生物医用眼科材料都有哪些

本文主要综述了用于眼科的生物医用材料的种类、结构特点及其在眼科中应用的性能,重点介绍了用于人工角膜的光学镜柱材料和支架材料、人工晶状体材料、人工玻璃体材料、人工眼球义眼台和义眼材料、人工泪道和泪液材料、角膜接触镜材料及眼科药物载体材料,展望了生物医用眼科材料的发展方向。

生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。它是人类与疾病作斗争的有效工具之一。

长期以来,眼部疾病的治疗及眼睛的保健与美容一直是医学领域的重要部分,眼科治疗与保健离不开各种生物医用材料的使用:眼部器质性损伤需要植入人工替代品,如人工眼球、人工泪管等;帮助严重角膜病患者恢复光明需要植入人工角膜;进行白内障手术需要植入人工晶体;眼科手术时需要眼科用的粘结剂、止血剂;眼睛视力的保护和矫正需要角膜接触镜等。本文主要介绍了用于人工角膜、人工晶状体、人工玻璃体、人工眼球、人工泪道、隐型眼镜的生物医用材料的种类、结构特点及其在眼科应用中的性能。

1 人工角膜(Keratoprosthesis, KPs)材料

人工角膜材料是影响人工角膜性能的关键因素,主要分为光学镜柱材料和支架材料。

1.1 光学镜柱材料

光学镜柱材料要求光学性能好,透光率大于90%,屈光率高,同时还要具有良好的生物相容性。聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)是一种透明的高分子惰性有机聚合物,其透光高(92%)、屈光率较好、性质稳定、加工方便等优点使其成为在人工角膜上应用最多的材料。

然而,PMMA有以下几个主要限制:硬度大,植入后测量眼压困难,而且初戴不舒适,需要较长时间适应;表皮细胞粘附差,不能形成连续的角膜长皮,术后有潜伏感染、渗漏、角膜溶解的危险;透氧性低等。大量研究表明PMMA与PHEMA复合使用制成PMMA-PHEMA,可以克服PMMA疏水性强、质硬等缺点。

聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)水凝胶与人体组织具有高度的相容性,无毒副作用、无降解现象,化学性质稳定,具有良好的弹性,含水量高。Trinkaus-Randall等设计了一种以聚乙烯醇为光学部分、聚丙烯/聚丁烯共聚纤维网为支架部分的人工角膜,并证明能用基质角质细胞填充,增殖并合成胶(Silicone resin)的主要成分是以二甲基乙烯基硅氧基为端基的聚甲基硅氧烷(简称甲基乙烯基硅油),由自然界二氧化硅在高温下与碳原子结合成单链,再聚合成高分子。

1.2 支架材料

支架材料是光学镜片与母体角膜组织直接接触的部分,要求有良好的生物相容性,从及合理的形状和足够的强度来支撑整个角膜组织。在结构上要起桥梁作用,在功能上一方面必须具有良好的生物相容性,与角膜组织相融合,同时又不被生物降解而长期保留;另一方面必须具有相应的强度,使光学镜柱得以固定并紧密结合而不渗漏。氟碳聚合物(Fluorocarbon polymer)是20世纪80年代以来研究应用最多的微孔有机材料之一,研究者对它寄予很高的希望并进行了深入地研究。Lambrets将有孔材料聚四氟乙烯氟碳多聚体与碳纤维的聚合物Proplast用作人工角膜。该材料质硬、较粗糙、湿润性好、性质稳定、易于加工,孔隙率为70%-90%,孔径范围为100-500nm。White等报道了用Proplast做穿通性人工角膜的动物实验,术后人工角膜稳定,早期即有纤维细胞长入,存留时间最长的一例达3年以上。

氟碳聚合物现多采用膨体聚四氟乙烯(Expandedpolytetrafluoroethylene,ePTFE)。

2 人工晶状体(Intraocular lenses,IOL)材料

PMMA最先被人们用来制造IOL。经过长期的临床验证,PMMA是一种较为理想的人工晶状体材料,其材料稳定、质轻、透明度好,屈光指数1.49,为疏水性材料;有较好的抗老化和抗环境变化特性,较好的抗酸、碱和抗有机溶剂特性及良好的生物相容性。

作为理想的人工晶状体材料,其主要缺点首先是不能耐受高温高压消毒,超过100e时PMMA将变成凝胶状,目前多用环氧己烷气体来消毒;其次是弹性有限,不能制造适应小切口的可折叠人工晶状体;对YAG激光耐受有限,而且激光治疗后释放的单体具有生物毒性。

