HEMA와 금 및 은 나노입자를 포함한 고분자의 합성 및 콘택트렌즈로의 응용 Synthesis of a Polymer Containing HEMA and Gold and Silver Nanoparticles and its Application in Contact Lenses원문보기
최근 금(Au)과 은(Ag) 나노입자는 항균성의 특징으로 다양한 분야에서 응용되고 있다. 본 연구는 HEMA (2-hydroxyethylmethacrylate), NVP (N-vinyl pyrrolidone) MMA (methylmethacrylate)에 금과 은 나노입자를 첨가하였으며, $70^{\circ}C$에서 약 40분, $80^{\circ}C$에서 약 40분 마지막으로 $100^{\circ}C$에서 약 40분 동안의 열처리 공정을 거쳐 공중합 하였다. 중합 과정을 거쳐 중합된 고분자를 통해 물리적 특성을 측정한 결과, 함수율 28.43% ~ 35.27%, 굴절률 1.429 ~ 1.440를 나타내었으며, 가시 광선 투과율 79.2% ~ 86.5% 그리고 인장강도 값은 0.125 kgf ~ 0.201 kgf을 나타내었다. 본 실험 결과로 볼 때 항균성을 가지면서 기존의 콘택트렌즈의 물리적 특성에도 부합되는 공중합체가 생성된 것으로 판단된다.
최근 금(Au)과 은(Ag) 나노입자는 항균성의 특징으로 다양한 분야에서 응용되고 있다. 본 연구는 HEMA (2-hydroxyethylmethacrylate), NVP (N-vinyl pyrrolidone) MMA (methylmethacrylate)에 금과 은 나노입자를 첨가하였으며, $70^{\circ}C$에서 약 40분, $80^{\circ}C$에서 약 40분 마지막으로 $100^{\circ}C$에서 약 40분 동안의 열처리 공정을 거쳐 공중합 하였다. 중합 과정을 거쳐 중합된 고분자를 통해 물리적 특성을 측정한 결과, 함수율 28.43% ~ 35.27%, 굴절률 1.429 ~ 1.440를 나타내었으며, 가시 광선 투과율 79.2% ~ 86.5% 그리고 인장강도 값은 0.125 kgf ~ 0.201 kgf을 나타내었다. 본 실험 결과로 볼 때 항균성을 가지면서 기존의 콘택트렌즈의 물리적 특성에도 부합되는 공중합체가 생성된 것으로 판단된다.
Recently, nanoparticles of gold and silver has been applied to various fields due to antimicrobial property. This study added Ag and Au nanoparticles in HEMA (2-hydroxyethylmethacrylate), NVP (N-vinyl pyrrolidone) and MMA (methylmethacrylate) and copolymerized the solution by heating at $70^{\c...
Recently, nanoparticles of gold and silver has been applied to various fields due to antimicrobial property. This study added Ag and Au nanoparticles in HEMA (2-hydroxyethylmethacrylate), NVP (N-vinyl pyrrolidone) and MMA (methylmethacrylate) and copolymerized the solution by heating at $70^{\circ}C$ for 40 minutes, $80^{\circ}C$ for 40 minutes, and finally, $100^{\circ}C$ for 40 minutes. Using the polymer produced through the copolymerization process, and measured the physical characteristics which showed water content of 28.43% ~ 35.27%, refractive index of 1.429 ~ 1.440, visible transmittance of 79.2% ~ 86.5% and tensile strength of 0.125 kgf ~ 0.201 kgf. We judged that we made the copolymer with antimicrobial and physical properties which is suitable for conventional contact lens.
Recently, nanoparticles of gold and silver has been applied to various fields due to antimicrobial property. This study added Ag and Au nanoparticles in HEMA (2-hydroxyethylmethacrylate), NVP (N-vinyl pyrrolidone) and MMA (methylmethacrylate) and copolymerized the solution by heating at $70^{\circ}C$ for 40 minutes, $80^{\circ}C$ for 40 minutes, and finally, $100^{\circ}C$ for 40 minutes. Using the polymer produced through the copolymerization process, and measured the physical characteristics which showed water content of 28.43% ~ 35.27%, refractive index of 1.429 ~ 1.440, visible transmittance of 79.2% ~ 86.5% and tensile strength of 0.125 kgf ~ 0.201 kgf. We judged that we made the copolymer with antimicrobial and physical properties which is suitable for conventional contact lens.
