HEMA材料

共聚物水凝胶

‌HEMA材料‌，化学名为甲基丙烯酸-2-羟乙酯，简称HEMA，是一种无色透明易流动的液体。HEMA的分子量为130.15，相对密度为1.074，凝固点为-12℃，沸点为95℃（1.33kPa），折射率为1.4505，闪点为108.3℃‌。

关键词

甲基丙烯酸-2-羟基乙酯（HEMA）；聚甲基丙烯酸-2-羟基乙酯；软性角膜接触镜；软接触镜

物质应用

引言

甲基丙烯酸2-羟基乙酯（HEMA）是DU PONT公司研究人员于1936年合成出的一种功能性单体。1作为一种传统的生物基础材料，HEMA单体及其聚合物具有良好的生物相容性；被广泛地应用于补齿、药物缓释、烧伤涂覆、器官移植、接触镜制造、细胞培养及生物分子与酶固定化等方面。国内外与HEMA 单体及聚合物有关的研究众多，本文仅对HEMA在软性角膜接触镜的应用及近年来国内外的相关研究进行综述。

一、HEMA类软性角膜接触镜的发展

1960年捷克科学家O.Wichterle等人通过自由基聚合法，在世界上首先合成出了聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯水凝胶材料，并成功应用于软性角膜接触镜。1965年，O.Wichterle发明的HEMA类材料获得了美国专利。随后，美国Baush & Lomb公司购买了Wichterle专利并于1971年推出了世界上第一副商品化软接触镜。

由于HEMA材料含有水分，具有柔软、舒适的优点，很快替代了当时流行的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）接触镜材料。这引发了接触镜制造商研究和制造软接触镜的热潮，极大地推进了HEMA单体及相应聚合物的发展。

随着世界上软性接触镜制造商的逐年增多，市场中流通的软性接触镜材料趋于复杂；为便于管理，美国食品与药品管理局（FDA）根据使用的单体种类及材料的含水性能将软性角膜接触镜材料分成了四类（参见表1）。软性角膜接触镜的国际制造商主要有Baush & Lomb、CIBA、Ocular Science和Vistacon等公司。生产的HEMA类软性接触镜商品主要分日抛型和日戴型两个大类。其相关产品及材料成分可参见表2。

二、HEMA单体的共聚研究

HEMA聚合的方式有热聚合、紫外光聚合和辐射聚合。热聚合与紫外光聚合方式较常见。

利用辐射聚合，可以得到不含引发剂、交联剂的纯净的共聚物材料，但是聚合设备的价格过于昂贵，不利推广。

HEMA均聚物pHEMA是构成软性角膜接触镜材料的主体，但存在含水率低、抗沉积性差的缺点。改善的途径是加入其它单体，与HEMA单体共聚。例如， HEMA单体与N-乙烯-2-吡咯烷酮（NVP）单体的共聚物，可以增加接触镜材料的平衡含水率；HEMA与甲基丙烯酸（MAA）或甲基丙烯酸钠（MANa）的共聚物，可以产生离子吸附性；HEMA与甲基丙烯酸烯丙基酯（AMA）共聚后的材料，柔韧性增强；与甲基丙烯酸酯类单体共聚，则可以增大材料的硬度和强度。其中，HEMA-NVP共聚物是应用最普遍、研究最多的一种软性角膜接触镜材料。

1．HEMA与NVP的共聚

NVP单体具有良好的水溶性与生物相容性，分子结构上类似蛋白质，在生物医学材料领域有广泛的应用。（6）HEMA与NVP共聚形成的聚合物水凝胶与HEMA均聚物相比，能够增加角膜接触镜材料在平衡溶胀时的含水率。制造软性角膜接触镜时，调节HEMA/NVP单体的配比可以得到不同含水率的接触镜材料。NVP含量越多，材料的含水率越大，但同时材料的强度会降低；为提高材料的强度，会加入甲基丙烯酸酯类单体。

