戴隱形眼鏡的你，知道軟性隱形眼鏡是怎么發明出來的嗎？

作者：魏昕宇，材料學博士，科研工作者

許多讀者都對隱形眼鏡的發展史表現出了興趣。這里再為大家獻上一篇小文，介紹為隱形眼鏡的發展做出卓越貢獻的捷克化學家奧托?威特勒。今年適逢威特勒誕辰100周年和逝世15周年，希望這篇小文能夠讓更多的讀者了解這位杰出的科學家。

在科學史上有許多人物，他們的名字也許不像諾貝爾獎得主那樣廣為人知，可一旦了解了他們的貢獻，我們就會感嘆，原來他們的研究是如此重要地改變了我們的生活。本文就為大家介紹一位這樣的人物，他就是對隱形眼鏡的發展做出重要貢獻、被譽為“軟性隱形眼鏡之父”的捷克化學家奧托?威特勒（Otto Wichterle）。

圖1 奧托?威特勒 （1913－1998）

奧托?威特勒1913年10月27日出生于捷克（當時還是奧匈帝國的一部分）城市普羅斯捷約夫（Prostejov）。1935年，他在布拉格化學技術學院（Institute of Chemical Technologyin Prague）獲得化學博士學位并留校任教。[1-3]然而，他的科研生涯剛剛開始，就被1939年納粹德國的入侵打斷。在納粹德國占領期間，所有的捷克大學都被迫關閉。幸運的是，威特勒在世界著名的制鞋公司Bata鞋業謀得了一份工作，從事合成高分子方面的研究并取得了一系列重要成果。例如，他與合作者成功地實現了己內酰胺的聚合，生產出重要的塑料尼龍6。

二戰結束后，威特勒重新回到布拉格化學技術學院任教，幾年后升為教授。20世紀50年代末，他離開布拉格化學技術學院，參與創建捷克斯洛伐克科學院下屬的高分子化學研究所（Institute of Macromolecular Chemistry）并擔任第一任所長。在這段時間里，隨著化學工業的發展，各種類型的合成高分子材料被開發并廣泛應用。然而，合成高分子材料在生物醫學領域的應用并不理想。它們與人體的組織器官接觸時的相容性通常很差，輕者產生刺激，嚴重的在長時間接觸后甚至有可能導致腫瘤的產生。提高合成高分子材料的生物相容性成為化學家們的一項重要任務。

于是，威特勒開始思考如何選擇合適的合成高分子材料用于生物醫學領域。他認為，合成高分子材料之所以與生物組織有著較差的相容性，主要因為以下幾個方面：一，這些合成高分子材料多數比較堅硬，因此會對組織產生機械性刺激；二，生物體內的代謝產物很難透過這些高分子材料，正常的生理活動可能會因此受到影響；三，一些小分子物質可能會從高分子材料中緩慢釋放出來，從而刺激生物體。

威特勒據此提出，一種合成高分子材料要想擁有良好的生物相容性，應當滿足以下幾個條件：一，這種材料必須含有一定的水分；二，它在生物體內必須穩定，不能降解也不能與組織器官發生化學反應；三，它必須能夠允許代謝產物自由通過。威特勒和合作者篩選了大量材料，發現一種叫做聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠的新型材料恰好能夠滿足這些要求。為了制備這種材料，他們先讓甲基丙烯酸羥乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯這兩種分子發生反應，得到三維的網狀結構（圖2）；然后讓這種材料與水接觸，大量的水分子會被高分子材料牢牢地抓住，因此整個材料會膨脹，變得像果凍一樣柔軟。

圖2 合成聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠的兩種基本化合物：甲基丙烯酸羥乙酯（左）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（右）

