheden af visionen (fx., mens du læser en avis eller en bog)5.

Forskellige tilgange til at genoprette muligheden for overnatning efter grå stær kirurgi er blevet rapporteret. Blandt disse tilgange, to vigtigste strategier kan skelnes: genpåfyldning tomme linsen kapslen ved at indsprøjte en flydende eller gel-lignende polymerer og udvikle bløde, foldbar a-IOLs6,7,8. Begrebet "linse genpåfyldning" er lovende, fordi geler kan tilberedes med Young's moduli så lavt som det naturlige menneskelige øje linse (ca. 1-2 kPa)9; men denne fremgangsmåde er stadig på forsøgsstadiet8, og undersøgelser udføres kun på dyrs øjne.

Linse kapsler har været genopfyldes ved implanterer oppustelige silikone balloner10 fyldt med flydende silikone eller ved direkte indsprøjtning silikone11,12 , blev senere helbredt i kapsel via hydrosilylation . Men spørgsmål relateret til overflade rynker på balloner, en lavere overnatning amplitude i forhold til den præoperative stat, og dannelsen af alvorlige sekundære grå stær (forreste og bageste kapsel mattering) har været noteret7, 8,12,13. Navnlig, forårsage længe hærdning gange (70 min - 12 h) en øget risiko for lækage i de omkringliggende øje rum, fører til postoperativ betændelse10,14. Derfor, andre materialer til at erstatte den krystallinske linse er anbefalet, herunder hydrogels baseret på polyethylen glycol diacrylate, acrylat-modificerede copolymerer af vinyl alkohol (N-vinylpyrrolidon)15, methylmethacrylat-modificeret radikaler16,17, poloxamer18, og diisocyanat-crosslinked polyalcohols9. Dog monomer viskositet (dvs., gel hævelse efter injektion og crosslinking), ekstremt lavt eller højt refraktivt indeks, mekanisk stabilitet og integritet, uforudsigelige postoperative refraktion, lav overnatning udvalg, og efter kataraktdannelse udgør den vigtigste spørgsmål6,7,8,9,15,18. Mulighed for overnatning gendannes kommercielt, hovedsagelig ved at udvikle foldbar en IOLs. Sådan en IOLs bør give overnatning ved bevægelse af IOL optik til den forreste site af den linse kapsel via sammentrækning af ciliaere musklen. Flere modeller er blevet indført i markedet i 1996, 2001 og 20027,8. Dog under kliniske undersøgelser lav anslået overnatning amplituder for disse indopereret en IOLs var meget (≤ 1,5 D) for at tillade blotte læsning (3-4 D)6,7,8,19 , 20. derfor en en IOL, bestående af to forbundne optik (dual-optisk IOL) udvikles for at øge Indkvarteringen spænder6,21. Design af kun én linse er blevet undersøgt for sin lempelig ydeevne i menneskets øjne, omend modstridende resultater har været rapporteret22,23,24,25.

Typisk, silikone elastomerer er anses for at være biologisk inaktivt og ugiftige; Derfor, silikone elastomerer har en lang tradition for at blive anvendt som biokompatible materialer i medicin og medicinsk teknik (f.eks.i brystimplantater, kraniofaciale implantater, fælles proteser, forbindinger, katetre, afløb og shunts) 26 , 27. på grund af deres blødhed, åbenhed og høj ilt permeabilitet, silikone elastomerer også finde programmer som kontaktlinser og IOLs2,28,29. Dog skal silikone være kovalent crosslinked og ofte kræver styrke fyldstoffer for at få tilstrækkelig mekanisk integritet. Crosslinking er ufordelagtige som det forbyder den efterfølgende behandling af elastomerer enten af termoplastisk metoder (f.eks., sprøjtestøbning) eller ved forarbejdning af løsninger (f.eks.opløsningsmidler støbning). Derimod termoplastisk polyurethaner udstille mekanisk stabilitet men er modtagelige for nedbrydning inden for det biologiske miljø, især hvis polyester - eller polyether-baserede macrodiols bruges. Derfor, bestræbelser på at kombinere fleksibilitet og hydrolytisk eller oxidativ stabilitet med gode mekaniske egenskaber er koncentreret om indarbejdelse af hydroxy - eller amino-funktionelle PDMS som bløde segmenter i polyurethaner, polyurethan-ureas, og polyurea27. At øge foreneligheden af den polar urethan eller urea hårdt segment med en meget upolære PDMS bløde segment og forbedre mekaniske egenskaber indgår forskellige polyether-baserede macrodiols sammen med PDMS30,31 ,32. Især har gruppen Thilak Gunatillake systematisk undersøgt udviklingen af silikone polyurethaner med forbedret biostability og mekaniske egenskaber for langsigtet biomedicinske programmer såsom pacemakere isolering eller kunstige hjerte ventiler33. De syntetiseret aromatiske polyurethaner med blandet soft segmenter bestående af hydroxyl-afsluttet PDMS samt forskellige polyethers og alifatiske polycarbonat dioler. Blandt alle de syntetiserede polyurethaner, kombinationen af polyhexamethylenbiguanid oxid (PHMO) og PDMS udstiller segmentere de bedste mekaniske egenskaber med hensyn til hårde kompatibilitet30. I efterfølgende undersøgelser, de yderligere undersøgt effekten af PDMS til PHMO ratio og indarbejdelse af en disiloxane-baserede kæde extender på de mekaniske egenskaber af silikone polyurethaner34,35, 36. Resultaterne viste, at et macrodiol sammensætning af 80 wt % PDMS og 20 wt % PHMO, ud over en fælles kæde extender, såsom 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), giver blødere polyurethaner med gode mekaniske egenskaber og termoplastisk processability. Desuden, disse silikone-polyurethaner udviser en forbedret biostability sammenlignet med et almindeligt anvendt bløde polyestersegmenter urethan37,38,39.

Biokompatibilitet og stabilitet af lignende materialer og deres brug for hjerte-kar-programmer har også været rapporteret40,41,42. Baseret på disse resultater, silikone-baserede polyurea elastomerer (eller PSU'er) med en disiloxane-baserede kæde extender er tænkt til at give høj fleksibilitet og blødhed, omend med tilstrækkelig mekanisk styrke, at beholde deres form efter anvendelse af gentagne stress. For eksempel, har Hermans et al. konstrueret en eksperimentel polyurethan-baseret dual-optisk a-IOL prototype fordi design, som tidligere blev brugt til en fabrikation ved hjælp af silikone, var yderst blød til at håndtere de anvendte belastninger inden for kerneløse gris øjne43.

