CN117916248A - 包含具有亲水取代基的双官能团poss笼的高氧扩散性的透明聚合材料 - Google Patents
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Abstract
已开发了一类新的有机硅单体，所述有机硅单体提供透明材料并赋予亲水性能。这些材料被引入眼科装置中，例如柔性透气性和硬性透气性(RGP)隐形眼镜。这些新的有机硅单体包括具有两个可聚合基团和六个有机官能团的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)。这些类型的结构引入了至少两个可利用的聚合位点，允许将倍半硅氧烷笼引入大分子的主链中。其他的官能团位点允许设计特定的化学特性，以满足所需的材料性能。
Description
技术领域
本发明涉及超高透气性(Dk)材料及其制造方法；更具体地涉及Dk值大于100的高Dk材料；进一步更具体涉及适合用作硬性透气性隐形眼镜的高Dk材料。还制备了水凝胶。
背景技术
隐形眼镜材料是由高度交联的有机聚合物制成的透明材料。有两种类型的镜片可利用——或者柔性的或者硬性的。柔性镜片被归类为由柔性有机硅聚合物与亲水极性材料结合制成的有机硅水凝胶。这种性能的结合使有机硅水凝胶成为使患者眼睛舒适的优选镜片。不幸的是，有机硅水凝胶镜片具低透氧性，长时间使用会对眼睛造成损害。
另一方面，硬性镜片提供更高的透氧性，但被认为不如柔性镜片舒适。硬性镜片通常是疏水的，可能需要表面改性以允许其在眼中具有良好的润湿，从而提高患者的舒适度。硬性镜片或硬性透气性(RGP)镜片的润湿是通过添加重新排列到镜片表面的酸来实现的。顾名思义，与柔性镜片和传统硬性镜片相比，RGP镜片具有提高的透氧性。这种允许氧通过材料传输的性能对于眼睛的健康是一个重要的优点。
多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)单体已被引入眼科材料中。例如，美国专利6,586,548(‘548专利)教导了用于生物相容材料的乙烯基单体的聚合，其中一种组分为POSS单体(也称为POSS笼)。‘548专利的POSS笼以单一的烯键式不饱和基团作为可聚合官能团。这些材料可以为透明的并适用于隐形眼镜。然而，这些材料的透氧性低，Dk值为17-34。
美国专利7,198,639(‘639专利)通过硅氢化物与乙烯基和铂催化剂的反应使用硅氢化作用将POSS笼引入柔性镜片中。或者，使用自由基聚合来引入POSS笼丙烯酸基团和/或苯乙烯基团。用乙醇、胺、硫醇、环氧树脂和异氰酸酯基团官能化的POSS分子也可用于‘639专利中。POSS分子为多官能团的，从开放的笼的顶点发出三个官能团。这些聚合组分可以被制成人工晶状体(IOL)植入物、角膜嵌体和其他相关物体。然而，没有报道这些材料的氧传输性能，因为这些材料旨在作为IOL植入物和角膜嵌体植入眼中。
美国专利10,633,472描述了一种制备高氧传输性(高Dk)材料的方法。单体包括氟丙烯酸酯、羟烷基三(三甲基硅氧基)硅烷、羟烷基封端聚二甲基硅氧烷和苯乙烯基乙基三(三甲基硅氧基)硅烷(styryl tris)。还有必要包括交联剂(如二甲基丙烯酸烷基乙二醇酯)和亲水剂(如甲基丙烯酸)。据报道，Dk值大于175。用车床将这些材料制成硬性透气性(RGP)隐形眼镜。
在另一个实例中，在WO 2016/115507中，POSS甲基丙烯酸酯被引入聚(氨基甲酸乙酯)中。聚合物组合物的固化成分适用于人工晶状体和隐形眼镜。氨基甲酸乙酯基丙烯酸酯共聚物也适用于其他角膜假体。
发明内容
根据本发明的一个方面，已开发了一类新的有机硅单体，所述有机硅单体可以被引入眼科装置中，产生赋予RGP镜片亲水性能的透明材料。这些新的有机硅单体为具有两个可聚合基团和六个有机官能团的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)。这些具有两个可利用聚合位点的单体允许倍半硅氧烷笼被引入大分子主链中。这样，所得聚合物的结构不同于具有单个可聚合基团的POSS单体，其中所得有机硅笼悬挂在聚合物主链上。此外，具有两个以上可聚合基团的POSS单体形成凝胶状结构，可用于填料的表面改性。通过将POSS笼引入聚合物主链中，所得聚合物的结构可以具有线性排列的连接的有机硅笼，或者引入其他可聚合单体以形成线性共聚物。
