Flüssigkristalline Einkristall-Hydrogeie mit hoher Doppelbrechung
Die Erfindung betrifft neue anisotrope Hydrogele sowie Verfahren zu ihrer Herstellung, ihre Verwendung und Produkte aus diesem Hydrogelen
Thermotrope flussigkπstalline Einkristall-Elastomere (LSCE) sind Polymernetzwerke mit einer makroskopisch einheitlichen Orientierung des Direktors Sie entsprechen zum Beispiel in ihren optischen Eigenschaften organischen oder anorganischen Einkristallen, weisen aber auf Grund der Polymernetzwerkstruktur oberhalb der Glastemperatur gummielastisches Verhalten auf Ihr mechanischer Modul ist um Größenordnungen kleiner als von Festkörpern, weshalb man sie auch als weiche Kristalle („soft crystals") bezeichnen kann Ihre Herstellung und Eigenschaften sind erstmals in EP 9201591 und zwischenzeitlich in der Literatur beschrieben Die bisher bekannten LSCE tragen als flussigkπstalline Monomereiπheiten ausschließlich thermotrope flussigkristalline Bauelemente (stabchen- oder scheibchenformige mesogene Gruppen) Die bisher bekannten LSCE sind nicht mit Wasser zu einem anisotropen Hydrogel quellbar
Hydrogele die eine breite Anwendung gefunden haben zeigen grundsätzlich optisch isotropes Verhalten Hydrogele mit anisotropen Eigenschaften sind bisher in der Literatur nur mit wenigen Beispielen beschrieben Im Gegensatz zu den LSCE zeigen sie keine spontane makroskopisch einheitliche Ordnung Nur durch eine mechanische Deformation konnte eine Orientierung beobachtet werden, die aber ohne mechanische Deformation wieder in den ungeordneten Zustand relaxiert Anisotrope Hydrogele mit spontaner makroskopisch einheitlicher Orientierung der optischen Achse (LSCH, Liquid Single Crystal Hydrogels) sind vom größten Interesse für Anwendungen z B als Materialien für bifokale Kontaktlinsen selektive Trennmembrane Tragermateπal für kontrolliertes „drug release '
Gegenstand der Erfindung sind somit Verfahren gemäß 1 bis 4 zur Herstellung von LSCH , LSCH gemäß den Ansprüchen 5 bis 8 deren Verwendung gemäß Ansprüchen 9 bis 1 1 , und Produkte aus denselben gemäß Ansprüchen 12 bis 14
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Die erfindungsgemaßen LSCH werden in 2 bezw 3 aufeinanderfolgenden Schritten hergestellt, wobei die ersten beiden Schritten der Herstellung von thermotropen flussigkristallinen Elastomeren (LSCE) mit fixierter Netzwerkstruktur entsprechen (EP 9201591 ) Im 3 Schritt wird das Netzwerk mit Wasser gequollen, wobei bei den in Formel 1 beschriebenen amphiphilen Netzwerken erst die anisotrope Phasenstruktur mit einer hohen Doppelbrechung entsteht
Die in den ersten beiden Schritten hergestellten Netzwerke mit anisotroper Netzkettenkonformation werden bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Hydrogele der Formel 1
(P) eine Polymerketteneinheit
A ein Amphiphil mit hoher Doppelbrechung
V eine Polymerketten vernetzende Gruppe und
R ein reaktiver Rest, enthaltend mindestens eine nicht umgesetzte funktioneile
Gruppe bedeuten
Durch Formel 1 werden die bevorzugten Hydrogele nur stark schematisch beschrieben So ist es z B nicht erforderlich, das jede Hauptketteneinheit ein Amphiphil tragt Weiterhin soll Formel 1 auch Copolymere mit unterschiedlichen Polymerketteneinheiten umfassen Außerdem stimmt die Zahl der Gruppen V, A und R i a nicht uberein Trotz dieser Mangel erscheint die Formel 1 zur schematisch bildhaften Reprasentierung der Hydrogele geeignet und wird daher verwendet
Die Herstellung der Hydrogele der Formel 1 erfolgt analog zu an sich bekannten
Polymerisationsverfahren wie sie in der Literatur beschrieben sind (z B in den