Denne artikel beskriver syntesen af en blød siloxan-baserede PSU, som er optimeret med hensyn til mekaniske og optiske egenskaber for programmer som en imødekommende IOL. Som de mekaniske egenskaber af PSU elastomerer kan ændres af siloxan molekylvægt, kan samme procedure anvendes til at udvikle siloxan-baserede primærenheder, som kan finde programmer i belægninger og hud forbindinger. Denne procedure kan desuden bruges til at forberede siloxan-baseret polyurethan eller polyurethan-urea elastomerer hvis carbinol-afsluttet PDMS bruges. Afhængigt af den type diisocyanat (dvs., alifatiske eller aromatiske) brugt til syntese, skal reaktionsbetingelser (herunder tid, temperatur og måske opløsningsmiddel sammensætning) ændres. For anvendelsen af alifatiske diisocyanater såsom 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) eller isophorone diisocyanat, reaktionen har fremskyndes ved hjælp af en tin katalysator, såsom dibutyltin dilaurate eller diacetoxytetrabutyl distannoxane. For eksempel, provenuet reaktion mellem et hydroxypropyl-afsluttet PDMS og H12MDI i tilstedeværelse af en katalysator. Derudover skal reaktion temperatur øges til 50-60 ° C. For anvendelsen af en aromatisk diisocyanat såsom 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), skal reaktion temperatur være moderat men tilstrækkeligt steg som aromatiske diisocyanater er typisk mere reaktiv mod nukleofil grupper end alifatiske diisocyanater er. Reaktionen af MDI med carbinol-afsluttet PDMS kan fremmes ved hjælp af opløsningsmiddelblandinger af vandfri tetrahydrofuran () THF) og dimethylformamid (DMF) eller dimethylacetamid (DMAc) som tertiære aminer udstille nogle katalytisk aktivitet.

Protocol

Forsigtig: Kontakt venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Flere kemikalier, der anvendes i sammenfatninger udviser akutte toksicitet og stærk irritation på huden og øjnene samt på indånding. Venligst bære personlige værnemidler (laboratorium frakker, sikkerhedsbriller, hånd handsker, fuld længde bukser og lukket tå sko) og håndtere kemikalierne, hvis det er muligt under et stinkskab eller i et godt ventileret sted. Udføre alle synteser under stinkskab. Tetramethylammonium hydroxid pentahydrat (TMAH): TMAH er en stærk base, akut giftigt ved indtagelse, og ved kontakt med huden, det forårsager alvorlige kemiske forbrændinger på huden og øjnene. Det er følsom for luft og er hygroskopisk. Gemme det under køle og kvælstof. Håndtere TMAH på et velventileret sted på grund af sin stærke ammoniak-lignende lugt. APTMDS: APTMDS er følsom for luft og skal opbevares i kvælstof. Det forårsager alvorlige hudforbrændinger og øjenskader. H12MDI: H12MDI er giftigt ved indånding og forårsager irritation af hud og øjne. D4: D4 kan hæmme fertiliteten. THF: THF er skadelig, forårsager irritation på indånding, og formentlig er kræftfremkaldende. Chloroform (CHCl3): CHCl3 er skadelig på indånding, formentlig kræftfremkaldende, kan forårsage mulige skader til frugtbarhed og et ufødt barn og dets dampe kan give sløvhed.

1. Sammenfatning af katalysator og Amino-opsagt Polysiloxane Macromonomers

  1. Syntese af tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate katalysator
    Bemærk: Katalysatoren blev syntetiseret ifølge metoden rapporteret af Hoffman og Leir44.
    1. Degas APTMDS under vakuum før brug og Gem det under kvælstof. Tilsæt ca. 10 g af APTMDS ved hjælp af en sprøjte.
    2. Tilføje 8.13 g (33.0 mmol) afgassede APTMDS og 11.88 g (66,0 mmol) af TMAH i en 100 mL tre-hals runde-bunden kolbe. Der tilsættes 20 mL THF at opløse APTMDS og at suspendere TMAH, sammen med en stor oval magnetiske rør bar.
      Forsigtig: TMAH er en hygroskopisk, ætsende og giftige stof med en stærk ammoniak-lignende lugt og bør opbevares tæt lukket i køleskabet. Veje TMAH straks på et velventileret sted; bære beskyttende hånd handsker og sikkerhedsbriller mens håndtering. APTMDS er luft følsomme og forårsager forbrændinger af huden og øjenskader. Veje APTMDS fra en lukket flaske ved hjælp af en sprøjte; bære beskyttende hånd handsker og sikkerhedsbriller mens håndtering.
    3. Udstyre tre-hals runde-bunden kolben med en tilbageløbskøler og indgange og udgange for kvælstof og varme reaktionsblandingen til 80 ° C ved hjælp af et glycerin eller silikone olie varme bad. Rør reaktionsblandingen for 2 h under refluks og med en lille, kontinuerlig kvælstof flow.
      Bemærk: Den oprindelige, lidt grumset suspension ændres til en klar løsning inden for 2 h.
    4. Fjerne tilbagesvaler og destillere off THF ved hjælp af et vakuum indsugningsventil. Derefter tørre lidt gul rå produktet under et vakuum af 0,1 mbar til 5 h ved 70 ° C ved hjælp af en Schlenk linje.
      Bemærk: Efter dette trin, rå produktet kan opbevares i køleskab ved 10 ° C indtil den følgende dag.
    5. Resuspend den rå vare i 50 mL af THF. Hvis det er nødvendigt, brug en spatel til at makulere store vandbad, og filtrere suspensionen ved hjælp af et vakuum indsugningsventil. Vaske den forhastede mindst 3 x med 20 mL THF portioner, indtil produktet bliver en hvidt pulver-lignende solid.
    6. Kemisk produkt under et vakuum af 0,1 mbar ved stuetemperatur i 3 timer. Derefter gemme katalysatoren i køleskab ved 10 ° C under kvælstof indtil brug.
  2. Syntese af Α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethylsiloxanes
    Bemærk: Syntese af PDMS med en molekylevægt på ~ 15,500 g·mol-1.
    1. Degas D4 og APTMDS under vakuum før brug. Tilsæt ca. 1,5 g APTMDS, ved hjælp af en sprøjte.
    2. Tilføje 19,5 g (65,7 mmol) afgassede D4 og 0,9 g (3,6 mmol) af APTMDS i en 100 mL tre-hals runde-bunden kolbe, som er udstyret med en PTFE-belagt centrifugal omrører og en nitrogen luftindtag og -udtag.
    3. Tilføj ~ 26 mg af katalysatoren (fra afsnit 1.1) og rør reaktionsblandingen i 30 min. ved 80 ° C under en svag, kontinuerlig kvælstof flow.
      Bemærk: En glycerin eller silikone olie varme badekar kan bruges.
    4. Tilføj 45.5 g (153.4 mmol) D4 dråbevis til reaktionsblandingen, ved hjælp af en tragt (indenfor 2-3 h), og yderligere rør ved 80 ° C i 24 timer under en kontinuerlig kvælstof flow.
      Bemærk: Reaktionen kan fortsætte natten over.
    5. Varme reaktionsblandingen til 150 ° C og rør det i 2 timer til at nedbryde katalysatoren. Lad derefter, PDMS afkøle til stuetemperatur.
    6. Udveksle den centrifugale omrører med en stor oval magnetiske rør bar og forsegle tre-hals runde-bunden kolben med to propper. Bruge en adapter med en ventil og langsomt varme PDMS til 150 ° C under et vakuum af 0,1 mbar til at destillere off de cykliske side produkter ved hjælp af en Schlenk linje. Tillad PDMS afkøle til stuetemperatur.
      Bemærk: Vakuum destillation opstår typisk i 4-5 h.
  3. Syntese af α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethyl-methyl-phenylsiloxane
    Bemærk: Dette afsnit beskriver den syntese procedure for en polysiloxane med en molekylevægt på ~ 15,500 g·mol-1 og 14 mol % methyl-phenyl siloxan; denne procedure er sammenlignelig med PDMS syntese, som er beskrevet i afsnit 1.2.
    1. Degas D4 og APTMDS under vakuum før brug. Tilsæt ca. 1,5 g APTMDS ved hjælp af en sprøjte. Sted D4mig, Ph ved 70 ° C i 3-5 h i en vakuumkammer til helt smelte og homogeniseres produktet inden brug.
    2. Tilføje 4.54 g (15,3 mmol) D4, 14.96 g (27,5 mmol) D4mig, Phog 0,9 g (3,6 mmol) af APTMDS i en 100 mL tre-hals runde-bunden kolbe, som er udstyret med en PTFE-belagt centrifugal omrører og en nitrogen luftindtag og -udtag.
    3. Tilføj ~ 26 mg af katalysatoren (fra afsnit 1.1) og rør reaktionsblandingen ved 80 ° C i 30 min. under en kontinuerlig kvælstof flow.
    4. Tilføj 45.5 g (153.4 mmol) D4 dråbevis i reaktionsblandingen, ved hjælp af en tragt (indenfor 2-3 h), og yderligere rør ved 80 ° C i 24 timer under en kontinuerlig kvælstof flow.
      Bemærk: Reaktionen kan fortsætte natten over.
    5. Fortsætte med syntese ved at følge trin 1.2.5 og 1.2.6.

