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体积 2016年 |文章的ID 3737916 | https://doi.org/10.1155/2016/3737916

伊莲娜Munćan,伊凡娜Mileusnić,JovanaŠakota Rosić,Aleksandra Vasić-Milovanović,Lidija Matija, 水属性的软性隐形眼镜:比较近红外两种水凝胶材料的研究”,国际高分子科学杂志》上, 卷。2016年, 文章的ID3737916, 8 页面, 2016年 https://doi.org/10.1155/2016/3737916

水属性的软性隐形眼镜:比较近红外两种水凝胶材料的研究

学术编辑器:Radmila Tomovska
收到了 2016年2月19日
接受 2016年5月11日
发表 01 2016年6月

文摘

软性隐形眼镜的功能很大程度上取决于含水量和水上运输能力。本研究目的是为了研究水的状态两种软性隐形眼镜:VSO38,水凝胶Filcon我1,VSO50,共聚物-和VP Filcon II 1 (- = 2-hydroxy-ethyl丙烯酸甲酯;VP =乙烯基吡咯烷酮)。水凝胶镜片使用近红外光谱和小说Aquaphotomics方法研究为了确定的水材料基于近红外光谱。Aquaphotomics方法研究在特定振动吸收带的水的共价键和氢键提供信息水与聚合物的结构改变网络结构的变化。主成分分析和具体的星图“aquagram”被用来分析水光谱模式在水凝胶材料。研究结果显示,材料VSO38水主要组织的束缚态,当含水量较高的材料,VSO50,有更多的自由和弱氢键水。我们的发现定义详细准确的水现有物种和与聚合物网络交互。结果显示定性和定量的可能性Aquaphotomics更好的建模和理解水在水凝胶材料的行为。

1。介绍

水凝胶的化学和物理性质已被广泛研究的对象在过去的几十年里。水凝胶通常用于制造软传统和一次性隐形眼镜,但他们有许多其他应用程序等生物医学药物输送系统,人工植入物、伤口愈合和遥感应用程序。

许多水凝胶的性质是由聚合物和水之间的相互作用聚合物吸收或结合。具体而言,软性隐形眼镜在人眼的功能很大程度上取决于含水量和水运和氧气的能力传播性特征(1,2]。

目前,有以下的方法,试图更好地了解软性隐形眼镜的水化特性:差示扫描量热法(3- - - - - -6)、差热分析(4),吸附/解吸实验[7,8核磁共振(NMR) [5,9- - - - - -11),和拉曼12和傅里叶变换红外光谱学13,14]。

水在水凝胶的性质隐形眼镜如含水量、自由束缚水比,脱水过程中磨损的程度是决定其成功应用的关键(2]。然而,尽管广泛研究,水凝胶的水仍然知之甚少(10]。

水在水凝胶被描述的状态通常是在自由和束缚水的条件,这是进一步分为nonfreezable冻部分(2,15]。这些不同的水的存在和量化分数在聚合物已经决定通过使用差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、核磁共振(NMR)谱,红外光谱,色谱法(2]。

一般来说,至少两种不同类型的水可以出现在水凝胶,这可能被描述为水与聚合物和交互强烈不与聚合物相互作用矩阵。束缚水存在紧密和松散,在紧束缚水与水分子形成氢键聚合物的极性基团或相互作用与离子残留,因此它是nonfreezable在正常情况下,而松散结合水更模糊的定义,涵盖了不同类型的水物种保持液体状态正常的冻结温度以下,通常指的是水分子在water-swollen聚合物系统只是松散与极性基团通过氢键氢键的能量,但高于纯水。免费或大体积的水指的是剩下的水分子,具有氢键纯水的特征,是冻2]。

Tranoudis最关键的区别和埃夫隆概述这些类型的水凝胶的水方面的应用是隐形眼镜材料:水不参与运输水强烈相互作用聚合物(2),这意味着只有松散和自由水运输水分溶质(2,3]。自角膜完全取决于大气的氧,隐形眼镜的生物相容性及其后续应用程序直接与透镜材料的可能渗透氧气。水凝胶是不渗透水不会渗透氧气;因此水凝胶包含专门紧紧束缚水不会被临床所接受,因为它不会提供足够的氧气渗透(3,16]。总之,自由水比例决定传输性能的水凝胶(2,3,16,17),它会影响扩散和脱水行为(6,16]。

