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Material für die Herstellung von hydrophilen
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F-ormteilen Formtei len Die Erfindung betrifft ein Material für die
Herstellung von hydrophilen Kontaktlinsen, insbesondere terpolymere Hydrogele, die
aus einem Hydroxyalkylacrylat oder -methacrylat zusammen mit sehr geringen Mengen
eines in Wasser unlöslichen Diesters und einer freien Säure gebildet werden.
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Annehmbare hydrophile oder "weiche" Kontaktlinsen oder Haftschalen
müssen gewisse erwünschte Eigenschaften haben, die bisher schwierig zu erreichen
oder einzustellen waren. Die hydratisierten Linsen müssen stark, jedoch flexibel
sein, so daß sie beim Recken nicht reißen und ohne Verfälschung der optischen Eigenschaften
wieder zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehren.
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Die Linsen müssen eine geringe pH-Abhängigkeit haben, so daß Änderungen
des pH-Werts der Tränenflüssigkeit im Auge keine änderung der Form, des Wassergehalts
oder der optischen Eigenschaften der Linsen verursachen.
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Ferner muß das Material der Linsen bei der Hydratisierung eine gleichbleibende
Ausdehnung aufweisen, um Reproduzierbarkeit beim Herstellungsverfahren zu gewährleisten.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein weiches Kontaktlinsenmaterial mit diesen
erwünschten Eigenschaften verfügbar zu machen.
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Ein weiteres, bisher nicht erreichbares erwünschtes Merkmal ist die
Bildung von weichen Kontaktlinsen, in denen der Wassergehalt so hoch - im allgemeinen
etwa 60 bis 80 Gew.-% - ist, daß der Austausch der Tränenflüssigkeit mit der Hornhaut
durch die Haftschale nicht gehemmt wird. Die Tränenflüssigkeit bleibt unter den
Kontaktlinsen nicht im Ruhezustand. Dies hat zur Folge, daß Kontaktlinsen dieses
Typs unendlich lange im Auge belassen werden können.
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Ein zur Herstellung von hydrophilen Kontaktlinsen dienendes Material
von bekannter Zusammensetzung wird in den US-PSen 2 976 576 und 3 220 960 beschrieben.
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Dreidimensionale, schwach vernetzte Copolymerhydrogele werden durch
Polymerisation eines monomeren Acryl- oder Methacrylsäureesters, der eine hydrophile
(z.B.
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Hydroxy-)Esterkomponente enthält, zusammen mit weniger als 1 Mol-%
eines wasserlöslichen Diesters, der aus einem mehrwertigen Alkohol, der überschüssige
hydrophile Gruppen enthält, und einer olefinischen Säure wie Acrylsäure oder Methacrylsäure
gebildet worden ist, in wässriger Lösung hergestellt.
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Bei dem in den genannten US-Patentschriften beschriebenen Material
werden die Eigenschaften der Formbeständigkeit und des Quellvermögens beide durch
Änderung des Mengenverhältnisses von Monomerem zu Diester verändert. Dieser doppelte
Effekt der Konzentration des wasserlöslichen Diesters wird erreicht, weil der
Diester
zwei Rollen spielt. Erstens ist der Diester als Vernetzungsmittel wirksam, wodurch
er die physikalischen Eigenschaften des Hydrogels einstellt. Da zweitens der Diester
wasserlöslich ist und hydrophile Gruppen im Uberschuß enthält, steigert er das Hydratisierungsvermögen
des Hydrogels. Eine gesonderte Einstellung der physikalischen Eigenschaften und
der Größe des Hydratisierungsvermögens ist jedoch nicht möglich, da durch eine Änderung
der Konzentration des Diesters beide Eigenschaften verändert werden. Die Erfindung
stellt sich die Aufgabe, ein hydrophiles Polymermaterial, in dem Formbeständigkeit
und Wassergehalt bei der Hydratisierung getrennt eingestellt werden können, verfügbar
zu machen.
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Das in den beiden genannten US-Patentschriften beschriebene Material
hat das weitere Merkmal, daß es in wässriger Lösung polymerisiert wird. Mit anderen
Worten, das Monomere und der wasserlösliche Diester werden vorgemischt und in wässriger
Lösung umgesetzt.
