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문제 정의
- 그러나 최근 여러 연구들이 인간 혈청으로부터 다양한 크기와 성질의 단백질들이 재료 표면에 흡착 시 표면 에너지의 변화량은 일정하며 또한, 그 에너지 변화량은 한 가지 단백질 흡착으로 인한 변화량과 거의 흡사한 것으로 보고되고 있다.21,35-42 따라서 본 연구에서는 albumin과 IgG 각각의 단백질의 흡착 현상을 바탕으로 인공눈물 내의 단백질들의 흡착으로 인한 하이드로젤의 거동을 이해하고자 하였다.
- 본 연구에서는 소프트 콘텍트 렌즈들의 재질 및 단백질 흡착에 따른 유변학적 특성 및 변화를 조사하여 렌즈 재료의 성분 설계에 기본 정보를 제시하고자 하였다. 그 결과 실리콘 계열의 PDMS젤에 albumin과 IgG 모두 가장 많은 흡착량을 보였다.
- 본 연구에서는 콘텍트 렌즈에 사용되는 하이드로젤을 이용하여 눈물 단백질 흡착현상과 재료특성의 상관관계를 이해하고 눈을 깜빡일 때 렌즈에 작용하는 힘에 따른 하이드로젤의 마찰계수를 측정하여 렌즈의 유변학적 특성을 이해하고자 하였다.
제안 방법
- 인체의 눈물 성분과 비슷한 단백질 용액은 다음과 같이 만들었다.12 Lysozyme (1.2 mg/mL), albumin (3.88 mg/mL) 그리고 Immunoglobulin G (IgG, 1.61 mg/mL)를 CPBSz 용액(0.01 M sodium citrate, 0.01 M sodium phosphate, 0.12 M NaCl, 0.02% sodium azide, pH 7.4)에 녹여 만들었다.
- 실험에 쓰인 하이드로젤은 Yang,16 Kronberg17-19 그리고 Nandu의19 방법에 따라 중합했다. 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA, 68.7 wt%), N-vinyl-2-pyrrolidone (NVP, 30 wt%)를 이용하여 ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA, 1 wt%)를 가교제로, azobisisobutyronitrile (AIBN, 0.3 wt%)을 개시제로 사용하여 80 ℃에서 1시간 열중합하였다. HEMA hydrogel은 NVP를 제외하고 HEMA 98.
- 유변학적 거동을 위한 하이드로젤은 직경이 25 mm, 두께 600 µm인 원형으로 절단하였다. 25 mm의 평행평판 회전점도계(Rheometric사, Advanced Rheometric Expansion System, ARES)를 사용하여 용액상(PBS 또는 인공누액)에서의 하이드로젤 토크를 측정하였다(Figure 2). 하이드로젤의 마찰력(friction force, F)은 Gong의 이론에 따라 식 (1)에 의해 계산했다.
- 20초간 40 rpm에서 원심분리시킨 뒤 1시간 동안 단백질 흡착을 유도하였다. SDS 전기영동방법으로 용액에 남아있는 단백질의 농도를 측정하였다.
- 그 결과, 실리콘 재질인 PDMS의 경우 토크 값이 HEMA계열보다 약 5배 이상 크게 측정되었다. 각막에 작용하는 압력과 전단속도를 적용하여 계산된 하이드로젤의 마찰계수는 콘텍트 렌즈를 이용한 임상실험 결과에 부합하였다. Albumin과 IgG를 포함하는 인공눈물 용액 내에서는 모든 하이드로젤의 마찰계수는 수직항력에 영향을 받지 않고 일정하게 유지되었는데 이는 눈물 단백질이 하이드로젤의 계면에 흡착하면서 윤활제 역할을 하여 수직항력 증가에 따른 마찰력을 완화시킨 것으로 보인다.
- 계면학적 특성 실험을 위해 중합 전 고분자 용액을 가로 세로 700 µm pore 크기를 가지는 polypropylene mesh에 넣어(Figure 1) 중합 하였으며 유변학적 특성 실험을 위해서는 두께 600 µm의 쉬트로 제조하였다.
- 그 결과 실리콘 계열의 PDMS젤에 albumin과 IgG 모두 가장 많은 흡착량을 보였다. 눈이 깜빡일 때 또는 각막이 움직일 때의 움직임은 최대 약 600 mm/s이므로 이에 해당하는 전단속도 내에서 토크 값을 측정하였다. 그 결과, 실리콘 재질인 PDMS의 경우 토크 값이 HEMA계열보다 약 5배 이상 크게 측정되었다.
- 마찰계수(µ)는 측정된 전단속도 내의 평균 마찰력을 평균 수직항력으로 나누어서 계산하였다.
