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Chemistry

Synthese von weichen Polysiloxan-Harnstoff-Elastomeren für Intraokularlinsen Anwendung

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

Diese Studie beschreibt Synthesewege für Aminopropyl-terminierte Polydimethylsiloxane und Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Blockcopolymere und weiche Polysiloxan-basierte Harnstoff (PSU) Elastomere. Es stellt die Anwendung der Netzteile als Aufnahme einer Intraokularlinse. Ein Bewertungsverfahren für in-vitro- Zytotoxizität wird ebenfalls beschrieben.

Abstract

Diese Studie beschreibt eine Synthese-Route für weiche Polysiloxan-basierte Harnstoff (PSU) Elastomere für ihre Anwendungen als Aufnahme von Intraokularlinsen (IOL). Aminopropyl-terminierte Polydimethylsiloxane (PDMS) wurden zuvor über die Ring-Kette Gleichgewichtherstellung der zyklischen Siloxan Octamethylcyclotetrasiloxane (D-4) und 1,3-bis(3-aminopropyl)-Tetramethyldisiloxane (APTMDS) vorbereitet. Phenyl-Gruppen wurden eingeführt in der Siloxan Rückgrat über die Copolymerisation von D4 und 2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-Tetraphenyl-Cyclotetrasiloxane (D-4Me, Ph). Diese Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Blockcopolymere wurden zur Erhöhung der Brechungsindizes von Polysiloxanen synthetisiert. Für Anwendungen wie eine IOL muss der Brechungsindex der Polysiloxane entspricht dem von einem jungen menschlichen Augenlinse. Das Molekulargewicht von Polysiloxan steuert das Verhältnis von der zyklischen Siloxan, Endblocker APTMDS. Die Transparenz von der PSU-Elastomeren wird durch die Messung der Transmission von Filmen zwischen 200 und 750 nm, mit einem UV-Vis Spektralphotometer untersucht. Transmission-Werte bei 750 nm (obere Ende des sichtbaren Spektrums) sind gegen das PDMS Molekulargewicht geplottet, und > 90 % von der Durchlässigkeit wird bis zu einem Molekulargewicht von 18.000 G·mol−1beobachtet. Mechanische Eigenschaften von der PSU-Elastomeren sind mit Spannungs-Dehnungs-Tests auf gestanzte Hund-Knochen-förmigen Proben untersucht. Für die Bewertung der mechanischen Stabilität, mechanische Hysterese wird gemessen, indem immer wieder dehnen (10 X) die Proben um 5 % und 100 % Dehnung. Hysterese sinkt erheblich mit der Zunahme der PDMS Molekulargewicht. In-vitro- Zytotoxizität von einigen ausgewählten PSU-Elastomeren ist anhand eines MTS Zelle Lebensfähigkeit Assays. Die hier beschriebenen Methoden erlauben die Synthese von einem weich, transparent und noncytotoxic PSU-Elastomer mit einem Brechungsindex ungefähr gleich der eines jungen menschlichen Augenlinse.

Introduction

Senile Katarakt, Auswirkungen auf die Altersgruppe von ≥ 60 Jahren führt zu fortgeschrittene Trübungen der natürlichen Linse. Diese altersbedingten Zustand wird wahrscheinlich durch oxidative Veränderungen verursacht, die durch UV-Bestrahlung-1,-2,-3beschleunigt werden. Konventionelle Behandlung für senile Katarakt beinhaltet die chirurgische Extraktion der Starlinse Linse, gefolgt von der Implantation einer intraokularen Kunstlinse (IOL) in eine leere Objektiv Kapsel über eine Injektion System2. Aber eine Mehrheit der IOL aus Acryl Polymeren (hydrophoben und hydrophilen Acrylat oder Methacrylat Polymere) mit extrem starre Strukturen hergestellt sind; Daher verliert das Auge seine Fähigkeit, auf verschiedenen Distanzen2,4unterzubringen. Daher sind Patienten mit Monofokallinsen IOL Implantate abhängig von Brille für die Nahsicht (zB., beim Lesen einer Zeitung oder einem Buch)5.

Verschiedene Ansätze zur Wiederherstellung der Unterkunft Fähigkeit nach einer Kataraktoperation sind berichtet worden. Unter diesen Ansätzen können zwei Hauptstrategien unterschieden werden: Nachfüllen leere Linsenkapsel durch Einspritzen einer Flüssigkeit oder Gel-artige Polymere und weiche, faltbare eine IOL6,7,8zu entwickeln. Das Konzept der "Objektiv Nachfüllen" ist vielversprechend, weil Gele mit Youngs Moduli so niedrig wie diejenigen der natürlichen menschlichen Auges Objektiv (ca. 1 bis 2 kPa)9zubereitet werden können; Allerdings ist dieser Ansatz noch experimentell8, und Studien sind nur auf Tieraugen durchgeführt.

Objektiv-Kapseln haben wieder aufgefüllt, durch Implantation von aufblasbaren Silikon Ballons10 gefüllt mit flüssigem Silikon oder durch direkte Injektion Silikon11,12 , die anschließend in die Kapsel über Hydrosilylierung geheilt wurde . Jedoch Fragen im Zusammenhang mit Oberfläche Falten auf die Ballons eine geringere Amplitude Unterkunft gegenüber dem präoperativen stand, und die Bildung von schweren sekundären Katarakt (vordere und hintere Kapsel getrübten) wurden erwähnt7, 8,12,13. Insbesondere verursachen lange Aushärtezeiten (70 min - 12 h) ein erhöhtes Risiko von Leckagen in die umliegenden Auge Fächer, was zu postoperativen Entzündungen10,14. Daher sind andere Materialien für den Austausch der Augenlinse empfohlen einschließlich Hydrogele basierend auf Polyethylenglykol Diacrylate, Acrylat-modifizierte Copolymere Vinyl Alkohol (N-Vinylpyrrolidon)15, Methacrylat geändert, Polysiloxane16,17, Poloxamer18und Diisocyanat-vernetzte Polyalkohole9. Jedoch Monomer Viskosität (d.h. Gel Schwellungen nach der Injektion und Vernetzung), extrem niedrige oder hohe Brechungsindizes, mechanische Stabilität und Integrität, unvorhersehbare postoperative Refraktion, niedrig Unterkunft Angebot und After-Kataraktentstehung bilden die Hauptthemen6,7,8,9,15,18. Kommerziell, wird die Unterkunft Fähigkeit vor allem durch die Entwicklung von faltbaren pro-IOL wiederhergestellt. Diese IOL soll Unterkunft durch die Bewegung der IOL-Optik auf der vorderen Seite der Linse Kapsel über die Kontraktion des ciliary Muskels. Verschiedene Modelle wurden auf dem Markt im Jahr 1996, 2001 und 20027,8eingeführt. Jedoch niedrig denn die implantierten IOL extrem waren während der klinischen Studien, die geschätzte Unterkunft Amplituden (≤ 1,5 D) um ohne fremde Hilfe lesen (3-4 D)6,7,8,19 zu ermöglichen , 20. daher eine a-IOL bestehend aus zwei verbundenen Optik (Dual-Optik IOL) wurde zur Erhöhung der Unterkunft reichen6,21. Das Design von nur einem Objektiv ist für seine lockere Leistung in menschlichen Augen untersucht worden, wenn auch widersprüchliche Ergebnisse berichteten22,23,24,25gewesen sein.

