專利名稱：生物醫學裝置的涂層的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有氣相沉積涂層的裝置。具體地說，本發明涉及具有不積垢、可潤濕的乙烯基吡咯烷酮、N，N’-二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸和3，3-二甲基丙烯酸氣相沉積涂層的裝置，如生物醫學裝置。
表面的化學組成對于決定許多裝置的整體功效起到關鍵性的作用。一些裝置為了適用于其所要達到的目的，需要有不積垢、可潤濕的表面。例如，諸如導尿管、移植膜、植入物、眼內鏡片和隱性眼鏡鏡片的許多生物醫學裝置需要生物不積垢的表面，這是指蛋白質、類脂和細胞不會粘附到裝置的表面上。在某些情況下，開發出來的裝置用材具備達到其目的所需的所有性能，如強度、最佳透光性、柔性、穩定性和氣體傳導性，不過在使用時材料表面會被污染。在這種情況下進行了新的裝置用材的開發或嘗試著去改變材料的表面性能。
對于隱性眼鏡鏡片和眼內鏡片的具體情況，尤其是對于隱性眼鏡鏡片而言，雖然許多聚合材料具有鏡片制造方面所需的機械性能、透氧性和光學性能，但許多隱性眼鏡鏡片會因蛋白質、類脂的粘附而受到迅速污染。此外，這些材料的表面能過低，使隱性眼鏡鏡片過于疏水，因而無法被淚液所潤濕。
采用等離子體處理和沉積來改變表面性質的的生物醫學裝置涂層已被公開。但是，這種方法有許多缺點，包括復雜、涂層的均勻性和深度以及穩定性方面的問題。PCT/US90/05032(國際公開號WO 91/04283)公開了一種通過向表面接枝其它分子來提高聚合型隱性眼鏡鏡片材料的可潤濕性的方法，所述材料是由特定的羥基丙烯酸單元與乙烯基硅氧烷單體合成的。該專利所闡述的唯一的一個接枝方法的實施例涉及到用濕化學方法附著特定的多元醇，但該專利并未預計到羥基丙烯酸單元可以通過輻射的方法接枝到特定的羥基丙烯酸/硅氧烷聚合材料上。
美國專利3,854,982和3,916,033公開了用液體涂覆技術來改進隱性眼鏡鏡片聚合物的可潤濕性的方法。該方法中，包括甲基丙烯酸酯羥烷基酯在內的可自由基聚合的前體通過暴露在高能量輻射中而附著在隱性眼鏡鏡片上。但是，這種溶液附著法的膜厚控制性不良，而且薄膜表現出不良的耐磨性，尤其當附著在聚硅氧烷基材上時。
因此，仍然需要一種穩定的涂料組合物，它可均勻涂覆，而且在涂覆到裝置基材上后能提供不積垢、可潤濕的或親水性的表面。
本發明提供了一種具有不積垢涂料組合物的生物醫學裝置及其制造方法。該涂料組合物提供了均勻、無針孔、可潤濕、不可提取的及化學穩定的表面。此外，該涂層對電磁光譜的可見光區表現出優異的光學透明度，而且具有透氧性和耐磨性。
本發明提供了一種裝置，該裝置包括(基本上由以下所組成或僅由以下所組成)至少一個具有有效涂覆量的涂料組合物的表面，該涂料組合物是通過使下述氣體氣相聚合而形成的，所述氣體包括(基本上由以下所組成或僅由以下所組成)至少一種選自乙烯基吡咯烷酮、N，N’-二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸、3，3-二甲基丙烯酸和它們的混合物的單體。
在另一個實施方案中，本發明提供了一種裝置的制造方法，該方法包括(基本上由以下所組成或僅由以下所組成)使裝置的至少一個表面與有效涂覆量的涂料組合物接觸，該涂料組合物是通過使下述氣體氣相聚合而形成的，所述氣體包括(基本上由以下所組成或僅由以下所組成)至少一種選自乙烯基吡咯烷酮、N，N’-二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸、3，3-二甲基丙烯酸和它們的混合物的單體。
優選地，該裝置是生物醫學裝置。“生物醫學裝置”是指設計用于人體組織或液體兩者或其一之中或之上的裝置。這類裝置的實例包括(但不限于)移植膜、植入物、導尿管和眼用鏡片。在更加優選的實例中，該生物醫學裝置是眼用鏡片，它包括(但不限于)隱性眼鏡鏡片或眼內鏡片。最優選的，該裝置是隱性眼鏡鏡片。
