Contactlenzen - Chemische Feitelijkheden

Inhoud
Startpagina
Contactlenzen
182–1
Contactlenzen
door R.M. Rosenbrand
optometrist, Bausch & Lomb bv, Schiphol-Rijk
1.
2.
3.
4.
5.
5.1.
6.
7.
8.
9.
1
Inleiding
Harde contactlenzen van kunststof
Zachte lenzen en de „spincast”-methode
Versnelde ontwikkelingen na 1970
Zuurstofdoorlatendheid (Dk)
Zuurstoftransmissie (Dk/t)
Nieuwe fabricagemethoden
Nieuwe ontwikkelingen
Klinische studies
Literatuur
182– 3
182– 4
182– 5
182– 6
182– 8
182– 8
182– 8
182– 9
182–10
182–11
Chemische Feitelijkheden is een uitgave van Ten Hagen & Stam bv in samenwerking met de Koninklijke
Nederlandse Chemische Vereniging.
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
Contactlenzen
1.
182–3
Inleiding
Contactlenzen zijn ouder dan over het algemeen gedacht wordt.
Weliswaar vinden ze pas in de laatste dertig jaar hun weg naar een
miljoenenpubliek, maar voor de uitvinding van contactlenzen moeten we bijna vijf eeuwen terug. De Italiaanse kunstenaar en uitvinder Leonardo da Vinci (1452-1519) ontdekte dat er een optisch effect ontstond als hij met zijn hoofd onder water zijn ogen opende:
het beïnvloedde zijn gezichtsscherpte. Hij dacht daar over na, en
ontwierp in 1508 een halve glazen bol gevuld met water, die men op
het oog zou kunnen bevestigen om scherper te zien. Het eerste, ruwe
idee van de contactlens was daarmee geboren. Erg praktisch was dit
natuurlijk nog allemaal niet, even afgezien van de mallotige aanblik
die het oplevert om met zulke viskommetjes voorgebonden rond te
kijken. De Franse wijsgeer en wiskundige René Descartes ging op
het idee van Da Vinci door. In 1636 beschreef hij hoe men ook een
buisje gevuld met water tegen het oog zou kunnen houden. Descartes boekte desondanks niet veel vooruitgang.
De tweede belangrijke stap voorwaarts werd gezet door de natuurkundige John Herschel. In 1845 beschreef hij het systeem van de
contactlens zoals we die nu kennen. Alleen het materiaal en de techniek om dat materiaal te bewerken ontbraken nog. Men experimenteerde met gelatineblaadjes op de ogen, maar dat was de oplossing
niet. De Zwitser Eugen Fick liet in 1888 door een glasblazer glazen
schaaltjes vervaardigen die maximaal twee uur gedragen konden
worden. Een hele stap vooruit, maar het was nog verre van ideaal.
De Franse oogarts Kalt komt meer voor de prijs voor de uitvinding
van de contactlens in aanmerking. Evenals Fick bedacht hij (ook in
1888) een systeem met glazen schaaltjes. Maar de zijne waren veel
kleiner: ze zaten niet vast op het oog, maar dreven op het hoornvlies, precies zoals dat met de huidige contactlenzen het geval is. Dit
verhoogde het draagcomfort aanmerkelijk, en Kalt geldt dan ook
als degene die de eerste bruikbare contactlenzen aanpaste. In die tijd
noemde men ze overigens nog „contactglazen”.
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
182–4
Contactlenzen
0886-0280
Descartes, 1636
lens
Herschel, 1845
glascapsule
Hoornvlies
met vloeistof
gevulde sluis
Figuur 1.
2.
Hoornvlies
gelatine
Historische concepten voor de huidige contactlens.
Harde contactlenzen van kunststof
Al voor de oorlog, in 1933, werd polymethylmethacrylaat (PMMA),
ofwel perspex, ontdekt. Na het uitbreken van de oorlog werd het
materiaal eerst alleen nog maar gebruikt voor koepels van gevechtsvliegtuigen en dergelijke, maar in 1946 boog men zich ook over toepassingen voor het corrigeren van oogafwijkingen. Perspex was aanmerkelijk lichter dan glas en liet zich uitstekend bewerken en polijsten. Men besefte dat er op het gebied van kunststoffen veel meer
mogelijkheden moesten liggen. Het idee om kleine contactlenzen uit
PMMA te produceren kwam van de Engelsman Kevin Tuohy. De
doorbraak vond plaats in de jaren zestig van de twintigste eeuw.