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Standardwerken und Lehrbuchern über Makromolekulare Chemie oder Werken wie Comprehensive Polymer Science, Pergamon Press), und zwar unter Reaktionsbedingungen, die für die Umsetzungen bekannt und geeignet sind. Dabei kann man auch von an sich bekannten, hier nicht naher erwähnten Varianten Gebrauch machen
Hydrogele der Formel 1 können zum Beispiel in einer sehr einfachen polymeranalogen Additionsreaktion von amphiphilen Seitenkettenpolymeren mit Vernetzermolekulen V* und reaktiven Verbindungen vom Typ R* erhalten werden, schematisch
+ nR* + π V*
(P)
A R A
A A
In dieser schematischen Darstellung sind durch A die an die Monomereiπheiten gebundenen Amphiphile mit hoher Polansierbarkeitsanisotropie bezeichnet Die Hauptkette enthalt weitere funktionelle Monomereinheiten, an die in der polymeranalogen Umsetzung die Vernetzermolekuie V* und die Moleküle R* gebunden werden Durch den Index * wird angedeutet, daß die Vernetzermolekuie V* und die reaktiven Verbindungen R* i a 2 oder mehr reaktionsfähige Stellen aufweisen, wobei bei den reaktiven Verbindungen mindestens eine der reaktionsfähigen Stellen durch eine andere Reaktivität gekennzeichnet sein kann als die andere bzw anderen reaktionsfähigen Stellen
Bevorzugt sind weiter auch Verfahren zur Herstellung der Hydrogele der Formel 1 , bei denen die Gruppierungen A sowie R und ggf V an vernetzte oder unvernetzte
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Polymerketten -P- angeheftet werden (z B durch Aufpfropfungsreaktionen vgl DE 38 17 088)
Die Hydrogele der Formel 1 können weiter durch Polymerisation von Monomeren und/oder Oligomeren in Anwesenheit von reaktiven Verbindungen R* und gegeoenenfalls V* hergestellt werden Wenn die Monomere und/oder Oligomere zumindest überwiegend nur 2 Verknupfungsstellen aufweisen ist die Anwesenheit von Vernetzerπ V* erforderlich wobei zumindest eine der reaktionsfähigen Stellen der reaktiven Verbindung R* bei den Bedingungen, unter denen die Verknupfungsstellen der Monomere und/oder Oligomere und die reaktiven Stellen der Vernetzer umgesetzt werden noch nicht oder erst teilweise reagieren Falls die Monomere und/oder Oligomere mehr als zwei Verknupfungsstellen im Molekül aufweisen kann der Vernetzer ggf auch weggelassen werden
Die Synthese der Hydrogele aus niedermolekularen Verbindungen hat häufig den Vorteil daß durch Variation der Syntheseparameter wie z B der Polymerisationstemperatur der Konzentration des Polymerisationsinitiators, dem relativen Massenverhaltnis von Comonomeren bzw Cooligomeren etc wichtige Eigenschaften der Hydrogele wie z B ihre Elastizität oder Doppelbrechung oder auch andere Eigenschaften beeinflußt und innerhalb gewisser Grenzen gezielt eingestellt werden können
Die niedermolekularen Verbindungen sind bevorzugt amphiphil Wie bereits erwähnt, ist aber auch das anschließende Anbinden dieser Gruppen an funktionalisierte Polymergeruste möglich
Die Hersteilung der Hydrogele der Formel 1 erfolgt bevorzugt analog Verfahren für thermotrop flussigkπstalline Systeme wie sie in DE 3817088 DE 381 1334 und DE 3621 581 beschrieben sind wobei zusätzlich reaktive Verbindungen R* mit umgesetzt werden
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Als polymeres Rückrat -(-P-)- kommen prinzipiell alle Polymere in Frage, deren Ketten eine gewisse Flexibilität aufweisen. Es kann sich hierbei um lineare, verzweigte oder cyclische Polymerketten handeln. Der Polymerisationsgrad beträgt normalerweise mindestens 10, vorzugsweise 50-200. Es kommen jedoch auch Oligomere mit 3-15, insbesondere mit 4 bis 7 Monomereinheiten in Frage.
