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Chemistry

Síntese de elastômeros de silicone macio-ureia para aplicação de lente intra-ocular

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

Este estudo descreve rotas sintéticas para polydimethylsiloxanes terminada aminopropil e polydimethyl-metil-fenil-siloxano-bloco copolímeros e elastômeros ureia baseado em silicone macio (PSU). Apresenta a aplicação de UPAs como acomodar uma lente intra-ocular. Também é descrito um método de avaliação de citotoxicidade em vitro .

Abstract

Este estudo discute uma rota de síntese para elastômeros ureia baseado em silicone macio (PSU) para as suas aplicações como acomodar lentes intra-oculares (por lentes intra-oculares). Polydimethylsiloxanes aminopropil terminada (PDMS) foram previamente preparados através da cadeia de anel equilibração do siloxano cíclica octamethylcyclotetrasiloxane (D.4) e 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Grupos fenil foram introduzidos o siloxano espinha dorsal através da copolimerização de D4 e 2,4,6,8-tetrametil-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4mim, Ph). Esses copolímeros polydimethyl-metil-fenil-siloxano-bloco foram sintetizados para aumentar os índices de refracção de polissiloxanos destruidores. Para aplicações como por uma lente intra-ocular, o índice de refração de polissiloxanos os destruidores deve ser equivalente de uma lente do olho humano jovem. O peso molecular polysiloxane é controlado pela relação entre o siloxano cíclica para o endblocker APTMDS. A transparência de elastômeros a PSU é examinada pela medição de transmitância de filmes entre 200 e 750 nm, usando um espectrofotômetro UV-Vis. Valores de transmitância em 750 nm (extremidade superior do espectro visível) são plotados contra o peso molecular PDMS, e > 90% da transmitância é observado até um peso molecular de 18.000 g·mol− 1. Propriedades mecânicas dos elastômeros a PSU são investigadas usando testes de tensão-deformação em espécimes de cortado em forma de osso de cachorro. Para avaliar a estabilidade mecânica, mecânica histerese é medida pelo alongamento várias vezes (10x) os espécimes para 5% e 100% de alongamento. Histerese diminui consideravelmente com o aumento do peso molecular PDMS. Citotoxicidade in vitro de alguns elastômeros PSU selecionados é avaliada usando um ensaio da viabilidade celular MTS. Os métodos aqui descritos permitem a síntese de um elastômero PSU fotoefeito, transparente e macio com um índice de refração aproximadamente igual ao de uma lente do olho humano jovem.

Introduction

Catarata senil, que afetam o grupo de idade ≥ 60 anos, leva para a avançado opacificação do cristalino natural. Esta condição relacionada à idade é provavelmente causada por alterações oxidativas que são aceleradas por irradiação de UV a1,2,3. Tratamento convencional para a catarata senil envolve a extração cirúrgica da lente catarata, seguido da implantação de uma lente intra-ocular artificial (lente intra-ocular) em um vazio lente da cápsula através de um sistema de injeção2. No entanto, a maioria das lentes intra-oculares são fabricados a partir de polímeros acrílicos (acrilato hidrofóbico e hidrofílico ou polímeros de metacrilato) com estruturas extremamente rígidas; Portanto, o olho perde sua capacidade de acomodar a várias distâncias2,4. Portanto, pacientes com monofocal implantes de lentes intra-oculares são dependentes de óculos para visão de perto (ex., ao ler um jornal ou um livro)5.

Diferentes abordagens para restaurar a capacidade de alojamento após a cirurgia de catarata têm sido relatadas. Entre essas abordagens, podem distinguir-se duas estratégias principais: recarga a cápsula vazia lente injetando um líquido ou polímeros gelatinosa e desenvolvendo macio, foldable um-lentes intra-oculares6,7,8. O conceito de "lente recarga" é promissor porque géis podem ser preparados com o módulo de Young tão baixo quanto aqueles do olho humano natural lente (ca. 1-2 kPa)9; no entanto, essa abordagem é ainda experimental8, e estudos são realizados apenas nos olhos de animais.

Lente cápsulas foram reabastecidas por implante de silicone inflável balões10 preenchidos com silicone líquido ou injetando diretamente do silicone11,12 , que posteriormente foi curado na cápsula através de hydrosilylation . No entanto, questões relacionadas com a superfície rugas nos balões, uma amplitude de alojamento inferior comparado ao estado pré-operatório, e a formação da catarata secundária grave (opacificação da cápsula anterior e posterior) tem sido notável7, 8,12,13. Em particular, tempo cura vezes (70 min - 12 h) causam um aumento do risco de vazamento em compartimentos olho ao redor, levando a inflamação pós-operatória10,14. Portanto, outros materiais para substituir o cristalino são recomendados, incluindo hidrogel com base no polietileno glicol diacrylate, copolímeros de acrilato-modificado de vinil álcool (N-vinilpirrolidona)15, metacrilato modificado polissiloxanos destruidores16,17, Poloxâmero18e diisocianato-quitosana polialcoóis9. No entanto, a viscosidade de monômero (ou seja, gel de inchaço após a injeção e reticulação), extremamente baixos ou altos índices de refracção, estabilidade mecânica e integridade, refração pós-operatória imprevisível, baixa gama de alojamentos, e formação de após-catarata constituem as principais questões6,7,8,9,15,18. Comercialmente, a capacidade de alojamento é principalmente restaurada através do desenvolvimento de foldable um-lentes intra-oculares. Tais lentes intra-oculares. devem fornecer alojamento pelo movimento da óptica da lente intra-ocular para o site anterior da lente da cápsula através da contração do músculo ciliar. Vários modelos foram introduzidos no mercado em 1996, 2001 e 20027,8. No entanto, durante os estudos clínicos, as amplitudes de alojamento estimado para aqueles implantado um-lentes intra-oculares foram extremamente baixas (≤ 1,5 D) para permitir sem ajuda lendo (3-4 D)6,7,8,19 , 20. portanto, um um-IOL, compreendendo dois óptica conectada (dupla óptica da lente intra-ocular) está sendo desenvolvido para aumentar o alojamento variam de6,21. O design de única lente tem sido examinado por seu desempenho acomodativo nos olhos humanos, embora os resultados conflitantes têm sido relatados22,23,24,25.

Normalmente, os elastómeros de silicone são considerados para ser biologicamente inerte e não tóxico; Portanto, elastómeros de silicone têm uma longa história de aplicação como materiais biocompatíveis em medicina e engenharia médica (por exemplo, em implantes mamários, implantes craniofaciais, próteses conjunta, curativos, cateteres, drenos e derivações) 26 , 27. devido a sua suavidade, transparência e permeabilidade do oxigênio elevado, elastómeros de silicone também encontrar aplicações como lentes de contato e lentes intra-oculares de28,2,29. No entanto, silicones devem ser covalentemente quitosana e muitas vezes exigem reforço enchimentos para ganhar a integridade mecânica suficiente. Reticulação é desvantajosa, como proíbe o posterior processamento de elastômeros por métodos termoplásticos (p. ex., moldagem por injeção) ou por processamento de soluções (por exemplo, fundição de solvente). Em contraste, poliuretanos termoplásticos apresentam estabilidade mecânica, mas são suscetíveis à degradação do ambiente do biológico, particularmente se macrodiols de poliéster ou poliéter-baseados são usados. Portanto, os esforços para combinar flexibilidade e estabilidade hidrolítica ou oxidativa com excelentes propriedades mecânicas estão concentrados na incorporação de hidroxila ou amino-funcional PDMS como segmentos macios em poliuretanos, poliuretano-ureases, e poliureias27. Para melhorar a compatibilidade do polar uretano ou ureia difícil segmento com um segmento altamente apolar de macio PDMS e para melhorar as propriedades mecânicas, macrodiols diferentes baseados em poliéter são incorporados juntamente com PDMS30,31 ,32. Particularmente, o grupo Thilak Gunatillake investigou sistematicamente o desenvolvimento dos poliuretanos de silicone com biostability melhorada e propriedades mecânicas para aplicações biomédicas a longo prazo, tais como a isolação do pacemaker ou artificial válvulas de coração33. Eles sintetizaram poliuretanos aromáticos com segmentos de macios mistos composto por terminada hidroxila PDMS e poliéteres diferentes, bem como policarbonato alifáticos dióis. Entre todos os poliuretanos sintetizados, a combinação de óxido de polyhexamethylene (PHMO) e de exposições PDMS as melhores propriedades mecânicas relativamente difícil segmento compatibilidade30. Em estudos posteriores, eles examinaram ainda mais o efeito da relação de PDMS-para-PHMO e a incorporação de um extensor de cadeia disiloxane-baseado nas propriedades mecânicas do silicone poliuretanos34,35, 36. os resultados revelaram que uma composição de macrodiol de 80% em peso PDMS e 20 wt % PHMO, além de um extensor de cadeia co, tais como tetramethyldisiloxane-1,3-bis(4-hydroxybutyl) (BHTD), produz poliuretanos mais macios, com boas propriedades mecânicas e processabilidade de termoplástica. Além disso, do silicone-poliuretanos apresentam uma biostability melhorada em comparação com um comumente aplicada macio poliéter uretano37,38,39.