PMMA-lenzen kennen ook belangrijke nadelen; ze zijn ondoorlaatbaar voor gassen waardoor de zuurstofaanvoer naar het oog wordt
belemmerd. Dit kan tot hoornvliesbeschadigingen leiden. Er werd
niet alleen gezocht naar materialen die vriendelijker voor het oog
zouden zijn, maar ook naar mogelijkheden om deze materialen op
grote schaal fabrieksmatig te vervaardigen.
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
Contactlenzen
182–5
0886-0288
CH3
CH2
C
n
C
O
OCH3
Figuur 2.
3.
Polymethylmethacrylaat (PMMA).
Zachte lenzen en de „spincast”-methode
De Tsjechische professor Wichterle en zijn collegae Lim en Dreifus
zorgden eind jaren zestig voor een nieuwe doorbraak. Ze ontwikkelden poly(2-hydroxyethylmethacrylaat) (HEMA) en introduceerden de eerste zachte contactlens. Het grote voordeel van dit materiaal lag in de poreusheid ervan. Door de losse chemische structuur
van de kunststof kon deze tot 38% procent van zijn volume aan
vocht opnemen. Wichterle, Lim en Dreifus ontdekten dus dat lenzen
niet per definitie hardplastic plaatjes hoefden te zijn, maar ook de
vorm konden hebben van een soort doorzichtige sponsjes, die moeiteloos lang achtereen gedragen konden worden. Bovendien bedachten zij een nieuwe, uiterst ingenieuze productiemethode: de „spincast”-methode.
0886-0289
CH3
CH2
C
n
O
O
CH2CH2
O
C
OH
N
CH
Figuur 3.
36 Chemische feitelijkheden
CH2
Structuurformule van HEMA en N-vinylpyrrolidon.
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
182–6
Contactlenzen
Bij deze methode wordt een druppel kunststof in een mal gegoten
die vervolgens dusdanig snel wordt rondgedraaid, dat zich door de
middelpuntvliedende kracht in de mal een schijfje vormt. Wanneer
dat schijfje zich volzuigt met vocht, resulteert dat in een zachte contactlens met de gewenste optische eigenschappen. Het uitvinderstijdperk was vanaf dat moment voorbij. Alle aandacht richtte zich vervolgens op het perfectioneren van het product: op optimaal draagcomfort, op een zo lang mogelijke draagtijd en op een perfecte pasvorm voor iedere oogbolling.
4.
Versnelde ontwikkelingen na 1970
Vanaf die tijd gingen de ontwikkelingen snel. Zo kwamen in 1973 de
eerste „permanent wear”-contactlenzen op de markt die dag en
nacht gedragen konden worden. Deze lenzen worden vervaardigd
uit een combinatie van HEMA en N-vinylpyrrolidon waarbij het
watergehalte kan oplopen tot 70%. Hierdoor kan meer zuurstof
worden afgegeven aan het hoornvlies. De populariteit van contactlenzen nam nadien enorm toe, maar er bleken in de praktijk toch
nog veel beperkingen te bestaan. Vooral het zuurstofgebrek van het
hoornvlies bleek in vele gevallen het probleem, waardoor er negatieve reacties en complicaties optraden. De contactlensindustrie ging
naarstig op zoek naar nieuwe materialen. Zo werd er gekeken naar
100% siliconenrubbers (poly(dimethylsiloxaan)) die bekend staan
om de hoge permeabiliteit voor zuurstof. Helaas bleek dit materiaal
ongeschikt voor de toepassing in contactlenzen. Siliconen hebben
een sterk waterafstotend karakter en er kan geen vloeistof doorheen, met als gevolg „vette” vastzittende lenzen en rode ogen.
0886-0290
CH3
O
Si
n
CH3
Figuur 4.
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
Siliconenrubber.
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
Contactlenzen
182–7
In 1975 werden de eerste zuurstofdoorlatende harde lenzen aangemeten. Het materiaal van deze lenzen is gebaseerd op een variant
van methylmethacrylaat en een siliconenacrylaat. Deze siliconenacrylaatmaterialen werden succesvol toegepast en vervingen successievelijk de klassieke PMMA-lenzen. Later werden varianten van siliconenacrylaatmaterialen op de markt gebracht, voornamelijk door
toevoeging van fluoriden, waardoor de zuurstofdoorlatendheid nog
meer werd opgevoerd en bovendien werd de aantrekkingskracht
voor vuil en vetten hierdoor beduidend minder.