Vorzugsweise werden Polymere mit C-C-Hauptketten, insbesondere Polyacrylate, - methacrylate, -α-halogenacrylate, α-cyanacrylate, -acrylamide oder methylenmalonate eingesetzt. Weiterhin bevorzugt sind auch Polymere mit Heteroatom in der Hauptkette, beispielsweise Polyether, -ester, -amide, -imide oder - urethane oder insbesondere Polysiloxane.
Die amphiphilen Einheiten A haben folgenden schematischen Aufbau:
wobei S- ein flexibler Spacer, die rechteckigen Symbole M eine Einheit mit hoher Polansierbarkeitsanisotropie und die kreisförmigen Symbole H eine hydrophile Einheit, die über Y an M gebunden sind, bezeichnen. Die beiden Bauprinzipen A1 und A2 unterscheiden sich im wesentlichen darin, daß bei A1 das Amphiphil „end- on" über S und die hydrophobe Einheit mit hoher Polansierbarkeitsanisotropie mit der Polymerhauptkette verbunden ist, während bei A2 ein Amphiphil mit zwei hydrophilen Gruppen „side-on" über S mit der Hauptkette verbunden ist.
Als Spacer S kommen vor allem lineare oder verzweigte Alkylengruppen mit 1-20 C- Atomen in Betracht, worin eine oder mehrere nicht benachbarte CH2-Gruppen durch -O-, -S-, -CO-, -O-CO-, -S-CO-, -O-COO-, -CO-S-, -CO-O-, -CH-Halogen-, -CHCN-, -
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CH=CH-, und -C=C- ersetzt sein können. Als Spacer sind beispielsweise folgende Gruppen geeignet: Ethylen, Propylen, Butylen, Pentylen, Hexylen, Heptylen, Octylen, Decylen, Undecylen, Dodecylen, Octadecylen, Ethylenoxyethylen, Methylenoxybutylen, Ethylenthioethylen, Ethylen-N-methyliminoethylen oder 1- Methylalkylen.
Die Einheiten mit hoher Polansierbarkeitsanisotropie M sind bevorzugt stäbchenförmige („rod-like") oder brettförmige („board-like) aromatische Molekülsegmente. Es sind bevorzugt mesogene Gruppen, die für die Synthese von thermotropen Flüssigkristallen verwendet werden. Im Gegensatz zur Molekülstruktur von üblichen mesogenen Gruppen ist jedoch ein strikt linearer Aufbau von M nicht zwingend notwendig. Besonders bevorzugt bedeutet M einen Rest der Formel 3
-(A1-Z1)n-A2-Z2-A3- 3
worin A1, A2, A3, Z Z2 und n die oben angegebene Bedeutung haben. Durch die Formel 3 sind 2-, 3-, 4- und 5-kernige Reste der Teilformel 3-1 bis 3-4 umfaßt:
-A2-Z2-A3- 3-1
_A1-Z1-A2-Z2-A3- 3-2
-A1-Z1-A1-Z1-A2-Z2-A3- 3-3
_A1-Z1-A1-Z1-A1-Z1-A2-Z2-A3- 3-4
2-, 3- und 4-kemige mesogene Reste sind bevorzugt.
Im folgenden wird eine kleinere Gruppe von besonders bevorzugten mesogenen Resten der Formel 3 aufgeführt. Dabei bedeuten der Einfachheithalber Cyc eine 1 ,4- Cycloheylgruppe, worin auch eine oder zwei nicht benachbarte CH2-Gruppen durch - O- ersetzt sein können, Phe eine 1 ,4-Phenylengruppe, worin auch eine oder mehrere CH-Gruppen durch N ersetzt sein können. PheX ist eine 1 ,4- Phenylengruppe, die im Amphiphil der Formel A2 den Spacer trägt. Weiterhin können Kombinationen mit Pip eine Piperidin-1 ,4-diylgruppe und Nap eine Deca-, Tertrahydronaphthalin-2,6-diyl- oder Naphthalin-2,6-diylgruppe eingesetzt werden.