Silikonelastomere gelten in der Regel um biologisch inert und nicht toxisch zu sein; Daher haben Silikonelastomere eine lange Geschichte als biokompatible Materialien in der Medizin und Medizintechnik (z.B.in Brustimplantate, kraniofaziale Implantate gemeinsame Prothetik, Wundauflagen, Kathetern, Drainagen und Shunts) angewendet 26 , 27. aufgrund ihrer Weichheit, Transparenz und hohe Sauerstoffdurchlässigkeit, Silikonelastomere finden auch Anwendungen wie Kontaktlinsen und IOL2,28,29. Allerdings müssen Silikone werden kovalent vernetzt und erfordern oft Füllstoffe ausreichende mechanische Integrität zu stärken. Vernetzung ist nachteilig, da es der Weiterverarbeitung von Elastomeren entweder durch thermoplastische Methoden verbietet (z.B.Spritzguss) oder durch Verarbeitung von Lösungen (z.B.Lösungsmittel Gießen). Im Gegensatz dazu Thermoplastische Polyurethane weisen mechanischen Stabilität aber sind anfällig für Abbau innerhalb der biologischen Umgebung, besonders wenn Polyester oder Polyether-basierten Macrodiols verwendet werden. Daher Anstrengungen, Flexibilität und hydrolytische oder oxidative Stabilität mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften kombinieren konzentrieren sich auf die Einbeziehung der Hydroxyl - oder amino-funktionale PDMS als weiche Segmente in Polyurethan Polyurethan-Harn¬, und Polykarbamid-27. Um die Kompatibilität des polar Urethan oder Harnstoff schwer mit einem höchst unpolaren PDMS-weich-Segment zu verbessern und mechanischen Eigenschaften zu verbessern, sind verschiedene Polyether-basierte Macrodiols zusammen mit PDMS30,31 aufgenommen. ,32. Insbesondere untersucht die Thilak Gunatillake Gruppe systematisch die Entwicklung von Silikon Polyurethan mit verbesserten-Kompatibilität und mechanischen Eigenschaften für langfristige biomedizinische Anwendungen wie Herzschrittmacher Isolierung oder künstliche Herz-Ventile-33. Sie synthetisiert aromatischen Polyurethane mit gemischten weichen Segmenten bestehend aus Hydroxyl-terminierte PDMS sowie verschiedene Polyether und aliphatischen Polycarbonat Diole. Unter die synthetisierte Polyurethane, die Kombination von Polyhexamethylene Oxid (PHMO) und PDMS Exponate segment die besten mechanischen Eigenschaften in Bezug auf harte Kompatibilität30. In späteren Studien sie weiter untersucht die Wirkung der PDMS-PHMO-Verhältnis und die Einbeziehung der Disiloxane-basierte Kettenverlängerer auf die mechanischen Eigenschaften von Silikon Polyurethan34,35, 36. die Ergebnisse zeigten, dass eine Macrodiol Komposition aus 80 Gew.-% PDMS und 20 Gew.-% PHMO, neben einem Co Kettenverlängerer wie 1,3-bis(4-hydroxybutyl)-Tetramethyldisiloxane (BHTD), weicher Polyurethane mit guten mechanischen Eigenschaften ergibt und thermoplastische Verarbeitbarkeit. Diese Silikon-Polyurethane weisen darüber hinaus eine verbesserte-Kompatibilität im Vergleich zu einem allgemein angewandte weichem Polyether Urethan37,38,39.

Die Biokompatibilität und Stabilität der ähnlichen Materialien und deren Verwendung für Herz-Kreislauf-Anwendungen wurden auch berichtet40,41,42. Basierend auf diesen Ergebnissen werden Silikon basierende Polyurea Elastomere (oder Netzteile) mit einer Disiloxane-basierte Kettenverlängerer gedacht, um hohe Flexibilität und Weichheit, Ausbeute allerdings mit ausreichende mechanische Festigkeit, um ihre Form zu behalten, nach der Anwendung von wiederholter Belastung. Zum Beispiel haben Hermans Et Al. einen experimentelle Polyurethan-basierte Dual-Optik a-IOL-Prototyp gebaut, weil das Design, das zuvor für eine Fertigung mit Silikon verwendet wurde, war extrem weich zu handhaben die angewendeten Lasten innerhalb entkernte Schwein Augen43.

Dieser Artikel beschreibt die Synthese eines weichen Siloxan-basierte Netzteils, welches als ein zuvorkommend IOL in Bezug auf die mechanischen und optischen Eigenschaften für Anwendungen optimiert ist. Wie die mechanischen Eigenschaften von der PSU-Elastomeren durch das Molekulargewicht Siloxan verändert werden können, kann das gleiche Verfahren zur Entwicklung von Siloxan-basierte PSU, die finden Anwendungen in Beschichtungen und Verbände der Haut angewendet werden. Darüber hinaus kann dieses Verfahren zur Siloxan-Basis Polyurethan oder Polyurethan-Harnstoff Elastomere vorbereiten, wenn Carbinol-terminierte PDMS verwendet wird. Je nach Art der Diisocyanat (d.h., aliphatische oder aromatische) für Synthese verwendet möglicherweise Reaktionsbedingungen (einschließlich Uhrzeit, Temperatur und vielleicht die Lösungsmittel Zusammensetzung) verändert werden. Für die Anwendung der aliphatischen Diisocyanate wie 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) oder Isophorone-Diisocyanat, hat die Reaktion beschleunigt werden mit einem Organozinn-Katalysator, wie Dibutyltin Dilaurate oder Diacetoxytetrabutyl Distannoxane. Beispielsweise erfolgt die Reaktion zwischen einem Hydroxypropyl-terminierte PDMS und H12MDI in Anwesenheit eines Katalysators. Darüber hinaus muss die Reaktionstemperatur auf 50-60 ° c erhöht werden Für die Anwendung ein aromatisches Diisocyanat wie 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI) muss die Reaktionstemperatur mäßig aber ausreichend erhöht werden, wie aromatische Diisocyanate in der Regel mehr reaktiv gegenüber nukleophilen Gruppen als sind aliphatischen Diisocyanate sind. Die Reaktion des MDI mit Carbinol-terminierte PDMS kann gefördert werden, mithilfe der Lösemittelgemische von wasserfreiem Tetrahydrofuran () THF) und Dimethylformamid (DMF) oder Dimethylacetamid (DMAc) als tertiäre Amine einige katalytische Aktivität aufweisen.

Protocol

Achtung: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch. Verschiedene Chemikalien in die Synthesen verwendet weisen auf akute Toxizität und starke Reizung der Haut und Augen sowie Inhalation. Bitte tragen Sie persönlichen Schutzausrüstung (Labor-Mäntel, Schutzbrille, Handschuhe, in voller Länge Hosen und geschlossene Schuhe) und behandeln Sie Chemikalien, wenn möglich, unter einem Abzug oder in einem gut belüfteten Ort zu. Führen Sie alle Synthesen unter dem Abzug. Tetramethylammonium Hydroxid Pentahydrat (TMAH): TMAH ist eine starke Basis, akut toxisch, Verschlucken und bei Hautkontakt, es verursacht schwere Verätzungen auf Haut und Augen. Es ist empfindlich gegenüber Luft und ist hygroskopisch. Speichern Sie es unter Kälte- und Stickstoff. TMAH an einem gut belüfteten Ort wegen seiner starken Ammoniak erinnernden Geruch zu behandeln. APTMDS: APTMDS ist empfindlich gegenüber Luft und muss unter Stickstoff gelagert werden. Es verursacht schwere Verbrennungen und Schädigungen des Auges. H12MDI: H12MDI ist giftig beim Einatmen und führt zu Reizungen der Haut und Augen. D4: D4 können die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. THF: THF ist schädlich und führt zu Reizungen auf Inhalation ist vermutlich krebserregend. Chloroform (KCHL3): KCHL3 ist schädlich auf Inhalation, vermutlich krebserregend, kann Ursache möglicher Schäden an Fruchtbarkeit und das ungeborene Kind und seine Dämpfe können Schläfrigkeit verursachen.

