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문제 정의
- 6에 비교하여 나타내었다. 이는 이전의 나노입자를 함유한 콘택트렌즈에 관한 연구와 비교하였을 때 비슷한 결과를 보였으며, 이에 본 연구에서는 항균실험을 추가하여 은 나노입자를 첨가하였을 때, 황색포도상구균과 대장균에 대한 항균 기능을 가진 하이드로젤 친수성 렌즈의 소재로 활용 가능성을 평가하였다.3,9
- 3,13,14 그러나 기존 연구들의 경우, 항균성 확인 및 자외선 차단 기능성 효과에 대한 실험이 동시에 진행되어지지 않았다. 이에 본 연구는 하이드록시기를 가진 아크릴 레이 트계 모노머를 사용하여 안의료용 렌즈를 제조한 후 모노머 분자길이에 따른 물성을비교하였으며, 하이드로젤 친수성 안의료용 렌즈에 필요한 항균 및 자외선 차단기능을 보완하기 위해 기본적인 하이드로젤 친수성 렌즈의 모노머에 Ag nanoparticles을 첨가하여 항균 및 자외선 차단 기능성을 실험하여 고 기능성 하이드로젤 렌즈에 대한 연구를 추가적으로 진행하였다.
제안 방법
- 하이드로젤 친수성 렌즈의 기본적인 모노머인 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA)와 유사한 구조를 가진 대표적인 모노머는 2-hydroxyethyl acrylate (HEA), hydroxypropyl methacrylate (HPMA) 등이 있는데 이러한 친수성 고분자 모노머의 사슬 길이에 따른 물성변화에 대한 연구는 미흡한 실정이다.5이에 본 연구는 HEMA와 유사한 구조를 가진 모노머들인 HEA 및 HPMA를 사용하여 제조된 하이드로젤 친수성 렌즈의 광•물리적 특성을 측정하고 결과를 비교, 분석하였다. 사람의 눈은 신체조직 중 균에 쉽게 노출될 수 있기 때문에 하이드로젤 안의료용 렌즈의 경우, 안구에 직접적인 접촉으로 인한 세균감염성 질환이 많이 발생되고 있다.
- 1 에 나타내었다. 또한 렌즈 중합을 위한 각 모노머의 배합은 중량비에 맞춰 배합하였으며, HEMA, HEA 및 HPMA의 아크릴레이트 모노머와 가교제인 EGDMA, 개시제인 AIBN 그리고 Ag nanoparticle의 중합조건에 따른 모노머의 배합비를 Table 1에 나타내었다.
- 기기를 사용하여 측정하였으며, 분석을 위해 사용한 soft ware는 Cary Win UV를 사용하였다. 분광투과율은 근자외선(near-UV) 영역인 약 300nm〜380nm의 자외선 영역과 가시광선 영역을 나누어 각각 측정하였으며, 근자외선 영역 및 가시광선 영역에 대한 투과율을 각각 5회씩 측정하여 백분율로 나타낸 값의 평균을 계산하여 결정하였다. 또한 모든 영역의 투과율은 백분율로 나타내었다.
- 제조된 하이드로젤 친수성 렌즈의 함수율은 Gravimetric method를 사용하여 측정하였다. 시료의 건조를 위해 Microwave Oven을 사용하였으며, 건조된 시료 및 함수된 시료의 무게는 METTLER TOLEDO사의 XS205 DualRange 저울을 사용하여 각각 측정한 후 백분율로 표시하여 나타내었다.
- 실험에 사용된 HEMA, HEA 및 HPMA로 모노머의 종류에 따라 각각 METTLER TOLEDO사의 시차주사열량계 (DSC)를 사용하여 유리전이온도(Tg)에서 발생되는 열 용량의 변화를 분석하였다.
- 실험에 사용된 2-hydroxyethyl methacrylate와 AIBN은 JUNSEI사의 제품을 사용하였으며, ethylene glycol dimethacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl methacrylate 그리고 Ag nanoparticle은 Sigma-Aldrich사의 제품을 사용하여중합하였다. 안의료용 친수성 렌즈의 중합조건으로는 일반적인 하이드로젤 콘택트렌즈의 소재로 사용되고 있는 HEMA를 기준으로 하여 개시제의 양을 다양하게 하여 실험한 후 최 적합한 물성을 나타낸 개시제의 양인 0.2%로결정하였으며, 캐스트몰드 방식을 사용하여 100 ℃에서 1시간 열중합하였다. 중합된 렌즈 sample은 0.