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Besonders bevorzugte mesogene Reste der Formel 3-1 sind die der Teilformeln 4-1 bis 4-8 : für Amphiphile der Gruppe A1
-Phe-Z2-Phe- 4-1
-Cyc-Z2-Cyc- 4-2
-Phe-Z2-Cyc- 4-3
-Cyc-Z2-Cyc- 4-4
für Amphiphile der Gruppe A2
-Phex-Z2-Phe- 4-5
-Phe-Z2-Phex- 4-6
-Cyc-Z2-Phex- 4-7
-Phex-Z2-Cyc- 4-8
In den Verbindungen der Teilformeln 4-1 bis 4-8 ist Z2 ganz besonders bevorzugt eine Estergruppe (-CO-O- oder -O-CO-), -CH2CH2 oder Einfachbindung.
Besonders bevorzugte mesogene Reste der Teilformel 3-2 sind die Teilformeln 5-1 bis 5-11 : für Amphiphile der Gruppe A1
-Phe-Z1-Phe-Z2-Phe- 5-1
-Cyc-Z1-Cyc-Z2-Phe- 5-2
-Cyc-Z1-Phe-Z2-Phe- 5-3
-Phe-Z -Phe-Z2-Cyc- 5-4
-Phe-Z1-Cyc-Z2-Phe- 5-5 und für Amphiphile der Gruppe A2
-Phex-Z1-Phe-Z2-Phe- 5-6
-Phe-Z1-Phex-Z2-Phe- 5-7
-Phe-Z1-Phe-Z2-Phex- 5-8
-Cyc-Z1-Phex-Z2-Phe- 5-9
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-Cyc-Z1-Phe-Z2-Phex- 5-10
-Phe-Z1-Phex-Z2-Cyc- 5-11
In den Verbindungen der Teilformeln 5-1 bis 5-11 ist Z2 ganz besonders bevorzugt eine Estergruppe (-CO-O- oder -O-CO-), -CH2CH2 oder Einfachbindung.
Als hydrophile Gruppe H kommen nichtionische und zwitterionische Gruppen in Betracht, die für die Synthese konventioneller Tenside eingesetzt werden und bekannt sind. Besonders bevorzugt sind nichtionische Tenside
1. aus der Reihe der Polyglycolether
-(CH2-CH2-O)π- H -(CH2-CH2-O)n-CH3 mit n= 1 -10
sowie den verzweigten Varianten als Glycerinether CH-O-(CH2-CH2-O)n- H
-CH
I
CH-O-(CH2-CH2-O)n- H mit n = 1-6 und
CH-O-(CH2-CH2-O)n- CH3 i -CH
CH-O-(CH2-CH2-O)n- CH3 mit n= 1 -6
2. Glycoside, Polyclycoside und Polyalkohole und
3. zwitterionische Verbindungen wie lmidazolcarboxylate, Betaine und Aminocarbonsäure.
Die hydrophilen Gruppen sind direkt oder über Y an die mesogene Gruppe M gebunden. Besonders bevorzugt für Y ist -O-, -CO-, -COO-, -O-CO-, -O-CO-O- und lineare oder verzweigte -(CH2)n mit n=0-10 worin auch eine nicht benachbarte CH2 - Gruppen durch eine der obigen Gruppen ersetzt sein kann.
