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Titel:Neuartige hochbrechende Polymere für ophthalmologische Anwendungen
Autor:Badur, Thorben
Weitere Beteiligte: Hampp, Norbert (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0103
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0103
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-01035
DDC:540 Chemie
Titel(trans.):Novel high-refractive index polymers for ophthalmology

Dokument

Schlagwörter:
optische Eigenschaften, Polymers, Intraokularlinse, Implantatwerkstoff, Monomer synthesis, cataract, biomaterial, optical properties, Polymere, Biomaterial, Biomaterial, Polymere, intraocular lense, Katarakt, Monomersynthese

Zusammenfassung:
In der vorliegenden Arbeit lag das Ziel auf dem Design, der Synthese und Charakterisierung neuartiger flexibler Polymere mit hohem Brechungsindex (high refractive index, HRI) zur Anwendung als Intraokularlinsen-Material (IOL). Um als ophthalmologisches Implantat ein¬setzbar zu sein, muss das Material zahlreiche Zielparameter physikalischer, medizinischer und chemischer Natur erfüllen. Die funktionellen Module dieses Multiparameterproblems beein¬flussen sich gegenseitig. Es wurde gezeigt, dass das Polymerdesign in molekulare und funk¬tionale Teilbereiche zerlegt und die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für jede Komponente (HRI-Funktion, Spacer-Einheit, polymerisierbare Gruppe) separat optimiert werden kann. Durch Variation der polymerisierbaren Gruppe wurden insgesamt zehn HRI-Homopolymere auf Methacrylat- und Siloxan-Basis synthetisiert, von denen fünf erstmalig beschrieben wurden. Die erhaltenen Brechungsindizes lagen im Bereich zwischen nD = 1,567 – 1,645 mit ABBE-Zahlen von νA = 20,3 – 33,7. Durch Austausch der Methacrylat- gegen Siloxan-Gruppen konnte die Flexibilität der Materialien signifikant erhöht und der Glaspunkt von Tg,PMA = 66 – 110 °C auf Tg,PSX = -15 – 49 °C abgesenkt werden. Ein Vergleich der Eigenschaften ermöglichte die Entwicklung eines einfachen Berechnungssystems zur Abschätzung der Kernparameter nD, vA und Tg vor Synthesebeginn. Zudem wurden wichtige Eigenschaften wie Transmission und Lichtechtheit der Materialien ermittelt. Die Variation der aliphatischen Spacer-Länge erfolgte im Rahmen der Synthese von sechs Monomeren mit direkter Anbindung und 14 Monomeren mit Spacern der Form –(CH2)s– im Bereich s = 2 – 12. Neben den jeweiligen Homopolymeren auf Acrylat- und Methacrylat-Basis wurden fünf Copolymere synthetisiert, um Unterschiede und Gemeinsamkeiten in den physikalischen Trends sichtbar zu machen. Alle Parameter konnten durch gezielte Variation erreicht (nD = 1,551 – 1,633; νA = 24,4 – 33,4; Tg = -26 – 149 °C) und rechnerische Zusammenhänge ermittelt werden. Neben Unterschieden zwischen den Polyacrylaten und Polymethacrylaten zeigte sich so eine Möglichkeit des Eigenschaften-Tunings. Diese Optimierungsmethode wurde erfolgreich auf andere HRI-Systeme übertragen. Auch für das Glistening-Verhalten der Polymere konnte eine starke Strukturabhängigkeit und somit die Möglichkeit einer Verbesserung ermittelt werden. Eine Variation der HRI-Funktion erfolgte ausgehend von der Synthese von 16 Polyacrylaten und Polymethacrylaten mit Mono- und Biaryl-Einheit unterschiedlicher Substitution. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden sechs neuartige, hoch transparente Polymere mit Triaryl-Funktion und aliphatischem Spacer der Länge s = 2 entwickelt. Da es sich bei den verwendeten Strukturen um Konstitutionsisomere handelt, konnten Einflüsse des Aufbaus auf die Eigenschaften ermittelt werden. Die Brechungsindizes lagen zwischen nD = 1,617 – 1,626 (νA = 26,1 – 28,0) mit Glaspunkten von Tg = 47 – 62 °C. Abschließend wurde ein zusammen¬hängendes Bewertungs- und Berechnungssystem für die Eigenschaften von Copolymeren entwickelt, auf deren Basis flexible HRI-Materialien mit guter optischer Qualität synthetisiert wurden. Die mechanische Bearbeitbarkeit wurde durch die Anfertigung von Intraokularlinsen (IOLs) und phaken Intraokularlinsen (pIOLs) gezeigt. Abschließende Versuche im Tiermodell verliefen positiv. Die Entfaltbarkeit und Biokompatibilität der neu entwickelten Materialien lässt einen Einsatz als IOL-Materialien zu.

Summary:
The purpose of this thesis was the design, synthesis and characterization of novel flexible polymers with high refractive index (HRI) for application as intraocular lens (IOL) material. To be suitable as ophthalmic implant, the material needs to achieve several parameters of physical, medical and chemical nature. The components of this multi-parameter-system tend to interfere with each other. Therefore, the polymer design was disassembled into three segments (HRI group, spacer unit, polymerizable group) and analyzed separately regarding the relationship between chemical structure and physical properties. Overall ten different HRI homopolymers based on a methacrylate backbone and siloxane backbone have been synthesized by variation of the polymerizable group. Five of them were described for the first time. The obtained refractive indices ranged between nD = 1.567 – 1.645 with ABBE numbers νA = 20.3 – 33.7. Substituting the methacrylate unit with a siloxane unit heavily increased the flexibility of the materials, resulting in a glass transition temperature decrease from Tg,PMA = 66 – 110 °C to Tg,PSX = -15 – 49 °C. By comparison of the properties, a straight¬forward calculation system for estimation of the core parameters nD, vA and Tg preliminary to the synthesis was developed. Furthermore, important characteristics like transmission in the ultraviolet and visible range and lightfastness of the materials were determined. The variation of the aliphatic spacer group was performed in a synthesis of six monomers with direct linkage and 14 monomers with spacer groups with an atomic structure of –(CH2)s– in a range of s = 2 – 12. Besides the respective homopolymers of polyacrylate and polymeth¬acrylate type, five copolymers were also synthesized to uncover differences and similarities in the physical trends. All core parameters were brought into range of the designated target (nD = 1.551 – 1.633; νA = 24.4 – 33.4; Tg = -26 – 149 °C) using spacer alter¬nation. Computational coherences between the parameters and physical differences between polyacrylates and polymethacrylates were determined. This enables the possibility of a tuning of the polymer properties, which was successfully applied to other HRI systems. The glistening affinity also showed a structural dependency, providing the opportunity for improvement. The variation of the HRI group started with the synthesis of 16 different polyacrylates and polymethacrylates containing monoaryl and biaryl functions of different substitution. Six novel, highly transparent polymers with a triaryl ether function and aliphatic spacers (s = 2) were developed based on the gained experience. Since the used structures were constitutional isomers, the influence of the layout on the physical properties could be investigated. The refractive indices ranged from nD = 1.617 – 1.626 (νA = 26.1 – 28.0) with glass transition temperatures between Tg = 47 – 62 °C. Concluding, a coherent scoring and calculation system for copolymers was developed. Based on this system, flexible HRI materials with good optical quality and low glass transition temperatures were synthesized. The machinability of these materials has been proven by preparation of intraocular lenses (IOLs) and phakic intraocular lenses (pIOLs). The unfolding process and biocompatibility examination also showed promising results in concluding tests in the animal model and qualifies the material for application in a novel IOL lens.


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