A biocompatibilidade e estabilidade de materiais similares e seu uso para aplicações cardiovasculares também foram relatadas40,41,42. Com base nestes resultados, à base de silicone poliureia elastômeros (ou UPAs) com um extensor de cadeia baseada em disiloxane são pensadas para produzir altas flexibilidades e suavidade, embora com resistência mecânica suficiente, para manter sua forma após a aplicação de estresse repetido. Por exemplo, et al . Hermans construiu um protótipo experimental baseada em poliuretano dupla óptica por-IOL porque o projeto, que foi usado anteriormente para uma fabricação usando silicone, era extremamente suave para lidar com as cargas aplicadas dentro olhos de porco sem núcleo43.

Este artigo descreve a síntese de uma PSU de siloxano-baseado macio, que é otimizado em termos de propriedades mecânicas e ópticas para aplicações como um IOL obsequioso. Como as propriedades mecânicas dos elastômeros a fonte de alimentação podem ser alteradas pelo peso molecular de siloxano, o mesmo procedimento pode ser aplicado ao desenvolvimento baseado em siloxano UPAs, que podem encontrar aplicações em tintas e limpezas de pele. Além disso, este procedimento pode ser usado para preparar o poliuretano à base de siloxano ou elastômeros de poliuretano-ureia se terminada carbinol PDMS é usado. Dependendo do tipo de-isocianato (i.e., alifáticos ou aromáticos) usado para a síntese, as condições de reação (incluindo o tempo, temperatura e talvez a composição de solvente) podem ter que ser alterado. Para a aplicação de diisocianatos alifáticos, tais como 4,4-methylenebis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) ou diisocianato de isoforona, a reação tem que ser acelerado usando um catalisador de organoestânicos, tais como dilaurato de diaceto ou diacetoxytetrabutyl distannoxane. Por exemplo, a reação entre uma terminação hydroxypropyl PDMS e H12MDI continua na presença de um catalisador. Além disso, a temperatura de reação precisa ser aumentada para 50-60 ° C. Para a aplicação de um diisocianato aromática tais como 4,4-methylenebis(phenylisocyanate) (MDI), a temperatura de reação deve ser moderadamente mas suficientemente aumentada como diisocianatos aromáticos são tipicamente mais reativos para grupos nucleofílicos do que diisocianatos alifáticos são. A reação de MDI com PDMS carbinol terminada pode ser promovida usando as misturas solventes tetraidrofurano anidro (THF) e dimetilformamida (DMF) ou dimetilacetamida (DMAc) como aminas terciárias apresentam alguma atividade catalítica.

Protocol

Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso. Vários produtos químicos utilizados nas sínteses apresentam toxicidade aguda e forte irritação à pele e aos olhos, assim como à inalação. Por favor, utilize equipamento de protecção pessoal (batas, óculos de segurança, luvas de mão, completos calças e sapatos fechados) e lidar com os produtos químicos, se possível, sob uma coifa ou em um local bem ventilado. Execute todas as sínteses sob a coifa. Hidróxido de tetrametilamónio pentahidratado (ouvido): OUVIDO é uma base forte, agudamente tóxica se ingerido, e após contacto com a pele, que provoca graves queimaduras químicas na pele e olhos. É sensível ao ar e é higroscópico. Armazená-lo sob refrigeração e nitrogênio. Manipular o ouvido em um local bem ventilado por causa de seu forte cheiro de amônia. APTMDS: APTMDS é sensível ao ar e devem ser armazenados sob nitrogênio. Causa queimaduras graves e lesões oculares. H12MDI: H12MDI é tóxico após inalação e causa irritação à pele e aos olhos. D4: D4 pode comprometer a fertilidade. THF: THF é prejudicial, causa irritação na inalação e presumivelmente é cancerígeno. Clorofórmio (CHCl3): CHCl3 é prejudicial à inalação, presumivelmente cancerígena, podem causar danos possíveis à fertilidade num nascituro e seus vapores podem causar sonolência.

1. síntese do catalisador e Amino-encerrado Polysiloxane Macromonomers

  1. Síntese do catalisador de tetrametilamónio-3-aminopropil-dimethylsilanolate
    Nota: O catalisador foi sintetizado de acordo com o método relatado por Hoffman e Leir44.
    1. Degas APTMDS sob vácuo antes de usar e armazená-lo sob nitrogênio. Pipete cerca de 10 g de APTMDS usando uma seringa.
    2. Adicione 8,13 g (33,0 mmol) de libertos APTMDS e 11,88 g (66,0 mmol) de ouvido um balão de fundo redondo 100 mL três-pescoço. Adicione 20 mL de THF para dissolver APTMDS e suspender o ouvido, junto com uma barra de agitação magnética oval grande.
      Cuidado: O ouvido é uma substância higroscópica, corrosiva e tóxica, com um forte cheiro de amônia e deve ser armazenado hermeticamente fechado na geladeira. Pesar o ouvido imediatamente em um local bem ventilado; Use luvas de mão protetora e óculos de segurança durante a manipulação. APTMDS é ar sensível e provoca queimaduras na pele e lesões oculares. Pesar o APTMDS de um frasco fechado, usando uma seringa; Use luvas de mão protetora e óculos de segurança durante a manipulação.
    3. Equipe o balão de fundo redondo de três-pescoço com um condensador de refluxo e entradas e saídas para nitrogênio e aquecer a mistura de reação a 80 ° C, usando uma glicerina ou banho de aquecimento de óleo de silicone. Agite a mistura de reação para h 2 sob refluxo e com um fluxo de nitrogênio ligeira, contínuo.
      Nota: A suspensão inicial, ligeiramente turva muda para uma solução clara, até 2 horas.
    4. Retire o condensador de refluxo e destilar o THF usando um aspirador a vácuo. Em seguida, seca o produto bruto ligeiramente amarelo sob um vácuo de 0.1 mbar para 5h a 70 ° C, usando uma linha de Schlenk.
      Nota: Após essa etapa, o produto bruto pode ser armazenado em geladeira entre 10 ° C até ao dia seguinte.
    5. Resuspenda o produto bruto em 50 mL de THF. Se necessário, use uma espátula para destruir grandes aglomerados e filtrar a suspensão usando um aspirador a vácuo. Lave o precipitado pelo menos 3x com porções THF 20 mL até que o produto torna-se um sólido em pó branco.
    6. Seca o produto sob um vácuo de 0.1 mbar em temperatura ambiente por 3 h. Em seguida, guarde o catalisador na geladeira entre 10 ° C em atmosfera de azoto até o uso.
  2. Síntese de Α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethylsiloxanes
    Nota: Síntese de PDMS com um peso molecular de ~ 15.500 g·mol-1.
    1. Degas D4 e APTMDS sob vácuo antes da utilização. Pipete cerca de 1,5 g de APTMDS, usando uma seringa.
    2. Adicione 19,5 g (65.7 mmol) de desgaseificado D4 e 0,9 g (3,6 mmol) de APTMDS para um balão de fundo redondo 100 mL três-pescoço, que é equipado com um agitador centrífugo revestida com PTFE e um nitrogênio de entrada e de saída.
    3. Adicionar ~ 26 mg de catalisador (da seção 1.1) e agitar a mistura de reação por 30 min a 80 ° C, sob uma corrente de azoto ligeiro e contínuo.
      Nota: Pode ser usado um óleo de glicerina ou silicone banho de aquecimento.
    4. Adicionar 45,5 g (153.4 mmol) de D4 gota a gota à mistura de reação, usando um funil (dentro de 2-3h) e agitar ainda mais a 80 ° C por 24 h sob um fluxo contínuo de nitrogênio.
      Nota: A reação possa prosseguir durante a noite.
    5. Aqueça a mistura reacional a 150 ° C e agite-a por 2 h para decompor o catalisador. Em seguida, permitir que o PDMS arrefecer à temperatura ambiente.
    6. Trocar o agitador centrífugo com uma barra de agitação magnética oval grande e selar o balão de fundo redondo de três-pescoço com duas rolhas. Use um adaptador com uma válvula e aquecer lentamente o PDMS a 150 ° C, sob um vácuo de 0.1 mbar para destilar fora os produtos lado cíclica usando uma linha de Schlenk. Permita o PDMS arrefecer à temperatura ambiente.
      Nota: A destilação de vácuo normalmente ocorre em 4-5 h.
  3. Síntese de α, ω-bis(3-aminopropyl)-polydimethyl-metil-phenylsiloxane
    Nota: Esta seção descreve o procedimento de síntese para um polisiloxano com um peso molecular de g·mol-1 ~ 15.500 e siloxano de metil-fenil mol 14%; Este procedimento é comparável a síntese PDMS, que é descrita no ponto 1.2.
    1. Degas D4 e APTMDS sob vácuo antes da utilização. Pipete cerca de 1,5 g de APTMDS usando uma seringa. Lugar D4mim, Ph a 70 ° C, durante 3-5 h em uma câmara de vácuo completamente fundir e homogeneizar o produto antes de usar.
    2. Adicione 4,54 g (15.3 mmol) de D4, 14,96 g (27,5 mmol) de D4,Me, Phe 0,9 g (3,6 mmol) de APTMDS para um balão de fundo redondo 100 mL três-pescoço, que é equipado com um agitador centrífugo revestida com PTFE e um nitrogênio de entrada e de saída.
    3. Adicionar ~ 26 mg de catalisador (da seção 1.1) e agitar a mistura de reação a 80 ° C por 30 min em um fluxo contínuo de nitrogênio.
    4. Adicionar 45,5 g (153.4 mmol) de D4 gota a gota na mistura de reação, usando um funil (dentro de 2-3h) e agitar ainda mais a 80 ° C por 24 h sob um fluxo contínuo de nitrogênio.
      Nota: A reação possa prosseguir durante a noite.
    5. Prosseguir com a síntese, seguindo as etapas 1.2.5 e 1.2.6.