2. molekylvægt bestemmelse af Polysiloxane

  1. Teoretisk molekylvægt af polysiloxane
    1. Beregne den teoretiske molekylvægt Equation 1 af polysiloxane efter følgende ligning:
      Equation 2(1)
      Her, Equation 1 er det antal gennemsnitlig molekylevægt af Polydimethylsiloxan, m er massen (g) af den anvendte monomerer D4 og APTMDS, og n er mængden af APTMDS i muldvarpe.
  2. Molekylær vægt bestemmelse af polysiloxane af 1H-NMR spektroskopi
    1. Opløse 10-20 mg af polysiloxane i 0,5 mL af CDCl3, registrere sin NMR-spektrum, og kalibrere kemiske Skift [δ] opløsningsmiddel signalet 7.26 ppm.
    2. Beregn Molekylærbiologisk vægt Equation 1 af polysiloxane fra de integrerende værdier efter følgende ligning.
      Equation 3(2)
  3. Molekylær vægt bestemmelse af polysiloxane ved titrering
    1. Tilføj 1,5-2 g af polysiloxane i en 250 mL konisk kolbe og opløses i 50 mL THF under konstant omrøring med en magnetisk røre bar.
    2. Titreres amino grupper med 0,1 M HCl benytter bromophenol blå, indtil en farve ændres fra blå til gul er observeret. Gentag titrering med tre prøver at beregne antal gennemsnitlig molekylvægt.

3. Sammenfatning af Polysiloxane-urea elastomerer

Bemærk: Dette afsnit beskriver den syntese procedure for en PDMS-baseret urinstof elastomer 10 w % svært-segment indhold (HS %) (PDMS: 15.500 g·mol-1).

Equation 4(3)

  1. Tilføje 2.939 g (11,2 mmol) H12MDI i en 250 mL fire-hals runde-bunden reaktion kolbe, som er udstyret med en PTFE-belagt centrifugal omrører, droppe tragt, og kvælstof luftindtag og -udtag, og opløse den i 20 mL af THF.
    Forsigtig: H12MDI er en lav flygtige diisocyanat og forårsager irritation af hud og øjne. Slid beskyttende hånd handsker og sikkerhedsbriller.
    Bemærk: Alternativt opløses H12MDI i THF i en 50 mL bægerglas og tilsættes løsning gennem en tragt eller en tulip glas ind i reaktionskolben. Derefter skylles bægerglasset og tragt med 10 mL af THF.
    1. Opløse 45.0 g (2,9 mmol) af afgassede PDMS i 100 mL af THF; Tilføj denne løsning dråbevis i H12MDI løsning ved hjælp af en tragt under konstant omrøring og en nitrogen flow ved stuetemperatur. Skyl bægerglasset og droppe tragt med 50 mL af THF og tilføje denne løsning til reaktionsblandingen.
    2. Styre dannelsen af prepolymer via FTIR spektroskopi.
      Bemærk: Reaktion fremskridtene kan overvåges på to måder: ved hjælp af indbyggede eller offline ATR-FTIR spektroskopi.
      1. For inline ATR-FTIR spektroskopi, skal du indsætte en inline ATR-FTIR sonde, som er forbundet med spektrometeret, i det centrale fælles i begyndelsen af reaktionen. Brug en stor oval magnetiske rør bar i stedet for en PTFE-belagt omrører. Starte optagelsen spektre af H12MDI løsning og vælg NCO absorption peak på 2266 cm-1 at følge omdannelse af isocyanat grupper.
      2. For offline ATR-FTIR spektroskopi, tage prøver af reaktionsblandingen ved hjælp af Pasteurs pipette og tilføje et par dråber på ATR krystal. Fordampe opløsningsmidler under en nitrogen flow, indtil en tynd film forbliver på ATR krystal overflade. Optag spectra på forskellige reaktion stadier (efter komplet tilsætning af PDMS og efter tilsætning af hver del af APTMDS).
    3. Tilføje dele af den støkiometriske mængde kæde extender APTMDS til prepolymer løsningen.
      Bemærk: Tilsætning af kæde extender kan fortsætte på to måder (Se trin 3.1.3.1 og 3.1.3.2).
      1. Opløs kæde extender i 5-10 mL af THF vejet mængde og tilføje løsningen dråbevis til reaktionsblanding ved hjælp af Pasteurs pipette eller ved hjælp af en tragt, efterfulgt af skylning igen med 3 mL af THF.
      2. Tilføje dele af kæden extender til en sprøjte og tilføre reaktionsblandingen kæde extender dråbevis. I dette tilfælde, forsegle den fjerde fælles hjælp af en gummiprop septum.
        1. Tilføje 1,65 g (6,6 mmol) af APTMDS, svarende til 80% af det beregnede beløb for APTMDS, at prepolymer. Derefter, kontrollere reaktion fremskridt via FTIR spektroskopi.
        2. Derefter tilsættes 0.21 g (0,8 mmol) af APTMDS (i samlede, 90% af det beregnede beløb) til reaktionsblandingen og kontrollere reaktion fremskridt af FTIR.
        3. Der tilsættes 0,1 g (0.4 mmol) af APTMDS (i alt 95%) reaktionsblandingen og kontrol reaktion fremskridt ved hjælp af FTIR.
        4. Endelig, tilføje den sidste del af kæden extender (0.102 g, 0,41 mmol) til reaktionsblandingen og kontrollere forsvinden af NCO absorption band i FTIR spektrum.
          Bemærk: Efter tilføjelsen af den første del af kæde extender, en stigning på viskositet er noteret.
    4. Hæld PSU løsningen i en PTFE-folie-dækket glas petriskål og fordampe opløsningsmiddel natten under stinkskab. Derudover tør PSU i en vakuumkammer ved 80 ° C i 12 timer.

