감광제를 갖는 안내 렌즈 및 안내 렌즈의 굴절률 개질 방법

감광제를 갖는 안내 렌즈 및 안내 렌즈의 굴절률 개질 방법{INTRAOCULAR LENS WITH PHOTOSENSITIZER AND METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX OF THE LENS}

본 발명은 레이저를 이용해서 광학 중합체 물질을 포함하는 안내 렌즈의 굴절률을 개질하는 방법 및 이렇게 하여 얻은 안내 렌즈에 관한 것이다.

일반적으로, 두 종류의 안내 렌즈가 있다. 한 종류는 보통 백내장 수정체를 대체하기 위해 눈의 천연 수정체를 대체한다. 다른 한 종류는 현존 수정체를 보충하는 데 이용되어 영구 교정 렌즈 기능을 한다. 이러한 종류의 렌즈(유수정체 안내 렌즈(phakic IOL))라고 불림)는 전방 또는 후방에 이식되어 눈의 굴절률을 교정한다. 이식할 렌즈의 굴절력, 즉 무한대에서 시작하는 빛으로부터 망막에 맺히는 초점은 각 환자의 안구 길이 및 각막 곡률의 수술 전 측정에 기초하여 결정한다. 수술 전 측정은 수술 후 환자가 시력 교정을 필요로 한다 하더라도 거의 필요로 하지 않게 하는 바램으로 수행한다. 불행하게도, 측정 오차, 가변적인 렌즈 위치지정 또는 상처 치유 때문에, 백내장 수술을 받은 대부분의 환자는 수술 후 어떤 형태로든 시력 교정 없이는 최적의 시력을 누리지 못할 것이다. 브랜저(Brandser) 등의 문헌(Acta. Opthalmol. Scand. 75:162-165(1997)); 오시카(Oshika) 등의 문헌(J. Cataract Refract. Surg. 24:509-514(1998))을 참조한다. 현존하는 IOL의 굴절력은 대표적으로 눈을 가로질러서 고정되기 때문에, 많은 환자는 수술 후 교정 렌즈, 예를 들어 안경 또는 콘택트렌즈를 필요로 할 것이다.

미국 특허 6,450,642(이하, 칼호운(Calhoun) 특허라고 부름)는 (i) 제 1 중합체 기질 및 (ii) 자극 유도 중합을 할 수 있는 굴절 변조 조성물(RMC)를 포함한다고 기재된 빛에 의해 조정될 수 있는 렌즈를 기술한다. 언급된 바와 같이, 기술된 렌즈의 일부가 충분한 강도의 빛에 노출될 때, RMC는 제 2 중합체 기질을 생성한다. 이 방법으로부터, 빛에 의해 조정되는 굴절력 개질 렌즈가 얻어진다고 기재되어 있다.

칼호운 특허에 기술된 바와 같이, 제 1 중합체 기질 및 RMC는 RMC를 포함하는 성분이 제 1 중합체 기질 내에서 확산할 수 있도록 선택된다. 다시 말해서, 느슨한 제 1 중합체 기질은 더 큰 RMC 성분과 짝을 이루는 경향이 있고, 조밀한 제 1 중합체 기질은 더 작은 RMC 성분과 짝을 이루는 경향이 있다. 적당한 에너지원(예: 열 또는 빛)에 노출될 때, RMC는 대표적으로 광학 소자의 노출 영역에서 제 2 중합체 기질을 생성한다. 노출 후, 시간이 지남에 따라 비노출 영역의 RMC가 노출 영역으로 이동한다. 노출 영역으로 이동하는 RMC의 양은 시간 의존적이고 조절가능하다고 기재되어 있다. 충분한 시간이 허락되면, RMC 성분이 재평형화되어 렌즈 물질(즉, 노출 영역을 포함한 제 1 중합체 기질) 전체에 걸쳐서 재분포될 것이다. 그 영역이 에너지원에 재노출될 때, 그 영역으로 이동한 RMC가 중합하여 제 2 중합체 기질의 생성을 증가시킨다. 이 과정(노출 및 뒤이어 적당한 시간 간격 후 확산하도록 두는 것)은 광학 소자의 노출 영역이 요망되는 성질(예: 굴절력, 굴절률 또는 모양)에 이를 때까지 반복할 수 있다. 이어서, 전체 광학 소자를 에너지원에 노출하여 렌즈 물질에 남은 RMC를 중합시킴으로써 요망되는 렌즈 성질을 "잠근다". 전체적으로, 렌즈의 굴절력은 RMC의 이동 및 뒤이은 중합(들)으로 인한 모양 변화에 의해 변한다.

칼호운 방법의 한가지 명백한 불리한 점은 고객 맞춤 안내 렌즈를 실제로 제공하는 데 걸리는 시간이다. 예를 들어, RMC가 이미 노출된 조사된 영역으로 이동하는 데 수일 또는 아마도 1 주일쯤 걸릴 수 있다. 따라서, 칼호운 방법은 고객 맞춤 안내 렌즈 제조에는 허용될 수 없다.

미국 특허 7,105,110은 칼호운 특허에 기술된 빛에 의해 조정될 수 있는 렌즈에 적당한 양의 방사선을 적당한 패턴으로 조사하는 방법 및 기기를 기술한다. 이 방법은 개질 방사선 공급원을 이 방사선이 렌즈에 패턴으로 충돌하도록 정렬하고, 충돌하는 방사선의 양을 조절하는 것을 포함한다고 기재되어 있다. 충돌하는 방사선의 양은 조사 강도 및 기간을 조절함으로써 조절한다.

백내장 수술 후 환자의 시력을 개선하는 새로운 물질 및 방법이 여전히 필요하다. 따라서, 수술에 의한 렌즈 이식 전 뿐만 아니라 수술 후 교정시에 렌즈 물질의 굴절률 변화에 의해 굴절력을 개질할 수 있는 안내 렌즈가 필요하다. 또, 안과 공동체는 가변 거리에서 환자의 시력을 개선하기 위해 연장된 피사계 심도 또는 다초점 방식(modality)을 환자에게 제공하는 IOL에도 관심이 있다.

발명의 요약

본 발명은 레이저로부터 빛이 조사되어 굴절 구조가 생성된 소정의 영역을 가지는 광학 중합체 물질을 포함하는 안내 렌즈에 관한 것이다. 굴절 구조는 산란 손실이 거의 또는 전혀 없이 렌즈의 조사된 영역 내에서 굴절률 변화가 있음을 특징으로 한다. 조사는 중합체 물질의 소정의 영역을 레이저로 스캐닝함으로써 수행된다. 굴절 구조의 생성을 촉진하기 위해, 광학 중합체 물질은 10 GM 이상의 이광자 횡단면을 가지고 광관능기를 가지는 하나 이상의 단량체로부터 제조된다.

한 경우에서, 조사된 영역은 포지티브 또는 네가티브 렌즈 요소 형태의 3차원 굴절 구조에 의해 한정된다.

또, 본 발명은 사람 눈에 안내 렌즈를 수술에 의해 삽입하기 전에 안내 렌즈의 굴절률을 개질하는 방법에 관한 것이다. 기술된 조사 방법은 안내 렌즈에 굴절 구조를 생성하는 제조 환경에서 이용된다. 이 방법은 용매화된 안내 렌즈의 소정의 영역에 레이저로부터 600 ㎚ 내지 900 ㎚의 파장을 가지는 빛을 조사하여 굴절 구조를 생성하는 것을 포함한다. 굴절 구조는 산란 손실이 거의 또는 전혀 없이 렌즈의 조사된 영역 내에서 굴절률 변화가 있음을 특징으로 한다.

굴절 구조의 생성을 촉진하기 위해, 광학 중합체 물질은 감광제를 포함한다. 한 경우에서는, 광학 중합체 물질이 10 GM 이상의 이광자 횡단면을 가지고 광관능기를 가지는 하나 이상의 단량체로부터 제조된다. 다른 한 경우에서는, 광학 중합체 물질에 10 GM 이상의 이광자 횡단면을 가지는 감광제가 용액 도핑된다.

본 발명은 첨부 도면을 고려하여 다음 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각 도면이 본 발명을 추가로 예시하고 기술하기 위해 제공된 것이고 청구된 발명을 더 제한하려는 의도가 없음을 명백히 이해해야 한다.
도 1a는 레이저 조사에 의해 생성된 광학 중합체 물질에 묘화된 선 격자의 현미경 사진.
도 1b는 도 1a의 현미경 사진의 개략도.
도 2a는 레이저 조사에 의해 생성된 광학 중합체 물질의 다른 한 선 격자와 직교해서 그 위에 묘화된 선 격자의 현미경 사진.
도 2b는 도 2b의 현미경 사진의 개략도.
도 3a는 레이저 조사에 의해 생성된 광학 중합체 물질에 에칭된 실린더 배열의 현미경 사진.
도 3b는 도 3a의 현미경 사진의 개략도.
도 4a는 레이저 조사에 의해 생성된 광학 중합체 물질의 다른 한 실린더 배열(20x20)과 약간 단을 지어서 그 위에 에칭된 한 실린더 배열(20x20)의 현미경 사진.
도 4b는 도 4a의 현미경 사진의 개략도.
도 5는 레이저 조사에 의해 생성될 수 있는 광학 중합체 물질의 3차원 구조의 개략도.
도 6은 광학 중합체 물질에 볼록, 평면 또는 오목 구조를 생성하여 포지티브 또는 네가티브 교정을 얻은 것을 나타낸 개략도.
도 7은 도 1 내지 4, 9, 10 및 12에 나타낸 구조의 묘화에 이용된 레이저 및 광학 시스템의 개략도.
도 8a는 감광제가 없는 수화된 아크레오스(등록상표)(Akreos®) IOL의 투과 스펙트럼.
도 8b는 17 중량%의 쿠마린-1을 함유하는 용액이 도핑된 수화된 아크레오스(등록상표) IOL의 투과 스펙트럼.
도 9a는 50 ㎛/초의 스캔 속도 및 160 mW의 평균 출력으로 미세기계가공된 감광제가 없는 수화된 아크레오스(등록상표) IOL의 위상 대비 사진.
도 9b는 50 ㎛/초의 스캔 속도 및 160 mW의 평균 출력으로 미세기계가공된 17 중량% 쿠마린-1을 함유하는 용액이 도핑된 수화된 아크레오스(등록상표) IOL의 위상 대비 사진.
도 10a는 1 ㎜/초의 스캔 속도 및 160 mW의 평균 출력으로 미세기계가공된 17 중량% 쿠마린-1을 함유하는 용액이 도핑된 수화된 아크레오스(등록상표) IOL의 위상 대비 사진.
도 10b는 1 ㎜/초의 스캔 속도 및 60 mW의 평균 출력으로 미세기계가공된 17 중량% 쿠마린-1을 함유하는 용액이 도핑된 수화된 아크레오스(등록상표) IOL의 위상 대비 사진.
도 11a는 감광제가 없는 수화된 퓨어 비전(등록상표)(Pure Vision®) 실리콘 히드로겔의 투과 스펙트럼.
도 11b는 0.17 중량% 플루오레세인이 도핑된 수화된 퓨어 비전(등록상표) 실리콘 히드로겔의 투과 스펙트럼.
도 12a는 0.5 ㎛/초의 스캔 속도 및 60 mW의 평균 출력으로 미세기계가공된 감광제가 없는 수화된 퓨어 비전(등록상표) 실리콘 히드로겔의 위상 대비 사진.
도 12b는 5.0 ㎛/초의 스캔 속도 및 60 mW의 평균 출력으로 미세기계가공된 0.17 중량% 플루오레세인이 도핑된 수화된 퓨어 비전(등록상표) 실리콘 히드로겔의 위상 대비 사진.
도 13은 발라필콘(balafilcon) A 필름(플루오레세인 및 쿠마린-1이 도핑되지 않은 것 및 도핑된 것)의 굴절률 변화 대 스캔 속도의 플롯.
도 14는 실시예 5의 히드로겔 물질의 투과 스펙트럼.
도 15는 실시예 5의 히드로겔 물질에 대해 상이한 스캔 속도에서 측정된 굴절률 변화의 플롯.
도 16a 및 16b는 실시예 5A 및 5E의 히드로겔 물질에 대해 각각 1.5 nJ 및 2 nJ의 평균 펄스 에너지로 다양한 파장에서 측정된 굴절률 변화의 플롯.
도 17은 실시예 5A 및 5E의 히드로겔 물질에 대해 1.5 nJ의 평균 펄스 에너지 및 1 ㎜/초의 스캔 속도로 다양한 파장에서 측정된 굴절률 변화의 플롯.
도 18은 가변 함수율을 가지는 히드로겔 물질에 대해 측정된 굴절률 변화의 플롯.
도 19는 가변 함수율을 가지는 히드로겔 물질에 대해 다양한 파장에서 측정된 굴절률 변화의 플롯.