研究的目的是引入一个新的非侵入性,易于使用的,具有成本效益的,快速的方法描述柔软的隐形眼镜。我们在这里提出的应用近红外(NIR)光谱和Aquaphotomics [18)作为小说工具检查水在水凝胶材料的状态。

通常,在光谱学、水一直被视为一个障碍分析过程的其他分子水系统(18,19]。然而,Aquaphotomics最近成为框架来检查水的行为在各种水系统分析的近红外光谱。

Aquaphotomics方法是基于近红外光谱和多变量分析,它决定了水和其他组件之间的相互作用出现在各种水系统。它已成为一种有效的方法定性和定量参数的测量,和它的潜力在于准确的描述特定水物种特性对于每一个材料,复合,或溶质与水相互作用。在Aquaphotomics概念,水的光谱是分子镜像的分子在水系统中,由于水分子的振动变化的其他分子相互作用的振动,并通过跟踪改变水分子振动,间接信息可以提取这些其他分子。富交互的形式提出了近红外光谱可以作为一个巨大的物理和化学信息来源。

以前的研究已经表明在第一泛音哦拉伸带大量的水乐队可以观察到的特征突出,相关的特定功能(18]。这些水乐队,称为WAMACs [18),源自不同的水分子构象等自由水分子的物种,水二聚体,三、四聚体,或五聚物。Aquaphotomics方法是迄今为止应用各种检测、定性描述、定量、动态监测和诊断18,20.- - - - - -26]。

然而,没有可用的出版,然而,这礼物的适用性Aquaphotomics水凝胶材料的水化性能的表征。

因此,本研究的目的是进行近红外光谱表征使用Aquaphotomics方法以下两类水凝胶材料具有不同名义含水量(n.w.c。): VSO38,水凝胶Filcon我1 (n.w.c。38%),和VSO50共聚物1 -和VP Filcon II (n.w.c。48%) [- = 2-hydroxy-ethyl丙烯酸甲酯;VP =乙烯基吡咯烷酮)。

水凝胶水含量高的隐形眼镜使他们理想从Aquaphotomics角度来研究。预计该方法的应用可以提供洞察水分子排列和导致更完整的理解的水凝胶隐形眼镜。

2。材料和方法

2.1。镜头

所有水凝胶隐形眼镜样品储存在密封的玻璃小瓶和平衡在磷酸缓冲盐(PBS)至少24小时在室温下( °C)。PBS是一个标准的解决方案用于商业的水化隐形眼镜,因为它成功地模仿的成分和性质的泪水。

使用材料属于一个一系列的poly-Hema配方由一家公司,Vista光学,英格兰。软性隐形眼镜材料的属性表1


材料 VSO38 VSO50

英国批准的名称 水凝胶Filcon我1 共聚物的丙烯酸- VP Filcon II 1
水含量 38.1%±2 48%±2
平均测量Dk (fatt) 9 15
膨胀比径向 1.163±0.04 1.270±0.04
膨胀比直径的 1.2041±0.04 1.270±0.04
折射率湿 1.4351±0.001 1.420±0.001
折射率干 1.5178±0.003 1.524±0.003−

所有眼镜制造(lathe-cut)同样的隐形眼镜制造商(Optix豆儿,贝尔格莱德,塞尔维亚),以下参数:公元前8,60毫米,DIA, 14日,20毫米,和Sph, + 1, 00 D。六个镜头从这些两种材料被用于实验。

2.2。实验的程序

收购近红外光谱在透射模式使用minispectrometer滨松(TG、冷却NIR-IC9913GC、滨松、日本)在该地区的900 nm - 1700 nm的最大分辨率700海里的积分时间μ年代。传动夹具TXF-4(美国Stellarnet)和专门设计的保持者隐形眼镜(图1)被用来确保固定在测量透镜的中心位置,以防止环境影响。