4. mekaniske testproceduren

  1. Forberedelse af polysiloxane-urea elastomer film
    1. 7-8 g små PSU stykker i 200-250 mL CHCl3 i en konisk kolbe på 300 mL opløses, løst forsegle kolben ved hjælp af et glas prop, og rør blandingen ved hjælp af en magnetisk røre bar i mindst 24 timer. Om nødvendigt tilsættes ekstra dele af opløsningsmiddel.
      Forsigtig: Chloroform er formentlig kræftfremkaldende. Dampe kan give sløvhed ved indånding. Håndtere chloroform på et godt ventileret sted.
    2. Tilføj den homogene løsning i et glas petriskål og dække det med perforeret aluminiumsfolie. Tillad opløsningsmidlet til at fordampe langsomt enten ved at placere en petriskål i et velventileret sted eller i et stinkskab med Bælterem vinduet åbent.
      Bemærk: Når du placerer petriskålen i stinkskab, reducere luftstrømmen hvis det er muligt. Ekstremt hurtig fordampning af opløsningsmidlet fører til uensartethed og dannelsen af uigennemsigtige pletter i de gennemsigtige film.
    3. Tør film på 80 ° C i et vakuumkammer i 12 timer.
    4. Forsigtigt fjerne filmen fra glasoverfladen med en lille tynd spatel og gemme PSU filmen inden for en gennemsigtig konvolut ved efterfølgende brug for mekanisk karakterisering.
  2. Stress-strain tests på polysiloxane-urea elastomer film
    1. Forberede die-cut hund-ben-formet prøver fra PSU film ifølge Keiper45 (type S2). Placer den PSU film, som er omfattet af kuvert folier, under en stansning kniv enhed med en figur som vist i figur 4. Tryk låseklemmen helt til punch ud prøveemnet og gemme det i mindst 72 timer ved stuetemperatur (23 ± 2 ° C).
    2. Tænd trækstyrke test maskine og computer. Starte softwaren ved at klikke på ikonet. Vælg metoden, som traekproevningen og kontroller, om den korrekte vejecelle (100 N) er installeret i den test maskine.
    3. Vælg metoden assistent og kontrollere, hvis alle indstillingerne er korrekte. Gå til præ-test og se, hvis følgende indstillinger er aktiveret: den oprindelige stikprøve længde (L0) på 20 mm, preload på 0,1 MPa og velocity indtil preload er nået på 5 mm/min.
    4. Gå til at teste parameter og se, hvis følgende indstillinger er aktiveret: hastighed til bestemmelse af Young's modulus på 1 mm/min, hastigheden indtil prøven pause på 25 mm/min, påvisning af prøven pause på 80% Fmax, den bestemmelse af Young's modulus på Regression, begyndelsen af Young's modulus bestemmelse på 2% stamme, og slutningen af Young's modulus bestemmelse på 6% belastning. Forlade metode assistent og skifte til hovedvinduet i softwaren.
    5. Tryk på afbryderknappen på på test maskinen og klik på knappen gå til startpositionen i hovedvinduet i softwaren.
    6. Fjerne beskyttelse folier og inspicere prøve under et cross-polarisator at udelukke enhver indre stress. Måle prøve tykkelse og prøve bredde ved hjælp af en kaliber. Derefter indsætte værdierne for prøven tykkelse og bredde i de tilsvarende felter i hovedvinduet i softwaren.
    7. Fix prøveemne mellem de øverste fastspænding kæberne af test maskinen. Klik på knappen nul kraft i hovedvinduet i softwaren. Lave den nederste ende af prøveemnet mellem bunden fastspænding kæberne af test maskinen.
      Bemærk: Hvis overflader af fastspænding kæberne er glatte, Placer enderne af modellen mellem fine-grain emery papir at forhindre modellen fra glide under målingen.
    8. Klik på knappen start måling for at starte den traekproevningen.
    9. Efter endt måling, gå videre med trin 4.2.6 og 4.2.7. Efter fastsættelsen af prøveemnet mellem de øverste fastspænding kæber og vælge nul kraft, vælge den knap gå til startpositionen på hovedvinduet i softwaren. Derefter, fastsætte den nederste ende af prøveemnet mellem bunden fastspænding kæber og klik på start måling igen.
    10. Gentag trin 4.2.6 - 4.2.8 for en PSU prøve mindst en yderligere 3 x til statistisk vurdering af Young's modulus, trækstyrke og brudforlængelse på pause.
  3. Hysterese tests på PSU elastomer film
    1. Tænd trækstyrke test maskine og computer. Starte softwaren ved at klikke på ikonet. Vælg metoden, som cyklisk traekproevningen og kontrollere installationen af den korrekte vejecelle (100 N) i test maskinen.
    2. Vælg metoden assistent og kontrollere, hvis alle indstillingerne er korrekte. Gå til præ-test og se, om de følgende indstillinger er aktiveret: den oprindelige stikprøve længde (L0) på 20 mm, preload på 0,05 MPa og velocity indtil preload er nået på 5 mm/min.
    3. Gå til den test parameter og tjekke aktivering af følgende indstillinger: antallet af cyklusser på 10, setpoint læsning ved 100% belastning, setpoint losning på 0% belastning og hastighed på 25 mm/min. lad metode assistent og skifte til hovedvinduet i softwaren.
    4. Fortsæt med trin 4.2.5 - 4.2.8.
    5. Gentag hysterese målinger med to prøver for statistisk vurdering. Beregne den mekaniske hysterese for hver cyklus efter følgende ligning.
      Equation 5(4)