本發明的裝置可由任何適用的材料或諸如聚合物、陶瓷、玻璃、硅烷化玻璃、纖維、紙、金屬、硅烷化金屬、硅、碳、硅氧烷水凝膠和它們的混合物的材料制成。更加優選的材料是硅氧烷及含有硅氧烷的組合物(混合物及共聚物)、聚氨酯和水凝膠，以及這些材料的共混物。更優選的材料是不支持穩定催淚薄膜的聚合物，如硅氧烷、混有硅氧烷的混合物、烷氧基化的甲基葡糖苷、氟化烴、硅氧烷水凝膠、聚氨酯-硅氧烷水凝膠、氟化烴水凝膠、聚砜和它們的混合物。
可列舉的硅氧烷包括(但不限于)聚二甲基硅氧烷、聚二甲基-共-乙烯基甲基硅氧烷、公開于美國專利3,228,741中的硅氧烷橡膠、諸如公開于美國專利3,341,490中的硅氧烷共混物、以及諸如公開于美國專利3,518,324中的硅氧烷組合物。可用的硅氧烷材料包括(但不限于)由硅氧烷預聚物通過氫化硅烷化、共縮合及自由基機理進行交聯而得到的變聯的聚硅氧烷。特別適用的材料是易進行氫化硅烷化的有機聚硅氧烷聚合物的混合物。這種預聚物含有在鏈增長和交聯反應期間作為交聯位置的乙烯基和氫化物基團，其通式為聚二烴基-共-乙烯基烴基硅氧烷和聚二烴基-共-烴基氫硅氧烷，其中烴基是一價烴基，如具有1-7個碳原子的烷基，包括(但不限于)甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基和庚基；芳基如苯基、甲苯基、二甲苯基、聯苯基；鹵代芳基如氯苯基；以及環烷基如環戊基、環己基等。
更優選的材料是硅氧烷水凝膠，特別是由丙烯酸-封端的聚硅氧烷預聚物、松散的(甲基)丙烯酸聚硅氧烷基烷基酯單體與美國專利5,387,632、5,358,995、4,954,586、5,023,305、5,034,461、4,343,927和4,780,515中所公開的親水性單體的單體混合物形成的硅氧烷水凝膠。其它優選的材料包括烷氧基化的葡萄糖或蔗糖的環狀多元醇，如美國專利5,196,458、5,304,584和1996年9月13日提出的美國專利申請08/712,657中所公開的。以上提出的所有專利全部結合入本說明書中供參照。
本發明的涂料組合物是由乙烯基吡咯烷酮、N，N’-二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸、3，3-二甲基丙烯酸單體和這些單體的混合物氣相沉積而形成的。這些單體是可以買到的或者是可用公知方法合成的。本發明的涂料組合物是穩定的并且可以粘附到廣泛種類的材料上。單體的重均分子量優選低于約400，更優選低于約300，最優選低于約200。
本發明的涂料組合物可以是基本上單一的單體或是包括所添加的交聯劑在內的單體混合物的聚合產物。單體混合物優選選自上述單體。優選的涂料組合物基本上采用單一的單體。
當所用的單體為乙二醇時，需選擇將其涂覆到表面上的方法，以使表面優選地具有下述涂料組合物，其涂層最外層的碳-氧鍵與碳-碳鍵的比例大于約1∶1，更優選大于約1.5∶1，最優選大于約2∶1，甚至更優選大于2.5∶1。為了獲得改進的不積垢性和較高的可潤濕性，碳-氧鍵與碳-碳鍵的比例較高的涂料組合物是優選的。
將涂料組合物沉積到基材上的優選方法是氣相沉積法，因為它提供了均勻的涂料組合物。氣相沉積法是指使氣態單體附著到固體基材上成為表面涂層的任何一種方法。氣相沉積法包括(但不限于)等離子體和光化學誘發的聚合反應。等離子體誘發的聚合反應或等離子體沉積是通過氣體放電引起的自由基的生成而導致的聚合反應。放電可通過交流(AC)或直流(DC)高壓法、或通過諸如射頻(RF)或微波的電磁法進行。或者，涂覆過程可采用光化學誘發的聚合反應來完成，該聚合反應例如可通過直接吸收具有足夠能量的質子以產生自由基和/或通過經電子激發的可引發聚合反應過程的物質來達到。
