隱形眼鏡的變遷

        在現代社會，隱形眼鏡已成為許多人離不開的生活用品。同傳統的框架眼鏡相比，隱形眼鏡有著許多獨特的優點，例如運動員佩戴了隱形眼鏡，就不必擔心在 運動中由于眼鏡跌落影響自己的發揮甚至造成傷害；還有許多人選擇隱形眼鏡更多是出于愛美的天性，擔心佩戴框架眼鏡影響自己的外表。不管是什么原因，隱形眼 鏡廠正在被越來越多的人所接受。然而很多人也許不曾想過，隱形眼鏡這樣一種看上去很不起眼的生活用品背后卻有著一段不平凡的發展歷程，凝聚著無數研究人員的 智慧、汗水和心血。

        許多人都認為隱形眼鏡是近幾十年來出現的新事物，但實際上它的歷史可以追溯到幾百年前。早在16世紀初，達芬奇就提出當人的眼球與水直接接觸時，進 入人眼的光路會發生變化，這被普遍認為是最早的隱形眼鏡的構想。一百多年后，大科學家笛卡爾也提出可以將充滿液體的玻璃彎管直接與眼球接觸，從而達到矯正 視力的效果。不過這些設想遠遠超出了當時的科技水平，因此在幾百年間，隱形眼鏡僅僅是停留在紙面上的一個概念而已。

        直到19世紀末，隱形眼鏡這個概念才被第一次實現。當時的隱形眼鏡使用玻璃作為鏡片材料，雖然一定程度上起到了保護眼鏡和矯正視力的作用，但鏡片過 于厚重，會讓佩戴者感到極其不舒服，甚至有可能損傷眼睛。隱形眼鏡要和眼球直接發生接觸，因此和框架眼鏡相比，對鏡片材料的選擇提出的更高的要求，這種材 料除了良好的透光性，還需要滿足許多額外的標準，首當其沖的一條就是它必須輕便，顯然僅這一條就足以將玻璃排除在外。

        進入20世紀，高分子科學的發展，特別是各種性能優異的合成高分子材料的出現，為隱形眼鏡的大發展提供了非常好的契機。高分子材料的一大特點是它們 的密度遠遠低于傳統的玻璃、金屬等材料，卻又能保持相當高的機械強度，這就使得更加輕便的隱形眼鏡成為可能。在20世紀三四十年代，第一種用高分子材料制 成的隱形眼鏡被成功地制造出來。它們使用聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate))，一種由無數的甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate)分子互相之間發生反應而得到的高分子材料（圖1），因此甲基丙烯酸甲酯也就被稱為聚甲基丙烯酸甲酯的“單體”。對大部分人來 說，聚甲基丙烯酸甲酯是個拗口而又陌生的名字，但它有個如雷貫耳的俗稱——有機玻璃。這個俗稱非常形象地概括了聚甲基丙烯酸甲酯的特點：具有和玻璃類似的 優良的透光性能，但要比玻璃輕很多，密度大約只是玻璃的一半，而且生產成本不高。正是由于這些特性，聚甲基丙烯酸甲酯被大量用于玻璃的替代品。研究人員只 需通過反應得到一個透明的聚甲基丙烯酸甲酯的圓柱體，再把這個圓柱切削成指定的鏡片形狀，就得到了比玻璃輕便得多因此佩戴起來更加舒適的隱形眼鏡。[1]

