在科学史上有许多人物，他们的名字也许不像诺贝尔奖得主那样广为人知，可是一旦了解了他们的贡献，我们就会感叹，原来他们的研究是如此重要地改变了我们的生活。今天我就为大家介绍一位这样的人物，他就是对隐形眼镜的发展做出重要贡献，被誉为“软性隐形眼镜之父”的捷克化学家奥托?威特勒（Otto Wichterle）。
图1 奥托威特勒 （1913－1998）
奥托威特勒1913年10月27日出生于捷克（当时捷克还是奥匈帝国的一部分）城市普罗斯捷约夫（Prostejov）。1935年，他在布拉格化学技术学院（Institute of Chemical Technologyin Prague）获得化学博士学位并留校任教。[1-3]然而，他的科研生涯刚刚开始就被1939年纳粹德国的入侵所打断。在纳粹德国占领期间，所有的捷克大学都被迫关闭。幸运的是，威特勒在世界著名的制鞋公司Bata鞋业谋得了一份工作，从事合成高分子方面的研究并取得了一系列重要成果。例如，他与合作者成功地实现了己内酰胺的聚合，生产出重要的塑料尼龙6。
二战胜利后，威特勒重新回到布拉格化学技术学院任教，几年后升为教授。20世纪50年代末，他离开布拉格化学技术学院，参与创建捷克斯洛伐克科学院下属的高分子化学研究所（Institute of Macromolecular Chemistry）并担任第一任所长。在这段时间里，随着化学工业的发展，各种类型的合成高分子材料被开发并且被广泛应用。然而合成高分子材料在生物医学领域的应用并不理想，它们与人体的组织器官接触时的相容性通常很差，轻者产生刺激，严重的在长时间的接触后甚至有可能导致肿瘤的产生，提高合成高分子材料的生物相容性成为化学家们的一项重要任务。
于是威特勒开始思考如何选择合适的合成高分子材料用于生物医学领域。他认为，合成高分子材料之所以与生物组织有着较差的相容性，主要因为以下几个方面：首先，这些合成高分子材料多数比较坚硬，因此会对组织产生机械性刺激；其次，生物体内的代谢产物很难透过这些高分子材料，正常的生理活动可能会因此受到影响；另外，一些小分子物质可能会从高分子材料中缓慢释放出来，从而刺激生物体。
威特勒据此提出，一种合成高分子材料要想拥有良好的生物相容性，应当满足以下几个条件：首先，这种材料必须含有一定的水分；其次，它在生物体内必须稳定，不能降解也不能与组织器官发生化学反应；最后，它必须能够允许代谢产物自由通过。威特勒和合作者筛选了大量材料，发现一种叫做聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶的新型材料恰好能够满足这些要求。为了制备这种材料，他们首先让甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯这两种分子发生反应得到三维的网状结构（图2）；之后他们再让这种材料与水接触，大量的水分子会被高分子材料牢牢地抓住，因此整个材料会膨胀，变得像果冻一样柔软。
图2 合成聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶的两种基本化合物：
甲基丙烯酸羟乙酯（左）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（右）
威特勒和合作者发现，水凝胶的软硬可以通过调节甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯的比例和水的含量来实现，这样就可以非常容易地满足不同的需要。他们同时发现，这种材料对组织器官的刺激很小，同时性质稳定，在体内很难降解，因此非常适合用于生物医学领域。[4]1960年1月，威特勒和合作者Drahoslav Lim将他们的研究工作在顶级学术期刊《自然》上以《用于生物用途的亲水性凝胶》（Hydrophilic Gels for Biological Use）为题发表（图3）。这篇论文篇幅虽然不长，却有着深远的意义。从此，高分子水凝胶这种独特的材料开始被人们重视，特别是良好的生物相容性使它们在生物医学领域得到广泛应用。
图3 威特勒与合作者1960年在《自然》上发表的论文节选
在成功开发聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶之后，威特勒敏锐地意识到，这种材料有可能成为新的隐形眼镜镜片材料。当时的隐形眼镜主要使用聚甲基丙烯酸甲酯，也就是俗称的有机玻璃。作为镜片材料，聚甲基丙烯酸甲酯有着可以媲美玻璃的透光性，却又比玻璃轻便许多，正因为如此，它使得隐形眼镜不再仅仅是停留在纸面上的构想。然而聚甲基丙烯酸甲酯的一大缺点是它很坚硬，使用者佩戴之后会感受到强烈的刺激，往往需要很长时间才能适应。同时，人眼需要直接从空气中获取氧气，但氧气很难透过聚甲基丙烯酸甲酯到达眼球，因此佩戴这种隐形眼镜的时间不能过长，否则会影响眼睛的健康。聚甲基丙烯酸甲酯的这些缺点恰好是聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶可以弥补的。由于水的存在，整个材料变得非常柔软，而且氧气也能更加容易透过。当然更为重要的一点是，聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶同样有着良好的透光性能。因此，威特勒非常期待它能够取代聚甲基丙烯酸甲酯，为人们带来更加舒适的隐形眼镜。
威特勒很快试制出使用聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶的隐形眼镜。正如他所预料的，这种隐形眼镜佩戴起来更加舒适。但是，他很快就发现了一个很严峻的问题：这种隐形眼镜的生产效率太低。聚甲基丙烯酸甲酯非常坚硬，因此用它生产隐形眼镜时，人们只需要先得到一根聚甲基丙烯酸甲酯的圆柱，再把它切削成需要的形状就好了；而聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶很软，用这种方法加工就不合适了。