5. dyrkning Procedure for HaCaT celler

  1. Varm en cryotube med HaCaT celler og Dulbeccos modificerede Eagle's medium (DMEM) i et 37 ° C vandbad. Under den mikrobiologiske sikkerhed workbench, hurtigt overføre cellesuspension til en 10 mL konisk centrifugeglas, som er fyldt med varm DMEM.
    1. Underlagt cellesuspension centrifugering i 6 min. ved 845 x g. Kassere et flertal af supernatanten ved hjælp af en engangs glas Pasteur pipette, som er knyttet til en vakuumpumpe, og celle resuspenderes i den resterende væske af forsigtigt pipettering celle vandbad op og ned ved hjælp af en Eppendorf pipette.
    2. Overføre de resuspenderede celler til en 25 cm2 celle kultur kolbe og tilsættes 9 mL DMEM, som er suppleret med 10% FBS. Inkuber celler på 37 ± 1 ° C og 5% CO2 i en inkubator kabinet. Kontrol celleproliferation dagligt ved hjælp af en omvendt mikroskop. Ændre DMEM hver tredje dag, indtil cellerne bliver subconfluent.
    3. Udføre en celle passage under sikkerhed workbench ved at fjerne DMEM ved hjælp af en engangs glas Pasteur pipette. Der tilsættes 10 mL PBS buffer til at vaske cellelag. Fjerne PBS bufferen ved hjælp af en engangs glas Pasteur pipetteres igen.
    4. Der tilsættes 1 mL af en trypsin/EDTA-oploesning til 25 cm2 celle kultur kolbe til at frigøre cellerne og inkuberes dem i CO2 inkubator kabinet. Kontrollere hvis cellerne er til stede i suspension ved hjælp af en omvendt mikroskop.
    5. Tilføj 3 mL af DMEM celle kultur kolben til at inaktivere trypsin. Overføre cellesuspension til et centrifugeglas og forbehold centrifugering i 6 min. ved 845 x gcellerne. Fjerne et flertal af supernatanten, ved hjælp af et glas Pasteur pipette. Resuspend celler i de resterende DMEM og der tilsættes 10 mL frisk varm DMEM, som er suppleret med 10% FBS.
    6. Overføres 5 mL af cellesuspension til hver af 75 cm2 celle kultur kolber og der tilsættes 15 mL frisk varm DMEM, suppleret med 10% FBS. Dyrke HaCaT celler på 37 ± 1 ° C og 5% CO2 i CO2 inkubator kabinet, indtil cellerne bliver subconfluent.
    7. Gentag celle passage ifølge trin 5.1.3 - 5.1.6 men denne gang, skal du bruge 2 mL trypsin/EDTA-oploesning og 6 mL af DMEM til at inaktivere trypsin.

6. proceduren for en MTS celle levedygtighed analyse ved hjælp af HaCaT celler

Bemærk: In vitro celletoksicitet tests blev udført ifølge Wenzelewski46, ved hjælp af celle medium ekstrakter. PSU prøver og biomedicinsk-grade polyurethan prøver blev steriliseret med ethylenoxid.

  1. Kultur HaCaT celler på 37 ± 1 ° C og 5% CO2 i DMEM, som er suppleret med 10% FBS i en 75 cm2 celle kultur kolbe. Bruge cellerne til i vitro celletoksicitet test, i det mindste efter den fjerde passage.
    1. Tilføje sterile prøver af PSU og et referencemateriale (0,7 g) i 50 mL konisk centrifugeglas og udtrække prøver med DMEM, uden FBS, til 72 ± 2 timer ved 37 ° C og 5% CO2 på en udvinding forholdet mellem 0,1 g/mL. Brug tre uddrag for hver PSU prøve. Forberede blind prøver ved at udfylde DMEM, uden FBS, til 50 mL konisk centrifugeglas og udføre den samme udvinding.
    2. På dag 2 af ekstraktionsmetode, udføre celle detachement ifølge trin 5.1.3 - 5.1.5 med 2 mL trypsin/EDTA og 6 mL af DMEM. Tage en 100 µL alikvot af cellesuspension og tilsæt 100 µL af DMEM. Fra denne fortyndede suspension, tage 20 µL af delprøve og tilsæt 10 µL af en 0,5% trypan blå løsning at plette døde celler.
    3. Inkuber celler i 2 min. Fyld hemocytometer med en mikropipette og straks tælle celler inden for de fire kamre. Beregne antallet af levedygtige og celler til at evaluere cellernes levedygtighed i procenter.
      Bemærk: Alternativt, cellerne kan tælles ved hjælp af en celle tælle system.
    4. Seed HaCaT celler (fjerde passage) ved en koncentration på 20 x 103 celler/brønd i 200 µL af DMEM i 96-brønd mikroplader og inkuberes celler i 24 timer ved 37 ° C og 5% CO2.
    5. På dag 3, efter udvinding, tilføje 10% FBS til hver ekstrakt og blind prøver og varm prøverne op til 37 ° C ved hjælp af et vandbad. Fjerne DMEM fra hver seedede godt og erstatte mediet af ekstrakterne, blind prøver og de tilsvarende positive og negative kontroller. For hver PSU ekstrakt (brug tre ekstrakter til hver prøve, PSU), afpipetteres 200 µL af ekstrakt i seks brønde.
    6. Tilsæt 200 µL af den blinde prøve (DMEM + 10% FBS) i seks brønde. Tilsæt 200 µL af frisk DMEM, suppleret med 10% FBS (negativ kontrol), i seks brønde. Tilsæt 200 µL af den positive kontrol (DMEM + 10% FBS + 1% SDS) i seks brønde. Inkuber celler med ekstrakter og kontrolelementer i 24 timer ved 37 ° C og 5% CO2.
      Bemærk: For forberedelse af en positiv kontrol, forberede en 20% SDS opløsning i vand og fortynd det med DMEM på 1:2. Derefter, yderligere fortyndes det med DMEM til at forberede en 1% SDS løsning.
    7. Dag 4, kort før udgangen af inkubationstiden, forberede en stamopløsning af MTS og DMEM uden FBS (hver brønd, brug 20 µL af MTS løsning + 100 µL af DMEM). Efter inkubationstiden, fjerne ekstrakter, blinde løsninger og kontrol og afpipetteres 120 µL MTS stamopløsning i hver brønd, samt i seks brønde uden celler til at bestemme baggrunden. Inkuber celler i 4 timer ved 37° C og 5% CO2.
    8. På dag 4 efter inkubation af MTS løsning, absorbansen hver brønd ved 492 nm, med en mikrotiterplade læser. Trækkes fra den målte absorbans i baggrunden fra, af de seedede brønde. Antage, at de målte absorbans værdier fra den positive kontrol repræsenterer 0% spredning og indstille disse absorbans værdier til 0. Antage, at de målte absorbans værdier fra den negative kontrol repræsenterer 100% spredning og angive disse værdier til 100.
    9. Beregne celleproliferation fra absorbans værdier som en procentdel af absorbans værdier fra den negative kontrol (100% spredning) og positiv kontrol (0% spredning). Evaluere de prøveekstrakter, der udviser celleproliferation op til 81% som ikke cytotoksiske.
      Bemærk: Efter leverandørens oplysninger47, absorbansen senere. Der afpipetteres 25 µL af en 10% SDS løsning i hver brønd til at stoppe reaktionen og gemme mikrotiterplade for op til 18 h beskyttet mod lys ved stuetemperatur i en fugtig kammer.