圖1 最早用于隱形眼鏡的高分子材料——聚甲基丙烯酸甲酯的合成

        然而，研究人員還沒來得及分享成功的喜悅，便開始因為這種隱形眼鏡的缺點和問題感到頭疼。首先，聚甲基丙烯酸甲酯雖然比玻璃輕便許多，但它同樣很 硬，使用者戴上它之后仍然會有不舒服，需要一段時間來適應。特別是鏡片形狀必須與使用者眼球的形狀吻合得很好，如果稍有偏差，使用者的不舒服的感覺就更加 明顯。聚甲基丙烯酸甲酯還有一個致命的弱點——透氣性太差。人眼無法從血液中得到足夠的氧氣，所以需要保持與空氣的直接接觸。如果人眼由于隱形眼鏡的阻擋 而不能得到足夠的氧氣，就有可能產生一系列問題，影響眼睛的正常生理功能。透氣性因此成為衡量隱形眼鏡性能的另一個重要指標。有研究表明，要保證隱形眼鏡 在長時間佩戴情況下的舒適度，鏡片材料的透氣度，按照業內常用的Dk值衡量，應該達到100左右，而聚甲基丙烯酸甲酯的透氣度只有可憐的0.5，這是因為 它的分子排列非常緊密，空氣很難穿過。佩戴這種隱形眼鏡時，氧氣只能通過鏡片邊緣的縫隙與眼球接觸，因此用聚甲基丙烯酸甲酯制造的隱形眼鏡不適合長時間佩 戴。

        由于聚甲基丙烯酸甲酯的這些缺點，研究人員不得不尋找更加適合隱形眼鏡的高分子材料。擺在他們面前的第一道難題就是如何讓材料變得更柔軟一些。那么 為什么高分子材料有的硬有的軟呢？歸根結底，它取決于高分子材料的一個非常重要的性質——玻璃化轉變溫度(glass transition temperature)。我們都知道，如果讓溫度從室溫降到零下，水會凝結成冰，而如果溫度回升到室溫，冰又會熔化成水。不僅是水，還有不計其數的化合 物都會發生類似的變化：如果溫度足夠低，分子們只能老老實實地按照一定的周期排列形成非常規整的結構，我們稱之為晶體，晶體不僅不能流動，而且即便在承受 一定的外力的情況下也能保持自身的形狀。然而隨著溫度升高，分子們越來越不安分，想要離開自己固定的位置。終于，當溫度足夠高時，晶體的桎梏被徹底打破， 分子們可以自由活動而不再局限于原先的固定位置，這樣的結果是它們再也不能保持一定的形狀，而是變成了可以自由流動的液體。這樣的過程被稱為晶體的熔融， 而發生晶體熔融的溫度就是這種物質的熔點。

        和小分子相比，高分子的情況有很大不同，但也存在著類似的轉變。如果溫度足夠低，它們的分子也會排列的比較緊密，雖然大多數情況下不能像小分子那樣 形成晶體，但也能夠保持自身的形狀；而如果溫度足夠高，分子間的排列變得不那么緊密，高分子也會表現出一定的流動性。高分子這種類似晶體熔融的轉變被稱為 玻璃化轉變，而發生這種轉變的溫度也就自然被稱為玻璃化轉變溫度。

        由于化學結構不同，不同的高分子往往有著不同的玻璃化轉變溫度，這使得它們的機械性能有著天壤之別。有些高分子的玻璃化轉變溫度遠遠高于室溫，這樣 的高分子往往會給我們堅硬的感覺，因為它們能承受相當大的外力而不發生變形，我們常常說的塑料一般就指的是這樣的高分子材料。相反，如果高分子的玻璃化轉 變溫度遠低于室溫，這樣的材料會非常柔軟，在很小的外力作用下自身形狀就能發生很大的改變。如果加以特殊的處理，它們不僅能夠在受力的情況下改變自身形 狀，而且在外力撤去之后還能回復到原來的形狀，這就是我們通常所說的橡膠。因此，一種高分子材料的玻璃化轉變溫度的高低直接決定了它能夠用何種方式為我們 服務。聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化轉變溫度在105 oC左右，這么高的溫度對于很多應用來說是個好消息——你不用擔心汽車的儀表盤在夏天的烈日下會被烤得變形，但是如果用于隱形眼鏡的鏡片，這卻是十足的缺 點——它實在太硬了。

