Znaczenie przenikalności tlenu przez róŝne tworzywa polimerowe dla optymalizacji funkcjonowania soczewek kontaktowych

Transkrypt

1 Znaczenie przenikalności tlenu przez róŝne tworzywa polimerowe dla optymalizacji funkcjonowania soczewek kontaktowych Adam Grzech, Marta Misiuk-Hojło Katedra i Klinika Okulistyki Akademii Medycznej we Wrocławiu Streszczenie Soczewki kontaktowe to nowoczesna forma korekcji wad refrakcji. W porównaniu z okularami mają szereg zalet. Ich produkcja jest moŝliwa dzięki polimerowym tworzywom sztucznym. Dopiero tak zaawansowane technologicznie materiały, umoŝliwiają stworzenie soczewki spełniającej swoją funkcję i nie stanowiącej jednocześnie zagroŝenia dla narządu wzroku. Jedną z podstawowych właściwości funkcjonalnej soczewki jest zapewnienie dopływu tlenu do rogówki, nie posiadającej własnej sieci naczyń krwionośnych. W ciągu ostatniej dekady tradycyjne soczewki hydroŝelowe, przepuszczające tlen jedynie dzięki zawartej w nich wodzie, zastępowane są przez soczewki hydroŝelowosilikonowe, w których za przenikanie tlenu odpowiedzialne są zawarte w materiale grupy siloksanowe. Soczewki te dzięki lepszym parametrom w mniejszym stopniu zakłócają fizjologię rogówki. Od czasu ich wprowadzenia na rynek, zmniejsza się ilość powikłań związanych z uŝytkowaniem soczewek kontaktowych, wydłuŝać teŝ moŝna czas nieprzerwanego noszenia soczewek bez ryzyka dla zdrowia. Współczynniki laboratoryjne opisujące przenikalność tlenu przez tradycyjną soczewkę hydroŝelową, takie jak tleno-przepuszczalność i tleno-transmisyjność, okazują się zawodne w przypadku hydroŝeli silikonowych. W związku z tym konieczne jest opracowanie nowych, ściślej powiązanych z fizjologią, metod pomiarów tego parametru. Takim parametrem jest oxygen flux. Uwzględnia on ilość tlenu faktycznie docierającą do powierzchni rogówki. Słowa kluczowe: soczewka kontaktowa, przenikalność tlenu, hydroŝel, grupy siloksanowe 1

2 The meaning of oxygen permeability in different materials for optimalization of contact lenses function Summary Contact lenses are a modern method of refraction defects correction. Polymers of different kind are a basic material for contact lenses. Only with such a sophisticated material can a functional, yet safe for the eye, contact lens be made. Contact lens must be oxygenpermeable to provide nutrition for cornea which has no own vascular net. In the past decade hydrogel lenses are being replaced with silicone-hydrogels. A new generation of contact lenses does not disturb the physiology of a cornea as much as the old one. Since the introduction of silicone-hydrogel lenses much less side effects have been reported. They can also be used continueasly with less risk, over longer period of time. Traditional measures such as oxygen permeability and transmissibility seem inadequate with silicone-hydrogel lenses. Therefore a new measure, an oxygen flux, has been introduced. It is more physiological and more suitable in higher oxygen transfer range. It refers to an quantity of oxygen reaching the surface of a cornea. Key words: contact lenses, oxygen transfer, hydrogel, silicone-hydrogel WPROWADZENIE Soczewki kontaktowe stanowią istotny postęp w dziedzinie korekcji wad refrakcji. Mają szereg zalet w stosunku do okularów. Nie ograniczają pola widzenia, ich waga jest znikoma, są niewidoczne dla osób trzecich. Przylegają bezpośrednio do rogówki nie powodując dzięki temu zmiany wielkości obrazu, szczególnie uciąŝliwego przy większych mocach korekcji. Powstanie i upowszechnienie soczewek kontaktowych byłoby niemoŝliwe bez zaawansowanych technologicznie materiałów - w szczególności tworzyw sztucznych, wśród których główną rolę odgrywają róŝnego rodzaju polimery. 2