2. Peso Molecular determinação de polisiloxano

  1. Peso molecular teórico de polisiloxano
    1. Calcular o peso molecular teórico Equation 1 de polisiloxano, de acordo com a seguinte equação:
      Equation 2(1)
      Aqui, Equation 1 é o peso molecular médio número de polidimetilsiloxano, m é a massa (g) dos monômeros usados D4 e APTMDS, e n é a quantidade de APTMDS em moles.
  2. Determinação do peso molecular de polisiloxano por espectroscopia de 1H-NMR
    1. Dissolver 10-20 mg de polisiloxano em 0,5 mL de CDCl3, gravar o seu espectro de NMR e calibrar mudanças químicas [δ] ao sinal solvente em 7,26 ppm.
    2. Calcular o peso molecular Equation 1 de polisiloxano dos valores integrais de acordo com a seguinte equação.
      Equation 3(2)
  3. Determinação do peso molecular de polisiloxano por titulação
    1. Adicionar 1,5-2 g de polisiloxano num erlenmeyer de 250 mL e dissolvê-lo em 50 mL de THF, sob agitação contínua, usando uma barra de agitação magnética.
    2. Titula-se grupos aminoácidos com 0.1 M HCl usando azul de bromofenol até uma cor mudar de azul para amarelo é observado. Repeti a titulação com três amostras para calcular o número médio de peso molecular.

3. síntese de elastômeros de silicone-ureia

Nota: Esta seção descreve o processo de síntese de um elastómero de ureia PDMS-baseado do conteúdo de difícil-segmento de 10% de w (HS %) (PDMS: 15.500 g·mol-1).

Equation 4(3)

  1. Adicionar 2,939 g (11,2 mmol) de H12MDI em um balão de reação de fundo redondo de quatro-pescoço de 250 mL, que é equipado com um agitador centrífugo revestida com PTFE, soltando o funil e a entrada de nitrogênio e a tomada e dissolvê-lo em 20 mL de THF.
    Cuidado: H12MDI é um diisocianato volátil baixo e causa irritação à pele e aos olhos. Mão protetora a usar luvas e óculos de segurança.
    Nota: Alternativamente, dissolva H12MDI em THF em um copo de 50 mL e adicionar a solução através de um funil ou uma tulipa de vidro para o balão de reação. Em seguida, lave o copo e funil com 10 mL de THF.
    1. Dissolver 45,0 g (2,9 mmol) de PDMS libertos em 100 mL de THF; Esta solução adicione gota a gota a solução H12MDI usando um funil sob agitação contínua e um fluxo de nitrogênio na temperatura de quarto. Lave o copo e soltando o funil com 50 mL de THF e adicione esta solução à mistura de reação.
    2. A formação da espectroscopia FTIR prepolymer através de controle.
      Nota: O progresso de reação pode ser monitorado em duas maneiras: usando inline ou off-line espectroscopia ATR-FTIR.
      1. Para inline ATR-FTIR espectroscopia, inserir uma sonda de ATR-FTIR embutido, que é conectada com o espectrômetro, articulação central no início da reação. Use uma barra de agitação magnética oval grande em vez de um agitador revestida com PTFE. Começar a gravar os espectros da solução H12MDI e selecione o pico de absorção de NCO em 2266 cm-1 , a seguir a conversão de grupos isocianato.
      2. Para off-line espectroscopia ATR-FTIR, tirar amostras da mistura de reação, com uma pipeta Pasteur e adicione algumas gotas sobre o cristal ATR. Evapore o solvente em um fluxo de nitrogênio até uma fina película permanece na superfície do cristal de ATR. Registros espectros em fases diferentes de reação (após a adição completa de PDMS e após a adição de cada porção da APTMDS).
    3. Adicione porções da quantidade estequiométrica de extensor de cadeia APTMDS a solução prepolymer.
      Nota: A adição de extensor de cadeia pode proceder de duas maneiras (veja as etapas 3.1.3.1 e 3.1.3.2).
      1. Dissolver a quantidade pesada de extensor de cadeia em 5-10 mL de THF e adicione a solução gota a gota à mistura de reação usando uma pipeta Pasteur ou usando um funil, seguido de lavagem novamente com 3 mL de THF.
      2. Adicionar porções de extensor de cadeia para uma seringa e adicionar o extensor de cadeia, gota a gota, a mistura de reacção. Neste caso, selo da quarta articulação usando uma rolha de septo de borracha.
        1. Adicione 1,65 g (6,6 mmol) de APTMDS, correspondente a 80% do montante calculado de APTMDS, para o pré-polímero. Em seguida, controle a reação progresso através de FTIR espectroscopia.
        2. Em seguida, adicionar 0,21 g (0,8 mmol) de APTMDS (no total, 90% do montante calculado) a mistura de reacção e controlar o andamento de reação por FTIR.
        3. Adicionar 0,1 g (0,4 mmol) de APTMDS (no total, 95%) para a mistura de reação e controle a reação progresso usando FTIR.
        4. Finalmente, adicionar a última parte do extensor de cadeia (0,102 g, 0,41 mmol) a mistura de reacção e verifique o desaparecimento da banda NCO de absorção no espectro FTIR.
          Nota: Após a adição da primeira parte do extensor de cadeia, é observado um aumento na viscosidade.
    4. Despeje a solução de fonte de alimentação em um placa de Petri de vidro PTFE-folha-cobertas e evaporar o solvente a noite sob a coifa. Além disso, seca a fonte de alimentação em uma câmara de vácuo a 80 ° C, durante 12 h.