Als Vernetzer V* kommen Verbindungen in Frage, die entsprechend der Chemie der Polymerhauptkette eine Vernetzungsreaktion ausführen können. Besonders
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bevorzugt sind hier funktiona sierte Amphiphile, die durch Dimeπsation über die hydrophile Gruppe der Verbindungen der Formel A1 zugänglich sind
Die reaktiven Reste R* weisen mindestens 2 funktionelle Gruppen auf, wobei sich die Reaktivität einer Gruppe von der der anderen Gruppen bei den gewählten Reaktionsbedingungen unterscheiden kann So ist z B möglich, daß mindestens eine der reaktiven Gruppen von R* eine Vinyl-, Acryloyl- oder eine andere radikalisch polymerisierbare Gruppe ist, wahrend eine der unter den Bedingungen der radika schen Polymerisation nicht umgesetzte Gruppe eine Hydroxyl-, Carboxyl- oder Ammogruppe ist Es ist aber z. B auch möglich, daß die Moleküle R* Gruppen aufweisen die nach dem gleichen Reaktionsmechanismus allerdings unter selektiver Katalyse oder bei veränderter Temperatur mit deutlich unterschiedlicher Reaktivität umgesetzt werden (vgl Beispiel 1 ) Die reaktiven Gruppen können z B terminal an den Molekülen R* angeordnet sein und sind dann üblicherweise verknüpft durch eine lineare oder verzweigte C-Kette mit 1 -20 C-Atomen, worin auch bis zu 8 nicht benachbarte CH;-Gruppen durch -O-, -CO-, -COO-, -OCO-, -S-, - HC=CH-, -C=C- -CHHalogen- -C(Halogen)2-, -NH-, -(C, 5-Alkyl)-N- einen alicyclischen oder aromatischen Ring ersetzt sein können Es ist aber auch möglich daß die reaktiven Gruppen sich in nicht-terminaler Position befinden Besonders bevorzugt sind Verbindungen analog V jedoch mit unterschiedlichen reaktiven Gruppen
Die vorstehend angeführten Beispiele für P, S, M,Y, R bzw R* und V bzw V* sind nur beispielhaft zu verstehen und sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen
Zur Herstellung der erfindungsgemaßen Hydrogele können neben den bevorzugten
Netzwerken der Formel I auch noch weitere Hydrogele verwendet werden So sind z
B Copolymere, die neben amphiphilen auch nicht-amphiphile Seitengruppen enthalten, manchmal bevorzugt um beispielsweise einen zu hohen Wert für die
Doppelbrechung zu senken oder andere spezifische Materialeigenschaften zu variieren
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Die detailliert beschriebenen Hydrogele der Formel I welche bevorzugt sind, und die weiterhin angegebenen Hydrogele sind nur beispielhaft zu verstehen und sollen die Erfindung lediglich erläutern ohne sie zu begrenzen Die Erfindung kann ganz allgemein auf Hydrogele, enthaltend reaktive Reste mit mindestens einer nicht umgesetzten funktionellen Gruppe angewendet werden und ist nicht auf spezielle Hydrogele begrenzt
Die Netzwerke werden durch Anlegen eines mechanischen „Feldes" uniaxial oder biaxial vor Umsetzung der reaktiven Reste R verstreckt und dadurch die Netzketten orientiert Andere Orientierungen können z B erreicht werden wenn das Netzwerk biaxial verstreckt wird d h wenn die mechanische Spannung gleichzeitig entlang 2 verschiedener Deformationsachsen die vorzugsweise rechtwinklig zueinander sind, einwirkt Komplizierte Deformationsmuster sind möglich aber i a nicht bevorzugt
Die mechanische Spannung die durch geeignete Vorrichtungen wie z B Spannklammern Tragerfolien auf die Probe übertragen wird, kann eine Dehnung, Kompression oder auch Scherung der Probe bewirken dagegen fuhren Torsionsoder Biegespannungen im allgemeinen nicht zu einer gewünschten Ausrichtung Sie können aber mit Dehnung kombiniert werden Die aufzuwendende Spannung hangt von der Große und Geometrie der Probe sowie insbesondere auch von deren Elastizität ab und betragt typischerweise zwischen 1 0" und 105 N/m2 und richten sich nach Vernetzungsdichte und Temperaturdifferenz zum Glasubergang des Netzwerkes
