TWI608034B - Hydrophilic cerium-containing prepolymer, and preparation method and application thereof - Google Patents

Description

親水性含矽預聚物及其製備方法和應用

本發明係有關於一種親水性含矽預聚物，特別是以縮合聚合反應所製得的親水性含矽預聚物及其製備方法，以及將此親水性含矽預聚物進一步用於製備矽水膠材料與隱形眼鏡等應用。

矽水膠是一種有機高分子材料，在隱形眼鏡的應用上，目前的主要課題在於能不依靠水分子的情況下提供隱形眼鏡氧氣傳輸。然而，矽分子具有極高的疏水性質，除了會與親水性單體產生相分離狀態外，亦造成矽水膠鏡片表面呈現疏水特性，容易堆積沉澱物，引起眼睛不適。因此，針對如何合成適用於矽水膠隱形眼鏡的親水性矽分子，且為了提供鏡片高透氧量，以及提升與親水性單體相容性，許多研究不斷地提出其改進之道。

其中，以美國專利案US 20140362339為例，其揭露一種「具有可濕性表面的有機矽水凝膠軟性隱性眼鏡（silicone hydrogel soft contact lens having wettable surface）」，此專利技術是以化學鍵結的方式，將聚乙二醇基團修飾於矽分子結構中，可解決因聚丙烯模具所造成鏡片表面疏水的問題，另一方面，在鏡片的成形過程中，亦無須經表面處理或添加高親水性聚合物，且鏡片仍具有高濕潤性表面。

此外，請參考期刊膠體和表面B：生物介面（Colloids and Surfaces B: Biointerfaces）第71卷，2009年，第36-44頁中所發表的文獻「由聚（二甲基矽氧烷-氨基甲酸乙酯）/聚醚多元醇F127組成的眼用可相容水凝膠的製造和特性（Fabrication and characterization of ophthalmically compatible hydrogels composed of poly（dimethylsiloxane-urethane）/ Pluronic F127）」，此期刊文獻是以聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane）為主結構，利用末端官能基（-OH）與聚乙二醇甲基丙烯酸酯（Poly（ethylene glycol）methacrylate，PEGMA）進行化學鍵結，使聚二甲基矽氧烷帶有反應性官能基團，可適用於自由基聚合反應。

另一篇美國專利案US 20140362339，則揭露一種「親水性聚矽氧烷大單體、其製造及用途（hydrophilic polysiloxane macromonomer, and production and use of the same）」，此專利技術同樣是以化學鍵結的方式，分別將聚乙二醇基團修飾於矽分子結構末端與側端，其中在側端的聚乙二醇分子，可伴隨著矽分子重複單位的增加，相對提高接枝程度，使矽水膠具有高透氧效能時，亦能保有一定程度的親水性質。

上述相關文獻中皆利用聚乙二醇修飾於矽氧烷結構，來解決矽氧烷結構的疏水問題，但也因為都屬於化學接枝（Graft）技術，反應步驟較為繁瑣，再者，由於透氧能力取決於矽氧烷結構，當矽氧烷重複單位愈高時，其疏水特性相對顯著，易造成合成材料限制，導致接枝成效顯現不彰。

緣是，本發明人有鑑於此，而構思研製出一種親水性含矽預聚物及其製備方法和應用，除了製備方式較為簡易，並可調控矽氧烷重複單位，亦能控制聚乙二醇與矽氧烷結構之組成，不但有別於先前技術合成方式，更能有效克服其各種缺失；其具體架構及實施方式將詳述於下。

本發明之主要目的在於提供一種親水性含矽預聚物及其製備方法和應用，其係利用縮合聚合反應，即可製得含聚乙二醇-聚二甲基矽氧烷的親水性含矽預聚物。此親水性含矽預聚物可改善傳統聚二甲基矽氧烷的高疏水特性，提供與親水性單體間的相容性，其係可進一步藉由與親水性單體進行自由基鏈鎖共聚合反應來形成具有良好親水性及透氧性的矽水膠，而不需添加化學溶劑，亦大幅降低聚二甲基矽氧烷因其疏水性在聚合過程中之添加比例限制，進而提升矽水膠材料的應用範疇。

本發明之另一目的在於提供一種親水性含矽預聚物及其製備方法和應用，其製備方式簡易，且聚合過程中只需改變簡單參數，即可調整預聚物長度或親-疏水間比例，具有較佳的材料設計彈性。