这种独特聚合物结构允许通过剩余六个官能团部分引入其他所需的性能。已发现，在POSS笼的至少一些可利用的顶点上引入PEG官能团赋予其延伸至整个材料网络的亲水特性。此外，已发现用其他官能团代替一些聚乙二醇(PEG)部分使官能化POSS单体与其他有机单体相容，以保持镜片所需的透明性能。
具体实施方式
将硬性透气性整料切割成镜片形状以改善散光人群的视敏度。早期的镜片由聚(甲基丙烯酸甲酯)制成。多代氟丙烯酸酯和硅氧烷改善了透氧性和润湿性。这不仅使患者更加舒适而且还改善了眼睛的健康。
将氟丙烯酸酯引入镜片中，通过使镜片坚硬提高机械性能。同时，这些材料的透氧性高于没有引入这些单体的材料。一个示例性的氟丙烯酸酯单体为甲基丙烯酸六氟异丙酯(HFiPMA)。
用于隐形眼镜合成的硅氧烷通常为线性硅氧烷和支化硅氧烷。线性硅氧烷包括有机硅聚合物(例如聚二甲基硅氧烷)并且通常符合分子式R2SiO，具有两个键合到硅原子上的甲基，并且每个硅具有一个桥氧基。它们通常在一端或两端被可聚合基团官能化。小分子五甲基二硅氧烷甲基丙烯酸甲酯(I)是线性硅氧烷的简单形式。
TRIS基团为支化的硅氧烷，其中心硅原子键合到一个还可以含有可聚合基团的有机基团上。与中心硅键合的剩余三个基团由与其他硅原子键合的硅-氧键构成。TRIS结构的中心原子的分子式为RSiO1.5。Gaylord的美国专利3,808,178中对TRIS型分子的早期描述为结构(II)-3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基硅氧基)硅烷。
可用于隐形眼镜的第三类硅氧烷为基于氧和硅四面体结构的含硅笼分子。硅原子基本上通过硅氧烷键与其他硅原子键合，由此形成的最简单的结构之一为立方体，如结构(III)。这些倍半硅氧烷分子也符合RSiO1.5分子式，但与支链TRIS分子不同，形成三维结构。这些分子被命名为POSS，代表多面体低聚倍半硅氧烷。它们有二氧化硅型核心和共价连接到无机多面体顶点的有机侧链。它们通常被认为是有机材料和无机材料之间的桥梁。通过明智地选择化学成分，可以获得表现出每种组分期望表示的性能。
高度官能化的POSS笼可以在聚合期间通过单官能团单体连接在一起。由于其高分子量(通常大于1000amu)和高官能度的结合，该笼基本上为预聚物或大分子单体。该官能度在聚合过程中被锁定在适当的位置并延伸到整个材料。相分离也被最小化。结果，亲水性聚乙二醇(PEG)侧链可以延伸到聚合物基体。这导致了与使用丙烯酸酯单体引入PEG官能团或简单地将PEG加入到单体混合物中然后进行聚合所不同的性能。
根据本发明的一个方面，含有至少两个可聚合基团的POSS笼成为聚合物主链的一部分，聚合物链从笼的每一侧延伸。POSS分子可被归类为遥爪单体，其自身聚合或与其他单体聚合以将POSS笼引入聚合物主链中。POSS单体可以被认为是遥爪低聚物。遥爪聚合物为两端都具有相同官能度的双端官能团聚合物。这样，弹性可聚合基团可用于将笼状有机硅引入聚合物主链中，以产生弹性和耐磨材料。结果，具有两个可聚合基团的POSS笼允许设计隐形眼镜材料，该隐形眼镜材料可以为柔性或者硬性，并同时展示出高氧传输性。
根据本发明的另一个方面，已使用示例性的POSS单体，该POSS单体键合到两个可聚合基团上，并且还具有键合到笼上的PEG基团，该PEG基团使POSS与其他有机硅相容以形成水凝胶。不限于PEG基团，也可以使用其他亲水性单体来进一步增强材料性能。已发现，具有两个甲基丙烯酸酯基团和六个PEG基团的POSS笼可以聚合成光学透明的棒状材料。POSS单体的一个非限制性实例如下POSS I所示。这些材料适合加工成可用于制造眼镜片的钮扣，包括眼用隐形眼镜。包括甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和二甲基丙烯酰胺(DMAA)的亲水性单体也可用于这些材料。
