Raport de Cercetare

Grant: Biomateriale polimerice pentru implantul de cristalin

Universitatea: Universitatea Tehnica "Gh.Asachi" Iasi

Grantul de cercetare cu titlul Biomateriale polimerice pentru implantul de cristalin, Cod CNCSIS 341, a facut obiectul a doua contracte incheiate intre Ministerul Educatiei si Cercetarii si Universitatea Tehnica "Gh. Asachi", CCTT Polytech, cu obiective specifice fiecarei faze:

Nr. Contract 33557/1.07.2003, Tema 58

In cadrul acestui contract a fost prevazuta pentru anul 2003 o singura faza, denumita Documentare privind alegerea monomerilor pentru realizarea implantului de cristalin. Punerea la punct a metodologiei de lucru.

Obiective:

Selectarea monomerilor adecvati pentru realizarea unui implant de cristalin

Punerea la punct a metodologiei de sinteza

Nr. Contract 33371/21.07.2004, Tema 82

Pentru anul 2004 a fost prevazuta o singura faza, denumita Obtinerea si caracterizarea de copolimeri acrilici cu potentiale utilizari in oftalmologie.

Obiective:

Obtinerea si caracterizarea de copolimeri acrilici cu potentiale utilizari pentru implantul de cristalin

Pentru a realiza obiectivele propuse au fost prevazute si indeplinite urmatoarele activitati:

1.1 Sinteza de copolimeri pe baza de metacrilat de metil, acrilat de etilhexil, metacrilat de ciclohexil, acrilat de butil

1.2 Caracterizarea din punct de vedere mecanic si optic a copolimerilor obtinuti

Prezentul raport de cercetare prezinta mai intai cadrul general al proiectului urmat de documentatiile intocmite privind realizarea obiectivelor specifice prevazute pentru fiecare dintre cele doua contracte.

Biomaterialele s-au impus ca domeniu de cercetare deosebit de fascinant si de promitator in cea de-a doua jumatate a secolului XX. Conlucrarea dintre specialistii in inginerie si medicina a dus la aparitia de aplicatii biomedicale noi, ce constituie in prezent implanturi si proteze, sisteme de eliberare controlata a medicamentelor, care salveaza zi de zi viata a mii de oameni din intreaga lume.

Dintre biomateriale, cele polimerice s-au impus ca fiind oportune in gasirea unor solutii practice pentru multe din problemele ce apar in implantologie Conceptele care concretizeaza modul de abordare a problematicii specifice in fiecare caz sunt biomecanica si biocompatibilitatea. Gama larga si diversitatea materialelor polimerice, cat si cunostintele extinse din domeniu permit realizarea de noi biomateriale ale caror proprietati sa fie cat mai apropiate de optim pentru implantul sau proteza respectiva.

Fiecare ramura a medicinii a beneficiat de pe urma acestor progrese, cateva exemple fiind chirurgia cardiovasculara (valve cardiace artificiale, stenturi vasculare, cateterism cardiac, angioplastie), ortopedia (proteza de sold, genunchi), oftalmologia (lentile de contact, lentile intraoculare), farmacologia (sisteme de eliberare controlata a medicamentelor), etc.

In oftalmologie, rolul polimerilor sintetici ca biomateriale a impus chirurgia cataractei ca una dintre cele mai sigure si mai eficiente forme de chirurgie, din punctul de vedere al rezultatelor clinice si al recuperarii vederii.

Cataracta este estimata ca fiind pe primul loc intre afectiunile ce provoaca orbirea; sunt aproximativ douazeci de milioane de cazuri anual pe intreg globul [1]. Numai in Statele Unite se efectueaza in jur de 1,6 milioane de operatii de extragere a cataractei pe an [2]. Dincolo de cifre, importanta problemei rezulta si din faptul ca pentru cataracta nu exista un tratament medicamentos, mai mult, cataracta senila pare a fi o consecinta fiziologica a procesului de imbatranire. Prin urmare, cu varsta creste foarte mult riscul de aparitie a cataractei iar o functie vizuala adecvata ramane cel mai important aspect al vietii umane, indiferent de varsta sau cu atat mai mult la o varsta inaintata.