威特勒和合作者發現，水凝膠的軟硬可以通過調節甲基丙烯酸羥乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯的比例，以及水的含量來實現，這樣就可以非常容易地滿足不同的需要。他們同時發現，這種材料對組織器官的刺激很小，同時性質穩定，在體內很難降解，因此非常適合用于生物醫學領域。[4]1960年1月，威特勒和合作者Drahoslav Lim將他們的研究工作在頂級學術期刊《自然》上以《用于生物用途的親水性凝膠》（Hydrophilic Gels for Biological Use）為題發表。這篇論文篇幅雖然不長，卻有著深遠的意義。從此，高分子水凝膠這種獨特的材料開始被人們重視，特別是良好的生物相容性使它們在生物醫學領域得到廣泛應用。

圖3 威特勒與合作者1960年在《自然》上發表的論文節選

在成功開發聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠之后，威特勒敏銳地意識到，這種材料有可能成為新的隱形眼鏡鏡片材料。當時的隱形眼鏡主要使用聚甲基丙烯酸甲酯，也就是俗稱的有機玻璃。作為鏡片材料，聚甲基丙烯酸甲酯有著可以媲美玻璃的透光性，卻又比玻璃輕便許多。正因為如此，它使得隱形眼鏡不再僅僅是停留在紙面上的構想。然而聚甲基丙烯酸甲酯的一大缺點是它很堅硬，使用者佩戴之后會感受到強烈的刺激，往往需要很長時間才能適應。同時，人眼需要直接從空氣中獲取氧氣，但氧氣卻很難透過聚甲基丙烯酸甲酯到達眼球；因此佩戴這種隱形眼鏡的時間不能過長，否則會影響眼睛的健康。聚甲基丙烯酸甲酯的這些缺點恰好是聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠可以彌補的。由于水的存在，整個材料變得非常柔軟，而且氧氣也更容易透過。當然更為重要的一點是，聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠同樣有著良好的透光性能。因此，威特勒非常期待它能夠取代聚甲基丙烯酸甲酯，為人們帶來更加舒適的隱形眼鏡。

威特勒很快試制出使用聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠的隱形眼鏡。正如他所預料的，這種隱形眼鏡佩戴起來更加舒適。但是，他很快就發現了一個很嚴峻的問題：這種隱形眼鏡的生產效率太低。聚甲基丙烯酸甲酯非常堅硬，因此用它生產隱形眼鏡時，人們只需要先得到一根聚甲基丙烯酸甲酯的圓柱，再把它切削成需要的形狀就好了；而聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠很軟，用這種方法加工就不合適了。

威特勒首先嘗試將甲基丙烯酸羥乙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、水和其它反應物一起注入到一個封閉的模具中，再對整個模具加熱使得其中的材料發生反應得到高分子。然而，由于反應物的體積在聚合過程會收縮，用這種方法得到的鏡片邊緣不夠平整，因此鏡片的質量很差。威特勒嘗試改進模具的材料并用銼刀去打磨鏡片邊緣。盡管鏡片質量有了一定改善，生產效率仍然非常低，1958年年產量僅為100只。由于生產工藝上的嚴重缺陷，隱形眼鏡行業對威特勒開發的這種新型隱形眼鏡并不看好，他的研究也遭遇了很大的阻力。

然而威特勒并沒有氣餒，他不斷嘗試，終于發現了一種可行的方法——旋涂。這種方法不再使用封閉的模具，而是先將原材料注入到一個開放的模具中，隨后模具帶動原材料高速旋轉，同時對整個模具加熱。在這個過程中，原材料逐漸反應生成高分子，形狀也隨之固定下來。通過改變模具形狀和調節轉速，鏡片的形狀可以很方便地改變。1961年圣誕前夕，他在家中用從兒子玩具中拆下來的零件和其他部件搭建了第一臺使用旋涂法生產隱形眼鏡片的裝置（圖4）。圣誕節的下午，他將反應物注入到這臺簡陋的裝置中。隨著馬達的轉動和溫度的升高，隱形眼鏡片被成功地生產了出來。用這種方法得到的鏡片，邊緣光滑沒有瑕疵，生產效率大大提高。僅在一周的時間里，他和妻子就用旋涂的方法加工出幾百只隱形眼鏡鏡片。