1. Synthese von Katalysator und Amino-terminierte Polysiloxan-Macromonomers

  1. Synthese von Tetramethylammonium-3-Aminopropyl-Dimethylsilanolate Katalysator
    Hinweis: Der Katalysator wurde nach der Methode von Hoffman und Leir44berichtet synthetisiert.
    1. Degas APTMDS unter Vakuum vor verwenden und speichern es unter Stickstoff. Pipette ca. 10 g APTMDS mit einer Spritze.
    2. 8,13 g (33,0 Mmol) entgast APTMDS und 11,88 g (66,0 Mmol) TMAH in ein 100 mL drei Hals Rundboden Fläschchen zugeben. Fügen Sie 20 mL THF APTMDS aufzulösen und die TMAH, zusammen mit einer großen ovalen magnetische rühren Bar auszusetzen.
      Achtung: TMAH ist eine hygroskopische, korrosiven und toxischen Substanz mit starkem Ammoniak erinnernden Geruch und sollte gut verschlossen im Kühlschrank gelagert werden. Wiegen Sie TMAH sofort an einem gut belüfteten Ort; tragen Sie schützende Hand Handschuhe und Schutzbrille beim Umgang. APTMDS hat eine sensible und verursacht Verbrennungen der Haut und Augenschäden. Wiegen Sie APTMDS aus einem verschlossenen Flasche mit einer Spritze; tragen Sie schützende Hand Handschuhe und Schutzbrille beim Umgang.
    3. Statten Sie den drei-Hals Rundboden Kolben mit einem Reflux-Kondensator und ein- und Ausläufe für Stickstoff und Wärme das Reaktionsgemisch auf 80 ° C mit Glyzerin oder Silikon-Öl-Heizung-Bad. Rühren Sie das Reaktionsgemisch für 2 h unter Rückfluss und mit einem leichten, kontinuierlichen Stickstoff-Fluss.
      Hinweis: Die erste, leicht trübe Suspension ändert sich in eine klare Lösung innerhalb von 2 h.
    4. Entfernen Sie den Reflux-Kondensator und Destillieren von THF mit einem Vakuum-Sauger. Trocknen Sie das leicht gelbliche Rohprodukt unter Vakuum von 0,1 Mbar für 5 h bei 70 ° C mit einer Schlenk-Linie.
      Hinweis: Nach diesem Schritt kann das Rohprodukt im Kühlschrank bei 10 ° C bis zum nächsten Tag gespeichert werden.
    5. Das Rohprodukt in 50 mL THF aufzuwirbeln. Falls erforderlich, zu große Agglomerate zerreißen mit einem Spatel und filtern die Suspension mit einer Vakuum-Sauger. Der Niederschlag mindestens 3 X mit 20 mL THF Portionen zu waschen, bis das Produkt ein weißer Feststoff Pulver-Like wird.
    6. Trocknen Sie das Produkt unter einem Vakuum von 0,1 Mbar bei Raumtemperatur für 3 h. Speichern Sie dann den Katalysator im Kühlschrank bei 10 ° C unter Stickstoff bis zur Verwendung.
  2. Synthese von Α, ω-bis(3-aminopropyl)-Polydimethylsiloxane
    Hinweis: Synthese von PDMS mit einem Molekulargewicht von 15.500 ~ G·mol-1.
    1. Degas D4 und APTMDS unter Vakuum vor Gebrauch. Pipette ca. 1,5 g APTMDS, mit einer Spritze.
    2. Fügen Sie 19,5 g (65,7 Mmol) entgast D4 und 0,9 g (3,6 Mmol) des APTMDS in eine 100 mL drei Hals Rundboden Kolben, die mit PTFE-beschichtete zentrifugale Rührer und ein Stickstoff-Einlass und Auslass ausgestattet ist.
    3. Fügen Sie hinzu ~ 26 mg des Katalysators (aus Ziffer 1.1) und rühren Sie das Reaktionsgemisch für 30 min bei 80 ° C durch eine leichte, kontinuierliche Stickstoff fließen.
      Hinweis: Eine Glycerin oder Silikon Öl-Heizung Bad kann verwendet werden.
    4. Fügen Sie 45,5 g (153,4 Mmol) D4 tropfenweise das Reaktionsgemisch, über einen Tropftrichter (innerhalb von 2-3 h) hinzu, und weiter rühren Sie, bei 80 ° C für 24 h durch eine kontinuierliche Stickstoff fließen.
      Hinweis: Die Reaktion kann über Nacht fort.
    5. Erhitzen Sie das Reaktionsgemisch auf 150 ° C und rühren Sie ihn für 2 h, den Katalysator zu zerlegen. Führen Sie die PDMS auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
    6. Tauschen des zentrifugalen Rührers mit einer großen ovalen magnetische rühren Bar und drei Hals Rundboden Kolben mit zwei Stoppern zu versiegeln. Verwenden Sie einen Adapter mit einem Ventil und erhitzen Sie langsam die PDMS auf 150 ° C unter Vakuum von 0,1 Mbar, die zyklische Seite Produkte mit einem Schlenk zu destillieren. Lassen Sie die PDMS auf Raumtemperatur abkühlen.
      Hinweis: Vakuum Destillation erfolgt in der Regel in 4-5 h.
  3. Synthese von α, ω-bis(3-aminopropyl)-Polydimethyl-Methyl-Phenylsiloxane
    Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt die Synthese-Verfahren für eine Polysiloxan mit einem Molekulargewicht von 15.500 ~ G·mol-1 und 14 Mol % Methyl-Phenyl Siloxan; Dieses Verfahren ist vergleichbar mit der PDMS-Synthese, die in Abschnitt 1.2 beschrieben wird.
    1. Degas D4 und APTMDS unter Vakuum vor Gebrauch. Pipette ca. 1,5 g APTMDS mit einer Spritze. Ort D4Me, Ph bei 70 ° C für 3-5 h in einer Vakuumkammer komplett schmelzen und das Produkt vor Gebrauch zu homogenisieren.
    2. Hinzufügen von 4,54 g (15,3 Mmol) D4, 14,96 g (27.5 Mmol) D4Me, Phund 0,9 g (3,6 Mmol) des APTMDS in einen 100 mL 3-Hals Rundboden Kolben, ausgestattet mit ein PTFE-beschichtete Zentrifugal-Rührer und ein Stickstoff-Einlass und Auslass ist.
    3. ~ 26 mg des Katalysators (aus Ziffer 1.1) und rühren Sie die Reaktionsmischung bei 80 ° C für 30 min durch eine kontinuierliche Stickstoff fließen.
    4. 45,5 g (153,4 Mmol) D4 tropfenweise in das Reaktionsgemisch, über einen Tropftrichter (innerhalb von 2-3 h), zugeben und weiter rühren Sie, bei 80 ° C für 24 h durch eine kontinuierliche Stickstoff fließen.
      Hinweis: Die Reaktion kann über Nacht fort.
    5. Fahren Sie mit der Synthese von Schritten 1.2.5 und 1.2.6.

(2) Molekulargewicht Bestimmung der Polysiloxan

  1. Theoretischen Molekulargewicht von Polysiloxan
    1. Berechnen Sie die theoretische Molekulargewicht Equation 1 von Polysiloxan nach folgender Gleichung:
      Equation 2(1)
      Hier, Equation 1 ist die Nummer durchschnittlichen Molekulargewicht von Polydimethylsiloxan, m ist die Masse (g) der verwendeten Monomere D4 und APTMDS, und n ist die Menge an APTMDS in Mol.
  2. Molekulargewicht Bestimmung der Polysiloxan von 1H-NMR-Spektroskopie
    1. Auflösen von 10-20 mg von Polysiloxan in 0,5 mL CDCl3, zeichnen seine NMR-Spektrum, und chemische Verschiebungen [δ] mit dem Lösungsmittel Signal bei 7,26 ppm zu kalibrieren.
    2. Berechnen Sie das Molekulargewicht Equation 1 von Polysiloxan aus der ganzzahlige Werte nach der folgenden Gleichung.
      Equation 3(2)
  3. Molekulargewicht Bestimmung der Polysiloxan durch titration
    1. 1,5-2 g Polysiloxan in einem konischen Flasche 250 mL und 50 ml THF unter ständigen Rühren mit einer magnetischen Rühren auflösen.
    2. Titrieren Sie Aminogruppen mit 0,1 M HCl mit Bromophenol blue, bis ein Farbwechsel von blau nach gelb beobachtet wird. Wiederholen Sie die Titration mit drei Proben der Nummer mittlere Molekulargewicht berechnen.

3. Synthese von Polysiloxan-Harnstoff-Elastomeren

Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt die Synthese-Verfahren für ein PDMS-basierte Harnstoff-Elastomer 10 w % schwer-Segment Inhalte (HS %) (PDMS: 15.500 G·mol-1).

