KR101617831B1

KR101617831B1 - 친수성 실리콘 단량체, 그 제조 방법 및 그것을 함유하는 박막

Info

Publication number: KR101617831B1
Application number: KR1020117007578A
Authority: KR
Inventors: 켄달 루이스 가이어; 켄릭 마틴 루이스; 센스일쿠마 우마패티; 아누바브 삭세나; 이-펭 왕
Original assignee: 모멘티브 퍼포먼스 머티리얼즈 인크.
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2016-05-03
Also published as: BRPI0920732A2; JP2012508277A; CR20110214A; HK1160414A1; WO2010038242A3; EP2334382A2; WO2010038242A2; US20140163135A1; JP5795736B2; MX2011003412A; CN102170940B; US9255199B2; IL211848A0; DK2334382T3; NZ591948A; CA2738232A1; AU2009299415B2; KR20110074517A; EP2334382A4; PL2334382T3

Abstract

콘택트 렌즈 응용을 위한 물 흡수성 실리콘-하이드로겔 필름을 만드는 데 유용한, 분지형 연결기를 갖는 폴리에테르를 함유하는 모노-(메트)아크릴레이트 작용화된 친수성 실리콘 단량체가 제공된다. 본 발명은 또한 본 명세서에 기재된 모노-(메트)아크릴레이트 작용화된 친수성 실리콘 단량체로부터 만들어지는 단일중합체 및 공중합체를 제공한다. 또한, 본 명세서에 기재된 단량체 및 중합체의 제조 방법 및 그로부터 제조되는 콘택트 렌즈가 제공된다.

Description

친수성 실리콘 단량체, 그 제조 방법 및 그것을 함유하는 박막{HYDROPHILIC SILICONE MONOMERS, PROCESS FOR THEIR PREPARATION AND THIN FILMS CONTAINING THE SAME}

본 발명은 분지형 연결기를 갖는 폴리에테르를 갖는 단일작용기의 친수성 실리콘-함유 단량체, 그로부터 제조되는 단일중합체 및 공중합체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명의 친수성 실리콘-함유 단량체 및 중합체의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 생의학 장치, 특히 콘택트 렌즈의 제조에 유용한 하이드로겔 조성물에 관한 것이다.

실리콘-하이드로겔 필름은 그의 높은 산소 투과성, 유연성, 편안함 및 감소된 각막 합병증으로 인해 연속 착용(extended wear) 소프트 콘택트 렌즈를 만드는 데 사용된다. 통상의 하이드로겔 물질(예: 2-하이드록시에틸메타크릴레이트, HEMA)은 단독으로 불량한 산소 투과성을 가지며, 그것은 흡수된 물 분자를 통하여 산소를 눈에 전달한다. 물은 낮은 산소 투과성을 가지며, 이때 산소 투과성은 Dk 값으로도 불리는데, 이는 Barrer로 표현될 수 있으며, 여기서 1 Barrer = 10^-11(cm³ O₂) cm cm^-2 s^-1 mmHg^-1이고, 여기서 'cm³ O₂'는 표준 온도 및 압력에서의 산소의 양이고, 'cm'는 물질의 두께를 나타내고, cm^-2는 그 물질의 표면적의 역수이다. 물의 Dk는 80 Barrer이다. 장기간 동안 대기 공기에 노출시 이러한 렌즈는 서서히 탈수되고 각막으로 전달되는 산소의 양이 감소된다. 그 결과, 눈 자극, 충혈 및 다른 각막 합병증이 발생할 수 있으며, 따라서 이러한 렌즈의 사용을 제한된 착용 기간으로 제한시키게 된다.

소프트 콘택트 렌즈의 편안함 및 상당히 더 높은 산소 투과성을 갖는 실리콘-하이드로겔은 통상의 하이드로겔로는 불가능한 착용 기간에 대한 장애를 극복하였으며 검안 분야에서 획기적이었다. 하기의 특허들은 콘택트 렌즈에 사용하기 위한 실리콘-하이드로겔을 기재한다.

Bausch & Lomb lnc.의 미국 특허 제4,260,725호는 2가 탄화수소기를 통하여 중합가능하게 활성화된 불포화기에 α,ω 말단 결합되고 친수성 측쇄를 함유하는 폴리실록산을 포함하는, 사람 각막의 필요량(requirement)을 충족시키기에 충분히 산소를 전달하는 능력을 갖는, 물 흡수성이며 소프트하며 친수성이며 유연하며 가수분해적으로 안정하며 생물학적으로 불활성인 콘택트 렌즈를 기재한다.

또한 Bausch & Lomb Inc.의 미국 특허 제5,352,714호는 실리콘-함유 단량체, 친수성 단량체, 및 수화시 매우 극성인 아미노산으로 전환될 수 있는 상대적으로 비극성인 고리-함유 단량체를 포함하는, 개선된 습윤성을 갖는 실리콘-함유 하이드로겔을 기재한다.

Johnson & Johnson Vision Products의 미국 특허 제5,998,498호는 하기 구조를 갖는 실리콘-함유 단량체를 포함하는 반응 혼합물을 경화시킴으로써 제조되는 실리콘 하이드로겔을 기재한다:

여기서, R⁵¹은 H 또는 CH₃이고, q는 1 또는 2이고, 각각의 q에 대하여, R⁵², R⁵³ 및 R⁵⁴는 독립적으로 에틸, 메틸, 벤질, 페닐 또는 1 내지 100개의 Si-O 반복 단위를 포함하는 1가 실록산 사슬이고, p는 1 내지 10이고, r = (3 - q)이고, X는 0 또는 NR⁵⁵(여기서, R⁵⁵는 H이거나 또는 1 내지 4개의 탄소를 갖는 1가 알킬기임)이고, a는 0 또는 1이고, L은, 바람직하게는 2 내지 5개의 탄소를 포함하고, 또한 선택적으로 에테르 또는 하이드록실기를 포함할 수 있는 2가 연결기, 예를 들어 폴리에틸렌 글리콜 사슬이다.

Asahikasei Aime Co.의 미국 특허 제6,867,245호는 소프트 콘택트 렌즈를 기재하며, 공기 중에서뿐만 아니라 수중에서 그의 표면에서의 물에 대한 작고 안정한 접촉각, 착용시 거의 없는 침착(little deposition), 높은 산소 투과성, 각막에 대한 렌즈의 무점착(no adhesion) 및 우수한 연속-착용 특성을 나타내는 콘택트 렌즈를 제공한다. 그것은 렌즈 표면에서의 접촉각이, 수중에서의 캡티브 버블법(captive bubble method)에 의해서는 10 내지 50°의 범위이고, 공기 중에서의 세실 드롭법(sessile drop method)에 의해서는 3 내지 90°이고, 산소 투과성이 30 이상이고, 물 함량이 5% 이하인 하이드로겔 소프트 콘택트 렌즈, 및 또한, 명시된 화학식으로 나타낸 친수성 실록사닐 단량체를 포함하는 중합체로 이루어진 하이드로겔 소프트 콘택트 렌즈를 기재한다. 이 특허는 친수성 실록산과 아미드-기 함유 단량체의 공중합체를 개시하며, 이 공중합체는 콘택트 렌즈에 유용한 물질인 것으로 기술되어 있다. 이 중합체는 친수성 아미드-기 함유 실록사닐 메타크릴레이트, 친수성 폴리에테르 개질된 실록사닐 알킬 메타크릴레이트를 포함한 실록사닐 메타크릴레이트(tris[trimethylsiloxy] silypropylmethacrylate, TRIS로 약기됨) 및 가교성 단량체를 포함한다.

CK Witco Corporation의 미국 특허 제6,013,711호는 저장 안정성의 손실이나, 또는 가황 온도에서의 경화의 지연이나, 또는 영구 친수성 또는 경화된 폴리실록산의 다른 바람직한 특징의 손실 없이, 보다 저분자량의 불포화 실록산-폴리에테르 공중합체와 α,ω-디비닐폴리실록산의 혼화성을 개선하는 방법을 기재한다. 이 조성물은 하나 이상의 α,ω-디비닐폴리실록산, 분자당 2 내지 5개의 규소 원자를 갖는 불포화 폴리실록산-폴리에테르 공중합체(이는 바람직하게는 트리실록산임), 및 상용화 첨가제를 포함한다. 영구적으로 친수성이고 신속하게 습윤되는 폴리실록산 조성물은 50° 미만의 정적 물 접촉각 및 약 100 미만의 동적 전진 접촉각을 생성한다.