Gebaseerd op de chemische structuur en het watergehalte worden
zachte contactlensmaterialen geclassificeerd in vier groepen:
Groep I:
laag water – niet-ionische polymeren,
Groep II:
hoog water – niet-ionische polymeren,
Groep III:
laag water – ionische polymeren,
Groep IV:
hoog water – ionische polymeren.
De HEMA-materialen hebben een waterpercentage van 38% en vallen in Groep I: laag water – niet-ionische polymeren, terwijl polymeren uit combinaties van HEMA en methacrylzuur in Groep IV
vallen.
De verdeling tussen „laag” en „hoog” water is arbitrair bepaald op
50%. De term „ionisch” betekent dat het materiaal een negatieve
lading heeft. Deze negatieve lading is afkomstig van componenten
zoals methacrylzuur, die het watergehalte van het lensmateriaal verhogen. Ionische materialen trekken hierdoor ook gemakkelijker eiwitten aan die, meestal positief geladen, in het traanvocht aanwezig
zijn. Er vindt dan gemakkelijk een opbouw van eiwitten plaats.
Wanneer deze eiwitten denatureren, kan dit tot problemen leiden
voor het zicht en ook kan er een immuunrespons plaatsvinden waardoor intolerantie kan optreden.
Deze classificatie is dus bedoeld om een onderscheid te maken in de
beschikbare contactlensmaterialen met hun specifieke eigenschappen.
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
182–8
5.
Contactlenzen
Zuurstofdoorlatendheid (Dk)
Contactlenzen vormen een potentiële barrière voor de aanvoer van
zuurstof en de afvoer van kooldioxide naar en van het hoornvlies.
Beide gassen spelen een belangrijke rol bij het in stand houden van
de gasuitwisseling. De zuurstofdoorlatendheid van contactlenzen
wordt uitgedrukt in de permeabiliteitwaarde of Dk-waarde. De formule voor het bepalen van de Dk-waarde is Dk = D × k, waar D
staat voor diffusie en k voor oplosbaarheid van zuurstof. De waarde
wordt bepaald in een laboratoriumopstelling (in vitro) en is afhankelijk van de temperatuur waarbij deze meting gedaan wordt. De
standaardtemperatuur is 35 °C; deze komt overeen met de temperatuur van het hoornvlies. Contactlensmaterialen hebben verschillende Dk-waarden. Hoe hoger het getal, des te hoger de zuurstofdoorlatendheid. Bepalend hierbij is het watergehalte en de molecuulstructuur.
Er bestaan verschillende mechanismen waardoor diffusie van zuurstof kan plaatsvinden. Bij zachte contactlenzen is de watercomponent verantwoordelijk voor de diffusie. Hoe hoger het watergehalte,
hoe meer zuurstof het materiaal afgeeft. De passage van zuurstof bij
materialen die geen water opnemen, is complexer. De uitwisseling
van zuurstof heeft dan plaats via de molecuulstructuur van het lensmateriaal.
5.1. Zuurstoftransmissie (Dk/t)
De zuurstoftransmissie van een contactlens wordt bepaald door
enerzijds de Dk-waarde en anderzijds de dikte (t) in de formule
Dk/t. Hoe dunner een contactlens en hoe hoger het watergehalte,
des te groter is de zuurstoftransmissie of Dk/t-waarde. De zuurstoftransmissiewaarde geeft in feite aan hoe lang de lenzen veilig te dragen zijn.
6.
Nieuwe fabricagemethoden
Ook in de fabricage worden belangrijke nieuwe methoden toegepast. De moderne productiemethode voor de fabricage van contactlenzen is de zogenaamde „cast-moulding” methode. De vorm van de
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
Contactlenzen
182–9
contactlens wordt verkregen door twee mallen die alle vormeigenschappen overbrengen op de uiteindelijke lens. Door tegelijkertijd
een vloeibaar monomeer in beide mallen te injecteren worden de
mallen op elkaar geperst. Door bestraling met UV-licht vindt polymerisatie plaats. De cast-moulding methode maakt het mogelijk
dat contactlenzen met uiterste precisie en op grote schaal geproduceerd kunnen worden. Met deze methode deden de wegwerpcontactlenzen hun intrede.
7.