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Als Ergebnis ist das gebildete Hydrogel bereits hydratisiert und weich.
Kontaktlinsen müssen nach einem Formgebungsverfahren hergestellt werden, bei dem
das Material in einer linsenförmigen Form polymerisiert wird. Ubliche Schleifverfahren
können nicht angewendet werden. Die Erfindung stellt sich die weitere Aufgabe, ein
hydrophiles Material, das im starren, nicht hydratisierten Zustand gebildet wird,
verfügbar zu machen.
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Dies ermöglicht die Herstellung der Kontaktlinsen unter Anwendung
üblicher Schleifverfahren mit anschließender Hydratisierung.
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Die Einstellung der physikalischen Eigenschaften des Materials von
hydrophilen Kontaktlinsen wird auch in der US-PS 3 503 942 behandelt. Diese Patentschrift
beschreibt
die Herstellung von steifen, jedoch flexiblen hydrophilen Kunststoffen durch Einstellung
eines geregelten, erhöhten Vernetzungsgrades in der polymeren Struktur. Dies wird
erreicht durch Kombination von a) einer Säure und eines inhibitorfreien Monomeren
von Hydroxyalkylacrylat oder -methacrylat, b) einer geringen Menge von bis zu etwa
35 Gew.- eines Alkylacrylats oder -methacrylats mit 1 bis etwa 20 C-Atomen im Alkylrest
und c) 1 bis etwa 50 Gew.- eines vernetzenden Monomeren, z.B. eines Acrylsäurediesters.
Die Zugabe dieses längerkettigen Alkylmethacrylats ergibt eine bessere Festigkeit
der Polymerketten und trägt dazu bei, die Quellbarkeit des erhaltenen Produkts durch
Wasser zu begrenzen.
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Ein weiterer Lösungsweg wird in der US-PS 3 532 679 beschrieben. Hier
werden transparente Hydrogele mit guter Formbeständigkeit oder Maßhaltigkeit und
guter Volumenbeständigkeit durch gleichzeitige Copolymerisation und Vernetzung eines
Gemisches von Comonomeren, nämlich eines N-Vinyllactams, eines monomeren und etwa
0,5 bis 12 Gew.- eines als Vernetzungsmittel dienenden Diesters, z.B. Polyäthylenglykoldimethacrylat,
hergestellt.
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Es ist somit charakteristisch für die bekannten Verfahren, daß verhältnismäßig
große Mengen eines als Vernetzungsmittel dienenden Diesters zusammen mit einem säurefreien
Hydroxyalkylmonomeren verwendet werden, um Hydrogele mit physikalischen Eigenschaften,
die für weiche Kontaktlinsen geeignet sind, herzustellen.
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Zusatzstoffe, z.B. ein Alkylpolymerisat mit längerer Kette oder ein
Vinyllactam, werden dann verwendet, um diese Eigenschaften einzustellen. Im Gegensatz
zum Stand der Technik wurde nun gefunden, daß hydrophile
Kontaktlinsen
mit ausgezeichneten Reckeigenschaften, geringer pH-Abhängigkeit und einstellbarer
Dehnung bei der Hydratisierung aus Materialien hergestellt werden können, die einen
größeren Anteil eines Hydroxyalkylacrylats oder -methacrylats zusammen mit sehr
geringen Mengen einer freien Säure (weniger als etwa 10 %, vorzugsweise weniger
als etwa 1,5 % zur Erzielung geringer pH-Abhängigkeit und optimaler Festigkeit)
und eines als Vernetzungsmittel dienenden Diesters (vorzugsweise wenigerals 0,25
%), der keine freien hydrophilen Gruppen enthält, enthalten. Hauptgegenstand der
Erfindung sind diese verbesserten Materialien mit der genannten Zusammensetzung.
Die physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Terpolymeren
werden durch die Konzentration des Diesters eingestellt, während die prozentuale
Hydratisierung des Materials durch die Konzentration von freier Säure getrennt eingestellt
wird.
