목적: FDA 기준에 의해 분류된 시판용 콘택트렌즈와 실험실에서 제조한 콘택트렌즈의 물리화학적 특성에 따라 라이소자임과 알부민의 흡착 특성을 살펴보고자 한다. 방법: 실험실에서 제조한 렌즈는 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)와 TRIM(3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate) 등의 모노머를 사용하였으며 캐스트몰드 방법으로 제조하였다. 라이소자임과 알부민을 함유한 인공눈물을 제조하였다. 각각의 렌즈에 대해 흡착시간(48시간)과 인공눈물의 pH(pH 6, 6.8, 7.4, 8.2, 9)에 따라 단백질 흡착량 변화를 추적하고, 콘택트렌즈에 흡착된 각각의 단백질은 HPLC로 정량하였다. 결과: 두 단백질의 흡착에 대한 평형상태 도달하는 시간은 하이드로겔 렌즈에 비해 실리콘하이드로겔 렌즈에서 더 오래 걸렸다. 평형상태에서 두 단백질에 대한 흡착량은 실리콘하이드로겔 렌즈에 비해 하이드로겔 렌즈, 비이온성 렌즈에 비해 이온성 렌즈에서 높게 나타났다. 또한, 고함수 렌즈에서는 라이소자임이, 저함수 렌즈에서는 알부민의 흡착량이 많았으며, 이온성 고함수의 Group IV 하이드로겔 렌즈(H4)에서는 라이소자임만이 흡착되었다. 인공눈물의 pH에 따른 두 단백질의 흡착량은 각 단백질의 등전점에 가까워질수록 증가하였다. 결론: 라이소자임의 흡착량은 콘택트렌즈의 함수율보다는 렌즈 표면의 이온성에 더 큰 영향을 받으며, 알부민은 렌즈 표면의 이온성보다 함수율에 더 많은 영향을 받는다. 실리콘하이드로겔 렌즈에서 단백질의 흡착은 콘택트렌즈의 극성뿐만 아니라 실리콘 모노머에 포함된 Si 원자수와 그 화학적 구조에 의해 결정되는 세공의 크기 등이 함께 고려되어야 한다.
목적: FDA 기준에 의해 분류된 시판용 콘택트렌즈와 실험실에서 제조한 콘택트렌즈의 물리화학적 특성에 따라 라이소자임과 알부민의 흡착 특성을 살펴보고자 한다. 방법: 실험실에서 제조한 렌즈는 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)와 TRIM(3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate) 등의 모노머를 사용하였으며 캐스트몰드 방법으로 제조하였다. 라이소자임과 알부민을 함유한 인공눈물을 제조하였다. 각각의 렌즈에 대해 흡착시간(48시간)과 인공눈물의 pH(pH 6, 6.8, 7.4, 8.2, 9)에 따라 단백질 흡착량 변화를 추적하고, 콘택트렌즈에 흡착된 각각의 단백질은 HPLC로 정량하였다. 결과: 두 단백질의 흡착에 대한 평형상태 도달하는 시간은 하이드로겔 렌즈에 비해 실리콘하이드로겔 렌즈에서 더 오래 걸렸다. 평형상태에서 두 단백질에 대한 흡착량은 실리콘하이드로겔 렌즈에 비해 하이드로겔 렌즈, 비이온성 렌즈에 비해 이온성 렌즈에서 높게 나타났다. 또한, 고함수 렌즈에서는 라이소자임이, 저함수 렌즈에서는 알부민의 흡착량이 많았으며, 이온성 고함수의 Group IV 하이드로겔 렌즈(H4)에서는 라이소자임만이 흡착되었다. 인공눈물의 pH에 따른 두 단백질의 흡착량은 각 단백질의 등전점에 가까워질수록 증가하였다. 결론: 라이소자임의 흡착량은 콘택트렌즈의 함수율보다는 렌즈 표면의 이온성에 더 큰 영향을 받으며, 알부민은 렌즈 표면의 이온성보다 함수율에 더 많은 영향을 받는다. 실리콘하이드로겔 렌즈에서 단백질의 흡착은 콘택트렌즈의 극성뿐만 아니라 실리콘 모노머에 포함된 Si 원자수와 그 화학적 구조에 의해 결정되는 세공의 크기 등이 함께 고려되어야 한다.
