制备光学品质聚合物的方法 【发明背景】
本发明涉及光学品质聚合物的制备和由该聚合物制造的隐形眼镜。
水凝胶是一类理想的用于生物医学场合的物质。它们是含有处于平衡态水的水合交联的聚合体系。US 5,936,052提出一种制备水凝胶的方法，所述水凝胶是统计学无规聚合物，适用于隐形眼镜。根据‘052专利，统计学聚合物是没有明显嵌段区域的聚合物。用于制备这类聚合物的方法据称符合Lewis-Mayo方程，该方程以单体浓度和反应速率常数来描述成嵌段单体的比例。在‘052专利提到的方法中，单体浓度对时间的差分率为零，一种单体浓度对其他单体浓度的差分率为常数。除了这些约束外，似乎没有其他的工艺参数被控制。实施例指出最终聚合/交联发生在室温下，因为制得它们的单体在合成后被冷却。
硅氧烷水凝胶的高氧渗透性使得它们用于隐形眼镜特别理想。它们通常通过聚合含有至少一种含硅氧烷单体和至少一种亲水性单体的混合物而制备。含硅氧烷单体或亲水性单体均可以作为交联剂使用，或者也可使用单独的交联剂。交联剂是具有多个可聚合部分的单体。在此使用时，术语“单体”指的是用于形成固化聚合物体系的单体混合物的组分。交联剂可以是单体的、二聚、三聚或聚合的分子，对于最终由其制备地硅氧烷水凝胶来说，其仍然被认为是单体。可聚合官能团一般键合于一个以上的聚合物链上产生网络或网状聚合结构。通常有许多的含硅氧烷单体单元用于形成硅氧烷水凝胶。US4,136,250；4,153,641；4,740,533；5,034,461；5,070,215；5,260,000；5,310,779以及5,358,995提供了一些有用的例子。
含硅氧烷单体可以与各种各样的亲水性单体共聚以产生各种各样的硅氧烷水凝胶产品。业已发现可用于制备硅氧烷水凝胶的亲水性单体包括：不饱和羧酸，如甲基丙烯酸和丙烯酸；丙烯酸取代的醇，如甲基丙烯酸2-羟乙基酯和丙烯酸2-羟乙基酯；乙烯基内酰胺，如N-乙烯基吡咯烷酮；以及丙烯酰胺，如甲基丙烯酰胺和N，N-二甲基丙烯酰胺。还有另外的例子是公开于US 5,070,215中的亲水性碳酸乙烯酯或氨基甲酸乙烯酯，以及公开于US 4,910,277中的亲水性噁唑酮单体。
不幸的是，聚合整体性质极为不同的单体并不是没有问题的。例如，当从疏水性和亲水性单体的结合制备硅氧烷水凝胶时，所得聚合物链倾向于形成其中一种或另一种单体占优势的区域，由这些材料制造的隐形眼镜可能出现粗粒(grit)。在聚合物基体中粗粒是一种物理缺陷，其特征在于聚合物基体中出现大小为0.1-100μm的不均匀度，其看起来被束缚于基体上。粗粒倾向于散射光线从而使镜片的透光性变差。即使在没有粗粒的情况下，光学透明度也会比理想的低。
对这些影响进行补救的尝试大部分局限于提高用于制备聚合物的单体和添加剂的溶混性。在聚合过程中单体亲水性的不同会显示出来。因此，用于解决所得聚合物中形成微区或相分离的合理的方式是选择一种稀释剂，所有的单体组分在其中均具有合理的溶解度。这种方式已经使一些聚合工艺得以改善，但还留有许多问题需要解决。找到一种亲水性和疏水性组分在其中均相当溶混的稀释剂是很不容易的事情，甚至由此所得到的聚合物还常常含有大量的嵌段微区。
制备粗粒形成倾向降低、透明度提高的光学品质聚合物的方法仍然是人们所希望的。另外，如果能够制得可湿性和透明度提高而不牺牲其他整体或光学性质的这样的聚合物将是有利的。发明简述
本发明涉及一种通过将使用的单体混合物组分的聚合速率初始化而制备具有提高的光学品质聚合物的方法，由该方法制得的聚合物在形成分离微区方面降到最低，粗粒含量减少，并且由该聚合物制备的隐形眼镜的透明度得到提高。
本发明的一个方面，通过在升高的温度下进行聚合而使聚合速率初始化。
本发明的另一方面，使用单体在高于约40℃温度下聚合的方法制备一些含有疏水部分和亲水部分的器件，如隐形眼镜和眼内植入物。
本发明另外的一方面，从通过将所使用的单体混合物组分的聚合速率初始化而制得的硅氧烷水凝胶制备隐形眼镜。发明详述