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Um diese gestellten Aufgaben zu lösen, werden Terpolymerhydrogele
gebildet, indem eine größere Menge eines Hydroxyalkylacrylats oder -methacrylats,
0,01 bis 0,25 Gew.- eines in Wasser unlöslichen Acrylat- oder Methacrylaoesters
als Vernetzungsmittel und ,15 bis etwa 10 Gew.-% einer freien Säure, die eine ungesättigte
Doppelbindung enthält, vorzugsweise Acrylsäure oder Methacrylsäure, zusammengegeben
werden. Diese Stoffgemische ergeben durch Polymerisation unter Verwendung eines
Katalysators hydrophile Gele, die eine genügende Festigkeit und Steifigkeit aufweisen,
um die Herstellung von Kontaktlinsen durch übliches Schleifen oder nach anderen
Verfahren zu ermöglichen. Wenn sie hydratisiert werden, absorbieren die Kontaktlinsen
eine stets gleichbleibende Wassermenge, die durch die Konzentration an freier Säure
im Ausgangsmaterial
gegeben ist, und weisen eine gleichmäßige Ausdehnung
in jeder Dimension auf. Die hierbei erhaltenen Kontaktlinsen haben verbesserte Eigenschaften
in Bezug auf Dehnbarkeit und Haltbarkeit, ohne zu reißen, und geringe pH-Abhängigkeit.
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Die erfindungsgemäßen Stoffgemische können durch Destillation von
handelsüblichem Hydroxyäthylmethacrylat (HEMA), das im allgemeinen Äthylenglykoldimethacrylat,
Methacrylsäure und Äthylenglykol als Verunreinigungen enthält, hergestellt werden.
Durch Vakuumdestillation bei niedriger Temperatur wird der Gehalt an Diester und
freier Säure auf Werte innerhalb oder unterhalb der gewünschten Bereiche gesenkt.
Falls erforderlich, wird zusätzliche freie Säure oder zusätzlicher freier Diester
zugegeben, um die Konzentrationen in den vorgeschriebenen Bereich zu bringen.
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Die besten z.Zt. vorgesehenen Ausführungsformen der Erfindung werden
nachstehend ausführlich beschrieben.
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Strukturelle Merkmale und Arbeitsweisen bei den zuerst beschriebenen
Ausführungsformen der Erfindung gelten auch für später beschriebene Ausführungsformen,
es sei denn, daß diese Merkmale und Arbeitsweisen offensichtlich nicht anwendbar
sind oder ausdrücklich ausgenommen werden.
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Gemäß der Erfindung können verbesserte hydrophile Kontaktlinsen aus
dem Polymerisationsprodukt eines Stoffgemisches hergestellt werden, das aus einer
größeren Menge eines Hydroxyalkylacrylats oder -methacrylats, einer sehr geringen
Menge (zwischen 0,01 % und 0,25 Gew.-%) eines in Wasser unlöslichen Diesters, der
Acrylsäure- oder Methacrylsäuregruppen und keine freien Hydroxylgruppen enthält,
und einer sehr geringen Menge (zwischen 0,5 ffi und etwa 10 Gew.-) freier Acrylsäure,
Methacrylsäure
oder einer anderen Säure, die eine ungesättigte Doppelbindung enthält, besteht.
Durch Polymerisation unter Verwendung eines üblichen Katalysators, z.B. eines organischen
Peroxyds, bildet das Stoffgemisch ein starres, festes hydrophiles Gelmaterial, aus
dem Kontaktlinsen unter Anwendung üblicher Schleifverfahren oder anderer Verfahren
hergestellt werden können. Das Terpolymere weist nach der Hydratisierung eine stets
gleichbleibende Ausdehnung auf.
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Kontaktlinsen, die aus diesem Terpolymeren hergestellt werden, können
gereckt und gedehnt werden, ohne zu reißen, und kehren ohne Verschlechterung der
optischen Eigenschaften zu ihrer ursprünglichen Form zurück, wenn die Dehnungskraft
aufgehoben wird.
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Im folgenden Beispiel wird ein typisches Stoffgemisch und ein typisches
Produkt gemäß der Erfindung beschrieben.