4. mecânico procedimento de teste

  1. Preparação de filmes de elastômero de silicone-ureia
    1. Dissolver a 7-8 g de pequenos pedaços PSU em 200-250 mL de CHCl3 em um Erlenmeyer de 300 mL, vagamente selar o frasco com uma rolha de vidro e agite a mistura usando uma barra de agitação magnética pelo menos 24 h. Se necessário, adicione partes adicionais do solvente.
      Cuidado: Clorofórmio é presumivelmente cancerígeno. Vapores podem causar sonolência após inalação. Lidar com clorofórmio em um local bem ventilado.
    2. Adicionar a solução homogênea em uma placa de Petri de vidro e cubra com papel alumínio perfurada. Permitir que o solvente evapore lentamente ou colocando o prato de Petri em um local bem ventilado, ou em uma coifa com a janela de faixa aberta.
      Nota: Quando colocar o prato de Petri a coifa, diminua o fluxo de ar se possível. Extremamente rápida evaporação do solvente leva a homogeneidade e a formação de manchas opacas dentro as películas transparentes.
    3. Seca o filme a 80 ° C em uma câmara de vácuo para 12h.
    4. Cuidadosamente, remova a película de superfície de vidro, usando uma espátula pequena e fina e armazenar o filme PSU dentro de um envelope transparente sobre uso subsequente para a caracterização mecânica.
  2. Testes de tensão-deformação na polysiloxane-ureia filmes de elastômero
    1. Prepare-se cortado em forma de cão-osso espécimes dos filmes de acordo com a Keiper45 (tipo S2) fonte de alimentação. Coloque o filme de fonte de alimentação, que é coberto por folhas de envelope, sob uma unidade de perfuração faca com uma forma, como mostrado na Figura 4. Empurre a alavanca para baixo para socar o provete de teste e armazená-lo pelo menos 72 h à temperatura ambiente (23 ± 2 ° C).
    2. Ligue a máquina de ensaio de tração e computador. Inicie o software clicando no ícone. Selecione o método como ensaio de tracção e verificar se a célula de carga correta (100 N) está instalada na máquina de teste.
    3. Selecione o Assistente de método e verificar se tudo testar as configurações estão corretas. Ir para o pré-teste e verifique se as configurações a seguir são ativadas: o comprimento de amostra original (L0) em 20 mm, a pré-carga em 0.1 MPa e a velocidade até pré-carga é alcançada em 5 mm/min.
    4. Vá para o parâmetro de teste e verifique se as configurações a seguir são ativadas: a velocidade para a determinação do módulo de Young em 1 mm/min, a velocidade até quebra de amostra em 25 mm/min, a detecção de quebra de amostra em 80% Fmáx, o determinação do módulo de Young em regressão, início da determinação do módulo de Young em tensão de 2% e o fim de determinação do módulo de Young na tensão de 6%. Deixe o Assistente do método e alternar para a janela principal do software.
    5. Aperte o botão de poder sobre a máquina de teste e clique no botão ir para posição inicial na janela principal do software.
    6. Retire as películas de proteção e inspecionar a amostra em um cruz-polarizador para excluir qualquer esforço interno. Medir a espessura da amostra e a largura de amostra usando um calibre. Em seguida, insira os valores para largura e espessura da amostra os campos correspondentes na janela principal do software.
    7. Corrigi a amostra entre as garras de aperto superiores da máquina de teste. Clique o botão zero força na janela principal do software. Fixe a extremidade inferior da amostra entre o fundo de mandíbulas da máquina de teste de aperto.
      Nota: Se as superfícies das garras de aperto são escorregadias, posicione as extremidades da amostra entre papel de esmeril de grão fino, para evitar que a amostra deslize durante a medição.
    8. Clique no botão iniciar a medição para começar o ensaio de tracção.
    9. Depois de concluir a medição, prossiga com as etapas 4.2.6 e 4.2.7. Após a fixação da amostra de teste entre as garras de aperto superiores e selecionar a força zero, selecione o botão ir para posição inicial na janela principal do software. Em seguida, corrigir a extremidade inferior da amostra entre o fundo de garras de fixação e clique Iniciar medição novamente.
    10. Repita as etapas 4.2.6 - 4.2.8 para uma amostra PSU pelo menos um x 3 adicionais para a avaliação estatística do Young módulo de elasticidade, resistência à tração e alongamento na ruptura.
  3. Testes de histerese em filmes de elastômero PSU
    1. Ligue a máquina de ensaio de tração e computador. Inicie o software clicando no ícone. Selecione o método como ensaio de tracção cíclico e verificar a instalação da célula de carga correta (100 N) na máquina de teste.
    2. Selecione o Assistente de método e verificar se tudo testar as configurações estão corretas. Ir para o pré-teste e verifique se as configurações a seguir são ativadas: o comprimento de amostra original (L0) em 20 mm, a pré-carga em 0.05 MPa e a velocidade até pré-carga é alcançada em 5 mm/min.
    3. Ir para o parâmetro de teste e verificar a ativação das configurações a seguir: o número de ciclos de 10, o setpoint carregando na tensão de 100%, o setpoint de descarga de tensão de 0% e a velocidade em 25 mm/min. deixe o Assistente do método e Alterne para a janela principal do software.
    4. Prossiga com as etapas 4.2.5 - 4.2.8.
    5. Repita as medições de histerese com dois espécimes para avaliação estatística. Calcule a histerese mecânica para cada ciclo de acordo com a seguinte equação.
      Equation 5(4)

5. cultivo procedimento para as células HaCaT

  1. Aquecer um criotubo com células HaCaT e Dulbecco modificado médio da águia (DMEM) em banho maria a 37 ° C. Sob a bancada de trabalho de segurança microbiológica, transferi rapidamente a suspensão de células para um tubo de centrifuga conico de 10 mL, que é preenchido com DMEM quente.
    1. Sujeito a suspensão de eritrócitos para centrifugação durante 6 min a 845 x g. Descartar a maioria do líquido sobrenadante usando um copo descartável pipeta Pasteur, que é ligado a uma bomba de vácuo, e resuspenda o pellet de células no líquido remanescente pipetando suavemente os aglomerados de células acima e para baixo com uma pipeta Eppendorf.
    2. Transfira as células ressuspensa para um balão de cultura de células de2 25 cm e acrescente 9 mL de DMEM, que é suplementado com 10% FBS. Incube as celulas em 37 ± 1 ° C e 5% CO2 em uma incubadora do armário. Controle a proliferação de célula diariamente usando um microscópio invertido. Altere o DMEM cada terceiro dia até que as células se tornam Observacao.
    3. Realizar uma passagem da célula sob a bancada de trabalho de segurança, removendo o DMEM usando um copo descartável pipeta Pasteur. Adicione 10 mL de tampão PBS para lavar a camada de células. Retire o tampão PBS, usando um copo descartável pipeta Pasteur novamente.
    4. Adicione 1 mL de uma solução de tripsina/EDTA no balão de cultura de célula2 25cm para separar as células e incube-os a incubadora de CO2 do armário. Verifica se as células estão presentes na suspensão, usando um microscópio invertido.
    5. Adicione 3 mL de DMEM no balão de cultura celular para inactivar a tripsina. Transfira a suspensão de células para um tubo de centrífuga e submeter as células a centrifugação durante 6 min a 845 x g. Remova a maioria do líquido sobrenadante, usando um pipeta Pasteur de vidro. Ressuspender as células no restante DMEM e adicionar 10 mL de DMEM morno fresco, que é suplementado com 10% FBS.
    6. Transfira 5 mL da suspensão de células em cada um dos frascos de cultura a 75 cm2 celular e adicionar 15 mL de DMEM morno fresco, suplementado com 10% FBS. Cultive células de HaCaT a 37 ± 1 ° C e 5% CO2 a incubadora de CO2 do armário até que as células se tornam Observacao.
    7. Repito a passagem de células de acordo com passos 5.1.3 - 5.1.6 mas desta vez, usar 2 mL de uma solução de tripsina/EDTA e 6 mL de DMEM para inactivar a tripsina.

6. procedimento para um ensaio da viabilidade celular MTS usando células de HaCaT

Nota: Testes de citotoxicidade In vitro foram realizados de acordo com Wenzelewski46, utilizando extratos médio de célula. PSU amostras e exemplos de poliuretano biomédica-qualidade foram esterilizados com óxido de etileno.

