昆虫翅膀也能做隐形眼镜？方便美观的隐形眼镜，你了解多少？

甲壳素（chitin）首先是由法国研究自然科学史的H. Braconnot 教授于1811年在蘑菇中发现的。1823年，另一位法国科学家A. Odier从甲壳类昆虫的翅鞘中分离出同样的物质，并命名为chitin；1859年，法国科学家C. Rouget 将甲壳素用浓碱煮沸加热处理，得到了脱乙酰基甲壳素，命名为甲壳胺（chitosan），即壳聚糖。

隐形眼镜材料的性能要求

生物相容性

在医学上，角膜接触镜被认为是一种“非植入性人工器官”，因此，对角膜接触镜材料的基本要求是具有良好的生物相容性。

光学性能

制造角膜接触镜的材料具有一定的透光率和透光均匀性，如果制造角膜接触镜的材料是水凝胶，则要求水凝胶材料从未水合状态到水合状态时，能够保持其形状和表面连续性，而不发生扭曲，透光率和分辨率应该保持连续。在配戴时，角膜接触镜不改变其外形及其在角膜表面上的位置。根据中华人民共和国国家标准，不着色硬性角膜接触镜透光率不低于88%，不着色软性角膜接触镜的透光率不低于92%。 

透氧性能

角膜缺氧是隐形眼镜佩戴者最常出现的不适反应，是由眼角膜无法得到足够的氧气引起的。角膜原本是靠直接从空气中摄取氧气来呼吸的，由于隐形眼镜贴在眼球表面，虽然氧气还能通过镜片，但透过量明显减少，因此眼角膜缺氧而引起的角膜新生血管增多，出现“红丝”并增加眼睛感染的机会。

对于水凝胶角膜接触镜，由于氧气是靠水凝胶中的水来传送的，所以镜片的透氧性能与镜片的含水量高低以及镜片的厚薄有关。ISO专为隐形眼镜透氧性的检测制定了检测标准。其中ISO 9913-2适用于硬质镜片材料以及非水凝胶软质镜片材料，测试量有氧气流量——j、氧渗透性——Dk、氧透过率——Dk/t、试样的厚度——t。一般用Dk值评价隐形眼镜氧渗透性指标。

另外，角膜的获氧状态还与隐形眼镜与佩戴者眼角膜是否匹配（配适状态是否完美）有关，镜片与眼角膜相匹配，它们之间存在的泪膜不断流动，将氧气带给角膜，将废物带走，这样佩戴的隐形眼镜不会改变眼睛的正常生理状况，不会损伤佩戴者的眼角膜。如果配戴的隐形眼镜与眼角膜不匹配，即使佩戴的是高含水量、超薄的眼镜，镜片也会紧紧贴在角膜上，使得氧气的流动只能依靠镜片的含水量和镜片的厚度。

含水量

水是氧通过接触镜到达角膜的载体，空气中的氧气溶解于水凝胶的自由水中，再传输到角膜，所以水凝胶角膜接触镜的透氧性能与含水量成正比，提高接触镜的含水量可以增加透氧性能。水凝胶角膜接触镜的含水量在30%~80%，含水量小于50%的称为低含水量镜片，含水量大于50%的称为高含水量镜片。软镜的含水量＝（镜片中水的质量/ 镜片总质量）×100%。 

离子电荷及抗蛋白质沉淀性能

美国食品和药品监督管理局（FDA）将含水量低于50%的接触镜定为低含水量镜片，含水量高于50%的接触镜定为高含水量镜片，并根据含水量和离子化程度将角膜接触镜材料分为4类：Ⅰ类: 低含水非离子性材料；Ⅱ类: 高含水非离子性材料；Ⅲ类: 低含水离子性材料；Ⅳ类: 高含水离子性材料。大多离子性接触镜材料都带有负电荷，易于吸收泪液中带正电荷的物质，形成沉淀物。上述4类材料中，Ⅰ类的吸附性最低，Ⅳ类的吸附性最高，Ⅱ类与Ⅲ类介于两者之间。

溶菌酶在镜片沉淀物中所占的比例高，其原因是: 在生理的pH条件下，泪液中溶菌酶带有较多的正电荷，因此，它与带负电荷的镜片材料亲合力较大。带负电荷的接触镜材料活性强，在酸性溶液中会使镜片尺寸改变甚至降解。非离子性接触镜材料惰性大，与泪液成分反应性小，具有较强的抗沉淀性能。

