HEMA材料

軟性接觸鏡材料中，套用最廣泛的是由甲基丙烯酸-2-羥基乙酯（HEMA）單體為主組成的共聚物水凝膠。本文對此類材料在近年來的研究進行綜述。總結了HEMA類接觸鏡的發展和分類， HEMA單體的共聚、材料性能及其在藥物緩釋中的套用。

基本介紹

• 中文名：共聚物水凝膠
• 外文名：HEMA材料
• 研究公司：DU PONT公司
• 合成時間：1936年

關鍵字：甲基丙烯酸-2-羥基乙酯（HEMA）； 聚甲基丙烯酸-2-羥基乙酯；軟性角膜接觸鏡；軟接觸鏡

0. 引言

甲基丙烯酸2-羥基乙酯（HEMA）是DU PONT公司研究人員於1936年合成出的一種功能性單體。1作為一種傳統的生物基礎材料，HEMA單體及其聚合物具有良好的生物相容性；被廣泛地套用於補齒、藥物緩釋、燒傷塗覆、器官移植、接觸鏡製造、細胞培養及生物分子與酶固定化等方面。國內外與HEMA 單體及聚合物有關的研究眾多，本文僅對HEMA在軟性角膜接觸鏡的套用及近年來國內外的相關研究進行綜述。

1. HEMA類軟性角膜接觸鏡的發展

1960年捷克科學家O.Wichterle等人通過自由基聚合法，在世界上首先合成出了聚甲基丙烯酸-2-羥乙酯水凝膠材料，並成功套用於軟性角膜接觸鏡。21965年，O.Wichterle發明的HEMA類材料獲得了美國專利。3隨後，美國Baush & Lomb公司購買了Wichterle專利並於1971年推出了世界上第一副商品化軟接觸鏡。

由於HEMA材料含有水分，具有柔軟、舒適的優點，很快替代了當時流行的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）接觸鏡材料。這引發了接觸鏡製造商研究和製造軟接觸鏡的熱潮，極大地推進了HEMA單體及相應聚合物的發展。

隨著世界上軟性接觸鏡製造商的逐年增多，市場中流通的軟性接觸鏡材料趨於複雜；為便於管理，美國食品與藥品管理局（FDA）根據使用的單體種類及材料的含水性能將軟性角膜接觸鏡材料分成了四類（參見表1）。軟性角膜接觸鏡的國際製造商主要有Baush & Lomb、CIBA、Ocular Science和Vistacon等公司。生產的HEMA類軟性接觸鏡商品主要分日拋型和日戴型兩個大類。其相關產品及材料成分可參見表2。

2.HEMA單體的共聚研究

HEMA聚合的方式有熱聚合、紫外光聚合和輻射聚合。熱聚合與紫外光聚合方式較常見。

利用輻射聚合，可以得到不含引發劑、交聯劑的純淨的共聚物材料，但是聚合設備的價格過於昂貴，不利推廣。

HEMA均聚物pHEMA是構成軟性角膜接觸鏡材料的主體，但存在含水率低、抗沉積性差的缺點。改善的途徑是加入其它單體，與HEMA單體共聚。例如， HEMA單體與N-乙烯-2-吡咯烷酮（NVP）單體的共聚物，可以增加接觸鏡材料的平衡含水率；HEMA與甲基丙烯酸（MAA）或甲基丙烯酸鈉（MANa）的共聚物，可以產生離子吸附性；HEMA與甲基丙烯酸烯丙基酯（AMA）共聚後的材料，柔韌性增強；與甲基丙烯酸酯類單體共聚，則可以增大材料的硬度和強度。其中，HEMA-NVP共聚物是套用最普遍、研究最多的一種軟性角膜接觸鏡材料。

2.1、HEMA與NVP的共聚

NVP單體具有良好的水溶性與生物相容性，分子結構上類似蛋白質，在生物醫學材料領域有廣泛的套用。6）HEMA與NVP共聚形成的聚合物水凝膠與HEMA均聚物相比，能夠增加角膜接觸鏡材料在平衡溶脹時的含水率。製造軟性角膜接觸鏡時，調節HEMA/NVP單體的配比可以得到不同含水率的接觸鏡材料。NVP含量越多，材料的含水率越大，但同時材料的強度會降低；為提高材料的強度，會加入甲基丙烯酸酯類單體。

