CN105025843A - 生物模拟人工晶状体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物模拟可植入晶状体“BIOL”，当天然晶状体NCL被移除，将该BIOL植入眼后房并置入NCL腾出后的囊袋时，BIOL的基本功能能够替代NCL。晶状体的至少后表面具有凸面形状且其由透明柔性水凝胶材料制成。至少前光学面和后光学面是通过一个或多个圆锥截面沿主光轴旋转而确定的，且旋转确定的表面将包含垂直于轴的平面，和通过轴对称的圆锥表面。

Description

生物模拟人工晶状体
本申请要求美国临时专利申请专利号61/752,685，申请日2013年1月15日的权利，其内容引入本申请中作为参考。
发明领域
本发明涉及一种生物模拟可植入晶状体“BIOL”，当天然晶状体NCL被移除，将该BIOL植入眼后房并置入NCL腾出后的囊袋时，BIOL的基本功能能够替代NCL。
发明背景
人工晶状体IOLs是可通过外科植入并替代或补充NCL光学功能的晶状体。所谓的“后房人工晶状体”或PC IOLs，其在白内障，或者更常见的老花眼的情况下，通过所谓“透明晶状体置换”或CLE来替代NCL。其他可植入晶状体植入眼睛前房AC IOLs，进入角膜(角膜植入或基质内植入)，或位于NCL和虹膜之间(所谓的“可植入接触晶状体”或ICL)。到目前为止，大多数这些IOLs的设计仅仅旨在取代或补充NCL的基本光学功能。应当了解的是，人眼中的NCL(如图1中所绘)是拥有多种功能的复杂结构。眼睛的主要部位包括角膜101、虹膜102、NCL103、后囊膜104、睫状肌105、小带106、玻璃体107和视网膜108。
NCL103的基本光学功能包括协助角膜101聚焦入射光以使远处的物体可以投影到视网膜108。它的另一重要光学功能是调节——以这样的方式调整晶状体的光强度，以使不同距离的物体可被投影到视网膜108上。关于该调节机制有几种理论进行解释。例如L.Werner等人的Physiology ofAccommodation and Presbyopia，ARQ.BRAS.OFTALMOL.63(6),DEZEMBRO/2000-503。
最牢固的理论是von Helmholtz理论，该理论解释，如图1，放松的睫状肌105引起小带106中的张力，使其从周边朝外拉扯晶状体103，以保持NCL103在变形(扁平)的情形下提供适于远视的低屈光力。聚焦近距离物体是通过睫状肌105的张力来使小带106放松，并允许NCL103获取其在前、后表面均具有更小直径、更大中心厚度和更小曲率半径的“天然”构型。这将增加NCL的屈光力，并允许邻近物体的图像投影在视网膜108上。
大多数普通的人工晶状体都有球形表面，这种球形表面相当容易制造。一段时间以来，NCL103被认为是本质上是球面的。然而，球面晶状体并不完全是单端式的，而是呈现出所谓的“球面象差”，其中通过中心入射的光线被弯曲进入一个焦点，其比通过晶状体周边入射的光线距离晶状体略微更远。因此，球面晶状体的周边比其中心折射率更大。这种变化是连续的：这种晶状体没有单一的焦点，而是具有在最长和最短的焦距之间的短距离间隔(焦点范围)的许多焦点。换言之，球面晶状体是负多焦点的(negtivepolyfacal)(其焦距从中心到边缘逐渐减小)。椭圆形的晶状体比球面晶状体(如由静态液体弯月面固化而成的表面)更具鲜明的球面象差，因而也比球面晶状体更具有负多焦点性。
一些人造的人工晶状体包括双曲面和其他二阶表面，如具有负多焦点性和完全相反的光学效果的球面或甚至椭圆形面。更重要的是，现有技术通常结合了二阶表面(或锥形表面)和新月形表面，这种新月形表面定义不清，且仅仅是近似具有正球面象差的二阶表面(尽管从不是具有双曲象差的表面)。
例如，Wichterle在美国专利号为4,971,732的发明中主张新月形表面近似扁平椭球形，而Stoy在美国专利5,674,283中认为新月形表面近似球形表面，两者均具有负多焦点性。具有正、负多焦点性的表面的结合可以减少或抵消前者的优势。
此外，Wichterle在美国专利号为4,971,732中描述了人工晶状体的制造方法，其中将单体在开放的模具中固化，晶状体一(后)方具有模腔形状，而前方具有固化的液体弯月面的形状(大概接近具有负多焦点性的扁平椭圆形，介于纯粹球形和纯粹椭球面之间)。模腔具有二阶表面的形状，其可能包括双曲面。人们可以注意到，每种光学面的形成方式不同——一种是通过在固体表面将聚合物前体固化形成；另一种是通过在液-气界面将聚合物前体固化形成。本领域技术人员应了解，在这样不同情形下所形成的两种光学面的表面质量在光学和生物方面都可能有很大不同。
Wichterle在美国专利4,846,832中描述了人工晶状体的另一种制造方法，即其中晶状体的后方具有固化的液体弯月面(大概接近具有负多焦点性的扁平椭圆形)的形状，而前方形成固体模型成型的印迹作为二阶表面，该二阶表面可能还隐含地包括双曲面。再次，我们注意到，每个光学面的产生都是不同的，一种是通过在固体表面将聚合物前体固化形成；另一种是通过在液-气界面将聚合物前体固化形成。
Stoy‘283中公开了修饰方法，该方法描述于Wichterle’732中，使用两部分模具，一部分是类似于Wichterle的模具，另一部分被用于形成晶状体前表面上的更小的直径的修饰的新月形。该新月形光学面具有与Wichterle‘732产生的新月形具有相同特性，尽管其具有更小的直径，因此，可能比椭球体表面更接近球面。在任何情况下，这样的表面具有负多焦点性。后方形成固体模型成型的印迹作为二阶表面，该二阶表面可能包括双曲面，而其他光学面通过在液-气界面将液态聚合物前体固化形成。
Michalek和Vacik在PCT/CZ2005/000093中描述了在开放式模具中使用旋转铸造方法的IOL制造方法。填充有单体混合物的模具沿其垂直轴旋转，同时进行聚合。光学面之一被创造为固体模型表面的印迹，而另一个光学面是由模具旋转形成。该印迹表面具有圆锥截面沿垂直轴转动形成的形状(其可包括双曲面的形状)。另一面成形为由离心力修饰的新月形的面，离心力将从中心向周边转移一些液态前体。在凸面的弯月面的情况下，离心力将使中心变平，并在周边创建更陡的曲率，即提高表面的球面象差。在凸面的弯月面的情况下，离心力将创建具有更小的中心半径的弯月面并修饰表面为近似球形和抛物线形状之间的形状。在任何情况下，该双曲线象差无法实现为凸部或凹面的新月形表面。
Sulc等在美国专利号4,994,083和4,955,903中公开了一种人工晶状体，其前表面部分向前突出为了与虹膜永久接触，这将使晶状体居中。后表面和前表面都可以具有围绕光轴旋转圆锥截面得到的形状(球形、抛物线、双曲线(hyperbole)、椭圆)。晶状体的的虹膜接触部分是具有非常高的水含量(至少70％和有利地超过90％的水)的水凝胶，其本身柔软且可变形。因此，通过与虹膜接触而变形的光学面也不可能完全为圆锥截面表面，而是具有可变的形状的表面，这将取决于瞳孔直径，可能是接近具有某种程度上更小的中心半径的球形。即，这种情况类似于另一个参考文献中的晶状体，其通过向类似虹膜的人工元件上的类似瞳孔的孔施压可变形的填充凝胶的晶状体，实现减少中心直径(Nun在美国专利7,220,279)。Nun‘279中没有提及或暗示使用双曲面光学面。卡明斯在美国专利公告号2007/0129800和2008/0269887公开了一种液压调节IOL，其中，液体由睫状体器官的作用压入内部的IOL室，因此造成光学面和调节的变化。
Hong等在美国专利号7350916和美国专利公告号2006/0244904中公开了非球面人工晶状体，其有至少一个光学面具有具有负球面象差，以补偿角膜的正球面象差。该负球面象差是由所述光学面的双曲线形状来实现的。
Hong等在美国专利公开号2006/0227286公开了对人眼最佳的IOL形状因素，并通过在一定范围的“形状因子”(从-0.5到+4)定义最适宜晶状体(形状因子由Hong定义为前部曲率和后部曲率总和与它们的差的比值)，且至少一个光学面是有利的具有介于-76和-27的圆锥系数的非球面。
Hong等在美国专利7350916中描述了一种IOL，其具有至少一个光学面在整个压力(power)范围内具有范围为约-0.202微米至约-0.190微米的负球面象差。
发明概述
在至少一个方面，本发明提供一种人工晶状体，其可植入到人眼的后房以替代天然晶状体，该晶状体(参考图3)具有主光轴1A；中心光学部分2和周围支持部件3；植入片的总体形状由它的前表面4、后表面5和植入片的前表面和后表面7A和7B的上边界之间的过渡表面6定义；具有带有边界9A和前顶点10A的中心前光学面8A；具有边界9B和后顶点10B的中心后光学面8B；和前周围支持表面11A和后周围支持表面11B。