威特勒首先尝试将甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、水和其它反应物一起注入到一个封闭的模具中，再对整个模具加热使得其中的材料发生反应得到高分子。然而，由于反应物的体积在聚合过程会收缩，用这种方法得到的镜片边缘不够平整，因此镜片的质量很差。威特勒尝试改进模具的材料并用锉刀去打磨镜片边缘。尽管镜片质量有了一定改善，生产效率仍然非常低，在1958年的时候，他每年仅仅能生产100只镜片。由于生产工艺上的严重缺陷，隐形眼镜行业对威特勒开发的这种新型隐形眼镜并不看好，他的研究也遭遇了很大的阻力。
然而威特勒并没有气馁，他不断尝试新的方法，终于发现了一种可行的方法——旋涂。这种方法不再使用封闭的模具，而是先将原材料注入到一个开放的模具中，随后模具带动原材料高速旋转，同时对整个模具加热。在这个过程中，原材料逐渐反应生成高分子，形状也随之固定下来。通过改变模具形状和调节转速，镜片的形状可以很方便地改变。1961年的圣诞前夕，他在家中用从儿子玩具中拆下来的零件和其他部件搭建了第一台使用旋涂方法生产隐形眼镜镜片的装置（图4）。圣诞节的下午，他将反应物注入到这台简陋的装置中。随着马达的转动和温度的升高，隐形眼镜镜片被成功地生产了出来。用这种方法得到的镜片，边缘光滑没有瑕疵，生产效率大大提高。仅在一周的时间里，他和妻子就用旋涂的方法加工出几百只隐形眼镜镜片。
图4 左：旋涂法生产软性隐形眼镜镜片的示意图。
右：威特勒建造的第一台用旋涂方法生产隐形眼镜镜片的装置。
右图引自参考文献[5]。
1971年，博士伦公司成功通过美国药品食品管理局的审批，将这种新型隐形眼镜投入市场，很快获得巨大的成功。由于使用聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶作为镜片材料的隐形眼镜更加柔软，它们被称为软性隐形眼镜，而之前基于坚硬的聚甲基丙烯酸甲酯的隐形眼镜就被对应地称为硬性隐形眼镜。软性隐形眼镜由于佩戴起来更加舒适，很快就取代了传统的硬性隐形眼镜，风行全球。在随后的几十年里，研究人员不断开发新的镜片材料和加工工艺，软性隐形眼镜也就变得越来越舒适和便于使用。
虽然在学术上做出了重大贡献，特别是在开发软性隐形眼镜中取得了巨大成功，威特勒的研究生涯却由于政治原因而充满曲折。早在二战时期，他在Bata鞋业从事研究时，就曾被盖世太保短暂逮捕。1958年，由于政治原因，他和其他40余名教职工一起，被布拉格化学技术学院解雇。幸好捷克斯洛伐克科学院看中他的杰出才能，安排他创建高分子科学研究所，他的研究才不至于中断。然而好景不长，1968年，著名的政治事件“布拉格之春”发生，威特勒由于参与起草支持改革派的“两千字宣言”而受到迫害；一年后被解除高分子科学研究所所长的职务。
当时很多人劝他离开捷克斯洛伐克，许多外国的机构也主动向他发出邀请。前面提及的他的合作者，为开发聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶做出重要贡献的Drahoslav Lim就移居美国，但他选择留在自己的祖国。几年后情况略有好转，他又可以在一定程度上继续自己的研究。威特勒勤奋工作，不仅继续改进软性隐形眼镜的性能和加工工艺，还在高分子水凝胶的其他医学应用方面做出很大贡献。
威特勒在高分子科学领域的杰出贡献受到了广泛的认可。早在1955年，他就成为捷克斯洛伐克科学院院士。1990年，他又当选为捷克斯洛伐克科学院院长，并在几年后被推选为名誉院长。1993年，第3899号小行星以他的名字命名。2013年，在他百年诞辰之际，捷克发行了纪念邮票和纪念币（图5）。
图5 捷克发行的纪念威特勒诞辰一百周年的邮票（左）
和纪念币（右）。图片选自参考文献[6,7]
1998年8月18日，威特勒在睡梦中安详地走完了他85年的人生历程。在他辞世十几年后的今天，世界范围内已经有超过一亿人佩戴隐形眼镜，其中大部分使用的都是威特勒发明的软性隐形眼镜。他的名字值得被永远铭记。
参考文献及注释
[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] https://www.nndb.com/people/797/000165302/
[3]实际上当时布拉格化学技术学院属于布拉格捷克理工大学(Czech Technical University in Prague)的一部分，直到1952年才成为独立的大学
[4] Otto Wichterle and Drahoslav Lim, “Hydrophilic Gels for Biological Use”, Nature, 1960, 185, 117
[5] Soft Contact Lenses, The First 50 Years. https://www.contactlensesthestory.com/first_fifty_years.pdf
[6] https://rainbowstampclub.blogspot.com/2013/11/otto-wichterle-inventor-of-contact.html
[7] https://www.cnb.cz/en/banknotes_coins/numismatics/silver_coins/2013/psm_wichterle.html
作者：魏昕宇；材料学博士，科学公园主编
