Ⅰ. 서 론
콘택트렌즈는 중합하는 단량체의 종류와 개시제, 교차결합제 등의 종류와 이들의 구성비에 따라 다양 한 물리적 특성을 나타내고 있다. 최근에는 다양한 단량체를 이용하여 고 습윤성, 고 산소투과성, 항균 성, 자외선 차단성 등의 기능성 콘택트렌즈에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.1~4)
콘택트렌즈의 기본적인 물리적 특성에는 함수율, 굴절률, 인장강도, 산소투과율, 습윤성 등이 있다. 함 수율은 콘택트렌즈의 기본 성질 중에서 상당히 중요 한 인자로서 산소투과성, 고분자 폴리머의 밀도, 그 리고 굴절률에 많은 영향을 미친다고 알려져 있다.5,6) 또한 함수율은 콘택트렌즈의 유연성과 착용감에 관계 되며, 함수율이 높을수록 유연성과 착용감이 좋아지 고 산소투과성도 증가된다. 그러나 함수율 상승은 렌 즈 재질의 강도와 굴절률은 감소하고 침착물이 잘 부 착되는 단점을 가지게 되며, 과도한 함수율은 콘택트 렌즈의 관리상 문제가 발생될 수 있다.7)
굴절률이 높은 재질은 같은 굴절력(refractive power)의 렌즈에서 더 얇은 렌즈를 만들 수 있어 임 상적으로 편안한 착용감을 제공할 수 있을 뿐만 아니 라 산소투과율(oxygen transmissibility)을 증가시킬 수 있어,8) 각막부종 및 신생혈관 발생과 같은 부작용 발생을 감소시킬 수 있다. 그러나 굴절률의 증가는 함수율을 감소시키기 때문에 굴절률이 높은 재료를 고 함수율 콘택트렌즈에 적용하는데 어려움이 따르게 된다.9) 콘택트렌즈의 탄력성은 콘택트렌즈의 두께와 관련되며, 두께는 착용감과 산소투과율에 관련된다. 그리고 렌즈의 수명 및 관리의 용이성과도 밀접한 관 계가 있다. 콘택트렌즈 제조 시 두께감소는 착용감 향상과 산소투과율 증대와 직접적인 관계가 있기 때 문에 매우 중요하다. 그러나 두께 감소는 내구성 약 화와 손쉬운 렌즈 파손이 발생되는 문제점이 발생된 다. 탄력성이 높으면 렌즈의 관리상 어려움이 줄어들 고 렌즈의 두께를 감소시킬 수 있으며 이는 콘택트렌 즈 착용시 이물감을 최소화시켜 주어 착용감을 향상 시키며 산소투과율을 향상시켜서 눈 건강에 도움이 된다. 일반적으로 함수율의 감소는 인장강도의 증가 를 가져오나 렌즈의 유연성이 떨어지는 단점을 가지 고 있어 함수율의 감소를 최소화하면서 인장강도를 증가시킬 수 있는 재료의 연구가 필요하다.
습윤성은 함수율과 마찬가지로 착용감에 많은 영 향을 미치고 있으며, 콘택트렌즈 표면의 눈물 젖음 정도를 파악하는 것으로서 접촉각을 측정하여 평가한 다. 접촉각이 작으면 습윤성이 높고 접촉각이 크면 습윤성이 낮음을 나타낸다. 습윤성이 높은 콘택트렌 즈는 건조안에서도 불편함이 적게 나타나 최근에 증 가되고 있는 건조안을 가진 사람들에게 각광 받고 있 다. 고습윤성의 필요성이 증가되면서 함수율 변화를 최소화하고 습윤성을 증가시키는 고분자에 대한 연구 도 계속 진행되고 있다.10~12)
MPC(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) 는 항오염성(anti-fouling nature)을 가져서 생 체적합성을 향상시키며, 의료기기로 쓰일 때 단백질흡 착을 줄이고,13) 박테리아 부착과 생물막 형성을 억제시 키는 것으로 알려져 있다.14) PEGMA는 친수성 물질로 서 생체적합한 단량체로서 단백질흡착을 줄이고 박테 리아 부착을 억제한다고 알려져 있다.15)
요즘 들어 TV나 컴퓨터 모니터, 스마트폰 등의 과다 사용으로 안구건조가 꾸준히 증가하는 추세에 있다. 건조안을 가진 사람들은 콘택트렌즈 착용 시 일반 사람 들보다는 고습윤성의 콘택트렌즈가 더 절실히 필요할 것이다. 본 연구에서는 습윤성을 높이기 위해서 현재 여러 분야에서 널리 사용되고 있는 MPC (2-methacryloyloxyethyl phosphoryl choline)와 PEGMA (poly(ethyleneglycol methacrylate)단량체를 사용 하여 단량체 구성비에 따른 함수율, 굴절률, 인장강도, 접촉각 등을 측정하여 물리적 특성 변화를 알아보았다. 또한 저함수, 고굴절률 성질을 지닌 styrene을 첨가하 였을 때의 고습윤성 단량체들이 물리적 특성에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.