Chirurgia cataractei consta in extragerea continutului opacifiat al capsulei cristalinului si introducerea in interiorul globului ocular a unui implant numit lentila intraoculara sau cristalin artificial. Lentilele intraoculare se realizeaza din polimeri sintetici (polimetacrilat de metil, copolimeri acrilici, hidrogeluri acrilice, silicon). Lentilele intraoculare fabricate in prezent reprezinta rezultatul a numeroase incercari de a le imbunatati performantele - de la lentilele monofocale s-a trecut la cele multifocale [3,4]; de la lentilele 'dure' din PMMA la cele 'moi', realizate din hidrogeluri [1,2], cu scopul unei cat mai bune reabilitari a functiei vizuale.

In prezent, pe langa proiecte de cercetare ce vizeaza imbunatatirea calitatilor optice, mecanice si de biocompatibilitate ale lentilelor intraoculare (pentru a preveni aparitia cataractei secundare), una din directiile de cercetare la nivel mondial este realizarea unor implanturi care sa reabiliteze functia acomodativa a cristalinului biologic (cea care se refera la modificarea geometriei acestuia, modificandu-se astfel puterea dioptrica a globului ocular pentru a forma in permanenta imagini clare pe retina). In acest fel s-ar realiza un implant care, substituind atat functia optica cat si pe cea biomecanica a cristalinului, ar deveni un adevarat cristalin artificial.

Aspectele ce sunt abordate in aceasta directie de cercetare sunt legate de:

clarificarea aspectelor biomecanice ce privesc mecanismul de acomodatie al cristalinului;

concretizarea de noi concepte pentru ideea de implant intraocular acomodativ.

Proiectul de cercetare de fata si-a propus sa initieze un parcurs teoretic si experimental, pentru a investiga posibilitatea realizarii unui implant intraocular cu proprietati cat mai apropiate de cele mecanice si optice ale cristalinului biologic. Acest proiect se bazeaza pe considerente legate de posibilitatea reabilitarii acomodatiei vizuale cu ajutorul unui astfel de implant, documentate si argumentate in propunerea de grant.

In cadrul activitatii de cercetare s-a efectuat mai intai un studiu bibliografic cu privire la polimerii sintetici utilizati in prezent pentru lentilele intraoculare. In urma realizarii acestui studiu, s-a decis ca, dintre diferitele tipuri de materiale polimerice investigate, copolimerii acrilici hidrofobi ofera maximul de potential pentru aplicatia avuta in vedere. Prin cercetare bibliografica nu s-a gasit nici un studiu publicat cu privire la relatia compozitie - proprietati a acestui tip de copolimeri utilizati pentru lentilele intraoculare, respectiv un studiu privind proprietatile mecanice si optice ale copolimerilor acrilici hidrofobi obtinuti prin copolimerizare radicalica in masa. Informatii privind diferite aspecte legate de realizarea lentilelor intraoculare din copolimeri acrilici si proprietatile lor au fost gasite doar in patente sau in brosuri de informare a firmelor producatoare. In aceste conditii, partea experimentala a proiectului a fost gandita in ideea realizarii unui astfel de studiu experimental.

Studiul bibliografic (33 de pagini, 30 de referinte bibliografice) privind stadiul actual in domeniul polimerilor sintetici utilizati in oftalmologie cu aplicatii optice (lentile intraoculare, lentile de contact) a abordat urmatoarele clase de polimeri:

Polimerii acrilici - PMMA, copolimerii acrilici hidrofobi, hidrogelurile acrilice;

Polimerii siliconici

Poliuretanii

Pentru fiecare din aceste clase de polimeri au fost discutate aspecte legate de proprietatile generale cat si aplicatiile stricte in oftalmologie.

In continuare sunt prezentate aspecte legate de aplicatiile in oftalmologie ale polimetacrilatului de metil, copolimerilor acrilici hidrofobi si hidrogelurilor acrilice, cat si concluziile studiului bibliografic.