Crompton Corporation의 미국 특허 제6,207,782호는 아크릴레이트화 친수성 폴리실록산 단량체 및 중합체 및 아크릴레이트/메타크릴레이트 공단량체와 그의 공중합체 및 개인용 케어, 직물 및 코팅 응용을 위한 그의 에멀젼을 개시한다. 이 아크릴레이트화 실록산은 화학식 (a)로 표시된다:

(a)

여기서, R은 R¹ 및 P로부터 선택되고, 여기서 각각의 R¹은 동일하거나 상이할 수 있고, 각각은 1가 탄화수소기이고; 각각의 P는 R³[O(C_bH_2bO)_zCOCR⁴=CH₂]_g(여기서, R³은 다가 유기 부분이고, 이는 하이드록시 치환된 알킬렌일 수 있고, g는 R³ - 1의 가수이고, R⁴는 수소 또는 메틸이고; b = 2 내지 4, 바람직하게는 2 내지 3이고; z = 1 내지 1000, 바람직하게는 3 내지 30임)이고; m+n+p+o = 1 내지 100, 바람직하게는 2 내지 20이고, 적어도 하나의 R은 P이고; n = 1 내지 100이고; o가 0이 아닐 때, n/o < 10:1이고; p가 0이 아닐 때, n/p < 10:1이고; m = 0 내지 10이다. 이 발명의 바람직한 아크릴레이트화 실록산은 화학식 (b)를 갖는다:

(b)

여기서, x 및 y는 0 또는 정수일 수 있으며, 바람직하게는 각각의 x 및 y는 0 내지 100, 가장 바람직하게는 0 내지 25이고; Q는 R¹ 또는 P일 수 있으며, 단, 평균 아크릴레이트 작용성은 분자당 불포화기가 1 초과이다. 바람직한 실시 태양에서, y = 0이고, Q = P이다.

통상적으로, 실리콘-하이드로겔은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 작용화된 실리콘 단량체를, 가교제 및 자유 라디칼 또는 광개시제의 존재 하에서, 하이드로겔(친수성) 단량체, 예를 들어 하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA), N-비닐피롤리돈(NVP) 및 다른 단량체, 예를 들어 메틸 메타크릴산(MA), 디메틸아크릴아미드(DMA) 등과 중합함으로써 만들어진다. 가교제는 일반적으로 당해 분자의 상이한 부위에 2개 이상의 반응성 작용기를 갖는다. 일반적으로, 이들 부위는 중합가능한 에틸렌계 불포화기를 함유한다. 경화 동안, 그들은 2개의 상이한 중합체 사슬들과의 공유 결합을 형성하고 안정한 3차원 네트워크를 형성하여 중합체의 강도를 개선한다. 콘택트 렌즈에 통상적으로 사용되는 가교제는 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 및 트리메틸로일프로판 트리메타크릴레이트(약 0.1 내지 2 중량%)를 포함한다. 다른 유용한 가교제에는 디에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 비스페놀 A 디메타크릴레이트, 디글리시딜 비스페놀 A 디메타크릴레이트 및 디메타크릴레이트-종결된 폴리에틸렌글리콜및 반응성 선형 폴리에테르 개질된 실리콘이 포함된다.

일반적으로, 실리콘 하이드로겔 콘택트 렌즈 물질은 소수성 단일작용기의 실리콘 단량체(예를 들어, TRIS) 또는 다작용기의 친수성 실리콘 단량체를 사용하여 만들어지며, 이어서 2차 표면 처리가 행해진다. 단일작용기의 실리콘 단량체는 콘택트 렌즈 산업에서 다작용기의 실리콘 단량체에 비하여 바람직한데, 이는 후자가 그로부터 만들어진 렌즈의 증가된 강성을 초래하기 때문이다.

소프트 콘택트 렌즈에 대한 이 기술의 상태가 개선되고 있을지라도, 이들 특허에 기재된 실리콘-기재 물질은 여전히 준최적(sub-optimal) 표면 습윤성 및 액체 침착과 같은 큰 결함을 갖는다. 이들 결점을 극복하기 위한 노력의 일환으로, 당해 기술의 현 상태는 '플라즈마 산화'라 불리는 고가의 2차 표면 처리를 사용하거나, 또는 산소 투과성을 희생시키면서 내부 습윤제(internal wetting agent)를 사용한다. 따라서, 본 기술의 실리콘 함유 물질에 대하여 필요한 고가의 표면 처리 및 결점 없이 콘택트 렌즈를 만드는 데 사용될 수 있는, 본질적으로 유리한 습윤성 및 산소 투과성을 갖는 친수성 실리콘 단량체에 대한 필요성이 남아 있다.

알킬 분지형 불포화 폴리에테르, 예를 들어 메틸알릴 폴리에테르에 의한 실록산-폴리에테르 공중합체의 하이드로실릴화 합성이 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제3,507,923호 및 제4,150,048호를 참조한다. 그러나, 이들 실록산-폴리에테르 공중합체의 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 캐핑된(capped) 유도체로부터 제조된 중합체 필름에서의 개선된 산소 투과성 및 물 습윤성의 실현은 신규하다. 따라서, 본 발명은 분지형 연결기를 갖는 폴리에테르 부분을 함유하는 새로운 모노-아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 작용화된 실리콘 단량체, 고순도 및 용이한 제조 가능성으로 그러한 단량체를 제조하는 방법 및 이들 단량체로부터 만들어지는, 더 큰 친수성 작용성을 갖는 단일중합체 및 공중합체를 개시한다. 이들 작용화된 실리콘 단량체는 연장 착용 소프트 콘택트 렌즈로 제조될 수 있는 물 흡수성이며 산소-투과성인 실리콘-하이드로겔 필름을 만드는 데 유용하다. 특히, 본 발명에 개시된 단량체는 분지형 연결기를 갖는데, 이는 실록산 단위를 반응성 메타크릴레이트기로 말단 작용화된 폴리알킬렌옥사이드 블록과 연결시킨다. 이들 단량체를 사용하여 제조된 실리콘 하이드로겔 필름은 콘택트 렌즈에 대한 선행 기술에서 이미 개시된 것들과 같은 선형 알킬 연결기를 갖는 단량체로부터 제조된 실리콘-하이드로겔 필름과 비교하여 개선된 표면 습윤성, 산소 투과성 및 기계적 특성을 제공한다.

일 양태에서는, 하기 화학식 (I) 또는 (II)를 갖는 실리콘 단량체가 제공된다:

(I)

(II)

여기서, a는 1 내지 약 50이고; b는 0 내지 약 100이고; 각각의 R은 독립적으로 1 내지 약 10개의 탄소의 1가 지방족, 지환족 또는 방향족 탄화수소기 및 1 내지 약 10개의 탄소의 할로겐화 탄화수소기로 이루어진 군으로부터 선택되고; Z는 하기 화학식 (III)를 갖는 분지형 알킬기를 갖는 폴리에테르 부분이고:

(III)

여기서, 여기서, n은 1 내지 약 20이고; p 및 q는 독립적으로 0 내지 약 100이고; r은 0 내지 약 50이고, (p + q + r)은 0보다 크고; R^b는 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬기이고; 및 X는 하기 화학식 (IV)를 갖는 폴리에테르-캐핑(capping)기이고:

(IV)

여기서, R³및 R⁴는 독립적으로 수소이거나 또는 1 내지 약 20개의 탄소의 치환 또는 비치환된 포화 1가 탄화수소기임.

본 발명은 또한 개시된 단량체로부터 유도되는 단일중합체 및 공중합체 및 그것을 함유하는 실리콘 하이드로겔을 제공한다.

본 발명은 또한 하기 화학식 (V)를 갖는 실리콘-함유 화합물을:

(V)

여기서, a는 1 내지 약 50이고; b는 0 내지 약 100이고; 각각의 R은 독립적으로 1 내지 약 10개의 탄소의 1가 지방족, 지환족 또는 방향족 탄화수소기 및 1 내지 약 10개의 탄소의 할로겐화 탄화수소기로 이루어진 군으로부터 선택되고,

적어도 하나의 말단은 하이드록실 또는 할로겐 또는 에폭시로 종결되고, 나머지 다른 말단은 분지형 알켄으로 종결되고, 하기 화학식 (VI)를 갖는 폴리에테르와 반응시켜 폴리에테르 실록산을 생성하고,

(VI)

여기서, m은 1 내지 약 20이고, p 및 q는 0 내지 약 100이고; r은 0 내지 약 50이고; R^b는 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬기이고, Y는 OH, 할로겐 또는 에폭시기이고; 및

이어서 상기 폴리에테르 실록산을 하기 화학식 (VII)을 갖는 알킬아크릴로일 화합물과 반응시켜 실리콘 단량체를 생성하는, 개시된 단량체의 제조하는 방법을 개시한다:

(VII)

여기서, G는 할로겐 또는 -OH이고, R³ 및 R⁴는 독립적으로 수소이거나 또는 1 내지 약 10개의 탄소의 탄화수소기임.