在HEMA與NVP的共聚反應中，由於HEMA單體與NVP單體競聚率存在差異，造成不同反應時間段內共聚產物組成的差別。HEMA-NVP共聚物的形成，大致可分為三個階段：反應初期，由於HEMA單體競聚率遠大於NVP單體，產物以HEMA的均聚物為主，同時有少量HEMA-NVP共聚物生成；隨著HEMA單體含量下降，HEMA-NVP共聚物含量逐漸上升為主要產物；當HEMA單體耗盡，反應體系中只有NVP均聚物產生，直至反應終止。表3總結了近年國內外關於HEMA-NVP共聚反應的研究。

2.2HEMA與MAA 的共聚

甲基丙烯酸作為一類高吸水性材料單體，能夠有效的增加軟接觸鏡平衡含水率；MAA組分可以水解，令共聚物材料表面帶有離子，增強了接觸鏡吸附淚液中蛋白質及其它雜質的能力，使污垢的去除發生困難。因此含有MAA成分的接觸鏡材料最適於用來製造日拋型的軟接觸鏡。

表3國內外近年有關HEMA-NVP共聚反應研究

3.軟性角膜接觸鏡材料的性能研究

軟性接觸鏡材料作為治療視力的醫療器械，應具有優良的機械穩定性和良好的透光性；同時還應該具備相應的滲透性能，如離子滲透性和氧氣透過性能。此外，材料的表面性能對在套用中也具有重要影響。

3.1透光率與穩定性的研究

接觸鏡材料的透光率，與單體組分的相容性、共聚物的聚合程度及材料含水率有關。單體組分相容性好，共聚物聚合程度高，材料含水率高，得到的軟性接觸鏡透光率就高。根據我國標準，軟性角膜接觸鏡材料的透光率至少應不低於92%。19

軟接觸鏡材料穩定性與其在外界環境下發生的變化有關；導致軟接觸鏡發生變化的因素主要有以下幾種：（1）外界環境引起材料內部應力變化；(2)材料表面脫水引起的變化；（3）配戴時間過長引起的材料表面變化；（4）外界溶液PH引起材料溶脹的變化。其中，材料內部應力的變化對穩定性影響最大，它與材料的聚合程度和溶脹性能有關。20英國的Ioannis Tranoudis和Nathan Efron曾對HEMA-NVP、NVP-MMA、HEMA和HEMA-MAA組成的接觸鏡材料在配戴中的穩定性能做了詳細研究。21

3.2滲透性能的研究

軟性角膜接觸鏡材料的滲透性主要表現為水分在材料中的運輸，這對於接觸鏡的配戴具有重要套用價值。配戴中，接觸鏡外表面水分通過蒸發-脫水過程散失到外界環境；若水分散失過快，可能造成鏡片後淚膜損耗過快，引發乾眼症。反過來，鏡片前面水分進入鏡片後面的淚膜必須通過鏡片兩側的滲透壓差和眨眼時的瞬時交換來完成；若鏡前水分不易進入到鏡後淚膜中，角膜就不會獲得足夠的氧氣，誘發角膜邊緣充血、發炎。22

國外近年對接觸鏡材料滲透性的研究主要集中於理論模型。美國的Gavin Hoch等人根據Stefan-Maxwell二元分散體系模型，對水分在HEMA軟接觸鏡中的滲透性進行了研究，得到了水分的滲透速率和Fickian分散係數。23－24Anuj Chauhan等人對處於配戴狀態下，軟性接觸鏡在眼中的運動提出了相關的數學模型並進行試驗校正。25－26義大利的D.T.Berto等人針對軟性接觸鏡材料中水的自分散係數與平衡含水量的關係提出了熱力學和動力學模型，在試驗中，用軟性接觸鏡材料進行了驗證；並解釋了此模型在材料透氧性中的套用。27