Polimerii acrilici in oftalmologie

Aplicatiile biomedicale ale polimerilor acrilici in domeniul oftalmologiei se bazeaza in primul rand pe proprietatile lor optice deosebite, respectiv transparenta, si prin urmare sunt folositi la fabricarea de lentile pentru corijarea defectelor optice ale globului ocular. Este vorba de:

lentile de contact (care se plaseaza la nivelul suprafetei exterioare a corneei);

lentile intraoculare (care substituie functia optica a cristalinului biologic sau o corecteaza, fiind implantate in interiorul globului ocular, in general in interiorul capsulei cristalinului biologic).

Dat fiind rolul diferit pe care il joaca din punct de vedere biologic cele doua tipuri de lentile, caracteristicile lor difera mult ca aspecte ce tin de bioingineria implantului. De exemplu, lentilele de contact trebuie sa aiba o permeabilitate mare pentru oxigen, in timp ce lentilele intraoculare trebuie sa aiba o rezistenta chimica mare la actiunea mediului biologic, pentru a nu fi degradate in timp.

Din punct de vedere al reprezentantilor clasei de polimeri acrilici care se utilizeaza pentru aceste implanturi, PMMA are un loc privilegiat, fiind primul care a fost intrebuintat in acest scop. Clasificarea tipurilor de lentile in dure si moi deriva de la utilizare acestui biomaterial, lentilele din PMMA fiind rigide - si deci desemnate ca dure.

Pentru lentilele de contact, dintre polimerii acrilici au castigat teren important in acest domeniu polimerii acrilici hidrofilici, sub forma de hidrogeluri, in timp ce pentru lentilele intraoculare, pe langa hidrogeluri, se folosesc polimeri acrilici hidrofobi - utilizati in sensul fabricarii de lentile intraoculare foldabile, ale caror performante optice si clinice sa fie comparabile cu cele ale PMMA.

PMMA ca biomaterial pentru lentile intraoculare

Intrucat a fost primul material utilizat pentru fabricarea lentilelor intraoculare, PMMA are cea mai lunga "istorie" in domeniu. Prin urmare si validarea proprietatilor sale din punct de vedere optic si al comportarii intraoculare este mult mai bine documentata si studiata. Acest aspect asigura in continuare increderea in utilizarea sa in detrimentul unor materiale mai noi, a caror utilizare nu a fost suficient investigata. Considerat din acest motiv material "standard", utilizarea sa nu este insa lipsita de probleme. Astfel, acestea sunt datorate in primul rand energiei sale de suprafata relativ scazute [8]. Aceasta poate determina atat leziuni ale endoteliului cornean la insertie cat si adeziunea postoperatorie de celule inflamatorii la suprafata lentilei.

Desi nu este toxic, PMMA-ul poate "deteriora" mecanic endoteliul cornean daca intra in contact cu acesta in timpul implantarii. Celulele endoteliale adera pe suprafata hidrofobica a lentilei de PMMA si pot fi efectiv "smulse". Pentru a evita acest incident se utilizeaza lichide vascoelastice in timpul gestului chirurgical si de asemenea este necesara o dexteritate mare a chirurgului care efectueaza implantarea si care trebuie sa asigure un contact minim intre lentila si cornee [9].

PMMA poate determina de asemenea iritarea mecanica a tesutului uveal din cauza rigiditatii sale [8]. Contactul tesutului uveal cu lentilele intraoculare din PMMA determina adesea o reactie inflamatorie prelungita care poate conduce la aderarea irisului la lentila, uveite, distrugerea barierei retino-sangvine cu edem macular si pierderea vederii [10].

Pentru a imbunatati comportarea lentilelor din PMMA, au fost luate in considerare mai multe variante [2]:

Modificarea procesului tehnologic de obtinere in vederea realizarii unor suprafete foarte netede.

Generarea unor suprafete "moi" de inalta energie pe baza de N-vinil pirolidona sau hidroxietil metacrilat.