본 발명에 따르면, 분지형 연결기를 함유하는 폴리에테르 부분을 갖고, 콘택트 렌즈 응용을 위한 물 흡수성 실리콘-하이드로겔 필름을 제조하는 데 유용한 새로운 모노-(메트)아크릴레이트 작용화된 친수성 실리콘 단량체가 기재된다. 이들 단량체를 사용하여 얻어지는 실리콘 하이드로겔 필름은 상응하는 선형 알킬 연결기를 갖는 실리콘 폴리에테르 단량체로부터 제조된 이전에 개시된 필름과 비교하여 우수한 표면 습윤성, 산소 투과성 및 바람직한 모듈러스(modulus)를 나타낸다. 개시된 신규한 단량체는 폴리에테르 부분에 분지형 연결기를 가지며, 이는 미반응되고 이성화된 폴리에테르 및 관련된 고분자량의 부산물을 분리시킬 필요 없이 친수성 폴리에테르 개질된 실리콘 공중합체의 생성을 가능하게 한다.

본 발명에서, 실리콘 단위를 친수성 폴리에테르 사슬에 연결시키는 알킬기는 합성 동안 불포화 폴리에테르의 이성화를 방지하는 치환된 알킬기이다. 분지형 연결기의 존재는 반응기로부터 직접 취해진 실리콘-폴리에테르 공중합체의 보다 높은 순도를 가능하게 한다. 게다가, 그리고 매우 놀랍게도, 분지형 연결기를 갖는 본 발명의 실리콘-폴리에테르 공중합체를 사용하여 제조된 실리콘-하이드로겔 필름은 개선된 산소 투과성, 낮은 물 접촉각(매우 우수한 표면 습윤성) 및 렌즈 제거 및 삽입을 촉진시키고 렌즈 착용시의 편안함에 기여하는 모듈러스를 나타낸다. 이들은 선형 알킬 연결기를 갖는 실리콘-폴리에테르 중합체와 비교할 때 구별되는 개선이다.

본 발명의 단량체는 또한 임의의 균질화 용매에 대한 필요 없이 친수성 공단량체와 혼화되며, 그럼으로써 단량체 - 공단량체 조성물의 전체 범위에 걸쳐 투명한 실리콘 하이드로겔을 제공한다.

실리콘 단량체와 상이한 유기 단량체들의 최적 혼화성(최적 용해도 파라미터)은 폴리에테르의 사슬 길이(친수성) 또는 폴리에테르 사슬 내의 알킬렌 옥사이드들(예를 들어, 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드)의 비 중 어느 하나 또는 둘 모두를 변화시킴으로써 달성된다. 폴리에테르 사슬이 너무 짧거나 너무 길거나, 나쁜 평균 극성을 갖거나, 또는 존재하지 않는다면, 일반적인 불포화 유기 단량체와의 혼화성이 불량할 수 있으며 불투명한 물질로 이어진다. 실리콘-폴리에테르 공중합체와 콘택트 렌즈 중합체의 제조에 유용한, 불포화 실리콘 반응물, 용매 및 중합체의 혼화성이 또한 유사하게 영향을 받는다. 실리콘기의 크기 및 구조는 또한 독립적으로 변화되어 혼화성에 영향을 주지만, 극성 작용기에 대하여 상대적으로 실리콘의 양이 너무 크다면, 오가노실리콘 단량체가 극성 유기 단량체와 불혼화성이게 될 것이다.

상기 화학식 (I) 또는 화학식 (II)에서 b가 0인 특정한 경우에, 2-하이드록시에틸메타크릴레이트(HEMA)와의 혼화성은 유형: CH₂-CH₂-CH₂-O-CH₂-CH₂-OCH₂-CH₂-OR(여기서, 적어도 2개의 에틸렌 옥사이드 단위가 존재함)의 Z기에 의해 달성될 수 있다. 이에 대한 이유는 화학식 (I) 또는 (화학식 II)로 표시되는 이들 실리콘 단량체와 극성 공단량체, 예를 들어 2-하이드록시에틸메타크릴레이트(HEMA)의 혼화성이 실리콘 단량체 내의 실리콘 부분 대 극성 폴리에테르기의 비에 의해 제어된다는 것이다. 실리콘 단량체 내에 폴리에테르가 없거나, 폴리에테르가 거의 없다면, 실리콘 단량체는 HEMA와 불혼화성이며, 그들을 균질화하기 위하여 용매가 필요하다.

역으로, 실리콘-폴리에테르 공중합체 내에 실리콘이 거의 존재하지 않는다면, 콘택트 렌즈 중합체에서 향상된 산소 전달의 원하는 특성이 감소될 수 있다. 본 발명의 물질은 실제로 그 자체가 성분들의 분포물(distribution)인 실리콘 및 폴리에테르 전구체의 제조의 기본 화학(underlying chemistry)으로부터 생성되는 조성물의 분포물이다. 콘택트 렌즈 중합체를 제조하는 데 사용되는 제형 내의 특정 세트의 단량체 및 다른 구성 성분과 덜 혼화성이게 될 분포물 내의 성분의 양 또는 성분들의 범위를 제거하거나 감소시킬 수 있는 화학적 및/또는 물리적 공정에 의해 당해 분포물의 성질을 제어하는 것이 바람직할 수 있다.

최종 공중합체 분포물을 제어하기 위하여 증류, 고진공 스트리핑(stripping), 분취용 크로마토그래피 또는 초임계 유체 추출에 의한 실리콘 및/또는 폴리에테르 반응물의 정제가 사용될 수 있다. 작은 폴리에테르 반응물(폴리에테르 내의 에테르 단위의 수평균이 약 2 내지 약 6개임)을 실리콘-폴리에테르 공중합체를 제조하는 데 사용하고자 할 경우, 그 분포물로부터 알코올 출발물질(starter) 및 단일 알킬렌 옥사이드 부가물(이것은 단지 하나의 알킬렌 옥사이드 단위와 반응된 출발물질 알코올임)의 제거가 관심 대상이다. 비제한적인 예로서, 미반응된 알코올 출발물질 및 단일 알킬렌 옥사이드 부가물이 증류 또는 고진공 스트리핑에 의해 제거된 정제된 폴리에테르 전구체가 유용한데, 이는 그것이 콘택트 렌즈 중합체를 제조하는 데 사용되는 제형을 방해하게 될 농축물 중에 제로 또는 단일 에테르 부가물이 존재함 없이 단쇄(약 2 내지 약 6개) 폴리에테르를 만들기 위한 출발물질로서 사용될 수 있기 때문이다. 미국 특허 제5,986,122호에 기재된 아스코르브산 및 아스코르베이트에 의한 폴리에테르의 처리는 그의 하이드로실릴화 반응성을 개선한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "단일중합체"는 동일한 반복 단량체로부터 만들어지는 중합체이고, "공중합체"는 적어도 2개의 구조적으로 상이한 단량체 단위들을 함유하는 중합체이다. 선형 알킬 연결된 (메트)아크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 사슬을 갖는 단량체 및 중합체는 실록산을 그러한 화합물들 내의 측쇄의 폴리알킬렌 옥사이드 부분과 연결시키는 연결기 내에 어떠한 분지(branching)도 없는 화합물들을 의미한다. (메트)아크릴레이트와 같은 표기는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 작용성을 갖는 단량체를 나타낸다. 본 발명의 단량체는 물의 흡수 후 바람직한 물리적 강도 및 내인열성(resistance to tearing)을 갖는 경화된 탄성중합체를 얻는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 모노-(메트)아크릴레이트 작용화된 실리콘 단량체/중합체 및 그 제조 및 콘택트 렌즈에서의 용도가 하기 섹션에서 추가로 기재된다.

본 발명은 또한 소프트하며 유연하며 물 흡수성인 필름을 제조하기 위한 (메트)아크릴레이트 작용화된 친수성 실리콘 단량체 및 통상의 단량체, 예를 들어 HEMA 또는 다른 콘택트 렌즈 단량체를 포함하는 실리콘-하이드로겔 조성물을 제공한다. 본 발명의 단일중합체 및 공중합체는 약 10 중량% 내지 약 60 중량%의 물을 흡수하는 투명한(불량한 혼화성으로 인한 탁함(haze)이 없음) 중합체로, 탁월한 표면 습윤성 및 효과적인 산소 투과성을 나타내며, 이들 전부는 렌즈 착용시 보다 우수한 편안함을 위하여, 그리고 사람 각막의 양호한 건강을 위하여 필요하다. 본 발명은 또한 청구된 발명의 실리콘-하이드로겔 필름으로부터 제조되는 콘택트 렌즈를 제공한다. 이들 실시 태양이 추가로 후술되어 있다.

본 발명에서 생성된 고분자량 폴리에테르 사슬을 갖는 단량체는 폴리에테르 사슬 내에 선형 알킬 연결기를 갖는 단량체와 비교하여 보다 우수한 산소 투과성 및 상당히 개선된 표면 습윤성을 갖는 실리콘-하이드로겔 필름을 제조하는 친수성 실리콘 단일중합체/공중합체를 형성하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 실리콘-하이드로겔 필름으로부터 제조된 콘택트 렌즈는 습윤성을 개선하기 위하여 플라즈마 산화 또는 플라즈마 코팅, 또는 내부 습윤제와 같은 임의의 고가의 2차 처리를 필요로 하지 않는다. 즉, 2차 처리 없이 본 발명의 실리콘-하이드로겔 필름으로부터 제조된 콘택트 렌즈는 소프트하며 유연하며 본질적으로 습윤성이며, 그리고 높은 산소 투과성을 나타낸다.