Equation 4(3)

  1. Fügen Sie 2,939 g (11,2 Mmol) H12MDI in einem 250 mL 4-Hals Rundboden Reaktionskolben, ausgestattet mit PTFE-beschichtete zentrifugale Rührer, Fallenlassen, Trichter, und Stickstoff Einlass und Auslass, und in 20 mL THF auflösen.
    Achtung: H12MDI ist eine geringe flüchtige Diisocyanat und führt zu Reizungen der Haut und Augen. Tragen Sie schützende Hand Handschuhe und Schutzbrille.
    Hinweis: Alternativ H12MDI in THF in ein 50 mL Becherglas auflösen und die Lösung durch einen Trichter oder ein Tulpenglas in der Reaktionskolben hinzufügen. Dann spülen Sie den Becher und Trichter mit 10 mL THF.
    1. Lösen Sie 45,0 g (2,9 Mmol) der entgast PDMS in 100 mL THF; Fügen Sie diese Lösung tropfenweise in die H12MDI Lösung über einen Tropftrichter unter ständigen rühren und eine Stickstoff-Strömung bei Raumtemperatur. Spülen Sie den Becher und Trichter mit 50 mL THF ablegen und fügen Sie diese Lösung zum Reaktionsgemisch.
    2. Steuern die Bildung von prepolymer über FTIR-Spektroskopie.
      Hinweis: Der Fortschritt der Reaktion lässt sich auf zweierlei Weise: mit Inline oder offline ATR-FTIR-Spektroskopie.
      1. Legen Sie für Inline-ATR-FTIR-Spektroskopie eine Inline-ATR-FTIR-Sonde, die mit dem Spektrometer verbunden ist, in das zentrale Gelenk zu Beginn der Reaktion. Verwenden Sie eine große ovale magnetische rühren Bar anstelle von PTFE-beschichteten Rührer. Starten Sie die Aufnahme der Spektren der H12-MDI-Lösung und wählen Sie die NCO Absorption Peak bei 2266 cm-1 , die Umwandlung von Isocyanatgruppen zu folgen.
      2. Für offline ATR-FTIR-Spektroskopie Proben des Reaktionsgemisches mit einer Pasteurpipette nehmen und ein paar Tropfen auf die ATR-Kristall. Verdampfen des Lösungsmittels unter einer Stickstoff-Fluss bis zu ein dünner Film auf der ATR-Kristall-Oberfläche bleibt. Rekord-Spektren an verschiedenen Reaktionsstufen (nach der kompletten Zugabe von PDMS und nach der Zugabe der einzelnen Teile des APTMDS).
    3. Teile der stöchiometrischen Menge an die Kettenverlängerer APTMDS prepolymer Projektmappe hinzufügen.
      Hinweis: Die Zugabe von die Kettenverlängerer kann auf zweierlei Weise fortfahren (siehe Schritte 3.1.3.1 und 3.1.3.2).
      1. Lösen Sie die abgewogenen Menge an Kettenverlängerer in 5-10 mL THF auf und fügen Sie die Lösung tropfenweise das Reaktionsgemisch mit einer Pasteurpipette oder über einen Tropftrichter, gefolgt von spülen wieder mit 3 mL THF hinzu.
      2. Fügen Sie Teile der Kette Extender in eine Spritze und fügen Sie die Kettenverlängerer tropfenweise das Reaktionsgemisch hinzu. In diesem Fall das vierte Gelenk mit einem Gummistopfen Septum zu versiegeln.
        1. Geben Sie von APTMDS, entspricht 80 % der berechneten Menge an APTMDS, um das Prepolymer 1,65 g (6,6 Mmol zu). Dann, Kontrolle der Reaktion Fortschritt über FTIR-Spektroskopie.
        2. Dann das Reaktionsgemisch 0,21 g (0,8 Mmol) APTMDS (in insgesamt 90 % der berechneten Preis) hinzu und kontrollieren Sie die Reaktion Fortschritte durch FTIR.
        3. Fügen Sie 0,1 g (0,4 Mmol) APTMDS (in insgesamt 95 %) der Reaktionsmischung und Kontrolle der Reaktion mit FTIR die Fortschritte.
        4. Zu guter Letzt das Reaktionsgemisch der letzte Teil der Kettenverlängerer (0,102 g, 0,41 Mmol) hinzu und überprüfen Sie das Verschwinden der NCO Absorptionsbande im FTIR Spektrum.
          Hinweis: Nach der Zugabe des ersten Teils der Kettenverlängerer ist eine Erhöhung der Viskosität beachtet.
    4. Gießen Sie die PSU-Lösung in ein PTFE-Folie bedeckt Glas Petrischale und verdunsten Sie des Lösungsmittels über Nacht unter dem Abzug. Außerdem trocknen Sie das Netzteil in einer Vakuumkammer auf 80 ° C für 12 h.

4. mechanische Prüfverfahren

  1. Vorbereitung von Polysiloxan-Harnstoff-Elastomer-Filme
    1. Lösen Sie ca. 7-8 g von kleinen Netzteil in 200-250 mL KCHL3 in einem 300 mL konische Kolben locker verschließen Sie die Flasche mit einem Glasstopfen und rühren Sie die Mischung mit einer magnetischen rühren für mindestens 24 h. Falls erforderlich, fügen Sie zusätzliche Teile des Lösungsmittels.
      Achtung: Chloroform ist vermutlich krebserregend. Dämpfe können Schläfrigkeit beim Einatmen. Chloroform an einem gut belüfteten Ort zu behandeln.
    2. Die homogene Lösung in einem Glas Petrischale zugeben und mit perforierten Aluminiumfolie abdecken. Lassen Sie das Lösungsmittel, entweder indem man die Petrischale, in einem gut belüfteten Ort oder unter einem Abzug bei geöffnetem Flügel Fenster langsam verdunsten.
      Hinweis: Beim Platzieren der Petrischale in der Dunstabzugshaube verringern Sie wenn möglich den Luftstrom. Extrem schnelle Verdampfung des Lösungsmittels führt zu Inhomogenität und die Bildung von opaken Flecken innerhalb der transparenten Folien.
    3. Trocknen Sie den Film bei 80 ° C in einer Vakuumkammer für 12 h.
    4. Sorgfältig entfernen Sie die Folie von der Glasoberfläche mit einem kleinen dünnen Spatel und Speichern des PSU-Films in einem durchsichtigen Umschlag bei der Nachnutzung für die mechanische Charakterisierung.
  2. Spannungs-Dehnungs-Tests auf Polysiloxan-Harnstoff Elastomer-Filme
    1. Gestanzte Hund Knochen geformt Exemplare aus den PSU-Filmen nach Keiper45 (Typ S2) vorzubereiten. Platzieren des PSU-Films, der Gegenstand Umschlag Folien, unter einer Stanze Messer mit einer Form, wie in Abbildung 4dargestellt ist. Drücken Sie die Hebel nach unten, um den Prüfling ausstanzen und bewahren Sie sie für mindestens 72 Stunden bei Raumtemperatur (23 ± 2 ° C).
    2. Schalten Sie die Zugfestigkeit Prüfmaschine und Computer. Starten Sie die Software, indem Sie auf das Symbol klicken. Wählen Sie die Methode als Zugversuch und prüfen Sie, ob die richtige Wägezelle (100 N) in die Prüfmaschine installiert ist.
    3. Wählen Sie die Methode Assistent und überprüfen Sie, wenn alle Einstellungen korrekt sind. Zur Pre-Test und prüfen Sie, ob die folgenden Einstellungen aktiviert werden: die original Sample-Länge (L0) bei 20 mm, die Vorspannung bei 0,1 MPa und die Geschwindigkeit bis Vorspannung bei 5 mm/min erreicht wird.
    4. Gehen Sie auf Parameter zu testen und überprüfen, ob die folgenden Einstellungen aktiviert sind: die Geschwindigkeit für die Bestimmung der Elastizitätsmodul bei 1 mm/min, die Geschwindigkeit bis zum Bruch der Probe bei 25 mm/min, die Erkennung von Probe-Pause bei 80 % Fmax, die Bestimmung des Elastizitätsmoduls bei Regression, Beginn des Youngs Modulus Entschlossenheit bei 2 % Dehnung und das Ende der Youngs Modulus Entschlossenheit bei 6 % Dehnung. Verlassen Sie der Methode Assistent und wechseln Sie in das Hauptfenster der Software.
    5. Drücken Sie die Taste schalten Sie auf die Prüfmaschine und klicken Sie auf die Schaltfläche " gehen in die Ausgangsposition im Hauptfenster der Software.
    6. Entfernen der Schutzfolien und kontrollieren die Probe unter ein Kreuz-Polarisator, Eigenspannung auszuschließen. Messen Sie die Probendicke und Probe Breite mit einem Kaliber. Fügen Sie dann die Werte für die Stichprobe Dicke und Breite in die entsprechenden Felder im Hauptfenster der Software.
    7. Befestigen Sie den Prüfling zwischen die oberen Klemmbacken der Prüfmaschine. Klicken Sie auf die Schaltfläche " Null Kraft in das Hauptfenster der Software. Befestigen Sie das untere Ende des Prüflings zwischen dem unteren Klemmbacken der Prüfmaschine.
      Hinweis: Bei der die Klemmbacken rutschigen Untergründen, positionieren Sie die Enden des Prüfkörpers zwischen feinkörnigen Schmirgelpapier auf die Probe zu verhindern, dass während der Messung.
    8. Klicken Sie auf starten Messung um den Zugversuch starten.
    9. Fahren Sie nach Abschluss der Mess mit Schritt 4.2.6 und 4.2.7. Nach der Fixierung die Probe zwischen den oberen Spannbacken und Auswahl von Null Kraft, wählen Sie die Schaltfläche " gehen in die Ausgangsposition im Hauptfenster der Software. Dann befestigen Sie das untere Ende des Prüflings zwischen dem unteren Spannbacken und Messung starten klicken Sie erneut auf.
    10. Wiederholen Sie die Schritte 4.2.6 - 4.2.8 für eine PSU Probe mindestens eine zusätzliche 3 X für die statistische Auswertung der Youngs Modulus, Zugfestigkeit und Dehnung beim Bruch.
  3. Hysterese-Tests auf PSU-Elastomer-Filme
    1. Schalten Sie die Zugfestigkeit Prüfmaschine und Computer. Starten Sie die Software, indem Sie auf das Symbol klicken. Wählen Sie die Methode als zyklische Zugversuch und überprüfen Sie die Installation der richtigen Wägezelle (100 N) in der Prüfmaschine.
    2. Wählen Sie die Methode Assistent und überprüfen Sie, wenn alle Einstellungen korrekt sind. Zur Pre-Test und prüfen Sie, ob die folgenden Einstellungen aktiviert werden: die original Sample-Länge (L0) bei 20 mm, die Vorspannung bei 0,05 MPa und die Geschwindigkeit bis Vorspannung bei 5 mm/min erreicht wird.
    3. Gehen Sie auf die Parameter zu testen und überprüfen Sie die Aktivierung der folgenden Einstellungen: die Anzahl der Zyklen bei 10, den Sollwert bei 100 % Dehnung, den Sollwert bei 0 % Dehnung und die Geschwindigkeit bei 25 mm/min Entladen Laden verlassen der Methode Assistent und Wechseln Sie in das Hauptfenster der Software.
    4. Fahren Sie mit den Schritten 4.2.5 - 4.2.8.
    5. Wiederholen Sie die Hysterese-Messungen mit zwei Exemplare zu statistischen Zwecken ausgewertet. Berechnen Sie die mechanische Hysterese für jeden Zyklus nach der folgenden Gleichung.
      Equation 5(4)