발명의 상세한 설명

충분한 에너지를 갖는 매우 짧은 레이저 펄스를 이용해서 용매화된 광학 중합체 물질에 조사하면, 조사된 영역(즉, 초점 부피) 내에서의 빛의 강도가 광자의 비선형 흡수(대표적으로, 다광자 흡수)를 일으켜서 초점 부피 내에서 물질의 굴절률 변화를 일으킨다. 게다가, 초점 부피 바로 밖에 있는 물질의 부분은 레이저 빛에 의해 최소한으로 영향을 받는다. 실험에 이용되는 펨토초 레이저 펄스 시퀀스는 높은 반복률, 예를 들어 80 MHz로 작동하고, 따라서, 열 확산 시간(>0.1 μs)이 인접 레이저 펄스 사이 간격(~11 ns)보다 훨씬 더 길다. 이러한 조건 하에서, 흡수된 레이저 에너지는 초점 부피 내에 축적해서 국소 온도를 증가시킬 수 있다. 본 발명자들은 이러한 열 메카니즘이 용매화된 광학 중합체 물질 내에 레이저 유도 굴절 구조 생성에 역할을 할 것이라고 믿는다. 중합체 물질에 용매, 예를 들어 물 또는 유기 용매, 예를 들어 알콜의 존재는 매우 중요하고 굴절 구조 생성에 깊은 영향을 미치는 것으로 믿어진다.

따라서, 본 발명은 감광제를 포함하는 광학 중합체 물질의 굴절률을 개질하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 용매화된 광학 중합체 물질의 선택된 영역에 레이저를 조사하는 것을 포함한다. 조사된 영역은 산란 손실을 거의 또는 전혀 나타내지 않고, 이것은 초점 부피 내에 생성된 굴절 구조가 위상 대비 증강 없이는 적당한 배율 하에서 뚜렷이 보이지 않는다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 굴절 구조는 어떠한 형태의 영상 증강 없이는 사람 눈에 실질적으로 투명하다.

굴절 구조의 생성을 촉진하기 위해, 광학 중합체 물질은 감광제를 포함한다. 감광제의 존재는 감광제가 없는 기본 중합체 물질에 비해 더 큰 스캔 속도 및 낮은 평균 레이저 출력을 이용해서 굴절 구조를 생성할 수 있게 한다. 예를 들어, 감광제의 존재는 물질에 감광제가 존재하지 않는 경우의 스캔 속도보다 50 배 이상 더 큰, 또는 100 배 이상 더 큰 값으로 스캔 속도를 설정할 수 있게 하고, 게다가, 조사된 영역에서 관찰되는 물질의 굴절률 변화의 점에서 유사한 굴절 구조를 제공할 수 있게 한다. 별법으로, 중합체 물질 중의 감광제는 물질에 감광제가 없는 경우의 평균 레이저 출력보다 적어도 2 배 더 작은, 바람직하게는 4 배 더 작은 값으로 레이저 출력을 설정할 수 있게 하고, 게다가, 유사한 굴절 구조를 제공할 수 있게 한다. 간략히 말하면, 더 큰 다광자 흡수 횡단면을 가지는 감광제가 더 큰 효율로 빛 방사(광자)를 포획한 후 그 에너지를 광학 중합체 물질에 초점 부피 내에 전달하는 것으로 믿어진다. 이어서, 전달된 에너지는 결국 굴절 구조를 생성하고, 조사된 영역(즉, 초점 부피)에서 물질의 굴절률 변화가 관찰된다.

굴절 구조는 렌즈의 피사계 심도를 증강하거나 또는 가변 굴절력의 선택된 영역을 생성하여 특정 환자의 요구에 맞게 렌즈를 고객 맞춤하도록 설계될 수 있다. 별법으로, 굴절 구조는 다초점 렌즈를 생성하도록 설계될 수 있다.

현재까지는, 가변적 구면수차 보상을 이용하는 60X 0.70 NA 올림푸스 LUCPlanFLN 긴 작동 거리 현미경 대물렌즈를 이용해 왔다. 다음 방정식이 나타내는 바와 같이, 국소 순간 온도는 펄스 강도 및 TPA 계수 크기에 의존한다. 순전히 굴절 특성만을 가지는, 즉 흡수 또는 산란이 일어나지 않는 물질의 광학적 개질을 생성하기 위해서는, 중합체 물질의 광학적 손상, 즉 관찰되는 탐(스코칭) 또는 탄화를 피하는 것이 꼭 필요하다. 이러한 물질 또는 광학적 손상은 임계 자유 전자 밀도를 초과하는 여기 강도에 의해 일어날 수 있다.

적정한 양의 물을 함유하는 히드로겔 중합체의 경우, 광학적 파괴 문턱값이 실리카 유리에서보다 훨씬 더 낮다. 이러한 파괴 문턱값은 히드로겔 중합체가 견딜 수 있는 펄스 에너지(많은 경우에서, 약 0.1 nJ 내지 10 nJ)를 제한하고, 게다가, 초점 부피 내에서 관찰되는 굴절률 변화를 제공한다. 본원에 기술된 조사 방법 및 조건은 훨씬 더 큰 펄스 에너지 및 훨씬 더 큰 온도 증가(수천 켈빈)가 관찰되는 실리카에서의 펨토초 레이저 미세기계가공 연구에서 보고된 것과 매우 상이하다. 에스.엠. 이튼(SM Eaton) 등의 문헌("Heat accumulation effects in femtosecond laser-written waveguides with variable repetition rate", Opt. Express 2005, 13, 4708-16)을 참조한다. 또, 물의 비열 상수 C _p 가 실리카 유리의 비열 상수(C _p = 840 JK ^-1 ㎏ ^-1 )보다 훨씬 더 크므로, 히드로겔 중합체 물질에 물의 존재가 초점 부피 내에서 온도 증가를 완화하는 것이라고 믿어진다.

마찬가지로, 소수성 단량체 또는 실리콘 단량체/거대 단량체로 제조된 광학 중합체 물질, 즉 수성 환경에서 인식할 수 있는 양의 물을 흡수하지 않는 광학 물질은 유기 용매, 예를 들어 알콜 또는 C ₆ -C ₁₈ 알칸의 존재 하에서 유사한 열 처리를 겪을 수 있다. 이 경우, 중합체 물질은 소정의 영역 내에 충분한 양의 용매를 흡수하여 초점 부피 내에서 온도 증가를 완화한다.

"용매화된"이라는 용어는 레이저로 조사될 중합체 물질의 적어도 소정의 영역에서 용매 함입에 의해 팽윤된 광학 중합체 물질을 의미한다. 많은 경우에서, 중합체 물질은 그 물질의 건조 중량 기준으로 10 중량% 내지 40 중량%의 용매 함량을 제공하도록 충분한 용매를 흡수할 것이다.

주어진 강도 수준에서 에너지 흡수를 증가시키는 다른 한 방법은 광학 중합체 물질에 감광제를 도핑하고 감광제의 이광자 전이 근처에서 짧은 펄스 레이저를 튜닝함으로써 비선형 흡수 계수 β를 증가시키는 것이다.

이와 관련해서, 본 발명자들은 중합불능 감광제 또는 중합가능 감광제가 도핑된 광학 물질을 제조하였다. 중합불능 감광제가 도핑되는 전자의 경우, 본 발명자들은 감광제를 함유하는 용액을 제조해서 광학 중합체 물질을 이 용액과 접촉하게 두었고, 이렇게 함으로써, 감광제가 중합체의 중합체 기질 안에 혼입된다. 감광제는 10 GM 이상의 이광자 횡단면을 가질 것이다. 중합가능 감광제가 도핑되는 후자의 경우, 본 발명자들은 단량체 혼합물에 광관능기(발색단)를 함유하는 단량체, 예를 들어 플루오레세인 기반 단량체를 이용하였고, 이렇게 함으로써, 발색단이 중합체 기질의 일부가 된다. 마찬가지로, 중합가능 감광제는 광관능기를 가질 것이고, 이렇게 함으로써 단량체는 10 GM 이상의 이광자 횡단면을 가진다.

물론, 통상의 기술을 가진 자는 중합가능 감광제를 이용해서 제조된 광학 중합체 물질에 도핑하는 데에 중합불능 감광제를 함유하는 용액을 쉽게 이용할 수 있음을 인식할 것이다. 또, 두 감광제의 발색 실체는 동일하거나 또는 상이할 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명자들의 연구는 용액 도핑에 의해 또는 중합가능 감광제 이용에 의해 감광제를 광학 중합체 물질에 도핑함으로써 국소 온도 증가가 중합체의 전이점에 이를 수 있음을 밝혔다. 이 전이점에 이르는 목표는 요망되는 굴절률 변화를 제공하고, 게다가, 강도의 안전한 최저 한도를 히드로겔 물질의 손상 문턱값 수준 아래로 유지한다. 본 발명자들이 조사 방법에 이용하는 높은 반복률의 펄스 시퀀스 때문에, 축적된 초점 온도 증가가 하나의 레이저 펄스에 의해 유도되는 온도 증가보다 훨씬 더 클 수 있다. 축적된 온도는 흡수된 출력 및 소산된 출력이 동적 균형을 이룰 때까지 증가한다.

히드로겔 중합체의 경우, 국소 온도가 전이 온도를 초과하기 때문에, 중합체 망상구조 내에 열에 의해 유도된 추가 가교가 굴절률 변화를 발생할 수 있다. 온도 증가가 제 2 문턱값, 즉 전이 온도보다 약간 더 높은 온도를 초과하면, 중합체가 열분해적으로 분해되고, 탄화된 잔분 및 수포가 관찰된다. 다시 말해서, 그 물질은 햇빛이 비치는 날에 돋보기로 종이에 구멍을 스코칭하거나 또는 태우는 것처럼 눈에 보이는 광학적 손상(스코칭)을 나타낸다.

본원에 기술된 본 발명자들의 연구로부터 얻은 결과로서, 용매화된 중합체에서 광학적 손상 없이 요망되는 굴절률 변화가 유도될 수 있도록 하기 위해서는 다음 실험 매개변수, 예를 들어 레이저 반복률, 레이저 파장 및 펄스 에너지, 물질의 TPA 계수 및 용매화 백분율, 예를 들어 히드로겔 물질이라면 함수 백분율을 각각 고려해야 한다.

레이저의 펄스 에너지 및 평균 출력, 및 조사되는 영역이 스캐닝되는 속도는 조사되는 중합체 물질의 종류, 요망되는 굴절률 변화 정도, 및 물질 내에 생성하고자 하는 굴절 구조의 종류에 부분적으로 의존할 것이다. 또, 선택되는 펄스 에너지는 물질에 구조를 묘화하는 레이저의 스캔 속도 및 평균 출력에 의존할 것이다. 대표적으로, 더 큰 스캔 속도 및 더 낮은 레이저 출력의 경우에는 더 큰 펄스 에너지가 필요할 것이다. 예를 들어, 일부 물질은 0.05 nJ 내지 100 nJ, 0.05 nJ 내지 50 nJ, 또는 0.2 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지를 요구할 것이다.

위에서 언급된 펄스 에너지 내에서는, 광학 중합체 물질이 0.1 ㎜/초 이상, 0.1 ㎜/초 내지 10 ㎜/초, 또는 0.4 ㎜/초 내지 4 ㎜/초의 스캔 속도로 조사될 수 있다.

