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Chemistry

Sintesi degli elastomeri molli polisilossano-urea per applicazione di lente intraoculare

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

Questo studio descrive vie sintetiche per amminopropil terminato polydimethylsiloxanes e polidimetil-metil-fenil-silossano-copolimeri a blocchi e per elastomeri morbidi a base di polisilossano urea (PSU). Presenta l'applicazione di PSU come accomodante una lente intraoculare. Inoltre è descritto un metodo di valutazione per citotossicità in vitro .

Abstract

Questo studio affronta un percorso di sintesi per gli elastomeri morbidi a base di polisilossano urea (PSU) per le loro applicazioni come accomodante lenti intraoculari (a-IOLs). Polydimethylsiloxanes amminopropil terminato (PDMS) erano precedentemente preparato tramite la catena di anello equilibrazione dei silossani ciclici octamethylcyclotetrasiloxane (D4) e 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Gruppi fenilici sono stati introdotti il silossano spina dorsale tramite la copolimerizzazione di D4 e 2,4,6,8-tetrametil-2,4,6,8-tetraphenyl-ciclotetrasilossano (D4Me, Ph). Questi copolimeri polidimetil-metil-fenil-silossano-blocco sono stati sintetizzati per aumentare gli indici di rifrazione di polisilossani. Per applicazioni come un a-IOL, l'indice di rifrazione dei polisilossani deve essere equivalente a quello di una lente di occhio umano giovane. Il peso molecolare di polisilossano è controllato dal rapporto tra il silossano ciclico per la endblocker APTMDS. La trasparenza degli elastomeri PSU è esaminata secondo la misura di trasmittanza di film tra il 200 e 750 nm, utilizzando uno spettrofotometro UV-Vis. Valori di trasmittanza a 750 nm (estremità superiore dello spettro visibile) vengono confrontate con il peso molecolare PDMS e > 90% della trasmittanza è osservato fino a un peso molecolare di 18.000 g · mol− 1. Proprietà meccaniche degli elastomeri PSU sono studiati utilizzando test di sollecitazione-deformazione sugli esemplari di cane-a forma di osso di fustellati. Per valutare la stabilità meccanica, isteresi meccanica sono misurata da ripetutamente stretching (10 x) gli esemplari al 5% e il 100% di allungamento. Isteresi diminuisce notevolmente con l'aumento del peso molecolare PDMS. Citotossicità in vitro di alcuni elastomeri PSU selezionati viene valutata utilizzando un'analisi di attuabilità delle cellule MTS. I metodi descritti nel presente documento consentono la sintesi di un elastomero PSU morbida, trasparente e noncytotoxic con un indice di rifrazione approssimativamente uguale a quello di una lente di occhio umano giovane.

Introduction

Cataratta senile, che colpisce il gruppo di età ≥ 60 anni, conduce all'avanzati opacizzazione del cristallino naturale. Questa condizione relativa all'età è probabilmente causata da cambiamenti ossidativi che vengono accelerati da UV irradiazione1,2,3. Il trattamento convenzionale per cataratta senile coinvolge l'estrazione chirurgica della lente cataractous, seguita dall'impianto di una lente intraoculare artificiale (IOL) in un obiettivo vuoto capsula tramite un sistema di iniezione2. Tuttavia, una maggioranza di IOLs sono fabbricati da polimeri acrilici (acrilato idrofobo e idrofilo o polimeri in metacrilato) con strutture estremamente rigide; quindi, l'occhio perde la sua capacità di adattarsi alle varie distanze2,4. Pertanto, i pazienti con impianti IOL monofocali dipendono da occhiali per visione da vicino (ad es., durante la lettura di un giornale o un libro)5.

Diversi metodi per ripristinare la capacità di alloggio dopo chirurgia della cataratta sono stati segnalati. Tra questi approcci, si possono distinguere due principali strategie: riempire la capsula vuota lente iniettando un liquido o gel-come polimeri e sviluppare morbido, pieghevole a IOLs6,7,8. Il concetto di "lente ricarica" è promettente perché gel può essere preparata con moduli di Young bassi quanto quelli della naturale occhio umano lente (ca. 1-2 kPa)9; Tuttavia, questo approccio è ancora in fase sperimentale8e studi sono condotti solo su occhi animali.

Capsule di lente ricaricati impiantando in silicone gonfiabili palloncini10 riempito con silicone liquido o iniettando direttamente in silicone11,12 , che successivamente è stata curata nella capsula via idrosililazione . Tuttavia, questioni legate alla superficie rughe i palloncini, una minore ampiezza di alloggio rispetto allo stato preoperatorio e la formazione di cataratta secondaria severa (opacification della capsula anteriore e posteriore) sono state noto7, 8,12,13. In particolare, tempi di lunga stagionatura (70 min - 12 h) causano un rischio aumentato di perdita negli alloggiamenti del occhio circostante, che porta a infiammazione postoperatoria10,14. Altri materiali per la sostituzione del cristallino si raccomanda pertanto, compresi idrogeli basati su polietilene glicol diacrilato, copolimeri di acrilato-modificato di vinile alcool (N-vinilpirrolidone)15, metacrilato-modificato polisilossani16,17, poloxamer18e diisocianato-reticolato polialcoli9. Tuttavia, la viscosità di monomero (cioè, gel gonfiore dopo l'iniezione e la reticolazione), indici di rifrazione estremamente bassi o alti, stabilità meccanica e integrità, imprevedibile rifrazione postoperatoria, bassa gamma di alloggi, e la formazione della post-cataratta costituiscono le principali questioni6,7,8,9,15,18. Commercialmente, la capacità di alloggio viene ripristinata principalmente sviluppando pieghevole a IOLs. Tali a-IOLs dovrebbe fornire alloggio dal movimento dello IOL ottico al sito anteriore della lente capsula tramite la contrazione del muscolo ciliare. Diversi modelli sono stati introdotti sul mercato nel 1996, 2001, e 20027,8. Tuttavia, durante gli studi clinici, le ampiezze di alloggio stimato per quelli impiantati a IOLs erano estremamente bassa (≤ 1,5 D) per consentire seduto da solo lettura (3-4 D)6,7,8,19 , 20. di conseguenza, un a-IOL comprendente due ottiche collegato (dual-ottica IOL) è stato sviluppato per aumentare l'alloggio gamma6,21. Il design della sola lente è stato esaminato per le sue prestazioni accommodative in occhi umani, anche se i risultati contraddittori sono stati segnalati22,23,24,25.