光谱测量每个镜头前样本的瓶和快速涂抹棉绒组织去除表面液体过度。实验重复三次,24 h之间的差异。实验室的温度 °C。

五个连续光谱副本获得每个实验中对于每一个镜头,给从三个实验180年总光谱实验(3天×12个镜头×5个副本)。参考光谱被记录在每个样本(空样品持有人)。

只有第一泛音的地区的水(1300 nm - 1600 nm)是用于进一步分析。

2.3。数据分析

吸光度光谱的多变量分析( )是由脚尖旋转版本。4.0(美国Infometrics)软件程序。

2.3.1。光谱预处理

光谱预处理是由使用Savitzky-Golay平滑滤波器(27)使用二阶多项式和25分去除仪器噪声。意味着定心和标准正态变量预处理(SNV) [28- - - - - -30.)被应用于数据集分析之前消除散射效应和抑制光谱变化由于路径长度变化软性隐形眼镜。

2.3.2。主成分分析(PCA)

主成分分析是一种最常用的多变量分析技术来揭示数据内部结构最好的方式解释方差数据。主成分相互正交,定义一个模式空间这解释了所有的变化数据28]。

发现主成分(PC)提出的分数在欧几里德平面二维散点图,允许直接可视化的样本被放置在电脑空间,使检测的样本分组或趋势更容易。分数情节一起讨论相应的载荷图。载荷代表每个原始变量的权重确定的方向的每个电脑或者电脑一样,被定义为最大方差的方向,原始变量的变化最样品不同的分数值在每个组件(31日]。

PCA分析进行光谱数据预处理和验证是由leave-three-out交叉验证。

2.3.3。Aquagrams

吸光度值在特定水矩阵坐标(WAMACs)定义谱模式(黄蜂)18]。黄蜂可以通过恒星的可视化图表叫做aquagram [32]。

Aquagrams计算为了显示水的吸光度值的差异矩阵坐标两种不同的类水凝胶材料。aquagram显示平均吸光度值正常化轴上的不同在选定的水样本类乐队来自图的中心。

规范化的吸光度计算使用以下方程: 在哪里 , , 吸光度,意思是,所有光谱预处理和标准偏差,分别在给定波长。

Aquagrams准备在微软(Microsoft Office Excel 2013 C。美国雷德蒙,佤邦)。

3所示。结果与讨论

在这项研究中,我们应用近红外光谱分析和Aquaphotomics询问差异两种类型的隐形眼镜的水凝胶材料,VSO38,水凝胶Filcon我1 - VSO50,共聚物和VP Filcon II 1。

使用专门设计的实验装置NIRS然后使用无创记录光谱的隐形眼镜。所有镜片的光谱获得室温下在过去的三天,在水合状态,平衡后24小时至少在PBS溶液模拟生理条件。

Aquaphotomics方法利用该地区通常只有第一泛音的水从1300纳米到1600纳米。我们集中我们的研究水吸光度地区更多的细节是瓦解物种作业(18]。

原始的吸光度 光谱的隐形眼镜是绘制在图2。附近的强吸收1450海里被分配给反对称和对称伸缩模式的结合的水,和本地区通常被称为第一泛音哦拉伸(33,34]。因此,所有镜片的光谱是由水吸收。

镜片的光谱的差异是由于水聚合物的物理和化学性质。在原始光谱(图2)重要的分散效果明显(基线偏移)可引起的路径长度变化由于不可控的物理变化,如厚度变化镜头由于不同膨胀率或由于样品形态(表面粗糙度、形状)。这种差异无关的化学反应,但应该注意的是,由于光谱响应的物理性质的影响,检测技术可以用来测量这些属性的变化。

然后使用标准正态变量变换光谱数据集上正确的散射和隐形眼镜的光谱的影响在该地区的第一泛音后(1300 - 1600 nm)意味着定心和标准正态变量变换如图3

显示数值之间的差异的解释水凝胶材料VSO38 - 1和VSO50共聚物水凝胶Filcon我和副总裁Filcon II 1,光谱镜头使用主成分分析进行分析。描述的前两个主成分超过98.6%的变异。