Ⅱ. 실 험
1. 시약 및 재료
하이드로겔 콘택트렌즈 제조를 위한 가장 기본적인 단량체인 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)는 Junsei(Japan)사에서 구입하여 정제해서 사용하였으 며, 중합개시제인 AIBN(2,2'-azobisisobuty-ronitrile) 은 Junsei사에서 구입하여 사용하였다. 교차결 합제로 사용되는 EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate) 는 sigma-aldrich사(USA)에서 구입하여 실험하였다. 물성 향상을 위해 추가된 단량체인 MPC(2-methacryloyl-oxyethyl phosphorylcholine)( Fig. 1), PEGMA[poly(ethyleneglycol) methacrylate)](Fig. 2)와 styrene은 sigma-aldrich 사에서 구입하여 실험하였다.
2. 시료 제작
본 연구에 사용되는 시료인 콘택트렌즈와 필름을 제작하기 위해 사용된 단량체의 구성 성분비와 시료 명은 Table 1에 나타내었으며, 구성비는 부피%로 표 시하였다. 시료는 단량체의 종류에 따른 8종과 시판 되는 고습윤성 omafilcon A 콘택트렌즈 1종을 함께 사용하여 총 9종을 사용하였다. 콘택트렌즈의 물리적 특성을 측정하기 위해 접촉각과 인장강도는 측정이 용이하도록 필름형태로 제작하였으며 함수율과 굴절 률 측정을 위해 일반 콘택트렌즈 형태로 제작하였다.
시료 제작을 위해서 콘택트렌즈는 콘택트렌즈 전 용 성형틀을 사용하였으며, 필름은 0.5mm 두께의 실 리콘틀을 이용하였다. 고분자 중합은 각각의 성형틀 에 Table 1에 제시한 구성비로 단량체를 혼합한 다음 80℃에서 2시간, 100℃에서 1시간씩 가열하여 진행 하였으며, 모든 시료의 중합 조건은 동일하게 진행하 였다.
각 시료의 시료명은 HEMA만 넣은 것은 HEMA로 명명하였으며, 기본 HEMA에 MPC가 포함된 것은 HM, MPC와 PEGMA가 포함된 시료는 HMP, PEGMA가 포함된 시료는 HP로 명명하였다. 또한 HEMA에 styrene을 혼합하여 함수율을 낮추었을 때 의 MPC와 PEGMA가 물리적 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 HEMA와 styrene이 포함된 시료에 MPC와 PEGMA를 각각 혼합하여 HS, HSM, HSP, HSMP 등으로 각각 나타내었다.
단량체 구성비에 대한 물리적 특성 변화를 비교해 보기 위하여 HEMA를 제외한 모든 단량체는 Table 1 에 주어진 바와 같이 각각 5%로 고정시켰다. FDA 분 류기준 II그룹에 속하는 시판용 omafilcon A는 HEMA와 PC(phosphorylcholine)를 주 구성성분으 로 되어 있으며 강한 수분 유지력을 가지고 있는 콘 택트렌즈이다.
3. 물리적 특성 측정
함수율은 ISO 18369-4:2006의 gravimetric method를 사용하여 측정하였다. 제작한 콘택트렌즈 를 실온에서 표준생리식염수인 PBS 완충용액 (Phosphate buffer saline)에 24시간 담가 두었다가 무게를 측정하고(Wswell), 100℃에서 16시간 동안 건 조 후 무게(Wdry)를 측정하여 아래 식으로 계산하였 다. 본 연구에 제시된 모든 실험값은 한 시료 당 10회 측정하여 평균한 값으로 나타내었다.