In genere, elastomeri di silicone sono considerati di essere biologicamente inerte e non tossico; di conseguenza, gli elastomeri siliconici hanno una lunga storia di essere applicato come materiali biocompatibili in medicina e ingegneria medica (ad es., in mammarie, craniofacial impianti, protesi congiunta, medicazioni, cateteri, drenaggi e shunt) 26 , 27. grazie alla loro morbidezza, la trasparenza e la permeabilità all'ossigeno alta, elastomeri di silicone anche trovano applicazioni come lenti a contatto e IOLs2,28,29. Tuttavia, siliconi devono essere in covalenza reticolati e spesso richiedono rinforzanti per guadagnare sufficiente integrità meccanica. Reticolazione è svantaggioso come esso vieta la successiva elaborazione di elastomeri mediante metodi termoplastici (ad es., stampaggio ad iniezione) o di elaborazione da soluzioni (ad es., solvente casting). Al contrario, poliuretani termoplastici esibiscono stabilità meccanica ma sono suscettibili di degradazione all'interno dell'ambiente biologico, specialmente se basati su poliestere o polietere macrodiols sono usati. Pertanto, gli sforzi per combinare flessibilità e stabilità idrolitica o ossidativa con eccellenti proprietà meccaniche sono concentrati sull'incorporazione di idrossile - o ammino funzionali PDMS come segmenti molli in poliuretani, poliuretano-uree, e poliuree27. Per migliorare la compatibilità del segmento duro uretano o urea polare con un segmento di morbido PDMS altamente non polare e per migliorare le proprietà meccaniche, diversi basati su polietere macrodiols sono incorporati con PDMS30,31 ,32. In particolare, il gruppo di Thilak Gunatillake ha studiato sistematicamente lo sviluppo dei poliuretani in silicone con una migliore biostabilità e proprietà meccaniche per applicazioni biomediche a lungo termine quali l'isolamento dello stimolatore cardiaco o artificiali cuore valvole33. Hanno sintetizzato poliuretani aromatici con segmenti molli misti composto da PDMS terminazione dell'idrossile e diversi polieteri, come pure in policarbonato alifatici dioli. Tra tutti i poliuretani sintetizzati, la combinazione di Poliesametilene ossido (PHMO) e PDMS mostre le migliori proprietà meccaniche rispetto al difficile segmento compatibilità30. Negli studi successivi, hanno ulteriormente esaminato l'effetto del rapporto PDMS-a-PHMO e l'incorporazione di un estensore di catena disiloxane-basato sulle proprietà meccaniche del silicone poliuretani34,35, 36. i risultati hanno rivelato che una composizione di macrodiol di 80 wt % PDMS e 20 wt % PHMO, oltre a un extender di co-catena, ad esempio 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-tetramethyldisiloxane (BHTD), produce poliuretani più morbidi con buone proprietà meccaniche e termoplastico processabilità. Inoltre, questi in silicone-poliuretani esibiscono un biostabilità avanzata rispetto ad una comunemente applicata morbido polietere uretano37,38,39.

La biocompatibilità e la stabilità dei materiali simili e il loro utilizzo per applicazioni cardiovascolari sono stati anche segnalati40,41,42. Basato su questi risultati, a base di silicone poliurea elastomeri (o PSU) con un estensore di catena disiloxane-based sono pensati per resa elevata flessibilità e morbidezza, seppur con sufficiente resistenza meccanica, di mantenere la loro forma dopo l'applicazione del sforzo ripetuto. Per esempio, Hermans et al hanno costruito un prototipo sperimentale base poliuretanica dual-ottica a-IOL perché il design, che è stato utilizzato in precedenza per una fabbricazione usando il silicone, era estremamente morbido per gestire i carichi applicati all'interno enucleated maiale occhi43.

Questo articolo descrive la sintesi di una morbida base di silossano PSU, che è ottimizzato in termini di proprietà meccaniche ed ottiche per applicazioni come una IOL accomodante. Come le proprietà meccaniche degli elastomeri PSU sono modificabile mediante il peso molecolare di silossano, la stessa procedura può essere applicata allo sviluppo di base di silossano PSU, che può trovare applicazioni in rivestimenti e condimenti di pelle. Inoltre, questa procedura consente di preparare il poliuretano a base silossanica o elastomeri di poliuretano-urea se terminazione carbinol PDMS è usato. A seconda del tipo di diisocianato (cioè, alifatici o aromatici) utilizzato per la sintesi, le condizioni di reazione (tra cui forse la composizione del solvente, la temperatura e tempo) potrebbero essere necessario essere modificato. Per l'applicazione di diisocianati alifatici come 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) o isoforone diisocianato, la reazione deve essere accelerato utilizzando un catalizzatore di organostannici, come dibutilstagno dilaurato o distannoxane diacetoxytetrabutyl. Ad esempio, la reazione tra una terminazione hydroxypropyl PDMS e H12MDI procede in presenza di un catalizzatore. Inoltre, la temperatura di reazione deve essere aumentata a 50-60 ° C. Per l'applicazione di un diisocianato aromatico come 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), la temperatura di reazione deve essere moderatamente ma sufficientemente aumentata come diisocianati aromatici sono in genere più reattivi verso gruppi nucleofili rispetto diisocianati alifatici sono. La reazione di MDI con PDMS carbinol terminazione può essere promosso utilizzando miscele di solventi di tetraidrofurano anidro (THF) e dimetilformammide (DMF) o dimetilacetammide (DMAc) come ammine terziarie esibiscono alcune attività catalitica.

Protocol

Attenzione: Si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso. Diversi prodotti chimici utilizzati nella sintesi presentano tossicità acuta e forte irritazione alla pelle e gli occhi, così come su inalazione. Si prega di indossare indumenti protettivi (camici da laboratorio, occhiali protettivi, guanti, pantaloni lunghi e scarpe chiuse) e gestire i prodotti chimici, se possibile, sotto cappa aspirante o in luogo ben ventilato. Eseguire tutte le sintesi sotto la cappa. Idrossido di tetrametilammonio pentaidrato (TMAH): TMAH è una base forte, acutamente tossica in caso di ingestione e a contatto con la pelle, che provoca gravi ustioni chimiche sulla pelle e occhi. Esso è sensibile all'aria ed è igroscopico. Conservarlo sotto refrigerazione e azoto. A causa del suo forte odore di ammoniaca-come di gestire TMAH in luogo ben ventilato. APTMDS: APTMDS è sensibile all'aria e devono essere conservati sotto azoto. Provoca gravi ustioni cutanee e gravi lesioni oculari. H12MDI: H12MDI è tossico su inalazione e provoca irritazione alla pelle e occhi. D4: D4 può ridurre la fertilità. THF: THF è nocivo, provoca irritazione su inalazione e presumibilmente è cancerogeno. Cloroformio (CHCl3): CHCl3 è nocivo per inalazione, presumibilmente cancerogena, possono causare possibili danni alla fertilità e un bambino del unborn ed i relativi vapori può provocare sonnolenza.