圖4 左：旋涂法生產軟性隱形眼鏡鏡片的示意圖。右：威特勒建造的第一臺用旋涂方法生產隱形眼鏡鏡片的裝置。右圖引自參考文獻[5]。

1971年，博士倫公司成功通過美國藥品食品管理局的審批，將這種新型隱形眼鏡投入市場，很快獲得巨大的成功。由于使用聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠作為鏡片材料的隱形眼鏡更加柔軟，它們被稱為軟性隱形眼鏡；而之前基于堅硬的聚甲基丙烯酸甲酯的隱形眼鏡就被對應地稱為硬性隱形眼鏡。軟性隱形眼鏡由于佩戴起來更加舒適，很快就取代了傳統的硬性隱形眼鏡，并風行全球。在隨后的幾十年里，研究人員不斷開發新的鏡片材料和加工工藝，軟性隱形眼鏡也就變得越來越舒適和便于使用。

雖然在學術上做出了重大貢獻，特別是在開發軟性隱形眼鏡中取得了巨大成功，威特勒的研究生涯卻由于政治原因而充滿曲折。早在二戰時期，他在Bata鞋業從事研究時，就曾被蓋世太保短暫逮捕。1958年，由于政治原因，他和其他40余名教職工一起，被布拉格化學技術學院解雇。幸好捷克斯洛伐克科學院看中他的杰出才能，安排他創建高分子科學研究所，他的研究才不至于中斷。然而好景不長，1968年，著名的政治事件“布拉格之春”發生，威特勒由于參與起草支持改革派的“兩千字宣言”而受到迫害；一年后被解除高分子科學研究所所長的職務。

當時很多人勸他離開捷克斯洛伐克，許多外國的機構也主動向他發出邀請。前面提及的他的合作者，為開發聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠做出重要貢獻的Drahoslav Lim就移居美國，但他選擇留在自己的祖國。幾年后情況略有好轉，他又可以在一定程度上繼續自己的研究。威特勒勤奮工作，不僅繼續改進軟性隱形眼鏡的性能和加工工藝，還在高分子水凝膠的其他醫學應用方面做出很大貢獻。

威特勒在高分子科學領域的杰出貢獻受到了廣泛的認可。早在1955年，他就成為捷克斯洛伐克科學院院士。1990年，他又當選為捷克斯洛伐克科學院院長，并在幾年后被推選為名譽院長。1993年，第3899號小行星以他的名字命名。2013年，在他百年誕辰之際，捷克發行了紀念郵票和紀念幣。（圖5）。

圖5 捷克發行的紀念威特勒誕辰一百周年的郵票（左）和紀念幣（右）。圖片選自參考文獻[6,7]

1998年8月18日，威特勒在睡夢中安詳地走完了他85年的人生歷程。在他辭世十幾年后的今天，世界范圍內已經有超過一億人佩戴隱形眼鏡，其中大部分使用的都是威特勒發明的軟性隱形眼鏡。他的名字值得被永遠銘記。

參考文獻及注釋

[1]Jan Sebenda, Milos Hudlicky, “Otto Wichterle (1913-1998): The Father of Soft Contact Lenses”, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 1999, 37, 1221

[2] http://www.nndb.com/people/797/000165302/

[3]實際上當時布拉格化學技術學院屬于布拉格捷克理工大學(Czech Technical University in Prague)的一部分，直到1952年才成為獨立的大學

[4] Otto Wichterle and Drahoslav Lim, “Hydrophilic Gels for Biological Use”, Nature, 1960, 185, 117

[5] Soft Contact Lenses, The First 50 Years. http://www.contactlensesthestory.com/first_fifty_years.pdf

[6] http://rainbowstampclub.blogspot.com/2013/11/otto-wichterle-inventor-of-contact.html

[7] http://www.cnb.cz/en/banknotes_coins/numismatics/silver_coins/2013/psm_wichterle.html