  1. Cultura de células de HaCaT a 37 ± 1 ° C e 5% CO2 em DMEM, que é suplementado com 10% FBS num balão de cultura de células de2 75 cm. Use as células para testes de citotoxicidade in vitro , pelo menos, após a quarta passagem.
    1. Adicionar amostras estéreis de PSU e um material de referência (0,7 g) em tubos de centrifuga conico de 50 mL e extrair amostras com DMEM, sem FBS, para 72 ± 2 h a 37 ° C e 5% CO2 a uma proporção de extração de 0,1 g/mL. Use três extratos para cada amostra de fonte de alimentação. Preparar amostras cegas preenchendo DMEM, sem FBS, para tubos de centrifuga conico de 50 mL e realizar a extração do mesma.
    2. No dia 2 do processo de extração, execute o desprendimento de células de acordo com passos 5.1.3 - 5.1.5 com 2 mL de tripsina/EDTA e 6 mL de DMEM. Levar um 100 µ l alíquota da suspensão celular e adicionar 100 µ l de DMEM. A partir desta suspensão diluída, tomar 20 µ l de alíquota e adicionar 10 µ l de uma solução de azul de trypan 0,5% para manchar as células mortas.
    3. Incubar as células por 2 min. preencher o hemocytometer utilizando uma micropipeta e imediatamente contar as células dentro das quatro câmaras. Calcule o número de células viáveis e viáveis para avaliar a viabilidade celular em porcentagens.
      Nota: Em alternativa, as células podem ser contadas usando um celular que conta o sistema.
    4. Sementes HaCaT células (quarta passagem) em uma concentração de 20 x 103 células/poço em 200 µ l de DMEM em microplacas de 96 poços e incube as celulas por 24 h a 37 ° C e 5% de CO2.
    5. No dia 3, após a extração, adicionar 10% FBS a cada um o extrato e o cego amostras e aquecer as amostras a 37 ° C utilizando um banho de água. Remover o DMEM de cada semeado bem e substituir o medium, os extratos, cegas amostras e controles positivos e negativos correspondentes. Para cada fonte de alimentação extrato (uso três extratos para cada amostra PSU), pipetar 200 µ l do extrato em seis poços.
    6. Pipetar 200 µ l da amostra cega (DMEM + 10% FBS) nos seis poços. Pipetar 200 µ l de DMEM fresco, suplementado com 10% FBS (controle negativo), em seis poços. Pipetar 200 µ l de controlo positivo (DMEM + 10% FBS + 1% SDS) em seis poços. Incube as células com os extratos e controles por 24 h a 37 ° C e 5% de CO2.
      Nota: Para a preparação de um controlo positivo, preparar uma solução de SDS 20% em água e diluir com DMEM no 1:2. Então, ainda mais dilui-lo com DMEM para preparar uma solução de SDS 1%.
    7. No dia 4, pouco antes do final do tempo de incubação, prepare uma solução stock de MTS e DMEM sem FBS (para cada poço, uso, 20 µ l de solução MTS + 100 µ l de DMEM). Após o tempo de incubação, remover os extratos, soluções cegas e controles, e pipetar 120 µ l de solução-mãe MTS em cada poço, bem como nos seis poços sem células para determinar o plano de fundo. Incube as celulas por 4 h a 37° C e 5% de CO2.
    8. No dia 4, após a incubação da solução MTS, medir a absorvância de cada poço em 492 nm, usando um leitor de microplacas. Subtrai a absorvância medida do fundo dos poços semeados. Suponha que os valores de absorvância medidos de controlo positivo representam proliferação de 0% e definir os valores de absorvância para 0. Suponha que os valores de absorvância medidos do controle negativo representam 100% proliferação e definir esses valores para 100.
    9. Calcule a proliferação de células aos valores de absorvância em percentagem dos valores de absorvância do controlo negativo (100% proliferação) e controle positivo (proliferação de 0%). Avalie os extratos de amostra que apresentam proliferação de células de até 81% como não citotóxicas.
      Nota: De acordo com informação47, do fornecedor medir a absorvância mais tarde. Pipete 25 µ l de uma solução de SDS 10% para cada poço para parar a reação e armazenar a microplaca para até 18 h protegido da luz em temperatura ambiente em uma câmara umidificada.

Representative Results

O equilibrio de anel-cadeia de D4 e D4mim, Ph com o endblocker APTMDS rendeu polydimethylsiloxanes terminada aminopropil e polydimethyl-metil-fenil-siloxano-copolímeros, respectivamente, que foram sintetizadas com pesos moleculares entre 3.000 e 33.000 g·mol-1 , ajustando a proporção de monômero entre D4 e APTMDS (Figura 6). Pesos moleculares Equation 1 do PDMS preparado, que foram determinadas de espectros 1H-NMR (Figura 5), foram semelhantes aos valores obtidos de titulação. Esses valores foram de acordo com os pesos moleculares teóricos calculados de até 15.000 g·mol–1. Durante a preparação de PDMS com maior peso molecular, os pesos moleculares obtidos foram ligeiramente maiores do que aqueles que presume-se por cálculo teórico. A copolimerização do siloxano cíclico com pingente fenil grupos D4mim, Ph foi considerada um sucesso para aumentar um pouco o índice de refração de polissiloxanos destruidores. O índice de refração (determinado usando o refratômetro de Abbe a 37 ° C) aumentou de 1.401 (PDMS não modificado) a 1.4356 (14 mol % metil-fenil-siloxano) (Figura 7). Elastômeros PSU foram sintetizados em duas etapas usando o preparado PDMS aminopropil terminada, diisocianato alifáticos H12MDI e APTMDS, utilizando THF como solvente. Este método permitiu a construção de UPAs de alto peso molecular, com uma estrutura segmentada de segmentos macios (PDMS) e segmentos duro (diisocianato + ureia). Espectroscopia de Inline FTIR confirmou a extremamente rápida reação dos grupos isocianato com os grupos aminoácidos do PDMS e o extensor de cadeia APTMDS (Figura 3 e Figura 8). Ao contrário de preparação de elastômeros de poliuretano, que leva várias horas, a preparação de elastômeros a PSU foi conveniente. A transparência e as propriedades mecânicas dos elastômeros PSU foram dependentes do peso molecular PDMS. Filmes de elastômero transparentes PSU exibiram uma transmitância de > 90%, com um peso molecular PDMS de 18.000 g·mol-1. Aos mais elevados pesos moleculares PDMS, os filmes PSU tornou-se cada vez mais opacos (Figura 9). Com o aumento do peso molecular PDMS, elastômeros macios de fonte de alimentação podem ser elaborados. O módulo de Young de elastômeros PSU diminuiu de ~5.5 MPa (com um peso molecular PDMS de 3.000 g·mol-1) para 0,6 MPa (com um peso molecular PDMS de ≥26, 000 g·mol-1) (Figura 10). Além disso, histerese mecânica, que foi utilizado para avaliar a estabilidade mecânica sob estresse repetido aplicado, foi reduzida para os elastômeros PSU quando eles foram preparados a partir de PDMS de alto peso molecular. Os valores de histerese do primeiro ciclo em uma tensão de 100% diminuíram de 54% (com um peso molecular PDMS de 3.000 g·mol-1) para 6% (com um peso molecular PDMS de 33.000 g·mol-1) (Figura 11). O método de síntese aplicada permitida a preparação de elastômeros de fonte de alimentação que não liberam resíduos citotóxicos como exemplos mostrados em testes de viabilidade celular realizadas com extractos de alguns elastômeros PSU selecionados em células de HaCaT (Figura 12).

