Study on the High-performance Lens Material Containing 4-Vinylpyridine

4-Vinylpyridine을 포함한 고기능성 렌즈 소재 연구

서론

최근 안의료용 소재는 광학적 특성, 물리·화학적 안정성, 생체적합성과 같은 기본적인 특성뿐만 아니라 고 산소투과성, 항균성, 자외선 차단성 등의 기능성을 갖춘 고분자 재료의 연구가 다양하게 진행되고 있다.1-4 또한 여러 분야에서 이미 활용되고 있는 고분자 재료들을 콘택트렌즈에 적용하는 연구도 활발하게 이루어지고 있다.5,6

콘택트렌즈는 각막 표면에 직접 접촉하여 착용해야 하기 때문에 인체에 미치는 생리적 특성이 매우 중요하다. 특히 눈은 많은 신경세포와 다양한 형태의 섬유로 구성되어 있으며, 높은 습도와 적절한 온도의 환경으로 신체조직 중 균에 쉽게 노출되어 있는 조직이다. 이로 인해 안과질환이 급성적으로 자주 발생하게 되며, 특히 콘택트렌즈 착용 시 나타나는 부작용으로 인한 안과질환은 더 증가하고 있다. 실제로 Hart 등7은 소프트콘택트렌즈 착용자가 착용한 렌즈의 35%에서 세균이 오염되었다고 하였다. 눈과 관련된 세균은 대장균, 진균, 녹농균 그리고 포도상구균 등이 대표적이며, 이러한 병원균들은 진균 각막궤양(fungal corneal ulcer), 녹농균성 각막궤양(pseudomonas corneal ulcer), 급성카타르성 결막염(acute catarrhal conjunctvitis), 만성세균결막염(chronic bacterial conjunctivitis)등을 발생시킨다.8-10

최근 안과적 질환을 최소화 할 수 있는 기능성 콘택트렌즈 재료에 대한 연구가 다양하게 진행 중이며, 특히 나노 은과 금, 키토산 등을 사용한 항균성 콘택트렌즈 재질 연구가 보고되었다.11,12

항균성을 포함하는 물질 중 4-vinylpyridine은 분자각인 고분자(molecular imprinting polymer - MIP),13 이온교환수지(ion exchange resins),14 바이오센서 재료(biosensor materials),15 정밀여과막(microfiltration membranes)16 등을 포함한 여러분야에 적용되고 있다.

이에 본 연구는 4-vinylpyridine을 콘택트렌즈 재료로 널리 사용되는 2-hydroxyethyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate등과 공중합하여 항균성을 가진 기능성 콘택트렌즈 재료를 제조하였다. 제조된 콘택트렌즈 재료는 E-coli에 대한 건조필름 배지 미생물시험을 통해 항균성을 알아보았다. 또한 제조된 콘택트렌즈의 함수율(water content), 굴절률(refractive index), 광투과율(optical transmittance), 인장강도(tensile strength)를 측정하여 콘택트렌즈 재료로써의 활용도를 알아보았다.

 

실험

콘택트렌즈 제조

실험에 사용된 4-vinylpyridine, HEMA (2-hydroxyethyl methacrylate), EGDMA (ethylene glycol dimethacrylate), AIBN(azobisisobutyronitrile)은 모두 Aldrich 사에서 구입한 특급시약을 사용하여 중합하였다. 재료의 중합은 oven을 통한 열중합 방식을 사용하였으며, 콘택트렌즈 제조는 cast mould 방법을 사용하여 성형하였다. 제조된 콘택트렌즈 sample은 0.9%의 염화나트륨 생리 식염수에 24시간 수화시키는 방법으로 전 처리한 후 물리적 특성을 측정하였다. 실험에 사용한 콘택트렌즈 제조용 mould를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.Moulds of samples

항균성 실험

4-Vinylpyridine을 포함하지 않는 Ref.와 4-vinylpyridine을 10% 포함하는 sample Vp-9를 각각 대조군과 실험군으로 하여 E-coli에 대한 항균성을 실험하였다. 항균성을 알아보기 위한 건조필름 배지는 3M PetrifilmTM을 사용하였으며, 0.9%의 염화나트륨 생리 식염수에 Ref.와 Vp-9 sample을 2주일 동안 수화시킨 식염수액을 1 mL 취하여 건조필름에 도말하고 35 ℃에서 2일간 배양하였다. 건조필름에 의한 미생물 분석은 제조사인 3M사의 사용설명서에 따라 실시하여 세균 양상을 비교하였다. 또한 세균 배양을 위한 배양기는 Labtech사의 LIB-030M을 사용하였다.