Nachdem das Netzwerk in der gewünschten Weise orientiert ist wird diese Orientierung der Netzketten in einem nachfolgenden 2 Schritt dadurch fixiert, daß das Netzwerk im deformierten Zustand durch Umsetzung der freien funktionellen Gruppen der reaktiven Reste R mit benachbarten Polymerketten zusätzlich vernetzt
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Für diese zweite Vernetzungsreaktion kommt je nach der Natur der freien funktionellen Gruppe eine Vielzahl von Reaktionsmoglichkeiten in Betracht Handelt es sich bei den freien funktionellen Gruppen beispielsweise um Hydroxylgruppen, so können z B freie Hydroxylgruppen von reaktiven Resten benachbarter Polymerketten oder aber auch freie Hydroxylgruppen reaktiver Reste mit Hydroxylgruppen von Polymerketteneinheiten etwa durch Dnsocyanate miteinander verknüpft werden Es ist natürlich z B auch möglich, die freie Hydroxylgruppe mit Carboxylgruppen oder Saurechlondgruppen benachbarter reaktiver Reste bzw Polymerketten zu verestem oder aber auch mit weiteren funktionellen Gruppen umzusetzen Außer der Hydroxylgruppe kommen als freie reaktive Gruppen insbesondere auch Amiπogruppen Mercaptogruppen, Carboxylgruppen oder von Carboxylgruppen abgeleitete funktionelle Gruppen Sulfonsauregruppen bzw von dieser Gruppe abgeleitete funktionelle Gruppen, Epoxygruppen sowie weitere funktionelle Gruppen in Frage Diese Aufzahlung soll die Erfindung nur erläutern und keinesfalls begrenzen, der Fachmann kann leicht weitere reaktive Gruppen und Reaktionsmoglichkeiten angeben ohne daß es einer erfinderischen Tätigkeit bedurfte
Die zusätzliche Vernetzungsreaktion wird unter geeigneten Bedingungen ausgeführt So kann die Umsetzung der freien funktionellen Gruppen z B durch Temperaturerhöhung oder durch UV-Bestrahlung, ggf unter Zugabe eines Katalysators, durchgeführt werden Die Gesamtvernetzungsdichte liegt bei Hydrogelen typischerweise zwischen 2% und 20, diese Werte können allerdings nur als grobe Richtschnur angesehen werden, und es sind auch größere Abweichungen möglich, da sie von der Molmasse der Ausgangspolymere abhangen
Im dritten Schritt werden die Netzwerke mit Wasser gequollen Durch die Quellung mit Wasser geht das Netzwerk in den lyotrop flussigkristallinen Zustand über Je nach hydrophil/hydrophober Balance der amphiphilen Einheiten A kann eine hexagonale oder lamellare Phase ausgebildet werden Die Konzentration an Wasser bei der dieser Phasenubergang stattfindet ist von der Struktur von A abhanαiα und sowohl von niedπαmolekularen als auch linearen Polymeren her
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ableitbar Es ist aber auch möglich daß schon das trockene Netzwerk z B eine lamellare Uberstruktur aufweist die durch die Quellung mit Wasser erhalten bleibt Durch die in der zweiten Vernetzungsreaktion mit den reaktiven Resten R bzw R* eingeführten Netzkettenorientierung wird die lyotrop flussigknstalline Phasenstruktur spontan makroskopisch einheitlich geordnet Es bildet sich im Hydrogel eine einheitliche Direktororientierung aus wobei der Direktor die Orientierung der Langsachsen der stabchenformigen mizellaren Assoziate in der hexagonalen Phase (HrPhase) oder der Schichtnormalen der lamellaren Phase (Lα-Phase) bezeichnet
Der Quellungsgrad bzw die Aufnahme von Wasser im Hydrogel wird durch zwei Faktoren begrenzt Zum einen ist dies die Vernetzungsdichte des Hydrogels die den Gleichgewichtsquellungsgrad bestimmt zum zweiten ist es die Los chkeit des Netzwerkes Je nach hydrophil/hydrophober Balance der amphiphilen Gruppen A kann die maximale Wasseraufnahme des Netzwerks auch durch die Wasserloslichkeit von A begrenzt sein Beide Faktoren sind bekannt und lassen sich von konventionelle wasserquellbaren Netzwerken bzw niedrigmolekularen und polymeren Amphiphilen ableiten