本發明之再一目的在於提供一種親水性含矽預聚物及其製備方法和應用，此預聚物末端具有活性官能基-羥基（-OH），可利用化學鍵結方式，接枝功能性分子，未來可廣泛應用於醫材、光學等技術領域。

為達到上述之目的，本發明揭露一種親水性含矽預聚物，其具有下列結構式（I）： （I） 其中，n為8～220之間的整數；m為25；R為C1～C4之烷基；且p為1～3之間的整數。

另一方面，本發明也揭露一種親水性含矽預聚物的製備方法，其步驟包含：首先，將末端為羥基的聚二甲基矽氧烷與聚乙二醇作為原料混合於稀釋劑中，以形成反應混合物，然後，將異氰酸化合物與催化劑加入反應混合物中，於室溫～40℃的溫度下進行縮合聚合反應，以形成親水性含矽預聚物，其結構式（I）如上所示。

進一步地，本發明也揭露一種矽水膠組成物，對於上述親水性含矽預聚物進行末端基官能基改質而形成一矽氧烷巨分子單體，繼而，可將10-50重量百分比的矽氧烷巨分子單體混合30-70重量百分比的親水性單體，再添加有效量的光起始劑與交聯劑，如0.5-2重量百分比的光起始劑及0.5-1重量百分比的交聯劑，來構成一矽水膠混合物，以用來幫助矽水膠鏡片的合成。

再進一步地，本發明更揭露一種矽水膠鏡片，為利用上述矽水膠組成物所製得之一兼具有良好透氧性且配戴舒適性的矽水膠鏡片。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參閱第1圖，本發明所提供之親水性含矽預聚物的製備方法之製作流程，其詳細步驟包含：

首先，如步驟S120，使用末端為羥基的聚二甲基矽氧烷為主結構，聚乙二醇為鏈延長劑，將此兩者與稀釋劑置於分離式四口反應瓶中，於氮氣條件下以機械攪拌使其均勻後，以形成反應混合物。

在本發明中，末端為羥基的聚二甲基矽氧烷可為雙羥基聚二甲基矽氧烷（Poly（dimethylsiloxane）dialkanol，PDMS-diol），其具有下列結構式（II）： （II） 其中，m為25。

聚乙二醇（Poly（ethylene glycol），PEG）的分子量是介於400～10000之間，其具有下列結構式（III）： （III） 其中，n為8～220之間的整數。

而稀釋劑可為四氫呋喃（Tetrahydrofuran，THF）。

然後，如步驟S140，將異氰酸化合物與少量的催化劑加入反應混合物中，於室溫～40℃的溫度下進行縮合聚合反應，反應時間至少24小時，即可形成一親水性含矽預聚物。

在此步驟中，異氰酸化合物可為異氟爾酮二異氰酸酯（Isophorone diisocyanate，IPDI）；且催化劑可為二月桂酸二丁基錫（Dibutyltin dilaurate，DBTDL）。

根據本發明中，以莫耳數計，此末端為羥基的聚二甲基矽氧烷、聚乙二醇與異氰酸化合物於反應混合物中的含量比，較佳地可為1：1：0.5～2，以藉此形成本發明之親水性含矽預聚物，其反應式（a）係如下所示： （a） 其中，n為8～220之間的整數；m為25；R為C1～C4之烷基；且p為1～3之間的整數。

是以，本發明乃透過將上述二種反應物（末端為羥基的聚二甲基矽氧烷以及聚乙二醇）混合，經由縮合聚合反應，以製成如上反應式（a）之親水性含矽預聚物，其結構式（I）為： （I） 其中，n為8～220之間的整數；m為25；R為C1～C4之烷基；且p為1～3之間的整數。

以下詳細說明本發明之多個具體實施例，其分別採用不同分子量的聚乙二醇（PEG）和雙羥基聚二甲基矽氧烷（PDMS-diol）來作為原料，以四氫呋喃（THF）為稀釋劑，並加入異氟爾酮二異氰酸酯（IPDI）與二月桂酸二丁基錫（DBTDL）作為催化劑，來製備親水性含矽預聚物。接續，並藉由膠體滲透層析儀（Gel permeation chromatography，GPC）進行分子量檢測，觀察所測得分子量之變化，佐證此發明技術之可行性；更透過單體相容性測試，以證明本發明之親水性含矽預聚物與親水性單體具有良好的相容性。