Figure 1
Figura 1: Síntese do catalisador de tetrametilamónio-3-aminopropil-dimethylsilanolate.
Hidróxido de tetrametilamónio pentahidratado (ouvido) e 1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS) foram reagiu 2h em THF a 80 ° C. O catalisador tetrametilamónio-3-aminopropil-dimethylsilanolate é recebida como um sólido branco depois de lavar o produto bruto com THF. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: rota de síntese para terminação aminopropil polydimethylsiloxanes (PDMS) e polydimethyl-metil-fenil-siloxano-copolímeros. Monômeros cíclicos D4/D4mim, Ph são equilibrada usando um endblocker de disiloxane APTMDS a 80 ° C por 24 h, usando o catalisador de tetrametilamónio-3-aminopropil-dimethylsilanolate. Esta figura foi modificada de Riehle et al 48. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: síntese de duas etapas de elastômeros segmentados baseados em polysiloxane ureia (PSU). Na primeira etapa, um pré-polímero contendo grupos isocianato ativo é formado após a reação de H12MDI com polisiloxano aminopropil terminada (R = CH3: PDMS; R = Ph; Copolímero). Na segunda etapa, o peso molecular do polímero é aumentada através da reação dos grupos isocianato ativo restante com o extensor de cadeia APTMDS. O resultante elastômero é um polímero segmentado compreendendo segmentos difícil de ureia e silicone macio segmentos. Esta figura foi modificada de Riehle et al 48. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: especificação da amostra cão osso-em forma de teste para testes de tensão-deformação. Esta figura foi modificada da Keiper45. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: espectro de 1H-NMR de polidimetilsiloxano aminopropil terminada. Para o cálculo do peso molecular, valores integrais do metileno prótons d (δ 2,69 ppm) e b (δ 0,56 ppm) e metil prótons um (δ ~ 0,07 ppm) foram utilizados. C o pico (δ ~1.5 ppm) é sobreposto pelo HDO pico49, correspondente para a troca de prótons de vestígios de água com solvente CDCl3; Portanto, este pico não é usado para calcular o peso molecular. O peso molecular PDMS neste espectro é ~ 16.365 g·mol-1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Correlação Linear entre o peso molecular Equation 6 de concentração de polydimethylsiloxanes e endblocker terminada aminopropil. Equation 1 valores foram determinados através de espectroscopia de 1H-NMR, a titulação de grupos amino extremidade e o cálculo teórico de acordo com a equação (1). Esta figura é reproduzida com permissão da Riehle et al 48. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: índices de refracção de terminação aminopropil polydimethyl-metil-fenil-siloxano-copolímeros. Índices de refração (RI) do polydimethyl-metil-fenil-siloxano-copolímeros foram determinados a 20 ° C (quadrados pretos) e 37 ° C (círculos vermelhos) usando um refratômetro Abbe. Os valores de RI aumentados linearmente com a quantidade de unidades de metil-fenil-siloxano incorporadas. Valores de RI em 0% mol representam aqueles de PDMS não modificado com um peso molecular comparável do polydimethyl-metil-fenil-siloxano-copolímeros. Um ideal RI de 1.4346 (37 ° C) foi obtida por um copolímero com 14 mol % de metil-fenil-siloxano. Esta figura foi reimpresso com permissão da Riehle et al 48. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: conversão de isocianato durante a síntese de polidimetilsiloxano-ureia (PSU). Esta figura mostra uma trama de dependente do tempo da banda de absorção de NCO no 2.266 cm1 seguido por espectroscopia FTIR-ATR de embutido durante a síntese do PSU. Após a adição de polidimetilsiloxano aminopropil terminada, a altura da banda NCO diminuíram, indicativo da formação de cadeias prepolymer NCO-encerrado. Após a adição do extensor de cadeia APTMDS, a banda de NCO desapareceu completamente de espectros de IR. Esta figura foi reimpresso com permissão da Riehle et al 50. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: dependência da transmitância de elastômero PSU filmes em 750 nm e o peso molecular de polidimetilsiloxano. A transmissão dos filmes PSU foi determinada por espectroscopia UV-Vis. A transmitância de UPAs em 750 nm (a borda superior do espectro visível) era > 90% se UPAs foram sintetizadas usando PDMS com pesos moleculares que variam entre 3.000 e 18.000 g·mol-1. Com um crescente peso molecular de PDMS, aumentou a opacidade dos filmes. Esta figura foi reimpresso com permissão da Riehle et al 48. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 10
Figura 10: módulo de Young de elastômeros PSU em função do peso molecular de polidimetilsiloxano. Módulo de Young (YM) foram determinados a partir de medições de tensão-deformação dos filmes PSU. Os valores são expressos como um valor médio obtido a partir de cinco medidas repetidas. As barras de erro representam o desvio padrão. Observou-se a maior diminuição de YM para UPAs sintetizadas a partir de PDMS variando de 3.000 a 9.000 g·mol–1. No PDMS pesos moleculares entre 12.000 e 18.000 g·mol-1, valores YM foram entre 1,5 MPa e 1,0 MPa. No peso molecular superior a 26.000 g·mol-1, valores YM foram ~0.6 MPa. Esta figura foi reimpresso com permissão da Riehle et al 48. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 11
Curvas de histerese Figura 11:100 % de elastômeros PSU. São mostradas as curvas de histerese do primeiro ciclo dos elastômeros PSU no alongamento 100%. A notação de polímero refere-se ao peso molecular PDMS (por exemplo, fonte de alimentação-3T é um elastômero de poliureia preparado a partir de PDMS com um peso molecular de 3.000 g·mol-1). A histerese mecânica mais elevada (43-54%) observou-se em elastômeros PSU sintetizados a partir de baixo peso molecular PDMS, conforme indicado pelas curvas de histerese pronunciado. Histerese diminui com o aumento do peso molecular PDMS de 14% (15.000 g·mol-1) para 6% (33.000 g·mol-1). Esta figura foi reimpresso com permissão da Riehle et al 48. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 12
Figura 12: Resultados de testes in vitro citotoxidade em células HaCaT tratadocom com extratos PSU. Esta figura mostra a proliferação celular das células tratadas com os extratos médio de célula de elastômeros PSU HaCaT. Os valores são expressos como o valor médio obtido de três extratos testados por amostra, com seis medidas repetidas para cada extracto (18 repetições no total). As barras de erro representam o desvio padrão destas medidas. O branco representa o meio celular DMEM (sem amostra), que foi tratado análogo ao meio celular usado para a extração. Uretano um grau médico poliéter foi escolhido como o material de referência. Elastômeros de silicone-baseado do polyurea (PSU-18T, PSU-16T e PSU-14Ph) foram selecionados como amostras representativas, que foram baseadas em PDMS com pesos moleculares de 18.000 e 16.000 g·mol-1 (PSU-18T e PSU-16T), Considerando que a PSU-14Ph baseou-se em um polydimethyl-metil-fenil-siloxano-Copolímero com 14 mol % de metil-fenil-siloxano e um peso molecular de ~ 16.600 g·mol-1. A média proliferação de células HaCaT, tratadas com os extratos de elastômeros a fonte de alimentação e o poliuretano de referência foi 100% e superior. Portanto, os extratos dos elastômeros PSU e poliuretano de referência não são citotóxicos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Para conseguir high-molecular-weight terminada aminopropil PDMS através do anel-cadeia equilibração, usando um anidro, catalisador fortemente básica é crucial. Outros catalisadores normalmente aplicadas, como hidróxido de tetrametilamónio (ouvido) ou hidróxido de potássio (KOH), contêm resíduos de água, que promovem reações colaterais; daí, uma mistura de bifuncionais, monofuncionais e não-funcionais PDMS cadeias com peso moleculares similares é obtida44. Além disso, se o ouvido é usado, a reação requer > 48 h para conclusão e faz nem sempre proceder com monômero completo consumo44.

Em particular, a pesagem do endblocker APTMDS é fundamental para obter o peso molecular desejado de PDMS. Por exemplo, em vez de 0,9 g de APTMDS, se 0,85 g é usada para sintetizar o PDMS, conforme descrito na seção 2.1 do protocolo, isso levaria a um teórico peso molecular de aproximadamente > 900 g·mol-1. Além disso, o peso molecular teórico é dependente da conversão. Se os produtos de lado cíclico não são consideravelmente removido através de destilação a vácuo, um valor de alta conversão será obtido. Por exemplo, para usar o mesmo procedimento de síntese (como no ponto 2.1 do protocolo), uma conversão calculada de 90% levaria a um peso molecular teoricamente calculado; Esse valor é 910 g·mol-1 maior do que se presume-se uma conversão de 85%. Desvios para a determinação do peso molecular de polisiloxano por titulação são possivelmente relacionados com a pesagem de PDMS, os balões, particularmente se uma bureta de 50 mL é usada para a titulação. Um desvio relacionado para a pesagem de 0,06 g de polisiloxano pode levar a uma diferença calculada de 650 ~ g·mol-1. Portanto, recomenda-se o uso de um tubinho semi-automática.

O índice de refração de PDMS pode ser aumentada pela incorporação de fenil grupos17,51, halogenados de grupos fenil52, ou enxofre, contendo grupos53. As tentativas de incorporar grupos fenil PDMS através da copolimerização de octaphenylcyclotetrasiloxane (D4Ph) conforme descrito por Yilgör, Riffle e McGrath54 foram infrutíferas sob as condições de reação aplicada, Possivelmente porque a espinha dorsal de anel volumoso tornou impossível para o catalisador aplicado romper os laços de siloxano na temperatura selecionada de reação. O anel dePh D4pode ser aberto se KOH é usado a uma temperatura de reação de 160 ° C. No entanto, são obtidos polissiloxanos destruidores de extremamente alto peso molecular, que presumivelmente contêm altas quantidades de impurezas não-funcionais. Além disso, a remoção do catalisador KOH nesses copolímeros não é tão simples e requer uma etapa de neutralização utilizando etanol HCl, seguido por uma extração aquosa do catalisador. Então, o PDMS deve ser dissolvido em um solvente orgânico, como o CH2Cl2, para separar a fase aquosa da fase orgânica contendo PDMS. Finalmente, a fase orgânica deve ser secas sobre MgSO4, seguido de filtração e destilação a vácuo usando um evaporador rotativo54. Em contraste, o método apresentado neste manuscrito permite que o catalisador ser removido imediatamente através de decomposição térmica. Portanto, em vez de usar o monômero sólido D4Ph, grupos fenil são com êxito introduzidos a espinha dorsal PDMS pela copolimerização do monômero líquido D4mim, Ph, como confirmado por 29Si-NMR espectroscopia de50.