위에서 언급된 펄스 에너지 및 스캔 속도 내에서는, 조사 방법에 이용되는 평균 레이저 출력이 10 mW 내지 400 mW, 10 mW 내지 300 mW, 또는 40 mW 내지 220 mW이다.

한 실시태양에서, 평균 펄스 에너지는 0.2 nJ 내지 10 nJ이고, 평균 레이저 출력은 40 mW 내지 220 mW이다. 또, 레이저는 650 ㎚ 내지 950 ㎚의 파장 내에서 작동한다. 언급된 레이저 작동 출력 내에서는, 광학 히드로겔 중합체 물질이 0.4 ㎜/초 내지 4 ㎜/초의 스캔 속도로 조사된다.

감광제는 600 - 1000 ㎚의 스펙트럼 범위에서 고유 선형 흡수가 있다 하더라도 거의 없는 발색단을 포함할 것이다. 감광제는 기술된 굴절 구조의 생성에 필요한 이광자 흡수의 광효율을 증강시키기 위해 광학 중합체 물질에 존재한다. 특히 관심을 끄는 감광제는 다음 화합물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 하기 화합물은 전형적인 것에 불과하다.

실시예 부분에서 더 상세히 기술하는 바와 같이, 현재 바슈 앤 롬(Bausch & Lomb)에서 판매하는 시판 IOL 물질인 아크레오스(등록상표)에 본원에 기술된 방법에 따라서 레이저가 조사된다. 미세기계가공 방법을 이용해서 감광제가 없는 아크레오스(등록상표) IOL 및 17 중량% 쿠마린-1을 함유하는 용액이 도핑된 아크레오스(등록상표) IOL에 굴절 구조를 생성한다. 조사 실험은 건조한 물질 및 용매화된 물질로 수행한다. 수화된 물질에만 굴절 구조가 생성된다.

간략히 말하면, 측정된 굴절률 변화의 크기는 주어진 스캔 속도 및 평균 레이저 출력에서 쿠마린으로 용액 도핑되지 않은 아크레오스(등록상표) IOL보다 쿠마린 용액이 도핑된 아크레오스(등록상표) IOL에서가 10 배 이상 더 크다. 놀랍게도, 160 mW의 평균 레이저 출력에서 1 ㎜/초로 스캔 속도를 증가시키는 것은 0.02 내지 0.03의 굴절률 변화를 가지는 굴절 구조(선 격자)를 제공한다. 게다가, 레이저 출력을 60 mW로 감소시키면 약 0.005의 굴절률 변화를 가지는 굴절 구조를 제공한다.

다른 한 실시태양에서는, 중합체 단량체 혼합물에 플루오레세인 단량체(0.17 중량%)를 첨가함으로써 발라필콘 A 실리콘 히드로겔을 제조한다. 이어서, 중합가능 플루오레세인이 도핑된 발라필콘 A에 본원에 기술된 방법에 따라서 레이저 빛을 조사한다. 또한, 기술된 조사 방법은 감광제가 없는 실리콘 히드로겔 및 0.17 중량% 플루오레세인이 도핑된 실리콘 히드로겔에서 수행된다. 또한, 실험은 건조한 물질 및 용매화된(수화된) 물질로 수행하고, 또한, 수화된 물질에만 굴절 구조가 생성된다.

간략히 말해서, 측정된 굴절률 변화의 크기는 60 mW의 평균 레이저 출력에서 감광제가 없는 발라필콘 A에서보다 0.17 중량% 플루오레세인이 도핑된 발라필콘 A 실리콘 히드로겔에서가 10 배 이상 더 크다. 이러한 10 배 차이의 굴절률 변화는 심지어 감광제가 도핑된 물질에서의 스캔 속도 10 배 증가와 함께 관찰된다 - 도핑되지 않은 물질에서는 0.5 ㎛/초이고, 감광제가 도핑된 물질에서는 5.0 ㎛/초이다.

일부 경우에서, 기술된 굴절 구조의 생성은 펄스 피크 출력이 광학 중합체 물질의 비선형 흡수 문턱값을 초과할 정도로 충분히 강하도록 펄스 폭이 보존되어야 하는 것을 필요로 한다. 그러나, 초점조절 대물렌즈(들)의 유리는 유리의 포지티스 분산 때문에 펄스 폭을 상당히 증가시킨다. 보상 기법을 이용해서 초점조절 대물렌즈에 의해 도입되는 포지티브 분산을 보상할 수 있는 상응하는 음분산을 제공한다. 따라서, 보상 기법을 이용해서 초점조절 대물렌즈(들)에 의해 도입되는 포지티브 분산을 교정할 수 있다. 보상 기법은 둘 이상의 프리즘과 하나 이상의 거울, 둘 이상의 회절 격자, 처프(chirped) 거울 및 초점조절 대물렌즈에 의해 도입되는 포지티브 분산을 보상하는 분산 보상 거울로 이루어지는 군으로부터 선택된 광학적 배치를 포함할 수 있다.

한 실시태양에서, 보상 기법은 하나 이상의 프리즘, 많은 경우에서 둘 이상의 프리즘, 및 초점조절 대물렌즈의 포지티브 분산을 보상하는 하나 이상의 거울을 포함한다. 다른 한 실시태양에서, 보상 기법은 초점조절 대물렌즈의 포지티브 분산을 보상하는 둘 이상의 격자를 포함한다. 프리즘, 격자 및/또는 거울의 어떠한 조합도 보상 기법에 이용될 수 있다.

레이저는 가시광선 내지 근적외선 범위의 파장을 가지는 빛을 생성할 것이다. 다양한 실시태양에서, 레이저의 파장은 600 ㎚ 내지 900 ㎚의 범위이다. 한 특정 실시태양에서, 레이저는 펌핑되는 Ti:사파이어 레이저이다. 이러한 레이저 시스템은 약 800 ㎚의 파장을 가지는 빛을 생성할 것이다. 레이저는 초점에서 피크 강도가 1013 W/㎠ 초과일 것이다. 때로는, 초점에서 1014 W/㎠ 초과 또는 1015 W/㎠ 초과의 피크 강도를 가지는 레이저를 제공하는 것이 유리할 수 있다.

광학 중합체 물질에 굴절 구조를 생성하는 능력은 환자의 눈에 안내 렌즈를 수술에 의해 이식하기 전에 안내 렌즈의 굴절률을 개질하는 중요한 기회를 제공한다. 수술 전에 안구 수술의는 수술 후 미미한 시력 교정만 필요하도록 하는 바램으로 각 환자의 시력 교정 요구를 기초로 하여 안내 렌즈의 필요한 굴절력 배율을 결정한다. 물론, 렌즈의 광학적 부분의 현존 고정 굴절력 및 구형 디자인 때문에 이러한 포지티브 결과를 얻을 가능성은 매우 적다. 예를 들어, 수술의는 고객 맞춤 안내 렌즈가 상업적으로 입수가능하지 않기 때문에 난시를 교정할 수 없다. 기술된 조사 방법은 각 환자의 시력 교정에 기초한 고객 맞춤 렌즈를 제공한다.

예를 들어, 선택된 굴절력(환자의 안구 요건에 따라서 달라짐)의 기본 렌즈에서부터 시작해서, 소정의 영역 내에서 렌즈의 굴절력을 조정할 수 있다. 본질적으로, 안내 렌즈는 콘택트렌즈 또는 안경처럼 환자의 눈의 굴절 이상을 개별적으로 교정하는 기능을 할 것이다.

추가로, 이식된 렌즈의 굴절률은 렌즈의 소정의 영역에 조사함으로써 조정될 수 있다. 따라서, 수술전 측정 오차, 이식하는 동안의 가변적 렌즈 위치지정 및 상처 치유(수차)에 기인하는 수술 후 굴절 이상이 현장에서 교정되거나 또는 미세 튜닝될 수 있다.

예를 들어, 백내장 수술은 대표적으로 각 눈의 천연 수정체를 안내 렌즈로 대체하는 것을 필요로 한다. 안내 렌즈 삽입 후, 수술의는 수술로 인한 수차를 교정할 수 있거나, 또는 안내 렌즈의 미미한 오배치를 교정할 수 있다. 수술 후 및 상처 치유 시간 후, 환자는 수술의에게 다시 가서 안내 렌즈의 선택된 영역이 조사되게 할 것이다. 이러한 조사된 영역은 포지티브 굴절률 변화를 겪을 것이고, 이것은 수차를 교정할 뿐만 아니라 시력 교정을 위한 환자의 요구를 교정할 것이다. 일부 경우에서, 수술의는 한쪽 눈의 안내 렌즈를 거리와 관련해서 조정할 수 있고, 반대쪽 눈의 안내 렌즈를 읽기와 관련해서 조정할 수 있을 것이다.

대표적으로, 광학 히드로겔 중합체 물질의 조사된 부분은 약 0.01 이상의 포지티브 굴절률 변화를 나타낼 것이다. 한 실시태양에서, 이 영역의 굴절률은 약 0.03 이상 증가할 것이다. 사실상, 본 출원인은 수화된 아크레오스(등록상표) IOL 물질에서 약 0.06의 포지티브 굴절률 변화를 측정하였다. 예를 들어, 기술된 조사 방법은 0.01 내지 0.06의 포지티브 굴절률 변화를 허용할 수 있다.

당업계 통상의 기술을 가진 자는 본원에 기술된 방법이 칼호운 특허에 기술된 바와 같이 반응하지 않는 단량체(굴절 변조 조성물)와 함께 광학 물질을 캐스팅한 후 레이저 조사하여 추가 중합 화학을 촉진하는 것에 의해서가 아니라, 오히려, 이미 완전 중합된 광학 물질에 굴절률 변화를 일으킴으로써 물질의 굴절 성질을 개질한다는 것을 이해할 것이다. "완전 중합된"이라는 용어가 이 방법에 이용되는 광학 물질을 특성화하는 데 이용될 때, 그 용어는 광학 물질이 95% 이상 중합된 것임을 의미한다. 중합된 광학 물질의 완전성을 측정하는 한가지 방법은 근적외선 분광법을 이용하는 것이고, 이것은 물질의 비닐 함량을 정성적으로 결정하는 데 이용된다. 또, 간단한 중량측정 중량 분석도 이용될 수 있다.

광학 중합체 물질의 조사된 영역은 2차원 또는 3차원 구조로 한정될 수 있다. 2차원 또는 3차원 구조는 불연속 실린더 배열을 포함할 수 있다. 별법으로, 2차원 또는 3차원 구조는 일련의 선(격자) 또는 실린더 배열 및 일련의 선의 조합을 포함할 수 있다. 게다가, 2차원 또는 3차원 구조는 각각 면적 또는 부피 충전된 구조를 포함할 수 있다. 이러한 면적 또는 부피 충전된 구조는 중합체 물질의 선택된 영역에 레이저를 연속 스캐닝함으로써 생성된다.

또, 문헌(R. Menon 등, Proc. SPIE, Vol. 5751, 330-339 (2005년 5월); Materials Today, p.26 (2005년 2월))에 기술된 대역-플레이트-배열 리소그래피 방법에 의해 나노미터 크기 구조도 생성할 수 있다.

한 실시태양에서, 3차원 굴절 구조는 포지티브 또는 네가티브 렌즈 요소 형태이다. 이들 구조의 광학적 영향을 최적화하기 위해서는, 포지티브 또는 네가티브 렌즈 요소가 안내 렌즈의 전면으로부터 300 ㎛ 이내의 렌즈의 부피에 배치된다.

한 실시태양에서, 안내 렌즈의 조사된 영역은 2차원 평면에 0.2 ㎛ 내지 3 ㎛의 폭, 바람직하게는 0.6 ㎛ 내지 1.5 ㎛의 폭, 및 0.4 ㎛ 내지 8 ㎛의 높이, 바람직하게는 1.0 ㎛ 내지 4 ㎛의 높이(높이는 레이저 빛의 방향에 대해 평행인 물질의 z 방향에서 측정됨)를 가지는 일련의 선에 의해 한정된다. 예를 들어, 각각의 선이 요망되는 길이, 약 0.8 ㎛ 내지 약 1.5 ㎛의 폭, 및 약 2 ㎛ 내지 5 ㎛의 높이를 가지는 다수의 선을 포함하는 선 격자를 생성할 수 있다. 선들은 1.0 ㎛(0.5 ㎛ 간격) 정도로 조금 분리될 수 있고, 선은 몇 개이든 얼마든지 물질에 혼입될 수 있다. 게다가, 격자는 선택된 어떠한 깊이(z-방향)에도 위치할 수 있고, 선 격자는 몇 개이든 얼마든지 물질 내에 다양한 깊이에 생성될 수 있다.

