Тенденции в развитии материалов для контактных линз

Введение в эволюцию материалов для контактных линз

Современный этап развития контактной коррекции зрения характеризуется широким спектром высокоэффективных мягких и жестких полимерных материалов, позволяющих специалистам оптимизировать опыт ношения линз пациентами. Данная ситуация контрастирует с ограниченными возможностями офтальмологов начала XX в. В тот период назначение контактных линз было доступно лишь ограниченному кругу пациентов, а выбор материала, по сути, был безальтернативным («выбор Хобсона»), поскольку единственным материалом было стекло. Однако даже при исключении рисков, связанных с механическим разрушением линзы на глазу, стекло нельзя считать оптимальным материалом в силу его высокой плотности (веса) и технологических сложностей при точном соблюдении необходимых оптических и геометрических параметров. К счастью, прогресс в области материаловедения был неизбежен.

Открытые незадолго до начала Второй мировой войны акриловые пластмассы произвели революцию в авиастроении, предоставив легкий, технологичный, прозрачный материал для остекления кабин, обладающий повышенной ударной прочностью. Для офтальмологии эти свойства оказались столь же значимыми: они открыли перспективы для создания контактных линз и привели к стремительному росту их использования. Полиметилметакрилатные (ПММА) линзы, которые отличались высокой механической прочностью и устойчивостью к образованию белковых отложений, стали почти идеальными для ношения. Однако у ПММА был критический недостаток: этот материал почти полностью блокирует прохождение кислорода. Стратегии минимизации диаметра линзы и максимизации слезного обмена под ней оказалось недостаточно для предотвращения развития роговичного отека и связанных с гипоксией осложнений у значительной части пациентов, особенно при длительном ношении.

В ответ на проблему кислородопроницаемости исследователи в области контактной коррекции предложили два принципиальных решения. Первое – добавить в материалы для контактных линз гидрофильный («любящий воду») химический компонент. Данная модификация привела к созданию материалов, настолько сильно притягивающих воду, что их практически невозможно разделить. Молекулы воды буквально проникают внутрь материала, превращая его в гидрогель. Такая гидратация радикально изменила свойства контактных линз: они стали гибкими и более устойчивыми к механическим повреждениям, а поскольку вода способна растворять и переносить молекулы кислорода, была обеспечена необходимая кислородопроницаемость.

Второе решение – сделать кислородопроницаемым сам материал контактной линзы. Этого удалось достичь за счет добавления силикона. Подвижные химические связи в его молекулах позволяют молекулам кислорода проходить через материал. Так началась новая эпоха жестких контактных линз на основе силикон-акрилатов. Но, к сожалению, решение проблемы кислородопроницаемости привело к появлению других трудностей. Жесткие роговичные линзы с силиконами оказались менее смачиваемыми, более склонными к образованию отложений, подверженными царапинам, сложными в производстве, размерно нестабильными и в целом менее привлекательными для пользователей, пусть и без развития отека роговицы. К счастью, вскоре появились еще два подхода, благодаря которым были созданы удобные жесткие контактные линзы, которыми мы пользуемся сегодня. Первый – включение метакриловой кислоты, придающей материалу смачиваемость и комфорт. Второй – разработка современных фторсиликонакрилатных материалов, которая стала возможной благодаря добавлению фтора.

Трудно сдержать восхищение фтором – этим уникальным химическим элементом. Будучи крайне реакционноспособным в свободном состоянии, при связывании с атомами углерода он полностью меняет свои свойства: становится химически инертным, не растворяясь ни в масле, ни в воде. Сегодня трудно назвать отрасли, где преимущества фтора остаются незадействованными. Антипригарные покрытия сковородок, сверхскользкие лыжи для тех, кто желает мчаться с горы быстрее ветра, покрытия для эндоскопов, препятствующие образованию конденсата, и катетеров, которые облегчают введение и позволяют достичь максимального комфорта для пациентов, – это лишь некоторые примеры.

Если говорить о контактных линзах, то фтор обеспечивает уникальное сочетание таких важнейших преимуществ, как кислородопроницаемость, прочность, стабильность геометрических параметров, химическая инертность, биосовместимость, достаточная жесткость, легкость при изготовлении и оптическая прозрачность. Без фтора жизнеспособность контактных линз была бы серьезно поставлена под угрозу. Особенно значима роль фторсодержащих полимеров в склеральных и ортокератологических линзах: требования к кислородной проницаемости при сохранении всех эксплуатационных характеристик выполняются максимально [1].

Процесс полимеризации

Очевидно, что материалы для контактных линз должны содержать несколько компонентов, каждый из которых вносит свой вклад в улучшение свойств линзы для пользователя. Но каким образом все эти компоненты соединяются между собой?

Это может показаться неожиданным, но большинство компонентов, входящих в состав материала контактной линзы, изначально являются жидкостями. В процессе производства эти жидкости смешивают в заданных пропорциях, полученную смесь заливают в формы и подвергают нагреву или ультрафиолетовому излучению до тех пор, пока она не затвердеет.

Рассмотрим этот процесс более подробно с химической точки зрения. Жидкости состоят из отдельных молекул, которые могут свободно перемещаться и вращаться. Молекулы в составах для контактных линз особые – это мономеры, и все они содержат активные группы, позволяющие им соединяться друг с другом при определенных условиях. Чаще всего это акрилатные или метакрилатные группы, характеризующиеся двойной связью между двумя атомами углерода (рис. 1). При воздействии тепла или УФ-излучения двойные связи двух соседних молекул вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется новая химическая связь, соединяющая молекулы между собой. Этому процессу способствует другой тип молекул – инициатор, который повышает реакционную способность акрилатной или метакрилатной группы одного из мономеров.