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제안 방법
HEMA(96.20%), NVP(2.50%), MMA(1.00%), EGDMA (0.30%)를 기본 조합으로 하여 이를 H로 분류하여 명명하였고, Ag colloid의 양을 0.25%에서 1.50%까지 점차적으로 농도를 증가시켜 Ag-1, Ag-2, Ag-3 그리고 Ag-4로 각각을 분류하여 명명하였다. 이에 대한 배합비를 Table 1에 나타내었다.
HEMA(96.20%), NVP(2.50%), MMA(1.00%), EGDMA (0.30%)를 기본 조합으로 하여 이를 R로 그리고 Ag colloid 의 양을 0.5% 첨가하여 중합한 sample을 A1로 분류하여 명명하였다. A0.
광투과율은 TOPCON TM-2를 사용하여 자외선 영역과 가시광선 영역에서의 투과율을 측정하였다.
굴절률은 0.9%의 염화나트륨(NaCl) 용액에서 약 24시간 동안 수화시킨 후 함수된 sample을 filter paper No. 1-whatman(Whatman International Ltd, England)을 사용하여 수분을 제거한 후 ABBE Refractormeter(ATAGO NAR 1T, Japan) 를 사용하여 측정하였다. 측정 핸들을 돌려 경계선에 위치될 때 눈금을 읽어 굴절률을 측정하였다.
마지막으로 100 ℃에서 약 40분 열처리 공정을 거친 후 제조하였다. 기존 콘택트렌즈로 사용되는 재료인 HEMA, NVP, 그리고 MMA 를 중합한 sample과 나노 은을 첨가한 sample 그리고 나노 금과 나노 은을 함께 첨가한 sample 각각의 물리적 특성을 알아보았으며, 이를 비교 분석하였다. 제조된 고분자의 물리적 특성은 오차를 줄이기 위해 각각 3번씩 측정하여 정확도를 높였다.
기존 콘택트렌즈에 사용되는 HEMA, NVP, 그리고 MMA 와 일정량의 나노 은을 첨가한 배합비에 나노 금을 1%에서 30%까지 증가시켜 배합 후 교반하였다. 사용한 가교제로는 EGDMA를, 개시제는 AIBN을 사용하였으며, 재료를 약 30분 동안 교반하였다.
11-14 나노 금과 나노 은은 생체 적합성이 뛰어난 것으로 알려지면서 의료기기에도 그 사용이 확대 되어 가고 있다. 본 연구에서는 콘택트렌즈의 보관과 사용 중에 발생되는 세균 제거에 대해 도움이 되는 항균성 물질로 나노 금과 나노 은을 기존의 콘택트렌즈에 사용되는 재료인 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate), MMA(methyl methacrylate), NVP(N-vinyl pyrrolidone), EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)등에 적용하여 기능성 안 의료용 콘택트렌즈를 중합하였고, 기존 콘택트렌즈의 물리적 특성에 부합되는 정도를 굴절률, 함수율, 광투과율, 인장강도 등을 통하여 알아보았다. 본 연구는 나노 소재를 사용한 기능성 콘택트렌즈 분야에 응용이 가능 할 것으로 판단된다.
습윤성 측정은 접촉각을 측정하여 평가하였으며, S.E.O. 사의 Phoenix-Mini 접촉각 측정기를 사용하였다. 접촉각의 측정은 상온에서 순수한 증류수를 제조된 콘택트렌즈 sample의 표면에 떨어뜨려 생성된 각을 측정하였다.
접촉각의 측정은 상온에서 순수한 증류수를 제조된 콘택트렌즈 sample의 표면에 떨어뜨려 생성된 각을 측정하였다. 접촉 각의 측정은 3회씩 측정하고 그 평균값을 사용하였다.