POSS I(HC 0713.13Mol Wt：～3753)两个可聚合基团(a)允许该笼与其他单体和其他POSS笼连接。
还发现将侧链基团(即POSS I中六个PEG基团(b))与不同官能团部分混合可允许设计具有更多种性能的材料。其他侧链基团的明智选择允许对材料的其他性能进行订制，例如与氟丙烯酸酯相容的亲水特性。具体地，氟代烷基和烷基侧链可以位于遥爪POSS分子的顶点，例如以下POSS II所示。PEG侧链基团也位于八个可利用顶点中的两个以保持材料的亲水特性。
当其他单体也存在时，POSS II分子可用于与氟丙烯酸酯单体共聚。POSS II与氟丙烯酸酯的结合产生了适合用车床加工成眼镜片的透明聚合材料。应注意的是，POSS II的结果与POSS I材料的结果相反，其中POSS I不能与等重量的氟丙烯酸酯制备透明聚合物。更确切地说，发现当POSS I与氟丙烯酸酯混合时必须加入增容剂，例如极性单体。结果，发现POSS II比POSS I与氟丙烯酸酯更相容。不受任何特定机理的限制，POSS II的改善的相容性可能是由于POSS II上存在氟代烷基侧链基团(c)。
POSS II(HC 07051013.2222；Mol Wt：～2119)两个可聚合基团(a)允许该笼与其他单体和其他POSS笼连接。氟代烷基(c)和烷基(d)侧链基团允许与氟丙烯酸酯单体相容。PEG侧链基团(b)允许聚合物的亲水性能。
POSS II与氟丙烯酸酯和其他硅氧烷的结合产生具有高氧传输性材料，其中Dk值为100-200单位。POSS上PEG取代基的亲水性能产生了在盐溶液中润湿的材料，即使不存在亲水性单体(如(甲基)丙烯酸)。这是一个优点，因为(甲基)丙烯酸通常被添加到隐形眼镜配方中以使眼睛中的眼泪润湿镜片的表面。这对患者的舒适性是不利的，因为已知(甲基)丙烯酸会引起眼部刺激。
重要的是，使用POSS II而不添加styryl tris获得高Dk(如美国专利10,633,472)。styryl tris是一种大量增加材料成本的昂贵单体。此外，styryl tris提高了聚合物的玻璃化转变温度(Tg)，这在制备柔性和弹性材料时是不利的。另外，苯乙烯类材料往往非常疏水并阻止整个材料的层或涂层吸水。
或者，可以将亲水性单体(如DMAA、NVP和PEG)引入上述眼用配方中以产生透明聚合物。这些聚合物也适用于通过车床加工制造镜片。此外，这些聚合物材料在水中膨胀，这导致含水钮扣的硬度下降。例如，用POSS II制成的干燥聚合物棒材(实施例4)的Shore D硬度为约60，但在35℃水中放置72小时后降至17。在车床上切割的圆盘在盐溶液中保持透明，但触感变得具有弹性和柔性。
根据本发明的其他方面，具有较高水平丙烯酸酯的POSS笼也可以是有用的。举例来说，具有三个PEG侧链基团(b)和五个丙烯酸酯的部分(a)的POSS立方体可以提供具有更高交联度的亲水性材料。这类硅氧烷的一个非限制性实例如POSS III所示。
POSS III(MA 0713.53MolWt：～2593)多个可聚合基团(a)占据POSS笼的顶点。剩余的侧链基团(b)由PEG部分组成。
所示的PEG-POSS分子结构为这些分子实际结构的理想化表示。材料为8、10和12笼尺寸的混合物。官能团随机分布在笼周围。附图并不代表确切的结构。
根据本发明的其他方面，一种制造高Dk材料的方法，包括使以下物质接触和反应：多官能POSS大分子单体(如POSS II)、甲基丙烯酸氟代烷基酯、二甲基丙烯酸烷基乙二醇酯、亲水剂(如甲基丙烯酸)、甲基丙烯酰基官能团三(三甲基硅氧基)硅烷、甲基丙烯酰基官能团封端的聚二甲基硅氧烷和苯乙烯乙基三(三甲基硅氧基)硅烷。举例来说，但不限于此，甲基丙烯酸氟代烷基酯可以为甲基丙烯酸六氟异丙酯，二甲基丙烯酸烷基乙二醇酯可以为二甲基丙烯酸新戊二醇酯，甲基丙烯酰基官能团三(三甲基硅氧基)硅烷可以为3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基硅氧基)硅烷，甲基丙烯酰基官能团封端的聚二甲基硅氧烷可以为4-甲基丙烯酰氧基丁基封端的聚二甲基硅氧烷。