Важно отметить, что на этом процесс не заканчивается. После соединения пара новых молекул остается высокореакционной, и к ней могут присоединяться дополнительные мономеры. Таким образом, происходит последовательное наращивание цепи: мономеры объединяются в димеры, димеры – в тримеры, тримеры – в тетрамеры, и по мере протекания реакции смесь постепенно трансформируется. Отдельные молекулы соединяются в длинные цепи, которые, как нетрудно догадаться, называются полимерами. Молекулы больше не могут свободно перемещаться и вращаться, что приводит к затвердеванию смеси.

Следует отметить два важных момента, касающихся полимерных цепей. Во-первых, не происходит разделение компонентов по типам. Например, не образуются отдельные цепи из силиконовых мономеров, цепи из фторсодержащих мономеров или цепи из метакриловой кислоты. Вместо этого каждая полимерная цепь содержит все добавленные компоненты, случайным образом распределенные вдоль цепи. Во-вторых, поскольку в материалы для контактных линз добавляют сшивающие агенты, которые имеют две или более активные группы, они способны соединять между собой разные полимерные цепи. В результате вместо набора отдельных цепей, свободно скользящих относительно друг друга (подобно спагетти), образуется взаимосвязанная трехмерная сеть полимерных цепей.

Снижение подвижности, вызванное сшивкой, является одной из причин, по которым столь важно как можно дольше кондиционировать жесткие контактные линзы. Помещение линзы в физиологический или многофункциональный раствор, состоящий в основном из воды, приводит к реорганизации поверхности полимера. Участки полимерных цепей, содержащие гидрофильные мономеры, такие как метакриловая кислота или HEMA (гидроксиэтилметакрилат (ГЭМА)), стремятся к поверхности, чтобы максимально взаимодействовать с молекулами воды. В то же время участки цепей, состоящие преимущественно из силиконовых и фторсодержащих мономеров, отталкиваются и постепенно смещаются вглубь полимера (рис. 2). Такая поверхностная реорганизация улучшает смачиваемость и, следовательно, повышает комфорт поверхности линзы.

Однако из-за наличия сшивок этот процесс происходит медленно. Как правило, заметное улучшение достигается через 24–48 часов кондиционирования, но для того чтобы максимально повысить смачиваемость поверхности жесткой контактной линзы, может потребоваться месяц или даже больше.

Филконы и фоконы

Помимо коммерческих наименований, каждый материал для контактных линз получает от Совета США стандартизированное непатентованное название по принятым наименованиям (USAN). Эти названия дают представление о химическом составе и свойствах материалов. Каждый материал, содержащий одинаковую комбинацию мономеров, получает одно и то же название USAN. Например, материалы Optimum Extra и Optimum Extreme имеют общее название USAN roflufocon. При этом соотношение мономеров в их составе может варьировать, и поэтому используются буквенные суффиксы. Если несколько материалов с одинаковой комбинацией мономеров существенно различаются по своим характеристикам, им присваиваются разные буквенные обозначения. Так, линейка материалов Optimum на основе roflufocon имеет суффиксы от A до E в зависимости от уровня кислородопроницаемости этих материалов.

Важным классификационным признаком является окончание названия USAN, указывающее на то, является ли материал гидрофильным (то есть содержащим более 10 % воды) или гидрофобным. Материалы для мягких контактных линз, которые являются гидрофильными, получают USAN-названия с окончанием -filcon, тогда как гидрофобные материалы, используемые преимущественно для жестких контактных линз, имеют окончание -focon.

Основные компоненты современных материалов для контактных линз

Ниже в таблице представлены некоторые широко используемые мономеры, а также их функциональная роль в формировании ключевых свойств контактных линз.

Процесс разработки материалов для контактных линз

Материалы для контактных линз являются сложными системами, содержащими не только несколько различных типов мономеров, но и другие важные компоненты, такие как инициаторы для контроля полимеризации, УФ-блокаторы для защиты глаз от вредного солнечного излучения и красители для удобства визуального контроля при работе с линзой. На самом деле многие материалы состоят из более чем десяти различных компонентов. При разработке новых материалов необходимо не только определить оптимальное сочетание этих компонентов, но и точно подобрать их соотношения. Следовательно, количество уникальных потенциальных формул контактных линз является астрономически большим.

Процесс разработки материала в конечном счете ориентирован на потребности пациентов. Как правило, цель состоит в достижении сбалансированного комплекса свойств, обеспечивающего надежную коррекцию зрения, улучшенный комфорт, длительный срок службы и сохранение здоровья глаз. Возможно также создать материал для узкой группы пациентов или максимизировать одно определенное свойство материала. Например, материалы с высокой кислородопроницаемостью (Dk) могут быть особенно эффективны для пациентов с поврежденной роговицей или после кератопластики. Однако высокие затраты на разработку и регуляторные требования часто делают узкую специализацию экономически нецелесообразной.

Химики, работающие в области контактных линз, постоянно ищут новые мономеры, способные улучшить их эксплуатационные свойства. Показательным примером является замена традиционного силоксанового мономера TRIS на стирил-TRIS при разработке материала Optimum Infinite, предназначенного специально для склеральных и ортокератологических линз. Данная модификация позволила достичь рекордной кислородопроницаемости до 180 Dk, сохранив при этом высокий модуль упругости для минимизации деформации линзы и избежав типичных недостатков материалов с гипер-Dk, таких как низкая смачиваемость и низкая устойчивость к царапинам.

Хотя появление таких материалов, как Optimum Infinite, представляет значительный прогресс для текущей практики, остается открытым вопрос о том, какие принципиально новые материалы и модальности контактной коррекции будут доступны офтальмологам через столетие.