在本发明的方法中，适用于制备光学品质聚合物的单体、交联剂以及添加剂混合形成单体混合物。将该混合物置于单体和交联剂的反应速率被初始化的条件下。然后将单体混合物固化得到光学品质聚合物。
“光学品质”聚合物是适合用作眼内镜片，隐形眼镜或其他类似器件的聚合物，通过这些器件，视力得以校正或者在不妨碍视力的情况下眼部生理化妆效果(如，虹膜颜色)得以提高。
聚合速率“初始化”意指使得单体组分聚合速率均匀。在本发明的实施方案中，光学品质聚合物含有硅氧烷水凝胶，当用于聚合物骨架的单体和与其交联的交联剂的反应速率(即，结合速率)的差别不超过4倍时，聚合速率被初始化。也就是说，每一个单体单元或交联剂的反应比任何其他单体或交联剂反应不慢4倍以上。用于形成光学品质聚合物的单体混合物的所有组分(如紫外阻断剂，加工助剂)都满足这个条件是有利的但并不是必需的。
在功能术语中，按照一种聚合速率被充分初始化的方法制得的光学品质聚合物的粗粒量相对于用聚合速率没有被初始化的方法制得的聚合物的粗粒量减少至少三分之一。而且，本发明的光学品质聚合物清澈(即，不存在造成光线散射的混浊)，也就是说，除了染色或着色(如，使用染料或其他着色剂)外，使用白光源和CCD照相机测定通过镜片散射的偏轴光(在相对于光源45度处)，聚合物散射的光不到4.4％。优选聚合物散射的光不到4％，最优选不到3.8％(以相同方法测定)。不受缚于理论，相信镜片的透明度源于聚合速率被初始化带来的相分离的减少或消除。
优选用于聚合物骨架的单体与交联剂之间的反应速率(即，结合速率)差别不超过3.75倍和相对于用没有进行初始化方法制备的镜片来说粗粒量减少至少50％。最优选这些物质的反应速率差别不超过3.3倍和粗粒量减少至少80％。
如上面所提到的，其反应/结合速率被初始化的单体混合物组分是那些形成聚合物骨架的组分和与其交联的组分。它们包括，例如，硅氧烷和丙烯酸/甲基丙烯酸以及衍生物，多乙烯基、通常为二或三乙烯基单体，如二乙二醇，三乙二醇，丁二醇和1，6-己二醇的二或三(甲基)丙烯酸酯；二乙烯基苯。在优选实施方案中，硅氧烷组分为聚二甲基硅氧烷，亲水性单体为甲基丙烯酸羟乙酯或丙烯酸羟乙酯衍生物。在最优选实施方案中，单体包括单烷基封端聚二甲基硅氧烷(“mPDMS”)，如单甲基丙烯酰氧丙基封端的聚二甲基硅氧烷，和含有以下物质的反应产物的大分子单体：甲基丙烯酸2-羟乙酯，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，单甲基丙烯酰氧丙基封端的单丁基封端聚二甲基硅氧烷与3-异丙烯基-α，α-二甲基苄基异氰酸酯。另外优选的反应速率被初始化的单体包括，例如，甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，“TRIS”；N，N-二甲基丙烯酰胺，“DMA”；二甲基丙烯酸三乙二醇酯，“TEGDMA”。也可使用硅氧烷水凝胶制备领域已知的其他单体和交联剂。
使用mPDMS是值得注意的，因为它被认为会使所得水凝胶具有提高的机械性能，如降低的弹性模量和tanδ(材料的损耗模量除以其弹性模量或G”/G’)，而不影响聚合过程中单体的溶混性。与目前主要使用的许多硅氧烷不同，mPDMS没有明显的极性官能团且具有较高的分子量。因此提高其结合的手段特别受到人们关注。mPDMS的结构可以表示如下：
其中，b＝0-100，R57为任意的可包含杂原子的C1-10脂基或芳基；前提是R57在其与Si键合的点上没有官能化，优选C3-8烷基，最优选丁基，特别是仲丁基。R56为任意的单一的可聚合乙烯基，优选其为甲基丙烯酰基部分，但其也可以是丙烯酰基或苯乙烯部分或其他类似的部分。