人工晶状体植入到人眼的后房，以替代天然晶状体，其尽量切合实际地模拟NCL的形状、大小、光学性质和材料性质，同时考虑到通过小切口进行外科植入的需要。
根据至少一个本发明的实施方式的人工晶状体具有至少其后表面接近天然晶状体的后表面的形状和尺寸，以实现与眼睛的后囊膜基本上完全接触。至少本发明的人工晶状体的接触后囊膜的部分，其由透明柔性水凝胶材料制成，该材料接近形成天然晶状体的组织的光学性、亲水性和电化学性质。设计前方以避免与虹膜的永久接触。
在至少一个实施方案中，将前表面成形，以避免与虹膜的永久接触，前周围支持表面11A是凹面。
在至少一个实施方案中，本发明的人工晶状体具有至少其前表面和后表面的主要部分，包括两个光学面，通过沿光轴旋转一个或多个圆锥截面定义，且人工晶状体由液态聚合物前体与模具的固体壁接触固化形成，优选疏水塑料模具。
附图简述
附图，在此引入并构成本说明书的一部分，示出了本发明的当前优选实施方案，并连同上面给出的一般描述和下面给出的详细描述，用来解释本发明的特征。在附图中：
图1示出了包括主要结构的眼的内部排列，该主要结构包括角膜,巩膜,虹膜,NCL,玻璃体,视网膜和晶状体的悬吊器官(晶状体囊、小带和睫状肌)
图2示出了在具有一个双曲面的晶状体中的屈光力的分布。
图3A为本发明的示例性实施方案的生物模拟人工晶状体的剖视图。
图3B为图3A的晶状体的俯视图。
图4A为具有圆形的光学部分和椭圆形的支持部件的晶状体的另一个示例性实施方案的俯视图。
图4B是晶状体的另一个示例性实施方案的俯视图，该晶状体具有被单一纵切截断的圆形的支持部件。
图4C是晶状体的另一个示例性实施方案的俯视图，该晶状体具有被两个对称的新月形切面截断的圆形的支持部件。
图4D是晶状体的另一个示例性实施方案的俯视图，该晶状体具有被一个纵切和两个新月形切面截断的圆形的支持部件。
图4E是晶状体的另一个示例性实施方案的俯视图，该晶状体具有被四个对称的新月形切面截断的圆形的支持部件。
图4F是晶状体的另一个示例性实施方案的俯视图，该晶状体具有被两个直平行切面截断的圆形的支持部件，且具有圆柱轴1B的圆柱状晶状体与切面方向成α角。
图5A-5C示出了具有被分为两个或更多个光学区的光学面的示例性晶状体的俯视图。
图6A-6C为根据本发明由两种或更多种材料组成的另一种的晶状体的剖视图。
图7A-7C为展开图，其示出示例性晶状体的周围支持部件的替代外形。
图8示出了根据本发明的示例性实施方案的晶状体的生产模具的概略性构成。
发明详述
在附图中，相似的数字表示全文中类似的元素。在本文中的某些用语仅为方便起见，并且不应被看作是对本发明的限制。下文说明本发明优选的实施方案。然而，应当理解，基于该公开内容，本发明不受本文所描述的优选的实施方案的限制。
NCL随时间发展具有非常复杂的结构。其结构特征之一是NCL 103的后表面和前表面的非球面性。如近年来建立的观念，E.L.MARKWELL等，MRI study of the change in crystalline lens shape with accommodation and agingin humans，发表于Journal of Vision(2011011(3)；19,1-16；M.Dubbelman等，Change in shape of the aging human crystalline lens with accommodation，发表于Vision Research 45(2005),117-132；F.Manns等，Radius of curvature andasphericity of the anterior and posterior surface of human cadaver crystallinelens，发表于Experimental Eye Research 78(2004),39-51；M.Dubbelman等，The shape of the aging human lens:curvature,equivalent refractive index and thelens paradox，发表于Vision Research 41(2001)1867-1877，年轻人晶状体的前表面和后表面都是双曲线，且其特征在于等式：
Y-Yo＝X^2/{Ro*(1+1-h*(X/Ro)^2)^0.5}…………………………..1
其中Y是在主光轴1A的方向的坐标，X为到主光轴1A的距离，Yo是在主光轴1A的顶点位置，Ro为曲率中心半径，h为圆锥系数(或形状参数)。等式1描述取决于形状参数h值的任何圆锥截面曲线：h＝0时，其是抛物线；h＝1时，其是圆；h<0时，其为双曲线；0<h<1时，其是扁长的椭圆形；h>1时，其是扁圆的椭圆形。
已经发现，对于典型的年轻人的NCL，其前表面比后表面更加为双曲线的，该双曲随调节显著增加，而且人眼晶状体随年龄增长，且其双曲率减小，使得老年人的NCL可变得基本上为球形。
被参考的研究描绘了选定人口样本的典型的NCL的尺寸。根据这些参考文献，典型的人晶状体前表面中心半径范围为约5至13mm，并且平均前表面的圆锥参数为约-4(范围为约-22至+6)。后表面中心半径范围为约4至8mm，并且平均后表面的圆锥参数为约-3(范围为约-14至+3)。
年轻松弛的NCL的中心厚度典型地为约3.2mm至约4.2mm，随年龄和/或随近焦点调节增加至厚度为约3.5mm至约5.4mm。NCL的后表面部分深度一般相同，或比其前部的深度更大。因此，后表面晶状体的矢深(sagittaldepth)通常为约1.75mm至约2.75mm在赤道直径为约8.4mm至约10mm。这定义了后囊膜在其“自然”状态的基本尺寸。
虽然上述参考文献没有说明的NCL的几何特性和光学特性之间的任何特定联系，我们已经通过数学建模发现双曲面将晶状体变得多焦点，其在中心具有最大屈光力，并向周边逐渐递减。我们从这样的多焦点性期望的一个直接后果是晶状体的大的焦点深度，这使得邻近物体可被投影于视网膜上，即使没有任何特别的晶状体形状变化。建模的另一个影响是，晶状体的平均屈光力随着孔径减小而增大。因此，我们可推论，近的聚焦可通过瞳孔收缩(所谓的“瞳孔反射”或“邻近缩瞳”，其可在近对焦中在实际临床中观察到)改善。天然晶状体双曲率的另一个结果是人类(特别是年轻人)大脑自然地神经适应图像并正确地解释图像的能力，该图像通过双曲线晶状体投影到视网膜上而形成。
这种利用某种类型的多焦点性的调节机制或许需要更深入的解释：
具有至少一个双曲面的晶状体展示出“双曲线象差”，其与球面象差相反：通过中心入射的射线被弯曲至一个接近晶状体的焦点，且随着入射光线从晶状体中心到晶状体边缘的距离增加，焦点逐步离晶状体更远。
因此，具有双曲面的晶状体是正多焦点：它在中心具有最短的焦距(即，最高的屈光力)，并从中心向晶状体边缘焦距增加(即，屈光力降低)。双曲线晶状体的焦点范围可以是相当大的并且可通过定义双曲面形状的所谓的圆锥系数或形状参数控制。
具有双曲面的晶状体的屈光力的分配的实例示于图2，其中以屈光度m-1表示的局部屈光力被针对以mm表示的从光轴的距离进行绘制。
我们假设，根据我们的研究，该正多焦点性和其在天然晶状体的改变促使眼以在几个方面调节：
晶状体的焦点范围覆盖的所有距离内的视野范围内的所有物体的图像同时将被投影于视网膜上。这大大增加了眼睛的聚焦深度，因为所有物体创建良好焦距的图像(伴随着我们的大脑学会抑制的许多非对焦图像)。
天然晶状体因为调节而增加其双曲率，这进一步增加了晶状体的焦点范围，因此，焦点深度进一步增进。
眼有助于通过缩小瞳孔聚焦于邻近物体。这种所谓的“瞳孔反射”或“邻近缩瞳”具有两种后果：首先，它减小了孔径，并因此增加了眼作为光学系统的焦点深度(缩小孔径阻塞了远离轴线、并以相对于轴的尖锐的角度进入眼中的光线)；而且通过仅使用具有最大屈光力的中心部分，增加了晶状体的平均屈光力。
从我们的研究中明显发现，邻近缩瞳可以仅帮助具有双曲线象差(即具有正多焦点性)的晶状体达到近对焦。它对单端式的抛物线晶状体的影响不大，且其对具有负多焦点性的晶状体产生不良后果：球形晶状体或椭圆形晶状体(例如新月形晶状体)因邻近缩瞳变成具有较低屈光力的更弱的晶状体而不是近对焦需要的更强的晶状体。
本发明的人工晶状体是可替换天然晶状体的可植入至人眼的后房的水凝胶设备。将其设计为模拟或复制天然晶状体的必不可少的生理和光学功能，且不产生早先的尝试会在某些情况下产生的问题。应认识到，所述特征的新型经深思的组合，其可单独使用，或以不同的组合方式使用，这在以前更不易成功。由于其特征的平衡组合，而不是单一的特征，天然晶状体也实现了它的功能。