在外科手术中,PMMA作为眼内晶状体的移植材料使用得非常普遍,但它与角膜上皮细胞的接触会导致角膜上皮细胞的永久损伤。利用等离子体沉积或者辐照处理办法可以将亲水性的单体如异丁烯酸羟乙(Hydroxyethylmethzcrylae, HEMA)或N-乙烯基吡咯烷酮(N-vinyl pyrro-lidone, NVP)沉积到PMMA的表面。对家兔的角膜与透镜之间进行静态的/接触试验0,结果发现未经等离子体处理的PMMA表面引起10%~30%的细胞损伤,而经过处理的PMMA/HEMA复合表面仅导致约10%的细胞损伤,而PMMA/NVP复合表面所引起的细胞损伤却小于10%。

3 人工玻璃体(Artificial vitreous body)材料

人工玻璃体是用于替换或补充眼球内玻璃体的植入物。为了取代病变的玻璃体和治疗视网膜脱落,人们使用多种替代物,如空气、生理盐水、人眼房水、硅油、透明质酸钠、胶原、异种玻璃体等进行玻璃体填充,但治疗效果都不令人满意。

如使用生理盐水、惰性气体难以长时间维持正常眼压,目前临床上使用最多的硅油由于排异反应易引起炎症,除不能获得可控的长期填充作用外,还会引起白内障等并发症。近十几年来,用合成高聚物如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)水凝胶作玻璃体替代物已受到国内外的瞩目。PVA经60钴的C射线辐照之后,分子间以共价键相连,形成具有三维立体结构的高分子水凝胶,此网状结构类似正常玻璃体内由胶原纤维和透明质酸构成的支架结构,通过控制C射线辐照量和膨胀过程,可控制PVA人工玻璃体三维结构的疏密程度,从而使其在屈光指数、透光率、粘度、密度等方面与人眼玻璃体一致。

4 人工眼球(Artificial eye)材料

PMMA的特性已被广泛认同对人体安全无副作用,故被作为义眼材料的最佳选择。金晖博等采用PMMA材料,根据患者的病史和眼部具体情况,10年内为1078例患者量体裁衣式订制和配戴义眼,将其整容效果进行总结分析,结果发现所有未经和已经摘除眼球的患者都能成功适用此种超薄型和厚的义眼,无一例排斥反应。由于PMMA义眼可有效保留多至7层的颜色层,所以配戴后效果与填充式义眼一样拥有丰富的立体感及逼真对称的颜色分布。实践证明PMMA义眼是目前最为理想的眼球外观修复方法之一。

PMMA材料在眼科临床应用广泛,作为因人而设计定制的义眼片,其在框内的直接配戴也有独到之处,为框内义眼的配戴提供了新的方法。高方等探讨了PMMA义眼片在因眼外伤、眼肿瘤等原因导致的后天性眼球缺失美容中的应用,结果发现1155例应用PMMA材料制作的义眼,无排斥反应,在色泽度、透明度上能与健眼媲美,联合羟基磷灰石义眼台植入能达到仿真活动的效果。软性义眼的研制成功是现代高新技术的结晶,是传统义眼更新换代的产品,与配戴硬性义眼相比,更具独特的优点。

特别是对眼球萎缩,它能直接配戴,并具有舒适服帖、运动度好等特点。郑一仁等以水凝胶(聚甲基丙烯酸B羟乙酯HEMA)为材料,制得水凝胶软性义眼。结果发现100例配戴软性义眼的患者感到基本满意,其中硬性义眼对照组中的10例在配戴软性义眼后感觉较硬性义眼更舒适,无下垂感及不良反应。对眼球萎缩留有角膜的患者,配戴1年期均未引起角膜大泡等刺激症状。软性义眼适用于植入各种义眼台和羟基磷灰石义眼台的患者。对于配戴已植入羟基磷灰石义眼台的患者,配戴薄型软性义眼有其独特优点,软性义眼直接吸附在该义眼台球结膜表面上,能减少摩擦,并能达到与义眼台的同步运动以及外观美容。经过20例临床实践,笔者认为,有的患者可以不做栓钉植入术而改为直接配戴薄型软性义眼。

5 人工泪道、泪液(Artificial lacrimal duct andtears)材料

泪道阻塞引起的溢泪症是临床眼科中一种常见的泪道疾病,多因炎症、外伤、鼻腔疾病或者先天性泪道发育异常等引起。治疗泪道阻塞的方法很多,如反复冲洗泪道、泪道串线、泪道注入凝胶、机械探通、激光探通、插入人造泪管,甚至切开泪囊鼻腔直接进行手术等。人造泪道管普遍采用的是硅胶管。这种材料具有透明度好、富有弹性、物理化学性能稳定、植入人体无毒、刺激性小、无排斥反应等优点。泪道硅橡胶引流管插管是治疗慢性泪囊炎理想的方法。