國內，黎新明等人對HEMA-NVP-EMA接觸鏡材料初期的脫水理論進行了探討。28－29其它的研究主要集中在HEMA-NVP類材料的透氧性能的測試。30－31

3.3表面性能研究

接觸鏡材料的表面性能對套用有重要的影響，如表面的脫水性能對材料的滲透性的影響，表面吸附性對材料的抗沉積性的影響等。而且很多的研究都表明在軟性接觸鏡材料中，材料的表面性質對實際套用有直接的影響。

國外在這方面的研究主要集中在表面形態、元素分析、浸潤性能和吸附性能幾個方面。美國加州大學的Aric Opdahl等研究人員，利用原子力顯微鏡（AFM）監測HEMA類軟接觸鏡表面的機械性能與環境濕度的關係，了解材料處於脫水狀態和水合狀態時的表面機械性能32。而Seong Han Kim等人利用AFM測量了幾種不同類型軟接觸鏡的表面摩擦力和粘附力；發現在鹽溶液中材料表面的摩擦力和粘附力與脫水狀態時相比會顯著減少。33澳大利亞的Sally L.McArthur等利用X射線光電子譜（XPS）分析了軟接觸鏡在配戴時對淚液中的蛋白質及油脂等各類物質的吸附，同時利用相陣雷射解吸質譜（MALDI-MS）技術對吸附物質的分子量進行了表征。34加拿大Waterloo大學的Caroline C.S.Karlgard等人利用XPS測試不同種類軟接觸鏡材料表面的元素；測試前，材料分別經過空氣乾燥、氮氣乾燥和冷凍乾燥處理，結果發現氮氣乾燥技術對材料表面的污染最小，適合對軟接觸鏡材料進行分析。35

接觸鏡表面的吸附物質主要是淚液中的蛋白質組分；國內的譚幗馨、黎新明等人對牛血清蛋白在HEMA-NVP材料上的吸附機理和吸附過程進行了探索。36－38伊朗AmirKabir理工大學的Moradi Omid等人研究了淚液中的蛋白質、血清蛋白和溶菌酶在HEMA-AA類接觸鏡表面的吸附及溶液濃度、PH值和離子強度對吸附過程的影響。39－40為了能得到抗沉積的接觸鏡材料，澳大利亞的Garrett.O.對蛋白質分子與接觸鏡聚合物之間的相互作用進行了研究，發現二者的帶電量與吸附的蛋白質數量有關；同時，聚合物分子鏈中官能團與蛋白質分子間的相互作用也對吸附有影響。41美國普度大學的Argaw Kidane等人於1998年發展了一種技術，用於加速溶菌酶在HEMA類接觸鏡表面的沉澱；他們研究了環境溫度對沉積過程的影響，發現升高溫度會顯著加速溶菌酶的沉積；不同的清洗方式，對沉積物中的賴氨酸組分所產生的清洗效果也有所不同。42

4.軟性角膜接觸鏡材料的套用研究

軟性角膜接觸鏡的主要套用於矯正視力，同時兼具美容、護眼和輔助醫療作用。此外，軟性接觸鏡材料對眼藥的控制釋放一直是國外的研究熱點。國內的緩釋研究主要集中在溫敏材料，與軟性接觸鏡材料相關的緩釋研究很少見。43

利用HEMA類接觸鏡釋放藥物的方法通常是：先將接觸鏡材料在藥物溶液中浸泡一段時間，然後放入眼鏡；藥物組分先經過一個高釋放階段，然後是緩慢的長期低釋放階段。此方法通常適用於抗生素和非類固醇抗炎藥物。加拿大C.C.S.Karlgard等人於2003年研究了色甘酸鈉和地賽米松等藥物在HEMA類軟性角膜接觸鏡上體外釋放效果，發現釋放的藥物種類和聚合物材料種類對藥物的吸收釋放有關，藥物的最大吸收量隨材料和藥物不同而有顯著變化，而且接觸鏡表面性能也會對藥物釋放造成影響。 44