Purpose: Adsorption properties of lysozyme and albumin according to physiochemical properties of commercial contact lens classified with the FDA categories and a contact lens fabricated in the laboratory were investigated. Methods: The contact lens were prepared using HEMA(2-hydroxyethyl methacrylat...
Purpose: Adsorption properties of lysozyme and albumin according to physiochemical properties of commercial contact lens classified with the FDA categories and a contact lens fabricated in the laboratory were investigated. Methods: The contact lens were prepared using HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate) and TRIM(3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate) in a cast mold. Artificial tears containing lysozyme and albumin were prepared. We measured the amounts of protein adsorbed on the each lenses with varying adsorbed time (48 hour) and the pH range (6, 6.8, 7.4, 8.2, 9) of artificial tear. Amount of the proteins absorbed on the contact lenses were measured by using HPLC. Results: Time to reach the equilibrium of protein adsorption for silicone hydrogel lens was taken longer than hydrogel lens. The amount of adsorbed both lysozyme and albumin at equilibrium were greater for the hydrogel lens than the silicone hydrogel lens, and larger for the ionic lens than the non-ionic lens. Lysozyme was more adsorbed on the higher water content of contact lens, whereas albumin was more adsorbed on the lower water content of contact lens. Only lysozyme was adsorbed on the Group IV hydrogel lens of ionic higher water content. The adsorption of protein on contact lens increased with pH of artificial tears as close to the isoelectric point of each protein. Conclusions: The adsorption amount of lysozyme is more affected by the ionic strength of the contact lens surface than the water content of contact lens. Albumin adsorption is more affected by water content than the ionic strength of the contact lens surface. For the adsorption of proteins on the silicone hydrogel lens, the pore size, determined both by the number of Si atoms and the chemical structure of the silicone-containing monomers, as well as the polarity of contact lens should be also considered.
Purpose: Adsorption properties of lysozyme and albumin according to physiochemical properties of commercial contact lens classified with the FDA categories and a contact lens fabricated in the laboratory were investigated. Methods: The contact lens were prepared using HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate) and TRIM(3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate) in a cast mold. Artificial tears containing lysozyme and albumin were prepared. We measured the amounts of protein adsorbed on the each lenses with varying adsorbed time (48 hour) and the pH range (6, 6.8, 7.4, 8.2, 9) of artificial tear. Amount of the proteins absorbed on the contact lenses were measured by using HPLC. Results: Time to reach the equilibrium of protein adsorption for silicone hydrogel lens was taken longer than hydrogel lens. The amount of adsorbed both lysozyme and albumin at equilibrium were greater for the hydrogel lens than the silicone hydrogel lens, and larger for the ionic lens than the non-ionic lens. Lysozyme was more adsorbed on the higher water content of contact lens, whereas albumin was more adsorbed on the lower water content of contact lens. Only lysozyme was adsorbed on the Group IV hydrogel lens of ionic higher water content. The adsorption of protein on contact lens increased with pH of artificial tears as close to the isoelectric point of each protein. Conclusions: The adsorption amount of lysozyme is more affected by the ionic strength of the contact lens surface than the water content of contact lens. Albumin adsorption is more affected by water content than the ionic strength of the contact lens surface. For the adsorption of proteins on the silicone hydrogel lens, the pore size, determined both by the number of Si atoms and the chemical structure of the silicone-containing monomers, as well as the polarity of contact lens should be also considered.
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문제 정의
본 연구에서는 FDA 기준에 의해 분류된 시판용 콘택트렌즈와 제조한 실리콘하이드로겔 렌즈의 단백질 흡착 특성을 비교하고, 그 결과를 실리콘 모노머의 화학적 구조와 연계하여 살펴봄으로써 새로운 실리콘하이드로겔 렌즈 설계에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
콘택트렌즈의 물리화학적인 특성과 재질에 따른 단백질흡착 특성을 알아보기 위해 본 연구에서는 시판용 콘택트렌즈와 실험실에서 제조한 렌즈를 사용하였다. 시판용 콘택트렌즈는 FDA 분류에 의해 Group I, Ⅱ, IV에 해당하는 렌즈를 각 1종씩, 총 3종류의 하이드로겔 렌즈와 Group I, Ⅲ에 해당하는 렌즈를 각 1종씩, 총 2종류의 실리콘 하이드로겔 렌즈를 선택하였다.