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Beispiel 1 Hydroxyäthylmethacrylat 98,75 g Äthylenglykoldimethacrylat
0,25 g Methacrylsäure 1,00 g Durch Katalysierung mit 0,10 g eines als Katalysator
dienenden organischen Peroxyds polymerisiert dieses Stoffgemisch unter Bildung eines
hydrophilen Polymerisats, das genügend fest und starr ist, um die Herstellung von
Kontaktlinsen nach Ueblichen Schleifverfahren zu ermöglichen. Wenn die Kontaktlinsen
in Wasser eingetaucht werden, absorbieren sie eine Wassermenge von etwa 47 Gew.-%
des hydratisierten Produkts. Während dieser Hydratisierung dehnen sich die Kontaktlinsen
gleichmäßig nach allen Richtungen aus, so daß die optischen Eigenschaften dieser
Linsen nicht verfälscht
und verschlechtert werden. Das Ausmaß der
Ausdehnung bei der Hydratisierung ist stets gleichbleibend, d.h.
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das Polymermaterial absorbiert bei der Hydratisierung die gleiche
Wassermenge in Gew.-%, so lange die Konzentrationen der Bestandteile unverändert
bleiben.
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Kontaktlinsen, die aus dem in Beispiel 1 beschriebenen Polymerisat
hergestellt werden, weisen eine sehr geringe pH-Abhängigkeit auf. Wenn sie beispielsweise
in eine Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 9,0 getaucht werden, ist die Ausdehnung
der Kontaktlinsen nur um 1,5 % größer als beim Eintauchen in eine Flüssigkeit mit
einem pH-Wert von 7,0. Menschliche Tränenflüssigkeit hat einen pH-Wert im Bereich
von etwa 6,5 bis 9,0.
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Als Folge der geringen pH-Abhängigkeit ist die durch pH-Anderung der
Tränenflüssigkeit eintretende Größenänderung bei den gemäß der Erfindung hergestellten
Kontaktlinsen vernachlässigbar. Ferner können diese Linsen auf mehr als das Zweifache
ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, ohne zu reißen. Wenn die Dehnungskraft
aufgehoben wird, nimmt die Kontaktlinse wieder ihre ursprüngliche Form an, ohne
daß ihre optischen Eigenschaften verschlechtert werden.
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Die optimalen Eigenschaften in Bezug auf geringe pH-Abhängigkeit und
Dehnbarkeit ohne zu reißen sind der gemeinsamen Verwendung einer sehr geringen Menge
des Vernetzungsmittels und einer geringen Menge freier Säure zuzuschreiben. Zur
Erzielung optimaler physikalischer Eigenschaften der Kontaktlinsen liegt der Diestergehalt
vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 0,25 Gew.-%. Die Dehnbarkeit kann durch Anderung
der Diesterkonzentration innerhalb dieses bevorzugten Bereichs eingestellt werden.
Die geringe pH-Abhängigkeit wird erreicht, wenn der Gehalt an freier Säure im Ausgangsgemisch
im bevorzugten Bereich von weniger als
etwa 1,5 Gew.- liegt Der
für die Zwecke der Erfindung verwendete Diester ist vorzugsweise ein in Wasser unlöslicher
Alkyldiester, der Acrylsäure- oder Methacrylsäuregruppen, aber keine freien oder
nicht umgesetzten hydrophilen Gruppen enthält. Die Säure hat vorzugsweise ein niedriges
Molekulargewicht und enthält eine ungesättigte Doppelbindung. Als Säure eignet sich
die Ausgangssäure des Hydroxylgruppen enthaltenden Alkylmonomeren, d. h.
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Acrylsäure oder Methacrylsäure. Auch andere freie Säuren, z.B. Vinylessigsäure,
Crotonsäure, Isocrotonsäure und ihre Homologen, können verwendet werden.
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Geeignet sind ferner modifizierte Polymerisate, die unter Zusatz von
Comonomeren wie Allylalkohol und ihren Homologen hergestellt werden.
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Als Diester, die keine freien hydrophilen Gruppen enthalten, eignen
sich beispielsweise niedere Alkylglykoldiacrylate und -dimethacrylate, z.B. Äthylenglykoldiacrylat
und -dimethacrylat, Propylenglykoldiacrylat und -dimethacrylat, Butylenglykoldiacrylat
und -dimethacrylat, Amylenglykoldiacrylat und -dimethacrylat und Hexylenglykoldiacrylat
und -dimethacrylat.