Nieuwe ontwikkelingen
Hoewel contactlenzen de kinderschoenen ontgroeid zijn, gaat het
onderzoek naar de ideale oogcorrectie onverminderd voort. Men
werkt aan het perfectioneren van de wegwerplens, aan het ontwikkelen van lenzen die nog beter zuurstofdoorlatend zijn, en aan het
verbeteren van dubbelfocus contactlenzen. Bij dubbelfocus of multifocale contactlenzen – hierbij is dus sprake van een vertesterkte en
een leessterkte – is het zaak dat het deel met de leessterkte voor de
pupil schuift als er gelezen wordt. Dit vraagt om ingewikkelde lensconstructies. Vaak ontstaat er een schaduwbeeld doordat ter plaatse
van de pupil precies op de scheiding van het vertedeel en het leesdeel
gekeken wordt. Ook de verzorging van contactlenzen krijgt alle aandacht. Men streeft naar zo eenvoudig mogelijke onderhoudsmethoden met (chemische) schoonmaak- en desinfectiemiddelen. Dit onderwerp zal in een latere Chemische Feitelijkheid aan de orde komen.
De laatste revolutionaire doorbraak op het gebied van contactlenzen is de dertig dagen continulens (extended wear). In 1999 hebben
twee fabrikanten, Bausch & Lomb en Ciba Vision, nieuwe contactlenzen geïntroduceerd (respectievelijk onder de naam Purevision en
Night & Day) die optimaal inspelen op de wens van de consument,
waarbij gemak, comfort en veiligheid voorop staan. Deze continulenzen, die vier- tot vijfmaal zoveel zuurstof doorlaten als conventionele zachte lenzen, kunnen dag en nacht gedragen worden, dertig
dagen lang. Het lensmateriaal is vervaardigd uit een combinatie van
siliconen en hydrogel.
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
182–10
Contactlenzen
0886-0291
Me
CH2
C
O
C
O
Me
Me
Si
(CH2)3
O
Si
Me
O
O
Me
Me
Si
Si
Me
Me
Me
Me
Figuur 5.
Siliconen-hydrogel.
Het siliconenbestanddeel zorgt ervoor dat zuurstof wordt opgenomen en afgegeven aan het hoornvlies. Het hydrogel, vinylpyrrolidon, maakt vloeistoftransport mogelijk waardoor vloeistof en ionen het traanvocht kunnen bereiken. De waterafstotende siliconenstructuur aan het oppervlak wordt in een hydrofiele silicaatlaag veranderd door een zogenaamde plasmabehandeling, waarbij de lens
tijdens een chemische gasontlading beschoten wordt met elektronen.
Hierdoor ontstaat een permanent goed bevochtigend lensoppervlak
dat vloeistof- en zuurstoftransport mogelijk maakt. Omdat er een
permanente verandering in de matrix van het lensmateriaal optreedt,
vormt de oppervlaktelaag een geheel met de lens.
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182
Inhoud
Startpagina
Contactlenzen
8.
182–11
Klinische studies
De siliconen-hydrogellenzen zijn uitvoerig getoetst in klinische studies. Daaruit blijkt dat deze lenzen een duidelijke verbetering zijn
ten opzichte van traditionele (zachte) lenzen voor „extended wear”.
Een van de problemen die het dragen van lenzen vaak veroorzaakt
is de zwelling van het hoornvlies (corneale zwelling) als gevolg van
verminderde zuurstoftransmissie. Uit studies blijkt dat de corneale
zwelling als gevolg van het ’s nachts dragen van siliconen-hydrogellenzen nauwelijks groter is dan die van niet-lensdragers en belangrijk lager dan de corneale zwelling bij dragers van traditionele zachte
contactlenzen voor „extended wear”.
Daarnaast blijkt dat het dragen van siliconen-hydrogellenzen minder kans geeft op het ontwikkelen van hoornvliesontstekingen (bacteriële keratitis) dan bij het dragen van traditionele zachte contactlenzen.
Met de komst van deze nieuwe generatie siliconen-hydrogellenzen is
derhalve een belangrijke stap voorwaarts gezet op het gebied van
permanent draagbare contactlenzen.
9.
Literatuur
–
A. van Rossum, Contactlenzen, uitgave Spreekuur Thuis
(1990).
ANVC, Algemene Nederlandse Vereniging van Contactlensspecialisten, Informatieboekje, Kenaupark 33, 2003 RR Haarlem.
A.J. Phillips, L. Speedwell, J. Stone, Contact Lenses, 4th edition,
Butterworth & Heinemann (1997).
Bausch & Lomb, interne communicatie, Technical Training Manual (2000).
D.F. Sweeney, Silicone Hydrogels, the rebirth of continuous
wear contact lenses, Butterworth & Heinemann (2000).
–
–
–
–
36 Chemische feitelijkheden
juli 2001
tekst_141/182