Generarea unor suprafete "dure" de joasa energie folosind perfluoropropanul.

Modificarea suprafetei lentilei cu heparina sau acid hialuronic.

Generarea de suprafete polimerice pe baza de fosforilcolina, care reduc adsorbtia proteinelor, adeziunea celulara si activarea neutrofilelor cat si depunerile celulare in vivo.

Dintre toate aceste directii de cercetare, in practica in general s-a ajuns la utilizarea unor metode de prelucrare a PMMA care sa duca la obtinerea unei suprafete cat mai netede, fiecare din firmele producatoare facand publicitate in acest sens produselor sale. Modificarea chimica a suprafetelor este mai costisitoare si in plus nu exista avantaje clare din punct de vedere clinic.

PMMA pune probleme si in legatura cu sterilizarea. Astfel, acest material nu poate fi sterilizat prin autoclavare deoarece are o temperatura de tranzitie vitroasa relativ scazuta (T_g = 100-120˚C). El poate fi sterilizat fie cu etilenoxid, care este toxic, fie cu hidroxid de sodiu. Spre deosebire de autoclavare, aceste doua metode de sterilizare au anumite riscuri [8]. Sterilizarea cu hidroxid de sodiu poate duce la formarea de grupe carboxil la suprafata, crescand hidrofilia acesteia, aspect pozitiv in ce priveste biocompatibilitatea generala, chiar daca sterilizarea respectiva nu este utilizata efectiv in acest sens (modificarea suprafetei).

PMMA utilizat pentru fabricarea lentilelor intraoculare trebuie sa respecte o serie de cerinte legate de calitatea tehnologiei de sinteza [11]:

un catalizator simplu, care sa lase reziduuri minime si inofensive;

monomerul sa fie foarte pur (mai putin de 1% monomer nestabilizat);

sa se obtina o masa moleculara foarte mare;

sa nu fie folositi aditivi in afara absorbantului UV.

In prezent majoritatea producatorilor de lentile intraoculare folosesc PMMA-CQUV (clinical grade - calitate medicala; UV - fotopolimerizare), sintetizat de catre firma Perspex (UK). Desi pentru acest material s-au efectuat toate testele necesare pentru a-i indica utilizarea biomedicala (teste de biocompatibilitate), aceleasi teste trebuie realizate si pe produsul finit (lentila intraoculara), intrucat metodele de prelucrare utilizate (aschiere mecanica, polizare, injectie, compresie) pot duce la depolimerizarea PMMA, cu formare de metil metacrilat, produs nociv pentru tesuturile biologice [11].

Copolimeri acrilici hidrofobi

Lentilele intraoculare foldabile prezinta avantajul unei incizii mult mai mici pentru implantare, cu avantaje deosebite pentru pacient. Pentru a fabrica astfel de lentile au fost utilizate materiale flexibile, cum sunt elastomerii siliconici sau hidrogelurile acrilice. Anumite dezavantaje, din punct de vedere optic si din punct de vedere a dificultatii de manipulare, au ridicat problema utilizarii unor copolimeri acrilici, care sa fie flexibili, dar hidrofobi, la fel ca PMMA, si care sa pastreze proprietatile optice ale acestuia. Aceste aspecte reprezinta premizele succesului clinic al lentilelor intraoculare foldabile realizate din polimeri acrilici hidrofobi [13].

Dintre firmele producatoare de astfel de lentile, firma Alcon Surgical si-a propus obtinerea unui biomaterial pentru lentile intraoculare foldabile care sa aiba aceleasi calitati optice si clinice, sau chiar mai bune decat ale PMMA. Biomaterialul conceput in acest sens (ACRYSOF^®) este un copolimer acrilat/metacrilat, a carui formula chimica este prezentata mai jos, alaturi de cea a PMMA [13]:

Compozitia chimica a copolimerului ii asigura acestuia, pe langa proprietatile caracteristice polimerilor acrilici (biocompatibilitate, stabilitate fizica si chimica), proprietati mecanice (foldabilitate si rezistenta) si optice (indice de refractie mare) adecvate pentru fabricarea lentilelor intraoculare foldabile. Biomaterialul este supus unui tratament de suprafata care sa reduca adezivitatea caracteristica materialelor "moi" si sa-l apropie de caracteristicile de suprafata ale PMMA. ACRYSOF^® contine si un absorbant UV legat covalent la polimerul sintetic [13].