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Geeignet sind ferner Hexandioldiacrylat und -dimethacrylat. Außerdem
können Polyäthylendiacrylate und -dimethacrylate mit niedrigerem Molekulargewicht,
das vorzugsweise unter 500 liegt, verwendet werden. Hierzu gehören beispielsweise
Di-, Tri- und Tetraäthylenglykoldiacrylate und -dimethacrylate und andere Polyäthylenglykoldiacrylate
und -dimethacrylate der Formel
oder
wobei der Diester ein mittleres Molekulargewicht von weniger als etwa 500 hat..
In diesen Diestern liegen die n-Polyäthylengruppen in geradkettiger aliphatischer
Konfiguration vor.
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Alle diese Diester haben das gemeinsame Merkmal, daß sie keine freien
hydrophilen Gruppen enthalten und in Wasser unlöslich sind. Dies wird durch Athylenglykoldimethacrylat
veranschaulicht, das der Diester ist, der aus zwei Molekülen mit Acrylsäure
und 1 Molekül Athylenglykol OH-CH2-CH2-OH gebildet wird.
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Athylenglykol selbst enthält zwei hydrophile Gruppen, nämlich Hydroxylgruppen.
Zur Bildung des Diesters reagiert jede dieser Hydroxylgruppen mit einer Säuregruppe
(-COOH) jeweils eines Methacrylsäuremoleküls unter Bildung des Athylenglykoldimethacrylat
genannten Produkts der Formel
Es ist zu bemerken, daß dieser Diester keine freien hydrophilen Gruppen (Hydroxylgruppen)
enthält und daher für die Zwecke der Erfindung geeignet ist. Als weitere hydrophile
funktionelle Gruppen kommen NH2 und COOH infrage. Als Beispiel eines Diesters, der
für die Zwecke der Erfindung ungeeignet ist, ist der aus Glycerin
und Methacrylsäure gebildet Diester. Da von den drei Hydroxylgruppen
nur zwei mit den Säuregruppen zum Diester reagieren würden, würde die dritte Hydroxylgruppe
nicht umgesetzt werden, so daß eine freie Hydroxylgruppe vorhanden wäre.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen weitere Stoffgemische gemäß
der Erfindung.
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Beispiel 2 Hydroxypropylmethacrylat 99,40 g Propylenglykoldimethacrylat
0,10 g Methacrylsäure 0,50 g Katalysator 0,08 g Beispiel 3 Hydroxyäthylacrylat 98,30
g Äthylenglykoldiacrylat 0,20 g Acrylsäure 1,50 g Katalysator 0,15 g Beispiel 4
Hydroxypropylacrylat 98,85 g Propylenglykoldiacrylat 0,15 g Acrylsäure 1,00 g Katalysator
0,10 g Beispiel 5 Polyäthylenglykolmonomethacrylat 98,75 g Polyäthylenglykoldimethacrylat
0,25 g Methacrylsäure 1,00 g Katalysator 0,10 g
Alle aus den vorstehend
genannten Stoffgemischen hergestellten hydrophilen Gelmaterialien zeigten gleichbleibende
Dehnung nach der Hydratisierung und eigneten sich für die Herstellung von weichen
Kontaktlinsen oder anderen hydrophilen Formteilen mit guter Festigkeit, Flexibilität,
Dehnung und Rückstellung und anderen erwünschten Eigenschaften.
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Die Wasserkonzentration der erfindungsgemäßen Terpolymeren nach der
Hydratisierung wird durch den Anteil an freier Säure im Ausgangsgemisch eingestellt.
Wenn beispielsweise die verwendete Menge der freien Säure im Ausgangsgemisch von
Beispiel 1 verändert wird, ohne die Menge des Diesters zu ändern, ergeben sich die
folgenden ungefähren Wasserkonzentrationen im hydratisierten Produkt: Methacrylsäure
Wasserkonzentration im hydrati-Gew.- sierten Terpolymeren, Gew.-% 1 47 2 57 4 67
8 77 Die Wasserkonzentration steht somit in ungefåhr linearer Beziehung zur Konzentration
der freien Säure, zumindest in dem in der vorstehenden Tabelle genannten Konzentrationsbereich.
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Die gesonderte Einstellung der prozentualen Hydratisierung mit Hilfe
der freien Säure ist eine Folge der freien hydrophilen Gruppen (-COOH) in der Säure.