實施例一：取23.3g（12.5 mmol）、平均分子量Mw=1860的雙羥基聚二甲基矽氧烷（PDMS-diol）、5g（12.5 mmol）、平均分子量Mw=400的聚乙二醇（PEG）與40g四氫呋喃（THF）置於分離式四口反應瓶中，於氮氣條件下以機械攪拌使其均勻後，加入1.4g（6.25 mmol）的異氟爾酮二異氰酸酯（IPDI）與約0.1g的二月桂酸二丁基錫（DBTDL），室溫下反應24小時，反應完成後以膠體滲透層析儀（GPC）進行分子量檢測。

實施例二：取4.7g（2.5 mmol）、平均分子量Mw=1860的雙羥基聚二甲基矽氧烷（PDMS-diol）、10g（2.5 mmol）、平均分子量Mw=10000的聚乙二醇（PEG）與200g四氫呋喃（THF）置於分離式四口反應瓶中，於氮氣條件下以機械攪拌使其均勻後，加入0.44g（2 mmol）的異氟爾酮二異氰酸酯（IPDI）與約0.1g的二月桂酸二丁基錫（DBTDL），40˚C下反應24小時，反應完成後以膠體滲透層析儀（GPC）進行分子量檢測。

實施例三：取1.88g（1 mmol）、平均分子量Mw=1860的雙羥基聚二甲基矽氧烷（PDMS-diol）、10g（1 mmol）、平均分子量Mw=4000的聚乙二醇（PEG）與200g四氫呋喃（THF）置於分離式四口反應瓶中，於氮氣條件下以機械攪拌使其均勻後，加入1.1g（5 mmol）的異氟爾酮二異氰酸酯（IPDI）與約0.1g的二月桂酸二丁基錫（DBTDL），40˚C下反應24小時，反應完成後以膠體滲透層析儀（GPC）進行分子量檢測。

GPC 檢測：將各實施例所得樣品溶解於四氫呋喃（THF）並配置5mg/mL濃度，在lmL/min的流動速度下，以四氫呋喃（THF）為移動相（Mobile phase），檢測方式為折射率檢測器（Refractive Index Detector），並以聚苯乙烯（Polystyrene）為標準品計算分子量。 根據GPC分析的實驗結果，請參照表一，以未經修飾之聚二甲基矽氧烷（PDMS）為對照組，可得知PDMS原先分子量為Mn=2027、Mw=3637，而本發明將雙羥基聚二甲基矽氧烷（PDMS-diol）經縮合聚合反應與各種不同分子量（400～10000）的PEG結合後，而製得實施例一～三中含聚乙二醇-聚二甲基矽氧烷（PEG-PDMS）之親水性含矽預聚物，其分子量具有顯著提升。另一方面，實驗所測得分子量分布皆能控制在約1.5～2.0之間，顯示此親水性含矽預聚物在製備上除分子量增加外，亦能有效控制分子量分散性。

表一<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 組別 </td><td> Mn </td><td> Mw </td><td> PDI </td></tr><tr><td> 對照組 </td><td> 2027 </td><td> 3637 </td><td> 1.76 </td></tr><tr><td> 實施例一 </td><td> 3243 </td><td> 11115 </td><td> 1.92 </td></tr><tr><td> 實施例二 </td><td> 9591 </td><td> 16647 </td><td> 1.74 </td></tr><tr><td> 實施例三 </td><td> 15530 </td><td> 22381 </td><td> 1.44 </td></tr></TBODY></TABLE>其中，Mn（Number-average Molecular Weight）：數目平均分子量； Mw（Weight-average Molecular Weight）：重量平均分子量；及 PDI（Polydispersity Index）：分子量分布指數。

相容性測試：將PDMS與本發明PEG-PDMS分別加入甲基丙烯酸羥乙基酯（2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA）予以均勻混合，和親水性單體（Hydrophilic monomer）進行相容性比較。由實驗結果顯示，當固定比例下（80wt% HEMA與20wt% PDMS或PEG-PDMS），含PDMS單體液呈現混濁，而PEG-PDMS單體液則呈現透明澄清，顯示本發明PEG-PDMS與親水性單體之間，具有良好的相容特性。

親水性含矽預聚物的應用： 末端官能基改質以前述PEG分子量400的PEG-PDMS為例，取10g（3 mmol）PEG-PDMS與0.96g甲基丙烯酸-異氰酸酯基乙酯（2-Isocyanatoethyl methacrylate，IEM）置於分離式四口反應瓶中，於氮氣條件下以機械攪拌使其均勻後，以約0.1g的二月桂酸二丁基錫（DBTDL）作為催化劑，室溫下反應24小時，即完成PEG-PDMS末端官能基之改質，並用為後續製作矽水膠組成物之矽氧烷巨分子單體。