1. sintesi del catalizzatore e Macromonomers di polisilossano ammino-terminato

  1. Sintesi del catalizzatore tetrametilammonio-3-aminopropyl-dimethylsilanolate
    Nota: Il catalizzatore è stato sintetizzato secondo il metodo segnalato da Hoffman e Leir44.
    1. APTMDS di Degas sotto vuoto prima di utilizzare e conservarlo sotto azoto. Pipettare circa 10 g di APTMDS usando una siringa.
    2. Aggiungere 8,13 g (33.0 mmol) di degassato APTMDS e 11,88 g (66.0 mmol) di TMAH in un pallone a sfondo sferico tre colli 100 mL. Aggiungere 20 mL di THF per sciogliere APTMDS e sospendere TMAH, insieme a un grande ovale ancoretta magnetica.
      Attenzione: TMAH è una sostanza igroscopica, corrosiva e tossica con un forte odore di ammoniaca-come e deve essere conservato ben chiuso in frigorifero. Pesare TMAH immediatamente in un luogo ben ventilato; indossare guanti protettivi e occhiali di sicurezza durante la manipolazione. APTMDS aria sensibile e provoca ustioni cutanee e gravi lesioni oculari. Pesare APTMDS da una bottiglia sigillata usando una siringa; indossare guanti protettivi e occhiali di sicurezza durante la manipolazione.
    3. Dotare i tre colli pallone con un condensatore a riflusso e ingressi e uscite per azoto e calore la miscela di reazione a 80 ° C, utilizzando una glicerina o bagno di riscaldamento olio di silicone. Mescolare la miscela di reazione per 2 h sotto riflusso e con un flusso di azoto leggero, continuo.
      Nota: La sospensione iniziale, leggermente torbida passa a una soluzione chiara entro 2 h.
    4. Rimuovere il condensatore a riflusso e distillare i THF utilizzando un aspiratore. Quindi, asciugare il prodotto grezzo leggermente giallo sotto vuoto di 0,1 mbar per 5 ore a 70 ° C, utilizzando una linea di Schlenk.
      Nota: Dopo questo passaggio, il prodotto grezzo può essere conservato in frigorifero a 10 ° C fino al giorno seguente.
    5. Risospendere il prodotto grezzo in 50 mL di THF. Se necessario, utilizzare una spatola per suddividere grandi agglomerati e filtrare la sospensione utilizzando un aspiratore. Lavare il precipitato almeno 3 volte con 20 mL di THF, fino a quando il prodotto diventa un solido polvere-come bianco.
    6. Asciugare il prodotto sotto vuoto di 0,1 mbar a temperatura ambiente per 3 h. Quindi, conservare il catalizzatore in frigorifero a 10 ° C sotto azoto fino all'utilizzo.
  2. Sintesi di Α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethylsiloxanes
    Nota: Sintesi di PDMS, con un peso molecolare di ~ 15.500 g · mol-1.
    1. Degas D4 e APTMDS sotto vuoto prima dell'uso. Pipettare circa 1,5 g di APTMDS, usando una siringa.
    2. Aggiungere 19,5 g (65,7 mmol) di degassato D4 e 0,9 g (3,6 mmol) di APTMDS in un pallone a sfondo sferico di tre colli di 100ml, è dotato di un agitatore centrifugo rivestite in PTFE e un azoto entrata ed uscita.
    3. Aggiungere ~ 26 mg del catalizzatore (dalla sezione 1.1) e mescolare la miscela di reazione per 30 min a 80 ° C sotto un flusso di azoto leggero, continuo.
      Nota: Un olio di glicerina o silicone riscaldamento vasca può essere utilizzato.
    4. Aggiungere goccia a goccia 45,5 g (153.4 mmol) di D4 per la miscela di reazione, utilizzando un imbuto separatore (entro 2-3 h) e mescolare ulteriormente a 80 ° C per 24 h in un flusso continuo di azoto.
      Nota: La reazione può procedere durante la notte.
    5. Riscaldare la miscela di reazione fino a 150 ° C e mescolare per 2 h per decomporre il catalizzatore. Quindi, consentire il PDMS raffreddare a temperatura ambiente.
    6. Scambiare l'agitatore centrifuga con un ancoretta magnetica ovale grande e sigillare il tre colli pallone con due tappi. Usare un adattatore con una valvola e riscaldare lentamente il PDMS a 150 ° C sotto vuoto di 0,1 mbar per distillare fuori i lato ciclico prodotti utilizzando una linea di Schlenk. Consentire il PDMS raffreddare a temperatura ambiente.
      Nota: Distillazione sotto vuoto si verifica in genere in 4-5 h.
  3. Sintesi di α, ω-bis(3-aminopropyl)-polidimetil-metil-phenylsiloxane
    Nota: Questa sezione descrive la procedura di sintesi per un polisilossano con un peso molecolare di ~ 15.500 g · mol-1 e 14 mol % metil-fenil silossanici; Questa procedura è paragonabile alla sintesi PDMS, che è descritto nella sezione 1.2.
    1. Degas D4 e APTMDS sotto vuoto prima dell'uso. Pipettare circa 1,5 g di APTMDS usando una siringa. Luogo D4Me, Ph a 70 ° C per 3-5 h in una camera sottovuoto per sciogliere completamente e di omogeneizzare il prodotto prima dell'uso.
    2. Aggiungere 4,54 g (15,3 mmol) di D4, 14,96 g (27,5 mmol) di D4Me, Phe 0,9 g (3,6 mmol) di APTMDS in un pallone a sfondo sferico di tre colli di 100ml, è dotato di un agitatore centrifugo rivestite in PTFE e un azoto entrata ed uscita.
    3. Aggiungere ~ 26 mg del catalizzatore (dalla sezione 1.1) e mescolare la miscela di reazione a 80 ° C per 30 min sotto un flusso continuo di azoto.
    4. Aggiungere goccia a goccia 45,5 g (153.4 mmol) di D4 nella miscela di reazione, utilizzando un imbuto separatore (entro 2-3 h) e mescolare ulteriormente a 80 ° C per 24 h in un flusso continuo di azoto.
      Nota: La reazione può procedere durante la notte.
    5. Procedere con la sintesi seguendo la procedura descritta 1.2.5 e 1.2.6.

2. peso molecolare determinazione di polisilossano

  1. Peso molecolare teorico di polisilossano
    1. Calcolare il peso molecolare teorico Equation 1 di polisilossano secondo la seguente equazione:
      Equation 2(1)
      Qui, Equation 1 è il peso molecolare medio numerico di polidimetilsilossano, m è la massa (g) dei monomeri usati D4 e APTMDS, e n è la quantità di APTMDS in moli.
  2. Determinazione del peso molecolare di polisilossano di 1H-NMR spettroscopia
    1. Sciogliere 10-20 mg di polisilossano in 0,5 mL di CDCl3, registrare il suo spettro NMR e calibrare gli spostamenti chimici [δ] al segnale solvente a 7,26 ppm.
    2. Calcolare il peso molecolare Equation 1 di polisilossano dai valori integrali secondo la seguente equazione.
      Equation 3(2)
  3. Determinazione del peso molecolare di polisilossano per titolazione
    1. Aggiungere 1,5-2 g di polisilossano in una beuta da 250 mL e scioglierla in 50 mL di THF sotto agitazione continua utilizzando un ancoretta magnetica.
    2. Titolare di gruppi amminici con 0.1 M HCl con blu di bromofenolo, fino a quando un colore cambia dal blu al giallo è osservato. Ripetere la titolazione con tre campioni per calcolare il peso molecolare medio numerico.

3. sintesi degli elastomeri di polisilossano-urea

Nota: Questa sezione descrive la procedura di sintesi per un elastomero di urea PDMS-basato del contenuto di segmenti duri 10 w % (% HS) (PDMS: 15.500 g · mol-1).