在本发明最优选的实施方案中，前述单体和交联剂在其反应之前进行加热。一般情况下，加热到至少约30℃将是有利的。但是，优选将其加热到至少约45℃，更优选至少约55℃，更优选至少约65℃，和最优选至少约70℃。在所有情况下，在一个将会把反应速率初始化到上述程度的温度下进行加热。加热单体或交联剂的方法并不是关键的，前提是其不分解或明显改变单体或交联剂的化学结构或使单体混合物在暴露于辐射之前产生凝胶。然后，在模具中的固化也在提高的温度下进行，温度范围同前。加热方法的一些例子包括，将单体混合物组分置于电加热元件的附近，将单体混合物暴露于微波辐射，接着是紫外辐射(以影响固化)，和将IR辐射引入单体混合物中。将辐射引入单体混合物中可以直接或间接通过使用反射器而完成。
虽然初始化反应速率是动力学结果，但它可以通过正确控制除提高固化过程中的温度外的变量加以实现。例如，可以通过控制紫外光强度/剂量，引发剂浓度，和紫外光固化模式来控制反应速率。
光学品质聚合物固化可以通过本领域已知的方法进行。它们是辐射引发的自由基聚合。一般，通过使用紫外或可见光以及相应的光引发剂体系对其进行光引发。这些光引发剂的例子为苯偶姻甲基醚，1-羟基环己基苯基酮，Irgacure 1850牌光引发剂(CAS号为145052-34-2)，1-羟基环己基苯基酮(Irgacure 184)；2-苄基-2-n-二甲基氨基-1-(4-吗啉代苯基)-异丁酮(Irgacure Tm 369)；1-羟基环己基苯基酮(50wt％)加上二苯酮(Irgacure Tm 500)；双(2，6-二甲氧基苯甲酰基)-2，4，4-三甲基戊基氧膦(DMBAPO)；4-(2-羟乙氧基)苯基-(2-羟丙基)酮(Irgacure Tm 2959)；2，4，6-三甲基苯甲酰基二苯基氧膦(TPO)(50wt％)加上2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮(HMPP)(50wt％)(Darocur Tm 4265)；2，2-二甲氧基-2-苯基乙酰苯(BDK)(Irgacure Tm 651)；双(n1-2，4-环戊二烯-1-基)，双(2，6-二氟-3-(1-H-吡咯-1-基)苯基)钛(CGI-784)；2-甲基-1-(4-(甲基硫代)苯基)-2-吗啉代丙-1-酮(MMMP)(Irgacure Tm 907)；2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮(HMPP)(Darocur Tm 1173)；或其混合物。DMBAPO和Irgacure 1850是优选的光引发剂，最优选DMBAPO。
固化也适合在稀释剂的存在下进行。适合的稀释剂包括醇，N，N-二甲基甲酰胺乙酰胺、乙腈，N，N-二甲基乙酰胺，庚烷，二甲基亚砜，丙酮，乙酸叔丁酯，乙酸乙酯，乙酸异丙酯，和N-甲基-2-吡咯烷酮，以及二甲基-3-辛醇。优选使用低分子量(C5-12)链烷醇。
本发明的光学品质聚合物具有许多优点。在固化过程中它们不经历相分离从而使得粗粒减少。另外，内部应力也降低从而在随后由该聚合物所形成的镜片进行压热处理时不起泡。粗粒减少大大降低了如此生产的镜片中不希望的光散射量。所存在微区的大大降低也提高了镜片的可湿性。
下面非限定性实施例将进一步描述本发明。实施例
实施例中使用的术语“大分子单体”指的是每摩尔由平均19.1mol甲基丙烯酸2-羟乙酯，2.8mol甲基丙烯酸甲酯，7.9mol甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷以及3.3mol单甲基丙烯酰氧丙基封端的单丁基封端聚二甲基硅氧烷制得的预聚物。大分子单体由每mol前述物质与2.0mol的3-异丙烯基-α，α-二甲基苄基异氰酸酯反应得到，反应中使用二丁基锡二月桂酸盐作为催化剂。实施例1：水凝胶的形成