5. Anbau Verfahren für HaCaT-Zellen

  1. Warme Cryotube mit HaCaT-Zellen und Dulbeccos geändert Adlers Medium (DMEM) im Wasserbad 37 ° C. Übertragen Sie unter mikrobiologische Sicherheitswerkbank rasch die Zellsuspension auf eine 10 mL konische Zentrifugenröhrchen, gefüllt mit warmen DMEM.
    1. Vorbehaltlich der Zellsuspension Zentrifugation für 6 min bei 845 X g. Einen Großteil der Überstand mit einem Einweg-Glas Pasteurpipette, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, zu verwerfen und Aufschwemmen der Zelle Pellet in die restliche Flüssigkeit durch sanft die Zelle Agglomerate nach oben und unten mit einer Eppendorf-Pipette pipettieren.
    2. Die resuspendierte Zellen auf einem 25 cm2 Zelle Kultur Kolben übertragen und 9 mL DMEM, ergänzt mit 10 % FBS. Inkubieren Sie die Zellen an 37 ± 1 ° C und 5 % CO2 im Brutkasten Kabinett. Kontrolle der Zellproliferation, die täglich mit einem inversen Mikroskop. Ändern der DMEM jeden dritten Tag, bis die Zellen subconfluent werden.
    3. Führen Sie eine Zelle Passage unter Sicherheitswerkbank durch Entfernen der DMEM mit einem Einweg-Glas Pasteurpipette. Fügen Sie 10 mL PBS-Puffer, der Zellschicht zu waschen. Die PBS-Puffer mit einem Einweg-Glas Pasteurpipette wieder zu entfernen.
    4. Fügen Sie 1 mL Trypsin/EDTA-Lösung in den 25 cm2 Zelle Kultur Kolben lösen die Zellen und inkubieren sie im Kabinett CO2 Inkubator. Überprüfen Sie, ob die Zellen in der Suspension, mit einem inversen Mikroskop vorhanden sind.
    5. Fügen Sie 3 mL DMEM in den Zelle-Kultur-Kolben, die Trypsin zu inaktivieren. Übertragen Sie die Zellsuspension auf einem Zentrifugenröhrchen und die Zellen nach Zentrifugation für 6 min bei 845 X g. Einen Großteil der Überstand mit einem Glas Pasteurpipette zu entfernen. Aufschwemmen der Zellen in den verbleibenden DMEM und 10 mL frisches warmes DMEM, ergänzt mit 10 % FBS.
    6. Übertragen Sie 5 mL Zellsuspension in jedes der 75 cm2 -Zellkulturflaschen geben und 15 mL frisches warmes DMEM, ergänzt mit 10 % FBS. HaCaT-Zellen bei 37 ± 1 ° C und 5 % CO2 in die CO2 Inkubator Kabinett zu pflegen, bis die Zellen subconfluent werden.
    7. Wiederholen Sie die Zelle Passage nach Schritte 5.1.3 - 5.1.6 aber dieses Mal, verwenden Sie 2 mL einer Trypsin/EDTA-Lösung und 6 mL DMEM, um die Trypsin zu inaktivieren.

6. Verfahren für ein MTS Zelle Lebensfähigkeit Assay mit HaCaT-Zellen

Hinweis: In-vitro- Zytotoxizität wurden nach Wenzelewski46, mit mittlerer Zellextrakte durchgeführt. Netzteil und biomedizinische Grade Polyurethan Proben wurden mit Ethylenoxid sterilisiert.