- 2%로결정하였으며, 캐스트몰드 방식을 사용하여 100 ℃에서 1시간 열중합하였다. 중합된 렌즈 sample은 0.9% 생리식염수에 24시간 수화시킨 후 렌즈의 광•물리적 특성인 분광 투과율, 굴절률 그리고 함수율을 각각 측정하였다. 하이드록 시기를 가진 acrylate계 모노머인 HEMA, HEA 및 HPMA의 구조식을 Fig.
- 항균성 평가를 위해 Ag nanoparticles를 포함하지 않는 Ref와 기본조합에 10%의 Ag nanoparticles를 포함하는 Ag10 sample을 각각 대조군과 실험군으로 하여 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 대장균(Escherichia coli)에 대한 항균성을 확인하였다. 실험을 위해 건조필름 배지는 3M PetrifilmTM을 사용하였으며, 0.
대상 데이터
- 렌즈 무게의 9배에 해당하는 식염수와 렌즈를 넣고 진탕시킨 후 식염수액을 1 mL 취하여 건조 필름에 도말하고 36±1 ℃에서 24시간 동안 배양하였다. 또한 세균배양을 위한 배양기는 Daewon Science사의 Shacking Incubator DS-210SL을 사용하였다.
- 하이드록시기를 가진 아크릴레이트계 재료를 사용하여 하이드로젤 친수성 렌즈를 제조하기 위해 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) 및 hydroxypropyl methacrylate (HPMA) 모노머를 사용하였으며, 가교제로는 ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) 그리고 개시제인 azobisisobutyronitrile (AIBN)을 각각 사용하여공중합하였다. 실험에 사용된 2-hydroxyethyl methacrylate와 AIBN은 JUNSEI사의 제품을 사용하였으며, ethylene glycol dimethacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl methacrylate 그리고 Ag nanoparticle은 Sigma-Aldrich사의 제품을 사용하여중합하였다. 안의료용 친수성 렌즈의 중합조건으로는 일반적인 하이드로젤 콘택트렌즈의 소재로 사용되고 있는 HEMA를 기준으로 하여 개시제의 양을 다양하게 하여 실험한 후 최 적합한 물성을 나타낸 개시제의 양인 0.
- 항균성 평가를 위해 Ag nanoparticles를 포함하지 않는 Ref와 기본조합에 10%의 Ag nanoparticles를 포함하는 Ag10 sample을 각각 대조군과 실험군으로 하여 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 대장균(Escherichia coli)에 대한 항균성을 확인하였다. 실험을 위해 건조필름 배지는 3M PetrifilmTM을 사용하였으며, 0.9%의 염화나트륨 생리식염수에 해당 균과 렌즈를 넣어 24시간 동안 수화시킨 후 물기를 제거하였다. 렌즈 무게의 9배에 해당하는 식염수와 렌즈를 넣고 진탕시킨 후 식염수액을 1 mL 취하여 건조 필름에 도말하고 36±1 ℃에서 24시간 동안 배양하였다.
- 하이드록시기를 가진 아크릴레이트계 재료를 사용하여 하이드로젤 친수성 렌즈를 제조하기 위해 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) 및 hydroxypropyl methacrylate (HPMA) 모노머를 사용하였으며, 가교제로는 ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) 그리고 개시제인 azobisisobutyronitrile (AIBN)을 각각 사용하여공중합하였다. 실험에 사용된 2-hydroxyethyl methacrylate와 AIBN은 JUNSEI사의 제품을 사용하였으며, ethylene glycol dimethacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl methacrylate 그리고 Ag nanoparticle은 Sigma-Aldrich사의 제품을 사용하여중합하였다.