Representative Results

Ring-kæde ækvilibrering D4 og D-4mig, Ph med endblocker APTMDS gav aminopropyl-afsluttet polydimethylsiloxanes og polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-Copolymerer, henholdsvis, som blev syntetiseret med molekylær vægte mellem 3.000 og 33.000 g·mol-1 ved at justere monomer forholdet mellem D4 og APTMDS (figur 6). Molekylær vægt Equation 1 af det rede PDMS, som blev bestemt ud fra 1H-NMR spektre (figur 5), blev svarende til de værdier, der er fremstillet af titrering. Disse værdier var efter aftale med de beregnede teoretiske molekylvægte, inden for op til 15.000 g·mol-1. I forbindelse med udarbejdelsen af PDMS med højere molekylvægte, inden var de opnåede Molekylær vægt lidt større end dem, der formodes af teoretiske beregning. Copolymerization af den cykliske siloxan med vedhæng phenyl grupper D4mig, Ph blev anset for vellykket for lidt stigende brydningsindekset af radikaler. Brydningsindeks (bestemmes ved hjælp af Abbe refraktometer ved 37 ° C) steg fra 1.401 (umodificeret PDMS) til 1.4356 (14 mol % methyl-phenyl-siloxan) (figur 7). PSU elastomerer blev syntetiseret i to trin ved hjælp af rede aminopropyl-afsluttet PDMS, alifatiske diisocyanat H12MDI og APTMDS, ved hjælp af THF som opløsningsmiddel. Denne metode er tilladt opførelse af høj molekylvægt primærenheder med en segmenteret struktur af blødt segmenter (PDMS) og hårde segmenter (diisocyanat + urea). Inline FTIR spektroskopi bekræftet den ekstremt hurtige reaktion af grupperne isocyanat med amino grupper fra PDMS og kæde extender APTMDS (figur 3 og figur 8). I modsætning til forberedelse af polyurethan elastomerer, som tager flere timer, var forberedelsen af PSU elastomerer bekvem. Gennemsigtighed og mekaniske egenskaber af PSU elastomerer var afhængige af PDMS Molekylær vægt. Gennemsigtig PSU elastomer film udstillet en transmittans for > 90% op til PDMS molekylevægt 18.000 g·mol-1. Ved højere PDMS Molekylær vægte, PSU film blev mere og mere uigennemsigtigt (figur 9). Med stigningen i PDMS Molekylær vægt, kunne blød PSU elastomerer forberedes. De unge modulus af PSU elastomerer faldt fra ~5.5 MPa (med en PDMS molekylvægt på 3.000 g·mol-1) til 0.6 MPa (med en PDMS molekylevægt på ≥26, 000 g·mol-1) (figur 10). Desuden blev mekanisk hysterese, som blev brugt til at evaluere den mekaniske stabilitet under gentagne anvendt stress, reduceret for PSU elastomerer, når de blev udarbejdet fra høj molekylvægt PDMS. Hysterese værdierne for den første cyklus på en 100% stamme faldet fra 54% (med en PDMS molekylvægt på 3.000 g·mol-1) til 6% (med en PDMS molekylevægt på 33.000 g·mol-1) (Figur 11). Metoden anvendt syntese tilladt forberedelse af PSU elastomerer, der ikke frigiver cytotoksiske residualer som eksemplerne i celle levedygtighed test udført med uddrag af nogle udvalgte PSU elastomerer på HaCaT cellerne (figur 12).