- Figure 3은 SDS 전기영동으로 얻어진 albumin 흡착에 관한 표준 곡선 결과를 나타낸 것이다. 선형 결과 내의 단백질 농도 또는 O.D.값으로 얻어진 데이터로 단백질 흡착결과를 분석했다. 표준 곡선은 두 개의 선형 곡선으로 분류되어(2 mg/mL 이하는 저농도, 2 mg/mL 이상은 고농도) 적용되었으며, 모든 표준 곡선은 R2 값이 95% 이상인 것으로 측정되었다.
- 하이드로젤과 맞닿은 steel plate간의 거리를 조정하여 전단속도를 일정하게 유지(600 mm/s) 하면서 수직항력을 증가시켜 PBS 용액과 인공 눈물에서의 하이드로젤의 마찰계수를 비교하여 보았다. Figure 6(a)의 결과로부터 하이드로젤의 마찰계수가 단백질이 포함되어 있지 않은 PBS 용액에서는 수직항력과 하이드로젤의 재질에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 7%를 사용하여 위의 방법과 동일하게 열중합하였다. Polydimethylsiloxanepolyvinylpyrrolidone (PDMS-PVP)는 polydimethylsiloxane (PDMS, 54.8 wt%), N-vinyl-2-pyrrolidone (NVP, 30 wt%), triethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA, 15 wt%), a mixture of mono and bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphineoxide (Irgacure 2100, 0.2 wt%)를 혼합하여 30분간 305 nm의 UV 램프 아래에서 광중합하였다. 중합된 hydrogel은 증류수에 24시간 동안 희석하여 잔류 화학 성분을 제거하였다.
- 중합된 hydrogel은 증류수에 24시간 동안 희석하여 잔류 화학 성분을 제거하였다. 광개시제인 Irgacure 2100은 Ciba Specialty Chemicals 제품이이며 다른 모든 시약은 Aldrich사의 특급시약을 별도의 정제 없이 사용하였다.
이론/모형
- 마찰력은 Gong의 이론에 따라 식 (2)를 이용하여 계산하였으며 마찰 계수는 마찰력(F)과 수직항력의 비로 계산했다. Table 1은 측정된 수직항력, 마찰력 그리고 마찰계수를 나타낸다.
- 재료. 실험에 쓰인 하이드로젤은 Yang,16 Kronberg17-19 그리고 Nandu의19 방법에 따라 중합했다. 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA, 68.
- 25 mm의 평행평판 회전점도계(Rheometric사, Advanced Rheometric Expansion System, ARES)를 사용하여 용액상(PBS 또는 인공누액)에서의 하이드로젤 토크를 측정하였다(Figure 2). 하이드로젤의 마찰력(friction force, F)은 Gong의 이론에 따라 식 (1)에 의해 계산했다.20
성능/효과
- 이와 같은 이유는 일반적으로 실리콘 계열의 하이드로젤이 상대적으로 큰 접촉각을 보이며 소수성을 나타내기 때문인 것으로 해석된다.12,21 또한 HEMA PVP의 경우 polyvinylpyrrolidone으로 인해 친수성이 더욱 강화되어 albumin의 경우 흡착량이 미미하게 적은 것으로 나타났다. 따라서 하이드로젤의 젖음성(wettability)이 증가함에 따라 단백질 흡착량이 점차 감소하는 양상을 보임을 알 수 있었다.
- 1,2 기존 소프트 콘텍트 렌즈 재질인 HEMA에 N-vinyl pyrrolidone(NVP), methyl methacrylate(MMA) 등의 단분자를 공중합하여 함수율이 높은 렌즈가 개발되고 근래에는 산소 투과성을 증가 시키면서 기존 HEMA 렌즈가 지니는 편안한 착용감을 유지시키는 실록산(siloxane) 계열 하이드로젤이 개발되면서 콘텍트 렌즈를 장기간 착용할 수 있게 되었다.3 실리콘 계열 하이드로젤은 기존의 친수성 단량체에 polydimethylsiloxanes(PDMS), tris(trimethylsiloxy)silane 등을 공중합하여 실록산을 통한 높은 산소투과율(Dk, oxygen permeability, 100이상)과 methacrylate를 통하여 30% 대의 적절한 함수율을 유지할 수 있다.1 그러나 새로운 렌즈 재료의 개발에도 불구하고 이들 렌즈를 매일 착용이나 연속착용 방식으로 사용할 때 윤부충혈, 구결막 충혈, 검결막 충혈 등 충혈과 관련된 안질환 및 건조감, 이물감 등 여러 각막 부작용 등의 문제점은 해소되지 않고 있다.