Equation 4(3)

  1. Aggiungere g 2,939 (11,2 mmol) di H12MDI in un matraccio da quattro-collo rotondo-fondo reazione 250 mL, che è dotato di un agitatore centrifugo rivestite in PTFE, eliminazione di imbuto e azoto entrata ed uscita e scioglierla in 20 mL di THF.
    Attenzione: H12MDI è un diisocianato di volatile basso e provoca irritazione alla pelle e occhi. Indossare guanti protettivi e occhiali di sicurezza.
    Nota: In alternativa, sciogliere H12MDI in THF in un becher da 50 mL e aggiungere la soluzione attraverso un imbuto o un bicchiere tulipano nel pallone di reazione. Poi, risciacquare il becher e imbuto con 10 mL di THF.
    1. Sciogliere 45,0 g (2,9 mmol) di degassato PDMS in 100 mL di THF; Aggiungere goccia a goccia la soluzione nella soluzione H12MDI utilizzando un imbuto separatore sotto agitazione continua e un flusso di azoto a temperatura ambiente. Sciacquare il bicchiere e rilasciando imbuto con 50 mL di THF e aggiungere questa soluzione alla miscela di reazione.
    2. Controllare la formazione del prepolimero tramite spettroscopia FTIR.
      Nota: I progressi di reazione possono essere monitorati in due modi: utilizzando in linea o non in linea spettroscopia ATR-FTIR.
      1. Per inline ATR-FTIR spectroscopy, inserire una sonda di ATR-FTIR in linea, che è collegata allo spettrometro, lo snodo centrale all'inizio della reazione. Utilizzare un ancoretta magnetica ovale grande invece di un agitatore rivestite in PTFE. Iniziare a registrare gli spettri della soluzione MDI H12e selezionare il picco di assorbimento di NCO a 2266 cm-1 a seguire la conversione dei gruppi isocianati.
      2. Per spettroscopia ATR-FTIR non in linea, prendere campioni di miscela di reazione usando una pipetta di Pasteur e aggiungere poche gocce sul cristallo ATR. Evaporare il solvente sotto un flusso di azoto fino a una sottile pellicola rimane sulla superficie del cristallo ATR. Registrare spettri alle fasi di reazione diversa (dopo l'aggiunta completa di PDMS e dopo l'aggiunta di ogni porzione di APTMDS).
    3. Aggiungere alla soluzione prepolimero porzioni della quantità stechiometrica dell'estensore di catena APTMDS.
      Nota: L'aggiunta dell'estensore di catena può procedere in due modi (vedere i passaggi 3.1.3.1 e 3.1.3.2).
      1. Sciogliere la quantità pesata dell'estensore di catena in 5-10 mL di THF e aggiungere goccia a goccia la soluzione per la miscela di reazione, utilizzando una pipetta Pasteur o utilizzando un imbuto, seguito da un risciacquo nuovamente con 3 mL di THF.
      2. Aggiungere parti dell'estensore di catena in una siringa e aggiungere goccia a goccia l'estensore di catena alla miscela di reazione. In questo caso, sigillare la giunzione quarta usando un tappo di gomma del setto.
        1. Aggiungere 1,65 g (6,6 mmol) di APTMDS, pari all'80% dell'importo calcolato di APTMDS, per il prepolimero. Quindi, controllare la reazione progressi tramite spettroscopia FTIR.
        2. Aggiungere 0,21 g (0,8 mmol) di APTMDS (in totale, 90% dell'importo calcolato) alla miscela di reazione, quindi controllare l'andamento della reazione di FTIR.
        3. Aggiungere 0,1 g (0,4 mmol) di APTMDS (in totale, 95%) alla miscela di reazione e controllo la reazione procede utilizzando FTIR.
        4. Infine, l'ultima parte dell'estensore di catena (0,102 g, 0,41 mmol) di aggiungere alla miscela di reazione e verificare la scomparsa della banda di assorbimento di NCO nello spettro FTIR.
          Nota: Dopo l'aggiunta della parte prima dell'estensore di catena, è osservato un aumento della viscosità.
    4. Versare la soluzione PSU in un bicchiere di PTFE-lamina-coperto di Petri e far evaporare il solvente durante la notte sotto la cappa. Inoltre, asciugare l'alimentatore in una camera a vuoto a 80 ° C per 12 h.

4. meccanica procedura di collaudo

  1. Preparazione di polisilossano-urea elastomero film
    1. Sciogliere 7-8 g di piccoli pezzi PSU in 200-250 mL di CHCl3 in una beuta da 300 mL, vagamente tappare il matraccio con un tappo di vetro e mescolare il composto utilizzando un ancoretta magnetica per almeno 24 h. Se necessario, aggiungere ulteriori porzioni di solvente.
      Attenzione: Il cloroformio è presumibilmente cancerogeno. Vapori può provocare sonnolenza su inalazione. Gestire il cloroformio in un luogo ben ventilato.
    2. Aggiungere la soluzione omogenea in un bicchiere di Petri e coprirlo con un foglio di alluminio forato. Lasciare evaporare lentamente sia inserendo la capsula di Petri in un luogo ben ventilato o in una cappa aspirante con la finestra a ghigliottina aperta il solvente.
      Nota: Quando si inserisce la capsula di Petri nella cappa, diminuire il flusso d'aria se possibile. Estremamente rapida evaporazione del solvente porta alla disomogeneità e la formazione di macchie opache nei film trasparente.
    3. Asciugare la pellicola a 80 ° C in una camera a vuoto per 12 h.
    4. Con attenzione rimuovere la pellicola dalla superficie del vetro con una piccola spatola sottile e conservare la pellicola PSU all'interno di una busta trasparente al successivo utilizzo per la caratterizzazione meccanica.
  2. Prove di sollecitazione-deformazione su polisilossano-urea film di elastomero
    1. Preparare gli esemplari di fustellati a forma di osso cane dalle pellicole PSU secondo Keiper45 (tipo S2). Posizionare la pellicola PSU, che è coperto da lamine di busta, sotto un'unità di punzonatura coltello con una forma come mostrato nella Figura 4. Spingere la leva verso il basso per perforare il provino e memorizzarlo per almeno 72 h a temperatura ambiente (23 ± 2 ° C).
    2. Accendere la macchina per prove di trazione e il computer. Avviare il software cliccando sull'icona. Selezionare il metodo come prova di trazione e verifica se la cella di carico corretto (100 N) viene installata nella macchina di prova.
    3. Selezionare l' Assistente di metodo e verificare se tutti i test le impostazioni sono corrette. Vai a pre-test e verifica se sono attivate le seguenti impostazioni: la lunghezza del campione originale (L0) a 20 mm, il precarico a 0,1 MPa e la velocità fino a precarico viene raggiunta a 5 mm/min.
    4. Vai al test parametro e verifica se sono attivate le seguenti impostazioni: la velocità per la determinazione del modulo di Young a 1 mm/min, la velocità fino alla rottura del campione a 25 mm/min, la rilevazione della rottura del campione al 80% Fmax, il determinazione del modulo di Young in regressione, l'inizio della determinazione di modulo di Young al 2% di deformazione e alla fine della determinazione di modulo di Young al 6% di deformazione. Lasciare l' Assistente di metodo e passare alla finestra principale del software.
    5. Premere il pulsante di accensione la macchina di prova e fare clic sul pulsante Vai alla posizione di partenza nella finestra principale del software.
    6. Rimuovere la pellicola di protezione e controllare il risultato della prova sotto un croce-polarizzatore per escludere eventuali tensioni interne. Misurare lo spessore di campione e la larghezza del campione utilizzando un calibro. Quindi, inserire i valori per larghezza e spessore del campione nei campi corrispondenti nella finestra principale del software.
    7. Fissare il campione di prova tra le ganasce di serraggio superiore della macchina di prova. Fare clic sul pulsante forza zero nella finestra principale del software. Fissare l'estremità inferiore del provino tra il fondo ganasce della macchina di prova.
      Nota: Se le superfici delle ganasce di serraggio sono scivolose, posizionare l'estremità del provino tra carta abrasiva di grana fine per evitare che l'esemplare scivoli durante la misurazione.
    8. Fare clic sul pulsante avviare la misurazione per avviare la prova di trazione.
    9. Dopo aver completato la misura, procedere con i passaggi 4.2.6 e 4.2.7. Dopo aver sistemato il provino tra le ganasce di bloccaggio superiore e selezione forza zero, selezionare il pulsante Vai alla posizione di partenza nella finestra principale del software. Fissare l'estremità inferiore del provino tra il fondo ganasce di serraggio, quindi fare clic su avviare la misurazione nuovamente.
    10. Ripetere i passaggi 4.2.6 - 4.2.8 per un esemplare PSU almeno una x 3 ulteriori per la valutazione statistica di modulo di Young, resistenza alla trazione e l'allungamento a rottura.
  3. Prove di isteresi su film elastomero PSU
    1. Accendere la macchina per prove di trazione e il computer. Avviare il software cliccando sull'icona. Selezionare il metodo come prova di trazione ciclico e verificare l'installazione della cella di carico corretto (100 N) nella macchina di prova.
    2. Selezionare l' Assistente di metodo e verificare se tutti i test le impostazioni sono corrette. Vai a pre-test e verifica se sono attivate le seguenti impostazioni: la lunghezza del campione originale (L0) a 20 mm, il precarico a 0,05 MPa e la velocità fino a precarico viene raggiunta a 5 mm/min.
    3. Andare per il parametro di prova e verifica l'attivazione delle seguenti impostazioni: il numero di cicli a 10, il valore nominale di carico al 100% di deformazione, il setpoint scarico a 0% di deformazione e la velocità a 25 mm/min lascia l' Assistente di metodo e passare alla finestra principale del software.
    4. Procedere con procedura 4.2.5 - 4.2.8.
    5. Ripetere le misurazioni di isteresi con due esemplari per la valutazione statistica. Calcolare l'isteresi meccanica per ogni ciclo secondo la seguente equazione.
      Equation 5(4)