在HEMA与NVP的共聚反应中，由于HEMA单体与NVP单体竞聚率存在差异，造成不同反应时间段内共聚产物组成的差别。HEMA-NVP共聚物的形成，大致可分为三个阶段：反应初期，由于HEMA单体竞聚率远大于NVP单体，产物以HEMA的均聚物为主，同时有少量HEMA-NVP共聚物生成；随着HEMA单体含量下降，HEMA-NVP共聚物含量逐渐上升为主要产物；当HEMA单体耗尽，反应体系中只有NVP均聚物产生，直至反应终止。表3总结了近年国内外关于HEMA-NVP共聚反应的研究。

2．HEMA与MAA 的共聚

甲基丙烯酸作为一类高吸水性材料单体，能够有效的增加软接触镜平衡含水率；MAA组分可以水解，令共聚物材料表面带有离子，增强了接触镜吸附泪液中蛋白质及其它杂质的能力，使污垢的去除发生困难。因此含有MAA成分的接触镜材料最适于用来制造日抛型的软接触镜。

三、软性角膜接触镜材料的性能研究

软性接触镜材料作为治疗视力的医疗器械，应具有优良的机械稳定性和良好的透光性；同时还应该具备相应的渗透性能，如离子渗透性和氧气透过性能。此外，材料的表面性能对在应用中也具有重要影响。

1．透光率与稳定性的研究

接触镜材料的透光率，与单体组分的相容性、共聚物的聚合程度及材料含水率有关。单体组分相容性好，共聚物聚合程度高，材料含水率高，得到的软性接触镜透光率就高。根据我国标准，软性角膜接触镜材料的透光率至少应不低于92%。19

软接触镜材料稳定性与其在外界环境下发生的变化有关；导致软接触镜发生变化的因素主要有以下几种：（1）外界环境引起材料内部应力变化；(2)材料表面脱水引起的变化；（3）配戴时间过长引起的材料表面变化；（4）外界溶液PH引起材料溶胀的变化。其中，材料内部应力的变化对稳定性影响最大，它与材料的聚合程度和溶胀性能有关。20英国的Ioannis Tranoudis和Nathan Efron曾对HEMA-NVP、NVP-MMA、HEMA和HEMA-MAA组成的接触镜材料在配戴中的稳定性能做了详细研究。

2．渗透性能的研究

软性角膜接触镜材料的渗透性主要表现为水分在材料中的运输，这对于接触镜的配戴具有重要应用价值。配戴中，接触镜外表面水分通过蒸发-脱水过程散失到外界环境；若水分散失过快，可能造成镜片后泪膜损耗过快，引发干眼症。反过来，镜片前面水分进入镜片后面的泪膜必须通过镜片两侧的渗透压差和眨眼时的瞬时交换来完成；若镜前水分不易进入到镜后泪膜中，角膜就不会获得足够的氧气，诱发角膜边缘充血、发炎。22

国外近年对接触镜材料渗透性的研究主要集中于理论模型。美国的Gavin Hoch等人根据Stefan-Maxwell二元分散体系模型，对水分在HEMA软接触镜中的渗透性进行了研究，得到了水分的渗透速率和Fickian分散系数。23－24Anuj Chauhan等人对处于配戴状态下，软性接触镜在眼中的运动提出了相关的数学模型并进行试验校正。25－26意大利的D.T.Berto等人针对软性接触镜材料中水的自分散系数与平衡含水量的关系提出了热力学和动力学模型，在试验中，用软性接触镜材料进行了验证；并解释了此模型在材料透氧性中的应用。27

国内，黎新明等人对HEMA-NVP-EMA接触镜材料初期的脱水理论进行了探讨。28－29其它的研究主要集中在HEMA-NVP类材料的透氧性能的测试。30－31

3．表面性能研究

接触镜材料的表面性能对应用有重要的影响，如表面的脱水性能对材料的渗透性的影响，表面吸附性对材料的抗沉积性的影响等。而且很多的研究都表明在软性接触镜材料中，材料的表面性质对实际应用有直接的影响。

