Гидрогелевые материалы, применяемые при производстве контактных линз
Несмотря на широкую популярность силикон-гидрогелевых контактных линз, спрос на оптические изделия, разработанные на основе гидрогелевых полимеров, по-прежнему остается стабильным. В этой статье мы расскажем о том, какие гидрогелевые материалы, применяемые при производстве, считаются сегодня наиболее популярными.
Существует два вида материалов, применяемых при производстве контактных линз. Это гидрогель и силикон-гидрогель. Линзы, изготавливаемые на основе гидрогелевых полимеров, отличаются повышенной гибкостью и мягкостью. Они появились раньше, чем силикон-гидрогелевые. Данные оптические изделия обеспечивают яркое и контрастное зрение, не вызывают дискомфорта при использовании и хорошо совместимы с тканями глаза. Как правило, они не оказывают механического воздействия на роговую оболочку и, как пишут в своих отзывах покупатели, практически не ощущаются при ношении. Линзы способны пропускать кислород к роговой оболочке глаза благодаря воде, которая является основной составляющей данного материала. Чем выше процентное содержание влаги в оптических изделиях, тем тоньше будут и они сами, а значит, больше кислорода они смогут пропустить через себя и уберечь тем самым роговицу от гипоксии (кислородного голодания). Однако ни одна модель контактных линз, представленных на современном рынке оптики, не может полностью состоять из воды. Объясняется это тем, что чем выше в них содержание влаги — тем сложнее будет проводить манипуляции с ними ввиду их повышенной эластичности. Проще говоря, если увеличить количество воды, входящей в их состав, линзы не смогут держать необходимую форму. По этой причине производители, разрабатывающие данных вид линз, ограничивают процентное содержание воды. По мнению врачей-офтальмологов, ношение данных оптических изделий не может продолжаться более 12 часов подряд. Спать в них категорически не рекомендуется. Дело в том, что вода, используемая при производстве данных контактных линз, имеет свойство испаряться во время эксплуатации, а значит, доступ кислорода к роговице в нужном объеме может быть прекращен.
Как получают гидрогелевые материалы?
Известно, что самые первые контактные линзы изготавливались из стекла. Логично предположить, что они были не очень комфортны в эксплуатации из-за присущей им жесткости. Однако выбирать производителям контактной оптики того времени не приходилось, так как никакой альтернативы стеклу на тот момент не существовало. Прогресс в сфере разработки контактной оптики произошел в 30-х годах прошлого века, когда впервые при производстве контактных линз был использован полиметилметакрилат — один из аналогов пластмассы. Дальнейшие исследования позволили определить его недостатки, а именно: долгий период адаптации и индивидуальную непереносимость, которая зачастую проявлялась в связи с недостаточной проницаемостью материалом кислорода.
Спустя еще 30 лет, в 60-х годах, впервые по уникальным технологиям были разработаны мягкие контактные линзы, сочетающие в себе оптимальные показатели гидрофильности и газопроницаемости. Как известно, создание новых материалов требует существенных познаний в области не только офтальмологии, но и полимерной физики и химии, а также токсикологии. Только объединив знания в этих научных сферах, офтальмологам удалось разработать инновационный, на тот момент, полимер гидрогелевого типа. Получить его удалось путем полимеризации мономеров. Для этих целей был специально создан жидкий предполимер, отличающийся особенностью к постепенному затвердеванию.
Основным требованием, которое должно строго соблюдаться при производстве гидрогелевых контактных линз, является их химическая стабильность. Это значит, что макромолекулярные цепи должны состоять только из стабильных связей, которые не должны распадаться, а должны свободно циркулировать в физиологической среде глаза. Разработанные гидрогелевые материалы не должны быть токсичными и канцерогенными. Здесь стоит пояснить, что контактные линзы могут оказывать токсичное воздействие на роговую оболочку в связи с наличием в их составе примесей и различного рода добавок, например: остатков стабилизатора или пластификатора.
Методы изготовления
На сегодняшний день современные производители используют такие методы изготовления линз, как центробежное формование (spin casting), точение (lathe cutting) и литье (cast molding). Реже используется еще один способ, который представляет собой комбинацию ранее перечисленных и называется он реверсивный процесс. Раньше всех начал использоваться метод центробежного формования, который применяется и по сей день. Его суть заключается в том, что полимер, в жидком виде, инжектируется прямо во вращающуюся форму. Таким образом, окончательная форма, которую будет иметь линза, напрямую зависит от температуры и скорости вращения. На протяжении долгого времени центробежное формование остается самым дешевым методом производства оптических изделий. С его помощью удается обеспечить хорошую стабильность параметров средств контактной коррекции, а также сделать тонкий край для дополнительного комфорта.