Hidrogelurile in oftalmologie

Utilizarea hidrogelurilor din PHEMA pentru obtinerea lentilelor de contact este deja un fapt comun. Aspecte cum sunt permeabilitatea la oxigen si continutul de apa sunt parametri importanti ai conceptului de lentila de contact si sunt indeplinite in mod eficient de catre hidrogeluri.

Conceptul de lentila intraoculara foldabila (care se introduce pliata in interiorul globului ocular, printr-o incizie de numai 3 mm) a fost pus in practica prin ideea de utilizare a hidrogelurilor acrilice in acest scop.

Au fost efectuate numeroase studii clinice pentru a investiga si compara comportarea clinica a hidrogelurilor ca biomaterial pentru lentile intraoculare. Rezultatele nu demonstreaza vreun avantaj net fata de alte tipuri de materiale. In plus, s-au semnalat cazuri de opacifiere a lentilelor, post implantare, prin migrarea ionilor de calciu din mediul ocular in interiorul retelei tridimensionale a hidrogelului. Din punct de vedere optic, s-au semnalat cazuri in care picaturi de apa au separat la nivelul suprafetei posterioare a lentilei, ducand la afectarea serioasa a calitatii imaginii.

Concluzii

Trecerea in revista a aspectelor generale legate de clasele de materiale polimerice utilizate in oftalmologie a dus la cristalizarea urmatoarelor concluzii:

Titlul de biomaterial acordat unui material sintetic tine de acordarea proprietatilor de utilizare cu rolul pe care trebuie sa-l indeplineasca ca implant - in acest sens, din punct de vedere al sintezei si prelucrarii propriu-zise exista o serie de considerente speciale, legate de reproductibilitatea proprietatilor, calitatea si controlul tehnologiei aplicate, certificarea biocompatibilitatii prin teste specifice.

Pentru a utiliza un polimer sintetic in aplicatii oftalmologice, trebuie avute in vedere comportamentul acestuia in mediul ocular, din punct de vedere fizico-chimic si al biocompatibilitatii, aspecte ce difera in functie de tipul aplicatiei avute in vedere.

Aspectele legate de tehnologia de sinteza si prelucrare a biomaterialelor sintetice in ansamblu trebuie privite si din punct de vedere economic si financiar, intrucat nu orice concept de imbunatatire a performantelor implantului poate fi tradus in practica tehnologica in mod eficient economic pentru producatorul de dispozitive medicale.

Relatia dintre producatorul de biomateriale, producatorul de dispozitive medicale si utilizator (personalul medical) este inca perfectibila. In competitia ce vizeaza aprecierea rezultatelor studiilor clinice, aspectele legate de cercetare si punerea in practica a acestora, nu toti producatorii sunt castigatori si este greu de spus daca "victoria" castigatorului nu se bazeaza adesea mai mult pe succesul campaniilor publicitare decat pe performantele superioare ale implantului propriu-zis.

In general, se urmareste un feed-back mai productiv intre aprecierea rezultatelor clinice si modificarile aduse implantului, atat in ce priveste designul sau (producatorul de dispozitive medicale) cat si proprietatile biomaterialului utilizat (producatorul de biomateriale polimerice).

Este de dorit ca cercetarea in acest domeniu sa porneasca de la o viziune realista atat asupra posibilitatilor tehnologice din industria producatoare, cat si asupra aspectelor biomedicale propriu-zise.

Succesul unui concept nou in implantologie este asigurat atunci cand exista o sincronizare coerenta intre toate aspectele practice implicate (sinteza, prelucrare, utilizare).