3 HISTORIA SOCZEWEK KONTAKTOWYCH I ICH PODSTAWOWE CECHY W latach 30. XX wieku do produkcji pierwszych soczewek próbowano uŝywać szkła, ale pierwsze pełnowartościowe soczewki kontaktowe powstały dopiero pod koniec dekady, kiedy I. Gyorfy uŝył nowo odkrytego tworzywa sztucznego - polimetakrylanu metylu (PMMA) [1]. Od tego czasu wszystkie soczewki produkowane były z rozmaitych polimerowych tworzyw sztucznych, jak PMMA, estry celulozy, syntetyczne elastomery, hydroŝele - równieŝ te wzbogacone o róŝne domieszki. Niektóre z nich zostały stworzone specjalnie dla przemysłu optycznego, jak np. PHEMA - polimetakrylan hydroksyetylowy (ryc. 1). Materiały stosowane do produkcji soczewek kontaktowych muszą spełniać wiele wymogów, aby korygując właściwie wadę refrakcji umoŝliwiły jednocześnie dostarczenie do rogówki odpowiedniej ilości tlenu. Podstawowe cechy idealnego materiału na soczewki to: Nietoksyczność. Parametry optyczne. Właściwości mechaniczne, czyli odpowiednia wytrzymałość, twardość i elastyczność. ZwilŜalność. Gazo-przepuszczalność. MoŜliwość czyszczenia i dezynfekcji. Niski koszt produkcji. Bardzo istotna jest kwestia przenikalności tlenu przez róŝne tworzywa polimerowe. Ma ona kluczowe znaczenie w uŝytkowaniu soczewek, gdyŝ brak unaczynienia rogówki sprawia, Ŝe tlen potrzebny do prawidłowego funkcjonowania w całości czerpie ona z filmu łzowego. W szczególności praca ma porównać soczewki hydroŝelowe z silikonowo-hydroŝelowymi i dać pojęcie o zasadach pomiaru przenikalności tlenu przez te materiały. SOCZEWKI KONTAKTOWE A FIZJOLOGIA ROGÓWKI O ile w twardych soczewkach kontaktowych zachowana jest cyrkulacja łez pod soczewką, to w uŝywanych znacznie częściej soczewkach miękkich, tlen musi przenikać przez samą soczewkę. 3

4 Dla porównania, przy jednym mrugnięciu pod soczewkami twardymi wymianie podlega 15% objętości filmu łzowego [2], zaś pod miękkimi tylko 1% [3]. W soczewkach miękkich nie istnieje równieŝ boczny przepływ łez pod soczewką. Najbardziej naraŝona na niedotlenienie w przebiegu uŝytkowania soczewek kontaktowych jest centralna część rogówki. Nie jest ona, tak jak rąbek, częściowo odŝywiana przez naczynia, ani jak tylna część przez ciecz wodnistą. Konsekwencją niedotlenienia rogówki moŝe być zabarwienie rogówki, przekrwienie rąbka rogówki ale równieŝ bardzo powaŝne infekcyjne zapalenie rogówki [4]. Aby zabezpieczyć rogówkę przed niedotlenieniem, soczewki uŝywane w trybie dziennym muszą posiadać minimalną tleno-transmisyjność ok. 22 jednostek, zaś soczewki do noszenia przedłuŝonego ok. 80 jednostek. Badania dowiodły, Ŝe taka Dk/t redukuje poranny obrzęk rogówki po nocy spędzonej w SK do 4%. Jest to wartość podobna jak dla oka bez korekcji kontaktowej. Dowiedziono równieŝ, Ŝe soczewki wykonane z materiałów o wyŝszej przepuszczalności (hydroŝele silikonowe), znacząco redukują ilość działań niepoŝądanych w porównaniu z soczewkami tradycyjnymi, noszonymi w tym samym trybie [5]. PODSTAWY FIZYCZNE POMIARU PRZENIKALNOŚCI TLENU NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe czym innym jest przepuszczalność materiału, z którego wykonano soczewkę kontaktową, a czymś innym przenikanie tlenu przez gotową soczewkę. W tym drugim przypadku pod uwagę bierze się równieŝ kształt oraz grubość gotowego produktu. Obecnie w uŝyciu są dwa terminy: gazo-przepuszczalność (Dk) oraz transmisyjność (Dk/t), gdzie t jest grubością gotowej soczewki. Obie te wartości zawarte są w ogólnym wzorze opisującym proces dyfuzji, a znanym jako prawo Ficka. Dla gazów wzór ten ma postać: I = -D p/ x Dla SK odpowiednikiem D jest Dk, zaś p opisuje róŝnicę ciśnienia parcjalnego po obu stronach soczewki. x jest miarą grubości soczewki i odpowiada t. Jak łatwo zauwaŝyć, zarówno róŝnica ciśnień parcjalnych jak i współczynnik przepuszczalności pozostają stałe, zaś jedyną zmienną w tym wzorze jest w naszym przypadku grubość soczewki. 4