5. procedura coltivazione di cellule HaCaT

  1. Scaldare un stoccaggio provette criogenia con cellule HaCaT e Dulbecco modificato medio dell'Aquila (DMEM) in bagnomaria a 37 ° C. Sotto il banco da lavoro di sicurezza microbiologica, trasferire rapidamente la sospensione cellulare in una provetta conica per centrifuga 10ml, che viene riempita con DMEM caldo.
    1. Sottoporre la sospensione cellulare a centrifugazione per 6 min a 845 x g. Scartare una maggioranza del surnatante utilizzando un bicchiere usa e getta pipetta di Pasteur, che è collegato a una pompa a vuoto, e risospendere il pellet cellulare nel liquido restante pipettando delicatamente gli agglomerati di cellule su e giù per mezzo di una pipetta di Eppendorf.
    2. Trasferire le cellule sedimento in un pallone di cultura cellulare di 25cm2 e aggiungere 9 mL di DMEM, che è completato con 10% FBS. Incubare le cellule a 37 ± 1 ° C e 5% CO2 nell'incubatrice mobile. Controllare la proliferazione delle cellule al giorno utilizzando un microscopio invertito. Cambiare il DMEM ogni terzo giorno fino a quando le cellule diventano subconfluent.
    3. Eseguire un passaggio di cella sotto il banco da lavoro di sicurezza rimuovendo il DMEM utilizzando un pipetta Pasteur di vetro monouso. Aggiungere 10 mL di tampone PBS per lavare lo strato delle cellule. Rimuovere il tampone PBS utilizzando un pipetta Pasteur di vetro monouso nuovamente.
    4. Aggiungere 1 mL di una soluzione di tripsina/EDTA nel matraccio di cultura 25 cm2 cella per staccare le cellule e incubare li nell'incubatore CO2 CAB. Verifica se le cellule sono presenti in sospensione, utilizzando un microscopio invertito.
    5. Aggiungere 3 mL di DMEM nel matraccio di cultura cellulare per inattivare la tripsina. Trasferire la sospensione cellulare in una provetta per centrifuga e sottoporre le cellule a centrifugazione per 6 min a 845 x g. Rimuovere una maggioranza del surnatante, utilizzando un pipetta Pasteur di vetro. Risospendere le cellule in DMEM il restante e aggiungere 10 mL di DMEM caldo fresco, che è completato con 10% FBS.
    6. Trasferire 5 mL di sospensione cellulare in ciascuno dei matracci di cultura di 75cm2 cella e aggiungere 15 mL di DMEM caldo fresco, completati con 10% FBS. Coltivare le cellule HaCaT a 37 ± 1 ° C e 5% CO2 nell'incubatore CO2 mobile fino a quando le cellule diventano subconfluent.
    7. Ripetere il passaggio delle cellule secondo passi 5.1.3 - 5.1.6 ma questa volta, utilizzare 2 mL di una soluzione di tripsina/EDTA e 6 mL di DMEM per inattivare la tripsina.

6. procedura per un'analisi di attuabilità delle cellule MTS usando le cellule HaCaT

Nota: Test di citotossicità In vitro sono stati eseguiti secondo Wenzelewski46, utilizzando estratti medio delle cellule. Esempi di PSU e biomedica-grado in poliuretano sono stati sterilizzati con ossido di etilene.