도 1a는 광학 물질에 묘화된 20 개의 선을 포함하는 선 격자의 대비 배경을 가지는 현미경 사진이다. 도 1b는 도 1a의 현미경 사진의 개략도이다. 각 선은 길이가 약 100 ㎛이고, 폭이 약 1 ㎛이고, 선 간격이 약 5 ㎛이다. 선은 약 3 ㎛의 높이를 가지고, 물질 내에 물질의 상부 표면으로부터 약 100 ㎛의 거리에 묘화된다. 선 격자를 나타내는 유사한 현미경 사진이 물질의 상부 표면으로부터 약 200 ㎛ 내지 약 400 ㎛의 거리에서 얻어지고, 이렇게 함으로써, 광학 물질 내에 어떠한 선택된 깊이에도 구조를 묘화할 수 있음을 입증한다.

도 2a는 다른 한 선 격자와 직교해서 그 위에 묘화된 한 선 격자의 대비 배경을 가지는 현미경 사진이다. 도 2b는 도 2a의 현미경 사진의 개략도이다. 각 격자는 상기 도 1에 대해 기술한 것과 유사한 치수의 구조를 가진다. 한 선 격자는 물질 내에 약 100 ㎛인 곳에 위치하고, 다른 한 선 격자는 약 10 ㎛의 중심선 격자 간격으로 물질 내에 약 110 ㎛인 곳에 위치한다. 또한, 이러한 선 구조는 각각 약 3 ㎛의 높이(깊이)를 가진다.

도 3a는 광학 물질 내에 생성된 실린더 배열의 대비 배경의 현미경 사진이다. 도 3b는 도 3a의 현미경 사진의 개략도이다. 각 실린더는 약 1 ㎛의 직경 및 약 3 ㎛의 높이를 가진다. 실린더는 약 5 ㎛씩 분리된다. 실린더는 물질 내에 물질의 상부 표면으로부터 약 100 ㎛의 거리에 생성된다.

도 4a는 다른 한 실린더 배열(20x20)에 대해 약간 단을 지어서 그 위에 생성된 한 실린더 배열(20x20)의 대비 배경을 가지는 현미경 사진다. 도 4b는 도 4a의 현미경 사진의 개략도이다. 각 실린더는 상기 도 3에 대해 기술한 것과 유사한 치수의 구조를 가진다. 한 배열은 물질 내에 약 100 ㎛인 곳에 위치하고, 다른 한 배열은 약 5 ㎛의 중심선 간격으로 물질 내에 약 105 ㎛인 곳에 위치한다. 각 실린더는 약 3 ㎛의 높이(깊이)를 가진다.

면적 충전된 또는 부피 충전된 2차원 또는 3차원 구조는 광학 중합체 물질의 소정의 영역 위에 레이저를 연속 스캐닝함으로써 생성될 수 있다. 한 면적 세그먼트에 펨토초 펄스의 조밀하게 집속된 빔을 반복적으로 스캐닝함으로써 광학 중합체 물질의 부피 내부에 굴절형 광학 소자를 미세기계가공할 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같은 구형, 비구형, 토로이드형 또는 실린더형 모양을 가지는 3차원 모양 렌즈를 제조하기 위해, 세그먼트의 면적을 스캔의 깊이에 따라 상응하게 변화시킬 수 있다. 굴절률 변화가 포지티브(+0.02 내지 +0.06)일지라도, 이 굴절 교정 렌즈는 볼록, 평면 또는 오목의 다양한 조합으로 제조되어서 도 6에 나타낸 바와 같은 포지티브 교정 또는 네가티브 교정을 얻을 수 있다. 하나의 렌즈로서 작용하도록 하기 위해 소자는 상이한 평면에 개별적으로 묘화되어 수직으로 쌓일 수 있다. 요망되는 대로 추가의 교정 층을 묘화할 수 있다.

굴절 구조의 현미경 사진이 나타내는 바와 같이, 면적 충전된 또는 부피 충전된 2차원 또는 3차원 구조는 격자 선 패턴, 실린더 및 방사상 패턴을 광학 물질에 생성할 수 있지만, 본원에 기술된 조사 방법을 이용해서 다른 광학 특징을 생성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 물질 내에 불연속 점 또는 반점에 레이저 빔을 향하게 함으로써 도트(예: 나노미터 범위의 치수를 가짐)의 배열을 생성할 수 있다. 이러한 한 배열이 실질적으로 한 평면에 배열될 수 있거나 또는 여러 개의 이러한 배열이 물질 내에 상이한 깊이에 생성될 수 있다. 이렇게 개질된 물질은 빛이 도트에 의해 실질적으로 산란되지 않을 때 유리하게 유용할 수 있다.

한 실시태양에서, 굴절 구조는 안내 렌즈의 전면 상부에 근접해서 생성된다. 예를 들어, 렌즈의 전면으로부터 300 ㎛ 부피 또는 100 ㎛ 부피 내에 포지티브 또는 네가티브 렌즈 요소(3차원)가 생성된다. "전면"이라는 용어는 사람 눈의 전방과 대면하는 렌즈의 표면이다.

광학 물질을 개질하기 위한 레이저 및 광학적 구성

광학 중합체 물질에 레이저를 조사하여 선택된 영역에서 물질의 굴절률을 개질하기 위한 레이저 시스템 (10)의 비제한적 실시태양이 도 7에 나타나 있다. 레이저원은 4W의 주파수 배가된 Nd:YVO4 레이저 (14)에 의해 펌핑되는 커-렌즈(Kerr-lens) 모드 잠금 Ti:사파이어 레이저 (12)(캡테인-머네인 랩스(Kapteyn-Murnane Labs), 미국 콜로라도 보울더)를 포함한다. 이 레이저는 800 ㎚의 파장에서 300 mW 평균 출력, 30 fs 펄스 폭 및 93 MHz 반복률의 펄스를 생성한다. 광행로의 거울 및 프리즘으로부터의 반사력 손실 및 특히 대물렌즈 (20)의 굴절력 손실로부터의 반사력 손실이 있기 때문에, 물질의 대물렌즈 초점에서 측정된 평균 레이저 출력은 약 120 mW이고, 이것은 펨토초 레이저의 펄스 에너지가 약 1.3 nJ임을 나타낸다.

대물렌즈 초점에서 제한된 레이저 펄스 에너지 때문에, 펄스 피크 출력이 물질의 비선형 흡수 문턱값을 초과할 정도로 충분히 강하도록 펄스 폭이 보존되어야 한다. 초점조절 대물렌즈 내부의 많은 양의 유리는 유리 내부에서의 포지티브 분산으로 인해 펄스 폭을 상당히 증가시키기 때문에, 보상 기법을 이용해서 초점조절 대물렌즈에 의해 도입된 포지티브 분산을 보상하는 음의 분산을 제공한다. 두 개의 SF10 프리즘 (24) 및 (28) 및 하나의 종말 거울 (32)가 2-패스 1-프리즘-쌍 구성을 생성한다. 본 발명자들은 광행로 내의 현미경 대물렌즈 및 다른 광학체의 분산을 보상하기 위해 프리즘 사이에 37.5 ㎝의 분리 거리를 이용하였다.

제3차 조화성분 생성을 이용하는 동일선상의 자기상관기 (40)을 이용해서 대물렌즈 초점에서 펄스 폭을 측정한다. 낮은 NA 또는 높은 NA를 가지는 대물렌즈의 자기상관 측정에 제2차 및 제3차 조화성분 생성이 모두 이용된다. 본 발명자들은 제3차 표면 조화성분 생성(THG) 자기상관의 간단성, 높은 신호 대 잡음 비, 및 제2차 조화성분 생성(SHG) 결정이 보통 도입하는 물질 분산의 결여 때문에 높은 개구수를 가지는 대물렌즈의 초점에서 펄스 폭을 특성화하는 데에 제3차 표면 조화성분 생성 자기상관을 선택하였다. THG 신호는 공기와 통상의 커버 슬립 (42)(코닝 번호(Corning No.) 0211 아연 티타니아 유리)의 계면에서 생성되고, 광전자 증배관 (44) 및 잠금 증폭기 (46)으로 측정한다. 한 조의 상이한 높은 개구수를 가지는 대물렌즈를 이용해서 두 프리즘 사이의 분리 거리 및 삽입된 유리의 양을 조심스럽게 조정함으로써, 본 발명자들은 변환이 제한된 27-fs 기간 펄스를 선택했고, 이것은 60X 0.70NA 올림푸스 LUCPlanFLN 긴 작동 거리 대물렌즈 (48)에 의해 집속된 다.

레이저 빔은 레이저 캐비티로부터 나간 후 공간적으로 발산하기 때문에, 레이저 빔이 대물렌즈 개구를 최적으로 충전할 수 있도록 레이저 빔의 치수를 조정하기 위해 광행로에 오목거울 쌍 (50) 및 (52)를 추가한다. 3D 100 ㎚ 해상도 DC 서보 모터 스테이지 (54)(뉴포트(Newport) VP-25XA 선형 스테이지) 및 2D 0.7 ㎚ 해상도 피에조 나노위치지정 스테이지(PI P-622.2CD 피에조 스테이지)가 샘플을 지지하고 위치시키는 스캐닝 플랫폼으로서 컴퓨터 (56)에 의해 조절되고 프로그래밍된다. 서보 스테이지는 DC 서보-모터를 가지고, 따라서 그것은 인접 단계 사이를 원활하게 움직일 수 있다. 1 ms 시간 해상도를 가지는 컴퓨터에 의해 조절되는 광학 셔터를 시스템에 설치하여 레이저 노출 시간을 정확하게 조절한다. 맞춤형 컴퓨터 프로그램을 이용하는 경우, 광학 셔터를 스캐닝 스테이지로 작동해서 상이한 위치 및 깊이 및 상이한 레이저 노출 시간에서 상이한 스캐닝 속도로 물질 내에 상이한 패턴을 미세기계가공할 수 있다. 추가로, 이 과정을 실시간으로 모니터링하기 위해 모니터 (62)와 함께 CCD 카메라 (58)이 대물렌즈 (20) 옆에서 이용된다.

상기 방법 및 광학 장치는 사람 눈에 안내 렌즈를 수술로 이식한 후 안내 렌즈의 굴절률을 개질하는 데 이용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 수술 절차에 기인하는 수차를 확인하고 측정하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다. 일단 안과학 분야에 잘 알려진 방법을 이용해서 수차가 확인되고 정량화되면, 이 정보는 컴퓨터에 의해 처리된다. 물론, 각 환자의 필요한 시력 교정과 관련된 정보도 또한 확인되고 결정될 수 있고, 이 정보도 또한 컴퓨터로 처리될 수 있다. 수차 측정에 이용되는 많은 상업적으로 입수가능한 진단 시스템이 있다. 예를 들어, 오늘날 이용되는 흔한 파면 센서는 스키머(Schemer) 디스크, 샥 하트만(Shack Hartmann) 파면 센서, 하트만 스크린, 및 피조(Fizeau) 및 트위만-그린(Twymann-Green) 간섭계를 기반으로 한다. 샥-하트만 파면 측정 시스템은 당업계에 알려져 있고, 미국 특허 5,849,006, 6,261,220, 6,271,914 및 6,270,221에 부분적으로 기술되어 있다. 이러한 시스템은 눈의 망막을 조명하여 반사된 파면을 측정함으로써 작동한다.

일단 수차가 확인되고 정량화되면, 컴퓨터 프로그램이 이 수차를 교정하거나 또는 환자에게 시력 교정을 제공하기 위해 렌즈 물질에 묘화될 광학 구조의 위치 및 모양을 결정한다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 당업계 통상의 기술을 가진 자에게 잘 알려져 있다. 컴퓨터가 레이저-광학 시스템과 소통하여 렌즈의 선택된 영역에 0.05 nJ 내지 1000 nJ의 펄스 에너지를 가지는 레이저를 조사한다.