PCA分析的结果提出了数字45显示分数和相应的载荷图。

这里可以看到成绩的情节,主成分分析的近红外光谱数据分类所有样品相同的隐形眼镜分成两个不同的组:所有VSO38得分镜头位于负PC1因素的一部分,而光谱的VSO50镜头来说是积极的。

PC1得分图说明,解释了总方差的94.3%,与水,区分这两种水凝胶材料。加载向量介绍水相关光谱变化的镜头,它是高度依赖于材料的属性。

PC1,没有观察到的特征峰,这表明稳步下降,波长越长,和过零点约1500海里。PC1加载的光谱模式负面分数VSO38水凝胶Filcon 1隐形眼镜,这对应于高吸光度在1491 nm和1510 nm之间的波长范围。

介绍了这些波长强氢键水(35,36]。积极的分数VSO50共聚物1 -和VP Filcon II的光谱模式PC1建议更多的自由水。

这些发现符合现有的数据中低含水量软性隐形眼镜;即增加水分将导致只有自由水含量的增加(2]。这些结果将更稍后讨论。

分数的情节从图4可以观察到,另一个趋势。沿着方向PC2很明显,所有镜头都更高的分数连续副本的实验。这表明PC2加载向量呈现水光谱变化引起的辐射的影响。即使照射时间很短(每一个副本700 ms),镜头显示在测量快速脱水。PC2装入的主要特点是积极的吸光度在1410 nm和负吸光度在1496海里。根据Segtnan等人的两个主要的光谱变化的水约1412纳米和1491纳米是温度的函数35),在这项研究中,辐照。这些变化发生在阶段彼此相反的方向,两个州的代表弱和强氢键在1412 nm和1491 nm,分别和这两个物种是完全相关;也就是说,一个物种的浓度增加为代价的,当温度改变。由于低分辨率的仪器(7海里),在我们的实验中,这个光谱特性发生在1410海里。

为了比较不同材料脱水过程发生在测量期间,标准偏差呈现PC2分数的计算每个类的样本。结果显示略高标准差VSO50材料(SD = 0.025)相比VSO38材料(SD = 0.021),表明可能更快的水VSO50物质状态的变化,这可能是由于较高含量的游离水,可以更容易地提取或逃避蒸气,但更多的温度和时间控制研究需要维护。

调查详细隐形眼镜水组织的特点,获得的近红外光谱吸光度的受到分析模式在特定水乐队,叫水矩阵坐标(WAMACs)。Tsenkova定义12水特征波长范围涵盖各种构象的水分子和非常有用的光谱模式(18]。WAMACs的范围定义如下:C1 (1336 - 1348 nm: H2O不对称伸缩振动)、C2 (1360 - 1366 nm:水溶解壳,哦——(H2O)1、2、4),C3 (1370 - 1376 nm: 、对称拉伸基本振动和H2O不对称伸缩振动)、C4 (1380 - 1388 nm:水溶解壳,哦——(H2O)1、4和过氧化物,2——(H2O)4)、C5 (1398 - 1418 nm: S0,免费的水和免费的哦),C6 (1421 - 1430 nm: H-OH和弯曲 ),C7 (1432 - 1444 nm: S1), C8 (1448 - 1454 nm:水溶解壳,哦——(H2O)4、5)、C9 (1458 - 1468 nm: S2), 10大(1472 - 1482 nm: S3), C11 (1482 - 1495 nm: S4)和C12 (1506 - 1516 nm:ν1,ν2、对称拉伸基本振动和双重退化弯曲基本),S 描述了氢键的分子数(18,26]。

6显示了水凝胶的aquagrams隐形眼镜代表个人的平均光谱预处理镜头在所有副本和实验,在选定的12个水从WAMACs波长区域特征。

aquagram VSO38隐形眼镜的不同主要在长波长的吸光度C10, 1474海里,C11、1488 nm,和C12 1510海里,表明水结构的差异S3和S4(水分子有三个和四个氢键,resp。)和强结合水。VSO50隐形眼镜的aquagram显示主要更高更短的波长的吸光度这意味着这些镜头含有更多的自由水分子,更多的免费的哦,和弱氢键参与离子水化和水溶解结构(18,36]。