  1. Coltura di cellule HaCaT a 37 ± 1 ° C e 5% CO2 in DMEM, che è completato con 10% FBS in un matraccio di cultura cellulare2 75 cm. Utilizzare le celle per i test di citotossicità in vitro , almeno dopo il quarto passaggio.
    1. Aggiungere campioni sterili di PSU e un materiale di riferimento (0,7 g) in provette centrifuga a fondo conico da 50 mL ed estrarre i campioni con DMEM, senza FBS, per 72 ± 2 ore a 37 ° C e 5% di CO2 con un rapporto di estrazione di 0,1 g/mL. Utilizzare tre estratti per ogni campione PSU. Preparare campioni ciechi riempiendo DMEM, senza FBS, in provette centrifuga a fondo conico da 50 mL ed eseguire l'estrazione stessa.
    2. Il giorno 2 della procedura di estrazione, eseguire distacco cellulare secondo passi 5.1.3 - 5.1.5 con 2 mL di tripsina/EDTA e 6 mL di DMEM. Prendere un 100 µ l aliquota della sospensione cellulare e aggiungere 100 µ l di DMEM. Da questa sospensione diluita, prendere 20 µ l di aliquota e aggiungere 10 µ l di una soluzione di blu di trypan 0,5% a macchiare le cellule morte.
    3. Incubare le cellule per 2 min riempimento l'emocitometro utilizzando una micropipetta e immediatamente contare le celle all'interno delle quattro camere. Calcolare il numero di cellule vitali e non vitali per valutare la vitalità cellulare in percentuali.
      Nota: In alternativa, le cellule possono essere contati utilizzando una sistema di conteggio della cella.
    4. Seme HaCaT cellule (quarto passaggio) ad una concentrazione di 20 x 103 cellule/pozzetto in 200 µ l di DMEM in 96 pozzetti e incubare le cellule per 24 h a 37 ° C e 5% CO2.
    5. Il giorno 3, dopo l'estrazione, aggiungere 10% FBS per ogni estratto e cieco campioni e scaldare i campioni fino a 37 ° C con un bagno d'acqua. Rimuovere il DMEM da ciascuno seminato bene e sostituire il mezzo di estratti, campioni ciechi e i corrispondenti controlli positivi e negativi. Per ogni alimentatore estrarre (uso tre estratti per ogni campione PSU), Pipettare 200 µ l di estratto in sei pozzi.
    6. Dispensare 200 µ l del campione cieco (DMEM + 10% FBS) in sei pozzi. Dispensare 200 µ l di DMEM freschi, completati con 10% FBS (controllo negativo), in sei pozzi. Dispensare 200 µ l di controllo positivo (DMEM + 10% FBS + 1% SDS) in sei pozzi. Incubare le cellule con i controlli per 24 h a 37 ° C e 5% CO2e gli estratti.
      Nota: Per la preparazione di un controllo positivo, preparare una soluzione di SDS 20% in acqua e diluirla con DMEM a 1:2. Quindi, diluire ulteriormente con DMEM per preparare una soluzione di SDS 1%.
    7. Il giorno 4, poco prima della fine del tempo di incubazione, è necessario preparare una soluzione stock di MTS e DMEM senza FBS (per ciascun pozzetto, uso 20 µ l di soluzione MTS + 100 µ l di DMEM). Dopo il tempo di incubazione, rimuovere l'estratti, soluzioni ciechi e controlli e pipettare 120 µ l della soluzione madre MTS in ciascun pozzetto, così come in sei pozzi senza celle per determinare lo sfondo. Incubare le cellule per 4 h a 37° C e 5% CO2.
    8. Il giorno 4 dopo l'incubazione della soluzione MTS, misurare l'assorbanza di ciascun pozzetto a 492 nm, utilizzando un lettore di micropiastre. Sottrarre l'assorbanza misurata dello sfondo da quella dei pozzi seminati. Si supponga che i valori di assorbanza misurato dal controllo positivo rappresentano 0% proliferazione e impostare tali valori di assorbanza a 0. Si supponga che i valori di assorbanza misurato dal controllo negativo rappresentano 100% proliferazione e impostare tali valori a 100.
    9. Calcolare la proliferazione delle cellule dai valori di assorbanza come percentuale dei valori di assorbanza dal controllo negativo (100% proliferazione) e il controllo positivo (0% proliferazione). Valutare gli estratti di campione che esibiscono la proliferazione delle cellule fino al 81% come non citotossici.
      Nota: Secondo informazioni47, del fornitore misurare l'assorbanza di più tardi. Pipettare 25 µ l di una soluzione di 10% SDS in ciascun pozzetto per fermare la reazione e memorizzare la micropiastra per fino a 18 h al riparo dalla luce a temperatura ambiente in una camera umidificata.

Representative Results

L'equilibrazione anello-catena di D4 e D4Me, Ph con il endblocker APTMDS ha reso amminopropil terminato polydimethylsiloxanes e polidimetil-metil-fenil-silossano-copolimeri, rispettivamente, che sono stati sintetizzati con i pesi molecolari tra 3.000 e 33.000 g · mol-1 di regolazione del rapporto di monomero tra D4 e APTMDS (Figura 6). Pesi molecolari Equation 1 del PDMS preparati, che sono stati determinati da spettri 1H-NMR (Figura 5), erano simili ai valori ottenuti da titolazione. Questi valori erano in accordo con i pesi molecolari teorici calcolati fino a 15.000 g · mol–1. Durante la preparazione del PDMS con pesi molecolari superiori, i pesi molecolari ottenuti sono stati leggermente superiori a quelli presunti di calcolo teorico. La copolimerizzazione dei silossani ciclici con ciondolo fenilico gruppi D4Me, Ph è stata considerata riuscita per aumentare leggermente l'indice di rifrazione di polisilossani. L'indice di rifrazione (determinato utilizzando il rifrattometro di Abbe a 37 ° C) è aumentato da 1,401 (non modificato PDMS) a 1.4356 (14 mol % metil-fenil-silossano) (Figura 7). Gli elastomeri PSU sono stati sintetizzati in due passaggi utilizzando il preparato amminopropil terminato PDMS, diisocianato alifatico H12MDI e APTMDS, usando il THF come solvente. Questo metodo consentito la costruzione di alimentatori ad alto peso molecolare con una struttura segmentata di segmenti molli (PDMS) e segmenti duri (diisocianato + urea). Spettroscopia FTIR Inline ha confermato la reazione estremamente rapida dei gruppi isocianato con i gruppi amminici dal PDMS e l'estensore di catena APTMDS (Figura 3 e Figura 8). A differenza di preparazione dei elastomeri poliuretanici, che richiede diverse ore, la preparazione degli elastomeri PSU era conveniente. La trasparenza e le proprietà meccaniche degli elastomeri PSU erano dipendenti dal peso molecolare PDMS. Pellicole trasparenti di elastomero PSU ha esibito una trasmittanza di > 90% fino a un peso molecolare PDMS di 18.000 g · mol-1. A più alti pesi molecolari PDMS, le pellicole PSU sono diventato sempre più opache (Figura 9). Con l'aumento del peso molecolare PDMS, morbidi elastomeri PSU potrebbero essere preparati. Il modulo di Young di elastomeri PSU è diminuito da ~5.5 MPa (con un peso molecolare PDMS di 3.000 g · mol-1) a 0,6 MPa (con un peso molecolare PDMS di ≥ 26, 000 g · mol-1) (Figura 10). Inoltre, isteresi meccanica, che è stato utilizzato per valutare la stabilità meccanica sotto ripetute sollecitazione applicata, è stato ridotto per gli elastomeri PSU quando erano preparati da PDMS di alto peso molecolare. I valori di isteresi per il primo ciclo a un ceppo di 100% è diminuito da 54% (con un peso molecolare PDMS di 3.000 g · mol-1) a 6% (con un peso molecolare PDMS di 33.000 g · mol-1) (Figura 11). Il metodo di sintesi applicata consentito la preparazione degli elastomeri PSU che non rilasciano residui citotossici come gli esempi riportati in test di vitalità cellulare eseguita con gli estratti di alcuni elastomeri PSU selezionati sulle cellule HaCaT (Figura 12).