본 발명의 단량체는 펜던트(pendant)(빗 모양의, comb-like)) 또는 환형일 수 있으며, 펜던트 구조의 경우 하기 화학식 (I)을 가지며:

(I)

이것은 다음과 같이 구조적으로 나타낼 수 있고:

그리고 환형 구조의 경우 하기 화학식 (II)를 갖는다:

(II)

여기서, 두 구조 모두에 대하여, a는 1 내지 약 50이고; b는 0 내지 약 100이고; 각각의 R은 독립적으로 1 내지 약 10개의 탄소, 바람직하게는 1 내지 약 6개의 탄소의 1가 지방족 또는 지환족 탄화수소기, 또는 1 내지 약 10개의 탄소의 방향족 탄화수소기, 바람직하게는 페닐, 또는 1 내지 약 10개의 탄소의 할로겐화 탄화수소기, 바람직하게는 플루오로 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된다.

상기에 기재된 단량체에 대한 화학식들에서, Z는 하기 화학식 (III)를 갖는 분지형 알킬기를 갖는 폴리에테르 부분이며:

(III)

이것은 다음과 같이 구조적으로 나타낼 수 있으며:

여기서, n은 1 내지 약 20이고; p 및 q는 0 내지 약 100이고; r은 0 내지 약 50이고, (p +q + r)은 0보다 크고; R^b는 1 내지 약 4개의 탄소 원자의 알킬기, 바람직하게는 -CH₃이고; X는 하기 화학식 (IV)로 표시되는 폴리에테르-캐핑기이며:

(IV)

여기서, R³ 및 R⁴는 독립적으로 수소이거나 또는 1 내지 약 20개의 탄소의 치환 또는 비치환된 포화 1가 탄화수소기이다. 상기의 단량체 화학식들에서 b가 0인 특정한 경우에, 폴리에테르기 Z 내의 탄소 원자의 총 개수는 바람직하게는 6개 이상이다.

상기에 기재된 바와 같이, 본 발명의 독창적인 단량체는 환형일 수 있다. 본 발명의 환형 단량체의 경우, 말단 규소 원자들이 산소 원자에 의해 함께 연결되며, 이때 총 (a+b) 값은 바람직하게는 선형 구조의 경우 약 1 내지 20이고, 환형 구조의 경우 3 내지 약 20이다.

본 발명은 또한 본 발명의 독창적인 단량체의 반응 생성물에 의해 형성된 중합체에 관한 것이다. 이들 중합체는 본 발명의 단량체들 중 하나의 단일중합체 또는 본 발명의 구조적으로 상이한 2개의 실리콘 단량체의 공중합체 및/또는 본 발명의 하나 이상의 실리콘 단량체와, 실리콘 하이드로겔에 사용하기에 적합한 적어도 하나의 다른 친수성 불포화 유기 단량체의 공중합체일 수 있는데, 그러한 유기 단량체의 바람직한 비제한적인 예는 N,N-디메틸아크릴아미드, 2-하이드록시-에틸-메타크릴레이트(HEMA), N-비닐피롤리돈, 및 메타크릴산이다. 그러한 공중합체에서, 본 발명의 실리콘 단량체 대 다른 친수성 불포화 유기 단량체의 공중합체 비는 1:100 내지 약 100:1이다.

본 발명의 단량체를 사용하여 중합체를 형성하기 위하여, 원하는 단량체들을 혼합하고, 생성된 혼합물을 가교제의 존재 하에서 과산화물 또는 광개시제를 사용하여, 공지된 열 또는 UV 경화 기법에 의해 중합시키고 경화시켜 투명한 박막을 형성한다. 중합체를 형성하기 위한 중합 전에 혼합물을 생성하기 위하여 단량체 믹스에 첨가되는 단량체들은 단량체 또는 예비중합체일 수 있다. "예비중합체"는 중합가능한 기를 갖는 중간 분자량의 반응 중간 중합체이다. 따라서, 용어 "실리콘-함유 단량체" 및 "친수성 단량체"는 예비중합체를 포함하는 것으로 이해된다. 본 발명은 또한 상기에 상술된 단일중합체 또는 공중합체를 포함하는 실리콘 하이드로겔 필름에 관한 것이다.

본 발명의 일 바람직한 실리콘 단량체는 하기 화학식을 갖는다:

여기서, p는 1 내지 약 50, 바람직하게는 2 내지 약 15, 더 바람직하게는 약 8이고, b는 0 내지 약 100, 더 바람직하게는 0 내지 2, 그리고 더욱 더 바람직하게는 0이다. 일반 단량체 구조에서의 R^b 및 각각의 R기는 이 바람직한 단량체에서는 메틸기이다.

다른 실시 태양에서, 본 발명은 또한 하기 단계를 포함하는 개시된 실리콘 단량체의 제조 방법에 관한 것이다:

하기 화학식 (V)를 갖는 실리콘-함유 화합물을:

(V)

여기서, a, b, 및 R은 상기에 정의되어 있고;

하기 화학식 (VI)를 갖는 적어도 하나의 하이드록실, 할로겐 또는 에폭시 캐핑된, 알킬 분지형 불포화 폴리에테르와 촉매의 존재 하에서 반응시켜 폴리에테르 실록산을 생성하는 단계:

(VI)

이것은 다음과 같이 구조적으로 나타낼 수 있고:

여기서, n은 1 내지 약 20, 바람직하게는 2 내지 약 16, 그리고 더 바람직하게는 2 내지 약 6이고; p 및 q는 개별적으로 0 내지 약 100이고; r은 0 내지 약 50이고; R^b는 말단 알켄기의 베타 탄소에 부착된 알킬기이고, Y는 OH, 할로겐 또는 에폭시이고; 및

이어서 상기 폴리에테르 실록산을 하기 화학식 (VII)을 갖는 알킬아크릴로일 화합물과 염기의 존재 하에서 반응시켜 상기 실리콘 단량체를 생성하는 단계:

(VII)

여기서, G는 할로겐 또는 -OH이고, R³ 및 R⁴는 독립적으로 수소이거나 또는 1 내지 약 10개의 탄소의 탄화수소기임. R³은 바람직하게는 메틸기이고, R⁴는 바람직하게는 수소이다. 폴리에테르 실록산과 화학식 (VII)을 갖는 알킬아크릴로일 화합물의 반응은 3차 아민 염기 또는 염기성 이온-교환 수지(IER) 및 저비점 용매의 존재 하에서 수행될 수 있다. 트리알킬 아민, 예를 들어 트리에틸 아민 및 트리프로필 아민이 적합한 염기이다. 사용되는 용매는 헥산, 메틸에틸케톤, 아세톤, 디클로로메탄, 클로로포름 또는 이러한 반응 조건 하에서 유사한 용해도 파라미터 및 불활성을 갖는 다른 저비점 용매로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 특정 실시 태양은 상기의 화학식들에 있어서, R 및 R^b는 메틸기이고, b는 0이고, q 및 r은 0이고; p는 0 내지 약 100, 바람직하게는 0 내지 약 50, 그리고 더 바람직하게는 0 내지 약 10이고, Y는 OH이고, G는 염소 또는 OH인 전술된 방법에 관한 것이다.

화학식 (V)의 화합물과 화학식 (VI)의 화합물의 하이드로실릴화 반응은 미국 특허 제3,229,112호; 제4,847,398호; 제4,857,583호; 제5,191,103호; 또는 제5,159,096호에 기재된 바와 같이, 용매 및 첨가제를 사용하거나 사용하지 않고서 수행될 수 있으며, 이와 관련된 부분은 본 명세서에 참고로 포함된다. 알킬 분지형 불포화 폴리에테르(화학식 VI)의 선택에 따른 큰 이점은 사실상 화학량론적인 양의 SiH 및 알케닐 작용성의 사용이다. 따라서, 통상의 10 내지 20% 몰 과잉의 알케닐 폴리에테르 대신에, 본 발명의 하이드로실릴화 합성 단계는 본질적으로 알킬 분지형 불포화 폴리에테르의 몰 과잉 없이 행해질 수 있다. 0.99 내지 1.09 범위의 SiH/알케닐 화학량론이 효과적이다. 미국 특허 제5,986,122호에 교시된 아스코르브산 및 아스코르베이트에 의한 폴리에테르의 처리는 하이드로실릴화 반응성을 개선하며, 감소된 Pt 촉매 수준의 사용을 가능하게 한다. 이 특허의 관련 교시 내용은 또한 본 명세서에 참고로 포함된다.