反应在至少25psi的压力的惰性气氛(例如，氮气、氩气或氦气)中进行一段时间，且温度足以产生超高Dk材料。如上所述，反应可以在室温(如约20℃至约25℃之间)下进行，或者在高温(如高达约50℃)且在压力为约25psi至约1000psi下进行。结果，超高Dk材料可以具有大于175的Dk值，在更高的压力下进行反应产生更高Dk值的材料。根据本发明制造的超高Dk材料不需要表面处理(例如等离子体处理)，因为引入了内置于聚合物基体中的亲水PEG部分。
聚合反应可在容器中进行，其中所述容器的内部尺寸和几何形状与所需超高Dk材料的尺寸和形状相当。也就是说，超高Dk材料将在容器内按照容器的形状或空隙聚合。容器可以由诸如聚丙烯或聚四氟乙烯(PTFE)的材料构成，该材料可被包括惰性气氛的惰性气体渗透。根据本发明的一个方面，容器可以与设定在具体温度的恒温控制烘箱一起存在，或者烘箱可以为可编程的，以便允许具有可变温度曲线的反应。然而，不需要在高于正常大气压的压力下进行聚合。
优势
本发明示例性、非限制性的优势可以包括：
a)亲水性组分PEG被引入整个聚合物基体中；
b)聚合物基体中不需要湿润剂(如甲基丙烯酸)来实现亲水特性；
c)styryl tris不是实现高氧传输性(Dk)的必要组分。styryl tris是一种昂贵的单体，会提高材料的Tg且通常会降低吸水率；
d)该材料为透明的；
e)干燥材料的硬度足以在车床上形成眼镜片；和
f)该材料可以为柔性的并被制成涂层。
实施例
在三种情况下将含有POSS的聚合物棒材制成圆盘或纽扣。钮扣透光并具有良好的机械性能，适于被车床切割成镜片。下面给出了实施例的组分。使用Dk极谱电池测量透氧性，并与吸水性、硬度和外观一起被报告在表1中。
实施例1.透明；Dk 198(未矫正)；Shore D 45；吸水率1.2％(wt)
| 组分 | 重量％ | CAS号 |
| POSS II HC 07051013.2222 | 30 | NA |
| 3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基硅氧基)硅烷 | 30 | 17096-07-0 |
| 甲基丙烯酸六氟异丙酯 | 30 | 3063-94-3 |
| 4-甲基丙烯酰氧基丁基封端的聚(二甲基硅氧烷) | 10 | 58130-03-3 |
| Trigonox141 | 0.4 | 13052-09-0 |
对比例1.透明；shore D 75；材料未润湿，必须进行等离子体处理以润湿
应注意，对比例1与US 10,633,472的超高Dk配方相同(表1)，但是不含有甲基丙烯酸。在35℃的水中浸泡过夜结果无吸水。圆盘的重量、厚度或直径无变化。
实施例2.半透明；Dk 139(未矫正)；Shore D 66；过夜后材料润湿但无吸水。
| 组分 | 重量％ | CAS号 |
| POSS II HC 07051013.2222 | 33.3 | NA |
| 乙烯基苯基三(三甲基甲硅氧基)硅烷 | 33.3 | 18547-54-1 |
| 甲基丙烯酸六氟异丙酯 | 33.4 | 3063-94-3 |
| Trigonox 141 | 0.4 | 13052-09-0 |
实施例3.透明；Dk 131(未矫正)；Shore D 60；1夜后吸水率1.3％(wt)；2夜后1.9％(wt)。
实施例4.透明；Dk 58(未矫正)；Shore D 56；吸水率20％(wt)
| 组分 | 重量％ | CAS号 |
| POSS II HC 07051013.2222 | 24 | NA |
| 3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基硅氧基)硅烷 | 24 | 17096-07-0 |
| 甲基丙烯酸六氟异丙酯 | 12 | 3063-94-3 |
| 4-甲基丙烯酰氧基丁基封端的聚(二甲基硅氧烷) | 9 | 58130-03-3 |