굴절률은 ISO 18369-4:2006(Ophthalmic optics- Contact lenses-Part 4: Physicochemical properties of contact lens materials, 4.5. Refractive index)을 기준으로 측정하였다. 굴절률 측정은 콘택트 렌즈를 PBS용액에 24시간 담가 두었다가 ABBE 굴절 계(ATAGO NAR IT, Japan)를 이용하였다.
인장강도 측정은 0.5mm 두께로 제작한 필름을 PBS용액에 24시간 담가 두었다가 표면의 수분을 제 거한 상태에서 측정하였다. Omafilcon A는 필름형태 가 아닌 시판되는 콘택트렌즈를 그대로 수분만 제거 하여 측정하였다. 인장강도는 시료의 양끝을 고정시 킨 상태에서 잡아당겨서 시료가 파단이 날 때까지 가 해진 힘을 시료의 단면적으로 나눈 값으로 구하였으 며. 인장강도의 측정은 컴퓨터식 만능시험기 (ORIENTAL, OTT-002, KOREA)를 이용하였다. 접 촉각은 습윤성 정도를 파악하는 가장 좋은 방법으로 서 sessile drop method로 측정하였으며, 상온에서 순수한 증류수 5㎕를 시료의 표면에 떨어뜨려 생성된 각을 사용하였다. 측정장치는 독일 KRUSS사의 DSA100를 사용하였으며 측정방법은 한 시료 당 10개 의 필름을 사용하였으며, 1개의 필름당 10초 동안 50 회를 측정하여 평균한 값으로 접촉각을 구하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 함수율
콘택트렌즈의 함수율은 유연성 및 착용감과 관련 되기 때문에 중요한 물리적 특성 중의 하나로 들 수 있다. 본 연구는 HEMA를 기본으로 MPC, PEGMA의 단량체를 포함한 시료들과 HEMA와 styrene을 기본 으로 MPC와 PEGMA를 포함한 시료들로 구별하여 살펴보았다. 단량체들의 구성비에 따른 함수율 값을 Table 2와 Fig. 3에 나타내었다.
하이로드겔 콘택트렌즈에서 기본 단량체인 HEMA 만 사용한 시료는 함수율이 34.42%, MPC가 포함된 HM은 38.90%, 그리고 PEGMA가 포함된 HP는 34.42%로 나타났다. MPC가 포함되면 함수율이 4.48% 증가하였으나 PEGMA가 포함된 시료에서는 HEMA와 함수율이 동일하게 나와 변화가 전혀 없었 다. 한편 MPC와 PEGMA를 함께 사용하였을 때는 함 수율이 39.18%로 가장 높게 나타났으며 HEMA만 사 용했을 때보다 함수율이 4.76% 증가하였다.
MPC가 포함된 렌즈에서 함수율이 증가한 것으로 나타난 것은 MPC가 양성이온(Zwitter ion)을 지닌 화학구조를 가지고 있기 때문에 수분을 강하게 흡수 하여 습윤제 역할을 한다는 기존의 연구 결과와 일치 한다고 볼 수 있다.16) 반면 PEGMA는 콘택트렌즈의 함수율 증가에 거의 기여하지 못하였다. MPC와 PEGMA를 함께 사용하였을 때에는 PEGMA가 함수 율 증가에 시너지 효과를 나타낸 것으로 판단된다.
Styrene이 혼합된 HS는 26.75%로 HEMA보다 7.67% 낮게 나왔으며, 전체 시료 중 가장 낮은 함수 율을 나타내었다. Styrene이 포함된 다른 시료 즉, HSM, HSP, 그리고 HSMP 시료에 대한 함수율은 각 각 31.85%, 26.81% 그리고 32.26%로 나타났다. Styrene이 포함될 경우, 동일함량의 단량체가 포함 된 시료라도 함수율이 HEMA보다 각각 2.57%, 7.61% 그리고 2.16% 가량 감소하였다. Omafilcon A 는 함수율 60%의 고함수 콘택트렌즈로서 널리 알려 져 있으며, 본 연구에서도 Table 2에서 보는 바와 같 이 62.51%의 함수율을 보이고 있다.
2. 굴절률
굴절률은 재료의 광학적 특성을 나타내는 중요한 특성으로 콘택트렌즈의 굴절력에 영향을 미치며, 고 굴절률 하이드로겔은 콘택트렌즈의 두께를 감소시킬 수 있으며 착용감에도 기여하고 있다.