Bibliografie:

Allan B.: Intraocular lens implants, BMJ 2000, 320:73-4;

Lloyd A. W., Faragher R.G.A., Denyer S.P.: Ocular biomaterials and implants, Biomaterials 2001, 22:769-785;

Haaskjold E., Allen ED., Burton RL., Webber SK., Sandvig KU., Jyrkkio H., Leite E., Liekfeld A., Philipson B., Nystrom A., Wollensak J.: Contrast sensitivity after implantation of diffractive bifocal and monofocal intraocular lenses, Journal of Cataract & Refractive Surgery, 1998, 24(5):653-8;

Steinert R. F.: Visual outcomes with multifocal intraocular lenses, Current Opinion in Ophthalmology 2000, 11:12-21;

Feldman D.: Tehnologia compusilor macromoleculari, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1974;

https://www.psrc.usm.edu/macrog/teach.htm;

Rusu M., Rusu D.L.: Tehnologii de prelucrare a polimerilor, Ed. Dosoftei, Iasi, 1995;

Bruin P., Meeuwsen E.A.J., van Andel M.V., Worst J.G.F., Pennings A.J.: Autoclavable highly cross-linked polyurethane networks in ophthalmology, Biomaterials 1993, Vol.14 Nr. 14;

Hollick EJ., Spalton DJ., Ursell PG., Pande MV.: Biocompatibility of poly(methyl methacrylate), silicone, and AcrySof intraocular lenses: randomized comparison of the cellular reaction on the anterior lens surface, Journal of Cataract & Refractive Surgery, 24(3):361-6, 1998;

Chiselita D., Branisteanu D., Bogdanici C., Macovei G., Rusu V., Vancea P.P.: Oftalmologie Generala, Ed. Dosoftei, Iasi, 1997;

https://www.hollows.org/resources/intraocular_lenses.htm;

https://www.ophtec.com.htm;

***Acrysof Monograph, https://www.alconlabs.com/.

Studiul bibliografic realizat a permis trasarea de directii experimentale pentru proiectul de cercetare in sensul urmator:

incercarile experimentale sa se centreze pe clasa copolimerilor acrilici, avand in vedere versatilitatea proprietatilor acestora ce extinde gama oportunitatilor de utilizare pentru sensul propus (cristalin artificial). De asemenea sunt mai usor de realizat tehnologic aspectele legate de sinteza, prelucrare si prezinta cele mai putine inconveniente din punct de vedere clinic, avand in vedere atat avantajele cat si dezavantajele utilizarii fiecarui tip de material polimeric pentru realizarea de lentile intraoculare.

realizarea de copolimeri acrilici utilizand monomeri ce sunt folositi in prezent pentru realizarea de lentile intraoculare;

clarificarea aspectelor ce tin de relatia structura - proprietati, pentru a permite apoi situarea in intervalul optim, din punct de vedere al compozitiei chimice, a biomaterialului respectiv, in vederea obtinerii rezultatului scontat din punct de vedere al proprietatilor optice si mecanice.

Comonomerii acrilici utilizati pentru realizarea de lentile intraoculare au roluri diferite pentru produsul (copolimerul) final. Astfel, unul din monomeri este ales pentru indicele de refractie ridicat (metacrilat de metil, fenoxietil acrilate, feniletil metacrilat) si un alt comonomer pentru a imprima flexibilitate lentilei (butil acrilat, izobutil acrilate, hexil acrilat, 2etil hexil acrilat). De asemenea, sunt utilizati agenti de reticulare (etilen glicol dimetacrilat, dietilen glicol dimetacrilat, 1,4 butandiol metacrilat, 1,4 butandiol diacrilat, 1,6 hexandiol metacrilat) pentru a imbunatati proprietatile mecanice ale lentilei.

Comonomerii alesi pentru primele incercari experimentale, in vederea punerii la punct a metodologiei de sinteza, au fost metacrilatul de metil (MMA) si acrilatul de etilhexil (EHA).