측정기기 및 분석

함수율 측정은 ISO 18369-4:2006을 기준으로 gravimetric method를 사용하여 측정하였다. 굴절률 측정은 ISO 18369-4:2006을 기준으로 하였으며, ABBE Refractormeter (ATAGO NAR 1T, Japan)를 사용하여 수화된 상태의 콘택트렌즈를 총 3회 측정한 평균값을 사용하였다.

광투과율 측정은 TOPCON TM-2를 사용하였으며, 가시광선 및 UV-A, UV-B 영역에 대해 백분율로 표시하여 투과율을 나타내었다. 인장강도는 AIKOH Engineering사의 Model-RX series를 사용하여 측정하였으며, 0.9%의 염화나트륨 생리 식염수에 24시간 수화시킨 후 렌즈 표면의 수분을 제거한 상태에서 0초에서 20초의 시간 동안 0.03 ~ 2.00 kgf의 힘이 가해졌을 때 렌즈가 파괴되는 최고값을 인장강도 값으로 나타내었다.

 

결과 및 고찰

고분자 중합 및 제조

콘택트렌즈 재료로 주로 사용되는 HEMA (2-hydroxyethyl methacrylate)에 4-vinylpyridine을 각각 1%에서 10%의 비율로 첨가하여 교차결합제인 EGDMA (ethylene glycol dimethacrylate)와 함께 공중합하였으며, 개시제로는 AIBN (2,2'-azobisiobutyronitrile) 0.1%를 사용하였다. 실험에 사용된 각 sample은 4-vinylpyridine을 첨가하지 않은 Ref.와 4-vinyl콘택트렌즈 재료로 주로 사용되는 HEMA (2-hydroxyethyl methacrylate)에 4-vinylpyridine을 각각 1%에서 10%의 비율로 첨가하여 교차결합제인 EGDMA (ethylene glycol dimethacrylate)와 함께 공중합하였으며, 개시제로는 AIBN (2,2'-azobisiobutyronitrile) 0.1%를 사용하였다. 실험에 사용된 각 sample은 4-vinylpyridine을 첨가하지 않은 Ref.와 4-vinylpyridine을 비율별로 분류하여 Vp-1, Vp-3, Vp-5, Vp-7 Vp-9로 각각 명명하였다. 중합 결과 어떠한 색깔도 나타나지 않았으며, 투명한 고분자가 생성되었다. 실험에 사용한 콘택트렌즈 sample의 배합비를 Table 1에 나타내었다.

Table 1.Percent compositions of samples

함수율(water content)

생성된 고분자를 gravimetric method를 사용하여 함수율을 측정한 결과, 4-vinylpyridine을 첨가하지 않은 Ref.는 32.42%로 나타났다. 4-vinylpyridine을 비율별로 첨가한 Vp-1의 평균함수율은 31.83%로 나타나 Ref.에 비해 감소되었다. Vp-3의 평균 함수율은 30.22%, Vp-5의 평균 함수율은 29.19%, Vp-7은 27.60%, Vp-9는 25.32%로 나타나 4-vinylpyridine의 비율이 증가할수록 함수율은 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 4-vinylpyridine의 함량이 증가함에 따라 자체적인 감소율뿐만 아니라 상대적으로 HEMA의 양이 감소되었기 때문으로 판단된다.

굴절률(refractive index)

각 sample의 굴절률을 측정한 결과 4-vinylpyridine이 포함되지 않은 Ref.가 1.433으로 나타났으며, 4-vinylpyridine을 비율별로 첨가한 조합에서는 Vp-1 1.439, Vp-3 1.443, Vp-5 1.449, Vp-7 1.452, Vp-9 1.461로 각각 나타났다. 4-vinylpyridine의 비율이 증가할수록 굴절률이 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나 굴절률의 증가량은 다소 크게 나타나지 않았다. 굴절률의 증가는 4-vinylpyridine이 증가할수록 함수율의 감소가 영향을 준 것으로 판단된다. 각 sample의 함수율과 굴절률 측정 결과를 Fig. 2에 각각 나타내었다.