5 Przenikalność tlenu jest więc odwrotnie proporcjonalna do grubości soczewki. Parametr ten nie jest stały na całym przekroju soczewki kontaktowej, w praktyce jednak do pomiarów uŝywa się centralnej jej części (ryc. 2). HYDROśEL A HYDROśEL SILIKONOWY Osobną sprawą jest sam materiał uŝyty do produkcji soczewki. Dla konwencjonalnych soczewek kontaktowych hydroŝelowych tleno-przepuszczalność zaleŝy prawie liniowo od zawartości wody. HydroŜele wytwarza się z polimetakrylanu hydroksyetylowego (phema). Sam polimer jest uwodniony jedynie w 38%, więc wysiłki naukowców szły w kierunku stworzenia materiału o większym uwodnieniu. Osiąga się to przez dodanie np. kwasu metakrylowego lub winylopirydyny [1]. W praktyce transmisyjność rośnie wraz z uwodnieniem tylko do pewnego momentu. Bardzo wysoko uwodnione (powyŝej 70%) polimery nie nadają się do wytwarzania cienkich soczewek kontaktowych. Ich produkcja jest skomplikowana, ponadto z niewyjaśnionych przyczyn powodują one barwienie rogówki. Aktualnie optymalne wydają się soczewki średnio uwodnione (55-60%), szczególnie dla SK o małych i średnich mocach minusowych [6]. ChociaŜ polimery uŝyte w tradycyjnych soczewkach hydroŝelowych są nieprzepuszczalne dla tlenu, istnieją tworzywa zdolne do przepuszczania tlenu. Szczególnie uŝyteczne w przemyśle optycznym są polimery zawierające grupy siloksanowe. Produkowane z nich SK są określane jako silikonowo-hydroŝelowe. Jest to istotne o tyle, Ŝe w tradycyjnych hydroŝelach podczas uŝytkowania dochodziło często do częściowej utraty uwodnienia, wynoszącej nawet do 6% [7]. W soczewkach silikonowo-hydroŝelowych za przenikanie tlenu odpowiedzialne są głównie właśnie grupy siloksanowe; przepuszczają one tlen lepiej niŝ woda. W konsekwencji tlenoprzepuszczalność rośnie wraz ze wzrostem ilości siloksanów i spadkiem zawartości wody w soczewce [8]. NaleŜy jednak zauwaŝyć, Ŝe uwodnienie soczewki kontaktowej jest istotne nie tylko z punktu widzenia przenikalności tlenu, ale odpowiada równieŝ za komfort noszenia i elastyczność materiału. Grupy siloksanowe maja właściwości hydrofobowe. Z tego względu niektóre soczewki nowej generacji są często wzbogacone o substancje hydrofilne, jak np. poliwinylopirolidony (PVP); uwodnienie tych soczewek kontaktowych osiąga 50% [1]. 5

