لنزهای تماسی خودترمیم شونده با نور فرابنفش برای چشم

جالنزی خود را برمی‌دارید و به خطی کم‌رنگ روی لنز خیره می‌شوید. یک خراش بسیار ریز. همین قدر کافی است که آزارتان دهد، و شاید در شب نور را پخش کند. باید آن را دور انداخت؟ بیشتر مردم همین کار را می‌کنند. کاری پرهزینه، آزاردهنده و شاید به‌زودی غیرضروری.

شیمی تازه برای مشکلی قدیمی

جونگ-هیون چوی و بیونگ-کی چو، شیمی‌دانان دانشگاه دانکوک در کره جنوبی، برای دردسر آشنای خراش روی لنزهای تماسی نرم رویکرد متفاوتی در پیش گرفته‌اند. آن‌ها به‌جای طراحی لنزی که هرگز آسیب نبیند، لنزی ساخته‌اند که خودش را ترمیم می‌کند. راز کار در یک اتصال‌دهنده عرضی مبتنی بر دی‌سولفید است که درون ماتریس هیدروژل جای گرفته. کافی است لنز حدود یک ساعت در معرض نور فرابنفش معمولی قرار بگیرد تا پیوندهای شکسته میان زنجیره‌های پلیمری دوباره شکل بگیرند، ساییدگی‌های سطحی بسته شوند و بخش زیادی از پایداری اولیه ماده بازگردد.

پژوهشگران یافته‌های خود را در نشریه مواد پلیمری کاربردی ای‌سی‌اس گزارش کرده‌اند. آن‌ها اتصال‌دهنده عرضی دارای پیوند گوگرد به گوگرد را با ستون فقرات پلیمری متاکریلات ترکیب کردند و شبکه‌ای ساختند که هم انعطاف‌پذیر است و هم در صورت آسیب، توانایی اتصال دوباره دارد. یک جزء پلیمری دوم نیز مقاومت در برابر خراش را افزایش می‌دهد و نقاطی را که پروتئین‌ها یا میکروب‌ها ممکن است به آن‌ها بچسبند کاهش می‌دهد.

پژوهشگران برای لنزهای تماسی خودترمیم‌شونده خود از ترکیب مشخصی از مولکول‌ها استفاده کردند. 

وقتی تیم پژوهشی هیدروژل دارای اتصال عرضی دی‌سولفیدی را که به اختصار دی‌اس-هیدروژل نامیده می‌شود، با یک هیدروژل شاهد ساخته‌شده از اتصال‌دهنده عرضی استاندارد مقایسه کرد، تفاوت کاملا آشکار بود. خراش‌های سطحی معمولی که روی نمونه شاهد باقی می‌ماندند، پس از تیمار با نور فرابنفش روی دی‌اس-هیدروژل تا حد زیادی ناپدید شدند. از نظر عددی، لنزها در شرایط آزمایش‌شده حدود ۹۰ درصد از پایداری ساختاری خود را بازیابی کردند.

چرا خراش‌ها مهم‌تر از چیزی هستند که تصور می‌کنید

نادیده گرفتن یک بریدگی میکروسکوپی و صرفا ظاهری دانستن آن آسان است. اما حتی ناهمواری‌های سطحی کم‌عمق نیز شیوه عبور نور از لنز را تغییر می‌دهند. این ناهمواری‌ها می‌توانند باعث خیرگی، کاهش کنتراست و افت راحتی شوند. نگران‌کننده‌تر اینکه نقاط زبر، جایگاهی برای چسبیدن پروتئین‌ها و میکروب‌ها فراهم می‌کنند، زیست‌رسوب‌گذاری را افزایش می‌دهند و خطر عفونت چشم را بالا می‌برند.

روش‌های پیشین برای پلیمرهای خودترمیم‌شونده اغلب به دماهای بالا یا محرک‌های غیرمعمول نیاز داشتند تا فرایند ترمیم آغاز شود. همین موضوع استفاده واقعی از آن‌ها را برای هر چیزی که قرار است با بافت ظریف چشم تماس داشته باشد محدود می‌کرد. پیشرفت مهم در این پژوهش آن است که نور فرابنفش معمولی، از همان نوعی که در برخی دستگاه‌های مصرفی تمیزکننده لنز به کار می‌رود، برای فعال‌سازی شیمی دی‌سولفید در دمای نزدیک به دمای اتاق کافی است.

یک خراش، در سمت چپ، و خراش ترمیم‌شده، در سمت راست، روی ماده جدید لنز تماسی. 