- PVP 단량체를 HEMA에 공중합한 경우는 HEMA와 비슷한 마찰계수가 측정되었다. PDMS-PVP 하이드로젤의 마찰계수 값은 HEMA 계열 하이드로젤보다 최대 2배이상 크게 측정되었는데 이는 PDMS-PVP 재질 콘텍트 렌즈가 착용시 이물감을 많이 느낀다는 임상 실험 결과와 부합하는 것이다.5
- 본 연구에서는 소프트 콘텍트 렌즈들의 재질 및 단백질 흡착에 따른 유변학적 특성 및 변화를 조사하여 렌즈 재료의 성분 설계에 기본 정보를 제시하고자 하였다. 그 결과 실리콘 계열의 PDMS젤에 albumin과 IgG 모두 가장 많은 흡착량을 보였다. 눈이 깜빡일 때 또는 각막이 움직일 때의 움직임은 최대 약 600 mm/s이므로 이에 해당하는 전단속도 내에서 토크 값을 측정하였다.
- 눈이 깜빡일 때 또는 각막이 움직일 때의 움직임은 최대 약 600 mm/s이므로 이에 해당하는 전단속도 내에서 토크 값을 측정하였다. 그 결과, 실리콘 재질인 PDMS의 경우 토크 값이 HEMA계열보다 약 5배 이상 크게 측정되었다. 각막에 작용하는 압력과 전단속도를 적용하여 계산된 하이드로젤의 마찰계수는 콘텍트 렌즈를 이용한 임상실험 결과에 부합하였다.
- 실험시 하이드로젤에 작용한 수직항력은 하이드로젤 재질간의 토크값의 차이를 측정할 수 있으면서도 콘텍트 렌즈 착용시 각막에서 작용하는 압력과 유사하게 작은 수치이다(소프트 콘텍트 렌즈와 각막 사이의 압력은 약 500 Pa이며, 실험에 적용된 압력은 200-700 Pa이다30). 따라서 Gong의 모델로 각막에 작용하는 압력과 전단속도를 적용하여 임상실험 결과에 부합하는 마찰계수를 측정할 수 있었으며 이로서 하이드로젤 재질의 유변학적 특성이 콘텍트 렌즈 착용시 이물감과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.
- 20 반면, PDMS-PVP 하이드로젤은 흡착된 단백질과 회전하는 steel plate의 상관관계에 의해 마찰력이 더 영향을 받기 때문인 것으로 보인다. 따라서 인공눈물 내의 하이드로젤의 거동은 단백질 흡착으로 인한 윤활 효과 외에도 하이드로젤 고유의 구조와 회전하는 계면의 성질에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 12,21 또한 HEMA PVP의 경우 polyvinylpyrrolidone으로 인해 친수성이 더욱 강화되어 albumin의 경우 흡착량이 미미하게 적은 것으로 나타났다. 따라서 하이드로젤의 젖음성(wettability)이 증가함에 따라 단백질 흡착량이 점차 감소하는 양상을 보임을 알 수 있었다. 흡착량 외에도 흡착 곡선의 기울기 또한 표면의 친수성도가 증가함에 따라 감소하는 것을 볼 수 있다(albumin의 경우).
- Albumin과 IgG를 포함하는 인공눈물 용액 내에서는 모든 하이드로젤의 마찰계수는 수직항력에 영향을 받지 않고 일정하게 유지되었는데 이는 눈물 단백질이 하이드로젤의 계면에 흡착하면서 윤활제 역할을 하여 수직항력 증가에 따른 마찰력을 완화시킨 것으로 보인다. 인공눈물 내의 하이드로젤의 거동은 단백질 흡착으로 인한 윤활 효과 외에도 하이드로젤 고유의 표면 특성에 영향을 받는 것으로 나타났다. 하이드로젤의 유변학적 특성이 콘텍트 렌즈의 착용감과 밀접한 관련이 있으므로 향후 각막의 성질과 최대한 가까운 재료를 이용하여 인공누액 내 하이드로젤의 마찰력을 측정한다면 콘텍트 렌즈의 장, 단기 생체 적합성을 예측하는데 효과적일 것이라 예상된다.
후속연구
- 그러나 임상적인 실험은 조사 기간이 길고 비용이 많이 들게 되며, 객관적인 자료로 쓰이기 어려운 경우가 많은 것이 현실이다. 따라서 하이드로젤 재료의 특성에 따른 인체 거부감 즉 이물감의 상관 관계 이해를 바탕으로 한 콘텍트 렌즈용 하이드로젤 재료의 재질적인 특성에 관한 연구가 필요하다.
- 인공눈물 내의 하이드로젤의 거동은 단백질 흡착으로 인한 윤활 효과 외에도 하이드로젤 고유의 표면 특성에 영향을 받는 것으로 나타났다. 하이드로젤의 유변학적 특성이 콘텍트 렌즈의 착용감과 밀접한 관련이 있으므로 향후 각막의 성질과 최대한 가까운 재료를 이용하여 인공누액 내 하이드로젤의 마찰력을 측정한다면 콘텍트 렌즈의 장, 단기 생체 적합성을 예측하는데 효과적일 것이라 예상된다.
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