硅橡胶引流管在泪道内留置时对周围组织无刺激及过敏反应。泪道硅橡胶引流管可以减少狭窄或阻塞处的肉芽生长;不刺激角膜,对眼组织无损伤;无皮肤瘢痕,外观保持良好,不影响正常的工作和学习,而且无需住院,费用较低,患者易接受。人们一直将微细硅胶管应用于泪小管断裂的吻合手术中,疗效满意。程婷玉对26例(31只眼)慢性泪囊炎患者在泪囊鼻腔吻合术中插入硅胶管,随访6-25.5个月,平均11.8个月,观察治疗效果,结果全部消除溢泪、溢脓症状,泪道冲洗通畅。

故而将硅胶管应用于泪囊鼻腔吻合术,取得了良好的治疗效果。但是硅胶管不降解,当探通部位愈合后,需进行二次手术将硅胶管取出,取出过程的摩擦对初愈部位以及正常泪道内壁造成创伤,不仅带给患者痛苦,而且可能引起泪道再粘连或狭窄,影响疗效。现在研究最多的是可降解型人工泪道管。郑贵球等针对硅胶泪管难降解的缺点研制了一种可生物降解的胶原-壳聚糖-聚乙烯醇负荷人工泪小管。胶原、壳聚糖和医用PVA溶液混合均匀后,不添加任何化学交联剂,不改变胶原和壳聚糖的生物学性能,通过简单的物理交联,形成弹性负荷凝胶柱,然后造孔、清洗、风干、脱模后即制得半透明状人工泪小管。

6 角膜接触镜(Contact lenses, CL)材料

作为接触镜片的材料必须满足以下条件:良好的光学特性,良好的生物相容性、湿润性、气体透过性、耐降解性和足够的机械性能。尽管材料的光学特性是最重要的,但是材料的湿润性和气体透过性对于维护角膜上的泪液膜和眼睛的健康是极其重要的。

PMMA CL具有折射率高、硬度合适、生物亲和性好等性质。但是,PMMA亲水性不佳,将导致眼翳长期闭合而引起佩戴者的不适。它的氧气通透性也较差,严重者还会引起并发症。如果有办法克服PMMA的上述缺陷,将可大大提高它的使用效能。

在聚合物夹层中加入一种有机硅氧烷可以提高材料的透气性,但是由于硅氧烷固有的疏水特性使得材料的保湿性能降低。解决含硅聚合物表面疏水问题可利用辉光放电的办法来处理。经氧等离子对PMMA和聚硅氧烷的结合物处理后,它在表面的含碳量减少而含氧量增加,PMMA保湿性能提高。现在单一的PMMA接触镜片已很少用,而透气性的硬性材料如硅氧烷甲基丙烯酸酯(SiMA)和氟多聚体材料研究得较多。SiMA有一个碳-碳重复的甲基丙烯酸酯骨架,硅氧烷仅存在于侧链。甲基丙烯酸酯能使这些材料透明、稳定,且具有良好的硬度。硅氧烷提高了材料的透氧性能,但它影响镜片的稳定性、耐用性与可润湿性。丙烯酸氟硅氧烷酯是由硅氧烷丙烯酸酯材料中加入氟单体生成的。

氟甲基丙烯酸酯类与MMA以及适宜的润湿剂、交联剂共聚,产生一系列新的结构稳定、生物相容性良好、Dk值为30-160的硬镜材料,与硅氧烷丙烯酸酯材料相比,丙烯酸氟硅氧烷酯的透氧性有了很大提高,其表面特性如可润湿性与抗沉淀性能也有了很大改善。碳氟化合物是由氟与少量的甲基丙烯酸甲酯和NVP共聚而成,其中的氟以聚全氟乙醚的形式存在,其浓度较丙烯酸氟硅氧烷中大10倍。氟多聚体能抗蛋白质与脂类沉淀,其透氧性能是现有透气性硬性接触镜材料中最高的,该类透气性硬性接触镜材料的透氧性高,沉淀少,很少有并发症-。

聚氨酯(Polyurethane,PU)具有很好的生物相容性和血液相容性,优异的机械强度、耐挠屈性,且分子设计自由度大,因此作为生物医用材料很早就受到人们的重视。 Gould等研究了用于接触眼睛的含有亲水性聚氨酯的聚氨酯-聚丙烯酸互穿网络水凝胶体系。Lai Y C等用新戊二醇(NPG)、聚丙二醇与IPLI反应得到商品名为INP4H的预聚物,然后与亲水性单体经紫外光固化得到聚氨酯薄膜,在缓冲溶液中溶胀至衡重得到PU水凝胶。