Figure 1
Figura 1: Sintesi del catalizzatore tetrametilammonio-3-aminopropyl-dimethylsilanolate.
Idrossido di tetrametilammonio pentaidrato (TMAH) e 1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS) sono state reagite 2h in THF a 80 ° C. Il catalizzatore di tetrametilammonio-3-aminopropyl-dimethylsilanolate viene ricevuto come un solido bianco dopo aver lavato il prodotto grezzo con THF. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: percorso di sintesi per amminopropil terminato polydimethylsiloxanes (PDMS) e polidimetil-metil-fenil-silossano-copolimeri. Monomeri ciclici D4/D4Me, Ph sono equilibrati utilizzando un endblocker disiloxane APTMDS a 80 ° C per 24 h utilizzando il catalizzatore di tetrametilammonio-3-aminopropyl-dimethylsilanolate. Questa figura è stata modificata da Riehle et al. 48. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: sintesi in due fasi di elastomeri segmentato urea a base di polisilossano (PSU). Nel primo passaggio, un prepolimero contenenti gruppi isocianati attivo è formato dopo la reazione di H12MDI con amminopropil terminato Polisilossano (R = CH3: PDMS; R = Ph; copolimero). Nel secondo passaggio, il peso molecolare del polimero è aumentato tramite la reazione dei restanti gruppi isocianato attivo con l'estensore di catena APTMDS. L'elastomero risultante è un polimero segmentato composto da segmenti duri dell'urea e segmenti molli del silicone. Questa figura è stata modificata da Riehle et al. 48. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: specifica del cane-a forma di osso provino per prove di sforzo-. Questa figura è stata modificata da Keiper45. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: 1H-NMR spettro di polidimetilsilossano amminopropil terminato. Per il calcolo del peso molecolare, valori integrali del metilene protoni d (δ 2,69 ppm) e b (δ 0,56 ppm) e metil protoni un (δ ~ 0,07 ppm) sono stati utilizzati. Il picco c (δ ~1.5 ppm) è overlaid dal HDO picco49, corrispondente allo scambio di protoni di tracce d'acqua con solvente CDCl3; quindi, questo picco non viene utilizzato per calcolare il peso molecolare. Il peso molecolare PDMS in questo spettro è ~ 16.365 g · mol-1. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Correlazione lineare tra il peso molecolare Equation 6 di concentrazione amminopropil terminato di polydimethylsiloxanes ed endblocker. Equation 1 i valori sono stati determinati tramite 1H-NMR spettroscopia, la titolazione di gruppi amminici terminali e il calcolo teorico secondo l'equazione (1). Questa figura è ristampata con il permesso da Riehle et al. 48. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: indici di rifrazione di amminopropil terminato polidimetil-metil-fenil-silossano-copolimeri. Indici di rifrazione (RI) di polidimetil-metil-fenil-silossano-copolimeri erano risoluti a 20 ° C (quadrati neri) e 37 ° C (cerchi rossi) usando un rifrattometro di Abbe. I valori di RI aumentati linearmente con la quantità delle unità fenil-metil-silossano incorporato. Valori di RI a 0% in moli rappresentano quelli da PDMS non modificato con un peso molecolare comparabile ai polidimetil-metil-fenil-silossano-copolimeri. Un'ottimale RI di 1.4346 (37 ° C) è stata ottenuta per un copolimero con 14% in moli di metil-fenil-silossano. Questa figura è stata ristampata con il permesso di Riehle et al. 48. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: isocianato conversione durante la sintesi di polidimetilsilossano-urea (PSU). Questa figura mostra un terreno dipendente dal tempo della banda di assorbimento di NCO a 2.266 cm1 seguita dalla spettroscopia FTIR-ATR inline durante la sintesi del PSU. Dopo l'aggiunta di polidimetilsilossano amminopropil terminato, è diminuita l'altezza della banda NCO, indicativo della formazione delle catene prepolimero terminato NCO. Dopo l'aggiunta dell'estensore di catena APTMDS, la band di NCO completamente è sparito dagli spettri IR. Questa figura è stata ristampata con il permesso di Riehle et al. 50. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: dipendenza della trasmittanza di elastomero PSU film al 750 nm e il peso molecolare di polidimetilsilossano. La trasmittanza dei film PSU è stata determinata mediante spettroscopia UV-Vis. La trasmittanza di PSU a 750 nm (il bordo superiore dello spettro visibile) è > 90% se PSU sono stati sintetizzati utilizzando PDMS con peso molecolare compreso tra 3.000 e 18.000 g · mol-1. Con un crescente peso molecolare di PDMS, aumentato l'opacità del film. Questa figura è stata ristampata con il permesso di Riehle et al. 48. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 10
Figura 10: modulo di Young di elastomeri PSU in funzione del peso molecolare di polidimetilsilossano. Moduli di Young (YM) sono stati determinati dalle misure di sforzo-deformazione dei film PSU. I valori sono espressi come valore medio ottenuto da cinque misurazioni ripetute. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. La diminuzione più alta di YM è stata osservata per PSU sintetizzato da PDMS che vanno da 3.000 a 9.000 g · mol–1. Alle PDMS pesi molecolari tra 12.000 e 18.000 g · mol-1, YM valori sono compresi tra 1,5 MPa e 1,0 MPa. A pesi molecolari superiori a 26.000 g · mol-1, YM valori erano ~0.6 MPa. Questa figura è stata ristampata con il permesso di Riehle et al. 48. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 11
Curve di isteresi di figura 11:100 % di elastomeri PSU. Le curve di isteresi di primo ciclo degli elastomeri PSU al 100% di allungamento sono illustrate. La notazione di polimero si riferisce al peso molecolare PDMS (ad es., PSU-3T è un elastomero poliureico preparato da PDMS con un peso molecolare di 3.000 g · mol-1). La più alta isteresi meccanica (43% - 54%) è stata osservata in elastomeri PSU sintetizzati da PDMS di basso peso molecolare, come indicato dalle curve pronunciate isteresi. Isteresi è diminuito con l'aumento del peso molecolare PDMS dal 14% (15.000 g · mol-1) al 6% (33.000 g · mol-1). Questa figura è stata ristampata con il permesso di Riehle et al. 48. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 12
Figura 12: Risultati dei test di citotossicità in vitro su cellule HaCaT trattate con estratti di PSU. Questa figura mostra la proliferazione delle cellule delle cellule HaCaT trattate con estratti di media delle cellule degli elastomeri PSU. I valori sono espressi come il valore medio ottenuto da tre estratti testati per campione, con sei misurazioni ripetute per ogni Estratto (18 ripetizioni in totale). Le barre di errore rappresentano la deviazione standard da queste misure. Il vuoto rappresenta il medium DMEM (senza campione), che è stata trattata analoga al mezzo cellulare utilizzato per l'estrazione delle cellule. Un uretano polietere medicale è stato selezionato come il materiale di riferimento. Elastomeri siliconici poliurea (PSU-18T, PSU-16T e PSU-14Ph) sono stati selezionati come campioni rappresentativi, che si basavano su PDMS con peso molecolare di 16.000 e 18.000 g · mol-1 (PSU-18T e PSU-16T), mentre PSU-14Ph si basava su un Polidimetil-metil-fenil-silossano-copolimero con 14% in moli di metil-fenil-silossani e un peso molecolare di ~ 16.600 g · mol-1. La proliferazione media delle cellule HaCaT, trattati con gli estratti di elastomeri il PSU e il poliuretano di riferimento era al 100% e superiore. Di conseguenza, gli estratti del PSU elastomeri e poliuretano di riferimento non sono citotossici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Per ottenere ad alto peso molecolare amminopropil terminato PDMS via anello-catena equilibrazione, utilizzando un anidro, catalizzatore fortemente basico è cruciale. Altri catalizzatori in genere applicate, come idrossido di tetrametilammonio (TMAH) o idrossido di potassio (KOH), contengono residui di acqua, che promuovono reazioni secondarie; quindi, una miscela di composti difunzionali, monofunzionale e non funzionali PDMS catene con pesi molecolari simili si ottiene44. Inoltre, se TMAH è usato, la reazione richiede > 48 h per completamento e lo fa non sempre procedere con monomero completo consumo44.