Figure 1
Figur 1: Syntese af tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate katalysator.
Tetramethylammonium hydroxid pentahydrat (TMAH) og 1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS) blev reageret 2 h i THF ved 80 ° C. Katalysator tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate er modtaget som en solid hvid efter vask den rå vare med THF. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: syntese rute for aminopropyl-opsagt polydimethylsiloxanes (PDMS) og polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-copolymerer. Cyklisk monomerer D4d4mig, Ph er ekvilibreres ved hjælp af en disiloxane endblocker APTMDS ved 80 ° C i 24 timer ved hjælp af tetramethylammonium-3-aminopropyl-dimethylsilanolate katalysator. Dette tal er blevet ændret fra Riehle et al. 48. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: to-trins syntese af segmenterede polysiloxane-baseret urinstof elastomerer (PSU). I det første skridt, en prepolymer indeholdende aktive isocyanat grupper er dannet efter reaktionen fra H12MDI med aminopropyl-opsagt polysiloxane (R = CH3: PDMS; R = Ph; Copolymer). I andet trin af er polymer molekylvægt øget via reaktionen fra de resterende aktive isocyanat grupper med kæde extender APTMDS. Den resulterende elastomer er en segmenteret polymer bestående af urinstof hårdt segmenter og silikone soft segmenter. Dette tal er blevet ændret fra Riehle et al. 48. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: specifikation af hund-ben-formet proeveemnet for test, stress-strain. Dette tal er blevet ændret fra Keiper45. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: 1H-NMR spektret af aminopropyl-afsluttet Polydimethylsiloxan. For beregningen molekylvægt, integrerende værdier af methylen protoner d (δ 2,69 ppm) og b (δ 0,56 ppm) og methyl protoner en (δ ~ 0,07 ppm) blev udnyttet. Peak c (δ ~1.5 ppm) er overlejret af det HDO peak49, svarende til proton udveksling af vand spor med opløsningsmiddel CDCl3; denne peak er derfor ikke bruges til at beregne molekylvægt. PDMS molekylvægt i dette spektrum er ~ 16,365 g·mol-1. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Lineær korrelation mellem molekylvægt Equation 6 af aminopropyl-afsluttet polydimethylsiloxanes og endblocker koncentration. Equation 1 værdier blev bestemt via 1H-NMR spektroskopi, titrering af amino ende grupper og den teoretiske beregning efter ligning (1). Dette tal er genoptrykt med tilladelse fra Riehle et al. 48. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: refraktivt indeks af aminopropyl-afsluttet polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-copolymerer. Refraktivt indeks (RI) i polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-copolymerer blev fastsat ved 20 ° C (sorte firkanter) og 37 ° C (røde cirkler) ved hjælp af en abbed refraktometer. RI værdier lineært øges med mængden af de indbyggede enheder, methyl-phenyl-siloxan. RI værdier på 0 mol % repræsenterer dem fra umodificeret PDMS med en sammenlignelig med polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-copolymerer molekylvægt. En optimal RI af 1.4346 (37 ° C) blev fremstillet for en copolymer med 14 mol % af methyl-phenyl-siloxan. Dette tal er blevet genoptrykt med tilladelse fra Riehle et al. 48. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: isocyanat konvertering under syntesen af Polydimethylsiloxan-urea (PSU). Denne figur viser en tidsafhængig plot af NCO absorption band på 2.266 cm1 efterfulgt af inline FTIR-ATR spektroskopi under syntesen af PSU. Efter tilsætning af aminopropyl-afsluttet Polydimethylsiloxan faldt højden af NCO bandet, vejledende af dannelsen af NCO-afsluttet prepolymer kæder. Efter tilsætning af kæde extender APTMDS forsvundet NCO band helt fra IR-spektre. Dette tal er blevet genoptrykt med tilladelse fra Riehle et al. 50. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: afhængighed af transmittans af PSU elastomer film ved 750 nm og molekylvægt af Polydimethylsiloxan. Transmittans PSU film var bestemt af UV-Vis spektroskopi. Transmission af primærenheder ved 750 nm (den øverste kant af det synlige spektrum) var > 90% hvis primærenheder blev syntetiseret bruger PDMS med molekylær vægte mellem 3.000 og 18.000 g·mol-1. Med en stigende molekylevægt af PDMS øget opacitet af film. Dette tal er blevet genoptrykt med tilladelse fra Riehle et al. 48. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: Young's modulus af PSU elastomerer som en funktion af molekylevægt af Polydimethylsiloxan. Young's moduli (YM) blev bestemt ud fra stress-strain målinger af PSU film. Værdierne er udtrykt som en gennemsnitsværdi, der er opnået fra fem gentagne målinger. Fejllinjer udgør standardafvigelsen. Det højeste fald i YM blev observeret for primærenheder syntetiseret fra PDMS spænder fra 3.000 til 9.000 g·mol-1. På PDMS Molekylær vægte mellem 12,000 og 18,000 g·mol-1var YM værdier mellem 1,5 MPa og 1,0 MPa. På molekylær vægte højere end 26.000 g·mol-1var YM værdier ~0.6 MPa. Dette tal er blevet genoptrykt med tilladelse fra Riehle et al. 48. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 11
Figur 11:100 % hysterese kurver af PSU elastomerer. De første-cyklus hysterese kurver af PSU elastomerer på 100% brudforlængelse er vist. Polymer notation refererer til PDMS Molekylær vægt (fxPSU-3T er en polyurea elastomer forberedt fra PDMS med en molekylvægt på 3.000 g·mol-1). Den højeste mekaniske hysterese (43-54%) blev observeret i PSU elastomerer syntetiseret fra lav molekylvægt PDMS, som angivet af udtalt hysterese kurver. Hysterese faldt med stigningen i PDMS Molekylær vægt fra 14% (15.000 g·mol-1) til 6% (33.000 g·mol-1). Dette tal er blevet genoptrykt med tilladelse fra Riehle et al. 48. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 12
Figur 12: I vitro celletoksicitet testresultater fra HaCaT celler behandles med PSU ekstrakter. Denne figur viser celleproliferation af HaCaT celler behandles med celle medium ekstrakter af PSU elastomerer. Værdierne er udtrykt som den gennemsnitlige værdi fra tre afprøvet ekstrakter pr. sample, med seks gentagne målinger for hvert ekstrakt (18 replikater i alt). Fejllinjer udgør standardafvigelsen fra disse målinger. Blindprøven repræsenterer celle medium DMEM (uden prøve), som blev behandlet svarer til celle medium anvendes til ekstraktion. En medicinsk-grade polyestersegmenter urethan blev valgt som referencemateriale. Silikone-baserede polyurea elastomerer (PSU-18, PSU-16T og PSU-14Ph) blev udvalgt som repræsentative prøver, som var baseret på PDMS med Molekylær vægt af 18.000 og 16.000 g·mol-1 (PSU-18 og PSU-16T), mens PSU-14Ph var baseret på en polydimethyl-methyl-phenyl-siloxan-copolymer med 14 mol % af methyl-phenyl-siloxan og en molekylvægt af ~ 16,600 g·mol-1. Den gennemsnitlige spredning af HaCaT celler, behandlet med uddrag af PSU elastomerer og reference polyurethan var 100% og højere. Uddrag af PSU elastomerer og reference polyurethan er derfor ikke cytotoksiske. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

For at opnå høj molekylvægt aminopropyl-afsluttet PDMS via ring-kæde ækvilibrering, ved hjælp af en vandfri, er stærkt basisk katalysator afgørende. Andre typisk anvendt katalysatorer såsom tetramethylammonium hydroxid (TMAH) eller kaliumhydroxid (KOH), indeholder vand restkoncentrationer, der fremmer side reaktioner; dermed opnås en blanding af difunktionelle, monofunctional og ikke-fungerende PDMS kæder med lignende molekylære vægte44. Desuden, hvis TMAH er anvendt, reaktionen kræver > 48 timer for afslutning og gør ikke altid gå videre med komplet monomer forbrug44.