데이터처리
- 하이드로젤 친수성 렌즈의 굴절률 측정은 ISO 183694:2006 (Ophthalmic optics - Contact lenses - Part 4: Physicochemical properties of contact lens materials, 4.5. Refractive index)올 기준으로 측정하였으며, 굴절률측정에 사용된 기기는AAGO 사의 DR-A1(1310)을 사용하여 측정한 후 5개 sample의 평균값을 계산하여 결정하였다.
이론/모형
- 제조된 하이드로젤 친수성 렌즈의 함수율은 Gravimetric method를 사용하여 측정하였다. 시료의 건조를 위해 Microwave Oven을 사용하였으며, 건조된 시료 및 함수된 시료의 무게는 METTLER TOLEDO사의 XS205 DualRange 저울을 사용하여 각각 측정한 후 백분율로 표시하여 나타내었다.
성능/효과
- 기본적인 하이드로젤 친수성 렌즈의 소재인 HEMA에 Ag nanoparticles를 포함하지 않는 Ref와 10%의 Ag nanoparticles 를 포함하는 Ag10 sample을 각각 대조군과 실험군으로 하여 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 대장균(Escherichia coli)에 대한 항균성을 실험한 결과 균의 분포가 대조적으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. S.
- 친수성 안의료용 렌즈 제조를 통해 세 종류의 하이드록 시기를 가진 아크릴레이트인 HEA, HEMA 및 HPMA의 물성을 각각 비교하고, 기본적인 배합에 Ag nanoparticles를 첨가하여 광•물리적 특성을 분석한 결과, 하이드록시기를 가진 아크릴레이트계 모노머의 경우 분자길이가 짧아질수록 함수율이 증가하며, 굴절률은 감소하는 것으로 나타났으나, 광투과율에서는 큰 차이를 나타내지 않았다. 또한 DSC 열용량 분석방법으로 분석한 결과 분자길이가 짧을수록 개시속도가 빨라지는 것으로 나타났으며, 경화열의 열용량이 증가하나, HEMA와 HEA의 경우 methyl기의 차이로 분자길이의 차이가 크지 않아 열용량의 분석 경향이 비슷한 것으로 나타났다. 따라서 hydroxy기를 가진 acrylate 계 물질을 콘택트렌즈의 소재로 사용할 때는 분자 길이가 짧은 모노머는 고함수율 콘택트렌즈의 소재로, 분자길이가긴 모노머는 고굴절률 소재로서 적합할 것으로 판단된다.
- 4334로 나타났다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의 경우 1.4646〜1.4651로 나타나 hydroxy기를 가진 acrylate계열의 분자길이가 길어질수록 굴절률이 증가하는 경향을 나타내었다. Fig.
- 65%로 측정되었다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의 경우 78.53〜81.92%로 나타나 근자외선 투과율은 모든 조합에서 큰 차이를 보이지 않았으며, HEMA에 Ag nanoparticles을 10% 첨가한 조합의 근자외선 투과율의 경우, 10.16〜11.40%로 나타나 높은 자외선 차단성을 보였다.
- 39%로 나타났다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의 경우 86.07〜88.27%로 측정되어 가시광선 투과율은 세 조합 모두 큰 변화를 보이 지 않았으며, HEMA에 Ag nanoparticles을 10% 첨가한 조합의 경우, 39.71〜45.82%로나타나 가시광선 투과율이 낮아진 것을 볼 수 있는데, 이는 Ag nanoparticles가 첨가되었을 때, 렌즈의 착색을 유도하고, 이로 인해 가시광선 투과율을 저하시킨 것으로 판단된다. 이는 성 등3의 연구와 같은 결과를 나타내었으며, 따라서 자외선 차단 기능이 없는 하이드로젤 친수성 렌즈에 Ag nanoparticles 를 첨가함으로써 자외 선 차단 기 능성을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
- 31%로 나타났다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의경우 21.22〜21.99%로 나타나 hydroxy기를 가진 acrylate계열의 분자길이가 길어질수록 함수율이 낮아지는 경향을 나타내 었다. Fig.
- 또한, 가시광선 투과율의 경우 HEA 기반으로 제조된 렌즈는 87.44〜89.67%로 나타났으며, HEMA 기반의 하이드로젤 친수성 렌즈는 87.93〜92.39%로 나타났다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의 경우 86.