광학 중합체 물질

본원에 기술된 방법에 따라서 레이저가 조사될 수 있는 광학 중합체 물질은 중합체 렌즈 분야의 통상의 기술을 가진 자, 특히 안내 렌즈 제조에 이용되는 광학 중합체 물질에 대해 잘 아는 당업계 통상의 기술을 가진 자에게 알려진 어떠한 광학 중합체 물질도 될 수 있다. 이러한 물질의 비제한적 예는 광학 중합체 물질, 예를 들어 실록시 함유 중합체, 아크릴, 친수성 또는 소수성 중합체 또는 그의 공중합체의 제조에 이용되는 것을 포함한다.

굴절 구조의 생성은 광학 실리콘 히드로겔 중합체 또는 광학 비-실리콘 히드로겔 중합체의 선택된 뚜렷한 영역에서 굴절률을 개질하는 데 특히 적합하다. "히드로겔"이라는 용어는 총 수화된 중량을 기준으로 10 중량% 초과의 물을 흡수할 수 있는 광학 중합체 물질을 의미한다. 사실상, 광학 히드로겔 중합체 물질 중 많은 물질이 15% 초과 또는 20% 초과의 함수율을 가질 것이다. 예를 들어, 광학 히드로겔 중합체 물질 중 많은 물질이 15% 내지 60% 또는 15% 내지 40%의 함수율을 가질 것이다.

광학 중합체 물질은 충분한 광학 투명도를 가지고, 약 1.40 이상, 바람직하게는 1.48 이상의 상대적으로 높은 굴절률을 가질 것이다. 또, 이들 물질 중 많은 물질이 약 80% 이상의 상대적으로 높은 신장률을 갖는 특징이 있다.

한 실시태양에서, 광학 중합체 물질은 3종 이상의 단량체 성분으로부터의 공중합체로서 제조된다. 제 1 단량체 성분은 공중합체에 60 중량% 이상의 양으로 존재하고, 그의 단독중합체는 1.50 이상, 바람직하게는 1.52 이상 또는 1.54 이상의 굴절률을 가질 것이다. 제 2 단량체 성분은 공중합체에 3 중량% 내지 20 중량% 또는 3 중량% 내지 10 중량%의 양으로 존재한다. 제 1 단량체 성분 및 제 2 단량체 성분은 함께 공중합체의 70 중량% 이상을 나타낸다. "단독중합체"라는 용어는 각 단량체 성분으로부터 실질적으로 전부 유래된 중합체를 의미한다. 통상적으로 있는 일이지만, 단독중합체의 생성을 촉진하기 위해서는 미량의 촉매, 개시제 및 기타 등등이 포함될 수 있다.

특히 유용한 제 1 단량체 성분은 스티렌, 비닐 카르바졸, 비닐 나프탈렌, 벤질(메트)아크릴레이트, 페닐(메트)아크릴레이트, 나프틸(메트)아크릴레이트, 2-페녹시에틸(메트)아크릴레이트, 2,3-디브로모프로필-(메트)아크릴레이트 및 이들의 혼합물을 포함한다. 특히 유용한 제 2 단량체 성분은 n-부틸(메트)아크릴레이트, n-헥실(메트)아크릴레이트, 2-에틸헥실-(메트)아크릴레이트, 2-에톡시에틸(메트)아크릴레이트, 2,3-디브로모프로필(메트)아크릴레이트, 1,1-디히드로퍼플루오로부틸(메트)아크릴레이트 및 이들의 혼합물을 포함한다.

공중합체는 친수성 단량체 성분으로부터 유래되는 제 4 단량체 성분을 더 포함할 수 있다. 친수성 성분은 공중합체의 2 중량% 내지 30 중량%의 양으로 존재한다. 친수성 성분은 바람직하게는 공중합체의 약 20 중량% 미만의 양으로 존재한다. 약 10 중량% 이상의 친수성 단량체 성분을 포함하는 공중합체는 수성 환경에 놓이면 히드로겔을 생성하는 경향이 있다. "친수성 단량체 성분"이라는 용어는 히드로겔 생성 단독중합체, 즉 수용액과 접촉해서 놓이면 단독중합체 중량 기준으로 25% 이상의 물과 회합되는 단독중합체를 생성하는 화합물을 의미한다.

유용한 친수성 단량체 성분의 구체적인 예는 N-비닐 피롤리돈; 히드록시알킬 (메트)아크릴레이트, 예를 들어 2-히드록시에틸 (메트)아크릴레이트, 3-히드록시프로필 (메트)아크릴레이트, 3-히드록시프로필 (메트)아크릴레이트, 4-히드록시부틸 (메트)아크릴레이트, 2,3-디히드록시프로필 (메트)아크릴레이트 및 기타 등등; 아크릴아미드; N-알킬 아크릴아미드, 예를 들어 N-메틸 아크릴아미드, N-에틸 아크릴아미드, N-프로필 아크릴아미드, N-부틸 아크릴아미드 및 기타 등등; 아크릴산; 메타크릴산; 및 기타 등등 및 이들의 어떠한 혼합물도 포함한다.

광학 중합체 물질은 적어도 제 1 단량체 성분 또는 제 2 단량체 성분과 가교를 생성할 수 있는 가교 성분을 포함할 것이다. 바람직하게는, 가교 성분은 다관능성이고, 제 1 단량체 성분 및 제 2 단량체 성분 둘 모두와 화학적으로 반응할 수 있다. 종종, 가교 성분은 제 1 단량체 성분 및 제 2 단량체 성분의 양에 비해 미량으로 존재한다. 바람직하게는, 가교 성분은 공중합체에 공중합체의 약 1 중량% 미만의 양으로 존재한다. 유용한 가교 성분의 예는 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 프로필렌 글리콜 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 기타 등등 및 이들의 혼합물을 포함한다.

한 실시태양에서, 광학 중합체 물질은 하기 화학식을 가지는 하나 이상의 방향족 (메트)아크릴레이트 단량체 및 가교 성분으로부터 제조될 수 있다:

여기서, R은 H 또는 CH ₃ 이고; m은 0 내지 10으로부터 선택된 정수이고; Y는 존재하지 않거나 또는 O, S 또는 NR(여기서, R은 H, CH ₃ , C ₂ -C ₆ 알킬, 이소-OC ₃ H ₇ , 페닐 또는 벤질임)이고; Ar은 치환되지 않거나 또는 H, CH ₃ , C ₂ H ₅ , nC ₃ H ₇ , 이소-C ₃ H ₇ , OCH ₃ , C ₆ H ₁₁ , Cl, Br, 페닐 또는 벤질로 치환될 수 있는 임의의 방향족 고리, 예를 들어 페닐이다.

다른 한 실시태양에서, 광학 중합체 물질은 하기 화학식을 가지는 하나 이상의 방향족 (메트)아크릴레이트 단량체 및 가교 성분으로부터 제조될 수 있다.

여기서, R은 H 또는 CH ₃ 이고; m은 0 내지 6으로부터 선택된 정수이고; Ar은 치환되지 않거나 또는 H, CH ₃ , C ₂ H ₅ , nC ₃ H ₇ , 이소-C ₃ H ₇ , OCH ₃ , OH, C(O)OH로 치환될 수 있는 임의의 방향족 고리, 예를 들어 페닐이다.

전형적인 방향족 (메트)아크릴레이트 단량체는 2-에틸페녹시 (메트)아크릴레이트, 2-에틸티오페닐 (메트)아크릴레이트, 2-에틸아미노페닐 (메트)아크릴레이트, 페닐-(메트)아크릴레이트, 벤질 (메트)아크릴레이트, 2-페닐에틸 (메트)아크릴레이트, 3-페닐프로필-(메트)아크릴레이트, 4-페닐부틸(메트)아크릴레이트, 4-메틸페닐 (메트)아크릴레이트, 4-메틸벤질 (메트)아크릴레이트, 2,2-메틸페닐에틸 (메트)아크릴레이트, 2,3-메틸페닐에틸 (메트)아크릴레이트, 2,4-메틸페닐에틸 (메트)아크릴레이트, 2-(4-프로필페닐)에틸 (메트)아크릴레이트, 2-(4-(1-메틸에틸)페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(4-메톡시페닐)에틸 메타크릴레이트 및 기타 등등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. "(메트)아크릴레이트"라는 용어는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 중합가능 관능기를 가지는 단량체를 의미한다.

일반적으로, 광학 중합체 물질이 상기 화학식에 의해 정의된 방향족 아크릴레이트 및 방향족 메타크릴레이트 둘 모두로 제조되는 경우, 그 물질은 일반적으로 아릴 메타크릴레이트 에스테르 잔기의 몰 백분율보다 더 큰 몰 백분율의 아릴 아크릴레이트 에스테르 잔기를 포함할 것이다. 아릴 아크릴레이트 단량체가 중합체의 약 60 몰% 내지 약 90 몰%를 구성하고, 한편, 아릴 메타크릴레이트 단량체가 중합체의 약 5 몰% 내지 약 40 몰%를 구성하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 것은 약 60 - 70 몰%의 2-페닐에틸 아크릴레이트 및 약 30 - 40 몰%의 2-페닐에틸 메타크릴레이트를 포함하는 중합체이다.

다른 한 실시태양에서, 광학 중합체 물질은 5 중량% 내지 15 중량%의 완전 수화된(평형) 함수율을 가질 것이고, 이것은 또한 기술된 열 응력에 뒤따르는 탁도를 최소화하는 것을 도울 뿐만 아니라 생체 내에서 수포 생성을 최소화하는 것을 돕는다. 요망되는 함수율을 달성하기 위해, 본 출원인은 중합가능 조성물에 화학식 GD-Ar(여기서, Ar은 친수성 치환체를 가지는 C ₆ -C ₁₄ 방향족 기임)을 가지는 친수성 방향족 단량체를 포함할 수 있다는 것을 발견하였다. D는 2가 연결기이고, G는 중합가능 에틸렌 부위이다.

한 특별한 친수성 방향족 단량체는 하기 화학식으로 나타내어진다.

(여기서, R은 수소 또는 CH ₃ 이고; D는 직쇄 또는 분지쇄 C ₁ -C ₁₀ 탄화수소로 이루어지는 군으로부터 선택된 2가 기이고, E는 카르복시, 카르복스아미드 및 1가 및 다가 알콜 치환체로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 전형적인 친수성 치환체는 -COOH, -CH ₂ -, CH ₂ OH, -(CHOH) ₂ CH ₂ OH, -CH ₂ -CHOH-CH ₂ OH, 폴리(알킬렌 글리콜), -C(O)O-NH ₂ 및 -C(O)-N(CH ₃ ) ₂ 를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.

전형적인 친수성 방향족 단량체는 하기 화학식으로 나타내어진다:

(여기서, R은 수소 또는 CH ₃ 이고, R ¹ 은 -C(O)O-NH ₂ 또는 -C(O)-N(CH ₃ ) ₂ 임)

다른 한 실시태양에서, 광학 중합체 물질은 5 - 25 중량%의 양으로 존재하는 제 1 아릴 단량체 성분; 30 내지 70 중량%의 양으로 존재하는 제 2 단량체 성분인 2-히드록시에틸 (메트)아크릴레이트; 및 5 내지 45 중량%의 메틸 (메트)아크릴레이트, 에틸 (메트)아크릴레이트, 프로필 (메트)아크릴레이트, 부틸 (메트)아크릴레이트, 펜틸 (메트)아크릴레이트, 헥실 (메트)아크릴레이트, 헵틸 (메트)아크릴레이트, 노닐 (메트)아크릴레이트, 스테아릴 (메트)아크릴레이트, 옥틸 (메트)아크릴레이트, 데실 (메트)아크릴레이트, 라우릴 (메트)아크릴레이트, 펜타데실 (메트)아크릴레이트, 및 2-에틸헥실 (메트)아크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 다른 알킬 (메트)아크릴레이트로부터 제조된다. 알킬 (메트)아크릴레이트 중에서, 1 내지 3 개의 탄소 원자를 가지는 알킬기를 함유하는 것이 바람직하다.