有助于整体功能的特征，和本发明组合特征包括：植入片的大小和形状；材料特性；表面性能；光学特性；植入方法；和制造方法。我们将在下文说明各种特征并提供单独特征如何相互交互以提供有益效果的示例性配置。要认识到植入片可以结合几个所描述的特征，以实现所希望的效果，但是，本发明不限于以下描述的示例性构造，并且包括特征的各种组合。
参照附图3A和3B，所述植入片具有主光轴1A以及中心光学部分2和周围支持部件3。植入片的总体形状被其前表面4、后表面5和过渡表面6(其位于前表面的上边界7A和后表面的上边界7B之间)所定义。各面由两个或更多个表面组成。中心前光学面8A具有边界9A，且中心后光学面8B具有边界9B。各表面可以被分成具有两个或多个区，在他们之间的边界(在附图5A至5C中以13A和13B表示)为圆形、直线或以其他方式确定的形状。中心前光学面的顶点10A和中心后光学面的顶点10B被定位在主光轴1A上。前周围支持表面是11A且后周围支持表面是11B。
边界7A和7B分别在前表面4和后表面5的顶部因其不连续性而可以识别。这样的不连续性位于表面在光轴方向的拐点，或在光轴方向的表面的二阶导数的不连续的点。边界可以是圆滑且连续的，但有利的是其通过一个尖锐边缘或锐边形成。锐边的优点体现于形成细胞迁移的障碍，如沿晶状体囊表面的成纤维细胞(通常为后囊膜混浊化的原因)。
晶状体总体直径定义为边界7A和7B的较大直径。晶状体光学区直径被定义为边界9A和9B的最小直径。后表面矢深是后顶点10B和限定后表面边界7B的平面之间的垂直距离。中心厚度是顶点10A和10B之间的距离。前深度是前顶点10A和限定前边界7A的平面之间的垂直距离。
在边界7A和7B，以及边界9A和9B，由垂直于光轴的平面中的圆圈定义，且如果中心光学部分2是对称的，并如没有任何圆柱状部分的情况下，主光轴1A可以是对称轴。具有对称的圆形足迹的这种植入片示于图3B。然而，边缘和边界可能具有不同于圆形的足迹，如图4A所示椭圆形足迹，或具有附图4B至4E中的带有1个、2个、3个或4个截断切面12A至12D的截切圆的形状的足迹。这些截断足迹的形状用于几个目的：
在植入过程中，它们使得能够更好地进入到晶状体后表面的空间。重要的是，在手术切口闭合之前，良好地清洁该空间以除去任何粘弹性聚合物或润滑剂或其它助剂。
在晶状体囊围绕IOL收缩之后，它们可以防止晶状体的旋转。这对于圆枕状的晶状体特别重要。
它们促进通过小切口的折叠和插入。
在光学器件具有圆柱状部分的情况下，则圆柱轴1B将以确定的方向定位，该方向相关于外缘的不对称，例如图4F中所示的截断切面12A和12B的角度α。不必说，截断切面12A至12D不一定是纵切，而也可以适当地形成例如新月形，且其数量可能甚至高于4。并且，截断切面可能不具有相同的长度或对称地定位。可以理解，具有截断的边缘的足迹将促进植入片通过一个小手术切口折叠和插入。此外，一旦晶状体囊围绕其放置，非对称边缘足迹将阻止植入片转动。这对于为补偿散光现象设计的具有圆柱状部分的圆枕状晶状体特别重要。
后表面5的形状和尺寸是近似于天然晶状体的后表面的形状和尺寸，并实现接触至少眼睛后囊膜的主要部分。这是很重要的，原因如下：
植入片将保持后囊膜为其自然形状，没有皱褶且光滑以获得最佳光学性能；
晶状体囊和所述植入片的紧密接触将防止成纤维细胞的迁移，这可能导致后囊膜混浊化；如果后表面是高度水合的并携带固定的负电荷，这就变得尤其有效。
植入片将占据由天然晶状体的后方空出的空间，并因此防止玻璃体向前前进并因此防止玻璃体对视网膜的压力的降低(这可导致视网膜脱离和/或囊样黄斑水肿)。
应当指出的是，当植入片的接触面是亲水性的并携带固定的负电荷以防止囊纤维化以及将干扰植入片功能的僵直、混浊化和收缩(或者甚至是脱位)时，则植入片和后囊膜之间的紧密接触是特别有益的，这将在下文中描述。
在本发明的优选实施方案中，至少后表面5的主要部分是通过大致光滑的凸形表面形成的，该凸面通过围绕光轴的圆锥截面旋转形成，或上述表面的组合形成。周围部分优选由圆锥表面或双曲表面形成，而该中心光学面优选双曲面、抛物面或球面(或其组合)。后表面的矢深(即后表面中心光学面顶点10B和后表面7B的边界，在主光轴1A上测量的垂直距离)应大于1.1mm以便晶状体能良好运行其功能。为使其在整个折射范围表现良好，后矢深应大于1.25mm，有利地大于1.75mm，且优选大于2mm，但在任何情况下小于约2.75mm。
植入片的整体外径(LOD)对于其归心性、位置稳定性和晶状体囊填充能力是很重要的。后表面5的外径，即后表面外边界7B的最大尺寸(在垂直于主轴线1A的平面中)应该大于8.4mm，最好是至少8.9mm和优选至少9.2mm。允许的最大外径是大约11mm，但最好应低于10.75mm，优选以更小于10.5mm。外部尺寸的相当大的灵活性，由几个因素允许——晶状体的灵活性，和尤其是外周支持部件3的灵活性，后者可适应各种晶状体囊尺寸和晶状体囊收缩，而不会使中心光学部分2变形。
中心光学面可由具有不同的几何形状的一个或更多区域组成。所述区域可以是同心的，在这种情况下，图5A中的区域之间的后表面边界13B可以为圆形。区域也可以通过直边界划分，在这种情况下，区域可以具有月牙形足迹或楔形足迹。多种实施例示于图5A至5C。所述区域可以是在前光学面或后光学面。图5A示出了后光学面被边界13B分成两个同心光学区——中心光学区8B1和外光学区8B2。例如，该中心光学区8B1的后光学面可以是用于尖锐近视力(sharp near vision)的球面区或抛物面区，而双曲线外区服务于中间视力和远距离视力。可替代地，这两个区域可以具有双曲面表面具有不同的中心半径Ro和/或不同的圆锥系数。每个光学面也可以划分为多于两个区域。图5B所示的例子示出了晶状体的俯视图，该晶状体的前光学面8A被直边界13A分成面积相等的两个光学区8A1和8A2。这些区域中的每个具有带有不同的光学参数的不同形状。图5C所示的例子示出了晶状体的俯视图，该晶状体的前光学面8A被两个直边界13A和13B分成四个成对光学区8A1和8A2，其各自具有不同区域和不同的光学参数。例如，8A1可能有比8A2更高的屈光力并用于近对焦。这些区域的其中之一可以具有圆柱状部分。
两个光学面(或它们的区域或部分)是通过圆锥界面沿光轴旋转而形成的表面，或通过它们的组合而形成的表面。一个光学面可包含或两个光学面均可包含一个或多个球形光学区。有利的，至少一个光学面包含至少一个双曲面，优选在外光学区。优选地，两个光学面各包含至少一个双曲线区域。这样的双曲面类似NCL的表面并模仿它的一些有益光学特性。甚至更优选地，后光学面和前光学面均是双曲面，或均是两个或更多个同心的双曲线区域的组合。具有至少一个双曲表面的晶状体具有所谓的双曲线象差，这与带有球形、椭圆形或新月形表面的晶状体的球面象差正好相反。带有双曲线象差的晶状体在中心具有最高屈光力，并随着与光轴间的距离逐渐减小(在具有球面象差的晶状体中，屈光力随着与光轴间的距离增加。)该双曲线象差有助于眼通过上述几种机制进行调节。
为了模仿NCL的光学特性，需对前光学面和后光学面的圆锥系数进行选择，以使得中心光学部分2的屈光力从在光轴上的最高值逐渐降低到在中心光学部分2的外围的最低值。
屈光力随着与光轴间的距离而下降的陡度依赖于双曲面的形状参数(圆锥系数)。应选择圆锥参数使得屈光力的平均下降为介于-0.25Dpt/mm至-3Dpt/mm，有利地介于-0.5Dpt/mm和-2.5Dpt/mm，且优选介于约-1Dpt/mm和-2Dpt/mm。
曲率的后表面中心半径(在那里，光轴与后顶点相交)有利地为2.5至8mm，并且优选约3.0至5mm。对NCL而言，后表面的圆锥系数有利地选自从约+3至约-14，优选约-1至-8。
前光学面8A的中心半径Ro被选择为要么大于约+3mm，要么小于约-3mm，且优选大于约+5mm或小于-5mm。
对人NCL而言，前光学面8A的圆锥系数选自范围为+6至-22，优选为约-1至-8mm。
前光学面8A可以部分或完全由球面或抛物面形成。在这种情况下，中心后光学面8B应优选具有一定圆锥系数的双曲线表面，该圆锥系数选自使得整个晶状体具有双曲线象差的范围。
然而，优选地，至少前光学面8A的主要部分是双曲面，尤其是外光学区。具有直径为约1.5至4mm之间，有利地介于约2至3.5mm之间，的前光学面的中心光学区，可以由抛物面或球面形成，以便进一步提高近对焦分辨率。
图2示意性地示出了本发明晶状体的优选光学剖面中的一个例子。应当理解的是，不同的眼睛要求植入晶状体的不同屈光力。