In particolare, la pesatura della endblocker APTMDS è fondamentale per ottenere il desiderato peso molecolare di PDMS. Ad esempio, invece di 0,9 g di APTMDS, se 0,85 g è usata per sintetizzare PDMS, come descritto nella sezione 2.1 del protocollo, questo porterebbe a un teorico peso molecolare di circa > 900 g · mol-1. Inoltre, il peso molecolare teorico dipende la conversione. Se i prodotti collaterali ciclico non sono considerevolmente rimosso tramite distillazione sotto vuoto, si otterrà un valore di conversione elevato. Ad esempio, per utilizzare la stessa procedura di sintesi (come descritto in sezione 2.1 del protocollo), una conversione calcolata del 90% porterebbe ad un peso molecolare teoricamente calcolato; Questo valore è 910 g · mol-1 maggiore che se si presume una conversione dell'85%. Deviazioni nella determinazione del peso molecolare di polisilossano per titolazione possibilmente correlate per la pesatura di PDMS in boccette, particolarmente se una buretta 50ml è usata per la titolazione. Una deviazione legata alla pesatura di 0,06 g di polisilossano potrebbe condurre ad una differenza calcolata di ~ 650 g · mol-1. Pertanto, si raccomanda l'uso di un titolatore semiautomatico.

L'indice di rifrazione di PDMS può essere aumentato dall'incorporazione di fenil gruppi17,51, alogenati fenilico gruppi52, o contenenti zolfo gruppi53. Tentativi di incorporare gruppi fenilici PDMS tramite la copolimerizzazione di octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph) come descritto da Yilgör, Riffle e McGrath54 erano infruttuosi sotto le condizioni di reazione applicata, Forse perché la spina dorsale di ingombranti anello ha reso impossibile per il catalizzatore applicato spezzare i legami silossanici alla temperatura di reazione selezionata. L'anello diPh 4D possa essere aperti se KOH viene utilizzato ad una temperatura di reazione di 160 ° C. Tuttavia, si ottengono polisilossani estremamente ad alto peso molecolare, che presumibilmente contengono elevate quantità di impurità non funzionale. In aggiunta, la rimozione del catalizzatore KOH in tali copolimeri non è semplice e richiede una fase di neutralizzazione con HCl etanolica, seguita da un'estrazione acquosa del catalizzatore. Quindi, il PDMS deve essere disciolto in un solvente organico, come ad esempio CH2Cl2, per separare la fase acquosa dalla fase organica contenente PDMS. Infine, la fase organica deve essere asciugata sulle MgSO4, seguita da filtrazione e distillazione sotto vuoto utilizzando un evaporatore rotante54. Al contrario, il metodo presentato in questo manoscritto consente il catalizzatore essere rimosso immediatamente tramite decomposizione termica. Pertanto, invece di utilizzare tinta monomero D4Ph, gruppi fenilici sono introdotti con successo nel backbone del PDMS di copolimerizzazione del monomero liquido D4Me, Ph, come confermato da 29Si-NMR spettroscopia50.

Gli elastomeri PSU sintetizzati hanno esibito YM di 0,6 - 5,5 MPa ed alta elasticità con valori di allungamento fino al 1.000%. Tali valori di alto allungamento erano legate non solo alla struttura del polimero segmentato, ma anche di alto peso molecolare degli elastomeri PSU (Equation 1 > 100.000 g · mol-1)48. Una reazione istantanea avviene tra i gruppi amminici e gruppi alifatici isocyanyate a temperatura ambiente, che porta al rapido aumento di peso molecolare. Questo risultato è stato ulteriormente sostenuto conducendo la reazione in un solvente, perché un leggero aumento nella viscosità non sembra rallentare in modo significativo, la velocità di reazione che sarebbe altrimenti influenzare notevolmente il peso molecolare per un quasi in pareggio rapporto stechiometrico. Al contrario, quando un diolo di filiera corta, ad esempio 1,4-butandiolo, è stato usato come l'estensore di catena, gli elastomeri di poliuretano-urea risultanti erano non solo meno elastico, ma anche perso una notevole stabilità meccanica, specialmente se era alto peso molecolare PDMS utilizzato per la sintesi. Questo risultato era presumibilmente imparentato con i pesi molecolari notevolmente bassi degli elastomeri (risultati non pubblicati), corrispondente alla conversione incompleta di tutti i gruppi isocianati nell'ultima fase di poliaddizione. Inoltre, differenze di reattività tra i gruppi amminici e idrossilici verso alifatici diisocianati colpite drammaticamente i risultati ottenuti da test di citotossicità in vitro . Estratti dell'elastomero PSU preparati con l'extender di aminoacidi a catena APTMDS non hanno esibito alcun effetto citotossico sulle cellule HaCaT (Figura 12). Tuttavia, se sono stati utilizzati estratti di un elastomero di poliuretano-urea silossano-basato, l'attuabilità delle cellule è stata drasticamente ridotti (risultati non pubblicati), che era possibilmente correlati alla leachables di basso peso molecolare e gruppi isocianati non reagito residua.

Questo protocollo descrive un metodo conveniente per la preparazione di polisilossani ammino funzionali, che possono essere successivamente utilizzato come macrodiamines per la sintesi di elastomeri ad alto peso molecolare, morbida ed elastica polisilossano-urea. Come le proprietà meccaniche del PSU possono essere variate secondo il peso molecolare PDMS, è possibile utilizzare questi polimeri in altri campi di applicazione. Inoltre, la procedura per la preparazione di polisilossani ammino funzionali può essere utilizzata per l'introduzione di gruppi di lato, come gruppi di vinile, tramite la copolimerizzazione di un silossani ciclici con gruppi sostituenti in vinile (risultati non mostrati). Questo può aprire nuovi campi di applicazione, compreso la preparazione del reticolato morbido polisilossano gel (ad es., Pt-catalizzata idrosililazione con un idruro-funzionale del silicone sia con aggiunta di UV-attivato del tiolo-ene di mercapto-funzionale PDMS) ( risultati non mostrati).

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da dichiarare.

Acknowledgments

Gli autori vorrei ringraziare il Ministero federale dell'educazione e ricerca (BMBF) per il finanziamento di questo lavoro sotto concessione numero 13FH032I3. Si ringraziano il sostegno finanziario dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Gepris progetto 253160297). Gli autori hanno ulteriormente come esprimere il loro ringraziamento a Priska Kolb e Paul Schuler dall'Università di Tübingen per effettuare 1H-NMR e misure 29Si-NMR. Grazie sono dovute CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG anche per la fornitura di H12MDI. Gli autori vorrei ringraziare Herbert Thelen e André Lemme da Biotronik per l'esecuzione di sterilizzazione a ossido di etilene dei campioni PSU e Lada Kitaeva (Reutlingen University) per il suo sostegno con misure di sforzo-deformazione e isteresi.

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

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References

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Chimica problema 145 Segmented polisilossano-urea elastomeri polidimetilsilossano equilibrazione anello-catena indice di rifrazione proprietà meccaniche isteresi meccanica attuabilità delle cellule applicazione biomedica
Sintesi degli elastomeri molli polisilossano-urea per applicazione di lente intraoculare
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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).

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