Следующий метод — это точение. Он, как правило, широко применяется тогда, когда задача производителя заключается в том, чтобы выпустить и мягкие, и жесткие газопроницаемые контактные линзы. Точение подразумевает под собой токарную обработку на специальном станке. Для этих целей применяются так называемые «сухие» заготовки, созданные на основе заранее полимеризованного материала. Один из этапов производства включает в себя применение компьютерного контроля, который позволяет создавать поверхности с двумя радиусами кривизны, что весьма актуально при разработке торических линз. По сравнению с центробежным формованием точение является более дорогостоящим способом производства, однако он не отходит на задний план за счет того, что с его помощью удается создавать небольшие партии оптических изделий, например, под заказ, а также модели, отличающиеся сложной геометрией или по индивидуальному заказу для конкретного пациента.
И последний метод — это литье. Этот процесс гораздо менее трудоемкий, чем ранее описанное точение. Благодаря ему современным производителям удается создавать недорогие контактные линзы, повышая тем самым объемы выпуска. Сегодня данный способ чаще всего используется при производстве линз плановой замены. Литье подразумевает размещение полимера в нижней половине пластиковой формы, которая сверху накрывается верхней частью. В пространстве, образуемом между этими двумя формами, и образуется контактная линза.
Как выглядят гидрогелевые материалы?
Теперь давайте рассмотрим, как же выглядят гидрогелевые полимеры. Если мы рассмотрим их первоначальное состояние, то заметим, что внешне они очень похожи на жесткие полимеры. Они не отличаются высокой эластичностью, а наоборот, являются ломкими и жесткими. После того как они проходят процедуру гидратации, то есть наполнения линз водой, начинают притягивать к себе молекулы воды, которая активно поглощается самим полимером. Благодаря этому они становятся более мягкими и одновременно упругими. Объем, который будет поглощен полимером, напрямую зависит от количества гидроксильных компонентов, находящихся в структуре самого полимера.
Если говорить о форме строения гидрогелей, то она аморфна. Их главным отличием является способность изменять свои физические характеристики, что называется экспертами изотропией. Проще говоря, строение и свойства, присущие аморфным телам, совершенно различны. Они, как правило, состоят из множества неупорядоченно расположенных в пространстве частиц. Гидрогели, применяемые при производстве контактных линз, пронизаны многочисленными порами, размеры которых могут существенно отличаться. Однако если структура самого полимера не имеет никаких повреждений, то размеры подобных пор в большинстве своем являются недостаточными для проникновения вглубь вредоносных микроорганизмов.
Классификация гидрогелевых линз
В 1986 году Агентством Министерства здравоохранения и социальных служб США была предложена классификация гидрогелевых материалов, используемых при производстве линз. Первая группа включает в себя полимеры, разработанные на основе HEMA (гидроксиэтилметакрилата) — материала, который был разработан известным чешским ученым Отто Вихтерле. Данный гидрогель стал одним из основных полимеров, которые активно применяются и сегодня при создании контактных линз. HEMA отличается своей особенностью прекрасно поглощать воду, становясь при этом мягким и гибким. За счет своей неионной структуры, разработанные на его основе модели линз, отличаются повышенной устойчивостью к протеиновым и липидным отложениям. Если говорить о производственных технологиях, согласно которым из данных полимеров могут создаваться готовые линзы, то это может быть точение, метод центробежного литья, а также литье в форму.
Вторая группа представлена материалами, отличающимися присущей им электрической нейтральностью и более высокой по сравнению с остальными группами стойкостью к накоплению различного рода отложений. Они разработаны на основе таких сополимеров, как NVP (М-винилпирролидона) и ММА (метилметакрилата), обеспечивающих высокое влагосодержание. На основе этих материалов, как правило, разрабатываются контактные линзы плановой замены. Однако данные оптические изделия имеют и существенный недостаток. Так, например, они не отличаются высокой прочностью, если сравнивать их с более низкогидрофильными моделями линз. Входящие во вторую группу полимеры отличаются плохой совместимостью с очищающими растворами. Носить линзы, разработанные на их основе, не рекомендуется тем пользователям, которые предпочитают использовать ферментные средства дезинфекции. Изготавливаются подобные оптические изделия, как правило, методом точения или литья.