본 발명의 중합체는 친수성 하이드로겔 단량체와 혼화되는 본 발명의 실록산 단량체의 분자량에 따라, 임의의 추가 균질화 용매를 사용하지 않고서도 직접 경화될 수 있는 맑고 투명하며 균질한 단상(single-phase) 용액을 형성한다. 본 발명의 독창적인 단량체에 대하여 페더스법(Fedors method) (문헌[Robert F. Fedors , Polymer Engineering and Science , Feb. 1974, vol . 14, No . 2])에 기초하여 계산된 용해도 파라미터 값은 약 16.5 내지 약 19 (J/mol)^1/2의범위이며, 이는 TRIS와 같은 실리콘 단량체보다 통상의 하이드로겔 단량체(예를 들어, HEMA, NVP 및 DMA)의 용해도 파라미터 값에 더 가깝다. 혼화성은 본 발명의 독창적인 단량체와 친수성 공단량체 사이의 용해도 파라미터의 차가 약 7.7 (J/mol)^1/2이라면 실현된다.

본 발명의 다른 실시 태양에서, 중합체는 당업계에 공지된 공정을 통하여 실리콘-하이드로겔 필름으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실리콘-하이드로겔 필름은 소프트하며 유연하며 매우 투명하다. 본 발명의 독창적인 단량체로부터 만들어진 실리콘-하이드로겔 필름은 선형 알킬 연결된 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 사슬을 갖는 단량체들을 사용하여 만들어진 것들과 비교하여 보다 우수한 표면 습윤성 및 산소 투과성을 나타낸다. 본 발명의 실리콘 하이드로겔 필름은 물에 대한 동적 전진 접촉각이 80° 내지 30°이며, 약 10 내지 60 중량%의 물을 흡수하며, 이는 폴리에테르의 분자량에 따라 달라질 수 있는 것으로 확인되었다. 생성된 실리콘 하이드로겔은 또한 콘택트 렌즈 응용에 필요한 우수한 기계적 특성(예를 들어, 낮은 모듈러스 및 높은 인열 강도)을 갖는 것으로 확인되었다.

통상의 실리콘-하이드로겔 필름은 일반적으로 소수성 실리콘 단량체 및 친수성 하이드로겔 단량체의 혼합물을, 그들이 서로 상용되지 않기 때문에, 약 10 내지 40 중량%의 용매의 존재 하에서 경화시킴으로써 제조된다. 그러나 본 발명에서는, 독창적인 메타크릴레이트화 실리콘 단량체가 통상의 친수성 하이드로겔 단량체(예를 들어, HEMA, NVP 및 DMA)와 혼화되며, 임의의 용매를 사용하지 않고서도 실리콘-하이드로겔 필름을 제조하는 데 적합한 균질한 용액을 형성할 수 있는 것으로 확인된다.

본 발명의 단량체의 밀도는 일반적으로 25℃에서 0.89 내지 1.1 g/cm³의 범위이며, 굴절률은 나트륨 D 라인의 경우 1.4 내지 1.46의 범위이다. 본 발명자들은 굴절률이 1.431 초과이고 밀도가 0.96 g/cm³ 초과인 단량체가 상용화 용매의 부재 하에서, HEMA와 같은 친수성 단량체와 완전히 혼화성인 조성물 또는 균질하고 맑고 투명하게 보이는 유사 혼화성(pseudo miscible) 조성물을 생성함을 확인하였다. 상기에 기술된 바와 같이, 통상의 실리콘 단량체(예를 들어, TRIS)는 실리콘 하이드로겔을 만들기 위하여 혼화성 조성물을 얻기 위해서 용매의 존재 하에서 HEMA와 같은 친수성 단량체와 혼합되어야 한다. 본 발명의 실리콘-하이드로겔 공중합체를 만들기 위하여 사용되는 하이드로겔 공단량체는 HEMA, 디메틸아크릴아미드(DMA), N-비닐 피롤리돈(NVP), 메타크릴산(MA) 등과 같은 친수성 아크릴 단량체일 수 있다.

본 발명에서, 생성된 중합체는 당업계에 공지된 공정을 통하여 실리콘-하이드로겔 필름으로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 본 발명의 단일중합체 또는 공중합체로부터 제조되는 콘택트 렌즈에 관한 것이다. 본 발명의 단량체/중합체는 미국 특허 제3,408,429호 및 제3,496,254호에 개시된 스핀캐스팅(spincasting) 공정, 미국 특허 제4,084,459호 및 제4,197,266호에 개시된 캐스트 성형(cast molding) 공정, 이들 방법의 조합, 또는 콘택트 렌즈를 제조하기 위한 임의의 다른 공지된 방법에 의해 콘택트 렌즈로 형성될 수 있다. 중합은 원하는 콘택트 렌즈 형상에 따라 회전 금형(spinning mold), 또는 고정 금형(stationary mold) 내에서 수행될 수 있다. 이들 렌즈는 경우에 따라서는 추가로 기계적 마무리 가공(mechanical finishing)을 받을 수 있다. 중합은 또한 버튼, 플레이트 또는 로드를 형성하도록 적절한 금형 또는 용기 내에서 수행될 수 있으며, 이들은 가공되어(예를 들어, 선반(lathe) 또는 레이저를 통하여 절삭 또는 연마되어) 원하는 형상을 갖는 콘택트 렌즈를 생성할 수 있다.

생성된 본 발명의 중합체로부터 제조되는 콘택트 렌즈의 상대적인 부드러움(softness) 또는 딱딱함(hardness)은 활성화된 불포화기(예를 들어, 메타크릴록시)로 말단-캐핑된 폴리실록산 예비중합체의 분자량을 감소 또는 증가시킴으로써, 또는 공단량체의 백분율을 변화시킴으로써 달리 할 수 있다. 일반적으로, 폴리실록산 단위 대 말단-캡 단위의 비가 증가함에 따라, 당해 물질의 부드러움은 증가된다.

본 발명의 중합체는 또한 첨가제 또는 공단량체의 형태로 자외선 흡수제, 안료 및 착색제를 함유할 수 있다.

상기에 기술된 바와 같이, 본 발명의 실리콘-하이드로겔은 선형 알킬 연결기를 갖는 실리콘-폴리에테르 공중합체와 비교할 때, 개선된 표면 습윤 특성을 가지면서 더 높은 산소 전달을 나타낸다. 본 발명에 따라 사용되는 단량체 및 예비중합체는 용이하게 중합되어 3차원 네트워크를 형성하며, 이는 보다 우수한 기계적 특성 및 광학적 투명성과 함께, 개선된 습윤성을 가지면서 산소의 전달을 가능하게 한다.

예를 들어, 69 중량%의 본 발명의 단량체와 29 중량%의 HEMA 공단량체를 사용하여 제조되는 실리콘 하이드로겔 필름은 보다 낮은 캡티브 버블 접촉각(40°)을 가지면서 보다 높은 산소 투과성(360 Barrer) 및 낮은 모듈러스(0.8 MPa)를 나타내는데, 이와 대비하여, 선형 알킬 연결기를 갖는 상응하는 실리콘-폴리에테르로 제조되는 실리콘 하이드로겔 필름은 HEMA와의 유사한 조성에 대하여 266 Barrer의 산소 투과성, 58°의 캡티브 접촉각 및 2 MPa 초과의 모듈러스를 나타낸다. HEMA와 본 발명의 단량체의 상이한 조성들로 생성된 실리콘-하이드로겔에 대해서도 유사한 경향이 관찰되었다.

이들 필름의 구체적 용도에는 안내(intraocular) 콘택트 렌즈, 인공 각막, 및 소프트 일회용 장시간 착용(soft disposable long-wear) 콘택트 렌즈, 또는 생의학 장치를 위한 코팅으로서의 용도가 포함된다.

실시예

하기의 실시예들은 단지 예시적이며, 첨부된 특허청구범위에 적절히 기술되어 있는 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 실시예 1에 개시된 합성 스킴(scheme)에 따라 다양한 에틸렌 옥사이드(EO) 함량을 갖는 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 단량체들을 상이한 EO 사슬 길이를 갖는 메트알릴(분지형) 폴리에테르들을 사용하여 제조하였다. 비교 목적으로, 동일한 스킴에 따라, 유사한 EO 사슬 길이를 갖는 알릴(선형) 폴리에테르를 사용하여 선형 알킬 연결기를 갖는 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르를 제조하였다. 이들 메타크릴레이트화 실록산 단량체를 상이한 중량비로 통상의 하이드로겔 단량체와 따로따로 공중합하여 실리콘 하이드로겔 필름을 제조하였다. 분지형 연결기를 갖는 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 단량체를 사용하여 얻어진 실리콘-하이드로겔 필름의 특성을 선형 연결된 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 단량체로부터 제조된 실리콘-하이드로겔 필름의 특성과 대비하였다. 이들 실시예에서 보여준 바와 같이, 콘택트 렌즈 제조, 사용 및 편안함에 중요한 것으로 여겨지는 특성에 중점을 둔다. 분지형 알킬-연결기를 갖는 본 발명의 단량체를 사용하여 얻어진 필름의 특성은 선형 알킬-연결기를 갖는 단량체로 제조된 필름으로부터의 특성보다 바람직하게 더 우수한 것으로 확인되었다.