氣相沉積法的更優選方法是采用等離子體聚合，特別是RF等離子體聚合。該方法全部公開于美國專利申請08/632,935中，該申請全文結合入本說明書中供參照。其它的闡述可見于Panchalingam等人的“Molecular Surface Tailoring ofBiomaterials Via Pulsed RF Plasma Discharges”，J.Biomater.Sci.PolymerEdn.，Vol.5，No.1/2，pp.131-145(1993)，和Panchalingam等人的“MolecularTailoring of Surface Via Pulsed RF Plasma Depositions”，J.App.Sci.AppliedPolymer Symposium 54，pp.123-141(1994)，其全文結合入本說明書中供參照。
該方法中，涂料在受控制的條件下通過經選擇單體的等離子體聚合而沉積在固體表面上。等離子體由位于反應器內部或外部周圍的、同軸或并聯的內部或外部RF電極所產生的RF輻射來驅動。待涂覆的表面優選位于RF電極之間的反應器中；但該表面也可位于電極之前或之后。用真空泵將反應器排空至本底壓力。開一個能精確計量的閥門以使涂料組合物的蒸氣進入反應器中。單體通過反應器的壓力和流速是通過調節計量閥以及位于反應器出口處的蝶形控制閥(與一個壓力控制器相連)來控制的。通常，單體反應器所采用的壓力范圍約為5-200毫乇，盡管該范圍以外的值也可以使用。優選的是單體具有足夠高的蒸氣壓以使單體不必被加熱到高于室溫(20℃至25℃)就能氣化。
等離子體沉積所得薄膜的化學成分是所用等離子體可變量的、特別是用于引發聚合反應過程的RF功率的強函數。在與連續波(CW)相比時，優選的是在脈沖條件下操作等離子體法，因為可能在等離子體法的初始步驟中合理地采用高的峰值功率，而在涂覆過程中保持低的平均功率。脈沖是指產生等離子體的功率接通和不通。脈沖條件下的平均功率定義為
例如，在10ms接通和200ms不通的RF工作循環及峰值功率為25瓦的條件下進行的等離子體沉積，其相應的平均功率僅為1.2瓦。通常，工作循環中，等離子體接通與不通時間之比小于約1/5，優選約為1/10至1/1000，更優選約為1/10至1/30。等離子體接通時間通常大于約1微秒，優選約為10微秒至100毫秒，更優選約為100微秒至10毫秒。等離子體不通的時間通常大于約4微秒，優選約為100微秒至2000毫秒，更優選約為200微秒至100毫秒。峰值功率優選約在10至300瓦之間。
脈沖等離子體沉積允許使用相對高的峰值功率，同時保持了為保留單體官能團而設的相對低的平均功率。在平均功率低的脈沖條件下沉積的涂料組合物與在相同平均功率但在CW操作條件下沉積的薄膜相比，更傾向于粘附到給定基材上。對于給定的平均功率而言，在脈沖條件下可獲得的瞬間高峰值功率與在相同平均功率和CW條件下所獲得的相比，明顯有助于得到較強的薄膜對基材的接枝。
對于給定的RF峰值功率，當使用給定的單體時，隨著等離子體工作循環的減弱，觀察到等離子體產生的涂層具有增加了的醚成分(C-O官能團)保留性。或者，涂料組合物的化學性質可以在脈沖條件下、通過在單一的等離子體工作循環下工作但改變峰值功率而得到改變。隨著峰值功率的增加，涂料組合物中結合的C-O官能團也增加。由等離子體產生的薄膜組成可以通過在固定的等離子體接通與等離子體不通的時間比例下，以及在固定的RF峰值功率下，改變等離子體接通與等離子體不通的脈沖寬度而改變。
當在恒定的平均功率下和平均功率下工作時，本發明薄膜的化學組成可以在脈沖等離子體沉積期間，通過改變峰值和平均功率、等離子體接通與不通時間的脈沖寬度而改變。為了產生具有較好的C-O官能團與C-C官能團比例的涂料組合物，優選的是脈沖等離子體沉積的平均功率小于約100瓦，更優選小于約40瓦，最優選小于約10瓦。當平均功率約為1瓦及更小時，可以獲得最高的C-O官能團與C-C官能團的比例，它能產生最不積垢和可潤濕的涂料組合物；然而，視涂料而定，一般當涂料在0.5瓦左右或更低的平均功率下涂覆時，涂料組合物對表面的粘附性會過弱而無法用于任一用途中。