Ca tehnologie de sinteza s-a urmarit utilizarea polimerizarii radicalice in masa, avand in vedere dimensiunile urmarite pentru produsului final si faptul ca se urmareste obtinerea de produse cu proprietati optice deosebite.

S-a pus la punct metodologia de lucru, in sensul urmator:

matrita (realizata din doua placi de sticla, despartite de un inel de politetrafluoroetilena cu grosimea de 1mm);

initiatorul (AIBN, obtinut prin recristalizare cu metanol);

temperatura de lucru (80 °C);

timpul de lucru (6-8 ore).

Utilizand aceasta metodologie de lucru, s-au realizat copolimeri cu diverse rapoarte molare intre cei doi monomeri (87,5 / 12,5, 75 / 25, 62,5 / 37,5, 50 / 50, 37,5 / 62,5, 25 / 75, 12,5 / 87,5), cat si cei doi homopolimeri. Copolimerii realizati au fost analizati prin spectroscopie IR.

In urma primelor incercari experimentale efectuate in anul 2003, metodologia de lucru pentru anul 2004 a fost imbunatatita pentru a evita ca efectul de gel sa afecteze omogenitatea materalului polimeric obtinut.

Figura 1. Efectul de gel duce la evaporarea monomerului si neomogenitatea macroscopica a probei polimerice obtinute

Astfel, pentru un mai bun transfer de caldura, matrita a fost realizata dintr-o placa de aluminiu si o placa de sticla, de 3 mm grosime, cu latura de 12.5cm, separate printr-un tub de PVC a carui grosime a fost reglata cu ajutorul unor clame metalice laterale la aproximativ 1 mm grosime.

S-a utilizat un regim de temperatura in trepte, respectiv 14 ore la 60°C, o ora 65°C, o ora 70°C, o ora 75°C, o ora 80°C, o ora 90°C. Ca initiator s-a folosit AIBN, obtinut prin recristalizare cu metanol, in procent gravimetric de 0.2% fata de amestecul de comonomeri.

Ca monomeri s-au utilizat metacrilati (metil metacrilat MMA, ciclohexil metacrilat CHMA), acrilati (acrilat de butil AB, acrilat de 2-etilhexil EHA) si dimetacrilati - ca agenti de reticulare (etilenglicol dimetacrilat EGDM).

Raportul molar intre cei doi comonomeri (acrilat si metacrilat) a variat intre 60/40 si 40/60, in trepte de 5%. Alegerea acestui interval s-a facut pe baza observatiilor asupra copolimerilor obtinuti in sintezele anterioare, in ideea obtinerii de copolimeri a caror proprietati mecanice sa varieze cu raportul molar intre rigid - flexibil, intr-o marja apropiata de intervalul de interes pentru aplicatia avuta in vedere. Astfel, s-a evidentiat faptul ca probele obtinute din compozitii cu peste 60% metacrilat sunt rigide intr-o asemenea masura incat este clar ca nu sunt adecvate scopului urmarit (implant intraocular cu elasticitate similara cu a cristalinului biologic). Compozitiile cu peste 60% acrilat duc la obtinerea de probe foarte adezive, prin urmare indepartarea lor din matrita este dificila si de asemenea adezivitatea lor ridicata face imposibila manevrarea probelor in sensul utilizarii lor ca implanturi intraoculare. In intervalul de compozitii luat in considerare s-a urmarit si influenta agentului de reticulare.

In tabelul urmator este prezentata compozitia amestecurilor de monomeri utilizate pentru sinteza:

Tabel 1. Compozitia amestecurilor de comonomeri

Caracterizarea din punct de vedere mecanic si optic a copolimerilor obtinuti

Caracterizarea mecanica   

Din punct de vedere a metodologiei de sinteza, s-a urmarit obtinerea de probe polimerice care sa poata fi utilizate pentru incercarea mecanica de tractiune. Proprietatile mecanice ale copolimerilor obtinuti au fost investigate utilizand aparatul TiraTest 2000. S-a utilizat un program care da informatii privind rezistenta, respectiv alungirea la rupere si care masoara modulul de elasticitate. S-a evidentiat astfel felul in care variaza diferitele marimi cu raportul molar al comonomerilor, cu natura chimica diferita a monomerilor, cu prezenta, absenta si procentul in care s-a folosit agentul de reticulare.