제조된 실리콘-하이드로겔 필름을 하기의 방법을 사용하여 렌즈 특성에 대하여 평가하였다.

(1) 평형 물 함량

필름을 탈이온수 중에 48시간 동안 침지하였다. 이어서, 표면의 물을 린트레스(lintless) 티슈 페이퍼를 사용하여 가볍게 닦아내었다. 수화된 필름을 정확하게 칭량하고, 이어서 48시간 동안 37℃에서 오븐 내에서 건조시키고, 건조 중량에 대하여 다시 칭량하였다. 하기 식을 사용하여 중량 변화에 기초하여 물 함량을 계산하였다.

(2) 물 습윤성

(문헌[Neumann AW, Godd RJ. Techniques of measuring contact angles. In: Good RJ, Stromberg RR, Editors. Surface and Colloid science -- Experimental methods, vol. 11. New York: Plenum Publishing; 1979. pp. 31-61]에 따라 측정됨)

Rame Hart NRL C.A. 측각기를 이용하여 동적 접촉각 방법 및 캡티브 에어 버블법 둘 모두를 사용하여 접촉각을 측정함으로써 필름 표면의 물 습윤성을 평가하였다. 동적 접촉각 방법에서는, 습윤된 필름을 먼저 린트레스 티슈 페이퍼를 사용하여 가압하고, 이어서 수적을 표면 위에 떨어뜨렸다. 측각기를 사용하여 시간에 대하여 접촉각을 측정하였다. 눈에 대한 상태를 보다 우수하게 시뮬레이션하는 캡티브 버블 방법에서는, 시린지로부터 주사된 에어 버블이 Milli-Q 물 중에 침지된 필름과 접촉되고, 이어서 접촉각이 측정된다. 보다 낮은 접촉각 값은 필름의 보다 큰 친수도 또는 보다 우수한 표면 습윤성을 나타낸다.

(3) 산소 투과성(Dk 값)

(문헌[V. Compan , et al ., Oxygen Permeability of Hydrogel Contact Lenses with Organosilicon Moieties , Biomaterials , vol 23 (2002, #13) pp 2767 - 2772]에 따라 측정됨)

산소 투과성은 콘택트 렌즈 성능의 중요한 인자들 중 하나이다. 일반적으로, 산소 투과성이 더 높을수록 그 물질은 더 바람직하다. ISO 9913 표준 방법에 따라 폴라로그래픽 기법을 사용하여 이들 샘플에 대한 산소 투과성(Dk)을 측정하였다. 필름을 투과 셀(permeation cell) 내로 클램핑하고, 도너 챔버(donor chamber)를 산소 포화 PBS(인산염 완충 식염수)로 채웠다. 리셉터 셀(receptor cell) 내의 산소의 농도를 모니터링하고, 시간의 함수로서 플롯(plot)하고, 그 플롯의 초기 기울기로부터 투과성을 측정하였다.

(4) 모듈러스

인스트론(lnstron) 인장 시험기를 사용하여 수화된 필름의 영 모듈러스(Young's modulus)를 측정하였다. 습윤된 샘플을 6 cm x 0.8 cm의 스트립(strip)으로 자르고, 50 N의 로드 셀(load cell) 및 10 mm/min의 크로스헤드 속도를 사용하여 기계적 특성을 측정하였다. 인장-응력 곡선의 초기 기울기로부터 모듈러스를 측정하였다. 모듈러스는 물질의 부드러움과 직접 상관된다. 모듈러스가 더 낮을수록 물질은 더 부드럽다.

단량체 제조

실시예 1

하기 화학식으로 표시되는 화합물의 합성:

2단계 공정을 사용하여 메타크릴레이트화 실리콘-폴리에테르 단량체를 제조하였다. 제1 단계에서는, 하이드록실 종결된 메트알릴 폴리에테르와 모노-하이드리드 작용성 트리실록산 부분 사이에 하이드로실릴화 반응이 일어난다. 제2 단계에서는, 하이드록실기가 메타크릴화 반응을 통하여 중합가능한 메타크릴레이트기로 전환된다.

구체적인 공정으로는, 헵타메틸-트리실록산(70 g) 및 사슬 내에 평균 4개의 에틸렌 옥사이드(EO) 단위를 갖는 메트알릴-종결된 폴리에틸렌글리콜을 환류 응축기, 기계적 교반기, 서모커플을 갖는 온도 제어기 및 질소 주입구를 구비한 500 mL 3구 둥근바닥(RB) 플라스크 내로 도입하였다. 이 내용물을 카르슈테트 촉매(Karstedt's catalyst, 1,3-디비닐테트라메틸디실록산의 백금 착물, 충전된 총 반응물의 중량을 기준으로 30 ppm Pt) 및 50 ppm의 프로피온산나트륨 완충액의 존재 하에서 80℃ 내지 85℃로 가열하여(미국 특허 제4,847,398호 참조) 데하이드로커플링 반응(dehydrocoupling reaction)과 같은 부반응이 일어나는 것을 방지하였다. 하이드로실릴화의 완료 후, 감압 하에서 휘발성 화합물(예를 들어, 촉매와 함께 도입된 톨루엔)을 증류(스트리핑)시켰다. 최종 생성물인 하이드록실 종결된 실리콘 폴리에테르를 임의의 바람직하지 않은 부생성물 없이 정량적 수율로 무색 투명한 액체로서 얻었다. 얻어진 순수한 생성물은 다핵 NMR(¹H, ¹³C, ²⁹Si) 분광법 및 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의해 잘 특성화되었다. 본 발명의 실리콘 폴리에테르의 합성은 용매를 사용하거나 사용하지 않고서 일어날 수 있다. 용매가 사용된다면, 바람직한 것에는 톨루엔, 이소프로필 알코올 또는 메틸 에틸 케톤이 포함된다.

다음에, 상기 단계에서 합성된 실리콘 폴리에테르(142 g), 트리에틸아민(30.3 g) (또는 대안적으로 염기성 이온-교환 수지 산 포착제(acid scavenger)), 및 메틸 에틸 케톤(250 ml)을 적하 깔때기 및 교반 블레이드를 구비한 3구 1 리터 RB 플라스크 내로 도입하였다. 이 플라스크를 빙욕(ice bath) 내에 침지하고, 일정하게 교반하면서 약 1시간의 기간에 걸쳐 메타크릴로일 클로라이드(31.3 g)를 적가하였다. 이 첨가의 완료 후, 실온에서 추가 3시간 동안 교반을 계속하였다. 이렇게 형성된 트리에틸아민 하이드로클로라이드 염이 반응 동안 침전되었다. 이온 교환 수지를 사용하였을 때에는, 그것을 여과 제거하였다. 회전 진공 증발기를 사용하여 용매를 제거하였으며, 무색 투명 액체로서 최종 단량체를 얻었다. 사용된 저비점 용매는 그 용매를 진공(즉, 약 10 mm Hg 미만) 하에서 약 30℃ 내지 40℃의 온도에서 완전히 제거될 수 있게 하였다. 얻어진 친수성 단량체 생성물은 무색 내지 담황색이었다. 그것을 냉장고 안에 호박색 병 안에 저장하였다. 적외 분광법, 다핵 NMR(¹H, ¹³C, ²⁹Si) 분광법 및 GPC에 의한 특성화가 이어졌다.

최종 단량체의 양성자 및 규소 NMR 결과가 하기에 나타나 있다:

¹H-NMR (ppm) : 0.07 ((CH₃)Si-), 0.26, 0.56 (Si-CH₂-), 0.95 (-CH₃), 1.93 (=C(CH₃)), 3.64 (-CH₂CH₂O-), 4.29 (CH₂COO), 5.56, 6.12 (=CH₂)

²⁹Si-NMR (ppm) : -22 (-OSi(CH₃)(EO)), 7 (-OSi(CH₃)₃)

실시예 2

하기 화학식으로 표시되는 화합물의 합성:

4개의 EO 단위 대신에 평균 8개의 EO 단위를 갖는 메트알릴 종결된 폴리에틸렌 글리콜을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 이 단량체를 얻었다. SiH/알케닐 화학량론은 1.05이었다.

실시예 3

이 실시예는 하기의 변화를 갖는 실시예 2의 메타크릴레이트화 실록산-폴리에테르의 합성을 예시한다. (1) 미국 특허 제5,986,122호의 실시예 2T에 교시된 폴리에테르의 아스코르베이트 처리, (2) 10 ppm으로의 Pt 사용의 감소, (3) 0 내지 5℃ 대신에, 35 내지 45℃에서 메타크릴레이트 캐핑을 수행함, (4) 메틸에틸 케톤 대신에 헥산의 사용, (5) 트리에틸아민 대신에 트리프로필아민의 사용 및 (6) 실온에서 저장된 최종 메타크릴레이트화 실록산-폴리에테르 생성물의 일부에 50 ppm의 하이드로퀴논의 첨가.