Das erfindungsgemaße Verfahren erlaubt die Bereitstellung von anisotropen Hydrogelen die sich durch einen hohen Ordnungsgrad und hohe Doppelbrechung auszeichnen Im Unterschied zu herkömmlichen flussigkristallinen Monodomanen lyotroper Flussigkπstalle sind die erfindungsgemaßen Hydrogele mit fixierter anisotroper Netzwerkstruktur praktisch in jeder beliebigen Geometrie oder Große herstellbar so können z B Filme Folien quaderformige Korper Zylinder oder auch weitere Formen erhalten werden Die Eigenschaften der erfindungsgemaßen LSCH können in weiten Bereichen variiert und im Hinblick auf die jeweilige Anwendung optimiert werden So kann etwa die Elastizität über den Gesamtvemetzungsgrad eingestellt werden oder es können die optischen Eigenschaften im Hinblick auf die Doppelbrechung durch die Variation der Gruppe M in Formel 2 eingestellt werden
Die erfindungsgemaßen LSCH können für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden Filme und Folien sind insbesondere als Trennmembrane αeeiαnet Von
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besonderer Bedeutung ist die Verwendung der LSCH als völlig neuartiges Material für die Herstellung von bifokalen Kontaktlinsen oder bifokalen Intraokularlmsen Sie kombinieren einerseits die hervorragenden Eigenschaften der bisher bekannten aber isotropen Hydrogele mit den außergewöhnlichen optischen anisotropen Eigenschaften flussigkristalliner Systeme
Die erfindungsgemaßen LSCH weisen die bei herkömmlichen flussigkristallinen Monodomanen auftretenden Nachteile nicht oder nur in geringerem Ausmaß auf und ihnen kommt daher ebenso wie dem erfindungsgemaßen Verfahren eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung zu
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen
Beispiel 1 a) Herstellung der LSCH
Es werden die folgenden Komponenten
Poly(methylhydrogensιloxan) (Pn= 100) 61 ,6 mg
579,9 mg Vernetzer 71 ,3 mg
CH2=CH-(CH2)9-0-(CH2CH2-O)6
CH2=CH-(CH2)9-0-(CH2CH2-O)6 Katalysator SLM 86005 (Wacker) ui
in 1 ,5 ml thiophenfreiem Toluol gelost und das Reaktionsgemisch in einen an der Wandung mit Teflonfolie ausgekleideten Zentrifugenrotor eingefüllt und dicht verschlossen Die Reaktion wird bei ca 4000 U/min in der durch einen Thermostaten auf 60°C temperierten Zentrifuge durchgeführt Sobald eine Gelation stattgefunden hat. wird der Rotor aus der Zentrifuge genommen und zur Verlangsamung der Reaktion der noch freien funktionellen Gruppen auf 0°C rasch
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abgekühlt Bei tiefer Temperatur wird der Deckel des Rotors entfernt und das auf der Teflonfolien haftende Gel aus dem Rotor entnommen
b) Orientierung des Netzwerkes
An einem Ende des auf der Teflonfolie haftenden Gels wird möglichst rasch ein Stuck Klebeband befestigt und das Gel von der Teflonfolie gelost Das zunächst aufgequollene Netzwerk wird durch einfaches Aufhangen an einem geeigneten Gestell vorgetrocknet, wobei das Losungsmittel Toluol partiell verdampft. Anschließend wird am frei hangenden Ende des Netzwerkes ein weiterer Klebefilm angebracht, an dem sich Gewichte zur Belastung (uniaxiale Dehnung) des Netzwerkes befinden
c) Fixierung der Orientierung
Zur Fixierung der Orientierung des Netzwerkes wird die belastete Probe in einem Trockenschrank bei ca 60°C 48 Stunden getempert Wahrend dieser Reaktionszeit verdampft das Losungsmittel Toluol nahezu vollständig Um Reste von Toluol zu entfernen wird anschließend der Trockenschrank für weitere 6 Stunden evakuiert Hiernach kann das Netzwerk auf Raumtemperatur gebracht werden und - wenn notwendig - der Solanteil durch Entquellung entfernt werden
d) Eigenschaften des LSCH