預裝技術是在聚合前先將藥物與單體混合，生成聚合物後，再通過洗滌除去預裝的藥物與未反應的單體；使用此技術合成的軟接觸鏡材料，容易吸附預裝藥物，並擁有更高的藥物承載量。日本的Haruyuki Hiratani等利用此技術，合成出了四種用於治療青光眼的軟接觸鏡材料。測試了材料的性能；並與傳統方法製造的接觸鏡材料進行了對比。45

含有離子特性的軟性接觸鏡材料，可以通過離子吸附作用，吸收帶有相反離子的藥物組分，放入眼後通過離子交換，釋放藥物。日本的Takao Sato利用此原理研究出HEMA-MEOP-MAm接觸鏡材料；通過調節溶液PH值,可以達到吸收和釋放naphazoline藥物的目的。46

5. 結束語

HEMA類角膜接觸鏡是目前套用最廣泛的一類接觸鏡材料。目前，單一功能化的接觸鏡材料正朝著可釋放藥物的多功能化方向發展。此外，與接觸鏡材料有關的模型理論研究有助於進一步了解接觸鏡作用機制，對於未來的接觸鏡設計提供參考價值。當前，我國佩戴接觸鏡的人群越來越多，而我國市場上的接觸鏡商品及相應的技術幾乎全部來自國外，因此開展接觸鏡材料的研究在我國具有迫切的現實意義。

參考文獻

[1]. Ebenezer Emmet Reid, “Process For The Preparation of Esters of Unsaturated Acids"[P], U.S. 2,028,012, Jan.14 1936

[2]. O.Wichterle, D.Lim. "Hydrophilic Gels for Biological Use" [J], Nature, 185:177，1960

[3] O.Wichterle, D.Lim. "Cross-Linked Hydrophilic Polymers and Articles Made Therefrom"[P], U.S. 3,220-,960 Nov.30,1965

[4] 黎新明，崔英德。”水凝膠角膜接觸鏡材料及其套用“[J]，化工進展，21（10）：758，2002

[5]. Yu-Chin Lai, Alan C.Wilson, Steve G. Zantos, “Contact Lenes”, in Kirk Othmer eds,“Encyclopedia of Chemical Technology” 4th Edition, New York Wiley-inter Science， vol 7： p192－218, 1992

[6].崔英德，易國斌，廖列文，聚乙烯吡咯烷酮的生產和套用[M]，北京 科學出版社 2001，p135.

[7].Yu-Chin Lai, “Effect of Crosslinkers on Photocopolymerization of N-Vinylpyrrolidone and Methacrylates to Give Hydrogels”[J], Journal of Applied Polymer Science 66（8）：1475-84,1997

[8]. 盧瓊，王迎軍，盧玲，鄭裕東，“HEMA/NVP共聚水凝膠的合成與性能”[J]，廣東化工，（3）：3，2005

[9].Ayaman M Atta, K-F Amdt，“Swelling behavior of pH- and temperature-sensitive copolymers containing 2-hydroxy ethyl- -methacrylate and N-vinyl-2-pyrrolidone crosslinked with new crosslinkers"[J]， Polymer International, 53:1870-1881,2004

[10] .廖列文，范會強，塗星，張永成，“N-乙烯基吡咯烷酮與甲基丙烯酸羥乙酯的本體共聚動力學研究”[J]，化工科技， 10（6）：1－4，2002

[11].Mark malak，David J.T.Hill，Andrew KWhittaker，“Water Sorption into Poly[(2-hydroxyethyl methacrylate)-co-(1-vinyl-2-pyrrolidone)] at 310K”[J]，Polymer International 2003 52：1740－1748。