제안 방법
FDA 기준에 의해 분류된 시판용 콘택트렌즈와 실험실에서 제조한 콘택트렌즈의 물리화학적 특성에 따라 라이소자임과 알부민의 흡착 특성을 살펴보고, 시판용 콘택트렌즈에서 얻어진 단백질의 흡착 특성과 사용된 실리콘 모노머의 화학적 구조와 연계하여 살펴보았다.
눈물은 신체적 요인에 따라 눈물 속에 단백질 조성이 다르기 때문에 단백질 흡착실험을 제조한 인공눈물을 사용하여 생체 외 실험 (in vitro)으로 진행하였다. 콘택트렌즈에 단백질 흡착과정은 렌즈가 충분히 잠길 수 있도록 2 mL 의 인공눈물을 넣어 준 후 37oC를 유지하면서 150 rpm 으로 흔들어주었다.
단백질의 흡착 특성은 흡착시간과 인공눈물의 pH에 따라 살펴보았다. 흡착시간에 따른 특성은 pH 7.
시간에 따른 단백질 흡착량에 대한 결과를 추적하여 가장 적합한 속도식을 구한 다음 각각의 렌즈에서 라이소자임, 알부민이 평형상태에 도달하는 시간과 흡착량을 살펴보았다. 실험실에서 제조한 실리콘하이드로겔 렌즈에서 시간에 따른 단백질의 흡착량을 측정한 다음 0차, 1차, 2 차 적분 반응속도식에 적용하여 단백질 흡착에 대한 단백질의 농도 의존성을 살펴보았다.
실험실에서 제조한 렌즈를 사용하였다. 시판용 콘택트렌즈는 FDA 분류에 의해 Group I, Ⅱ, IV에 해당하는 렌즈를 각 1종씩, 총 3종류의 하이드로겔 렌즈와 Group I, Ⅲ에 해당하는 렌즈를 각 1종씩, 총 2종류의 실리콘 하이드로겔 렌즈를 선택하였다. 실험실에서 제조한 콘택트렌즈는 하이드로겔과 실리콘하이드로겔 렌즈를 각 1종류씩 제조하여 사용하였다.
실험실에서 제조한 실리콘하이드로겔 렌즈에서 시간에 따른 단백질의 흡착량을 측정한 다음 0차, 1차, 2 차 적분 반응속도식에 적용하여 단백질 흡착에 대한 단백질의 농도 의존성을 살펴보았다.
따라 진행하였다. 추출 용액은 acetonitrile 과 0.2%의 trifluoroacetic acid를 1:1로 혼합하여 사용하였으며, 24시간 동안 추출하였다.
콘택트렌즈에 단백질 흡착 특성을 살펴보기 위해 인체의 눈물과 비슷한 조성을 갖는 인공 눈물을 제조하였다. 인공눈물은 1.
콘택트렌즈에서 추출한 용액에 포함된 단백질은 HPLC (LC-10AVP, Shimadzu, Japan)를 이용하여 정량하였다. 추줄된 용액은 syringe filter(pore size 0.
살펴보았다. 흡착시간에 따른 특성은 pH 7.4 의 인공눈물에서 30분에서 48시간까지 흡착시켰으며, 인공눈물의 pH에 따른 특성은 pH 6, 6.8, 7.4, 8.2, 9에서 24시간 동안 흡착시킨 후 정량하였다.
대상 데이터
7에 각각의 렌즈에 사용된 실리콘 모노머의 화학적 구조를 나타내었다. 시판용 SH1, SH3 렌즈는 단위 실리콘 모너머 당 Si 원자가 4개 포함되어 있으며, 실험실에서 제조한 SHL 렌즈는 Si 원자가 1개 포함되어 있다. Si 원자는 d 궤도를 가지고 있어 C 원자에 비해 상대적으로 크기 때문에 Pn-dn 상호작용이 가능하게 되고, 이에 따라 Si- O-Si 사이각도 커지게 된다.
시판용 콘택트렌즈는 FDA 분류에 의해 Group I, Ⅱ, IV에 해당하는 렌즈를 각 1종씩, 총 3종류의 하이드로겔 렌즈와 Group I, Ⅲ에 해당하는 렌즈를 각 1종씩, 총 2종류의 실리콘 하이드로겔 렌즈를 선택하였다. 실험실에서 제조한 콘택트렌즈는 하이드로겔과 실리콘하이드로겔 렌즈를 각 1종류씩 제조하여 사용하였다. 실험에 사용된 콘택트렌즈의 특성은 Table 1에 나타내었다.