헥산이 용매였을 때, 트리프로필아민 하이드로클로라이드의 침전이 완료되었음이 관찰되었다. 용매를 진공 중에서 스트리핑했을 때, 추가의 염 침전이 관찰되지 않았다. 그 외에는, 얻어진 메타크릴레이트화 실록산-폴리에테르 생성물은 실시예 2의 생성물에 대하여 측정된 것과 동일한 물리적 및 조성적 특성을 보여주었다.

실리콘- 하이드로겔 필름의 형성

실시예 4

실시예 1에서 얻어진 화합물(49 중량부), 2-하이드록시 에틸메타크릴레이트(49 중량부), 에틸렌글리콜디메타크릴레이트(EGDMA) (1 중량부), 및 이르가큐어(Irgacure) OXE01(1 중량부)를 혼합하고 교반하였다. 얻어진 맑고 균질하고 투명한 반응 혼합물을 질소 기체로 퍼지(purge)하고 폴리스티렌 페트리(Petri) 디시로 덮인 알루미늄 팬 내로 부었다. 반응 혼합물의 박막을 20분 동안 15 mW/cm²로 챔버 내에서 UV 방사선에 노출시켰다. 경화시킨 후, 필름을 이소프로필 알코올 중에 침지하였으며, 이어서 48시간 동안 탈이온수 중에 넣어 두었다. 제조된 실리콘 하이드로겔 필름은 투명하였으며 약 18 중량%의 물을 흡수하였다.

실시예 5 내지 실시예 7

실시예 1에서 얻어진 화합물 대신에 실시예 2에서 얻어진 화합물을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 4에서와 동일한 방법으로 실리콘-하이드로겔 필름을 얻었다. 최종 샘플은 맑고 투명한 박막으로 얻어졌으며, 이것을 순수한 물 중에 저장하였다. 표 1은 실시예 5 내지 실시예 7에서 형성된 실리콘-하이드로겔 필름의 제형 및 특성을 나타낸다.

비교예 1

하기 화학식으로 표시되는 화합물의 합성:

메트알릴 폴리에틸렌 글리콜 대신에 평균 4개의 EO 단위를 갖는 모노 알릴 종결된 폴리에틸렌 글리콜을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 이 단량체를 제조하였다. 최종 단량체의 양성자 NMR은 이 단량체와 함께 거의 분리가능하지 않은 이성화된 폴리에테르의 존재를 보여주는데, 이 이성화된 폴리에테르는 본 발명의 단량체에 대해서는 관찰되지 않은 것이다.

최종 단량체의 양성자 및 규소 NMR 결과가 하기에 나타나 있다.

¹H-NMR (ppm) : 0.07 ((CH₃)Si-), 0.43 (Si-CH₂-), 1.58 (-CH₂-), 1.93 (=C(CH₃)), 3.64 (- CH₂CH₂O-), 4.28 (CH₂COO), 4.36, 4.75, 5.96, 6.23 (프로페닐기(이성화된 폴리에테르)로 인함) 5.55, 6.12 (=CH₂)

²⁹Si-NMR (ppm) : -22 (-OSi(CH₃)(EO)), 7 (-OSi(CH₃)₃)

비교예 2

하기 화학식으로 표시되는 화합물의 합성:

메트알릴 폴리에틸렌 글리콜 대신에 평균 8개의 EO 단위를 갖는 모노 알릴 종결된 폴리에틸렌 글리콜을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1에서와 동일한 방법으로 이 단량체를 제조하였다.

비교예 3

실시예 1에서 얻어진 화합물 대신에 '비교예 1'에서 얻어진 화합물(49 중량부)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 4에서와 동일한 방법으로 실리콘-하이드로겔 필름을 얻었다. 최종 투명한 샘플을 탈이온수 중에 저장하였다.

비교예 4 내지 비교예 6

비교예 1에서 얻어진 화합물 대신에 '비교예 2'에서 얻어진 화합물을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 3에서와 동일한 방법으로 실리콘-하이드로겔 필름을 얻었다. 최종 투명한 샘플을 탈이온수 중에 저장하였다. 표 1은 비교예 4 내지 비교예 6에서 형성된 실리콘-하이드로겔 필름의 제형 및 특성을 보여준다.

비교예 7

하기 화학식에 의해 표시된 화합물의 합성:

폴리에틸렌 글리콜 대신에 저분자량의 알릴 옥시 에탄올을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1에서와 동일한 방법으로 이 단량체를 제조하였다.

실시예 2 및 비교예 2의 실리콘 단량체로부터 만들어진 콘택트 렌즈 필름의 특성

	실시예 5	실시예 6	실시예 7	비교예 4	비교예 5	비교예 6
조성(중량%)
실리콘 단량체(실시예 2)	49	59	69	0	0	0
비교용 실리콘 단량체(비교예 2)	0	0	0	49	59	69
HEMA	49	39	29	49	39	29
EGDMA	1	1	1	1	1	1
이르가큐어	1	1	1	1	1	1
특성
평형 물 함량(%)	30	26	23	28	25	21
동적 접촉각(3분째)	42°±4°	38°±4°	35°±4°	50°±4°	48°±4°	-
캡티브 버블 접촉각	40°±3°	38°±3°	38°±3°	47°±5°	52°±4°	58°±3°
영 모듈러스[Mpa]	0.8±0.3	0.4±0.1	0.4±0.1	> 2	1±0.3	0.8±0.1
산소 투과성(Dk) [Barrer]	305±10	-	360±10	240±8	-	266±10

* Ciba Specialty Chemicals로부터 입수가능한 광개시제

표 1은 분지형 실리콘 단량체를 사용하여 제조된 실리콘-하이드로겔 필름(Ex.5 내지 Ex. 7)이 선형 실록산 단량체의 상응하는 제형으로 제조된 실리콘-하이드로겔 필름(CEx. 4 내지 CEx. 6)과 비교하여, 더 낮은 물 접촉각, 이에 따라 개선된 습윤성을 가지면서 더 높은 산소 투과성, 및 더 낮은 모듈러스 특성을 나타냄을 입증한다. 예상 외로, 선형 및 분지형 알킬 연결기 둘 모두를 갖는 실리콘-폴리에테르 단량체를 사용하여 제조된 실리콘-하이드로겔 필름에서 실록산 함량의 증가와 함께 접촉각 및 모듈러스의 감소가 관찰되었다.

표 2는 상이한 단량체들에 대하여 얻어진 굴절률(RI), 밀도 및 용해도 파라미터를 개시한다. "페더스법"(단락 36 참조)에 기초한 그룹 기여 방법(group contribution method)을 사용하여 청구된 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르들 및 다른 단량체들의 용해도 파라미터 값을 계산하였다. 단량체 내의 EO 단위의 개수의 증가와 함께, 단량체의 RI 및 밀도가 증가하고 HEMA와 같은 높은 RI 단량체의 것과 동일하다. 이들 증가는 실록산과 하이드겔 단량체 사이의 보다 우수한 혼화성 및 상용성을 위하여 임의의 용매를 사용하지 않고서 직접 경화될 수 있는 투명하고 균질하며 안정한 실리콘-하이드로겔 조성물의 형성에 기여한다.

단량체들의 물리적 특성 및 유기 공단량체(HEMA, DMA, NVP)와의 그들의 혼화성

단량체	단량체 내의 EO 단위의 개수	굴절률	밀도 [g/ml]	용해도 파라미터 (J/mol)^1/2	공단량체와의 혼화성	공중합체 외관
HEMA	-	1.454	1.079	24.65	-	-
DMA	-	1.473	0.962	21.66	-	-
NVP	-	1.512	1.04	25.31	-	-
실시예 1	4	1.441	0.975	17.02	혼화성	투명함
실시예 2	8	1.448	1.012	17.5	혼화성	투명함
비교예 1	4	1.443	1.000	17.10	혼화성	투명함
비교예 2	8	1.450	1.007	17.58	혼화성	투명함
비교예 7	1	1.431	0.962	16.50	불량한 혼화성	불투명함
TRIS	0	1.395	0.918	15.8	불혼화성 - 예측	불투명함

TRIS = 트리스(트리메틸실록시)실릴)프로필 메타크릴레이트

표 2의 데이터는 메타크릴레이트화 실리콘 단량체 내의 EO 단위의 개수가 증가함에 따라, RI, 밀도 및 용해도 파라미터가 증가하고, 이는 경화 전과 후에, 다양한 유기 공단량체와 혼화되고 투명한 실리콘 하이드로겔 조성물을 형성하는 데 도움을 준다는 것을 입증한다. 공단량체와 메타크릴레이트화 폴리에테르-실리콘 공중합체 사이의 7.7 (J/mol)^1/2이하의 용해도 파라미터의 차는 혼화성임을 나타낸다.