| 二甲基丙烯酰胺 | 30 | 2680-03-7 |
| Trigonox 141 | 0.4 | 13052-09-0 |
实施例5.透明；Shore D 37；吸水率40％(wt)
| 成分 | 重量％ | CAS号 |
| POSS I HC 0713.13 | 33.3 | NA |
| 甲基丙烯酸六氟异丙酯 | 33.3 | 3063-94-3 |
| 甲基丙烯酸羟乙酯 | 33.3 | 868-77-9 |
| Trigonox 141 | 0.4 | 13052-09-0 |
实施例6.透明；Shore D 65；不吸水，可能是由于交联度高。
表1.对比例1和实施例1-6的结果总结。
上述实施例表明POSS硅笼上的PEG取代基提供了吸水率所需的必要的润湿特性。这些实施例不含通常用作表面处理以在一些高Dk材料(Dk＞100)中提供亲水特性的甲基丙烯酸。不含甲基丙烯酸的对比例1在水中不润湿。必须对对比例1的表面进行等离子体处理以提供在盐溶液中的润湿性。相比之下，发现实施例1在没有对圆盘表面进行后处理的情况下具有约200的高Dk。
尽管已参照本发明的优选实施方案对本发明进行了描述，但应理解，在不脱离以下权利要求限定的本发明的全部构思和范围的情况下，可以对本发明进行各种改进。
Claims (16)
1.一种适合制造具有高透氧性(Dk＞100)的透明、亲水、弹性聚合材料的有机硅笼，所述有机硅笼包括至少两个可聚合基团和至少两个与所述可聚合基团共价键合的亲水侧链。
2.根据权利要求1所述的有机硅笼，还包含一种或多种共价键合到所述有机硅笼的丙烯酸单体或丙烯酸酯官能化聚合物。
3.根据权利要求1所述的聚合材料，其中所述有机硅笼包括笼尺寸为T8、T10或T12的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)笼。
4.根据权利要求3所述的有机硅笼，其中所述两个可聚合基团包括丙烯酸官能团，所述两个亲水侧链包括聚乙二醇(PEG)基团。
5.根据权利要求4所述的有机硅笼，其中所述丙烯酸官能团包括甲基丙烯酸丙酯，所述PEG基团具有2至20个氧乙烯重复单元。
6.根据权利要求5所述的有机硅笼，其中所述丙烯酸官能团还包括选自丙烯酸羟乙酯、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基丙烯酰胺的亲水单体。
7.根据权利要求4所述的有机硅笼，其中所述有机硅笼还包括两个氟代烷基基团和两个烃链基团。
8.根据权利要求7所述的有机硅笼，其中所述氟代烷基基团为三氟丙基，所述烃链基团包括C-8支链烷烃。
9.一种透明、亲水、弹性聚合材料，包括：
a)约30wt％的权利要求8所述的有机硅笼；
b)约30wt％的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三(三甲基硅氧基)硅烷；
c)约30wt％的甲基丙烯酸六氟异丙酯；和
d)约10wt％的4-甲基丙烯酰氧基丁基封端的聚二甲基硅氧烷。
10.根据权利要求9所述的聚合材料，形成为眼镜片，所述眼镜片可润湿且Dk大于100。
11.根据权利要求4所述的硅笼，其中所述硅笼包括两个可聚合丙烯酸官能团和六个PEG基团。
12.一种透明、亲水、弹性聚合材料，包括：
a)约33wt％的权利要求11所述的有机硅笼；
b)约33wt％的甲基丙烯酸六氟异丙酯；和
c)约33wt％的甲基丙烯酸羟乙酯。
13.根据权利要求12所述的聚合材料，形成为镜片，所述镜片具有高润湿性。
14.根据权利要求4所述的有机硅笼，其中所述有机硅笼包括五个丙烯酸官能团和三个PEG基团。
15.一种透明、亲水、弹性聚合材料，包括：
a)约50wt％的权利要求14所述的有机硅笼；
b)约42wt％的甲基丙烯酸六氟异丙酯；和
c)约8wt％的二甲基丙烯酸新戊二醇酯。
16.根据权利要求15所述的聚合材料，形成为眼镜片，所述眼镜片具有高润湿性。
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