title: Neue polymere Werkstoffe für ophthalmologische Implantate: Photoinduzierte Brechungsindexänderung und hochbrechende konkomitierend UV absorbierende Chromophore
title: Novel polymeric materials for ophthalmological implants: photo-induced change in refractive index and high refractive index materials with concomitantly UV absorbing chromophores
Creators: name: Schraub, Martin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Intraocularlinsen
Grauer Star
Photochemie
Chemie
Cumarin
Stilben , Chalkon
intraocular lens
Dimerisierung
Polymere

description: 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.
description: 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.