Os elastômeros PSU sintetizados exibiram YM de 0.6 - 5,5 MPa e elasticidade elevada, com valores de alongamento de até 1.000%. Tais valores alto alongamento foram relacionados não só à estrutura de polímero segmentado, mas também para os altos pesos moleculares de elastômeros a PSU (Equation 1 > 100.000 g·mol-1)48. Ocorre uma reação instantânea entre os grupos aminoácidos e isocyanyate alifáticos grupos à temperatura ambiente, levando a aumentar rapidamente o peso molecular. Este resultado foi ainda mais apoiado por realizar a reação em um solvente, porque um ligeiro aumento na viscosidade não apareceu diminuir a velocidade de reação, significativamente, que caso contrário iria afetar drasticamente o peso molecular de um quase equilibrada relação estequiométrica. Em contraste, quando um diol de cadeia curta, como 1,4-butanodiol, foi usado como o extensor de cadeia, os elastômeros de poliuretano-ureia resultantes não eram menos elástico mas também perdida considerável estabilidade mecânica, particularmente se high-molecular-weight PDMS foi usado para a síntese. Este resultado foi presumivelmente relacionado com os pesos moleculares consideravelmente baixos dos elastômeros (resultados não publicados), correspondente à conversão incompleta de todos os grupos isocianato na última fase de poliadição. Além disso, diferenças na reatividade entre os grupos aminoácidos e hidroxila em direção de diisocianatos alifáticos afetou drasticamente os resultados obtidos em testes de citotoxicidade in vitro . Extratos do elastômero PSU, preparada a partir do extensor de cadeia de amino APTMDS não apresentam qualquer efeito citotóxico sobre as células de HaCaT (Figura 12). No entanto, se foram utilizados extratos de um elastômero de poliuretano-ureia siloxano-baseado, a viabilidade celular foi drasticamente reduzidos (resultados não publicados), que foi possivelmente relacionado com a leachables de baixo peso molecular e grupos isocianato reagido residual.

Este protocolo descreve um método conveniente para a preparação de polissiloxanos destruidores amino-funcional, que podem ser posteriormente usado como macrodiamines para a síntese de elastômeros de alto peso molecular, macio e elástico polysiloxane-ureia. Como as propriedades mecânicas das fontes de alimentação podem ser variadas de acordo com o peso molecular PDMS, é possível usar estes polímeros em outros campos de aplicação. Além disso, o procedimento para a preparação de polissiloxanos destruidores amino funcional pode ser usado para a introdução de grupos laterais, tais como grupos de vinil, através da copolimerização de um siloxano cíclico com grupos de vinil pingente (resultados não mostrados). Isto pode abrir novos campos de aplicação, incluindo a preparação de quitosana macia polysiloxane geles ((por exemplo, por hydrosilylation Pt-catalisada com um silicone de hidreto-funcional ou por adição de UV-ativado thiol-ene de PDMS mercapto-funcional) resultados não mostrados).

Disclosures

Os autores não têm nada a declarar.

Acknowledgments

Os autores gostaria de agradecer o Ministério Federal da educação e pesquisa (BMBF) para o financiamento deste trabalho sob concessão número 13FH032I3. Apoio financeiro a Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, projeto Gepris 253160297) é reconhecido com gratidão. Os autores mais gostam de expressar seus agradecimentos a Priska Kolb e Paul Schuler na Universidade de Tubingen, para a realização de medições de 29Si-NMR e 1H-NMR. Obrigado também é devido a CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG para seu suprimento de H12MDI. Os autores gostaria de agradecer seu apoio com medições de tensão-deformação e histerese Herbert Thelen e André Lemme da Biotronik para a realização de esterilização por óxido de etileno das amostras PSU e Lada Kitaeva (Universidade de Reutlingen).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Octamethylcyclotetrasiloxane (D4), 97 % ABCR GmbH AB111277 presumably impairs fertility, must be degassed before use
CAS: 556-67-2
1,3-Bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane, 97% ABCR GmbH 110832 sensitive to air, must be stored under nitrogen
CAS: 2469-55-8
2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenylcyclotetrasiloxane  Sigma Aldrich 40094 technical grade
CAS: 77-63-4
Tetramethylammonium hydroxide pentahydrate Alfa Aesar L09658 toxic if swallowed and upon skin contact, strong base, sensitive to air, hygroscopic, store under refrigeration and under nitrogen
CAS: 10424-65-4
4,4¢-Methylenbis(cyclohexylisocyanate) (H12MDI) Covestro via CSC Jäkle Chemie GmbH & Co. KG toxic if inhaled, skin and eye irritant
CAS: 5124-30-1
Tetrahydrofuran (anhydrous) 99.8 % Alfa Aesar 44608 stabilized with BHT
CAS: 109-99-9
Chloroform 99 % Grüssing GmbH Analytica 1025125000 stabilized with ethanol, presumably carcinogenic, can impair fertility and cause damage to an unborn child
CAS: 67-66-3
Chloroform-d, 99.8 % Sigma Aldrich 151823 CAS: 865-49-6
Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) high glucose Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH 41965-039
Fetal bovine serum (FBS) Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH A3160801
Trypsin/EDTA, 0.25 % phenol red Thermo Fisher Scientific Life Technologies GmbH 25200056
Cell Titer Aqueous One Solution cell proliferation assay (MTS) Promega GmbH G3580
HaCaT-cells CLS Cell Lines Service GmbH 300493
BioComFold  Morcher GmbH foldable accommodating intraocular lens
Accommodative 1CU Human Optics AG foldable accommodating intraocular lens
CrystaLens  Bausch and Lomb Inc. foldable accommodating intraocular lens
Silmer OH-Di10 Siltech Corp. Carbinol-terminated Polydimethylsiloxane
Synchrony  Visiogen Inc. dual-optic foldable accommodating intraocular lens
Elast-Eon AorTech International plc thermoplastic PDMS-PHMO-based polyurethane for medical applications
Pellethane 2363-80A Lubrizol Life Sciences thermoplastic polyether-based polyurethane for medical applications
Zwick universal tensile testing machine model 81565 and software testXpert II Zwick GmbH & Co. KG tensile testing machine
CASY Roche Innovatis AG cell counting system
Multisizer Beckman Coulter Life Sciences cell counting system