弹性模量

弹性模量反映某种材料在受到力的作用时能够保持其形状的能力，弹性模量低的镜片对压力抵抗能力弱，而弹性模量高的镜片则能更好地抵抗压力，保持原形态，从而可以提供更好的视光效果。另外，弹性模量越大，制成的镜片越硬，越不容易弯曲，该参数是确定材料生产时最小厚度的关键指标。

抗张强度

接触镜在日常使用过程中会受到清洗、揉搓、拉伸等机械作用力，所以接触镜需要具有较好的抗张强度。抗张强度是表示材料在拉伸断裂之前所承受的最大拉力值。抗张强度越高，接触镜材料的耐久性越好；对于水凝胶角膜接触镜，含水量越高，则抗张强度越低。

折射率

一种透镜材料的折射率是光在空气中的传输速度与光通过该接触镜材料的传输速度之比，软镜材料的折射率与含水量有关，通常含水量越高，折射率越低。

润湿性

角膜接触镜的表面润湿性越大，所形成的泪膜也越均匀稳定，而均匀稳定的泪膜是配戴舒适、视力理想和防止沉淀物形成所必需的条件。

润湿性的测量有两种方法: 实验室测量方法和在眼实验方法。实验室测量方法主要是液滴黏附实验、Wilhelmy板法和气泡法。在眼实验方法主要是直接检测人眼配戴镜片时的泪液覆盖情况，以覆盖是否完整和均匀作为镜片润湿性高低的评估标准。还可以使用裂隙灯显微镜，评价镜前泪膜破裂时间，评估镜片保持完整泪膜的能力，如果完整的泪膜形成并且保持，泪液水分蒸发使得泪液脂质层弥散进入水质层，最后，脂质层侵入黏液层使镜片表面出现干燥斑，于是泪膜出现局部破裂点。测试瞬目到泪膜破裂的时间，时间短则说明接触镜材料的润湿性差。

隐形眼镜存在怎样的隐患？

水凝胶角膜接触镜仍是当今接触镜市场的主流，水凝胶角膜接触镜纵然有诸多优点，但也存在以下缺陷：传统用的角膜接触镜材料聚甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、N－乙烯基吡咯烷酮（NVP）等单体都是合成的非天然高分子聚合物，在聚合过程中残留而又未完全被去除的单体会对角膜等眼部组织造成潜在毒性。

当今，水凝胶角膜接触镜的透氧性能远不能达到角膜正常代谢所需的氧气量，为了提高其透氧性，必须提高含水量，这会导致水凝胶的强度下降，需要增大角膜接触镜的厚度，这又将导致透氧性的下降；另外，含水量高、带有电荷的角膜接触镜，易使泪液中的蛋白质和类脂沉积，在角膜接触镜日常的清洁保养过程中，如果不能彻底清除沉积在镜片上的蛋白质，则蛋白质既可作为致敏源使过敏体质者眼局部发生过敏反应，又有利于微生物的生长繁殖，实验表明，日戴SCL结膜囊中共生的细菌增多，多为非致病菌；自SCL长戴者分离出的致病菌较日戴者多，RGP长戴亦可使结膜囊中潜在致病性微生物增多，若角膜划伤使致病微生物更容易侵入角膜组织。戴镜以后接触镜对角膜产生的异物作用、阻隔空气和泪液与角膜的直接接触、压迫角膜缘的血液循环，戴摘镜片时不慎对角膜的机械性损伤等因素都会增加角膜病变发生的机会。

环境污染的增加及大气中臭氧层破坏导致的紫外线强度增加，使得人类患角膜病变的概率增加，另外，随着人类自我防护意识的增加，眼部的紫外线辐射防护和皮肤的防晒一样受到关注。

基于上述原因，角膜接触镜的研究方向，是开发天然高分子材料制备的角膜接触镜以及具有抗紫外线、可药物缓释等多种功效的角膜接触镜。

关于壳聚糖隐形眼镜

壳聚糖溶于0.1mol/L乙酸溶液，制得2%的壳聚糖溶液。将该溶液减压脱泡后于模具中在不同温度下蒸发，待膜干燥后再浸入2%（质量分数）的NaOH凝固液中以中和残留酸，取膜，用水洗涤至中性，产物用不同浓度的柠檬酸钠溶液浸泡交联。以接触镜的透光率和表面光滑性能为指标设计一组正交实验，实验选取壳聚糖溶液的蒸发时间、交联剂柠檬酸钠溶液的浓度，浸泡交联时间、浸泡交联温度为4个因素，每个因素有4个水平。