国外在这方面的研究主要集中在表面形态、元素分析、浸润性能和吸附性能几个方面。美国加州大学的Aric Opdahl等研究人员，利用原子力显微镜（AFM）监测HEMA类软接触镜表面的机械性能与环境湿度的关系，了解材料处于脱水状态和水合状态时的表面机械性能32。而Seong Han Kim等人利用AFM测量了几种不同类型软接触镜的表面摩擦力和粘附力；发现在盐溶液中材料表面的摩擦力和粘附力与脱水状态时相比会显著减少。33澳大利亚的Sally L.McArthur等利用X射线光电子谱（XPS）分析了软接触镜在配戴时对泪液中的蛋白质及油脂等各类物质的吸附，同时利用相阵激光解吸质谱（MALDI-MS）技术对吸附物质的分子量进行了表征。34加拿大Waterloo大学的Caroline C.S.Karlgard等人利用XPS测试不同种类软接触镜材料表面的元素；测试前，材料分别经过空气干燥、氮气干燥和冷冻干燥处理，结果发现氮气干燥技术对材料表面的污染最小，适合对软接触镜材料进行分析。35

接触镜表面的吸附物质主要是泪液中的蛋白质组分；国内的谭帼馨、黎新明等人对牛血清蛋白在HEMA-NVP材料上的吸附机理和吸附过程进行了探索。36－38伊朗AmirKabir理工大学的Moradi Omid等人研究了泪液中的蛋白质、血清蛋白和溶菌酶在HEMA-AA类接触镜表面的吸附及溶液浓度、PH值和离子强度对吸附过程的影响。39－40为了能得到抗沉积的接触镜材料，澳大利亚的Garrett.O.对蛋白质分子与接触镜聚合物之间的相互作用进行了研究，发现二者的带电量与吸附的蛋白质数量有关；同时，聚合物分子链中官能团与蛋白质分子间的相互作用也对吸附有影响。41美国普度大学的Argaw Kidane等人于1998年发展了一种技术，用于加速溶菌酶在HEMA类接触镜表面的沉淀；他们研究了环境温度对沉积过程的影响，发现升高温度会显著加速溶菌酶的沉积；不同的清洗方式，对沉积物中的赖氨酸组分所产生的清洗效果也有所不同。42

四、软性角膜接触镜材料的应用研究

软性角膜接触镜的主要应用于矫正视力，同时兼具美容、护眼和辅助医疗作用。此外，软性接触镜材料对眼药的控制释放一直是国外的研究热点。国内的缓释研究主要集中在温敏材料，与软性接触镜材料相关的缓释研究很少见。43

利用HEMA类接触镜释放药物的方法通常是：先将接触镜材料在药物溶液中浸泡一段时间，然后放入眼镜；药物组分先经过一个高释放阶段，然后是缓慢的长期低释放阶段。此方法通常适用于抗生素和非类固醇抗炎药物。加拿大C.C.S.Karlgard等人于2003年研究了色甘酸钠和地赛米松等药物在HEMA类软性角膜接触镜上体外释放效果，发现释放的药物种类和聚合物材料种类对药物的吸收释放有关，药物的最大吸收量随材料和药物不同而有显著变化，而且接触镜表面性能也会对药物释放造成影响。 44

预装技术是在聚合前先将药物与单体混合，生成聚合物后，再通过洗涤除去预装的药物与未反应的单体；使用此技术合成的软接触镜材料，容易吸附预装药物，并拥有更高的药物承载量。日本的Haruyuki Hiratani等利用此技术，合成出了四种用于治疗青光眼的软接触镜材料。测试了材料的性能；并与传统方法制造的接触镜材料进行了对比。45

含有离子特性的软性接触镜材料，可以通过离子吸附作用，吸收带有相反离子的药物组分，放入眼后通过离子交换，释放药物。日本的Takao Sato利用此原理研究出HEMA-MEOP-MAm接触镜材料；通过调节溶液PH值,可以达到吸收和释放naphazoline药物的目的。46

结束语

HEMA类角膜接触镜是应用最广泛的一类接触镜材料。单一功能化的接触镜材料正朝着可释放药物的多功能化方向发展。此外，与接触镜材料有关的模型理论研究有助于进一步了解接触镜作用机制，对于未来的接触镜设计提供参考价值。当前，我国佩戴接触镜的人群越来越多，而我国市场上的接触镜商品及相应的技术几乎全部来自国外，因此开展接触镜材料的研究在我国具有迫切的现实意义。

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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

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