Fig. 2.Effect of 4-vinylpyridine on water content and refractive index

광 투과율(optical transmittance)

각 sample의 UV-B, UV-A, 가시광선 영역에서의 투과율을 측정한 결과, 모든 조합에서 UV-B 74 ~ 76%, UV-A 81 ~ 86%, 가시광선 88 ~ 91%의 투과율을 나타내었다. 가시광선 투과율의 경우 일반적인 콘택트렌즈 수준의 가시광선 투과율를 나타내었으며, 자외선의 경우 300 nm 파장에서 일정 부분 낮은 투과도를 나타내었으나 자외선은 차단하지 못하는 것으로 나타났다. 4-vinylpyridine를 첨가하지 않은 Ref.와 비교해 볼 때 전체적으로 비슷한 양상을 나타내었으며, 자외선 영역에서 Ref.보다 조금 낮은 투과율을 나타내었다. 4-vinylpyridine을 비율별로 첨가한 여러 조합에서 각 조합별로 광투과율의 차이가 경향성 있게 나타나지는 않았다. 4-vinylpyridine을 9% 첨가한 Vp-9와 4-vinylpyridine을 첨가하지 않은 Ref.의 광투과율 측정 그래프를 대표적으로 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3.Optical transmittance of samples (Ref. and Vp-9)

인장강도(tensile strength)

실험에 사용된 각 sample의 인장강도를 측정한 결과, 4-vinylpyridine이 포함되지 않은 Ref.가 0.122 kgf로 나타났다. 4-vinylpyridine를 첨가한 조합들에서는 0.121 ~ 0.189 kgf 범위의 인장강도를 나타냈으며, 조합별로 일정한 경향성을 나타내지는 않았다. 그러나 모든 조합에서 일반적인 콘택트렌즈의 인장강도와 비슷한 수치를 나타내었다. 일반적으로 함수율이 감소할 경우 인장강도는 증가하게 되는데 4-vinylpyridine 첨가로 인한 함수율의 감소가 상대적으로 작게 나타났기 때문에 인장강도의 증가는 크지 않은 것으로 판단된다. 4-vinylpyridine를 5% 첨가한 Vp-5의 인장강도 측정 그래프를 대표적으로 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4.Tensile strength of Vp-5 sample

항균성(antibiosis)

4-Vinylpyridine을 포함하지 않는 Ref.와 4-vinylpyridine을 10% 포함하는 sample Vp-9를 각각 대조군과 실험군으로 하여 E-coli에 대한 항균성을 실험한 결과 균의 분포가 대조적으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. E-coli에 대한 두 조합의 건조필름 배지를 Fig. 5에 비교하여 나타내었다.

Fig. 5.Comparison of antibiosis and non-antibiosis samples (E-coli)

Table 2.*wH2O is the water content.**mhydratedis the mass of the hydrated test specimens. ***mdryis the mass of the dry test specimens.

4-Vinylpyridine을 포함하는 고분자를 중합하여 측정된 smaple의 물리적 특성을 모두 정리하여 Table 2에 나타내었다.

 

결론

본 연구는 4-vinylpyridine을 안의료용 렌즈 재료로 널리 사용되는 2-hydroxyethyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate등과 공중합하여 항균성을 지닌 기능성 콘택트렌즈 재료를 제조한 후 물리적 특성과 항균성을 측정하였다.

그 결과, 함수율은 25.32 ~ 31.83%를 나타내었으며, 4-vinylpyridine의 비율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 굴절률은 1.439 ~ 1.461의 범위를 나타내었으며, 4-vinylpyridine의 비율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 광투과율과 인장강도의 경우 일반적인 콘택트렌즈와 비슷한 수치를 나타내었다. E-coli에 대한 건조필름배지 미생물시험을 통한 항균성을 실험한 결과 4-vinylpyridine을 9% 첨가한 Vp-9 조합에서 균이 많이 번식하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과를 통해, 4-vinylpyridine은 함수율의 조절 및 항균성을 지닌 콘택트렌즈 재료로 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.