사의 Phoenix-Mini 접촉각 측정기를 사용하였다. 접촉각의 측정은 상온에서 순수한 증류수를 제조된 콘택트렌즈 sample의 표면에 떨어뜨려 생성된 각을 측정하였다. 접촉 각의 측정은 3회씩 측정하고 그 평균값을 사용하였다.
기존 콘택트렌즈로 사용되는 재료인 HEMA, NVP, 그리고 MMA 를 중합한 sample과 나노 은을 첨가한 sample 그리고 나노 금과 나노 은을 함께 첨가한 sample 각각의 물리적 특성을 알아보았으며, 이를 비교 분석하였다. 제조된 고분자의 물리적 특성은 오차를 줄이기 위해 각각 3번씩 측정하여 정확도를 높였다.
1-whatman(Whatman International Ltd, England)을 사용하여 수분을 제거한 후 ABBE Refractormeter(ATAGO NAR 1T, Japan) 를 사용하여 측정하였다. 측정 핸들을 돌려 경계선에 위치될 때 눈금을 읽어 굴절률을 측정하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 재료는 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)와 개시제인 AIBN(azobisisobutyronitrile)은 JUNSEI사 제품을, NVP(N-vinyl pyrrolidone)와 EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)는 Acros사 제품을, MMA(methyl methacrylate)는 Crown Guaranteed Reagents사 제품을 그리고 silver nitrate는 Sigma-Aldrch사의 제품을 구입하여 사용하였다. 또한 실험에 사용된 나노 은은 2 ~ 5 nm 입자를, 나노 금은 20 ~ 30 nm colloid 입자를 25 ppm 농도로 사용하였다.
기존 콘택트렌즈에 사용되는 HEMA, NVP, 그리고 MMA 와 일정량의 나노 은을 첨가한 배합비에 나노 금을 1%에서 30%까지 증가시켜 배합 후 교반하였다. 사용한 가교제로는 EGDMA를, 개시제는 AIBN을 사용하였으며, 재료를 약 30분 동안 교반하였다. 교반되어진 재료는 콘택트 렌즈 몰드에 주입 후 열중합 방식을 통하여 70 ℃ 에서 약 40분, 80 ℃ 에서 약 40분 건조하였다.
실험에 사용된 재료는 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)와 개시제인 AIBN(azobisisobutyronitrile)은 JUNSEI사 제품을, NVP(N-vinyl pyrrolidone)와 EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)는 Acros사 제품을, MMA(methyl methacrylate)는 Crown Guaranteed Reagents사 제품을 그리고 silver nitrate는 Sigma-Aldrch사의 제품을 구입하여 사용하였다. 또한 실험에 사용된 나노 은은 2 ~ 5 nm 입자를, 나노 금은 20 ~ 30 nm colloid 입자를 25 ppm 농도로 사용하였다.
이론/모형
일반적으로 접촉각이 작을수록 친수성(hydrophilic) 물질이며, 클수록 소수성(hydrophobic)의 특성을 나타낸다. 본 연구에는 접촉각 방법 중 고체표면에 액체를 떨어뜨려 그 각을 측정하는 sessile drop method를 사용하였다. 접촉각 측정 결과 sample R은 46.
함수율은 케스트 몰드법(cast mould)을 통해 제조된 콘택트렌즈의 건조 무게와 0.9%의 염화나트륨(NaCl) 용액에서 약 24시간 동안 함수 시킨 후 수화된 무게를 측정하여 중량 측정법을 통해 산출하였다.
성능/효과
3에 나타내었다. Sample R의 광투과율은 UV-B, UV-A 및 visible ray에 대해 각각 84.0%, 85.4%, 86.5%를, A0.5는 81.2%, 80.1% 83.5% 그리고 AG1은 80.4%, 81.2%, 82.2%를, AG3은 81.5%, 81.3%, 81.2%를 나타내었다. AG5의 UV-B, UV-A과 Visible rays는 80.
440을 나타내었다. 굴절률의 경우, 함수율과는 반대되는 경향을 나타냈으며, 나노 금의 함량이 증가할수록 굴절률은 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 나노 금을 약 30% 넣은 조합에서는 급격하게 굴절률이 증가하는 것으로 나타났다.