각 시료의 굴절률을 측정한 결과를 Table 3과 Fig. 4에서 살펴보면 기본 HEMA와 HP는 비슷한 1.440과 1.442로 나타났으며, HM과 HMP는 1.425와 1.424로 서로 비슷한 굴절률을 보였다. Styrene이 포함된 시 료의 경우, HS에서의 굴절률은 1.461로 HEMA보다 0.021만큼 높게 나타났으며, MPC와 PEGMA가 포함 된 HSM과 HSP는 각각 1.450과 1.460으로 나타나 styrene이 포함되지 않았을 때 보다 0.015, 0.018만 큼 높게 나타났다. 그리고 MPC와 PEGMA 둘 다 5% 씩 포함된 HSMP 시료는 1.449로 나타났다. 한편 omafilcon A는 가장 낮은 1.387의 굴절률을 나타내 었다.
굴절률은 굴절력에 연관되는 물리적 특성이며 일 반적으로 함수율이 큰 시료는 굴절률이 낮게 나타난 다. 본 연구에 사용한 시료 중 함수율이 높은 HM과 HMP는 굴절률이 낮게 나타났으며, omafilcon A의 경우에서도 함수율은 가장 높고 굴절률은 가장 낮게 나타났다.
Styrene을 포함하여 함수율이 낮아진 렌즈는 styrene이 포함되지 않은 렌즈보다 굴절률이 높게 나 타났다. 이는 styrene이 굴절률을 상승시키는 좋은 단량체임을 확인할 수 있었다. Styrene은 굴절률을 현저히 증가시키는 경향을 나타내며 styrene을 이용 한 고 굴절률 콘택트렌즈의 제조가 가능한 것으로 판 단된다.
3. 탄력성
하이드로겔의 탄력성은 인장강도의 값으로 확인할 수 있으므로 각 시료들의 탄력성을 평가하기 위하여 필름형태로 제작한 하이드로겔에 대한 인장강도를 측정하였으며 그 결과는 Table 4와 Fig. 5에 나타내 었다.
HEMA의 인장강도는 1.742g/mm2이며 HM, HP 그 리고 HMP시료에서는 각각 1.288g/mm2, 1.096g/mm2 그리고 0.837g/mm2로 나타났다. 인장강도 크기는 HEMA- HM-HP-HMP 순서로 점차 감소하였다. 가 장 낮은 인장강도를 나타내는 HMP와 기본 HEMA 시 료와는 0.905g/mm2의 차이를 보여 거의 두 배 이상의 차이를 보였다. 한편 Styrene이 포함된 시료의 인장강 도 결과를 살펴보면, HS는 2.807g/mm2로 HEMA보다 1.065g/mm2 만큼 높은 값으로 총 시료 중에서 가장 높은 값을 나타내었다. Styrene과 MPC와 PEGMA를 첨가한 HSM과 HSP 그리고 HSMP의 경우, 각각 1.820g/mm2, 1.950g/mm2 그리고 1.702g/mm2의 값 을 나타내었으며 인장강도 크기는 HS-HSP-HSMHSMP의 순서대로 감소하였다. 굴절률과 마찬가지로 인장강도의 경우에서도 styrene이 포함된 시료가 포함 되지 않은 시료보다 훨씬 높은 값을 보였다.
본 연구에서의 인장강도 값은 styrene이 포함된 시료와 포함되지 않은 시료 간에 뚜렷이 구별된다. HSMP를 제외하고는 저함수 고굴절률 특성을 지닌 styrene이 포함된 시료의 인장강도는 그렇지 않은 시 료에 비해 매우 높은 인장강도를 나타내며, HM을 비 롯한 HP, HMP 등은 인장강도가 HEMA에 비해 매우 낮은 값을 보였다. Styrene을 포함하는 시료는 그렇 지 않은 시료에 비해 인장강도가 커서 콘택트렌즈의 내구성을 증가시키는데 활용할 수 있을 것이다. 일반 적으로 함수율이 높으면 인장강도가 떨어지는 경향성 을 보인다. MPC가 포함된 시료인 HM, HMP와 HSM, HSMP를 살펴보면, 함수율과 굴절률은 비슷하 나 인장강도에서는 HM과 HSM이 더 높은 값을 나타 낸다. PEGMA를 포함한 HP는 HEMA와 같은 함수율 을 가지고 있으나 인장강도는 현저히 떨어지며, HM 과 비교하였을 때에도 함수율은 작지만 인장강도는 작게 나타났다. 이와 같은 결과는 PEGMA의 경우 함 수율 변화가 없고 인장강도는 떨어뜨리는 효과가 있 는 것으로 판단된다. 그리고 PEGMA보다 MPC가 인 장강도를 높이는 효과가 더 많다는 것을 알 수 있다.