由下列单体混合物制备水凝胶(所有的量均以混合物总重量的重量百分数计)：大分子单体(～18％)；Si7-9单甲基丙烯酰氧基封端聚二甲基硅氧烷(～28％)；甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，“TRIS”(～14％)；二甲基酰胺，“DMA”(～26％)；羟乙基甲基丙烯酸，“HEMA”(～5％)；二甲基丙烯酸三乙二醇酯，“TEGDMA”(～1％)，聚乙烯基吡咯烷酮，“PVP”，(～5％)；其余包括少量的添加剂和光引发剂。聚合在20wt％的二甲基-3-辛醇稀释剂的存在下进行。
水凝胶以如下方法制备：在置于带有循环浴温度控制的HaakeRheostress RS1000流变仪中的聚丙烯盘架上加上约9滴单体混合物，单体混合物在粗真空下(＜50mmHg)脱气5-30分钟，在下面所示不同温度下在流变仪中进行固化1200秒，氮气保护下，用5mWcm-2的紫外光引发进行聚合，所述紫外光由Andover Corp.420PS10-25 AM39565-02滤光器产生。聚合后，从盘架上取下每一个盘并在4等分的150ml 2-丙醇中浸滤24小时，之后用去离子水进行重新平衡。每一个盘的厚度为500μm。用100X可见光显微镜对盘中粗粒形成进行分析。为此，粗粒被认为是能在40X或更高的放大倍数下看到的镜片上或遍及其中任何地方的斑点(即，约100μm或更大的缺陷)。结果示于表1：
表1：
固化温度(℃) 粗粒数
20 68
30 40
45 38
55 21
65 12
结果表明，当固化温度升高时，粗粒的形成实质地降低了。实施例2：固化动力学
除了在25℃，45℃和65℃下进行固化外，根据实施例1制备水凝胶。通过测定时间段内单体浓度来测定固化期间每一个温度下的速率常数。每一组分的平均速率列于表3。在计算中使用第一级反应动力学。
表2：反应速度常数(s-1)温度℃ mPDMS 大分子 单体 TEGDMA TRIS DMA HEMA 25 0.0040 0.0175 0.0145 0.0053 0.0044 0.0122 45 0.0035 0.0142 0.0140 0.0068 0.0051 0.01412 65 0.0072 0.0235 0.0188 0.0120 0.0071 0.0177
结果表明，mPDMS和DMA比起交联剂(TEGDMA和大分子单体)来反应要慢得多，但是，这些组分与TRIS的固化速率随着温度的升高有明显的升高。因此，相对于不受温度升高影响的组分来说，提高固化温度能初始化这些组分的速率。实施例3：单体转化
根据实施例1制备水凝胶。通过测定固化过程中的单体浓度测定达到不同单体转化率(mPDMS，TRIS，DMA)所用的时间。结果示于表3a-c，其中示出单体温度从25℃升高到65℃，转化率在40％到80％之间转化一种单体所用时间的减少(秒)。
表3a：温度对mPDMS转化率百分数速率的影响 ％转化率 25℃ 45℃ 65℃ MPDMS 时间(s) 时间(s) 时间(s) 40 149 112 86 55 233 152 119 65 309 178 143 80 459 279 179
表3b：温度对Tris转化率百分数速率的影响 ％转化率 25℃ 45℃ 65℃ Tris 时间(s) 时间(s) 时间(s) 40 111 80 36 55 177 123 48 65 250 155 90 80 396 234 162
表3c：温度对DMA转化率百分数速率的影响 ％转化 25℃ 45℃ 65℃ DMA 时间(s) 时间(s) 时间(s) 40 139 94 64 55 254 150 100 65 356 193 132 80 533 295 181
这些实施例表明，某些单体和交联剂的结合随着加热的应用得到了大大的提高。一般情况下，大多数化学反应速率随着温度的提高而加快，但这里所看到的，不同组分相对于其他组分来说速率不成比例的增加在聚合反应、尤其是光引发聚合反应中并不是能预料的。实施例4：透明度