大多数当前的IOL不是生物模拟的，因为它们被设计为仅仅模拟NCL的基本光学功能，即，提供在视网膜上聚焦远处的物体所需的基本屈光力。根据具体的眼睛，基本屈光力通常是15至30Dpt，在任一侧存在一些偏差。这一要求可以通过位于接近NCL的主平面的某处的基本上单端式的(通常呈球形)的刚性晶状体来满足。因为最详细的图像被投射到位于光轴上的视网膜(斑)的相对较小的部分，并且由于我们的许多活动都在小眼孔径(收缩的瞳孔)进行，所以大多数的IOL比NCL显著较小(大多数IOL为4.5至6mm，相对地，NCL为9.5至10.5mm)。光学器件的小尺寸被一些IOL制造商偏爱，因为这样的IOL更容易适应通过小切口植入。出于同样的原因，大部分IOL是由柔软的弹性材料制成，其允许通过小切口以变形的形状(折叠、卷起等)植入。然而，这种变形与光学功能无关。
然而，光学器件的小尺寸也有其缺点。在大瞳孔打开时(例如，在夜间行驶期间)，IOL边缘会反射光线，并造成炫光、光晕和不良影响。此外，小光学器件不能投射所有外围和离轴射线，但NCL可以，特别是在大瞳孔打开时。最后，小尺寸的光学器件妨碍视网膜周边的清晰视觉力，该清晰视觉力对诊断和治疗来说是所需的。由于这些原因，在尺寸上类似于NCL的大光学器件，相对于用于在大多数当前IOL中使用的更小的光学器件而言，是优选的。重要的是，整个大的光学区必须具有良好限定的几何形状，这在光学上是有用的。具有新月形光学面的晶状体很难定义其形状，尤其是在周边区域。这可能会导致意外和干扰的光学现象。
一些现代的IOL被设计来在一定程度上模拟的NCL的调节或拟调节(即允许眼睛同时对焦于远对象和近对象)。多种IOL使用不同的手段来实现这一目标：有些是使用双焦点、多焦点(multifocal)或多焦点(polyfocal)光学器件；其他使用的设计允许，相对于眼球，将IOL光学器件前表面——后表面移动；或者允许通过改变两个晶状体之间的相互位置从而改变光强度。某些晶状体甚至因为通过睫状肌或玻璃体的压力驱动的晶状体中的液体迁移而改变屈光力，改变头部位置，或通过微型泵驱动晶状体。
这些设计有时是相当复杂的设置，其与NCL在大小、形状和材料特性上有很大不同。这使得它们容易产生各种问题，如晶状体囊的纤维化或细胞向内生长或蛋白沉积在在其表面上，以影响其功能。此外，其增加的体积和复杂的设计与所有现代IOL通过小切口植入的需要相抵触。这需要设计小直径光学器件并使用具有高屈光率比的的材料，其比NCL更具有反射性，从而增加了眩光和光晕的问题。
在大多数情况下，这些晶状体使用小直径的光学器件，典型地4.5至6mm，具有细长，柔性的“触觉”，以在光路的中心位置放置光学器件。此外，可变形的材料被用于允许通过小切口折叠或卷起用于植入。这种IOL的表面性质有时经修饰，以达到更好的生物相容性(例如，A.M Domschke在美国专利公开号2012/0147323中，J.Salamone等在美国专利公开号2008/0003259中)。
这个通用设计允许为了通过相对小的切口(通常为2至3mm)植入时折叠人工晶状体。然而，小的IOL尺寸有其自身的缺点：
如果由于光线不好的条件下(产生夜间眩光、光晕、受限的周边视力等)眼孔径较大，或者如果IOL变得偏离中心(导致“日落综合征”或其它问题)，用直径为6mm以下的小光学器件可能不能完全替代直径9至10.5mm的晶状体；
小光学器件不能投射所有周围射线和离轴射线，而NCL可以，因此降低成像性能，特别是在大瞳孔打开时(用于例如，夜间周边视觉)；
小光学器件可复杂化或甚至阻止视网膜检查和治疗(这可能是重要的，特别是在糖尿病的情况下)。
此外，小的IOL尺寸使最初由较大NCL占据的空间基本上空置。因此，将允许玻璃体前进，且其对视网膜的压力部分减轻。这可以导致在白内障手术后视网膜脱落的概率增加，这报道在J.A.Rowe,J.C.Erie,K.H.Baratz等(1999).“Retinal detachment in Olmsted County,Minnesota,1976through 1995”.Ophthalmology 106(1)：154–159。同样的效果还可引起或促进囊样黄斑水肿(CME)。参见Steven R.Virata,The Retina Center,Lafayette,Indiana：CystoidMacular Edema，网页。
小光学器件和具有触觉的常规的IOL设计的另一个缺点是：用通过相对脆弱的触觉的方法悬浮在相对空置空间的光学器件的IOL可能易受到意外撞击情况下(在光滑表面滑倒、汽车碰撞、被拳打等)的损坏和/或错位。
小体积的IOL和小直径的光学器件衍生的一些问题被IOL设计解决，该IOL设计在更小的或更大的程度上填充NCL空出的位置。有几种方法达到此目的，每一个都有自己的优点和缺点：
液体填充的晶状体囊可固化为透明的柔性的固体诸如硅酮橡胶。只要填料具有与NCL相似的变形性，预计这种方法将恢复天然晶状体的调节(例如，Gasser等人在美国专利号5224957)。然而，迄今常使用的材料经常造成晶状体囊的纤维化和混浊化。此外，难以控制在原位形成的IOL的形状和光学参数。
以高度变形后的形状植入体积庞大的IOL，使其通过合理的小切口植入，并基本上充满晶状体囊。该方法使用疏水记忆聚合物尝试，该聚合物可以高度变形的形状被“冷冻”以用于植入，并在加热至体温时返回到原来的形状(Gupta在美国专利号4,834,750和美国专利号RE 36,150)。然而，所述疏水性记忆聚合物是非常外来的材料并引发与用于填充晶状体囊中的材料中类似的问题。
类似的方法也用水凝胶尝试过。非常大的IOL，基本上模仿天然晶状体的大小和形状，被植入到空出的晶状体囊(例如，Wichterle的‘732专利和斯托伊的’283专利)。这些特殊的IOL的问题是其独特的光学器件。这些晶状体具有新月形前光学面，其强烈偏离于NCL的几何形状。新月形形状是由单体混合物的游离面固化形成的，并且在这样的IOL的光学特性的控制上存在问题。此外，这些晶状体在通过小切口进行植入中往往过于笨重。此外，用于这些晶状体的一些水凝胶缺乏固定负电荷，并且这样的水凝胶具有在植入后的某个时候钙化的倾向。一些其他填充晶状体囊的晶状体(Sulc等人的'083和'903)具有碰到虹膜的前部凸起，并因此在大致中心位置稳定晶状体，但会引起各种问题，例如堵塞液体流、晶状体光学变形和虹膜侵蚀。
另一种方法是植入中空的晶状体(或晶状体壳)，植入后，将其在原位液体固化填充(例如，Nakada等人在美国专利号5,091,121和5,035,710)。
另一种方法是植入具有两个晶状体的双光学器件IOL，其中之一与前囊膜接触，另一个与后囊膜接触，两个晶状体都由柔性构件或连接器保持分开状态(美国专利号4,946,469；美国专利号4,963,148；美国专利号5,275,623；美国专利号6,423,094；美国专利号6,488,708；美国专利号6,761,737；美国专利号6,764,511；美国专利号6,767,363；美国专利号6,786,934；美国专利号6,818,158；美国专利号6,846,326；美国专利号6,858,040；美国专利号6,884,261)。
基本上填充原晶状体的整个晶状体囊的这样的植入片也有一些问题：
除非由具有与NCL相似的水合作用和负电荷的极其生物相容性材料制成，IOL的前表面可能会接触到虹膜并引起侵蚀、褪色、出血或炎症。
一些材料通过具有高的平衡水含量制备得更生物相容。然而，这将屈光率降低得远低于最佳值(年轻NCL的值)。
对于IOL重要的，不仅是形状和光学器件类型，还是其材料。NCL是包含水、盐和聚合物成分的复杂的天然水凝胶结构组成，该聚合物成分含有胶原蛋白、多糖和蛋白聚糖。重要的是，聚合物成分中含有相当浓度的酸性离子化基团，如羧酸根或硫酸根。这些基团提供具有固定负电荷的晶状体材料。水合作用和负电荷影响眼内液中的蛋白质和NCL之间的相互作用。此外，它的表面特性影响晶状体和细胞之间的相互作用。已知的是，含有表面具有固定负电荷的合成水凝胶不吸引蛋白质和细胞，且使水凝胶更抗钙化(Karel Smetana Jr.等，“Intraocular biocompatibility of Hydroxyethylmethacrylateand Methacrylic Acid Copolymer/Partially Hydrolyzed Poly(2-HydroxyethylMethacrylate),”Journal of Biomedical Materials Research(1987)vol.21pp.1247-1253)，并且不被免疫系统认为是异物(Karel Smetana Jr.等，“TheInfluence of Hydrogel Functional Groups on Cell Behavior”,Journal ofBiomedical Materials Research(1990)vol.24pp.463-470)。尽管许多IOL生产商，基于羧酸根吸引钙离子并因此导致钙化的原因，避免带有羧酸根基团的材料，依然有很多参考文献提及含有羧酸根基团的水凝胶IOL(Wichterle的‘732号专利、Sulc等人‘083和‘903号专利、Stoy的美国专利号5,939,208、Michalek和Vacik的‘093号专利)。