采用較低的平均功率條件增加了涂層中諸如醚單元的官能團的存在，但較低平均功率條件下的較低能量的沉積條件導致聚合物薄膜對其下面的基材粘附力較差。因此，等離子體涂覆法多少涉及到保留等離子體所產生的薄膜中單體的完整性與涂層對固體基材的粘附強度之間的平衡。在隱性眼鏡鏡片的情況下，涂料組合物對鏡片基材的粘附性和整體穩定性是極其重要的考慮事項。
將涂料組合物涂覆到表面的一種優選方法是采用梯度層疊脈沖等離子體沉積法，該方法可用來使涂料組合物的粘附力以及涂料組合物中存在的官能團極大化。該方法進一步公開于美國專利申請08/632,935中。該方法中，采用一初始高功率、高等離子體工作循環，使由等離子體產生的涂料組合物緊密地接枝到其下的基材上。隨后該等離子體工作循環以一系統化方式減小，每次減小會導致涂層中保留的C-O官能團增加。該過程在薄膜處層達到所需組成時便終止。這些薄層中每一層的組成均以漸進的方式略不同于前一層，這種連續性導致涂料組合物結合到基材上的粘附力明顯高于未將沉積條件調節在較的等離子體工作循環下所沉積得到的涂層。
氣相沉積，特別是等離子體沉積，可提供有效涂覆量的涂層或是足以增加薄膜親水性的涂覆量。一般，這種涂層的厚度基本上是一致的，且其用量使涂料組合物的厚度約為5至5μm，更優選約為50至1μm，最優選約為100至0.1μm。這種一致的膜厚和沉積方法的可控制性，可以與用先前公開的方法所遇到的厚度可控制性問題成為對比。采用RF脈沖等離子體沉積法，對于給定的等離子體工作循環以及固定的單體壓力和流速而言，涂料組合物的厚度與沉積時間呈線性關系。
本發明的涂料增加了表面親水性，特別是那些疏水性表面(如聚硅氧烷)的親水性。已發現在等離子體沉積過程中所引入的親水性的程度隨著由等離子體產生的涂料組合物中氧含量的增加而增加。
帶有本發明涂料組合物的表面適用于隱性眼鏡鏡片和其它生物醫學裝置。這種涂料組合物在沉積到聚合物表面時，表現出良好的粘附力、高度可潤濕性、高度透氧性以及在電磁波譜的可見光區的優異透明度。涂料組合物對這些表面的粘附力強到足以抗剝離。
因此本發明的涂料組合物滿足了上述對改進隱性眼鏡鏡片的生物相容性的迫切需求。本發明的側重點在于隱性眼鏡鏡片；然而本領域的熟練技術人員應當認識到，本發明的這種高度可潤濕、生物不積垢、透明涂料可用于各種其它應用中(例如其它生物醫學裝置、生物感應器、用于海水環境中的監測器、薄膜、組織培養、植入物等)。
本發明將用以下的非限定性實施例進一步說明。
實施例水接觸角測量是用動態法(改進的Wilhelmy平板)對經涂覆和未經涂覆的表面進行測量。動態測量是用將表面連續地浸入鹽水溶液中的方法來進行的。行進的接觸角是在動態條件下測量的。隨著樣品的上下循環，每一動態測量重復四次，并記錄這四個測量值的平均值。
實施例1首先將風干的硅氧烷水凝膠隱性眼鏡鏡片的每一面以連續波的方式在100瓦下用氬等離子體處理5分鐘。氬等離子體的壓力為0.25乇。將鏡片的每一面以10ms接通和200ms不通的脈沖方式在100瓦下用乙二醇(Aldrich)等離子體進一步處理15分鐘。將乙二醇的蒸氣壓保持在0.086乇。將經過接枝的鏡片用鹽水溶液洗滌并儲存在鹽水溶液中供測試用。
其行進接觸角列在表1中。動態潤濕研究一致表明，經涂覆的表面具有較低的接觸角，其表面可潤濕性明顯高于未經涂覆的鏡片。
總而言之，水接觸角處理值說明，最初的疏水性聚合物表面因被賦予了等離子體沉積涂層而轉變為親水性的可潤濕表面。
表1
實施例2首先將風干的硅氧烷水凝膠隱性眼鏡鏡片的每一面以連續波的方式在100瓦下用氬等離子體處理5分鐘。氬等離子體的壓力為0.25乇。將鏡片的每一面以10ms接通和200ms不通的脈沖方式在100瓦下用1-乙烯基-2-吡咯烷酮(Lancaster)等離子體進一步處理15分鐘。將1-乙烯基-2-吡咯烷酮的蒸氣壓保持在0.08乇。將經過接枝的鏡片用鹽水溶液洗滌并儲存在鹽水溶液中供測試用。其動態接觸角的測試結果列在表2中。
表2