전형적인 아릴 단량체 성분은 에틸렌 글리콜 페닐 에테르 아크릴레이트(EGPEA), 폴리(에틸렌 글리콜 페닐 에테르 아크릴레이트)(폴리EGPEA), 페닐 메타크릴레이트, 2-에틸페녹시 메타크릴레이트, 2-에틸페녹시 아크릴레이트, 헥실페녹시 메타크릴레이트, 헥실페녹시 아크릴레이트, 벤질 메타크릴레이트, 2-페닐에틸 메타크릴레이트, 4-메틸페닐 메타크릴레이트, 4-메틸벤질 메타크릴레이트, 2,2-메틸페닐에틸 메타크릴레이트, 2,3-메틸페닐에틸 메타크릴레이트, 2,4-메틸페닐에틸 메타크릴레이트, 2-(4-프로필페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(4-(1-메틸에틸)페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(4-메톡시페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(4-시클로헥실페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(2-클로로페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(3-클로로페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(4-클로로페닐)에틸 메� �크릴레이트, 2-(4-브로모페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(3-페닐페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(4-페닐페닐)에틸 메타크릴레이트, 2-(4-벤질페닐)에틸 메타크릴레이트, 및 기타 등등을 포함하고, 상응하는 메타크릴레이트 및 아크릴레이트를 포함하고, 이들의 혼합물을 포함한다. EGPEA 및 폴리EGPEA가 더 바람직한 제 1 단량체 성분 중 2 개이다.

다른 한 실시태양에서, 광학 중합체 물질은 약 90 중량%의 N-비닐피롤리돈(NVP) 및 약 10 중량%의 4-t-부틸-2-히드록시시클로헥실 메타크릴레이트를 포함하는 친수성 아크릴로부터 제조된다. 이 메타크릴레이트 히드로겔은 높은 백분율의 NVP 때문에 약 80 중량%의 물을 흡수할 수 있다. 수화될 때, 그의 굴절률은 물의 굴절률에 매우 가깝다. 관심을 끄는 다른 한 친수성 아크릴은 약 0.9 중량%의 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트("EGDMA")와 가교된 폴리(2-히드록시에틸 메타크릴레이트)인 HEMA B라고 불리는 것이다. 이 HEMA-히드로겔은 약 37 중량%의 물을 흡수할 수 있다.

관심을 끄는 한 특별한 친수성 아크릴 물질은 바슈 앤 롬이 아크레오스(등록상표)라는 상표명으로 시장에서 판매하는 상업적으로 입수가능한 IOL을 기반으로 한다. 이 아크릴 물질은 약 80 중량%의 HEMA 및 20 중량%의 MMA를 포함한다.

또, 광학 중합체 물질은 퍼플루오로옥틸에틸옥시프로필렌 (메트)아크릴레이트, 2-페닐에틸 (메트)아크릴레이트, 하기 화학식을 가지는 알킬 (메트)아크릴레이트 단량체 및 가교 단량체를 포함하는 특정 단량체 혼합물을 공중합함으로써 제조할 수 있다.

여기서, R은 수소 또는 메틸이고, R ¹ 은 직쇄 또는 분지쇄 C ₄ -C ₁₂ 알킬기이다. 알킬 (메트)아크릴레이트 단량체의 전형적인 목록은 n-부틸 아크릴레이트, 이소부틸 아크릴레이트, 이소아밀 아크릴레이트, 헥실 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 이소옥틸 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트 및 기타 등등을 포함한다.

퍼플루오로옥틸에틸옥시프로필렌 (메트)아크릴레이트는 5 중량% 내지 20 중량%의 양으로 존재하고, 2-페닐에틸 (메트)아크릴레이트는 40 중량% 내지 60 중량%의 양으로 존재하고, 알킬 (메트)아크릴레이트 단량체는 30 중량% 내지 50 중량%의 양으로 존재하고, 가교제는 0.5 중량% 내지 4 중량%의 양으로 존재한다.

또, 광학 중합체 물질은 12 내지 18 몰%의 화학식 R ⁴ R ⁵ -SiO의 아릴 치환 실록산 단위를 함유하는 중합체를 포함하는 보강된 가교된 실리콘 엘라스토머로부터 제조될 수 있다. 이 화학식에서, R ⁴ 및 R ⁵ 는 동일하거나 또는 상이하고, 페닐, 모노-저급 알킬 치환 페닐기 또는 디-저급 알킬 치환 페닐기를 나타낸다. 바람직하게는, R ⁴ 및 R ⁵ 는 페닐이다.

중합체는 화학식 R ¹ R ² R ³ -SiO ₅ (여기서, R ¹ 및 R ² 는 알킬, 아릴 또는 치환된 알킬 또는 치환된 아릴기이고, R ¹ 및 R ² 는 동일하거나 또는 상이할 수 있음)의 실록산 단위를 함유하는 말단 차단 부위를 가진다. 말단 블록킹 실록산 단위의 R ³ 기는 알케닐기이다. 바람직하게는, 말단 차단 부위는 디메틸비닐 실록산 단위이다.

중합체의 나머지 부분은 화학식 R ⁶ R ⁷ -SiO(여기서, R ⁶ 및 R ⁷ 은 동일 또는 상이하고, 메틸 또는 에틸기임)의 디알킬 실록산 단위로 이루어지고, 중합체는 100 내지 2000의 중합도를 가진다. 바람직하게는, R ⁶ 및 R ⁷ 은 둘 모두 메틸이고, 중합도는 약 250이다.

트리메틸 실릴로 처리된 실리카 보강제가 중합체에 중합체 100 부 당 보강제 약 15 내지 45 부의 중량비로 미세 분산된다. 바람직하게는, 공중합체 100 부 당 보강제 약 27 부가 있다.

광학 중합체 성분은 가교제를 포함할 것이다. 본 발명의 공중합체 물질을 생성하는 데 유용한 공중합가능 가교제(들)는 하나 초과의 불포화기를 가지는 말단이 에틸렌성 불포화된 어떠한 화합물도 포함한다. 바람직하게는, 가교제는 디아크릴레이트 또는 디메타크릴레이트를 포함한다. 또, 가교제는 둘 이상의 (메트)아크릴레이트 및/또는 비닐기를 가지는 화합물을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 가교제는 디아크릴레이트 화합물을 포함한다.

광학 중합체 물질은 각 단량체 성분으로부터 일반적인 통상의 중합 방법에 의해 제조된다. 선택된 양의 단량체들의 중합 혼합물을 제조하고, 통상의 열적 자유 라디칼 개시제를 첨가한다. 혼합물을 적당한 모양의 금형에 도입하여 광학 물질을 생성하고, 온화하게 가열함으로써 중합을 개시한다. 대표적인 열적 자유 라디칼 개시제는 퍼옥시드, 예를 들어 벤조페논 퍼옥시드, 퍼옥시카르보네이트, 예를 들어 비스-(4-t-부틸시클로헥실)퍼옥시디카르보네이트, 아조니트릴, 예를 들어 아조비스이소부티로니트릴 및 기타 등등을 포함한다. 바람직한 개시제는 비스-(4-t-부틸시클로헥실)퍼옥시디카르보네이트(PERK)이다. 별법으로, 단량체는 이들 아크릴 단량체의 중합을 단독으로 개시할 수 있는 파장의 화학 방사선에 대해 투명한 금형을 이용함으로써 광중합될 수 있다. 중합을 촉진하기 위해 통상의 광개시제 화합물, 예를 들어 벤조페논형 광개시제도 도입될 수 있다.

본 발명의 특정 실시태양을 앞에서 기술하였지만, 당업계 숙련자는 특허 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어남이 없이 많은 동등물, 변경, 치환 및 변화를 가할 수 있음을 인식할 것이다.

실시예

실시예 1. 17% 쿠마린-1을 가지는 아크레오스(등록상표) IOL의 제조

2.5 g의 쿠마린-1 염료를 10 ㎖의 에탄올 및 5 ㎖의 물을 함유하는 에탄올-물 혼합물에 용해하였다. 아크레오스 샘플의 건조 중량을 기록하였다. 샘플을 순수한 물에서 수화하여 질량을 기록하였다. 수화 단계 후, 일정 질량에 도달할 때까지 샘플을 쿠마린-1 염료를 함유하는 에탄올-물 혼합물에 침지하였다. 염료 용액에 침지한 후의 질량을 기록하였다. 도핑된 염료의 질량은 용액에 침지한 후의 질량과 건조 질량 사이의 차에 에탄올-물 용액 중의 염료의 질량 농도를 곱해서 계산하였다. 도핑된 염료의 백분율은 건조 질량에 대한 도핑된 쿠마린-1 염료의 질량의 비에 100을 곱해서 계산하였다.

실시예 2. 아크레오스(등록상표) IOL 물질에 구조 생성

기술된 광학 시스템을 이용해서 광학 물질의 선택된 영역에 선 구조를 생성하였다. 실험은 감광제를 갖는 아크레오스(등록상표) IOL 물질 및 감광제가 없는 아크레오스(등록상표) IOL 물질로 수행하였다. 아크레오스(등록상표) IOL 물질은 약 80 중량%의 HEMA 및 20 중량%의 MMA를 포함하고, 상기한 유사한 방법 조건을 이용해서 약 26%의 함수율을 가진다.

수화된 샘플을 스캐닝 플랫폼에 수평으로 탑재하고, 펨토초 레이저 빔을 높은 개구수를 가지는 대물렌즈를 통해 아래 방향으로 수직으로 향하게 하고, 도 7에 나타낸 바와 같이 벌크 물질의 내부에 샘플의 상부 표면으로부터 약 100 ㎛의 깊이에 집속하였다. 레이저 빔에 대해 수직인 XY 평면에 0.4 ㎛/초의 스캐닝 속도로 주기적 격자 구조를 생성하였다. 올림푸스 BX51 모델 현미경을 이용해서 이들 세 물질 내부에 생성된 격자를 관찰하였다.

현미경 사진은 샘플 내부에 5 ㎛ 간격을 가지는 주기적으로 평행한 격자를 보여주었다. 격자는 명시야 현미경으로는 보기 어려웠고, 이것은 이 격자가 낮은 산란을 나타낸다는 것을 가리킨다. 격자의 폭은 약 1 ㎛이었고, 이것은 칼날 방법(knife-edge method)을 이용해서 측정한 2.5 ㎛의 레이저 초점 직경보다 상당히 작다. 따라서, 이 과정에서 열 축적이 있을지라도, 개질된 영역은 여전히 레이저 조사 초점 부피 내에 있다.

조사된 물질의 횡단면은 격자의 횡단면이 레이저 빔의 방향으로 배향되는 장축을 가지는 타원임을 나타냈고, 이것은 이 방향으로 더 큰 레이저 강도 분포가 있었다는 것을 가리킨다. 대물렌즈의 커버슬립 교정을 조심스럽게 조정함으로써, 이 구면수차를 최소화할 수 있다.

도 8a 및 8b에서 나타내는 바와 같이, 아크레오스(등록상표) IOL에 쿠마린-1의 혼입은 아크레오스(등록상표) IOL 물질의 투과 스펙트럼에 약 50 ㎚의 적색 천이를 제공하였다. 쿠마린-1을 가지는 아크레오스(등록상표) IOL 물질은 400 ㎚ 및 약 425 ㎚에서 상대적으로 상당한 흡수 프로파일을 가지고, 반면, 감광제가 없는 아크레오스(등록상표) IOL 물질은 이 파장에서 본질적으로 투명하다.