所述羧酸根基团可以被均匀地分散于水凝胶中，或主要集中在表面上形成膨胀和电荷密度的梯度，如描述于Stoy的'208号专利和Sulc等的美国专利号5,158,832。典型地，NCL材料平均含有水的重量为约66％。然而，NCL构造为有致密核心和多水合夹套，且NCL的水合作用随年龄变化，因人而异。因此，不能指定NCL的不同于平均值的单一水含量值。
类似地，NCL的各层具有不同的折射率。晶状体的屈光度从在中心层中的约1.406下降到在晶状体的低密度层的1.386。例如参见Hecht,Eugene.Optics,2nd ed.(1987),Addison Wesley,ISBN 0-201-11609-X.p.178。因此，光学上有意义的等效折射率，或ERI，作为NCL的特性被给出。屈光率和水含量都随晶状体年龄而变化。平均ERI＝1.441-3.9x10^-4x年龄，因此从出生时的约1.441减少至70岁时的约1.414。参见M.Dubbelman等“The ShapeOf The Aging Human Lens:Curvature,Equivalent Refractive Index And TheLens Paradox”,Vision Research 41(2001)1867-1877,图9。
此外，ERI随着调节而增加，约0.0013-0,0015每屈光度。参见M.Dubbelman等，“Change In Shape Of The Aging Human Crystalline Lens WithAccommodation”,Vision Research 45(2005),117-132Ref pp.127-128。人们可以推测，屈光率的这种变化与水含量的变化(减少)是相关的，这由于调节过程中晶状体在变形。忽视这些复杂情况，我们将使用平均ERI＝1.42，除非另有说明。
有趣地发现，如果找到具有与NCL材料相同水含量且同时相同屈光率的合成水凝胶如果不是不可能的，也是困难的。具体地，含有66％的水(重量)的合成水凝胶通常具有约1.395，而不是1.42的屈光率，1.42的屈光率为期望为含有接近50％的水的水凝胶。
ERI＝1.441的平均液体含量(非常年轻的平均NCL)为具有40％的水，而对于ERI＝1.414(衰老的平均NCL)需要水含量约为55％(以重量计)的水凝胶。由于我们认为对于生物模拟IOL材料，模拟屈光率比模拟NCL的水含量更重要，我们选择了本发明的示例性实施方案的IOL的期望平均水含量范围，为40％和55％之间(以重量计)。当然，这是平均水含量——与NCL类似，晶状体可以具有带有不同的水含量的多种层，例如，内部具有较高屈光率且外层具有较低折射率
许多现有技术文献提及来自具有高水含量的水凝胶的IOL，然而，他们没有认识到的水含量和屈光率值之间的关系。例如，Wichterle的'732专利指定所希望的屈光率值为1.4左右(广义上为1.37至1.45，这显然是对具有指定水含量的已知的合成水凝胶是不可能的，所述指定水含量为至少60％且优选65-70％，转化为范围为从1.39至1.405的屈光率)。实施例显示了具有含量低的羧酸根基团的制剂。
Sulc等在专利'083和'903中公开了在表面或其部分上水含量至少70％和最好至少90％，并提到在现有技术的IOL中55-70％的水含量。提及具有较高屈光率的芯和具有较低屈光率的壳，且芯可以具有菲涅耳透镜的形式。水合作用和屈光率的梯度任选通过NaOH处理而获得，所述NaOH处理实现水凝胶共价网络的重组。该参考文献的实施例1示出了IOL的水含量为88.5％，实施例2示出了IOL的水含量为81％，和实施例4示出了具有水含量91％的晶状体。实施例3未给出水含量。
Charles Freeman在美国专利公开号2009/0023835中描述了水含量低于55％和屈光率大于1.41的水凝胶材料，且钠离子通量在约16至约20micro.eq-mm/hr/cm2，对于晶状体后房IOL特别有用。未提到羧基基团或酸性基团，已知虽然它们的存在增加了通过水凝胶的离子扩散通量。
NCL材料的水凝胶特性有一定可能的、不太明显但具有潜在的重要影响：它的水含量依赖于对晶状体的压力。因此，对准远处的NCL，相对于对准近物的松弛的晶状体，可具有不同的水含量，并因此具有不同的屈光率。由于对准远处的NCL的压力不是均匀分布的，可导致膨胀的梯度和屈光率的梯度。除了NCL表面的多焦点性以外，这还将产生光学性质的微妙变化。这些细微的变化可能对我们的视力是重要的，且其很难被仿制，除非通过使用具有与NCL相似的物理化学性质和光学特性，以及类似的几何结构的水凝胶。特别是，NCL替代物的水凝胶应具有类似的屈光率和由可以合理预期作用于NCL上的外部应力而改变水含量的能力。因此，在生物模拟的IOL中使用的水凝胶应具有对水的湍流的能力。
因此，至少接触后囊膜的植入片的一部分由透明柔性水凝胶材料制成，其接近形成天然晶状体的组织的光学特性、亲水性及电化学性质进行。
IOL的前部可能会干扰或者甚至阻止玻璃体体液的流动，从而造成眼内压的增加，并最终导致青光眼。这种设计往往需要首先进行虹膜切除术。
除非使用具有与NCL相似的水合作用和负电荷的极其生物相容性材料制备，晶状体囊和在当前的IOL使用的人造材料之间的大面积接触，有时会引起晶状体囊混浊化、纤维化等。本发明的生物模拟人工晶状体正在解决这些问题。
中心光学部分2由可变形的弹性材料，诸如平衡水含量在约35至65％、有利地介于约38％至55％之间、和优选在约40％至50％(所有％是重量百分比，且平衡水含量是眼内液处于平衡状态时的水含量，除非另有说明)的水凝胶制成。
光学部件的可变形性对于通过小切口进行植入和其调节功能都是很重要的。光学部件可被构造为水凝胶壳，并带有液体或软凝胶构成的芯，如图6A中所示。图6A示出了具有后表面水凝胶夹套14、较软的芯15和前壳16的晶状体的剖视图。有利地，后表面水凝胶夹套14与晶状体的周围支持部件3组成整体是有利的，且14至少在其后表面上含有固定负电荷。芯15可以由疏水性液体(如矿物油或硅油)有利地制成，或由软硅酮或丙烯酸轻微交联的凝胶制成，这可由本领域技术人员很容易地设计和创造。可替代地，芯可以由亲水流体或软水凝胶制成。前壳16可以由与后表面水凝胶夹套14相同或不同的材料制成。
在一个实施方案中，水凝胶夹套和软芯15具有基本相同的屈光率，以使折射的主要部分发生在晶状体的外光学面上，而不是在它的内界面。这可以例如通过以下实现：由硅酮液体或硅酮凝胶(具有约1.42的屈光率)制成的芯，和由水凝胶(水含量介于约41至45％的水)制成的夹套。通过正确地配制水凝胶，本领域技术人员可以调节在所述水凝胶中的水含量以达到的折射率的大致匹配。可替代地，芯和夹套可以具有不同的折射率，以便使折射的那部分发生在材料之间的内界面上。
图6B示出了晶状体的剖视图，所述晶状体在芯15和为形成复合透镜(菲涅耳透镜)而被成形的相邻光学介质16之间具有内部界面。所述芯15和光学介质16的材料具有不同的折射率，并且有利地，其中之一是可以提高两者的可变形性和折射的流体。这样安排的好处是可能能够使用具有高水含量和低折射率的水凝胶作为基本结构材料，并且还实现，允许通过小切口植入的晶状体的相对低的中心厚度。
图6C示出晶状体的替代设计，其包括两种不同的材料。在后方14的材料是具有高水合速率并含有带负电荷的基团的水凝胶。它与光学部分和支撑部分相同。芯15的前方的材料是具有低水含量和高屈光率的材料。两种材料之间的界面是有折射力的。
中心前光学面8A和中心后光学面8B的直径均大于约5.6mm，有利地大于约6.5mm且优选大于约7.2mm。两个光学面中较大的一个的最佳直径大于约7.5mm，有利地约8mm以近似NCL光学系统的大小。这样大的光学器件，通常适用于凸凹的或平凸的中心光学部分2。对于双凸面的光学部件，前光学直径通常选择的更小，使光学部件的中心厚度降到最小。在任何情况下，该前光学面8A的直径有利地不大于中心后光学面8B的直径。