實施例3首先將風干的硅氧烷水凝膠隱性眼鏡鏡片的每一面以連續波的方式在100瓦下用氬等離子體處理5分鐘。氬等離子體的壓力為0.25乇。將鏡片的每一面以10ms接通和200ms不通的脈沖方式在100瓦下用N，N’-二甲基丙烯酰胺(Jarchem)等離子體進一步處理15分鐘。將N，N’-二甲基丙烯酰胺的蒸氣壓保持在0.08乇。將經過接枝的鏡片用鹽水溶液洗滌并儲存在鹽水溶液中供測試用。其動態接觸角的測試結果列在表3中。
表3
實施例4首先將風干的硅氧烷水凝膠隱性眼鏡鏡片的每一面以連續波的方式用氬等離子體處理。再將鏡片的每一面以脈沖方式用乙酸乙烯酯等離子體處理。將經過接枝的鏡片用鹽水溶液洗滌并儲存在鹽水溶液中供測試用。同樣，采用相同的技術將硅氧烷水凝膠鏡片的表面用乙烯基乙酸、丙烯酸或3，3-而甲基丙烯酸接枝。這些鏡片與未經涂覆的硅氧烷水凝膠鏡片相比，表現出顯著改進的可潤濕性。
權利要求
1.一種裝置，包括至少一個具有有效涂覆量的涂料組合物的表面，所述涂料組合物是通過使下述氣體氣相聚合而形成的，所述氣體包括至少一種選自乙烯基吡咯烷酮、N，N’-二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸、3，3-二甲基丙烯酸和它們的混合物的單體。
2.權利要求1的裝置，其中氣相聚合反應被施以工作循環小于約1/5的脈沖，其中等離子體接通時間約為10微秒至100毫秒，等離子體不通時間約為100微秒至2000毫秒。
3.權利要求1的裝置，其中氣相聚合反應是高壓放電、射頻、微波、離子化輻射引發的等離子體聚合反應，光引發的聚合反應，或是它們的結合。
4.權利要求1的裝置，其中所述涂料組合物通過系統化地減小氣相聚合反應的工作循環而具有梯度層次。
5.一種隱性眼鏡鏡片，包括至少一個具有有效涂覆量的涂料組合物的表面，所述涂料組合物是通過使下述氣體氣相聚合而形成的，所述氣體包括至少一種選自乙烯基吡咯烷酮、N，N’-二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸、3，3-二甲基丙烯酸和它們的混合物的單體。
6.權利要求5的隱性眼鏡鏡片，其中所述單體是乙烯基吡咯烷酮。
7.權利要求5的隱性眼鏡鏡片，其中所述單體是N，N’-二甲基丙烯酰胺。
8.權利要求5的隱性眼鏡鏡片，其中所述單體是乙二醇。
9.權利要求5的隱性眼鏡鏡片，其中所述單體是乙酸乙烯酯。
10.權利要求5的隱性眼鏡鏡片，其中所述單體是乙烯基乙酸。
11.權利要求5的隱性眼鏡鏡片，其中所述單體是丙烯酸。
12.權利要求5的隱性眼鏡鏡片，其中所述單體是3，3-二甲基丙烯酸。
13.一種裝置的制造方法，包括將裝置的至少一個表面與有效涂覆量的涂料組合物接觸，其中該涂料組合物是通過使下述氣體氣相聚合而形成的，所述氣體包括至少一種選自乙烯基吡咯烷酮、N，N’-二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸、3，3-二甲基丙烯酸和它們的混合物的單體。
14.權利要求13的方法，其中氣相聚合反應被施以工作循環小于約1/5的脈沖，其中等離子體接通時間約為10微秒至100毫秒，等離子體不通時間約為100微秒至2000毫秒。
15.權利要求13的方法，其中氣相聚合反應是高壓放電、射頻、微波、離子化輻射引發的等離子體聚合反應，光引發的聚合反應，或是它們的結合。
16.權利要求13的方法，其中所述涂料組合物通過系統化地減小氣相聚合反應的工作循環而具有梯度層次。
全文摘要
本發明提供了具有氣相沉積涂層的裝置。具體地說,本發明提供了具有不積垢、可潤濕的乙烯基吡咯烷酮、N,N’－二甲基丙烯酰胺、乙二醇、乙酸乙烯酯、乙烯基乙酸、丙烯酸和3,3－二甲基丙烯酸氣相沉積涂層的裝置,如生物醫學裝置。
文檔編號C08F2/34GK1254102SQ99126020
公開日2000年5月24日 申請日期1999年10月20日 優先權日1998年10月20日
發明者J·J·詹 申請人:莊臣及莊臣視力產品有限公司