親水性含矽預聚物的應用：矽水膠組成物之製備接續，本發明利用上述所揭露之親水性含矽預聚物經由末端官能基改質而成之矽氧烷巨分子單體，約取10-50重量百分比，加入30-70重量百分比的親水性單體、以及有效量的起始劑（Initiator）、交聯劑（Crosslinking agent），如起始劑約為0.5-2重量百分比，交聯劑約為0.5-1重量百分比，予以混合為矽水膠組成物，而此矽水膠組成物經由自由基連鎖共聚合反應的產物，則可製得為本發明之矽水膠鏡片。 其中，親水性單體可選自甲基丙烯酸羥乙基酯（2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA）、N-乙烯基吡咯烷酮（N-vinylpyrrolidone，NVP）或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（N,N-dimethyl acrylamide，DMA）；起始劑可為光起始劑，光起始劑可以是任何現有已知的起始劑，例如，Darocur® 1173（2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，2-Hydroxy-2-methylpropiophenone（D-1173）或Irgacure® 819（苯基雙（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦，phenyl bis（2,4,6-trimethylbenzoyl）-phosphine oxide（I-819）；而交聯劑可為三乙二醇雙丙烯酸酯（tri（ethylene glycol）dimethacrylate，TEGDMA）。

親水性含矽預聚物的應用：矽水膠鏡片之製備最後，約取20μg的矽水膠組成物注入一聚丙烯模具中，以旋模方式成形，並經由紫外光（固化強度約為3 mW/cm ²）照射30分鐘，即完成其矽水膠鏡片製備，其鏡片組成與物理性質如表二所示，其物理性質的檢測方式則如后所述。

表二<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 矽水膠組成物之組成成份 </td><td> 重量比例（wt%） </td></tr><tr><td> 矽氧烷巨分子單體 </td><td> 改質之PEG-PDMS </td><td> 30 </td><td> 20 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> 親水性單體 </td><td> HEMA </td><td> 8.1 </td><td> 8.1 </td><td> 8.1 </td></tr><tr><td> NVP </td><td> 45 </td><td> 55 </td><td> 65 </td></tr><tr><td> DMA </td><td> 15 </td><td> 15 </td><td> 15 </td></tr><tr><td> 起始劑 </td><td> I-819 </td><td> 0.15 </td><td> 0.15 </td><td> 0.15 </td></tr><tr><td> 起始劑 </td><td> D-1173 </td><td> 0.75 </td><td> 0.75 </td><td> 0.75 </td></tr><tr><td> 交聯劑 </td><td> TEGDMA </td><td> 1 </td><td> 1 </td><td> 1 </td></tr><tr><td> 物理特性測試結果 </td></tr><tr><td> 透氧度（DK） </td><td> 72 </td><td> 53 </td><td> 39 </td></tr><tr><td> 含水量（%） </td><td> 43 </td><td> 51 </td><td> 58 </td></tr></TBODY></TABLE>

矽水膠鏡片檢測：含水量檢測取5片鏡片，分別以棉紙拭乾水分置於載玻片稱重，其平均即為濕重，隨後將矽水膠鏡片其置於烘箱中烘20小時後稱重，其平均即為乾重，並以下式計算含水量。 %含水量 = [ (濕重-乾重) / 濕重 ]＊100

矽水膠鏡片檢測：透氧度檢測

1. 鏡片電流值測量將待測矽水膠鏡片於測試前浸置於標準食鹽水中，於室溫（20℃±2.0℃）下至少平衡24小時，再於測試條件狀態下（35℃±0.5℃）至少平衡2小時，將第一片矽水膠鏡片置於極譜電極上，利用尼龍網及移動套筒將鏡片固定，待檢測電流值平穩後記錄。取下鏡片並取出第二片矽水膠鏡片，將兩片矽水膠鏡片堆疊後再次置放並固定於極譜電極上測量電流值，並依上述步驟測量堆疊三片及四片矽水膠鏡片之電流值。 Dk ⁄ t =（（I-Id））/（PA×A）×5.804×10 ^-2I：測得之電流值； Id：暗電流； PA：（大氣壓力-水蒸氣壓力）x 氧氣在大氣中所占百分比；及 A：極譜電極陰極面積（cm ²）。