中心光学面8A和8B是由边界9A和9B(不一定是圆形)包围。边界9A和/或9B也可以是椭圆形或具有截切圆的形状，为了便于通过小切口折叠和植入晶状体。非圆形的光学面特别适合于具有圆柱状部分的晶状体。
后周围支持表面11B是由凸表面形成的，有利地为双曲面或圆锥形表面，其具有与主光轴1A相同的轴线。这个表面是高度亲水性的并且携带固定的负电荷，这归因于酸性基团(如羧酸根基团、磺基基团、硫酸根基团或磷酸根基团)的含量。水合作用和负电荷的这种组合可以防止永久粘附到晶状体囊上，阻止细胞(尤其是成纤维细胞)沿晶状体和晶状体囊之间的界面迁移，降低不可逆蛋白吸附，并阻碍囊纤维化和混浊化。有利地，后圆周表面由锐边7B限制，其进一步阻碍细胞向光学区域迁移。
前周围支持表面11A是凹面，其顶点位于光轴上，且其优选沿轴线1A对称。有利地，它是圆锥表面或双曲线表面，且其轴线与主光轴1A重合。有利地，表面是高度亲水性的和携带固定负电荷，以阻止细胞粘附和迁移和前囊纤维化。有利地，前圆周表面由锐边7A限制，其进一步阻碍细胞迁移。
前周围支持表面11A和后周围支持表面11B与连接面6一起限定了周围支持部件3的形状。该周围支持部件在后方是凸面的，在前方是凹面的，在这两个表面之间的平均距离范围为约0.05至1mm，有利地为约0.1至0.6mm，优选为约0.15至0.35mm。最佳距离取决于材料的刚性(stiffness)，这依赖于水含量、负电荷密度、交联密度和其它参数。
如果后表面和前表面由相似的几何形状的表面(例如双曲线表面)形成，则周围支持部件3将具有均匀的厚度。在图7A中所示的安排具有的优点是易于变形和根据晶状体囊的不同尺寸进行调节，且两个锐边7A和7B阻止成纤维细胞向光学区迁移。
周围支持部件3也可以通过增加或减小其从中心向边缘的厚度被制成更不容易变形的或更容易变形的的部件，分别示于图7B和7C。这些附图也显示边缘7A和7B的多种替代性安排。
植入片的前表面4被塑形，以避免与虹膜的任何永久的接触，该接触可能导致虹膜侵蚀、瞳孔阻滞、虹膜色素转移到植入片和其他问题。这种接触也可能干扰眼内液的流动，从而引起眼压的不利变化。它也可能干扰瞳孔收缩，以防止所谓的邻近缩瞳，邻近缩瞳有助于天然晶状体和本发明的植入片的近对焦。因此，中心前光学面8A部件部分下沉，这是由于前周围支持表面11A凹部和由于将边界9A定位于由前边界7A限定的平面下。中心前表面8A是平面、凸面或凹面，其前顶点10A超过晶状体的最高点(7A和7B的较高者)的限度最高为约0.25mm，有利地一点都不超过上边缘，和优选具有前顶点10A，其在最高点7A以下至少0.1mm。
前表面4和后表面5的至少主要部分(含中心光学面8A和8B)都是通过一个或多个圆锥截面围绕主光轴1A旋转而定义的。其中术语“圆锥截面”包括针对本申请的目的线的片段。由旋转所限定的表面将包括垂直于轴线的平面和沿主光轴1A对称的锥形表面。周围支持部件在后方是凸面的，在前方是凹面的，在这两个表面之间的平均距离范围为约0.05至1mm，有利地为约0.1至0.6mm，优选为约0.15至0.35mm。
在至少一个实施方案中，本发明的晶状体是通过液态聚合物前体固化而制造的。在优选的实施方案中，固化发生在与固体模型接触中，特别是与疏水性塑料制造的模具接触。可以理解的是，聚合物的表面微观结构取决于其固化发生的环境。如果固化发生固液界面上，与其发生在液-液或液-气界面，表面微结构将是不同的。优选地，至少所有光学面是由前体在固体界面固化形成。甚至更优选地，植入片的整个表面是由液态前体在固体表面(尤其是疏水塑料表面)固化形成的。优选的塑料模具是聚烯烃，尤其优选的塑料是聚丙烯。聚烯烃具有低极性，并具有与用作水凝胶前体的高极性单体具有较低的相互作用。同样地，由液态前体固化形成的水凝胶对模具表面具有非常低的粘附作用，并且可以在甚至没有任何微观表面损伤的情况下被干净地剥离。这对于光学性质和对于植入片的长期生物相容性都重要。
通过模塑制造相当大的精确形状的晶状体是困难的。本领域技术人已知，液态前体的任何固化都伴随甚至可能超过20％的体积收缩。在恒定体积的封闭模具中，这样的收缩会阻止内部模具表面的复制，并导致形成液泡、气泡、表面变形和其他缺陷。这就是为什么上述新月面的铸造方法用于IOL模塑的主要原因。其它发明人已经描述了一种方法和模具设计，其允许过量的单体可以从相邻处由体积收缩产生的抽吸而被转移(Shepherd T.,美国专利号4,815,690)。但是，这种方法不能用于这样的情况，其中由于交联聚合，液态前体以低转化率(例如，5％至10％)凝胶化(gellify)。
我们已经发现了体积收缩补偿的不同方法，即，由于某些模具部件的变形，减少内部模腔容积。图8所示的模具由两部件18A和18B构成，18A部件用于模制前表面4，18B部件用于模制后表面5。
18B部件的成形表面19B具有形成晶状体的后光学面8B所需的形状。模制表面的周围部件22B具有大于晶状体直径的直径且有利地，具有双曲面或圆锥形。
18A部件具有成形表面19A，其被分为使晶状体的前光学面8A成型的中心部件21A，和直径大于晶状体直径的周围部件22A。有利地，周边部件22A具有双曲面或圆锥形。外周表面22A大致平行于18B部件的相应表面22B。
模塑件的模具部件18A和18B的直径大体上比晶状体的直径大，且有利地，它们是相同的。22A或22B的表面之一装备有相对薄的和可变形的屏障20，其带有对应于晶状体的表面6的几何形状的内表面。20部件的高度一般介于约0.05mm至1.3mm，并且其厚度比其高度较小。部件20的剖面有利地为楔状或三角形。至少一个其表面有利地平行于光轴1A。屏障20可以由部件18A和18B分开，但有利地，屏障20是其中之一的组成部分。有利的是，该部件20位于凹面22B。在操作的优选模式中，将液态前体填充到凹模部件18B中，稍过量以达到超过屏障20，然后将其用18A部件覆盖。模具被构造在这样一种方式，部件18A和18B之间的唯一接触是通过部件20。前体的固化产生收缩且在模腔中的压力随之减少。在低转化率时，附加的液态前体被拉入模腔中。一旦由于交联而达到凝胶点，前体不再能流动了。减小的压力将导致部件20变形，并导致部件18A和18B的距离减小，且模腔容积随后减少。本发明的IOL的两部分模具优选通过使用聚烯烃(有利地用聚丙烯)注塑成型。
本发明优选的液态前体是丙烯酸单体和/或甲基丙烯酸单体与交联剂、引发剂和本领域技术人员公知的其他成分的混合物。优选的前体组分包含丙烯酸单酯和/或甲基丙烯酸和乙二醇的单酯和二酯的混合物，其中单酯是亲水性的成分，二酯是交联剂。优选的前体还包括丙烯酸和/或甲基丙烯酸或其盐。有利地，它还包括具有可聚合双键的紫外线吸收分子，如异丁烯酰基氧基二苯甲酮(MOBP)。其它可能的衍生物或丙烯酸或甲基丙烯酸是它们的酯、酰胺、脒和盐。
另外，水凝胶结构的部分是带有负电荷的离子化基团，如羧酸根侧基、硫酸根侧基、磷酸根侧基或磺酸根侧基。它们可通过与带有这些基团(如甲基丙烯酸或丙烯酸)的适当的单体共聚而被引入。在这种情况下，离子化官能团会被均匀地分散于水凝胶中。特别有利的是具有离子化基团的水凝胶，其中离子化基团主要集中在具有膨胀和电荷密度的梯度的表面上。这样的梯度可通过模制晶状体的后处理而创造，例如通过Stoy‘208描述的方法和Sulc等在美国专利号5,080683和5,158,832的方法。
其它方法包括，例如在晶状体表面接枝包含离子化基团的单体。应理解，可仅处理一部分晶状体表面，以使其含有高浓度的离子化基团，或表面的不同部位可以由不同的方法进行处理。
本发明的晶状体可在变形和部分脱水状态植入。受控的部分脱水可通过使晶状体与生理上可接受的盐(如氯化镁、硫酸镁或磷酸镁，或单价离子的氯化物、硫酸盐或磷酸盐，该单价离子如钠或钾)的适当高渗的水溶液接触来实现。可以调节盐浓度，以实现介于约15％和25％(液体重量)的水合作用。有利地，在高渗溶液中的晶状体可以通过高压灭菌消毒。
制备为通过减小尺寸的切口进行植入的水凝胶晶状体的另一种方法是以这样的方式通过非毒性有机水混溶性溶剂(如甘油或二甲基亚砜)将水凝胶增塑，使得所述增塑的水凝胶的软化温度高于室温但低于眼睛温度。这种组分和方法描述于例如Sulc等人的美国专利号4,834,753,在此通过该参考文献并入本文。