6 PRZEPŁYW TLENU JEST NAJBARDZIEJ MIARODAJNYM PARAMETREM DLA WSPÓŁCZESNEJ SOCZEWKI KONTAKTOWEJ Nowa generacja materiałów wydaje się wymuszać nowe podejście do problemu pomiaru przepuszczalności tlenu. Obecnie rezygnuje się z miar laboratoryjnych tlenoprzepuszczalności i transmisyjności - na rzecz parametru fizjologicznego, jakim jest przepływ tlenu (oxygen flux)(of). Jest to ilość tlenu, która dociera do jednostki powierzchni rogówki w jednostce czasu [9]. W zakresie przepuszczalności tradycyjnych hydroŝeli OF nie był aŝ tak istotny, gdyŝ między nim a transmisyjnością istniała zaleŝność liniowa. Dla wyŝszych wartości transmisyjności w hydroŝelach silikonowych moŝna zaobserwować ciekawy efekt: OF przyrasta coraz wolniej, choć przyrost transmisyjności pozostaje prawie liniowy. Wyjaśnienie kryje się w zapisie prawa Ficka: OF = Dk/t p Ciśnienie parcjalne tlenu na przedniej powierzchni soczewki kontaktowej nałoŝonej na rogówkę, wynosi 160 mmhg dla oka otwartego i 60 mmhg dla zamkniętego. Zmienna jest więc tylko wartość ciśnienia parcjalnego na tylnej powierzchni SK i to ona decyduje o gradiencie p. Dla wysokich transmisyjności wartość p na powierzchni tylnej rośnie, gradient ulega zmniejszeniu, a co za tym idzie OF przyrasta coraz wolniej, choć przyrost transmisyjności (Dk/t) pozostaje stały. Okazuje się więc, Ŝe z punktu fizjologii rogówki bezcelowe jest zwiększanie parametrów laboratoryjnych przenikalności dla tlenu, gdyŝ powyŝej ok. 30 jednostek nie wpływa to juŝ znacząco na wzrost OF. Choć moŝliwe jest wytworzenie materiału o przepuszczalności nawet 1000 jednostek, to soczewki kontaktowe z nich wykonane nie dostarczą rogówce znacząco więcej tlenu niŝ obecne. Tak więc w dobie soczewek hydroŝelowo-silikonowych logiczniejsze wydaje się przejście na opis przenikalności tlenu za pomocą OF. Tleno-przepuszczalność i transmisyjność pozostają w oderwaniu od fizjologii i mogą raczej wprowadzać w błąd, niŝ miarodajnie opisywać stan natlenienia rogówki [10]. 6

7 WNIOSKI 1. Współczesne soczewki kontaktowe wytwarzane są z zastosowaniem róŝnorakich polimerowych tworzyw sztucznych, które muszą spełniać takie wymagania konstrukcyjne, aby nie naruszać fizjologii rogówki. 2. HydroŜel - tradycyjny materiał soczewek miękkich, ma silną konkurencję w hydroŝelach silikonowych. Sposób przenikania tlenu przez oba materiały jest róŝny. 3. Soczewka kontaktowa musi być przenikalna dla tlenu, który rogówka czerpie tylko z filmu łzowego. Ten parametr moŝna opisać na róŝne sposoby, z których najbardziej fizjologicznym wydaje się obecnie przepływ tlenu- OF. LITERATURA [1] ZAJĄC M.: Optyka Okularowa. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne Wrocław (2003), 12, [2] POLSE K. A: Tear flow under hydrogel contact lenses. Invest. Ophtalmol. Vis. Sci., (1979) 18, [3] CUCKLANZ H. D., HILL R. M.: Oxygen requirements of contact lens systems: I. comparision of mathematical predictions with physiological measurements. Am. J. Optom., (1969), 46, [4] EFRON N.: Contact Lens Complications. Oxford, UK: Butterworth - Heinemann (2004). [5] MORGAN P., EFRON N., HIL L. et al.: Incidence of keratitis of varying severity among contact lenses wearers. Brit. J. Ophthal., (2005), 89, [6] MORGAN P., BRENNAN N.: The Decay of Dk. Optician., (2004), 227 (5937), [7] EFRON N., MORGAN P. B.: Hydrogel contact lens dehydration and oxygen transmissibility. CLAO J., (1999), 25, [8] SCHOFIELD J.: A new silicone hydrogel lens. Optician. (2005), 229 (5995), [9] BRENNAN N. A., EFRON N., HOLDEN B. A., FATT I.: A rewiev of the theoretical concepts, measurment systems and application of contact lens oxygen permeability. Ophthalmic. Physiol. Opt., (1987), 7, [10] SWEENEY D. F., KEAY L., JALBERT I., SANDKRIDURG P. R., HOLDEN B. A., SKOTNITSKY C., STEPHENSON A., COVEY M., RAO G. N.: Clinical 7

8 performance of silicone hydrogel lenses. In Sweeney, ed. Silicone hydrogels: the rebirth of continous wear contact lenses. Oxford: Butterworth-heinemann. (2000). Adres autorów Katedra i Klinika Okulistyki Akademii Medycznej we Wrocławiu ul. Chałubińskiego 2a Wrocław tel adamgr@poczta.fm 8

9 Ryc. 1. Soczewka kontaktowa Fig. 1. A contact lens 9

10 ZaleŜność pomiędzy zawartością wody i przepuszczalnością tlenu DK Zawartość wody w 35st.C Ryc. 2. ZaleŜność przepuszczalności tlenu od zawartości wody(w procentach). Fig. 2. Relation between oxygen permeability and water content 10