함수율은 은의 함량이 증가할수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 금과 은을 함께 첨가한 실험에서의 물리적 특성으로 광투과율은 79.2% ~ 86.5%를, 굴절률은 1.429 ~ 1.440의 범위를, 인장강도는 0.125 kgf ~ 0.201 kgf 범위를 그리고 함수율은 28.43% ~ 35.27%를 나타내었으며, 은을 일정량 증가시킨 경우와 비교하여 금을 첨가한 경우의 실험에서는 금의 함량이 증가할수록 함수율과 접촉각이 감소하는 경향을 나타내었다. 제조된 sample은 항균성을 포함한 기능성 고분자로 다양하게 적용이 가능할 것으로 판단된다.
기존 콘택트렌즈 재료를 중합한 sample R의 평균 함수율은 33.34% 그리고 은 나노 0.5% 첨가하여 중합한 sample A0.5의 평균 함수율은 35.27%를 나타내었다. Sample A의 중합비에 금 나노 1.
함수율의 경우 R sample에 비해 나노 은을 포함한 조합에서 함수율이 증가하였으며, 나노 금의 비율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 나노 금을 약 30% 첨가한 조합에서는 급격하게 함수율이 감소하는 것으로 나타났다. 나노 은의 경우는 반대의 경향이 나타났으며, 이는 나노 은의 친수성으로 인해 함수율이 증가하였으나 나노 금을 포함하는 경우에는 주재료인 친수성 HEMA와의 배위결합으로 HEMA가 갖는 물과의 경쟁반응에서 더 우세하게 작용하여 HEMA의 친수성을 방해하기 때문에 함수율이 감소하는 것으로 판단된다.
436을 각각 나타내었다. 또한 sample H의 광투과율은 UV-B, UV-A 그리고 visible ray 빛에 대해 각각 82.0%, 84.4%, 83.8%를, Ag-1은 81.5%, 83.3% 83.5% 그리고 Ag-2는 80.2%, 81.6%, 82.2%를 나타내었고, Ag-3의 경우 78.6%, 80.6%, 79.8% 그리고 Ag-4는 78.2%, 79.2% 79.1%를 각각 나타내었다. 평균 인장강도는 0.
굴절률의 경우, 함수율과는 반대되는 경향을 나타냈으며, 나노 금의 함량이 증가할수록 굴절률은 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 나노 금을 약 30% 넣은 조합에서는 급격하게 굴절률이 증가하는 것으로 나타났다. 굴절률은 함수율과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며, 함수율이 증가하면 일반적으로 굴절률은 감소하는 경향을 나타내게 되는데 본 연구에서도 같은 경향을 나타내었다.
접촉각의 경우 함수율과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며, 일반적으로 함수율과 반비례 관계를 나타낸다. 본 연구에서도 함수율이 증가함에 따라 접촉각은 작아져 습윤성이 증가하는 것으로 나타났다. 각 조합의 접촉각 측정 결과를 Table 7에 나타내었으며, 각 sample의 접촉각 측정 결과를 Fig.
본 연구에는 접촉각 방법 중 고체표면에 액체를 떨어뜨려 그 각을 측정하는 sessile drop method를 사용하였다. 접촉각 측정 결과 sample R은 46.25o A0.5는 42.48o 를 나타냈으며, sample A의 중합비에 금 나노 1.0% ~ 30%를 첨가한 AG1 ~ AG30의 각각의 굴절률 평균은 46.42o , 46.16o , 46.28o , 49.66o ,50.25o , 57.42o을 나타내었다. 접촉각의 경우, 함수율이 감소할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 함수율이 급격 하게 감소하는 나노 금을 약 30% 넣은 AG30 조합에서 가장 큰 값을 나타내었다.
중합한 고분자를 사용하여 제조된 콘택트렌즈의 평균 인장강도는 0.125 kgf ~ 0.201 kgf를 나타내어 기존 콘택트렌즈의 물리적 특성에 부합되는 것으로 나타났다. AG5-1의 인장강도 측정 그래프를 대표적으로 Fig.