亲水性单体可以是甲基丙烯酸二羟乙酯(HEMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GM)、三甲基硅氧烷-甲基丙烯酸丙氧基硅烷(TRIS)等。对不同亲水性单体制得的聚氨酯水凝胶进行氧渗透率、含水量评价,发现在INP4H-HE-MA水凝胶体系中,随亲水性单体NVP含量的增加,水含量增加,氧渗透率先减小后回升到初值。INP4H-HEMA-TRIS体系中随亲水性单体TRIS含量的增加,其氧渗透率增大。INP4H通过紫外光固化制得的PU水凝胶的水接触角都在30-40b,与用于制造接触眼睛的其他水凝胶相同,并表现出良好的抗蛋白质粘附性。采用硅氧烷材料制备的软性非亲水性角膜接触镜具有很高的透氧性,但不具有亲水性,配戴舒适度不高。

为了结合硅氧烷材料和水凝胶材料的优点,一些研究人员将含有甲基丙烯酸酯或者乙烯基团的聚甲基硅氧烷与亲水性单体共聚,制备出硅氧烷水凝胶。硅氧烷水凝胶可以形成具有不同含水量和透氧性能的一系列结构,其透氧性能随含水量的增加反而降低,这是因为硅氧烷水凝胶材料中存在透氧性能很高的聚合物相,以及透氧性能相对较低的水凝胶相。随着水合程度的提高,聚合物相对水凝胶透氧性能的影响下降。Dhananjay S等用2-甲基丙烯酸羟乙酯来修饰聚二甲基硅氧烷弹性体,通过红外检测和湿润角测量发现,2-甲基丙烯酸羟乙酯可以使硅氧烷弹性体保持长久的亲水表面。

7 眼科药物载体(Ophthalmic drug carriers)

基于角膜接触镜的眼药缓释水凝胶材料主要包括PHE-MA水凝胶、硅氧烷水凝胶、分子印迹聚合物水凝胶、含离子配体的水凝胶。PHEMA除了可以作为角膜接触镜片、支架材料外,还可以作为眼科药物载体。Ging-Ho Hsiue等研究指出,以PHEMA作为毛果芸香碱(Pilocarpine)药物载体可提高该药物的生物相容性,延长药物在眼部的停留时间。体外药物释放试验结果表明,毛果芸香碱可以从PHE-MA中持续释放24h。

白兔眼内压力测试结果表明,眼内压力下降得非常明显并且药物作用时间超过了48h。由此可见PHEMA是一种很有前途的眼科药物载体。C.C.S.Karl-gard等研究了含硅水凝胶角膜接触镜以及含有HEMA的水凝胶角膜接触镜对色甘酸钠等药物的吸收与释放性能,发现药物的吸收速度较快,并且药物的吸收与释放性能与水凝胶材料的离子化程度、含水量以及硅氧烷含量有关。为了 提高角膜接触镜的药物吸收能力,Siddarth Venkatesh等采用分子印迹技术合成了具有特异识别功能的poly(AA-co-AM-co-NVP-co-HEMA-co-PEG200DMA)水凝胶材料,发现采用该材料制造的角膜接触镜对Ketotifen fumarate的吸收能力比对照材料高6倍,药物的持续释放时间最长可达5天。

8 结语

生物医学材料学在眼科领域上的应用为眼科学、眼科保健学、药学等学科的发展提供了丰富的物质基础,反过来这些学科又促进了材料学科的进一步发展,从而不断使新的或改良的眼科材料应用到眼科治疗与保健的领域中去。生物医用材料用于眼科领域,不同的用途有着不同的要求,如人工晶体要求折射率高、硬度适中,人工角膜要求透光度高、透气性好、细胞亲和性好等。

总的来说,对于理想的眼科材料,要求物理化学性质稳定、生物相容性好、无抗原性、无排斥反应、组织耐受性好、无刺激性、植入眼内无不舒适感,用于不同用途应具有各自适宜的特性等。近20年来,随着科学技术的革新和眼科学的飞速进展,人们对眼科材料的要求越来越高,需要更好的功能性眼科生物材料应用到眼科的各个领域当中。但目前还有相当一部分的眼科材料仍未达到理想化,故寻找新技术与新方法,不断改良现有的眼科材料或是制备新型的功能性眼科材料是当今生物材料研究领域的热点之一。