Itsestään korjaavat piilolinssit ja rikkoutumisen korjaus

Nostat piilolinssikoteloa ja katsot himmeää viivaa linssissä. Pieni naarmu. Riittää häiritsemään, ehkä riittää hajottamaan valoa yöllä. Heittääkö sen pois? Useimmat tekisivät niin. Hukkaavaa. Ärsyttävää. Mahdollisesti turhaa, pian ehkä ei enää.

Uusi kemia vanhaan ongelmaan

Kemistit Jung-Hyun Choi ja Byoung-Ki Cho Dankookin yliopistosta Etelä-Koreasta ovat ottaneet toisenlaisen lähestymistavan tutuksi käyneeseen pehmeiden piilolinssien naarmuuntumiseen. Sen sijaan, että suunniteltaisiin linssi, joka ei koskaan vahingoittuisi, he rakensivat linssin, joka korjaa itsensä. Salaisuus: disulfidipohjainen ristisilloittaja upotettuna hydrogeelimatriisiin. Altista linssi tavalliselle ultraviolettivalolle noin tunnin ajan, ja polymeriketjujen välillä rikkoutuneet yhteydet voivat muodostua uudelleen, sulkien pintavauriot ja palauttaen suurimman osan materiaalin alkuperäisestä vakaudesta.

Tutkijat raportoivat löydöksistään ACS Applied Polymer Materials -lehdessä. He yhdistivät rikki-rikki -sidoksella ristisilloitetun toiminnon metakrylaattipolymeerirankaan, tuottaen verkoston, joka on sekä joustava että kykenee uudelleenyhdistymään hajotessaan. Toinen polymeerikomponentti lisää naarmuuntumiskestävyyttä ja vähentää kohtia, joihin proteiinit tai mikrobit voisivat tarttua.

Tutkijat käyttivät tiettyä molekyylisekoitusta itsestäänkorjautuviin piilolinsseihin. 

Kun ryhmä vertasi disulfidilla ristisilloitettua hydrogeeliä, lyhennettynä DS-hydrogeeli, kontrollihydrogeeliin, joka oli rakennettu tavallisesta ristisilloittajasta, ero oli selvä. Rutiininomaiset pinnan naarmut, jotka säilyivät kontrollinäytteessä, hävisivät suurelta osin DS-hydrogeelissä UV-käsittelyn jälkeen. Määrällisesti linssit palauttivat noin 90 prosenttia rakenteellisesta vakaudestaan testeissä käytetyissä olosuhteissa.

Miksi naarmut ovat tärkeämpiä kuin luulet

On helppo vähätellä mikroskooppista pientä vauriota kosmeettisena. Mutta jopa matalat pintapoikkeamat muuttavat valon kulkua linssin läpi. Ne voivat aiheuttaa häikäisyä, heikentää kontrastia ja heikentää käyttömukavuutta. Huolestuttavampaa on, että karheat kohdat tarjoavat tarttumapintoja proteiineille ja mikrobeille, edistäen biofilmin muodostumista ja lisäten infektion riskiä.

Aiemmat lähestymistavat itsestään korjaaviin polymeereihin usein vaativat kohonneita lämpötiloja tai eksoottisia ärsykkeitä korjauksen käynnistämiseksi. Se rajoitti käytännön sovelluksia, erityisesti tuotteille, jotka ovat kosketuksissa silmän herkkään kudokseen. Merkittävä edistys tässä tutkimuksessa on se, että tavallinen UV-valo, sama jota käytetään joissakin kuluttajatuotteiden linssin puhdistimissa, riittää aktivoimaan disulfidikemian lähellä huoneenlämpötilaa.

Naarmu (vas.) ja korjattu naarmu (oik.) uudessa piilolinssimateriaalissa. 

Kuinka korjaus toimii, lyhyesti

• Disulfidisillat ristisilloittajassa voivat katketa mekaanisen rasituksen alla, luoden vapaita ketjunpäitä verkon heikentyessä.
• Altistus UV-valolle edistää sidosten vaihtoa ja uudelleenmuodostumista, käytännössä uudelleenkutoen rikkoutuneet ketjut vaurioituneella rajapinnalla.
• Lisätty polymeerikomponentti parantaa pinnan sitkeyttä ja vastustaa proteiinien tarttumista, vähentäen naarmujen esiintymistiheyttä ja vakavuutta.

Käytännön näkymät ja haasteet

Kuvittele tämä: yhdistetty puhdistus- ja korjauskotelo. Lasket linssisi sisään, laite suorittaa jakson, ja tunnin kuluttua linssit tulevat ulos lähes uudenveroisina. Tämä voisi vähentää kuluttajakustannuksia ja muovijätettä hylättyjen linssien vuoksi. Se voisi myös parantaa turvallisuutta, jos linssit pysyvät sileämpinä ja vähemmän alttiina biofilmin muodostumiselle.

Mutta vaikeuksia on edelleen. Mikä tahansa laite tai hoitorutiini, joka muuttaa linssin kemiaa, on läpäistävä perusteelliset silmäturvallisuustestit. Silmä ei anna armoa. Ärsytys, allerginen reaktio tai odottamattomat muutokset hapenläpäisevyydessä olisivat tuhoisia. Tutkijat myöntävät, että nämä vaiheet ovat välttämättömiä ennen kuin teknologia voi päästä myyntiin.

On myös laajempia vaikutuksia. Tässä esitetty rikkipohjainen strategia ei rajoitu pelkästään silmälaitteisiin. Se viittaa kestävien, itsestään korjaavien muovien ja pinnoitteiden kehitykseen lääketieteellisiin laitteisiin, puettaviin optiikoihin ja muihin sovelluksiin, joissa pinnan eheys on tärkeää.

Asiantuntijan näkemys

"Disulfidinvaihtoa hyödyntäminen korjauksen kiihdyttämiseksi huoneolosuhteissa on elegantti ratkaisu", sanoo tohtori Maria Alvarez, materiaalityön tutkija, joka tutkii biomedikaalisia polymeereja. "Se hyödyntää polymeritieteessä jo hyvin tunnettua kemiaa, mutta soveltaa sitä arkipäiväiseen tuotteeseen. Ratkaisevia seuraavia vaiheita ovat pitkäaikaiset biokompatibilisuustestit ja arviointi siitä, miten toistuvat korjausjaksot vaikuttavat toimintaan kuukausien käytön aikana."

Yhteenveto

Itsestään korjaavat piilolinssit, joita tehostavat disulfidiristisillat ja yksinkertainen UV-altistus, vievät tutun tuotteen kohti parempaa pitkäikäisyyttä. Kemia palauttaa pinnan eheyden nopeasti ja säilyttää vedenpidätyskyvyn samanlaisena kuin nykyisissä pehmeissä linsseissä. Jos turvallisuus- ja sääntelyvaatimukset voidaan täyttää, tämä lähestymistapa lupaa vähemmän hylättyjä linssejä, pidemmän käyttöiän ja pienemmän ärsytyksen tai infektion riskin, joka liittyy naarmuuntuneisiin pintoihin. Tällä hetkellä tutkimus tarjoaa käytännöllisen suunnitelman: älykkäämmät materiaalit, joilla on potentiaalia muuttaa silmien hoitoa.

Tutkimus on julkaistu ACS Applied Polymer Materials -lehdessä.