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Berman, E. R. Biochemistry of the Eye. , Springer Science and Business Media. New York, NY. (1991).
  2. Bozukova, D., Pagnoulle, C., Jérôme, R., Jérôme, C. Polymers in modern ophthalmic implants-Historical background and recent advances. Materials Science and Engineering: R: Reports. 69 (6), 63-83 (2010).
  3. Kohnen, T., Baumeister, M., Kook, D., Klaproth, O. K., Ohrloff, C. Kataraktchirurgie mit Implantation einer Kunstlinse. Deutsches Ärzteblatt International. 106 (43), 695-702 (2009).
  4. Lace, R., Murray-Dunning, C., Williams, R. Biomaterials for ocular reconstruction. Journal of Materials Science. 50 (4), 1523-1534 (2015).
  5. Ong, H. S., Evans, J. R., Allan, B. D. S. Accommodative intraocular lens versus standard monofocal intraocular lens implantation in cataract surgery. Cochrane Database of Systematic Reviews. 5 (5), 1-44 (2014).
  6. Sheppard, A. L., Bashir, A., Wolffsohn, J. S., Davies, L. N. Accommodating intraocular lenses: a review of design concepts, usage and assessment methods. Clinical and Experimental Optometry. 93 (6), 441-452 (2010).
  7. Menapace, R., Findl, O., Kriechbaum, K., Leydolt-Koeppl, C. Accommodating intraocular lenses: a critical review of present and future concepts. Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 245 (4), 473-489 (2007).
  8. Dick, H. B. Accommodative intraocular lenses: current status. Current Opinion in Ophthalmology. 16 (1), 8-26 (2005).
  9. De Groot, J. H., et al. Hydrogels for an Accommodating Intraocular Lens. An Explorative Study. Biomacromolecules. 4 (3), 608-616 (2003).
  10. Nishi, O., et al. Refilling the lens with an inflatable endocapsular balloon: surgical procedure in animal eyes. Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 230 (1), 47-55 (1992).
  11. Nishi, O., Nishi, K. Accommodation amplitude after lens refilling with injectable silicone by sealing the capsule with a plug in primates. Archives of Ophthalmology. 116 (10), 1358-1361 (1998).
  12. Nishi, O., Nishi, K., Mano, C., Ichihara, M., Honda, T. Lens refilling with injectable silicone in rabbit eyes. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 24 (7), 975-982 (1998).
  13. Nishi, O., Nakai, Y., Mizumoto, Y., Yamada, Y. Capsule opacification after refilling the capsule with an inflatable endocapsular balloon. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 23 (10), 1548-1555 (1997).
  14. Koopmans, S. A., et al. Accommodative Lens Refilling in Rhesus Monkeys. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (7), 2976-2984 (2006).
  15. de Groot, J. H., et al. Injectable intraocular lens materials based upon hydrogels. Biomacromolecules. 2 (3), 628-634 (2001).
  16. Hao, X., et al. Functionalised polysiloxanes as injectable, in situ curable accommodating intraocular lenses. Biomaterials. 31 (32), 8153-8163 (2010).
  17. Hao, X., et al. High refractive index polysiloxane as injectable, in situ curable accommodating intraocular lens. Biomaterials. 33 (23), 5659-5671 (2012).
  18. Han, Y. K., et al. In vitro and in vivo study of lens refilling with poloxamer hydrogel. British Journal of Ophthalmology. 87, 1399-1402 (2003).
  19. Glasser, A. Accommodation: Mechanism and Measurement. Ophthalmology Clinics. 19 (1), 1-12 (2006).
  20. Glasser, A. Restoration of accommodation. Current Opinion in Ophthalmology. 17 (1), 12-18 (2006).
  21. Tomas-Juan, J., Murueta-Goyena, L. A. Axial movement of the dual-optic accommodating intraocular lens for the correction of the presbyopia: Optical performance and clinical outcomes. Journal of Optometry. 8 (2), 67-76 (2015).
  22. McLeod, S. D., Vargas, L. G., Portney, V., Ting, A. Synchrony dual-optic accommodating intraocular lens: Part 1: Optical and biomechanical principles and design considerations. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 33 (1), 37-46 (2007).
  23. McDonald, J. P., et al. Sarfarazi Elliptical Accommodating IntraOcular Lens (EAIOL) in Rhesus Monkey Eyes In Vitro and In Vivo. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 44 (13), 256 (2003).
  24. Ossma, I. L., et al. Synchrony dual-optic accommodating intraocular lens: Part 2: Pilot clinical evaluation. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 33 (1), 47-52 (2007).
  25. Alio, J. L., Plaza-Puche, A. B., Montalban, R., Ortega, P. Near visual outcomes with single-optic and dual-optic accommodating intraocular lenses. Journal of Cataract Refractive Surgery. 38 (9), 1568-1575 (2012).
  26. Chen, Q., Liang, S., Thousas, G. A. Elastomeric biomaterials for tissue engineering. Progress in Polymer Science. 38, 584-671 (2013).
  27. Ward, R. S., Jones, R. L. Polyurethanes and Silicone Polyurethane Copolymers. Comprehensive Biomaterials. Ducheyne, P. , Elsevier Science. 431-477 (2011).
  28. Yoda, R. Elastomers for biomedical applications. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 9 (6), 561-626 (1998).
  29. Nicolson, P. C., Vogt, J. Soft contact lens polymers: an evolution. Biomaterials. 22 (24), 3273-3283 (2001).
  30. Adhikari, R., Gunatillake, P. A., McCarthy, S. J., Meijs, G. F. Mixed macrodiol-based siloxane polyurethanes: effect of the comacrodiol structure on properties and morphology. Journal of Applied Polymer Science. 78 (5), 1071-1082 (2000).
  31. Sheth, J. P., et al. Structure-property behavior of poly(dimethylsiloxane) based segmented polyurea copolymers modified with poly(propylene oxide). Polymer. 46 (19), 8185-8193 (2005).
  32. Yilgor, I., Yilgor, E. Silicone-urea copolymers modified with polyethers. ACS Symposium Series. 964, Science and Technology of Silicones and Silicone-Modified Materials. 100-115 (2007).
  33. Elast-Eon biocompatible polyurethane - CSIROpedia. , Available from: https://csiropedia.csiro.au/elast-eon-biocompatible-polyurethane/ (2008).
  34. Gunatillake, P. A., Meijs, G. F., McCarthy, S. J., Adhikari, R. Poly(dimethylsiloxane)/poly(hexamethylene oxide) mixed macrodiol based polyurethane elastomers. I. Synthesis and properties. Journal of Applied Polymer Science. 76 (14), 2026-2040 (2000).
  35. Adhikari, R., Gunatillake, P. A., McCarthy, S. J., Meijs, G. F. Low-modulus siloxane-based polyurethanes. I. Effect of the chain extender 1,3-bis(4-hydroxybutyl)1,1,3,3-tetramethyldisiloxane (BHTD) on properties and morphology. Journal of Applied Polymer Science. 83 (4), 736-746 (2002).
  36. Adhikari, R., Gunatillake, P. A., McCarthy, S. J., Bown, M., Meijs, G. F. Low-modulus siloxane-polyurethanes. Part II. Effect of chain extender structure on properties and morphology. Journal of Applied Polymer Science. 87 (7), 1092-1100 (2003).
  37. Martin, D. J., et al. Polydimethylsiloxane/polyether-mixed macrodiol-based polyurethane elastomers: biostability. Biomaterials. 21 (10), 1021-1029 (2000).
  38. Simmons, A., et al. Long-term in vivo biostability of poly(dimethylsiloxane)/poly(hexamethylene oxide) mixed macrodiol-based polyurethane elastomers. Biomaterials. 25 (20), 4887-4900 (2004).
  39. Gunatillake, P. A., Martin, D. J., Meijs, G. F., McCarthy, S. J., Adhikari, R. Designing biostable polyurethane elastomers for biomedical implants. Australian Journal of Chemistry. 56 (6), 545-557 (2003).
  40. Briganti, E., et al. Silicone based polyurethane materials: a promising biocompatible elastomeric formulation for cardiovascular applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 17 (3), 259-266 (2006).
  41. Lim, F., Buchko, C., Shah, A., Simhambhatla, M. Medical device formed of silicone-polyurethane. U.S. Patent Application. , 09/879,023 (2002).
  42. Ward, R., Anderson, J., McVenes, R., Stokes, K. In vivo biostability of polysiloxane polyether polyurethanes: Resistance to biologic oxidation and stress cracking. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 77 (3), 580-589 (2006).
  43. Hermans, E. A., et al. Development of a ciliary muscle-driven accommodating intraocular lens. Journal of Cataract & Refractive Surgery. 34 (12), 2133-2138 (2008).
  44. Hoffman, J. J., Leir, C. M. Tetramethylammonium 3-aminopropyl dimethylsilanolate-A new catalyst for the synthesis of high purity, high molecular weight α,ω-bis(aminopropyl) polydimethylsiloxanes. Polymer International. 24, 131-138 (1991).
  45. Keiper, F. D. I. N. Prüfung von Kautschuk und Elastomeren - Bestimmung von Reißfestigkeit, Zugfestigkeit, Reißdehnung und Spannungswerten im Zugversuch. Deutsches Institut für Normung e.V. , (2017).
  46. Wenzelewski, K. DIN EN ISO 10993-5. Biologische Beurteilung von Medizinprodukten - Teil 5: Prüfungen auf In-vitro-Zytotoxizität (ISO 10993-5:2009); Deutsche Fassung EN ISO 10993-5:2009. Deutsches Institut für Normung e.V. , (2009).
  47. Promega. CellTiter 96® AQ One Solution Cell Proliferation Assay. Technical Bulletin. , Available from: https://www.promega.com/-/media/files/resources/protocols/technical-bulletins/0/celltiter-96-aqueous-one-solution-cell-proliferation-assay-system-protocol.pdf (2012).
  48. Riehle, N., et al. Influence of PDMS molecular weight on transparency and mechanical properties of soft polysiloxane-urea-elastomers for intraocular lens application. European Polymer Journal. 101, 190-201 (2018).
  49. Gottlieb, H. E., Kotlyar, V., Nudelman, A. NMR Chemical Shifts of Common Laboratory Solvents as Trace Impurities. Journal of Organic Chemistry. 62 (21), 7512-7515 (1997).
  50. Riehle, N., Götz, T., Kandelbauer, A., Tovar, G. E. M., Lorenz, G. Data on the synthesis and mechanical characterization of polysiloxane-based urea-elastomers prepared from amino-terminated polydimethylsiloxanes and polydimethyl-methyl-phenyl-siloxane-copolymers. Data in Brief. 18, 1784-1794 (2018).
  51. Christ, R., Nash, B. A., Petraitis, D. J. Optically clear reinforced silicone elastomers of high optical refractive index and improved mechanical properties for use in intraocular lenses. U.S. Patent 5494946 A. , (1993).
  52. Jha, G. S., Seshadri, G., Mohan, A., Khandal, R. K. Sulfur containing optical plastics and its ophthalmic lenses applications. e-Polymers. 8 (1), 376-402 (2008).
  53. Rogulska, M., Kultys, A., Olszewska, E. New thermoplastic poly(thiourethane-urethane) elastomers based on hexane-1,6-diyl diisocyanate (HDI). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 114 (2), 903-916 (2013).
  54. Yilgör, I., Riffle, J. S., McGrath, J. E. Reactive Siloxane Oligomers. Reactive Oligomers. Harris, F. W., Spinelli, H. J. , American Chemical Society. Washington, DC. 161-174 (1985).

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Química edição 145 segmentado polysiloxane-ureia elastômeros polidimetilsiloxano equilibrio correntes índice de refração propriedades mecânicas histerese mecânica viabilidade celular aplicação biomédica
Síntese de elastômeros de silicone macio-ureia para aplicação de lente intra-ocular
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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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