Valorile medii pentru modulul de elasticitate si alungirea la rupere obtinute in urma masuratorilor efectuate pe probele polimerice sintetizate sunt prezentate in tabelele urmatoare:

Tabel 2. Compozitiile MMA / AB

Tabel 3. Compozitiile MMA / EHA

Tabel 4. Compozitiile MMA / EHA / 1%EGDM

Tabel 5. Compozitiile CHMA / EHA

Tabel 6. Compozitiile CHMA / EHA / EGDM

Valori mult mai mari pentru modulul de elasticitate fata de celelalate serii de copolimeri au fost calculate pentru seriile MMA / AB. Acest aspect este in conformitate cu structura chimica a celor patru monomeri. Cele mai mici valori pentru modulul de elasticitate apartin seriei CHMA / EHA.

   

AB    CHMA MMA EHA

Figura 2. Structura chimica a celor patru comonomeri

Figura 3. Influenta procentului de EGDM

asupra modulului de elasticitate - seria CHMA / EHA

Introducerea agentului de reticulare in compozitiile de copolimerizare modifica modulul de elasticitatea si alungirea la rupere a materialului polimeric obtinut. Masura in care se modifica acestea depinde atat de procentul agentului de reticulare cat si de raportul molar intre metacrilat si acrilat.

Figura 4. Influenta agentului de reticulare

asupra modulului de elasticitate - seria MMA / EHA

Figura 5. Influenta agentului de reticulare

asupra alungirii la rupere - seria MMA / EHA

Figura 6. Influenta agentului de reticulare

asupra alungirii la rupere - seria CHMA / EHA

Caracterizarea optica

Proprietatile optice ale copolimerilor sintetizati au fost determinate prin elipsometrie, metoda optica bazata pe masurarea modificarii starii de polarizare a luminii dupa reflexia ei pe proba. Este o metoda cu o sensibilitate ridicata care se bazeaza pe compararea datelor experimentale cu cele calculate pe baza unui model.

Constantele optice (indicele de refractie n si coeficientul de extinctie k) au fost masurate la lungimea de unda de 0.598 nm, lungimea de unda utilizata de refractometrul Abbe.

In tabelul urmator sunt prezentati indicii de refractie masurati pentru cele patru serii de copolimeri acrilici sintetizati:

Tabel 1. Indicii de refractie ai copolimerior sintetizati

Valorile indicelui de refractie raportate in literatura pentru poli(metacrilat de metil), poli(acrilat de butil) respectiv poli(metacrilat de ciclohexil) sunt de 1.489, 1.474 respectiv 1.506. Valorile masurate pentru copolimerii sintetizati se incadreaza in intervalul stabilit de homopolimeri - se observa ca nu se poate determina o regula de distributie a acestor valori in functie de compozitie, valorile fiind foarte apropiate.

Concluzii

Rezultatele obtinute in urma incercarilor mecanice indica faptul ca in functie de structura chimica a monomerilor acrilici utilizati se pot obtine copolimeri cu o gama larga de proprietati mecanice, atat ca tip de comportament mecanic (termoplastic, elastic) cat si ca valori ale marimilor de interes. Indicii de refractie ai copolimerilor obtinuti sunt adecvati utilizarii optice a acestora.

Rezultatele obtinute sunt incurajatoare in sensul ideii de a obtine un copolimer cu proprietati mecanice care sa poata substitui functia acomodativa a cristalinului. Continuarea acestui studiu are in vedere investigarea proprietatilor de suprafata a acestor copolimeri, cat si folosirea altor comonomeri acrilici pentru sinteza de copolimeri. Aspectele legate de relatia compozitie-structura-proprietati ce au fost evidentiate prin acest studiu urmeaza a fi comunicate si publicate in conferinte/reviste de specialitate.