根据本发明的至少一个实施方案的晶状体是有利地以渗透非平衡的状态进行植入，以暂时附着于组织。渗透非平衡状态使得在晶状体囊在其周围收缩时，通过附着晶状体于后囊膜上，使晶状体位于中心。一旦晶状体被晶状体囊包封，其位置稳定。渗透非平衡能通过多种方式实现：在在高渗盐溶液中植入以前，浸泡晶状体，高渗盐溶液例如在介于10％至22％(NaCl重量)的溶液，有利地15％至19％(重量)；在进行植入之前将水替换为更小浓度的可与水混溶的溶剂，该可与水混溶的溶剂例如甘油或二甲基亚砜；或在离子化基团不完全电离的状态下(即在中和之前的酸性状态)植入晶状体，并通过体液的正离子在原位自发进行中和。植入后，在数小时至数天内，晶状体自发地实现其渗透平衡。
晶状体形状优选是由在闭合的两部分模具中的甲基丙烯酸和/或丙烯酸的酯和盐通过交联共聚形成。
晶状体的形状可以在成形后进行调节，这可以通过除去部分晶状体的方式，例如通过切除支持部件的一部分，通过在光学区外钻晶状体等。形状调节可在水凝胶或或干凝胶(即非水合的)状态下进行。我们已发现，带负电荷的水凝胶材料甚至允许使用主要为了活组织(包括NCR)开发的方法，例如超声晶状体乳化、烧灼或飞秒激光处理的方法。这些方法即使在完全水合的水凝胶状态也允许调整形状。飞秒激光甚至可被用于形成水凝胶晶状体的内部空腔，其可被用于形成晶状体内的新的折射部件，例如作为圆柱状晶状体用于散光补偿。在由形状调节(例如，通过激光处理)除去的物质是水溶性的且基本上无毒的情况下，甚至认为这种光学调节可在手术后在原位实现。在晶状体的至少经处理的部分中的水凝胶组分应有利地基于聚甲基丙烯酸的酯。已知的是，这样的聚合物能够被解聚成它们的母体单体(如2-羟乙基甲基丙烯酸酯或甲基丙烯酸)，该母体单体是具有良好可溶性，毒性低的易扩散化合物。其他聚合物，例如聚丙烯酸酯、聚乙烯化合物或聚氨基甲酸酯不具有这样的优势。
本发明通过以下实施例进一步说明，其意在提供附加信息的而不限制本发明的发明范围。
实施例1：
以下单体混合物如下制备：98重量份的2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA),0.5重量份的三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA),1重量份的异丁烯酰基氧基二苯甲酮(MOBP),1重量份的甲基丙烯酸,0.25重量份的樟脑醌(CQ)和0.05重量份的三乙醇胺(TEA)。将混合物使用二氧化碳除气并填充到图8所示的两部分塑料模具中，其中18B是用于模制晶状体后表面的模具的部件，18A是用于将晶状体的表面的前部分成型的模具的部件。这两部件均采用聚丙烯(PP)注塑成型。部件18B的成形表面19B具有由两个同心双曲面形成的形状。表面的中心部分的直径为3mm，中心半径为3.25mm和圆锥系数为-3.76，而外围是双曲面，其中心半径为3.25mm和圆锥系数为-6.26。模制表面配备有突出的圆形屏障20，直径为8.5mm，其具有对称三角形剖面，高度为0.2mm。其被设计来将图3A中的连接面6成型。
部件18A具有成型表面19A，其被分成直径6.8mm的中心部分21和直径13mm的周围部分22A。该周围部分由中心半径为3.25mm和圆锥系数为-6.26的双曲面形成。外周双曲面平行于部件18B的相应表面。部件18A的中心部分的曲率的中心半径为–20mm且圆锥系数h＝1。
将约0.1ml的单体混合物吸移到部件18B中，然后将其用部件18A覆盖，部件18A被小心居中并用小的重量轻轻压上。各部分之间唯一的直接接触是屏障20和22A的周围部分之间的圆形接触。然后将模具用蓝色光在波长471nm照射10分钟。光引发单体的聚合，并伴随在相对低的转化率和大致与转化成比例的体积收缩的胶凝。软凝胶的收缩产生温和真空，其将模具的两部分拉在一起。模具18A的圆锥周围部分22A挤压屏障20，使其稍微变形并接近部分18B，以减少模腔的体积。这补偿了聚合产生的体积收缩。所描述的模具设计，特别适合用于用具有高聚合收缩的材料生产体积相对大的IOL，该材料在相对低的转化率下达到凝胶点。
将模具部件分离，并将干凝胶晶状体(模腔的精确复制品)用碳酸氢钠溶液中和并用等渗溶液萃取。干凝胶和水凝胶晶状体之间的线性膨胀系数为1.17。在评价光学特性后，在密封泡罩包装中将晶状体浸入18％(以重量计)的NaCl水溶液中并通过高压灭菌。
实施例2:
以下单体混合物如下制备：94重量份的2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA),0.5重量份的三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA),4.5重量份的异丁烯酰基氧基二苯甲酮(MOBP),1重量份的甲基丙烯酸和0.25重量份的过氧化二苯甲酰。将混合物使用氮碳除气并填充到图8所示的两部分塑料模具中。部件18B的成形表面19B具有由两个同心表面形成的形状。表面的中心部分的直径为3mm，中心半径为3.00mm和圆锥系数为1，而外围部分是双曲面，其中心半径为3.25mm和圆锥系数为-6.26。模制表面配备有突出的圆形屏障20，直径为8.8mm，其具有对称三角形剖面，高度为0.15mm。屏障20的内部被设计来将图3A中的连接面6成型。
部件18A具有成型表面19A，其被分成直径7.1mm的中心部分21和直径13mm的周围部分22A。该周围部分由中心半径为3.25mm和圆锥系数为-6.26的双曲面形成。外周双曲面平行于部件18B的相应表面。部件18A的中心部分是垂直于光轴1A的平面。
将约0.1ml的单体混合物吸移到部件18B中，然后将其用部件18A覆盖，部件18A被小心居中并用小的重量轻轻压上。各部分之间唯一的直接接触是屏障20和22A的周围部分之间的圆形接触。然后将模具在75℃加热6小时。
将模具部件分离，并将干凝胶晶状体(模腔的精确复制品)用碳酸氢钠溶液中和，并用乙醇萃取3次，等渗溶液萃取5次。该晶状体是黄色的，其伴随对UV光的全部吸收和对蓝色可见光的部分吸收。干凝胶和水凝胶晶状体之间的线性膨胀系数为1.13。在评价光学特性后，在密封泡罩包装中将晶状体浸入15％(以重量计)的NaCl水溶液中并通过高压灭菌。
实施例3:
以下单体混合物如下制备：94.5重量份的2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA),0.5重量份的三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA),5重量份的异丁烯酰基氧基二苯甲酮(MOBP)和0.25重量份的过氧化二苯甲酰。将混合物使用氮碳除气并填充到图8所示的两部分塑料模具中。部件18B的成形表面19B具有由两个同心表面形成的形状。表面的中心部分的直径为6.5mm，中心半径为4.5mm和圆锥系数为0，而外围部分是双曲面，其中心半径为4.25mm和圆锥系数为-8。模制表面配备有突出的圆形屏障20，直径为9.3mm，其具有对称三角形剖面，高度为0.35mm。屏障20的内部被设计来将图3A中的连接面6成型。
部件18A具有成型表面19A，其被分成直径6.4mm的中心部分21和直径13mm的周围部分22A。该周围部分由中心半径为4.25mm和圆锥系数为-8的双曲面形成。外周双曲面平行于部件18B的相应表面。部件18A的中心部分是直径为6.4mm，中心半径为-3.75mm和圆锥系数为-6的表面。
将约0.1ml的单体混合物吸移到部件18B中，然后将其用部件18A覆盖，部件18A被小心居中并用小的重量轻轻压上。各部分之间唯一的直接接触是屏障20和22A的周围部分之间的圆形接触。然后将模具在75℃加热6小时。
将模具部件分离，并取出干凝胶晶状体(模腔的精确复制品)。然后将晶状体用季碱处理，这描述在参考文献Stoy‘208中。
由澄清的，电中性的交联亲水性聚合物制成的Z晶状体具有由带有高水合作用和负电荷密度的梯度层创造的表面。将该晶状体用碳酸氢钠溶液中和，并用乙醇萃取3次，等渗溶液萃取5次。该晶状体是澄清的，其伴随对UV光的全部吸收。干凝胶和水凝胶晶状体之间的线性膨胀系数为约1.12。在评价光学特性后，在密封泡罩包装中将晶状体浸入NaCl等渗水溶液中并通过高压灭菌。
通过前述说明书，本发明的这些和其它优点对本领域技术人员将是显而易见的。因此，本领域技术人员可识别，可对上述实施方式做出改变或修改，而不偏离本发明的宽泛的发明构思。因此，应该理解的是，本发明并不限于本文描述的具体实施方式，而是意在包括所有的变化和修改，其在权利要求书限定的本发明的范围和精神内。

Claims (66)

1.人工晶状体植入片，其能够被植入人眼的后房以替代天然晶状体，所述植入片包含：
主体，其定义中心光学部分和整体周围支持部件，两者均围绕主光轴延伸；