6x250 mm, Shimadzu, Japan)을 이용하여 분리하였다. 이동상은 0.1% trifluoroacetic acid in acetonitrile과 0.1% trifluoroacetic acid in water을 1:1 비율로 혼합한 용액을 사용하였으며, UV-detector(SPD-10A, Shimadzu, Japan)를 이용하여 검 줄 파장 220 nm 에서 측정하였다.
콘택트렌즈 제조에 사용된 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate, 96%, Junsei)는 산소와의 접촉을 피하기 위해 질소 가스를 주입한 상태에서 감압농축기(RV-10B, IKA, China)를 이용하여 진공 증류하여 불순물과 첨가된 중합방지제 (hydroquinone)를 제거한 후 사용하였다. 하이드로겔 렌즈는 HEMA, NVP(N-vinyl pyrrolidone, 99%, Junsei), EGDMA(ethylene 이ycol dimethacrylate, 98%, Aldrich), AIBN(azobis isobutyronitrile, 98%, Junsei) 를 사용하였고, 실리콘하이드로겔 렌즈 제조를 위해 실리콘 모너머 TRIM(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98%, Aldrich), HEMA, NVP, EGDMA, AIBN를 구성 비에 따라 혼합한 후, 교반기 (MS-2026, MISUNG S&I, Korea)를 이용하여 6 시간 동안 상온에서 교반하였다.
하이드로겔 렌즈는 HEMA, NVP(N-vinyl pyrrolidone, 99%, Junsei), EGDMA(ethylene 이ycol dimethacrylate, 98%, Aldrich), AIBN(azobis isobutyronitrile, 98%, Junsei) 를 사용하였고, 실리콘하이드로겔 렌즈 제조를 위해 실리콘 모너머 TRIM(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98%, Aldrich), HEMA, NVP, EGDMA, AIBN를 구성 비에 따라 혼합한 후, 교반기 (MS-2026, MISUNG S&I, Korea)를 이용하여 6 시간 동안 상온에서 교반하였다. 혼합된 모노머는 콘택트렌즈 몰드에 주입하고, 고온건조기(HST-501S, Hanst, Korea)에서 90oC, 5시간동안 중합하였다.
데이터처리
본 연구의 실험 결과는 SPSS 20.0 통계프로그램을 이용하여 분석하였다. 흡착시간에 따라 서로 다른 콘택트렌즈에서 나타나는 단백질 흡착량의 차이에 대한 유의성 여부는 one-way ANOVA 방법을 이용하였다.
흡착시간에 따라 서로 다른 콘택트렌즈에서 나타나는 단백질 흡착량의 차이에 대한 유의성 여부는 one-way ANOVA 방법을 이용하였다. 인공눈물의 pH 에 따라 단백질 흡착량의 비교는 paired t-test를 이용하였다. 통계적 유의성은 신뢰수준 95% 이상에서 검증하였다.
0 통계프로그램을 이용하여 분석하였다. 흡착시간에 따라 서로 다른 콘택트렌즈에서 나타나는 단백질 흡착량의 차이에 대한 유의성 여부는 one-way ANOVA 방법을 이용하였다. 인공눈물의 pH 에 따라 단백질 흡착량의 비교는 paired t-test를 이용하였다.
성능/효과
H4 렌즈를 제외한 모든 콘택트렌즈에서 라이소자임과 알부민의 흡착이 나타났으며, H4 렌즈에서는 라이소자임만 흡착되었음을 알 수 있었다. 또한, H2 렌즈와 H4 렌즈를 제외한 모든 콘택트렌즈에서 라이소자임보다 알부민의 흡착량이 많았으며, H2 렌즈와 H4 렌즈는 라이소자임의 흡착량이 많았다.
증가하고, 알부민의 흡착량은 감소하였다. 두 단백질에 대한 총 흡착량을 생리적인 pH 7.4에서 각각의 pH 와 비교한 결과, H4 렌즈를 제외하고 실험에 사용한 모든 콘택트렌즈는 인공눈물의 pH에 따라 단백질 흡착량의 변화가 나타나지 않았다. H4 렌즈는 pH 7.
흡착되었음을 알 수 있었다. 또한, H2 렌즈와 H4 렌즈를 제외한 모든 콘택트렌즈에서 라이소자임보다 알부민의 흡착량이 많았으며, H2 렌즈와 H4 렌즈는 라이소자임의 흡착량이 많았다.