  1. Kultur HaCaT-Zellen bei 37 ± 1 ° C und 5 % CO2 in DMEM, ergänzt mit 10 % FBS in einem 75 cm2 Zelle Kultur Kolben. Verwenden Sie die Zellen für in-vitro- Zytotoxizität Tests, zumindest nach dem vierten Durchgang.
    1. Sterile Proben von Netzteil und ein Referenzmaterial (0,7 g) in 50 mL konische Zentrifuge Röhren und extrahieren Sie die Proben mit DMEM ohne FBS, 72 ± 2 h bei 37 ° C und 5 % CO2 bei einer Extraktion Verhältnis von 0,1 g/mL. Verwenden Sie drei Extrakte für jede Probe PSU. Blinde Proben von DMEM ohne FBS, in 50 mL konische Zentrifuge Schläuche füllen vorbereiten und durchführen der gleichen Extraktion.
    2. Am 2. Tag Extraktionsverfahren durchführen Sie Zelle Ablösung nach Schritte 5.1.3 - 5.1.5 mit 2 mL Trypsin/EDTA und 6 mL DMEM. Nehmen Sie 100 µL aliquoten die Zellsuspension und 100 µL DMEM. Von dieser verdünnten Suspension 20 µL der aliquoten und fügen Sie 10 µL einer 0,5 % Trypan blau Lösung, tote Zellen zu beflecken.
    3. Brüten die Zellen für 2 min. Füllung der Hemocytometer mit einer Mikropipette und sofort zählen der Zellen in den vier Kammern. Berechnen Sie die Anzahl der lebensfähigen und abgestorbenem Zellen Zellviabilität in Prozenten zu bewerten.
      Hinweis: Alternativ können die Zellen gezählt werden mit Hilfe einer Zelle Zählsystem.
    4. Samen HaCaT Zellen (vierten Durchgang) in einer Konzentration von 20 x 103 Zellen/Brunnen in 200 µL DMEM in 96-Well-Mikroplatten und inkubieren Sie die Zellen für 24 h bei 37 ° C und 5 % CO2.
    5. Am 3. Tag, nach der Extraktion, fügen Sie 10 % FBS-Extrakt und Blind Proben und wärmen die Proben bis zu 37 ° C mit einem Wasserbad. Entfernen Sie die DMEM voneinander gut ausgesät und ersetzen Sie das Medium durch die Extrakte, blind Muster und der entsprechenden positiven und negativen Kontrollen. Für jedes Netzteil extrahieren (Nutzung drei Auszüge für jede Probe PSU), pipette 200 µL des Extraktes in sechs Vertiefungen.
    6. Pipette 200 µL der blinde Probe (DMEM + 10 % FBS) in sechs Vertiefungen. Pipette 200 µL des frischen DMEM, ergänzt mit 10 % FBS (Negativkontrolle), in sechs Vertiefungen. Pipette 200 µL der Positivkontrolle (DMEM + 10 % FBS + 1 % SDS) in sechs Vertiefungen. Inkubieren Sie die Zellen mit den Extrakten und Steuerungen für 24 h bei 37 ° C und 5 % CO2.
      Hinweis: Für die Zubereitung von einer positiven Kontrolle, bereiten Sie eine 20 % SDS-Lösung in Wasser und verdünnt es mit DMEM auf 1:2. Dann weiter verdünnen Sie es mit DMEM, eine 1 % SDS-Lösung vorzubereiten.
    7. Am Tag 4, kurz vor dem Ende der Inkubationszeit bereiten Sie eine Stammlösung von MTS und DMEM ohne FBS (für jedes gut, Nutzung 20 µL der MTS-Lösung + 100 µL DMEM). Nach der Inkubationszeit Extrakte, blind Lösungen und Steuerelemente entfernen und pipette 120 µL der Stammlösung MTS in jede Vertiefung sowie in sechs Bohrungen ohne Zellen, um den Hintergrund zu bestimmen. Inkubieren Sie die Zellen für 4 h bei 37° C und 5 % CO2.
    8. Am 4. Tag nach der Inkubation der MTS-Lösung, Messen Sie die Absorption von jedem Bohrloch bei 492 nm, mit einer Mikrotestplatte Reader. Subtrahieren Sie die gemessene Extinktion des Hintergrunds von der gesetzten Brunnen. Davon ausgehen Sie, dass die gemessene Extinktion Werte aus der Positivkontrolle 0 % Verbreitung zu vertreten und diese Absorption Werte auf 0 gesetzt. Davon ausgehen Sie, dass die gemessene Extinktion Werte aus der negativen Kontrolle 100 % Verbreitung dar, die diese Werte auf 100 festgelegt.
    9. Berechnen Sie die Zellproliferation der Extinktion-Werte als Prozentsatz der Extinktion Werte aus der Negativkontrolle (100 % Verbreitung) und der Positivkontrolle (0 % Verbreitung). Bewerten Sie die Probe-Extrakte, die Zellproliferation von bis zu 81 % als nicht zytotoxischen aufweisen.
      Hinweis: Nach der Lieferant Informationen47, Messen Sie die Extinktion später. Pipette 25 µL einer 10 % igen SDS-Lösung in jedem Bohrloch zu stoppen die Reaktion und die Mikrotestplatte für bis zu 18 h bei Raumtemperatur in eine feuchte Kammer lichtgeschützt aufbewahren.

Representative Results

Die Ring-Kette Gleichgewichtherstellung D4 und D4Me, Ph mit Endblocker APTMDS ergab Aminopropyl-terminierte Polydimethylsiloxane und Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Copolymeren, bzw. die synthetisiert wurden mit Molekulargewichten zwischen 3.000 und 33.000 G·mol-1 durch Einstellen des Monomer-Verhältnisses zwischen D4 und APTMDS (Abbildung 6). Molekulargewichte Equation 1 von den vorbereiteten PDMS, die aus 1H-NMR-Spektren (Abbildung 5) ermittelt wurden, waren ähnlich wie die Werte aus Titration. Diese Werte wurden im Einvernehmen mit den berechneten theoretischen Molekulargewichte von bis zu 15.000 G·mol–1. Während der Vorbereitung des PDMS mit höheren Molmassen wurden die erhaltenen Molekulargewichte geringfügig größer als die theoretische Berechnung vermutet. Die Copolymerisation von der zyklischen Siloxan mit Anhänger Phenyl Gruppen D4Me, pH-Wert galt für geringfügige Erhöhung der Brechungsindex von Polysiloxanen erfolgreich. Der Brechungsindex (anhand der Abbe Refraktometer bei 37 ° C) stieg von 1.401 (unveränderte PDMS), 1.4356 (14 Mol % Methyl-Phenyl-Siloxan) (Abbildung 7). PSU Elastomere synthetisiert wurden in zwei Schritten mit dem vorbereiteten Aminopropyl-terminierte PDMS, aliphatisches Diisocyanat H12MDI und APTMDS, mit THF als Lösungsmittel. Diese Methode erlaubt den Bau von hohen Molekulargewicht Netzteile mit einer segmentierten Struktur der harten Segmente (Diisocyanat + Harnstoff) und weiche Segmente (PDMS). Inline FTIR-Spektroskopie bestätigt die extrem schnelle Reaktion von Isocyanatgruppen mit den Aminogruppen der PDMS und Kettenverlängerer APTMDS (Abbildung 3 und Abbildung 8). Im Gegensatz zu der Vorbereitung der Polyurethan-Elastomeren, die mehrere Stunden dauert, war die Vorbereitung der PSU-Elastomeren bequem. Die Transparenz und die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren PSU waren das PDMS Molekulargewicht abhängig. Transparente PSU-Elastomer-Folien stellte eine Durchlässigkeit von > 90 % bis zu einem Molekulargewicht von PDMS 18.000 G·mol-1. Bei höheren PDMS Molekulargewichte der PSU-Filme wurde zunehmend undurchsichtig (Abbildung 9). Mit der Zunahme der PDMS Molekulargewicht konnte weichen PSU Elastomeren vorbereitet werden. Elastizitätsmodul von PSU Elastomeren sank von ~5.5 MPa (mit einem PDMS Molekulargewicht von 3.000 G·mol-1) auf 0,6 MPa (mit einem PDMS Molekulargewicht von ≥26, 000 G·mol-1) (Abbildung 10). Darüber hinaus verringerte mechanische Hysterese, die verwendet wurde, um die mechanische Stabilität unter wiederholten angelegten Spannung zu bewerten, für die PSU-Elastomere, wenn sie von hohem Molekulargewicht PDMS bereit waren. Die Hysterese-Werte für den ersten Zyklus bei einer 100 % Dehnung sank von 54 % (mit einem PDMS Molekulargewicht von 3.000 G·mol-1) auf 6 % (mit einem PDMS Molekulargewicht von 33.000 G·mol-1) (Abbildung 11). Die angewandte Synthese-Verfahren zulässig, die Vorbereitung der PSU-Elastomere, die nicht zytotoxische Residuen als Beispiele in Zelle Lebensfähigkeit Tests durchgeführt mit Extrakten von einigen ausgewählten PSU Elastomeren auf HaCaT-Zellen (Abbildung 12) freigeben.