Если говорить о третьей группе полимеров, то разработчиками оптической продукции они создаются на основе гидроксиэтилметакрилата (HEMA) с добавлением ММА. Подобное объединение двух полимеров объясняется тем, что в чистом виде HEMA слишком мягок и довольно легко может порваться, а MMA гарантирует ему большую смачиваемость и одновременно влагопоглощение. Разработанные с их применением модели линз, представленных на современном рынке оптики, часто называют ионными низкогидрофильными мягкими контактными линзами. Однако в связи с тем, что они не отличаются высокой резистентностью к отложениям, так и не смогли получить широкого применения. Кроме того, пользоваться линзами, созданными из полимеров третьей группы, не стоит тем пациентам, которые страдают такой проблемой, как хроническое выделение белка.
Последняя группа — четвертая, которая представлена материалами, весьма активными по своим химическим качествам. Они легко могут вступать в различные реакции с растворами, из-за чего могут утрачивать свои положительные свойства при термической обработке. Данные полимеры очень чувствительны к окружающей среде и предрасположены к дегидратации. В связи с этим они могут преждевременно пожелтеть. Кроме того, они могут обесцвечиваться при контакте с компонентами, входящими в состав растворов, предназначенных для очистки линз. Кроме того, на поверхности разработанных на их основе контактных линз легко могут накапливаться липидные и протеиновые отложения.
Популярные гидрогелевые полимеры
Самым популярным представителем первой группы FDA, на основе которого изготавливаются модели линз, является Полимакон — неионный полимер с низким содержанием воды. Что же это значит? Начнем с того, что ионность — это показатель, который указывает на то насколько те или иные линзы устойчивы к загрязнениям. Следовательно, Полимакон подвержен им меньше остальных. Уровень влагосодержания данного полимера (38%) препятствует дегидратации оптических изделий. Он отличается эластичностью и устойчивостью, именно поэтому на его основе разрабатывается большинство контактных линз стандартной толщины. Активно применяется Полимакон и при производстве средств коррекции, которые могут использоваться в пролонгированном режиме. Одной из отличительных особенностей контактных линз, разработанных из Полимакона, является то, что они выпускаются с оптической силой от -0.5 до -5. Линзы с большей диоптрийной силой обычно изготавливаются на основе полимеров третьей и четвертой групп. Активно использовали Полимакон при создании оптических изделий специалисты американского бренда Bausch & Lomb. На основе Полимакона ими были созданы такие линзы, как Optima 38 и Optima FW.
Ярким примером второй группы гидрогелевых материалов, на основе которых чаще всего разрабатываются контактные линзы, принято считать Альфафилкон А. Он отличается высоким содержанием влаги (66%) и оптимальной воздухопроницаемостью (Dk/t 32). Специалистами, разрабатывающими оптическую продукцию, он активно использовался при создании таких моделей линз, как Soflens 66 и SofLens 66 Toric от американского бренда Bausch + Lomb. Другой, не менее популярный полимер, это Нелфилкон А. Он обладает более высокой гидрофильностью (69%), однако более низкой проницаемостью кислорода (Dk/t 26), что в целом удается компенсировать за счет испарения молекул воды. На его основе разработаны контактные линзы Dailies AquaComfort Plus, представленные специалистами американского производителя Alcon, а также такие модели, как Focus Dailies, Dailies Toric.
В третью группу входит известный полимер Фемфилкон, часто встречающийся покупателям в описаниях товаров, которые им приходится изучать при покупке линз. Он входит в состав таких моделей, как FreshLook Colors, а также DuraSoft 3. Данный материал обладает отличными свойствами, он имеет высокое влагосодержание (55%), благодаря которому роговая оболочка человеческого глаза получает необходимое для комфортного использования количество кислорода. Фемфилкон не имеет отрицательного заряда на поверхности линз, что способствует отложению положительно заряженных молекул белков и жиров слезы. По сравнению с ранее описанными материалами, Фемфилкон больше других притягивает к себе различные продукты распада слезы, что и обуславливает тот факт, что данный полимер не пользуется у современных производителей особым спросом.
Если же говорить о наиболее известных полимерах, входящих в четвертую группу FDA, то наиболее популярным материалом, активно использующимся для создания линз, является Этафилкон А. Получить его удается благодаря процедуре сополимеризации HEMA c MMA и метакрилитом натрия. Чаще всего производители оптической продукции используют его для производства линз, которые могут использоваться не только в дневном, но и в пролонгированном режиме. Этафилкон А входит в состав многих оптических изделий, поставляемый на современный рынок известным американским производителем Acuvue.