[12] .譚幗馨，崔英德，”共聚物水凝膠溫度及PH敏感性研究“[J]，功能材料 2004，35 （4）：524－526

[13]. 黎新明 ”共聚物水凝膠接觸鏡材料的製備與性能研究“[D], 西北工業大學圖書館， 西北工業大學2004 p20-32

-6-

http://www.paper.edu.cn

[14]. 黎新明。崔英德，蔡立斌，“共聚物水凝膠接觸鏡材料的研究”[J]，高分子材料科學與工程，20（2）：191－194， 2004

[15]. 譚幗馨，崔英德，”共聚物水凝膠的合成及其溶脹性能研究“[J], 功能材料 34 （5）：595，2003

16]. 郭建維，崔亦華，崔英德，易國斌，黎新明，“三元N-乙烯基吡咯烷酮共聚物高親水性接觸鏡水凝膠的製備”[J], 精細石油化工，（3）；16－19，2004

[17]. 郭建維，康正，崔亦華，易國斌，崔英德，“NVP-HEMA-EMA三元共聚製備水凝膠及其性能研究“[J], 石油與天然氣化工， 33 （1）：44－46，2004

[18]. 李沁華，鄒翰 “高親水性軟接觸鏡材料的研究”[J]，暨南大學學報(自然科學版)，20 (3)：100－104 1999

[19]. GB11417,2-89軟性親水性接觸鏡

[20]. Ioannis Tranoudis, Nathan Efron "Parameter Stability of Soft Contact lenses Made from different materials"[J], Contact Lens & Anterior Eye, 27:115-131,2004

[21]. Ioannis Tranoudis, Nathan Efron, "In-Eye Performance of Soft Contact Lenses made from different materials"[J], Contact Lens & Anterior Eye, 27:133-148,2004

[22]. Eric Papas "On the Relationship Between Soft Contact Lens Oxygen Transmissibility and Induced Limbal Hyperaemia"[J]，Express Eye Research 1 67：125－131,998

[23]. Gavin Hoch, Anuj Chauhan, C.J.Radke "Permeability and Diffusivity for Water transport through hydrogel membranes"[J]，Journal of Membrane Science 214:199-209,2003

[24]. Francesco Fornasinero, Florian Krull, Clayton J Radke et al, "Diffusivity of Water through a HEMA-based soft contact lens"[J], Fluid Phase Equilibrium 228-229：269－273,2005

[25]. Anuj Chauhan, Clayton J Radke, “Modeling the Vertical Motion of a soft contact lens”[J]，Current Eye Research， 22（2）：102－108, 2001

[26]. J.L.Creech, Anuj Chauhan, C.J. Radke, “Dispersive Mixing in the Posterior Tear Film Under a Soft Contact Lens”[J]， Ind.Eng.Chem.Res. 40：3015－3026, 2001

[27]. D.T.Berto，R.Botter, "Role of the water maric potential（ψM） and of equilibrium water content (EWC) on the water self-diffusion coefficient and on the oxygen permeability in hydrogel content lenses" [J], Biomaterials 25:2877-2883,2004

[28]. 黎新明，崔英德，尹國強，賈振宇“共聚物水凝膠角膜接觸鏡材料的初期脫水行為”[J]，化工學報56（4）：732－737，2005

[29]. Cui Ying-de, Li Xin-ming，"Swelling Behavior and Dehydration Behavior of hydrogel for contact lens"[J]，Journal of Chemical Industry and Engineering, 53（10）：995－996,2002

[30]. 譚幗馨，崔英德，“NVP-HEMA角膜接觸鏡材料的透氧性能”[J]，膜科學與技術 24（2）：26－29，2004

[31]. 黎新明，崔英德，尹國強，廖列文，賈振宇，“共聚物水凝膠接觸鏡材料中氧氣滲透及其影響因素”[J], 仲愷農業技術學院學報 18（2）：15－20，2005

[32]. Aric Opdahl, Seong H.Kim, Telly S. Koffas, et al，“Surface mechanical properties of pHEMA contact lenses: Viscoelasticand adhesive property changes on exposure to controlled humidity”[J]，Journal of Biomedical Materials Research 67A：350-356,2003

[33]. Seong Han Kim, Chris Marmo, Gabor A.Somorjai，“Friction studies of hydrogel contact lemses using AFM: non-crosslinked polymer of low friction at the surface[J]，Biomaterials， 22：3285－3294，2001