Figure 1
Abbildung 1: Synthese des Katalysators Tetramethylammonium-3-Aminopropyl-Dimethylsilanolate.
Tetramethylammonium Hydroxid Pentahydrat (TMAH) und 1,3-Bis(3-aminopropyl)-Tetramethyldisiloxane (APTMDS) wurden 2 h in THF bei 80 ° c reagiert. Der Katalysator Tetramethylammonium-3-Aminopropyl-Dimethylsilanolate wird als ein weißer Körper empfangen, nach dem Waschen des Rohprodukt mit THF. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abb. 2: Synthese Route für Aminopropyl-terminierte Polydimethylsiloxane (PDMS) und Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Copolymeren. Zyklische Monomere D4/d4Me, Ph sind equilibriert mit einem Disiloxane Endblocker APTMDS bei 80 ° C für 24 h mit dem Tetramethylammonium-3-Aminopropyl-Dimethylsilanolate-Katalysator. Diese Zahl wurde von Riehle Et Al. modifiziert 48. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: zweistufige Synthese von segmentierten Polysiloxan-basierte Harnstoff Elastomere (PSU). Im ersten Schritt, einem Prepolymer mit aktiven Isocyanatgruppen entsteht nach der Reaktion von H12MDI mit Aminopropyl-terminierte Polysiloxan (R = CH3: PDMS; R = Ph; Copolymer). Im zweiten Schritt wird das Polymer Molekulargewicht erhöhte über die Reaktion der verbleibenden aktiven Isocyanatgruppen mit Kettenverlängerer APTMDS. Die daraus resultierende Elastomer ist ein segmentierten Polymer bestehend aus Harnstoff harte Segmente und weichen Silikon-Segmente. Diese Zahl wurde von Riehle Et Al. modifiziert 48. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: Spezifikation des Prüflings Hund Knochen geformt für Spannungs-Dehnungs-Tests. Diese Zahl wurde von Keiper45geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: 1H-NMR-Spektrum von Aminopropyl-terminierte Polydimethylsiloxan. Für die Berechnung der Molmasse, ganzzahlige Werte des Methylenblau Protonen d (δ 2,69 ppm) und b (δ 0,56 ppm) und Methyl-Protonen ein (δ ~ 0,07 ppm) wurden eingesetzt. Die Peak-c (δ ~1.5 ppm) ist durch die HDO Gipfel49, entsprechend der Proton-Austausch von Wasser Spuren mit Lösungsmittel CDCl3überlagert; Daher wird dieser Gipfel nicht verwendet, um das Molekulargewicht zu berechnen. Das PDMS Molekulargewicht in diesem Spektrum ist ~ 16.365 G·mol-1. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6: Lineare Korrelation zwischen dem Molekulargewicht Equation 6 Aminopropyl-terminierte Polydimethylsiloxane und Endblocker Konzentration. Equation 1 Werte waren bestimmt über 1H-NMR-Spektroskopie, die Titration von amino Endgruppen und der theoretischen Berechnung nach Gleichung (1). Diese Zahl ist abgedruckt mit freundlicher Genehmigung von Riehle Et al. 48. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 7
Abbildung 7: Brechungsindizes von Aminopropyl-terminierte Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Copolymeren. Brechungsindex (RI) von Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Copolymeren wurden bei 20 ° C (schwarze Quadrate) und 37 ° C (rote Kreise) mit einem Abbe-Refraktometer bestimmt. Die RI-Werte linear mit der Menge der eingearbeiteten Methyl-Phenyl-Siloxan-Einheiten erhöht. RI-Werte auf 0 Mol-% stellen die von unveränderten PDMS mit einem Molekulargewicht vergleichbar mit Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Copolymeren dar. Eine optimale RI 1.4346 (37 ° C) wurde für ein Copolymer mit 14 Mol% Methyl-Phenyl-Siloxan erhalten. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Riehle Et Al. nachgedruckt 48. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 8
Abbildung 8: Isocyanat-Konvertierung während der Synthese von Polydimethylsiloxan-Harnstoff (PSU). Diese Abbildung zeigt eine zeitabhängige Handlung des NCO-Absorptionsbande bei 2.266 cm1 gefolgt von Inline-FTIR-ATR-Spektroskopie bei der Synthese von PSU. Nach der Zugabe von Aminopropyl-terminierte Polydimethylsiloxan verringert die Höhe der NCO-Band, bezeichnend für die Bildung von NCO-terminierte prepolymer Ketten. Nach der Zugabe von Kettenverlängerer APTMDS verschwunden die NCO-Band vollständig aus den IR-Spektren. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Riehle Et Al. nachgedruckt 50. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 9
Abbildung 9: Abhängigkeit von der Durchlässigkeit der PSU Elastomer Filme bei 750 nm und das Molekulargewicht des Polydimethylsiloxan. Die Durchlässigkeit der PSU Filme wurde durch UV-Vis-Spektroskopie bestimmt. Die Durchlässigkeit der Netzteile bei 750 nm (der obere Rand des sichtbaren Spektrums) war > 90 %, wenn Netzteile mit PDMS mit Molekulargewichten zwischen 3.000 und 18.000 G·mol-1synthetisiert wurden. Mit einer zunehmenden Molekulargewicht von PDMS erhöht sich die Deckkraft der Filme. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Riehle Et Al. nachgedruckt 48. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 10
Abbildung 10: Elastizitätsmodul von PSU Elastomeren als Funktion des Molekulargewichtes von Polydimethylsiloxan. Youngs Moduli (YM) wurden anhand der Spannungs-Dehnungs-Messungen der PSU Filme bestimmt. Die Werte werden als ein Mittelwert aus fünf wiederholte Messungen gewonnen angegeben. Die Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung. Der höchste Rückgang von YM wurde für Netzteile von PDMS im Bereich von 3.000 bis 9.000 G·mol–1synthetisiert beobachtet. PDMS Molekulargewichte zwischen 12.000 und 18.000 G·mol-1war YM Werte zwischen 1,5 MPa und 1,0 MPa. Bei mehr als 26.000 G·mol-1Molekulargewichte waren YM Werte ~0.6 MPa. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Riehle Et Al. nachgedruckt 48. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 11
Abbildung 11:100 % Hysterese-Kurven von PSU Elastomeren. Die ersten Zyklus Hysterese-Kurven von der PSU-Elastomeren bei 100 % Dehnung werden angezeigt. Die Polymer-Notation bezieht sich auf das PDMS Molekulargewicht (z.B.PSU-3 t ist ein Polyurea-Elastomer mit einem Molekulargewicht von 3.000 G·mol-1aus PDMS vorbereitet). Die höchste mechanische Hysterese (43-54 %) wurde in PSU Elastomere synthetisiert aus niedrigem Molekulargewicht PDMS beobachtet, wie durch die ausgeprägte Hysterese-Kurven. Hysterese verringerte sich auf 6 % (33.000 G·mol-1) mit der Zunahme der PDMS Molekulargewicht von 14 % (15.000 G·mol-1). Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Riehle Et Al. nachgedruckt 48. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 12
Abbildung 12: Ergebnisse von in-vitro- Zytotoxizität Tests auf HaCaT-Zellen mit Netzteil Extrakten behandelt. Diese Abbildung zeigt die Zellproliferation der HaCaT-Zellen mit mittlerer Zellextrakte PSU Elastomere behandelt. Die Werte werden als der Mittelwert von drei getesteten Extrakte pro Probe mit sechs wiederholte Messungen für jedes Extrakt (18 Wiederholungen insgesamt) erhalten angegeben. Die Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung aus diesen Messungen. Der Blank stellt die Zelle Medium DMEM (ohne Probe), die analog zu den Zelle-Medium für die Extraktion verwendet behandelt wurde. Ein medizinisches Polyether-Urethan wurde als das Referenzmaterial ausgewählt. Silikon-basierten Polyurea Elastomere (PSU-18 t, PSU-16 t und PSU-14Ph) wurden als repräsentative Proben, die auf PDMS mit Molekulargewichten von 18.000 und 16.000 G·mol-1 (PSU-18 t und PSU-16 t), basierten PSU-14Ph zugrunde gelegt wurde ein Polydimethyl-Methyl-Phenyl-Siloxan-Copolymeren mit 14 Mol% Methyl-Phenyl-Siloxan und ein Molekulargewicht von ~ 16.600 G·mol-1. Die durchschnittliche Verbreitung von HaCaT-Zellen, mit den Extrakten von der PSU-Elastomere und die Referenz-Polyurethan behandelt wurde zu 100 % und höher. Daher sind die Extrakte der PSU Elastomere und Referenz Polyurethan nicht zytotoxisch. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Um hohen Molekulargewicht Aminopropyl beendet PDMS über Ring-Kette Gleichgewichtherstellung, mit einer wasserfreien zu erreichen ist stark basischen Katalysators entscheidend. Andere in der Regel angewandten Katalysatoren, wie Tetramethylammonium Hydroxid (TMAH) oder Kaliumhydroxid (KOH), enthalten Wasserrückstände, die Nebenreaktionen zu fördern; Somit erhält man eine Mischung aus Difunctional, monofunktionalen und nicht funktionsfähige PDMS-Ketten mit ähnlichen Molekulargewichten44. Darüber hinaus Wenn TMAH verwendet wird, erfordert die Reaktion > 48 h für Abschluss und tut nicht immer mit kompletten Monomer Verbrauch44fortfahren.