Nach der Polymerisation sind die hydrophilen Gruppen als Hydratisierungsstellen
mit Affinität zu Wasser verfügbar. Ferner begünstigen sie die Van der Waalsche Bindung
von Wasser an das Hydrogel. Im Gegensatz zum Stand der Technik enthält der im erfindungsgemäßen
Material
als Vernetzungsmittel verwendete Diester keine freien oder nicht umgesetzten hydrophilen
Gruppen. Die prozentuale Hydratisierung bleibt somit durch die Diesterkonzentration
im wesentlichen unbeeinflußt, läßt sich aber getrennt durch die Konzentration der
freien Säure einstellen.
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Es ist zu bemerken, daß es gemäß der Erfindung möglich ist, weiche
Kontaktlinsen herzustellen, die eine sehr hohe Wasserkonzentration bei unverändert
bleibenden guten physikalischen Eigenschaften, z.B. Dehnbarkeit, aufweisen. Dies
ist bei den bekannten Hydrogelmaterialien, in denen ein wasserlöslicher Diester
zur Einstellung sowohl der physikalischen Eigenschaften als auch der prozentualen
Hydratisierung verwendet wird, nicht möglich.
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Gemäß der Erfindung hergestellte Kontaktlinsen, deren Wasserkonzentrationen
im ungefähren Bereich von 60 bis 80 Gew.- liegen, haben den zusätzlichen Vorteil,
daß sie unendlich lange im-Auge belassen werden können.
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Der Grund hierfür liegt darin, daß der Austausch der Tränenflüssigkeit
mit der Hornhaut durch die Linse nicht wesentlich gehemmt wird. Die Tränenflüasigkeit
neigt nur wenig oder nicht dazu, zwischen der Linse und der Hornhaut im Ruhezustand
zu bleiben. Der erhöhte Gehalt an freier Säure, der erforderlich ist, um diese hohe
prozentuale Hydratisierung zu erreichen, hat jedoch eine gewisse Beeinträchtigung
der pH-Abhängigkeit zur Folge. Der sehr hohe Wassergehalt verursacht eine gewisse
Verschlechterung der Festigkeit.
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Die Stoffgemische oder Ausgangsgemische gemäß der Erfindung können
durch Destillation von handelsüblichem Hydroxyäthylmethacrylat hergestellt werden.
Typisches handelsübliches Hydroxyäthylmethacrylat hat die
folgende
Zusammensetzung: Hydroxyäthylmethacrylat \4 96 % Athylenglykoldimethacrylat 0,5
% Methacrylsäure 3,0 % Athylenglykol etwa 1,0 % p-Methoxyphenol (Inhibitor) 1000
ppm Dieses handelsübliche Hydroxyäthylmethacrylat wird unter Vakuum bei einem Druck
von weniger als 3 mm Hg bei niedriger Temperatur, die vorzugsweise unter 850C liegt,
destilliert. Inhibitoren, z.B. Methylenblau und Hydrochinon, können in Mengen von
etwa 0,1 Gew.-zugesetzt werden, um Polymerisation während der Destillation zu verhindern.
Da die Säure zuerst überzugehen pflege, wird der erste Teil (etwa 10 %) des Destillats
verworfen, da die Konzentration der freien Säure in diesem Vorlauf im allgemeinen
über dem gewünschten Maximum von etwa 1,5 Gew.- liegt. Die Destillation wird fortgesetzt,
um einen Hauptschnitt zu bilden, der etwa 60 ß des Destillats ausmacht. Im allgemeinen
liegt die Zusammensetzung dieses Hauptschnitts in den erfindungsgemäßen Bereichen.
Wenn jedoch die Konzentration an freier Säure oder Diester unter den gewünschten
Bereichen liegt, kann zusätzliche Säure oder Diester zugegeben werden1 um die erforderliche
Konzentrat ion einzustellen.
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Die aus den Stoffgemischen gemäß der Erfindung hergestellten Kontaktlinsen
eignen sich auch für Zwecke der Freigabe von Medikamenten, z.B. durch Einbeziehung
eines Medikaments in die wässrige Lösung, die zur Hydratisierung der Kontaktlinsen
verwendet wird.