라이소자임은 고 함수 렌즈에서, 알부민은 저함수 렌즈에서 흡착이 많았다. 또한, 라이소자임, 알부민 모두 이온성 렌즈에서 흡착이 많이 일어나는 것으로 나타났다.
라이소자임, 알부민 두 단백질에 대한 총 흡착량은 실리콘 하이드로겔 렌즈에 비해 하이드로겔 렌즈에서 더 많았다. 하이드로겔 렌즈 중에 저함수 H1, HL 렌즈보다 고 함수 H2, H4 렌즈의 흡착량이 많았다.
라이소자임과 알부민은 콘택트렌즈의 함수율, 이온성에 따라 단백질의 흡착 특성이 다르게 나타났다. 라이소자임은 고 함수 렌즈에서, 알부민은 저함수 렌즈에서 흡착이 많았다.
라이소자임과 알부민은 비이온성 SH1 렌즈에 비해 이온성 SH3 렌즈에서 흡착량이 더 많았다. 라이소자임은 고함 수에 속하는 H2, H4 렌즈에서, 알부민은 저함수에 속하는 H1, HL 렌즈에서 흡착량이 많이 나타났다. 이는 라이소자임과 알부민의 흡착 특성이 콘택트렌즈의 함수율에 크게 의존함을 제시한다.
모든 콘택트렌즈에서 pH가 증가할수록 라이소자임의 흡착량은 증가하고, 알부민의 흡착량은 감소하였다. 두 단백질에 대한 총 흡착량을 생리적인 pH 7.
하이드로겔 렌즈 중에 저함수 H1, HL 렌즈보다 고 함수 H2, H4 렌즈의 흡착량이 많았다. 실리콘하이드로겔 렌즈는 비이온성 SH1 렌즈보다 이온성 SH3 렌즈에서 흡착량이 많았으며, 실험실에서 제조한 SHL 렌즈에서 흡착량이 더 많았다. 이온성 고함수의 H4 렌즈는 모든 흡착 시간에서 다른 콘택트렌즈와 비교하여 흡착량이 많았으며, 이는 통계적으로도 유의한 차이를 보였다 (p<0.
인공눈물의 pH에 따른 두 단백질의 흡착량이 각 단백질의 등전점에 가까워질수록 많아지는 사실로부터 콘택트렌즈에 단백질 흡착은 두 물질간 정전기적 인력에 가장 크게 영향 받는다는 것을 확인할 수 있었다. 실리콘 하이드로겔 렌즈보다는 하이드로겔 렌즈에서 두 단백질의 흡착량이 많고, 단위 모노머 당 Si 원자 수가 많은 실리콘 모 너머를 사용한 실리콘하이드로겔 렌즈의 함수율이 낮으며, 친수성 단백질의 흡착량이 낮게 나타난 결과로부터 실리콘 하이드로겔 렌즈에서 단백질의 흡착은 렌즈의 극성뿐만 아니라 실리콘 모노머에 포함된 Si 원자수와 그 화학적 구조에 의해 결정되는 세공의 크기 등이 함께 고려되어야 한다.
제조한 실리콘하이드로겔 렌즈에서 두 단백질의 흡착량은 시판용 실리콘하이드로겔 렌즈에 비해 약간 많았다. Fig.
회귀식에 대한 결정계수값 (R2)은 모든 콘택트렌즈에서 0.97 이상으로 높게 나타나 회귀모형이 적합함을 확인할 수 있었으며, 이로부터 단백질의 흡착 거동이 렌즈의 종류에 따라 크게 다르지 않음을 알 수 있었다.
후속연구
[12] 콘택트렌즈는 각막에 직접적으로 접촉되기 때문에 렌즈의 재질과 눈물 속 단백질의 친화력은 콘택트렌즈 착용에 대한 안전성에 영향을 주며, [13] 최근에는 단백질 흡착을 최소화할 수 있는 생체모방형 콘택트렌즈 재질 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.[14] 따라서 새로운 콘택트렌즈의 개발을 위해서는 사용한 렌즈의 재료와 렌즈의 물리적 특성에 따른 단백질의 흡착특성에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
9에 각각 나타내었다. 라이소자임과 알부민의 흡착은 0차, 1차, 2차에 대한 적분 반응속도식에 맞지 않았으며, 향후 단백질의 초기 농도에 따른 흡착량 변화에 대한 연구실험이 추가로 요구된다.
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