Insbesondere ist das Wiegen der Endblocker APTMDS entscheidend für das gewünschte Molekulargewicht des PDMS zu erhalten. Z. B. anstelle von 0,9 g APTMDS, wenn 0,85 g, PDMS, synthetisieren verwendet wird, wie beschrieben in Abschnitt 2.1 des Protokolls, würde dies zu einem theoretischen Molekulargewicht von ca. > 900 G·mol-1. Darüber hinaus ist die theoretische Molekulargewicht abhängig von der Umwandlung. Wenn die zyklische Nebenprodukte nicht erheblich entfernt per Vakuumdestillation sind, erhält man ein hohe Conversion-Wert. Um das gleiche Synthese-Verfahren (wie in Abschnitt 2.1 des Protokolls) zu verwenden, führt eine berechnete Konvertierung von 90 % z. B. zu einem theoretisch berechneten Molekulargewicht; Dieser Wert ist 910 G·mol-1 größer ist als die, wenn davon, eine Konvertierung von 85 ausgegangen wird %. Abweichungen bei der Polysiloxan Molekulargewicht Bestimmung durch Titration möglicherweise beziehen sich auf das Wiegen von PDMS in das Fläschchen, insbesondere dann, wenn eine 50 mL Bürette für die Titration verwendet wird. Eine Abweichung bezogen auf das Wiegen von 0,06 g Polysiloxan führen eine berechnete Differenz ~ 650 G·mol-1. Daher empfiehlt sich die Verwendung von einem halbautomatischen Titrator.

Der Brechungsindex des PDMS kann erhöht werden, durch den Einbau von Phenyl Gruppen17,51, halogenierte Phenyl Gruppen52oder schwefelhaltigen Gruppen53. Versuche, Phenyl-Gruppen in PDMS über die Copolymerisation von Octaphenylcyclotetrasiloxane (D-4Ph) zu integrieren, wie beschrieben durch Yilgör, Riffle und McGrath54 scheiterten unter den angewandten Reaktionsbedingungen, Vielleicht weil das sperrige Ring Rückgrat machte es unmöglich für die angewandte Katalysator Siloxan-Anleihen bei der ausgewählten Reaktionstemperatur aufzubrechen. D4Ph Ring kann geöffnet werden, wenn KOH verwendet wird, bei einer Reaktionstemperatur von 160 ° C. Jedoch sind Polysiloxane des extrem hohen Molekulargewichts erhalten, vermutlich enthalten hohe Mengen an Verunreinigungen nicht funktionsfähig. Darüber hinaus die Entfernung des Katalysators KOH in diese Copolymere ist nicht einfach und erfordert eine Neutralisation mit ethanolische HCl, gefolgt von einer wässrigen Extraktion des Katalysators. Dann muss die PDMS in einem organischen Lösungsmittel, z. B. CH2Cl2aufgelöst werden, um die organische PDMS-haltigen Phase die wässrige Phase getrennt. Zu guter Letzt muss die organische Phase über MgSO4, gefolgt von Filtrations- und Vakuumdestillation mit a Drehverdampfer54getrocknet werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Methode präsentiert in diesem Manuskript den Katalysator sein sofort über thermische Zersetzung entfernt. Daher sind anstelle von festen Monomer D4Ph, Phenyl Gruppen erfolgreich in der PDMS-Rückgrat durch Copolymerisation der flüssige Monomer D4Me, Ph, eingeführt 29Si-NMR bestätigt Spektroskopie-50.

Die synthetisierten PSU Elastomere ausgestellt YM von 0,6 - 5,5 MPa und hohe Elastizität mit Dehnung Werte von bis zu 1.000 %. Solche hohe Dehnung Werte betrafen nicht nur segmentiert Polymerstruktur sondern auch für die hohe Molmassen von der PSU-Elastomeren (Equation 1 > 100.000 G·mol-1)48. Eine sofortige Reaktion tritt zwischen den Aminogruppen und aliphatischen Isocyanyate Gruppen bei Raumtemperatur, was zu rasant Molekulargewicht. Dieses Ergebnis unterstützt wurde durch die Durchführung der Reaktion in einem Lösungsmittel, weil ein leichter Anstieg der Viskosität nicht zu verlangsamen die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich, die würden sonst dramatisch beeinflussen des Molekulargewichts für ein nahezu ausgeglichenes stöchiometrischen Verhältnis. Im Gegensatz dazu als eine kurze Kette Diol wie 1,4-Butandiol, als die Kettenverlängerer verwendet wurde, wurden die daraus resultierenden Polyurethan-Harnstoff-Elastomere nicht nur weniger elastisch, sondern auch die verlorenen erhebliche mechanische Stabilität, besonders wenn hohe Molekulargewicht PDMS wurde für die Synthese verwendet. Dieses Ergebnis bezog sich vermutlich auf die deutlich niedrigen Molmassen von Elastomeren (Ergebnisse nicht veröffentlicht), die unvollständige Umwandlung aller Isocyanat-Gruppen in der letzten Phase der Polyaddition entspricht. Darüber hinaus beeinflusst Unterschiede in der Reaktivität zwischen Amino- und Hydroxyl-Gruppen gegenüber aliphatischen Diisocyanate drastisch die Ergebnisse von in-vitro- Zytotoxizität Tests. Auszüge aus der PSU-Elastomer aus dem amino Kettenverlängerer APTMDS vorbereitet keine zytotoxische Wirkung auf die HaCaT-Zellen (Abbildung 12) aufweisen. Jedoch wenn Auszüge aus einem Siloxan-Basis Polyurethan-Harnstoff-Elastomer verwendet wurden, war die Zellviabilität drastisch reduzierten (Ergebnisse nicht veröffentlicht), die war möglicherweise im Zusammenhang mit niedrigem Molekulargewicht Leachables und passives nicht umgesetztes Isocyanatgruppen.

Dieses Protokoll beschreibt eine bequeme Methode für die Zubereitung von amino-funktionale Polysiloxane, die später als Macrodiamines kann, zur Synthese von hohem Molekulargewicht, weich und elastisch Polysiloxan-Harnstoff-Elastomeren verwendet werden. Da die mechanischen Eigenschaften der PSU gemäß dem PDMS Molekulargewicht variiert werden können, ist es möglich, diese Polymere in anderen Anwendungsbereichen zu verwenden. Darüber hinaus kann das Verfahren für die Zubereitung von amino-funktionale Polysiloxane für die Einführung von Seitengruppen wie Vinylgruppen, über die Copolymerisation von einem zyklischen Siloxan mit Anhänger Vinylgruppen (nicht dargestellten Ergebnisse) verwendet werden. Dies kann neue Anwendungsfelder eröffnen, einschließlich der Vorbereitung der weiche querverbunden Polysiloxan Gele (z. B.durch Pt-katalysierten Hydrosilylierung mit einem Hydrid-funktionale Silikon oder UV-aktivierte Thiol-ene Zugabe von Mercapto-funktionale PDMS)) Ergebnisse nicht angezeigt).

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verzollen.

Acknowledgments

Die Autoren möchte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Finanzierung dieser Arbeit unter Nummer 13FH032I3 zu gewähren. Finanzieller Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG Gepris Projekt 253160297) ist dankbar anerkannt. Die Autoren weiter gerne ihre Priska Kolb und Paul Schuler von der Universität Tübingen zur Durchführung von 1H-NMR und 29Si-NMR-Messungen bedanken. Dank gebührt auch CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG für ihre Versorgung mit H12MDI. Die Autoren möchten Herbert Thelen und André Lemme von Biotronik für die Durchführung von Ethylen Sterilisation der PSU Proben und Lada Kitaeva (Hochschule Reutlingen) Danke für ihre Unterstützung mit Spannungs-Dehnungs und Hysterese Messungen.

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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  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).
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Chemie Ausgabe 145 segmentierte Polysiloxan-Harnstoff Elastomere Polydimethylsiloxan Ring-Kette Gleichgewichtherstellung Brechungsindex mechanischen Eigenschaften mechanische Hysterese Zellviabilität biomedizinische Anwendung
Synthese von weichen Polysiloxan-Harnstoff-Elastomeren für Intraokularlinsen Anwendung
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