표 2의 데이터는 또한 분자 구조의 제어를 통한 혼화성 현상의 제어에 있어서 본 발명의 핵심 측면을 입증한다. HEMA와 같은 극성 유기 단량체와의 혼화성 또는 불혼화성 거동의 선택을 위한 실리콘 단량체의 구조의 제어는 낮은 극성의 실리콘기 대 더 극성인 폴리에테르기의 비를 선택함으로써 달성된다. 폴리에테르기의 유형 및 크기의 추가의 선택은 실리콘 단량체, 유기 단량체 및 콘택트 렌즈 제형의 다른 물질로부터 형성된 하이드로겔에서 물과의 상호작용을 일부 결정한다.

3개 이상의 EO 단위를 갖는 본 발명의 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 단량체는 50 중량%의 HEMA 단량체와의 혼합시 균일하고 맑고 균질하며 투명한 용액을 즉시 형성한다. EO 단위가 1개이거나 전혀 없는 메타크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 단량체는 50 중량%의 HEMA 단량체와의 혼합시 2개의 층을 형성하는데, 이들 층은 격렬한 진탕시 탁하거나 흐린 용액을 생성한다. 표 2의 데이터는 계산된 용해도 파라미터가 약 16.5 (J/mol)^1/2인 단량체에 대하여, HEMA와의 단지 부분 혼화성이 50:50 중량% 혼합물에서 관찰됨을 보여준다. TRIS에 대한 계산된 용해도 파라미터 값은 15.8 (J/mol)^1/2이며, 계산된 용해도 파라미터에 기초한, TRIS(트리스(트리메틸실록시)실릴)프로필 메타크릴레이트)와 HEMA의 50:50 중량% 혼합물에 대한 예측은 불혼화성 조성물이다.

본 발명이 바람직한 실시 태양을 참조하여 기재되어 있지만, 당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 다양한 변경이 만들어질 수 있으며, 등가물이 그의 요소를 대체할 수 있음이 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명의 수행하기 위한 최선의 형태로서 개시된 특정 실시 태양으로 한정되지 않고, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속하는 모든 실시 태양을 포함하고자 한다. 본 명세서에 언급된 모든 인용은 명백히 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims

하기 화학식을 갖는 단일작용기의 실리콘-함유 단량체:

(I)
또는

(II)
여기서,
a는 1 내지 50이고;
b는 0 내지 100이고;
각각의 R은 독립적으로 1 내지 10개의 탄소의 1가 지방족, 지환족 또는 방향족 탄화수소기 및 1 내지 10개의 탄소의 할로겐화 탄화수소기로 이루어진 군으로부터 선택되고;
Z는 하기 화학식을 갖는 폴리에테르이고:

여기서,
n은 1 내지 20이고;
p 및 q는 개별적으로 0 내지 100이고;
R^b는 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬기이고;
r은 0 내지 50이고, p + q + r의 합은 0보다 크고; 및
X는 하기 화학식을 갖는 폴리에테르-캐핑(capping)기이고:

여기서, R³및 R⁴는 독립적으로 수소이거나 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1~20개의 포화1가 탄화수소기임.
제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 R은 플루오르화 탄화수소를 포함하는 단량체.
제 1 항에 있어서, 각각의 R은 독립적으로 1 내지 6개의 탄소 원자의 포화 1가 탄화수소기 또는 페닐기를 포함하는 단량체.
제 1 항에 있어서, a + b는 선형 구조에 대해서는 1 내지 20이고 환형 구조에 대해서는 3 내지 20인 단량체.
제 1 항에 있어서, 상기 단량체는 환형 단량체를 포함하는 단량체.
제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 단량체는 하기 화학식을 갖는 단량체:

여기서, b는 0 내지 100이고, p는 1 내지 50임.
제 6 항에 있어서, b는 0 내지 2이고/이거나 p는 2 내지 15인 단량체.
제 1 항에 있어서, b는 0과 같고, Z에 존재하는 탄소 원자의 총 개수는 적어도 6개인 단량체.
제 1 항에 있어서, n은 1 내지 3이고, R^b는 메틸기인 단량체.
적어도 하나의 제 1 항의 단량체의 반응 생성물을 포함하는 중합체.
적어도 2개의 제 1 항의 단량체의 반응 생성물을 포함하며, 여기서 상기 단량체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 다른 단량체와 상이한 구조를 갖는 공중합체.
적어도 하나의 제 1 항의 단량체와, 비닐 단량체, 아크릴아미드 단량체 및 아크릴 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 추가 단량체의 반응 생성물을 포함하는 공중합체.
제 12 항에 있어서, 상기 비닐 단량체는 N-비닐-피롤리돈인 공중합체.
제 12 항에 있어서, 상기 아크릴 단량체는 2-하이드록시-에틸-메타크릴레이트(HEMA)인 공중합체.
제 12 항에 있어서, 상기 아크릴아미드 단량체는 N,N-디메틸아크릴아미드(DMA)인 공중합체.
제 12 항에 있어서, 상기 추가 단량체는 다작용기의 가교제인 공중합체.
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 항의 단량체 대 상기 적어도 하나의 추가 단량체의 비는 1:100 내지 100:1인 공중합체.
하기 단계를 포함하는 실리콘-함유 단량체의 제조 방법:
a) 하기 화학식을 갖는 실리콘-함유 화합물을:

여기서,
a는 1 내지 50이고;
b는 0 내지 100이고;
각각의 R은 독립적으로 1 내지 10개의 탄소의 1가 지방족, 지환족 또는 방향족 탄화수소기 및 1 내지 10개의 탄소의 할로겐화 탄화수소기로 이루어진 군으로부터 선택되고,
하기 화학식을 갖는 적어도 하나의 폴리에테르와 촉매의 존재 하에서 반응시켜 폴리에테르 실록산을 생성하는 단계,

여기서,
m은 1 내지 20이고,
R^b는 1 내지 4개의 탄소를 갖는 알킬이고,
p 및 q는 개별적으로 0 내지 100이고;
r은 0 내지 50이고;
Y는 OH, 할로겐 또는 에폭시기이고; 및
b) 상기 폴리에테르 실록산을 하기 화학식을 갖는 알킬아크릴로일 화합물과 염기의 존재 하에서 반응시켜 실리콘 단량체를 생성하는 단계:

(VI)
여기서, G는 할로겐 또는 -OH이고, R³ 및 R⁴는 수소이거나 또는 1 내지 10개의 탄소의 탄화수소기임.
제 18 항에 있어서, 상기 폴리에테르 실록산과 상기 알킬아크릴로일 화합물의 상기 반응은 3차 염기 또는 염기성 이온 교환 수지(IER) 및 저비점 용매의 존재 하에서 행해지는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 용매는 헥산, 메틸 에틸 케톤 또는 아세톤, 디클로로메탄 또는 클로로포름인 방법.
제 18 항에 있어서, R은 독립적으로 수소 또는 메틸이고, b는 0이고, q 및 r은 0이고; p는 0 내지 10인 방법.
제 18 항에 있어서, R은 독립적으로 H 또는 메틸이고, b는 0이고, Z는 염소이고, p는 1 내지 20이고, q 및 r은 0인 방법.
제 10 항의 중합체를 포함하는 실리콘-하이드로겔 필름.
제 23 항의 실리콘-하이드로겔 필름을 포함하는 콘택트 렌즈.
제 24 항에 있어서, 상기 콘택트 렌즈는 80° 내지 30° 범위의 물과의 동적 접촉각을 나타내고, 선형 알킬 연결된 (메트)아크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 사슬을 갖는 단량체를 사용하여 만들어진 실리콘-하이드로겔 필름을 포함하는 콘택트 렌즈와 비교하여 개선된 표면 습윤성을 나타내는 콘택트 렌즈.
제 24 항에 있어서, 상기 콘택트 렌즈는 선형 알킬 연결된 (메트)아크릴레이트화 실리콘 폴리에테르 사슬을 갖는 단량체를 사용하여 만들어진 실리콘-하이드로겔 필름을 포함하는 콘택트 렌즈와 비교하여 개선된 산소 투과성을 갖는 콘택트 렌즈.
제 1 항의 단량체 및 하나 이상의 친수성 공단량체를 포함하며, 제 1 항의 단량체와 상기 친수성 공단량체 사이의 용해도 파라미터의 차이가 7.7 (J/mol)^1/2미만인 무용매이며 맑고 투명한 혼합물.
제 27 항에 있어서, 제 1 항의 단량체는 하기 화학식을 갖고,

여기서, b는 0 내지 100이고, p는 1 내지 50이고; 상기 친수성 공단량체는 HEMA, NVP 및 DMA 및 이들의 혼합물로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 혼합물.
제 27 항의 혼합물로부터 제조되는 실리콘-하이드로겔 필름.
제 29 항의 실리콘-하이드로겔 필름을 포함하는 콘택트 렌즈.