4. 습윤성
시료에 대한 습윤성을 평가하기 위하여 접촉각을 측정하였으며 Table 5에 측정값을 나타내었다. Sessile drop 방법으로 측정한 HMP와 HSMP의 drop 이미지를 Fig. 6에 나타내었으며, HSMP시료의 실시간 측정 접촉각은 Fig. 7에 나타내었다. Table 5 에서 보듯이 HEMA는 83.375°, HS와 HMP는 각각 73.385°로 나타났으며, 9종의 시료 중에서 HMP가 가장 접촉각이 낮은 것으로 나타나 습윤성이 좋다는 것을 알 수 있다. 습윤성이 좋은 콘택트렌즈는 눈에 착용 시 탈수화를 감소시키고, 눈물 퇴적물이 적게 발생하는 경향을 나타낸다.17) Styrene이 포함된 시료 는 포함되지 않은 시료에 비해 접촉각이 크게 나타났 으며 HSMP의 경우, 접촉각이 89.575°로 매우 높은 값으로 확인되었다. Omafilcon A는 접촉각이 88.183°으로 나타났다. Styrene이 포함되지 않은 시 료에서 접촉각은 HEMA-HM-HP-HMP의 순서로 감 소하였으며 HMP가 가장 접촉각이 적어서 습윤성이 좋다는 것을 알 수 있다.
일반적으로 작은 접촉각은 습윤성이 높고 큰 접촉 각은 낮은 습윤성을 나타내며, 접촉각 90°를 기준으 로 소수성과 친수성으로 분류된다. 본 연구에 사용한 모든 시료는 90°이내로서 친수성임을 확인하였다. 습윤성은 함수율에 비례하여 증가하지만 함수율의 증 가는 기계적 강도의 약화와 단백질 부착 등의 단점이 제기되기 때문에 습윤성 향상을 위한 함수율의 증가 는 한계가 있다. 본 연구에서의 HP는 HEMA와 함수 율이 같으나 접촉각은 약 7°작아지며, HMP는 HM 과 함수율이 같지만 접촉각은 약 7°가량 작아짐을 확인하였다. 이것은 MPC와 PEGMA가 함께 존재하 면 각각 따로 존재하는 것보다 습윤성이 좋아진다는 것을 알 수 있었다. 그리고 styrene이 존재하는 HS, HSM, HSP시료는 함수율이 HEMA보다 작음에도 불 구하고 접촉각이 작게 나타났으며 HSMP는 예외적으 로 MPC와 PEGMA가 함께 존재하여도 접촉각이 작 아지지 않음을 알 수 있다. 함수율과 습윤성이 좋다 고 널리 알려진 omafilcon A의 접촉각은 88.18°로 본 연구에서 시용한 시료들과 비교해서 접촉각이 상 당히 높게 나타나는 결과를 볼 수 있었다. 이로써 MPC와 PEGMA를 도입한 콘택트렌즈들의 습윤성이 우수함을 알 수 있었다.
Ⅵ. 결 론
HEMA를 비롯해 MPC, PEGMA, styrene으로 구성 된 하이드로겔 콘택트렌즈를 공중합하여 콘택트렌즈 의 기본 물성인 함수율, 굴절률, 인장강도, 접촉각 등 을 측정하여 비교 분석하였다. MPC를 첨가 시 함수율 은 증가하고 접촉각과 인장강도는 감소하였으며, PEGMA 첨가 시 함수율, 굴절률의 변화가 거의 없었 으며 접촉각과 인장강도는 감소하였다. MPC와 PEGMA를 함께 첨가 시 최고의 함수율과 최저의 접촉 각을 나타내었으나 인장강도가 약함을 알 수 있었다. 하이드로겔 렌즈에 MPC와 PEGMA 단량체를 도입할 경우, 기본적인 콘택트렌즈의 물성을 만족함과 동시 에 함수율의 증가와 습윤성이 증가됨을 확인하였다.