2. 邊緣效應校正（ Correction for edge effects ）：t/Dk（校正後）= t/Dk（校正前）×[1+（（2.35×t））/Dcathode ] 其中，Dcathode為極譜電極陰極之直徑。

3. 邊層效應校正（ Correction for boundary layer effects ）：將堆疊4片之t/Dk值對厚度t作圖，可得二元一次方程式直線圖，此線之斜率1/Dk即為校正過後Dk的倒數。 Dk=Barrer 單位：[(cm ²/sec)(ml O ₂)/(ml*mmHg) ×10 ^-11]

綜上所述，本發明乃以末端為羥基的聚二甲基矽氧烷為主結構，聚乙二醇為鏈延長劑，利用縮合聚合反應，形成含聚乙二醇-聚二甲基矽氧烷的親水性含矽預聚物，其具備製程簡單，容易調整預聚物長度或親-疏水間比例的優點，具有較佳的材料設計彈性。再者，此親水性含矽預聚物特別可克服矽氧烷結構的疏水問題，能夠有效提供與親水性單體間的相容性，幫助進一步與親水性單體間的自由基鏈鎖共聚合反應，其過程無需化學溶劑，還可降低矽氧烷結構之添加比例限制；同時，由於本發明所製備的親水性含矽預聚物末端具有活性官能基-羥基（-OH），可利用化學鍵結方式，接枝功能性分子，其應用範圍非常廣泛。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

無

第1圖為本發明所提供之親水性含矽預聚物的製備方法之流程圖。

Claims (15)

1. 一種親水性含矽預聚物，具有下列之結構式(I)： 其中，n為8~220之間的整數；m為25；R為C1~C4之烷基；及p為1~3之間的整數。
2. 一種親水性含矽預聚物的製備方法，包括以下步驟：將一末端為羥基的聚二甲基矽氧烷與一聚乙二醇作為原料混合於一稀釋劑中，以形成一反應混合物；以及將一異氰酸化合物與一二月桂酸二丁基錫加入該反應混合物中，於室溫~40℃的溫度下進行一縮合聚合反應，以形成該親水性含矽預聚物，其具有下列之結構式(I)： 其中，n為8~220之間的整數；m為25；R為C1~C4之烷基；及p為1~3之間的整數。
3. 如請求項第2項所述之親水性含矽預聚物的製備方法，其中該末端為羥基的聚二甲基矽氧烷、該聚乙二醇與該異氰酸化合物於該反應混 合物中的莫耳數含量比為1：1：0.5~2。
4. 如請求項第2項所述之親水性含矽預聚物的製備方法，其中該末端為羥基的聚二甲基矽氧烷為雙羥基聚二甲基矽氧烷，具有結構式(II)為： 該聚乙二醇的分子量係介於400~10000之間，具有結構式(III)為：
5. 如請求項第2項所述之親水性含矽預聚物的製備方法，其中該稀釋劑為四氫呋喃。
6. 如請求項第2項所述之親水性含矽預聚物的製備方法，其中該異氰酸化合物為異氟爾酮二異氰酸酯。
7. 如請求項第2項所述之親水性含矽預聚物的製備方法，其中該縮合聚合反應的反應時間為至少24小時。
8. 一種矽水膠組成物，包含：一10-50重量百分比的矽氧烷巨分子單體，該矽氧烷巨分子單體係由一如請求項第1項所述之親水性含矽預聚物經末端官能基改質而成；一30-70重量百分比的親水性單體；一有效量的光起始劑；及一有效量的交聯劑。
9. 如請求項第8項所述之矽水膠組成物，其中該親水性含矽預聚物係以 甲基丙烯酸-異氰酸酯基乙酯進行末端官能基之改質。
10. 如請求項第8項所述之矽水膠組成物，其中該親水性單體係選自甲基丙烯酸羥乙基酯(2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(N-vinylpyrrolidone，NVP)或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(N,N-dimethyl acrylamide，DMA)。
11. 如請求項第8項所述之矽水膠組成物的製備方法，其中該光起始劑為2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮或苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦。
12. 如請求項第8項所述之矽水膠組成物，其中該交聯劑為三乙二醇雙丙烯酸酯。
13. 如請求項第8項所述之矽水膠組成物，其中該光起始劑的使用量為0.5-2重量百分比。
14. 如請求項第8項所述之矽水膠組成物，其中該交聯劑的使用量為0.5-1重量百分比。
15. 一種矽水膠鏡片，係由一如請求項第8項所述之矽水膠組成物所製得。