- 제조된 하이드로젤 친수성 렌즈 시료의 근자외선 및 가시광선 영역의 투과율을 측정한 결과, HEA 기반으로 제조된 렌즈의 near-UV 투과율은 79.41〜82.42%로 나타났으며, HEMA 기반의 하이드로젤 콘택트렌즈의 경우 82.12〜85.65%로 측정되었다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의 경우 78.
- 제조된 하이드로젤 친수성렌즈의 함수율을 측정한 결과, HEA 기반으로 만든 렌즈의 함수율은 81.39〜83.00%로 나타났으며, HEMA 기반의 하이드로젤 콘택트렌즈의 함수율은 36.71〜37.31%로 나타났다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의경우 21.
- 친수성 안의료용 렌즈 제조를 통해 세 종류의 하이드록 시기를 가진 아크릴레이트인 HEA, HEMA 및 HPMA의 물성을 각각 비교하고, 기본적인 배합에 Ag nanoparticles를 첨가하여 광•물리적 특성을 분석한 결과, 하이드록시기를 가진 아크릴레이트계 모노머의 경우 분자길이가 짧아질수록 함수율이 증가하며, 굴절률은 감소하는 것으로 나타났으나, 광투과율에서는 큰 차이를 나타내지 않았다. 또한 DSC 열용량 분석방법으로 분석한 결과 분자길이가 짧을수록 개시속도가 빨라지는 것으로 나타났으며, 경화열의 열용량이 증가하나, HEMA와 HEA의 경우 methyl기의 차이로 분자길이의 차이가 크지 않아 열용량의 분석 경향이 비슷한 것으로 나타났다.
- 하이드로젤 친수성 렌즈의 굴절률은 HEA를 기본배합으로 만든 렌즈에서 1.3538〜1.3543으로 나타났으며, HEMA 기반의 하이드로젤 콘택트렌즈의 굴절률은 1.4325〜1.4334로 나타났다. 또한 HPMA 기반의 렌즈의 경우 1.
- 하이드로젤 친수성 렌즈의 소재 별(HEA, HEMA 및 HPMA) 열적특성 분석을 위해 METTLER TOLEDO사의 시차주사열량계(DSC)로 분석한 결과, 분자 길이가 짧을수록 중합도가 낮고 개시온도가 빨라지며, 경화열의 열용량이 증가하지만, HEA와 HEMA의 경우 단순히 acrylate와 methacrylate 의 차이로 열용량 분석에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이 결과로 볼 때, 비슷한 열용량으로 중합하기위해 고굴절률 모노머는 methyl기를 포함한 재료로 굴절률을 증가시키고, 함수율을 높일 때는 methyl기를 제거하여 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한 하이드록시기를 가진 아크릴레이트계 물질들을 사용할 때는 항균 및 자외선 차단기능이 전혀 없으므로 Ag nanoparticles 등 항균기능을 가지며 자외선 차단 기능을 가진 나노입자 등을 함께 첨가하여 콘택트렌즈의 기능을 향상시켜 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 4에 나타내었다. 위 결과로 볼 때, 하이드록시기를 가진 acrylate 조합의 경우, 자외선 차단효과가 없기 때문에 Ag nanoparticles과 같은 나노소재를 첨가제로 사용하여 자외선 차단 기능성을 추가하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 하이드로젤 친수성 렌즈의 소재 별(HEA, HEMA 및 HPMA) 열적특성 분석을 위해 METTLER TOLEDO사의 시차주사열량계(DSC)로 분석한 결과, 분자 길이가 짧을수록 중합도가 낮고 개시온도가 빨라지며, 경화열의 열용량이 증가하지만, HEA와 HEMA의 경우 단순히 acrylate와 methacrylate 의 차이로 열용량 분석에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이 결과로 볼 때, 비슷한 열용량으로 중합하기위해 고굴절률 모노머는 methyl기를 포함한 재료로 굴절률을 증가시키고, 함수율을 높일 때는 methyl기를 제거하여 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 시료의 DSC 분석결과를 Fig.
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