Novel polymeric materials for ophthalmological implants: photo-induced change in refractive index and high refractive index materials with concomitantly UV absorbing chromophores

Durch die enormen Fortschritte in der Medizin steigt die durchschnittliche Lebenserwartung der Menschen kontinuierlich. Das Durchschnittsalter eines Mannes beträgt heute bereits über 75 Jahre, das einer Frau über 80 Jahre. Mit zunehmendem Alter der Bevölkerung steigt die Bedeutung von Alterskrankheiten rapide. Die Katarakt (cataracta senilis) oder der „Graue Star“ ist eine Alterskrankheit von der viele Menschen betroffen sind. Im Verlauf der Krankheit trübt sich die ansonsten klare Augenlinse. Diese Trübung steigert sich bis zum vollständigen Verlust der Sehkraft. Katarakt ist mittlerweile weltweit die häufigste Ursache für Blindheit. Die Ursachen der Entstehung von Katarakt sind nicht bis ins letzte Detail geklärt, aber es gibt Faktoren, wie z.B. hohe UV Exposition, die die Progression der Krankheit fördern. Eine medikamentöse Behandlung der Katarakt ist trotz der fortschrittlichen Medizin bis jetzt nicht realisiert. Die einzige Möglichkeit den Grauen Star zu therapieren, ist die getrübte Linse durch einen chirurgischen Eingriff zu explantieren und eine künstliche Linse zu implantieren. Diese künstlichen Linsen, sogenannte Intraokularlinsen (IOL) werden seit über 60 Jahren implantiert. Die Katarakt-Operation ist heute eine der am Menschen häufigsten durchgeführten Operationen. Es gab bis zu diesem Zeitpunkt zahlreiche Innovationen auf dem Gebiet der IOL-Herstellung, jedoch ist ein Hauptproblem der Katarakt-Chirurgie nachwievor die suboptimale Sehkraft nach der IOL-Implantation. Dieses Problem ist individuellen postoperativen Effekten geschuldet und in der Regel nicht vorhersehbar. Über 80% aller Patienten haben nach der IOL-Implantation eine Sehschärfeverlust im Bereich von ± 2 Dioptrien. Ein Hauptziel dieser Arbeit ist es, moderne Materialien für die IOL-Herstellung zu synthetisieren, mit denen es möglich ist, postoperativ und non-invasiv die Brechkraft der IOL zu ändern. Erreicht werden soll dieses Ziel durch Verwendung von photochemisch aktiven Gruppen wie Cumarinen, Stilbenen und Chalkonen. Diese Substanzklassen reagieren auf bestimmte Wellenlängen indem sie in einer [2π+2π]-Cycloaddition dimerisieren. Durch die Dimerisierung wird das konjugierte π-Elektronensystem verkürzt, dadurch wiederum ändert sich die Polarisierbarkeit des Moleküls. Weiterführende theoretische Betrachtungen zeigen, dass der Brechungsindex eines Materials von der Polarisierbarkeit abhängt. Somit ist es möglich, durch photochemische Manipulation auf mikroskopischer Ebene, makroskopisch den Brechungsindex eines Materials zu ändern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Reihe von Polymeren erfolgreich synthetisiert und photochemisch charakterisiert, mit denen es möglich ist, die Brechkraft einer IOL photochemisch um über drei Dioptrien zu ändern. Aus ausgewählten Polymeren wurden zunächst Polymerplatten hergestellt und aus diesen wiederum wurden Linsenprototypen gefertigt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass diese neuen Materialien mit industriellen Methoden bearbeitbar sind. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Erforschung von hochbrechenden Materialien, das heißt mit einem Brechungsindex größer als n = 1,60, für den Einsatz als Material für phake Intraokularlinsen. Phake Intraokularlinsen (PIOL) sind sehr dünne Linsen, im Fachjargon auch als Kontaktlinse für „in das Auge“ bekannt. Da diese Linsen sehr dünn sind, ist ein hoher Brechungsindex essentiell, da sonst keine optische Wirkung erreicht werden würde. Zudem sollten Materialien im Rahmen dieser Forschung als Besonderheit gleichzeitig UV absorbierend sein, ohne einen zusätzlichen UV-Absorber zu verwenden. Es wurden zwei Derivate des Cumarins synthetisiert, aus denen methacrylat-basierte Polymere mit einem Brechungsindex von n = 1,61 hergestellt wurden. UV/Vis spektroskopische Messungen zeigten, dass diese Cumarinderivate im Bereich eines typischen UV-Absorbers absorbieren. Photochemische Untersuchungen zeigten, dass diese Cumarinderivate im Gegensatz zu den in Arbeitspaket eins synthetisierten Cumarinderivaten nicht photochemisch dimerisieren und somit der Brechungsindex nicht variiert werden kann.
Over the past decades medicine evolved continuously, which can clearly be seen in the rising average of life expectancy. But as the population gets older and older the number of old-age diseases increases. Cataract (cataracta senilis) is such an old-age disease and worldwide the number one reason for blindness. Cataract is a tanning of the natural lens severely affecting vision. Up to date explanation of the natural eye lens and its replacement by a polymeric intraocular lens (IOL) is the only way to treat cataract. After implantation of an IOL most of the patients do not achieve optimum vision. Reasons for this suboptimal result are individual effects e.g. wound healing. These effects are not fully predictable. Most of the patients have to wear viewing aids. Approximately 80% of all patients are in a range of ± 1 diopter around the optimum vision. Our aim is to supply polymers which enable post-operative tuning of the refractive properties of the implanted IOL made of these new polymers in order to compensate for all remaining imperfections. These polymers are based on a poly methacrylate backbone and incorporate coumarin, stilbene and chalcone derivatives as side groups which can undergo a [2π+2π] - dimerization reaction. Through dimerization the conjugated π-electron system is decreased. As a direct consequence the molecules polarizability and relative permittivity are also affected. A closer look at the theory of velocity of light shows the direct relation of the refractive index n and the molecules relative permittivity. In the presented work various polymers containing coumarins, stilbenes and chalcones were successfully synthesized and photo chemically characterized. These polymers show significant changes in refractive index upon irradiation of up to 3 diopters. Selected polymers were used to manufacture polymeric plates which were processed to prototypes. These prototypes could be machined by standard operating procedures used in the industry. The second working package was to investigate new polymeric materials for high refractive index materials used for phacic intraocular lenses (PIOL). PIOL´s are used as an additional support in ophthalmic surgery. PIOL´s are very thin (0.1 mm in thickness) and have to be highly refractive. The desired refractive index should be bigger than n = 1.60. As a specialty the polymer should simultaneously absorb in the UV region and act as an UV absorber without adding one. Two coumarin derivatives were therefore successfully synthesized. Methacrylate based polymers with these new coumarin derivatives showed refractive indices of n = 1.61. Furthermore these molecules absorb in the UV region enabling them to act as an UV absorber. In contradiction to previously synthesized polymers containing coumarin in the side chain of the polymer these molecules do not dimerize under irradiation.