        20世紀50年代，捷克化學家奧托·威特勒(Otto Wichterle)率先找到了讓隱形眼鏡變得更柔軟的方法。他使用了一種新的高分子材料——聚甲基丙烯酸羥乙酯(poly(2-hydroxyl methacrylate))來代替聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸羥乙酯的化學結構和聚甲基丙烯酸甲酯很像，它的玻璃化轉變溫度也不低，同樣在攝氏一百 度上下。[2]然而它有一個聚甲基丙烯酸甲酯所不具有的特點：與水有著非常好的親和力。威特勒等人通過一種被稱為交聯的特殊化學反應使得聚甲基丙烯酸羥乙 酯形成三維的網狀結構，然后再把它與水接觸，結果大量的水分子跑到這個網狀結構里面來緊緊地圍繞在聚甲基丙烯酸羥乙酯的分子周圍，與高分子一起形成了一個 新的固體，我們稱之為水凝膠。大量水的存在使得聚甲基丙烯酸羥乙酯的玻璃化轉變溫度大大下降，甚至可以低于零度，高分子自然也就變得更加柔軟。同時，這種 水凝膠的透光性能也非常好，因此用作隱形眼鏡的材料真是再適合不過了。此后，研究人員又開發出了更多的新材料用于隱形眼鏡，例如聚丙烯酰胺 (polyacrylamide)、聚乙烯基吡咯烷酮等(polyvinylpyrrolidone)（圖2）。類似地，它們也可以吸收水分形成柔軟的凝 膠。用這些高分子凝膠制造的隱形眼鏡統稱軟性隱形眼鏡(soft contact lenses)，對應地，用聚甲基丙烯酸甲酯制造的隱形眼鏡被稱為硬性隱形眼鏡(rigid contact lenses或hard contact lenses)。由于軟性隱形眼鏡比硬性隱形眼鏡要柔軟許多，使用者在初次佩戴時能更快地適應。軟性隱形眼鏡還有另外一個突出的優點，就是它們的透氣性也 大大優于硬性隱形眼鏡，這是因為軟性隱形眼鏡中有很大一部分是水，水的存在使得空氣更加容易地透過鏡片。由于更加柔軟和透氣性更好，軟性隱形眼鏡佩戴起來 更加舒適，因此它們出現后很快取代了硬性隱形眼鏡，占據了市場的主導地位。[1, 3]

圖2 幾種常見的用于軟性隱形眼鏡的高分子材料。左：聚甲基丙烯酸羥乙酯；中：聚丙烯酰胺；右：聚乙烯基吡咯烷酮。

        然而隱形眼鏡的研發人員很快又不滿足于軟性隱形眼鏡所帶來的巨大成功，一個重要的原因是它們的透氣性仍然不夠。聚甲基丙烯酸羥乙酯等高分子形成的水 凝膠之所以比聚甲基丙烯酸甲酯有著更高的透氣性，很大程度上是因為水的存在大大方便了空氣穿過鏡片到達人眼。但純水的透氣性也只有80左右，也就是說即便 隱形眼鏡的鏡片全部由水組成，它的透氣性距離理想的鏡片也還有差距，更何況用于隱形眼鏡的水凝膠中水的比例不能太高，否則鏡片的機械強度太差，因而容易損 壞。[3]

        為了客服這個難題，研究人員把目光投向了另外一種高分子材料——硅橡膠(silicone)，它是由一個硅原子加上一個氧原子反復交替形成的高分子 （圖3）。硅橡膠有兩個非常顯著的特點使得它們成為非常理想的隱形眼鏡鏡片材料：首先，硅橡膠的玻璃化轉變溫度非常低，例如最常見的硅橡膠——聚二甲基硅 氧烷的玻璃化轉變溫度低達－125 oC，這保證了隱形眼鏡的鏡片在通常的使用范圍內足夠柔軟；其次，它們擁有其它常見高分子望塵莫及的高透氣性，像聚二甲基硅氧烷的透氣性高達600。因 此，研究人員對它們寄予厚望，希望能夠大大提高隱形眼鏡的性能。[4]