Især vejning af endblocker APTMDS er afgørende for at opnå den ønskede molekylvægt af PDMS. For eksempel, i stedet for 0,9 g af APTMDS, hvis 0.85 g bruges til at syntetisere PDMS, som beskrevet i punkt 2.1 i protokollen, dette ville føre til en teoretisk molekylvægt af ca > 900 g·mol-1. Den teoretiske molekylvægt er derudover afhængig af konverteringen. Hvis de cykliske side produkter ikke er betydeligt fjernet via vakuumdestillation, opnås en høj konverteringsværdi. For eksempel, hvis du vil bruge den samme syntese procedure (som i punkt 2.1 i protokollen), ville en beregnede konvertering af 90% føre til en teoretisk beregnede molekylvægt; Denne værdi er 910 g·mol-1 større end hvis en konvertering af 85% antages. Afvigelser i polysiloxane molekylvægt bestemmelse ved titrering er muligvis relateret til vejning af PDMS i målekolber, især hvis en 50 mL burette er anvendt til titrering. En afvigelse, der vedrører vejer 0,06 g polysiloxane kan føre til en beregnede forskel på ~ 650 g·mol-1. Derfor anbefales brug af et semiautomatisk titrator.

Brydningsindeks af PDMS kan øges ved inddragelse af phenyl grupper17,51, halogenerede phenyl grupper52eller svovl-holdige grupper53. Forsøg på at indarbejde phenyl grupper i PDMS via copolymerization af octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph), som beskrevet af Yilgör, riffel og McGrath54 var mislykket betingelser anvendes reaktion muligvis fordi pladskrævende ring rygraden gjorde det umuligt for den anvendte katalysator til at bryde op siloxan obligationer på den valgte reaktion temperatur. D4Ph ring kan åbnes, hvis KOH bruges ved en reaktion temperatur på 160 ° C. Dog fås radikaler af ekstremt høj molekylvægt, som formentlig indeholder store mængder af ikke-fungerende urenheder. Hertil kommer, fjernelse af katalysator KOH i disse copolymere er ikke ligetil og kræver en neutralisering trin ved hjælp af ethanoliske HCl, efterfulgt af et vandigt udtræk af katalysatoren. Derefter, PDMS har at blive opløst i et organisk opløsningsmiddel, såsom CH2Cl2, for at adskille den vandige fase fra den organiske PDMS-holdige fase. Endelig, den organiske fase skal tørres over MgSO4, efterfulgt af filtrering og vakuumdestillation ved hjælp af en rotationsfordamper54. Derimod metoden præsenteret i dette håndskrift tillader katalysator skal fjernes straks via termisk nedbrydning. Derfor, istedet for benytter solid monomer D4Ph, phenyl grupper er med held indført i PDMS rygraden af copolymerization af den flydende monomer D4mig, Ph, som bekræftet af 29Si-NMR spektroskopi50.

De syntetiserede PSU elastomerer udstillet YM på 0,6 - 5,5 MPa og høj elasticitet med brudforlængelse værdier på op til 1.000%. Sådanne høje brudforlængelse værdier var ikke kun vedrører polymer segmenteret struktur men også til de høj Molekylær vægt af PSU elastomerer (Equation 1 > 100.000 g·mol-1)48. En øjeblikkelig reaktion opstår mellem amino grupper og alifatiske isocyanyate grupper ved stuetemperatur, fører til hastigt stigende molekylvægt. Dette resultat blev yderligere støttet ved at foretage reaktion i et opløsningsmiddel, fordi en svag stigning i viskositet ikke syntes at bremse reaktionshastighed betydeligt, som ville ellers dramatisk indflydelse molekylvægt for et næsten afbalanceret Støkiometrisk forhold. Derimod når en kort kæde diol, såsom 1,4-butandiol, blev brugt som kæde extender, var de resulterende polyurethan-urea elastomerer ikke kun mindre elastiske, men også tabt betydelige mekaniske stabilitet, især hvis høj molekylvægt PDMS var brugt til syntese. Dette resultat var formentlig relateret til den betydeligt lav Molekylær vægt af elastomerer (resultater ikke offentliggjort), svarende til den ufuldstændige omdannelse af alle isocyanat grupper i den sidste fase af polyaddition. Desuden påvirket forskelle i reaktivitet mellem amino og hydroxyl grupper mod alifatiske diisocyanater dramatisk resultaterne fra i vitro celletoksicitet tests. Uddrag af den PSU elastomer forberedt fra amino-kæde extender APTMDS ikke udviser nogen cytotoksiske effekt på HaCaT-cellerne (figur 12). Men hvis ekstrakter af siloxan-baseret polyurethan-urea elastomer blev brugt, cellernes levedygtighed var drastisk nedsat (resultater ikke offentliggjort), som var muligvis relateret til lav Molekylær vægt udvaskningsprodukter og resterende ureageret isocyanat grupper.

Denne protokol beskriver en praktisk metode til forberedelse af amino-funktionelle radikaler, som senere kan bruges som macrodiamines for syntese høj molekylvægt, blød og elastisk polysiloxane-urea elastomerer. Som de mekaniske egenskaber af PSU'er kan differentieres efter PDMS Molekylær vægt, er det muligt at bruge disse polymerer i andre programfelter. Proceduren for udarbejdelsen af amino-funktionelle radikaler kan desuden bruges til indførelsen af side grupper, såsom vinyl grupper, via et cyklisk siloxan copolymerization med vedhæng vinyl grupper (resultater ikke vist). Dette kan åbne nye programfelter, herunder forberedelse af bløde crosslinked polysiloxane geler (f.eks.ved Pt-katalyseret hydrosilylation med en hydrid-funktionelle silikone eller UV-aktiveret thiol-en tilsætning af mercapto-funktionelle PDMS)) resultater ikke vist).

Disclosures

Forfatterne har intet at erklære.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke den Forbundsministeriet for uddannelse og forskning (BMBF) til finansiering af dette arbejde under tildele nummeret 13FH032I3. Finansiel støtte fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Gepris projekt 253160297) anerkendes taknemmeligt. Forfatterne yderligere gerne udtrykke deres tak til Priska Kolb og Paul Schuler fra universitetet i Tübingen til at udføre 1H-NMR og 29Si-NMR målinger. Tak er også på grund af CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG på deres forsyning af Hansens12MDI. Forfatterne vil gerne takke Herbert Thelen og André Lemme fra Biotronik til udførelse af ethylen oxid Sterilisation af PSU prøver og Lada Kitaeva (Reutlingen Universitet) for hendes støtte med stress-strain og hysterese målinger.

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 sag 145 segmenterede polysiloxane-urea elastomerer Polydimethylsiloxan ring-kæde ækvilibrering brydningsindeks mekaniske egenskaber mekaniske hysterese cellernes levedygtighed Biomedicinsk ansøgning
Syntese af blød Polysiloxane-urea elastomerer intraokulær linse anvendelse
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