角膜接触镜最重要的指标是具有良好的光学性能，即具有较高的透光率。上述方法制备的所有样品的透光率都在92%以上，根据GB 11417.2-1989以及GB 11417.1-1989可以知道，壳聚糖角膜接触镜达到了软性亲水性角膜接触镜透光率不低于92%的要求。其中我们制备的最佳样品的透光率达到96.9%。

角膜接触镜表面的光滑性能对于佩戴的舒适性非常重要，通过测定样品在干湿状态下对角膜接触镜标准盐溶液的接触角来表征它的表面光滑性能及其与泪液的附着能力。样品在干燥的状态下，接触角越大表明样品越光滑，对角膜的机械刺激越小。对于溶胀饱和状态下的角膜接触镜样品，则其与角膜接触镜标准盐溶液的接触角越小，越有利于泪液在角膜接触镜表面附着。泪膜是覆盖于角膜前表面的泪液膜，在眼表面构成重要的屈光表面－泪膜－空气界面。泪膜的稳定性和质量对于视力、眼舒适度、防止感染有着非常重要的作用。如果泪液不能在角膜接触镜表面均匀附着则会使佩戴不舒适。

图1　壳聚糖角膜接触镜在可见光范围内的紫外吸收光谱

图1 是壳聚糖角膜接触镜在可见光范围内的紫外吸收光谱，可以看出其可见光范围内的平均透光率为93.2%，超过了国家标准对不着色软性亲水角膜接触镜的透光率的要求。用阿贝折射仪在25℃ 下测得的壳聚糖角膜接触镜样品的折射率在1.377左右，这说明本实验制备的角膜接触镜样品满足接触镜材料的光学要求。

壳聚糖角膜接触镜样品的平均含水量为53.74%，高于HEMA材料制备的角膜接触镜38%的含水量，可以保证接触镜具有良好的透氧性能。

壳聚糖角膜接触镜的抗拉强度为10~23MPa，大于标准所要求的抗张强度，同时也大于HEMA-NVP水凝胶角膜接触镜的抗张强度（400~1000kPa）和有机硅水凝胶角膜接触镜的抗张强度是（700~1100kPa）。

角膜接触镜护理液与人眼泪液是等渗液，所以我们选择了OPTI-FREE杀菌全护理液与空白样做对比，发现角膜接触镜样品在经过杀菌护理液处理后的透光率与未处理处理之前没有太大变化，且透光率都在90%左右，说明壳聚糖角膜接触镜在护理液中具有相对的稳定性。

透氧系数（Dk）为O₂在材料中的扩散系数D和O₂在材料中的溶解系数k的乘积，是指在规定条件和压力差作用下，氧分子通过单位面积、单位厚度镜片材料的速率，反映在特定压力下，则为单位体积材料中溶解氧在材料中的弥散速率，是描述镜片材料对氧通透的物理指标，是接触镜材料的一个非常重要的属性，是材料本身固有的性质，和镜片厚度、后顶点度数（BVP）无关，Dk值越高，材料的氧通透性越好。Dk的单位是Barrer，1 Barrer=1（cm²/s）[mL（O₂）/（mL mmHg）]×10^-11。我们制备的壳聚糖隐形眼镜的Dk值在15.57×10^-11，可以满足安全性和佩戴的舒适性。

经过一系列的脱水实验证明，我们制备的壳聚糖隐形眼镜符合标准。

合理应用天然资源是有序社会、健康社会的一个基本要求，也是广大科技人员的基本使命。考虑到天然资源极为广泛，所以《基于天然资源的先进材料》主要介绍一些经常涉及的天然资源及利用它们加工形成的先进材料。这些天然资源主要是纤维素、木质素、半纤维素、壳聚糖、植物多酚、动植物油、加拿大一枝黄花、右旋糖酐、柿叶、软木脂、环糊精和蚕丝，而所形成的先进材料涉及广泛的材料领域，如智能材料、纳米材料、功能材料、复合材料、医用材料、环保材料、农用处理材料等。

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