도 9a 및 9b는 물질 내에 상부 조사 표면으로부터 약 200 ㎛의 깊이에 미세기계가공된 굴절 구조를 가지는 아크레오스(등록상표) IOL 물질의 위상 대비 사진이다. 조사 방법은 160 mW의 평균 출력 및 50 ㎛/초의 스캔 속도로 수행하였다. 도 9a에 나타낸 바와 같이, 감광제가 없는 아크레오스(등록상표) IOL 물질에 미세기계가공된 굴절 구조는 △RI가 <<0.005(구조의 볼 수 있는 검출 한계)로서 굴절률 변화를 제공한다 하더라도 거의 제공하지 않는다. 사실상, 위상 대비 증강을 한 경우조차도 물질 내의 굴절 구조를 보기가 매우 어렵다. 대조적으로, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 동일한 출력 및 스캔 속도로 17% 쿠마린-1을 가지는 아크레오스(등록상표) IOL 물질에 미세기계가공된 굴절 구조는 △RI가 >0.06으로서 매우 상당한 굴절률 변화를 제공한다. 위상 대비 증강으로 굴절 구조가 뚜렷하게 보인다.

도 10a 및 도 10b는 미세기계가공된 구조의 굴절력 차가 스캔 속도 및 레이저 출력을 기초로 얼마나 변할 수 있는가를 나타낸다. 더 중요한 것은, 도 10a는 1 ㎜/초의 스캔 속도로 17% 쿠마린-1을 갖는 아크레오스(등록상표) IOL 물질에 약 0.02 내지 0.3의 △RI를 가지는 굴절 구조를 생성할 수 있다는 것을 보여준다. 이것은 감광제가 없는 아크레오스(등록상표) IOL 물질에 유사한 굴절 구조를 생성하기 위해서는 약 10 ㎛/초로 스캐닝해야하기 때문에 매우 놀랍고 흥분시키는 결과이다. 쿠마린-1의 존재는 스캔 속도를 거의 100 배 증가시킬 수 있게 한다. 게다가, 상대적으로 낮은 레이저 출력, 즉 60 mW로도, 약 0.005의 △RI를 가지는 굴절 구조를 여전히 생성할 수 있다.

실시예 3. 0.07 중량% 플루오레세인을 가지는 퓨어 비전(등록상표)(Pure Vision®) 실리콘 히드로겔의 제조

0.25 g의 플루오레세인 염료를 50 ㎖의 에탄올 및 50 ㎖의 물을 함유하는 에탄올-물 혼합물에 용해하였다. 퓨어 비전 샘플의 건조 중량을 기록하였다. 샘플을 순수한 물에서 수화하고, 질량을 기록하였다. 수화 단계 후, 샘플을 일정 질량에 도달할 때까지 플루오레세인 염료를 함유하는 에탄올-물 혼합물에 침지하였다. 염료 용액에 침지한 후의 질량을 기록하였다. 도핑된 염료의 질량은 용액에 침지한 후의 질량과 에탄올-물 용액 중의 염료의 질량 농도를 곱한 건조 질량 사이의 차로서 계산하였다. 도핑된 염료의 백분율은 건조 질량에 대한 도핑된 플루오레세인 염료 질량의 비에 100을 곱함으로써 계산하였다.

실시예 4. 발라필콘 A 실리콘 히드로겔에 구조 생성

실시예 2에 기술된 광학 시스템을 이용해서 수화된 발라필콘 A(퓨어 비전(등록상표)) 실리콘 히드로겔 물질의 선택된 영역에 선 구조를 생성하였다. 감광제인 플루오레세인을 갖는 경우의 실험과 플루오레세인이 없는 경우의 실험을 수행하였다.

도 11a 및 도 11b에 나타낸 바와 같이, 발라필콘 A 실리콘 히드로겔에 플루오레세인 혼입은 투과 스펙트럼에서 150 ㎚ 이상의 적색 이동을 제공하였다. 플루오레세인을 갖는 발라필콘 A 실리콘 히드로겔은 500 ㎚에서 상대적으로 상당한 흡수 프로파일을 가졌고(도 12b), 반면, 감광제가 없는 실리콘 히드로겔은 이 파장에서 본질적으로 투명하다(도 12a).

도 12a는 상부 조사 표면으로부터 약 200 ㎛의 깊이에 미세기계가공된 발라필콘 A 실리콘 히드로겔의 위상 대비 사진이다. 조사 방법은 60 mW 및 0.5 ㎛/초의 스캔 속도로 수행하였다. 도 12a에 나타낸 바와 같이, 감광제가 없는 발라필콘 A 실리콘 히드로겔에 미세기계가공된 굴절 구조는 △RI가 <<0.005(구조의 볼 수 있는 검출 한계)로서 굴절률 변화를 제공한다 하더라도 거의 제공하지 않는다. 사실상, 위상 대비 증강을 한 경우조차도 물질 내의 굴절 구조를 보기가 매우 어렵다. 대조적으로, 도 12b에 나타낸 바와 같이, 동일한 출력 및 5.0 ㎛/초의 스캔 속도(도핑되지 않은 발라필콘 A에 비해 10 배 증가)로 0.17 중량% 플루오레세인을 가지는 발라필콘 A 실리콘 히드로겔에 미세기계가공된 굴절 구조는 △RI가 약 0.02 내지 0.03으로 매우 상당한 굴절률 변화를 제공하였다. 위상 대비 증강으로 굴절 구조가 뚜렷이 눈에 보였다. 게다가, 상대적으로 낮은 레이저 출력, 즉 60 mW로도, 1 ㎜/초의 스캔 속도로 약 0.01의 △RI를 가지는 굴절 구조를 여전히 생성할 수 있었다.

도핑되지 않거나 또는 플루오레세인 또는 쿠마린-1이 도핑된 발라필콘 A 물질에서 굴절률 변화 대 스캔 속도를 나타내는 플롯이 제공된다. 이 플롯은 감광제가 도핑된 히드로겔 물질에서 광 조정 영향의 상당한 증강을 입증하였다. 물질의 도핑은 물질을 통하는 레이저의 스캔 속도를 거의 100 배 정도 증가시켜, 즉 물질에 굴절 구조를 생성하여, 물질 내에서 대등한 굴절률 개질을 달성할 수 있게 한다.

실시예 2 및 4에서, 굴절 구조(선 격자)는 이 격자에 632.8 ㎚의 파장을 가지는 비편광 He-Ne 레이저 빔을 집속하고 회절 패턴을 모니터링함으로써 연구하였다. 회절각은 하기 회절 방정식과 양호한 일치를 나타내었다.

여기서, m은 회절 차수이고, λ는 입사 레이저 빔의 파장이며, 여기서는 632.8 ㎚이고, d는 격자 주기이다.

격자의 회절 효율을 측정할 수 있고, 효율은 굴절률 변화의 함수이기 때문에, 그것을 이용해서 레이저 조사 영역에서의 굴절률 변화를 계산할 수 있다. 격자를 위상 격자라고 볼 때, 그의 투과도 함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

여기서, a는 격자 선 폭이고, d는 홈 간격이고, φ ₂ 및 φ ₁ 은 각각 선 및 주변 영역을 통하는 위상 지연으로서,

이어서, 격자 회절 패턴의 강도 분포는 다음과 같다:

이 식으로부터, 0차(I0), 1차(I1) 및 2차(I2) 회절 빛의 강도는 다음과 같다:

1차, 2차 및 0차 회절 차수의 빛 강도를 비교함으로써, 격자 선 내의 굴절률 변화를 결정할 수 있다. 도 3은 PV2526-164에서 격자의 0차 회절 차수에 대한 1차 회절 차수 및 2차 회절 차수의 강도 비가 각각 0.1374 및 0.0842이고, 분석에 의해 결정되는 상응하는 굴절률 변화가 약 0.06임을 나타낸다. 동일한 방법을 이용해서, 본 발명자들은 RD1817 및 HEMA B에서의 평균 굴절률 변화가 0.05 ± 0.0005 및 0.03 ± 0.0005임을 결정하였다. 따라서, 초고속 레이저를 물질에 적용함으로써 물질의 굴절률이 개질될 수 있다는 것이 입증되었다.

실시예 5

다음 실시예에서는 690 ㎚ 내지 1040 ㎚의 튜닝가능 파장 범위에서 100 fs의 펄스 폭 및 80 MHz의 반복률의 펄스를 생성하는 커-렌즈 모드 잠금 Ti:사파이어 레이저(마이타이(MaiTai) HP, 뉴포트(Newport)로부터 입수함)를 이용하는 펨토초 레이저 발진기를 이용하였다. 실험에서는, 대물렌즈의 초점에서 평균 레이저 출력을 가변 감쇠기에 의해 감쇠하고 조정하였고, 히드로겔 중합체에서 총 광학 손상을 피하기 위해 160 mW(2 nJ 펄스 에너지) 미만으로 설정하였다. 100 ㎚ 해상도를 가지는 3 개의 뉴포트 VP-25XA 선형 서보 스테이지가 컴퓨터에 의해 조절되고 프로그래밍될 수 있는 3D 매끄러운 스캐닝 플랫폼을 생성하였다. 초점조절 대물렌즈는 구면수차를 정밀하게 교정할 수 있고 물질 표면 아래의 상이한 깊이에 거의 회절 제한된 레이저 초점을 생성할 수 있는 60X 0.70NA 올림푸스 LUCPlanFLN 긴 작동 거리 대물렌즈였다.

레이저 펄스 조사 시퀀스 동안, 광학 히드로겔 중합체 물질을 두 커버 슬립 사이의 샌드위치 구조로 수성 환경 내에서 유지시켰고 스캐닝 플랫폼 상에 수평으로 탑재하였다. 펨토초 레이저 펄스를 초점조절 대물렌즈를 통해 히드로겔 샘플 내부에 수직으로 집속시켰다. 상이한 중합체 히드로겔 및 상이한 평균 레이저 출력과 함께 0.4 ㎛/초 내지 4 ㎜/초의 상이한 수평 스캐닝 속도를 이용하였다. CCD 카메라를 이용해서 조사 과정을 모니터링하여 플라즈마 조명을 검출하였고, 이는 레이저 유도 물질 파괴의 개시를 나타냈다. 레이저 조사 후, 물질을 제거해서 보정된 올림푸스 BX51 현미경 하에서 상이한 모드로 관찰하였다. 조사된 영역의 굴절률 변화를 문헌(L. Ding 등, "Large refractive index change in silicone-based and non-silicone-based hydrogel polymers induced by femtosecond laser micro-machining," Opt. Express 2006, 14, 11901-11909)에 기술된 바와 같은 격자 실험에 의해 또는 보정된 미분 간섭 대비(DIC) 모드 현미경에 의해 측정하였다.

실시예 5A 내지 5D

히드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA), 메틸메타크릴레이트(MMA), 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA) 및 가변 농도의 플루오레세인-메타크릴레이트(플루오-MA)를 포함하는 광학 히드로겔 중합체 물질을 제조해서 표 1에 요약하였다. 83.7 중량%의 HEMA, 13.7 중량%의 MMA, 0.51 중량%의 EGDMA 및 0.1 중량%의 AIBN 개시제를 함유하는 단량체 마스터배치를 제조하였다. 적당한 양의 플루오르-MA를 개별 단량체 제제에 첨가해서 표 1에 실린 언급된 중량%의 플루오르-MA를 가지는 단량체 혼합물을 제공하였다. 단량체 혼합물을 당업계에 잘 알려진 방법에 따라서 중합하고, 700 ㎛ 두께의 편평 필름 형태로 경화하였다.

HEMA 기반 히드로겔 중합체는 약 28 중량%의 함수율 및 1.44의 평균 굴절률을 가졌다. 통상적으로 오션 옵틱스(Ocean Optics) HR4000 분광기를 이용해서 투과 스펙트럼을 측정하였다.

도 14는 감광제가 도핑되지 않은 히드로겔 물질 뿐만 아니라 상이한 플루오르-MA로 도핑된 거의 동일한 히드로겔 물질의 투과 스펙트럼을 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 약 350 ㎚ 내지 약 450 ㎚에 중심을 둔 흡수 피크가 플루오르-MA 농도가 증가함에 따라 증가하였다. 플루오르-MA가 도핑된 히드로겔 물질은 각각 도핑 농도가 높은 경우에서 약간의 산란 손실이 있었지만 근적외 영역에서 투명하였다.