سازوکار ترمیم به‌طور خلاصه

• پیوندهای دی‌سولفیدی درون اتصال‌دهنده عرضی می‌توانند تحت تنش مکانیکی بشکنند و در جایی که شبکه آسیب دیده، انتهای آزاد زنجیره‌ها را ایجاد کنند.
• قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش، تبادل و تشکیل دوباره پیوندها را تقویت می‌کند و عملا زنجیره‌های شکسته را در سراسر سطح آسیب‌دیده دوباره به هم می‌بافد.
• جزء پلیمری افزوده‌شده، سختی سطح را بهبود می‌دهد و در برابر چسبندگی پروتئین مقاومت می‌کند، در نتیجه دفعات و شدت خراش‌ها کاهش می‌یابد.

چشم‌اندازهای کاربردی و چالش‌ها

این تصویر را در نظر بگیرید: یک جالنزی که هم تمیز می‌کند و هم ترمیم. لنزها را داخل آن می‌گذارید، دستگاه یک چرخه را اجرا می‌کند و یک ساعت بعد لنزها تقریبا مثل نو بیرون می‌آیند. چنین سناریویی می‌تواند هزینه مصرف‌کننده را کاهش دهد و از پسماند پلاستیکی ناشی از دور انداختن لنزها بکاهد. همچنین اگر لنزها صاف‌تر بمانند و کمتر مستعد تشکیل بیوفیلم باشند، ایمنی چشم نیز بهبود پیدا می‌کند.

با این حال، موانعی همچنان باقی است. هر دستگاه یا برنامه‌ای که شیمی لنز را تغییر دهد باید آزمون‌های سخت‌گیرانه ایمنی چشمی را پشت سر بگذارد. چشم با هیچ خطایی کنار نمی‌آید. تحریک، پاسخ آلرژیک یا تغییرات غیرمنتظره در نفوذپذیری اکسیژن می‌تواند مانعی قطعی باشد. پژوهشگران نیز تأیید می‌کنند که پیش از رسیدن این فناوری به قفسه فروشگاه‌ها، طی کردن این مراحل ضروری است.

پیامدهای گسترده‌تری هم وجود دارد. راهبرد مبتنی بر گوگرد که در اینجا نشان داده شده، محدود به تجهیزات چشمی نیست. این روش به سوی دسته‌ای از پلاستیک‌ها و پوشش‌های مقاوم و خودترمیم‌شونده برای تجهیزات پزشکی، اپتیک‌های پوشیدنی و دیگر کاربردهایی اشاره دارد که یکپارچگی سطح در آن‌ها اهمیت دارد.

دیدگاه کارشناسی

دکتر ماریا آلوارز، دانشمند مواد که روی پلیمرهای زیست‌پزشکی مطالعه می‌کند، می‌گوید: «استفاده از تبادل دی‌سولفید برای پیشبرد ترمیم در شرایط محیطی، راهکاری ظریف و هوشمندانه است. این روش از شیمی‌ای بهره می‌گیرد که در علم پلیمر از پیش به‌خوبی شناخته شده، اما آن را برای یک محصول واقعی و روزمره به کار می‌برد. گام‌های حیاتی بعدی، انجام آزمون‌های زیست‌سازگاری بلندمدت و ارزیابی این موضوع است که چرخه‌های ترمیم تکرارشونده طی ماه‌ها استفاده چه اثری بر عملکرد لنز می‌گذارند.»

جمع‌بندی

لنزهای تماسی خودترمیم‌شونده که با اتصال‌دهنده‌های عرضی دی‌سولفیدی و قرارگیری ساده در معرض نور فرابنفش کار می‌کنند، محصولی آشنا را به سمت دوام بیشتر می‌برند. این شیمی، یکپارچگی سطح را به‌سرعت بازمی‌گرداند و حفظ رطوبت را در سطحی مشابه لنزهای نرم امروزی نگه می‌دارد. اگر موانع ایمنی و مقرراتی برطرف شوند، این رویکرد نوید دور ریختن کمتر لنزها، عمر مفید طولانی‌تر و خطر پایین‌تر تحریک یا عفونت ناشی از سطوح خراشیده را می‌دهد. در حال حاضر، این مطالعه یک نقشه راه کاربردی ارائه می‌کند: مواد هوشمندتر با ظرفیت تغییر شیوه مراقبت ما از چشم‌ها.

این پژوهش در نشریه مواد پلیمری کاربردی ای‌سی‌اس منتشر شده است.