圖3 最常見的硅橡膠——聚二甲基硅氧烷的化學結構

        然而通向成功的路總是充滿坎坷。硅橡膠并非完美無暇，它也有一個致命的弱點——親水性太差，也就是說水非常不喜歡和硅橡膠發生接觸，這就造成了一個 很嚴重的問題：人的眼球表面始終被薄薄的一層淚水覆蓋，我們稱這層淚水為淚膜。當我們佩戴隱形眼鏡時，鏡片實際上是與這層淚膜而不是角膜發生直接接觸。聚 甲基丙烯酸羥乙酯等高分子形成的水凝膠有很好的親水性，因而與淚膜接觸時沒有太大的問題。但是硅橡膠則不同，它們非常排斥淚膜中的水分，淚膜也不喜歡和它 們接觸。這樣一來，淚膜不再占據角膜與鏡片之間的空間，相反，鏡片有更大的可能與角膜直接接觸，這就容易引發眼部的感染。事實上，親水性也是衡量隱形眼鏡 鏡片材料的一個重要指標。因此，要將硅橡膠用于隱形眼鏡，必須改變它們的性質讓它們變得喜歡水。[1, 3, 5]

        為了完成這個聽上去幾乎不可能的任務，科學家可謂絞盡腦汁。最初研究人員試圖把硅橡膠和聚甲基丙烯酸羥乙酯等親水性強的高分子混合在一起，但是很快 發現這條路行不通，因為這兩種高分子性質差別太大，把它們混在一起就像油和水混合一樣，最終會互相分離開，這會導致鏡片變得不透明。那么怎么辦呢？性格脾 氣相差太大的兩個人總是希望遠離對方，但如果我們把他們的手捆在一起，這兩個人就只能呆在一起無法分開。同樣，我們可以通過化學反應“強迫”這兩種高分子 連接在一起。之前我們提到過，聚甲基丙烯酸甲酯和許多類似的高分子材料都是通過單體小分子互相反應而得到的，那么如果一部分單體上有著類似硅橡膠的結構， 這樣得到的高分子能否在一定程度上繼承硅橡膠的優良透氣性呢？循著這個思路，科學家們找到了一些符合要求的分子。例如有一種俗稱TRIS的單體，如果我們 讓它和聚甲基丙烯酸羥乙酯的單體——甲基丙烯酸羥乙酯發生反應，這樣得到的高分子，既在一定程度上保持了硅橡膠的透氣性，又具有比較強的親水性，用這樣的 高分子生產出來的鏡片性能也就更加優越（圖4）。當然，實際的生產過程遠比圖中所示的復雜，但基本上都是遵循類似的方法。目前，研究人員仍然在不停地尋找 性能更加優越高分子材料用于隱形眼鏡鏡片。

圖4 TRIS等含硅材料的應用大大提高了軟性隱形眼鏡的透氣性

        含硅高分子材料在軟性隱形眼鏡中的應用也給了硬性隱形眼鏡的研發人員類似的啟發。他們也嘗試在聚甲基丙烯酸甲酯中引入一些含硅的高分子，這樣得到的 隱形眼鏡鏡片與傳統的硬性隱形眼鏡鏡片相比，透氣性大大提高，被稱為硬性透氣性隱形眼鏡(rigid gas permeable contact lenses)。雖然目前的隱形眼鏡市場上軟性隱形眼鏡占據主導地位，硬性透氣性隱形眼鏡也占有了一定的市場份額。事實上硬性透氣性隱形眼鏡的優點也正在 被人們所了解，例如它們的機械強度遠勝過軟性隱形眼鏡，因而不容易損壞，可以使用更久。[6]

        毫不夸張地說，正是現代高分子科學的發展推動了隱形眼鏡的革新與進步，使得五百年前達芬奇筆下的構想在今天真正走進了千家萬戶。但高分子科學家們并不會滿足于以往的成績，未來他們會帶給我們哪些性能更加優異的隱形眼鏡，讓我們拭目以待。