[34]. Sally L. McArthur, Keith M.McLean, Heather A.W.St.Hohn, Hans J.Griesser，“XPS and surface-MALDI-MS characterization of worn HEMA-based contact lenses” Biomaterials 22：3295－3304，2001

[35]. Caroline C.S. Karlgand, Dilip K. Sarkar, Lyndon W. Jones, et al. "Drying methods for XPS analysis of PureVisionTM,Focus® Night&DayTM and conventional hydrogel contact lenses"[J], Applied Surface Science, 230：106－144，2004。

[36]. 黎新明，崔英德，尹國強，“牛血清蛋白在共聚物水凝膠接觸鏡材料上的沉積過程研究”[J]，離子交換與吸附 ，21（4）：317－322，2005

-7-

http://www.paper.edu.cn

[37]. 譚幗馨，崔英德，易國斌，“N-乙烯吡咯烷酮/甲基丙烯酸-β-羥乙酯無規共聚物凝膠對蛋白質吸附機理的研究”[J]，離子交換與吸附 ，21（4）：297－303，2005

[38]. 譚幗馨，崔英德，肖楚民，“牛血清蛋白在NVP/HEMA無規共聚物水凝膠上的吸附研究”[J]，離子交換與吸附 ， 20（3）：199－204，2004

[39].Moradi Omid, Modarress Hamid, Norouzi Mehdi，”The effects of concentration, pH,and ionic strength on Lysozyme adsorption onto AA and HEMA contact lenses“[J]，Iranian Polymer Journal(English Edition) ，12（6）：477－484，2003

[40].Moradi Omid, Modarress Hamid, Norouzi Mehdi，”Exoerimental study of albumin and lysozyme adsorption onto acid (AA) and 2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA) surfaces“[J]，Journal of Colloid and Interface Science 271(1):16-19，2004

[41]. Garrett, Q.; Chaterller R.; Griesser, H.; Milithorpe B.K. “Irreversible binding of protein on poly(HEMA)-Based hydrogel contact lenses and carboxymethyl-poly(HEMA) hydrogel discs” Transactions of the Annual Meeting of the Society for Biomaterials in conjunction with the international Biomaterials Symposium，2：494，1996

[42]. Argaw Kidane, John M.Szabocsik, Kinam Park，“Accelerated study on lysozyme deposition on poly(HEMA) contact lenses“[J]，Biomaterials 19:2051-2055，1998

[43]. 王越，“角膜角原膜的研究進展”[J] 眼科 13（6）：367－369，2004

[44]. C.C.S.karlgard, N.S.Wong, L.W.Jones, C.Moresoli, "In vitro uptake and release studies of ocular pharmaceutical agents by silicon-containing and p-HEMA hydrogel contact lens materials" International Journal of Pharmaceutics 257：141－151,2003

[45]. Haruyuki Hiratani，Carmen Alvarez-Lorenzo，“The nature of backbone monomers determines the performance of imprinted soft contact lenses as timolol drug delivery systems”[J], Biomaterials, 25：1105－1113,2004

[46]. Takao sato，Rei uchida，Haruyasu Tanigawa，et al,“Application of Polymer Gels Conaining Side-Chain Phosphate Groups to Drug-Delivery Contact Lenses”[J] Journal of Applied polymer Science [J], 98:731,2005

PROGRESS IN SOFT CONTACT LENSES CONTAINING 2-HYDROXYETHYL METHACRYLATE

Qin jianzhong1，Cui Yingde2，Li Xinming2

1 Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510080, China;

2 Zhongkai Agro-technical College, Guangzhou 510225 China

Abstract

One of the most popular copolymers widely used in the manufacturing of soft contact lenses is from 2-Hydroxyethyl methacrylate(HEMA) monomer. Recent research progress in the field of copolymers are summarized in this review, including the soft contact lenses history and classification, copolymerization reaction related to HEMA and other monomers, the copolymers performances and application in drug delivery system.

Keywords：2-hydroxyethyl methacrylate（HEMA）,poly(2-hydroxyethyl methacrylate) PHEMA,

soft contact lenses