Zur Charakterisierung des anisotropen Phasenverhaltens des Netzwerkes wird das Netzwerk mit definierten Mengen an Wasser angequollen und die Phasenstruktur NMR-spektroskopisch (D2O anstelle von H2O zur Quellung) und durch Rontgenuntersuchungen charakterisiert Die Ergebnisse zur Analyse der Phasenstruktur sind in Fig 1 (Phasenverhalten des LSCH (gestrichelte Koexistenzlmen = Phasenverhalten des entsprechenden linearen Polymers)) in Form des Phasendiagrammes wiedergeben Das Hydrogel bildet zwischen ca 75-82 Gew % (bezogen auf die Masse des trockenen Netzwerkes) eine lamellare Phase und zwischen ca 50-75 Gew % eine hexagonale Phase aus Die maximalen Klartemperaturen sind 42°C für die hexagonale Phase und ca 32°C für die lamellare Phase
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Bei der Quellung des trockenen Netzwerkes mit Wasser geht das Netzwerk bei der Phasenumwandlung in die lyotrop flussigknstalline Phase spontan ohne externe mechanische Felder auf Grund der durch die Synthese eingeführten Netzwerkanisotropie in einen makroskopisch einheitlich geordneten Zustand über. In Fig. 2 (Röntgenbild und winkelabhängige Streuintensität für das LSCH) ist ein Röntgenbild der Kleinwinkelreflexe gezeigt, aus denen die hexagonale Struktur ableitbar ist. Von Bedeutung ist die azimuthale Intensitätsverteilung der Kleinwinkelreflexe mit äquatorialen Maxima, die anzeigen, daß die hexagonale Phase mit ihrer optischen Achse in Richtung der bei der Synthese angelegten und durch die zweite Vernetzung fixierten Netzwerkanisotropie ausgerichtet ist.
Beispiel 2
In Analogie zu Beispiel 1 , in dem für die Herstellung des LSCH ein Amphiphil mit einer hydrophilen Gruppe eingesetzt wird und die Bindung an die Polymerkette über die hydrophobe Gruppe erfolgt, wird das Amphiphil mit zwei hydrophilen Gruppen der Struktur
über die laterale Alkylkette in der Hydrosilylierungsreaktion an Poly(methylhydrogensiloxan) addiert. Durch die chemische Konstitution und die beiden hydrophilen Gruppen an der starren Einheit kann dieses System nur eine lamellare Phase mit Wasser ausbilden. Schon die monomere Verbindung zeigt in einem breiten Konzentrationsbereich die lamellare Phase, die bei den Temperaturen L
α 35°C L
T in die isotrope Phase übergeht und ab L^ 47°C l^+L
j eine Mischungslücke aufweist. Die Phasenstruktur der monomeren Verbindung bleibt bei der Herstellung des LSCH erhalten und wird wie im Beispiel 1 nur geringfügig im Hinblick auf den Temperatur- und Konzentrationsbereich verschoben.
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Herstellung einer bifokalen Linse
Zur Herstellung einer bifokalen Linse als Kontaktlinse oder Intraokularlinse werden die Filme der trockenen Netzwerke z B der Beispiele 1 und 2 mit einer Schichtdicke von etwa 300 bis 500 μm in Analogie zu den an sich bekannten Verfahren zur Herstellung von Kontaktlinsen oder Intraokularlinsen spanabhebend bearbeitet Dazu werden die Filme auf eine Temperatur unterhalb der Glastemperatur der Netzwerke abgekühlt Sie befinden sich im Glaszustand und können spanabhebend durch Fräsen bzw Drehen in die Form einer Kontaktlinse oder Intraokularlinse gebracht werden Die bei der Bearbeitung herzustellenden Linsenoberflachen liegen in der Ebene des Filmes Bei der Formgebung ist zu berücksichtigen, daß durch den anschließenden Quellungsvorgang der erhaltenen Linsen mit Wasser zum LSCH sich erst die endgültige Form für die optische Anwendung ergibt In dem gequollenen LSCH befindet sich entsprechend der Deformation des Netzwerkes bei dem Syntheseprozeß bei uniaxialer Dehnung die optische Achse in der Ebene des Linse, so daß beim Einsatz der Linse das Licht senkrecht zur optischen Achse einfallt Entsprechend der Brechungsindizes der lyotrop flussigkristallinen Phasenstruktur des LSCH ist die Linse unter diesen Bedingungen bifokal, in entsprechender Weise können bei Bedarf auch multifokale Linsen hergestellt werden
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