搅拌下，实施例1的单体混合物在减压下(40mmHg)脱气15分钟，然后置于45℃下放置15分钟，随后在氮气气氛中将其转移到隐形眼镜模具中。将已加入物料的模具预热4分钟后暴露于可见光下8分钟(波长：380-460nm，最高峰值：425nm；剂量：大约2.5J/cm2)。镜片组A在45℃下固化，镜片组B在70℃下固化。聚合后，将模具分离，并在60∶40(V/V)异丙醇和去离子水的溶液中将镜片从模具中分离出来，在5等分异丙醇中浸滤不低于10小时，然后在不低2小时内将镜片逐级平衡到生理盐水中。
使用白光源和CCD照相机测量通过镜片散射的偏轴光(在相对于光源45度处)来测定镜片雾度。灯为Newport钨卤灯，带有投影透镜，并能在样品45度处产生如摄影上所用均匀的色温度点。样品置于面向CCD照相机的后部弯曲处，灯处于样品前方并与透镜前表面垂直方向呈45度。
光散射设备的亮度按如下方法进行初始化：将乳白玻璃散射器(Melles Griot 13 FSD 003，直径25mm)置于样品位置作为光散射的参考标样。用于照射样品的灯的位置使得8位CCD照相机(OptronicsTEC 470)设定在1/60秒(固定)，γ＝1.0和带有可变光阑的镜头(Navitar 7000)处于全开与全闭的中间位置单击即停(click stop)处，该灯产生的光度值对于全视野为254，在整个视野中，其标准偏差不超过1个强度单位。这表示最大变化为1/256，或约0.4％。
当将乳白玻璃代之以装有盐水(包装液)的石英或玻璃比色皿并用聚硅氧烷塞子塞住时，该溶液的散射接近于0。对由于粒子存在而产生的散射进行调节，即通过从样品值中扣除样品空白值以将空白示值初始化为0。
相对散射的计算按如下进行：去掉亮度值为0的值，留下255个可能的真亮度值，然后按如下方法得到空白值(没有镜片的盐水)以及样品值：先捕捉图像(用前述设置)，然后用Media Cybernetics Inc出售的“OPITIMAS”图像分析软件对其进行加工。加工中使用该软件所用的面积形貌算法。在使用Region of Interest(ROI)工具中避免处理极限边缘或者是与镜片无关的图像部分，通过与将复制到镜片图像上的ROI进行比较得到空白的平均灰度值。8位灰度刻度图像用于此目的。
然后根据如下算式计算相对散射：{[(样品平均灰度值)-(空白平均灰度值)]/255}×100。由该算式得到的值表示相对散射的百分数，如6.8％。
对如上所述两个镜片进行对比表明，相对于镜片组A，镜片组B的偏轴光散射减少5倍。为了进行比较，也测定了两种市售的隐形眼镜的光散射。结果示于表4。
表4 镜片 光散射％ Balafilcon* 4.4 Lotrafilcon* 5.3 镜片组A 20.4 镜片组B 3.7
*用于比较
该实施例表明根据本发明制备的镜片的光学透明度得到了提高。实施例5：表面可湿性
按照实施例5制备镜片，除了不同镜片组分别在如下温度下固化：45℃，55℃，65℃，70℃和75℃。按如下方法测量动态接触角。对每个镜片，切下宽度大约为5mm的中央条带并在硼酸盐缓冲的盐水包装液中进行平衡(＞0.5hr)以制备5个样品。使用Cahn Instruments ofMadison，WI出售的Cahn DCA-315微天平来测定各条带的动态接触角。每个样品在硼酸盐缓冲包装液中循环4次，将4个循环的结果平均以得到每个镜片的前进与后退接触角。然后将5个镜片的接触角平均得到该组的平均接触角。结果示于表5。
表5 镜片 A B C D E 固化温度(℃) 45 55 65 70 75接触角(°，前进) 83 76 66 58 54
结果表明，随着固化温度的升高，镜片表面的可湿性提高。不受缚于理论，这与镜片表面的“嵌段”硅氧烷微区的减少相一致，也就是说，由于镜片聚合物变得更加各向同性，疏水性的硅氧烷被镜片聚合物中亲水性更强的组分分散并筛出。