中心光学部分，其在第一边界内具有中心前光学面且在第二边界内具有中心后光学面，在中心前光学面中定义前顶点，在中心后光学面中定义后顶点；
周围支持部件，其具有前周围支持表面和后周围支持表面，前周围支持表面延伸自第一边界以使中心前光学面和前周围支持表面定义具有第一上边界的前表面，后周围支持表面延伸自第二边界以使中心后光学面和后周围支持表面定义具有第二上边界的后表面；
过渡表面在第一和第二上边界之间延伸；
其中至少后表面具有凸面形状且其由透明柔性水凝胶材料制成；并且
其中至少前光学面和后光学面通过一个或多个圆锥截面沿主光轴旋转定义，且旋转定义的表面将包含垂直于轴的平面，和通过轴对称的圆锥表面。
2.权利要求1的人工晶状体，其中所述后表面的形状构造成近似于天然晶状体的后表面的形状和尺寸，其意在替代天然晶状体，这样可使其基本上接触眼睛后囊膜的主要部分。
3.权利要求1的人工晶状体，其中所述水凝胶材料被配置为近似形成天然晶状体的组织的光学特性、亲水性和电化学特性。
4.权利要求1的人工晶状体，其中所述过渡表面由至少一个具有锐边的周围边缘限定。
5.权利要求1的人工晶状体，其中所述前顶点不超出第一上边界和第二上边界之一的进一步延伸。
6.权利要求1的人工晶状体，其中至少一个所述圆锥截面为双曲线。
7.权利要求1的人工晶状体，其中至少一个所述圆锥截面为抛物线。
8.权利要求1的人工晶状体，其中所述前周围支持表面和后周围支持表面为同轴双曲线表面或圆锥形表面。
9.权利要求1的人工晶状体，其中所述凸面的后表面是沿主光轴对称的且该后顶点位于主光轴上。
10.权利要求9的人工晶状体，其中所述凸面的后表面包含沿主光轴对称的双曲面表面。
11.权利要求9的人工晶状体，其中所述中心后光学面为沿主光轴对称的双曲面表面。
12.权利要求1的人工晶状体，其中所述后周围支持表面为沿主光轴对称的双曲面表面或圆锥表面。
13.权利要求1的人工晶状体，其中所述凸面的后表面由两个或更多个不同的同轴双曲面形成。
14.权利要求1的人工晶状体，其中至少部分所述后表面为球面。
15.权利要求14的人工晶状体，其中所述球面至少形成中心后光学面的中心部分。
16.权利要求1的人工晶状体，其中所述中心前光学面为平面、凸面或凹面，其前顶点超过第一上边界和第二上边界的进一步延伸的限度为最高0.25mm。
17.权利要求16的人工晶状体，其中所述中心前光学面为相对于主光轴对称的双曲面表面。
18.权利要求16的人工晶状体，其中所述中心前光学面为相对于主光轴对称的球面。
19.权利要求16的人工晶状体，其中所述中心前光学面为相对于主光轴对称的抛物面。
20.权利要求16的人工晶状体，其中所述中心前光学面为垂直于主光轴的平面。
21.权利要求1的人工晶状体，其中被定义为第二上边界的平面和后顶点之间的距离的后表面矢深大于约1.1mm。
22.权利要求21的人工晶状体，其中所述矢深为介于约1.25mm至2.75mm且后表面的直径介于约8.5mm至11mm。
23.权利要求21的人工晶状体，其中所述矢深为介于约1.75mm至2.75mm且后表面的直径介于约8.9mm至10.7mm。
24.权利要求1的人工晶状体，其中中心前光学面和中心后光学面中更小的一个的直径大于约5.6mm，而光学面中的更大的一个的直径大于约7.5mm。
25.权利要求1的人工晶状体，其中中心前光学面和中心后光学面中更小的一个的直径大于约7.2mm，而光学面中的更大的一个的直径大于约8.0mm。
26.权利要求24的人工晶状体，其中所述前光学表面不大于所述中心后光学面。
27.权利要求1的人工晶状体，其中前顶点和后顶点之间的距离不大于后表面的矢深，该矢深被定义为第二上边界的平面与后顶点之间的距离。
28.权利要求1的人工晶状体，其中至少一个所述中心光学面被配置为近似于天然的健康年轻人的晶状体的双曲面形状。
29.权利要求28的人工晶状体，其中中心前光学面和中心后光学面均被配置为近似于天然的健康年轻人的晶状体的双曲面形状。
30.权利要求1的人工晶状体，其中所述中心前光学面和中心后光学面中的至少一个由两个或更多个同心表面形成，该同心表面通过不同的圆锥截面沿主光轴旋转形成。
31.权利要求30的人工晶状体，其中所述同心表面为不同的双曲面。
32.权利要求1的人工晶状体，其中第一和第二边界均为圆形，其位于垂直于主光轴的平面内。
33.权利要求1的人工晶状体，其中所述第一上边界和第二上边界分别定义了前边缘和后边缘且所述前边缘和后边缘各具有非圆形的形状，其位于垂直于主光轴的平面内。
34.权利要求33的人工晶状体，其中所述非圆形的形状为截切圆的形状。
35.权利要求33的人工晶状体，其中所述非圆形的形状为双重截切圆的形状。
36.权利要求33的人工晶状体，其中所述非圆形的形状为三重截切圆的形状。
37.权利要求1的人工晶状体，其中前表面和后表面的至少主要部分通过与模具的固体表面接触的液态聚合物前体固化形成，所述前表面和后表面的至少主要部分无论如何包括前光学面和后光学面。
38.权利要求37的人工晶状体，其中所述模具为疏水塑料模具。
39.权利要求1的人工晶状体，其中全部前表面和后表面以及过渡表面通过与固体形状的表面接触的聚合物前体固化形成。
40.权利要求39的人工晶状体，其中所述固体形状的表面为疏水塑料模具的表面。
41.权利要求40的人工晶状体，其中所述塑料模具的表面由聚烯烃制成。
42.权利要求1的人工晶状体，其中至少后表面5包含至少一种类型的合成水凝胶，该合成水凝胶含有与眼内液平衡的以重量计介于约35％至65％的液体，并含有负电荷基团。
43.权利要求42的人工晶状体，其中与眼内液平衡的平均液体含量为以重量计介于约38％至55％。
44.权利要求42的人工晶状体，其中所述合成水凝胶为共价交联的水凝胶。
45.权利要求42的人工晶状体，其中所述合成水凝胶包含丙烯酸和/或甲基丙烯酸的衍生物。
46.权利要求45的人工晶状体，其中所述衍生物选自酯、酰胺、脒和盐。
47.权利要求42的人工晶状体，其中所述合成水凝胶包含吸收UV光的官能团。
48.权利要求42的人工晶状体，其中所述合成水凝胶包含离子化官能团，其选自羧基基团、磺基基团、硫酸根基团或磷酸根基团，所述平均浓度为约0.15摩尔％至约5摩尔％。
49.权利要求48的人工晶状体，其中所述合成水凝胶具有离子化官能团的浓度梯度，其中最高浓度在表面上。
50.权利要求1的人工晶状体，其中至少所述中心光学部分包含至少两种透明材料。
51.权利要求50的人工晶状体，其中所述不同的透明材料具有不同的折射率。
52.权利要求50的人工晶状体，其中所述不同的材料形成至少一个能够折射光的共同的界面。
53.权利要求52的人工晶状体，其中所述共同的界面具有复合折射面的形式。
54.权利要求50的人工晶状体，其中至少一个所述不同的透明材料为流体。
55.权利要求1的人工晶状体，其中所述圆锥截面可用等式Y-Yo＝X^2/{Ro*(1+1-h*(X/Ro)^2)^0.5}描述，其中Y是在主光轴的方向的坐标，X为到主光轴的距离，Yo是在主光轴的顶点位置，Ro为曲率中心半径，h为圆锥曲线的圆锥系数。
56.权利要求55的人工晶状体，其中中心后光学面的中心半径Ro为从约2.5mm至8mm，优选从3至5mm。
57.权利要求55的人工晶状体，其中中心后光学面的中心半径Ro为从约3至5mm。
58.权利要求55的人工晶状体，其中所述中心后光学面的中心圆锥系数为从约+3至-14。
59.权利要求55的人工晶状体，其中所述中心后光学面的中心圆锥系数为从约-1至-8。
60.权利要求55的人工晶状体，其中前光学面的所述中心半径Ro的绝对值为大于约3mm，优选大于5mm。
61.权利要求55的人工晶状体，其中前光学面的所述中心半径Ro的绝对值为大于约5mm。
62.权利要求55的人工晶状体，其中前光学面的中心圆锥系数为从约+6至–22，优选从-1至-8mm。
63.权利要求55的人工晶状体，其中前光学面的中心圆锥系数为从约-1至-8。
64.权利要求55的人工晶状体，其中选择前光学面和后光学面的所述圆锥系数，以使得中心光学部分的屈光力从在主光轴上的最高值逐渐降低到在中心光学部分的外围的最低值。
65.权利要求64的人工晶状体，其中选择前光学面和后光学面的所述圆锥系数，以使得中心光学部分的屈光力从中心向周围逐渐下降，下降幅度为介于约-0.25Dpt/mm至-3Dpt/mm。
65.权利要求64的人工晶状体，其中选择前光学面和后光学面的所述圆锥系数，以使得中心光学部分的屈光力从中心向周围逐渐下降，下降幅度为介于约-1Dpt/mm至-2Dpt/mm。
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