콘택트렌즈의 주재료에 나노 은을 첨가한 실험에서는 콘택트렌즈의 함수 후의 광투과율 79.1% ~ 83.8%, 굴절률 1.436~1.445의 범위를, 인장강도의 경우 0.117 kgf ~ 0.198 kgf를 그리고 함수율은 34.54% ~ 39.03%를 나타내었다. 함수율은 은의 함량이 증가할수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다.
1%를 각각 나타내었다. 평균 인장강도는 0.117 kgf ~ 0.198 kgf를 나타내어 기존 콘택트렌즈의 물리적 특성에 부합되는 것으로 판단된다. 나노 Ag를 첨가한 콘택트렌즈의 물리적 특성을 Table 2에 정리하여 나타내었다.
43%를 각각 나타내었다. 함수율의 경우 R sample에 비해 나노 은을 포함한 조합에서 함수율이 증가하였으며, 나노 금의 비율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 나노 금을 약 30% 첨가한 조합에서는 급격하게 함수율이 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
본 연구에서는 콘택트렌즈의 보관과 사용 중에 발생되는 세균 제거에 대해 도움이 되는 항균성 물질로 나노 금과 나노 은을 기존의 콘택트렌즈에 사용되는 재료인 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate), MMA(methyl methacrylate), NVP(N-vinyl pyrrolidone), EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)등에 적용하여 기능성 안 의료용 콘택트렌즈를 중합하였고, 기존 콘택트렌즈의 물리적 특성에 부합되는 정도를 굴절률, 함수율, 광투과율, 인장강도 등을 통하여 알아보았다. 본 연구는 나노 소재를 사용한 기능성 콘택트렌즈 분야에 응용이 가능 할 것으로 판단된다.
27%를 나타내었으며, 은을 일정량 증가시킨 경우와 비교하여 금을 첨가한 경우의 실험에서는 금의 함량이 증가할수록 함수율과 접촉각이 감소하는 경향을 나타내었다. 제조된 sample은 항균성을 포함한 기능성 고분자로 다양하게 적용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
눈이란 무엇인가?
예를 들어 접촉성 각결막염(contact keratoconjunctivitis), 각막상피외상(corneal epithelium trauma), 각막부종(cornreal edema) 그리고 거대유두결막염(giant papillary conjunctivitis)등이 유발될 수 있으며, 이는 가려움증과 점성 분비물, 충혈을 발생시켜 합병증을 야기 시킨다.6,7 눈은 많은 신경세포와 다양한 형태의 섬유로 구성되어 있으며, 인류의 어느 신체조직 보다 균에 쉽게 노출되어 있는 조직 중 하나이다. 또한 눈은 높은 습도와 적절한 온도의 환경으로 이루어져 있으며, 그리고 공기 중의 먼지와 미생물로 부터의 접근이 용이하다.
콘택트렌즈를 착용함에 따라 부주의로 인해 나타날 수 있는 안질환은 무엇인가?
그러나 부주의로 인한 안질환은 쉽게 나타날 수 있다. 예를 들어 접촉성 각결막염(contact keratoconjunctivitis), 각막상피외상(corneal epithelium trauma), 각막부종(cornreal edema) 그리고 거대유두결막염(giant papillary conjunctivitis)등이 유발될 수 있으며, 이는 가려움증과 점성 분비물, 충혈을 발생시켜 합병증을 야기 시킨다.6,7 눈은 많은 신경세포와 다양한 형태의 섬유로 구성되어 있으며, 인류의 어느 신체조직 보다 균에 쉽게 노출되어 있는 조직 중 하나이다.
콘택트렌즈와 안경의 차이점은 무엇인가?
콘택트렌즈는 안경과 달리 안구에 직접 착용함에 따라 위생적인 관리와 착용에 있어 주의가 필요하다. 그러나 부주의로 인한 안질환은 쉽게 나타날 수 있다.
참고문헌 (14)
Kim, T. H.; Sung, A. Y. J. Kor. Chem. Soc. 2009, 53(3), 340.
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