在现有文献中状态的水在中低含量水凝胶镜片,我们的新结果提供近红外光谱和Aquaphotomics确认材料不同的束缚和自由水,在含水量较高的材料更多的自由水存在除了紧紧束缚水,已经占据了聚合物可用的网站。

由此产生的水VSO38水凝胶Filcon 1材料是由于羟基(ch2CH2水凝胶的哦)。在这个位置与水分子氢键发生,导致它们被吸引到聚合物基质(37]。据李等人的大部分水在较低的水凝胶凝胶含水量存在束缚水(38),这与我们的结果一致。乙烯基吡咯烷酮是一种单体常用增加含水量在软性隐形眼镜材料基于水凝胶,但只增加含水量增加自由水比例(2]。和VP Filcon II VSO50,共聚物宋春芳1,含水量越高达到由于酰胺基(吡咯烷酮组-NCOCH的存在2-),这是非常极和两个分子的水可以成为氢键(37]。然而,酰胺基不绑定水一样强烈羟基,这就是为什么VSO50隐形眼镜含有更多的松散和自由水VSO38相比。

当你考虑对隐形眼镜的生理反应,水分是最重要的属性定义他们的临床行为。正如我们已经提到的化合物的溶解度,大部分重要的氧气,是一个函数的内容自由水的水凝胶。更大数量的松散和自由水的aquagrams VSO50相比VSO38表明更多的水用于氧气输送。然而,观察到的差异在脱水率(PC2分数,图2)表明更快VSO50材料的变化,又可能由于水分子的约束力不强酰胺基。这些结果与更快的发现协议平移运动在含水量较高的水凝胶11)和高蒸发率可能被视为一个问题对镜头稳定和舒适37,39]。

因为这样的水从一个非常有用的观点,从另一个角度来看,它可以导致眼泪与各种溶质交互导致口供隐形眼镜上的蛋白质和脂质表面,很难预测准确的行为这两种类型的材料一般完全基于水的状态。而是一个复杂的相互作用的各种因素和额外的临床工作将进行进一步探讨这个问题。

我们最重要的发现是,不同的州和水/聚合物相互作用在水凝胶可以使用近红外光谱和Aquaphotomics分析。贡献定义详细准确的水现有物种和与聚合物网络交互,Aquaphotomics方法提供了。这项研究的局限是,测量在PBS溶液对水凝胶膨胀,从而导致更高水平的严格束缚水,因为它展示了在氯化钠水溶液-眼镜肿而肿胀蒸馏水(38]。然而,模拟生理环境更好,我们选择用PBS。另一个限制是仪器的准确性,因为它提供了实时快速采集分辨率为代价的。最后本研究仅限于只有两个水凝胶材料。

水在水凝胶行为进一步积累实验数据将提供有价值的见解组织和水的详细图片,此外,在水凝胶结构水凝胶隐形眼镜材料的提供最佳的功能。

4所示。结论

在这项研究中,我们表明,近红外光谱和Aquaphotomics方法可以成功地在水中寻找差异的隐形眼镜了基于近红外光谱的不同水凝胶材料。定义的主要发现是占主导地位的物种在水凝胶镜片中低水的内容。

我们这里提出新的方法研究基于水化性能的水凝胶的隐形眼镜在近红外光谱允许监测水物种与聚合物基质交互。

这种方法可以作为一个共同的平台比较一般水凝胶材料的无损、实时、有效的方式。此外,它还可以用于动态的研究水凝胶在肿胀和脱水,以及定量参数测量。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认科学和教育的塞尔维亚共和国财政支持本研究通过项目没有。III45009。作者感谢博士Dragomir Stamenković和Optix豆儿,贝尔格莱德,塞尔维亚,软性隐形眼镜的制造。

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