HEMA 기반 히드로겔 물질 각각을 800 ㎚ 및 120 mW의 평균 출력으로 펨토초 펄스 시퀀스로 미세기계가공(조사)하였다. 대표적으로, 상이한 스캐닝 속도에서 물질의 상부 표면 아래 ~100 - 150 ㎛인 곳에 수평 주기적 격자가 묘화되었다. 상이한 스캐닝 속도에서 굴절률 변화를 각 물질에 대해 측정하고 도 15에 나타내었다. 스캐닝 속도가 증가함에 따라 굴절률 변화 정도가 감소하였다. 예를 들어, 도핑되지 않은 물질에서 가장 큰 굴절률 변화는 3 ㎛/초의 스캔 속도에서 약 0.03±0.005이었다. 스캐닝 속도가 2 ㎛/초 미만인 경우, 도핑되지 않은 물질에서 탄소 손상 반점이 관찰되었다. 또, 스캐닝 속도가 증가함에 따라 굴절률 변화 정도가 감소하였다. 10 ㎛/초 초과의 스캐닝 속도에서는, 굴절률 변화가 너무 작아서 본 실험으로는 측정할 수 없었다(<0.005).

대조적으로, 도핑된 히드로겔 물질의 경우, 축적된 열에 의해 유도된다고 믿어지는 물질의 광학적 손상(탄화)를 피하기 위해 스캐닝 속도를 상당히 증가시킬 필요가 있었다. 0.0625% 플루오-MA를 가지는 실시예 5B의 경우, 물질의 탄화 손상을 피하기 위해서는 40 ㎛/초 이상의 스캐닝 속도가 필요하였다. 0.5% 플루오-MA를 가지는 실시예 5E의 경우, 500 ㎛/초의 스캐닝 속도에서조차도 물질 내에 손상의 증거인 작은 반점이 관찰될 것이다. 또, 600 ㎛/초의 스캐닝 속도에서 실시예 5E의 조사에서는, 0.085±0.005의 굴절률 변화를 측정하였다.

일반적으로, 일정한 스캔 속도에서는 플루오르-MA 도핑 농도가 감소함에 따라 굴절률 변화 정도가 감소하였다. 예를 들어, 1 ㎜/초의 스캐닝 속도에서, 0.5% 및 0.0625% 플루오르-도핑된 물질에 대해 측정된 굴절률 변화는 각각 0.065±0.005 및 0.005±0.002이었다. 사실상, 0.5% 플루오-MA 물질의 경우, 4 ㎜/초의 스캐닝 속도에서 0.025±0.005의 굴절률 변화를 얻었다. 이러한 결과는 플루오-MA가 중합체 망상구조 내에 공중합되는 경우, 히드로겔 중합체 내의 비선형 흡수가 크게 증가할 수 있음을 나타낸다.

도핑되지 않은 물질보다 1000x 더 빠른 스캐닝 속도에서 큰 굴절률 변화를 관찰할 수 있었다. 실시예 5의 히드로겔 물질 중의 플루오르-MA 농도가 너무 높을 경우, 즉, 3 중량% 초과일 경우, 히드로겔 중합체 망상구조 내에 응집체(산란 중심)가 생성되는 것이 보이기 시작했다. 따라서, 실시예 5의 HEMA 기반 물질의 경우, 플루오르-MA 농도는 약 0.05 중량% 내지 약 2 중량%, 또는 0.1 중량% 내지 약 1.5 중량%이다. 요약하면, 중합체 히드로겔 중의 광감제 단량체 플루오르-MA의 농도가 증가할 때, 상당히 더 큰 스캔 속도에서조차도 초점 부피 내에서 상응하는 굴절률 변화 정도의 증가를 관찰하였다(도 15).

도 16a 및 16b는 상이한 두 펄스 에너지 (a) 1.5 nJ(120 mW 평균 출력) 및 (b) 2 nJ(160 mW 평균 출력)을 이용한 실시예 5A(도핑되지 않음) 및 실시예 5E(0.5% 플루오-MA)의 실험 연구를 요약한다. 두 히드로겔 물질에서, 펨토초 레이저가 튜닝되어 일정 스캔 속도로 더 긴 파장에서 작동할 때 굴절률 변화 정도가 감소하였다. 실시예 5A의 경우, 모든 레이저 파장에 대해 굴절률 변화 정도가 0.01 미만이었다. 펄스 에너지를 증가시키거나 또는 스캔 속도를 감소시키는 시도는 광학적 손상만을 초래하였다. 850 ㎚보다 더 긴 모든 파장에 대해, 실시예 5A에서는 스캔 속도가 100 ㎛/초보다 큰 경우조차도 어느 펄스 에너지에서도 굴절률 변화가 관찰되지 않았다. 이 파장 영역에서 더 높은 펄스 에너지 및 더 느린 스캔 속도도 시험하였지만, 굴절률 변화는 없고 광학적 손상만 관찰되었다. 대조적으로, 실시예 5E에서는 상당히 큰 굴절률 변화가 측정되었다. 추가로, 감광제가 도핑된 물질에 의해 제공된 비선형 흡수 증강 때문에, 더 짧은 파장에서 물질 손상이 관찰되었다. 예를 들어, 2 ㎜/초의 스캔 속도 및 1.5 nJ의 펄스 에너지에서조차도, 775 ㎚ 미만의 파장에서 어느 정도의 광학적 손상이 관찰되었다.

더 긴 파장(800 ㎚ 초과)에서 실시예 5E의 조사는 물질의 초점 부피 내에서 상대적으로 큰 굴절률 변화를 초래하였다. 도 16a는 900 ㎚의 파장에서 0.5 ㎜/초의 스캔 속도로 물질의 초점 부피 내에서 0.06의 굴절률 변화를 달성할 수 있음을 나타낸다. 또, 평균 레이저 펄스 에너지를 1.5 nJ에서부터 2.0 nJ로 증가시킴으로써, 훨씬 더 큰 굴절률 변화를 달성할 수 있었지만, 어느 정도의 광학적 손상이 관찰되었다. 도 16a 및 16b의 데이터 및 플롯의 비교는 1.5 nJ에서부터 2 nJ로의 펄스 에너지 증가가 900 ㎚의 파장 및 0.5 ㎜/초의 스캔 속도에서 광학적 손상을 일으킨다는 것을 나타낸다. 또, 스캔 속도가 1 ㎜/초로 증가하면, 매우 작은 굴절률 변화(약 0.005 정도)가 관찰됨을 관찰하였다.

초점 부피 내에서의 굴절률 변화에 관해 파장 의존성을 더 연구하기 위해, 700 ㎚ 내지 1000 ㎚의 파장 범위에서 가변 스캔 속도 및 1.5 nJ의 평균 펄스 에너지로 실시예 5A 내지 5E에 조사하였다. 각 히드로겔 물질에 대해서, 굴절률 변화 정도는 레이저 파장이 증가함에 따라 감소하였고, 플루오르-MA 농도가 증가함에 따라 증가하였다. 도 17은 1 ㎜/초의 스캔 속도에서 실시예 5E의 데이터 및 플롯을 나타낸다. 도 17의 데이터는 그것이 히드로겔 물질에 굴절 구조를 생성할 수 있고 게다가 물질에 어떠한 중요한 광학적 손상(산란 특징)을 생성하는 것으로부터 안전한 작동 거리를 유지하는 작업 매개 변수의 윈도우를 제안하기 때문에 매우 도움이 된다. 실시예 5D 및 5E의 경우, 850 ㎚ 및 900 ㎚에서의 조사는 광학적 손상으로부터 안전한 작동 거리를 제공하고, 게다가, 주어진 스캔 속도 및 평균 레이저 출력에서 상당한 인식가능한 굴절률 변화, 즉, 각각 0.01 내지 0.04의 굴절률 변화를 제공한다 - 실시예 5E의 경우에는 오히려 950 ㎚에서 인식가능한 굴절률 변화를 볼 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 본 발명자들은 수화된 히드로겔 물질의 경우처럼 중합체 기질 내에 물의 존재가 초점 부피 내에서 관찰되는 굴절률 변화를 생성함에 있어서 결정적인 역할을 한다고 믿는다. 따라서, 본 발명자들은 실시예 5B 내지 5E의 히드로겔 물질 뿐만 아니라 유사한 조성을 갖지만 함수율이 감소된 물질의 굴절률 변화 정도에 미치는 물 농도의 영향을 연구하였다. 68.6 중량%의 HEMA, 28.9 중량%의 MMA, 0.51 중량%의 EGDMA 및 0.1 중량%의 AIBN 개시제를 함유하는 단량체 마스터 배치를 제조하였다. 적당한 양의 플루오르-MA를 개별 단량체 제제에 첨가해서 표 2에 실린 언급된 중량%의 플루오르-MA를 가지는 단량체 혼합물을 제공하였다. 단량체 혼합물을 당업계에 잘 알려진 방법에 따라서 중합하고, 700 ㎛ 두께의 편평 필름 형태로 경화하였다. 실시예 6의 히드로겔 중합체는 21% 함수율을 가졌다.

마찬가지로, 실시예 7의 히드로겔 물질을 49.0 중량%의 HEMA, 48.4 중량%의 MMA, 0.51 중량%의 EGDMA 및 0.1 중량%의 AIBN 개시제를 함유하는 단량체 마스터 배치로부터 제조하였다. 적당한 양의 플루오르-MA를 개별 단량체 제제에 첨가해서 표 2에 실린 언급된 중량%의 플루오르-MA를 가지는 단량체 혼합물을 제공하였다. 단량체 혼합물을 당업계에 잘 알려진 방법에 따라서 중합하고, 700 ㎛ 두께의 편평 필름 형태로 경화하였다. 실시예 7의 히드로겔 중합체는 12% 함수율을 가졌다.

나타낸 바와 같이, 각 조의 실시예 5 내지 7의 물질은 다양한 농도의 감광제 플루오-MA를 가졌다. 도 18은 800 ㎚의 조사 파장, 1.5 nJ의 평균 펄스 에너지, 및 1 ㎜/초의 스캔 속도에서의 이들 히드로겔 물질의 굴절률 변화를 나타낸다. 또한, 이 데이터 및 플롯은 매우 중요한 정보를 제공한다. 나타낸 바와 같이, 감광제가 도핑된 히드로겔 물질 모두에서 물 농도가 감소함에 따라 굴절률 변화 정도가 감소하였다. 본 발명자들은 히드로겔의 국소적 함수율이 물질의 열역학적 성질, 예를 들어 비열, 열용량 등 뿐만 아니라 물질 밀도에 영향을 미친다고 믿는다. 약 28%의 가장 많은 함수율을 가지는 실시예 5의 히드로겔에서 가장 큰 굴절률 변화를 얻었다. 더 중요한 것은, 상대적으로 더 높은 함수율을 갖는 히드로겔이 물질에 광학적 손상을 주지 않으면서 굴절 구조를 생성하는 가장 큰 안전 작동 거리를 제공한다는 것이다.

또, 본 발명자들은 각각 0.5% 플루오르-MA를 갖지만 상이한 함수율을 가지는 실시예 5E, 실시예 6D 및 실시예 7D의 히드로겔 물질의 파장 의존성을 연구하였다. 도 19를 참조한다. 흥미롭게도, 어떠한 광학적 손상도 없이 상대적으로 큰 굴절률 변화(0.02 초과)가 1.5 nJ의 평균 펄스 에너지에서 실시예 5E에서만 관찰되었다. 그러나, 본 발명자들이 이 연구에서 1 ㎜/초의 상대적으로 빠른 스캔 속도를 이용하였다는 점도 주목하여야 한다. 나타낸 바와 같이, 레이저 파장이 약 750 ㎚ 미만인 경우에는, 광학적 손상만 관찰되었다. 레이저 펄스가 800 ㎚ 초과의 파장에서 작동하는 경우, 실시예 7의 히드로겔 물질(12% 함수율)에서는 굴절률 변화는 관찰되지 않고 광학적 손상이 관찰되었다. 실시예 6의 히드로겔 물질(21% 함수율)에서는, 조사 파장이 약 875 ㎚인 경우 광학적 손상 없이 0.01의 굴절률 변화가 관찰되었다.

종합해 보면, 본 발명자들의 연구는 광학 중합체 물질에 기술된 굴절 구조를 생성하기 위한 최적의 조사 조건을 제안한다.