Ⅰ. 서 론
정보화 사회의 발달로 컴퓨터, 태블릿 PC, 스마트폰 등 의 IT 기기를 통하여 입수하는 정보의 양이 급격하게 증가 하고 있고,1) 영상화면단말기(visual display terminal, VDT)의 대중적인 사용으로 그와 연관하는 근거리작업 시 눈의 안정피로에 대한 관심이 점차 증대되고 있다.2) 근거 리 작업으로 인해 모양체근의 긴장이 지속되어3) 흐려진 원거리와 근거리 시력, 복시, 안구건조, 이물감 등의 증상 이 나타나며 이는 굴절이상, 사위도, 안정피로를 야기한 다.2) 굴절이상 인구가 늘어남에 따라 안경이나 콘택트렌 즈의 재질 개발과 시력교정술 등의 교정 방법이 새로운 기술로 인해 많은 발전을 거듭해왔다. 특히, 콘택트렌즈 는 편리성과 미용 상의 장점뿐만 아니라 다양한 재질의 기능성 제품이 출시되면서 시력교정 수단 면에서 그 비중 이 크게 증가하면서 사용자가 꾸준히 증가하고 있다.4,5)
콘택트렌즈를 착용하면 렌즈 표면에 눈물 속에 포함된 단백질, 지방, 점액, 칼슘 등의 침전물이 부착된다.6) 이는 콘택트렌즈의 습윤성 저하, 착용감 저하, 시력 저하, 염증 질환, 세균 감염, 렌즈의 변색 등의 부작용을 발생시킬 수 있으며,6,7) 단백질 침전물은 심한 경우 결막유두, 상안검 결 막 충혈 및 윤부 충혈 등을 유발시킬 수 있다.8) 이와 같은 콘택트렌즈 사용자들에게 나타나는 부작용을 최소화하기 위 하여 습윤성 향상, 단백질 침착 억제, 항균성을 위해 하이드 로겔이나 실리콘하이드로겔 콘택트렌즈에 당쇄(glycan)를 첨가하는 연구들이 진행되고 있다.9-11)
최근 단백질 흡착을 최소화할 수 있는 생체 모방형 콘 택트렌즈 재질 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있 으며,12) 단백질 침전물 저항성 콘택트렌즈에서 사용되는 당쇄 고분자로는 히알루론산(Hyaluronic acid),13) 키토 산(Chitosan)14) 등이 있다.
Beek 등15)에 의하면 콘택트렌즈에 히알루론산을 가교 (crosslink)한 렌즈가 단순히 히알루론 용액에 담가둔 렌 즈에 비해 더 높은 단백질 저감 효과가 나타남을 제시하면 서 렌즈 표면에 히알루론이 결합되어 있을 때 그 효과를 극대화할 수 있다고 주장하였으나, 첨가한 당쇄 고분자에 의한 렌즈의 낮은 광학적 투명도를 문제점으로 제시하였 다. Lim 등16)은 당쇄의 일종인 키토산을 하이드로겔 콘택 트렌즈에 interpenetrating polymer networks(IPN) 방 법으로 결합시켜 90% 이상의 광투과율과 친수성 향상, 단백질 흡착 감소 등의 기능성을 확보한 콘택트렌즈를 제조하였다.
IPN은 물리적인 얽힘에 의해 다른 특성이나 기능을 가진 두 개 이상의 고분자 물질을 안정적으로 고정시키 는 방법이다.17) 이러한 고분자의 얽힘은 소수성과 친수 성 중합체가 서로 상분리 없이 좋은 혼화성과 치수안정 성을 갖도록 할 수 있는 장점이 있다.18)
콘택트렌즈에 의한 부작용은 대부분 변형된 단백질에 의해 시작되는 것으로 알려져 있으며, 누액에 존재하는 활성산소는 단백질의 산화 및 변형을 가속화시킨다. 항 산화 기능을 보유한 콘택트렌즈를 착용하면 단백질 변형 을 억제할 수 있고, 이에 따라 콘택트렌즈 표면의 항상 성을 유지하게 됨으로써 렌즈의 수명을 연장할 수 있을 것으로 생각할 수 있다.
항산화 기능을 가진 물질이란 활성산소나 반응성이 높 은 자유라디칼 등 산화력이 강한 물질을 억제하는 능력을 갖춘 물질을 일컫는데, 일반적으로 가장 널리 알려진 항 산화 물질은 폴리페놀류 화합물이다.19) 이 화합물은 이들 에 포함된 페놀성 하이드록실기(-OH)에 의한 활성산소 와 자유라디칼의 제거 작용 때문에 항산화 기능을 갖게 된다. 오래전부터 화장품이나 의약품 분야에 폴리페놀이 함유된 천연소재를 활용한 다양한 노화방지 등 항산화 제 품이 개발되고 있으나 콘택트렌즈에는 아직 적용된 사례 는 없다. 폴리페놀 유도체중 갈릭산(gallic acid)은19) 식 물의 각 부분에 널리 유리상태로 존재하며, 화학구조식은 Fig. 1과 같다. Shahrzad 등20)과 Krizkova 등21)은 갈 릭산의 벤젠고리에 붙어 있는 수산기(-OH), 카르복실기 (-COOH), 메톡시기(-OCH3)와 같은 작용기에 의해 항산 화작용이나 항돌연변이 기능을 갖는다고 보고하고 있다.
이처럼 콘택트렌즈에 당쇄나 갈릭산과 같은 생체모방 형 고분자나 천연고분자를 활용하여 기능성을 부여하는 연구가 활발히 진행하고 있으나, 이들 물질의 크기와 고 분자 특성 때문에 첨가과정에서 나타나는 상분리 현상이 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
본 연구에서는 항산화 기능성의 대표적 폴리페놀계 화 합물인 갈릭산을 활용하여 갈릭산을 효과적으로 고정하는 방법을 제시하고, 갈릭산이 포함된 하이드로겔 콘택트렌 즈의 물리적 특성과 항산화 효율을 조사하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 시약 및 재료
하이드로겔 콘택트렌즈 제조는 HEMA(2-Hydroxyethyl methacrylate, Junsei, Japan), NVP (N-vinyl pyrrolidone, Junsei, Japan), 중합개시제인 AIBN(azobis isobutyronitrile, Junsei, Japan)과 가교제인 EGDMA (ethylene glycol dimethacrylate, Sigma Aldrich, USA)를 사용하였다. 렌즈에 갈릭산을 첨가하기 위해 하 이드로겔 렌즈에 키토산을 우선 첨가하였다. 사용된 키토 산은 분자량이 다른 두 종류의 Chitosan(Cs)(M.W. 100~ 300 kDa, 600~800 kDa, Acros Organics, USA)을 사 용하였다. 갈릭산(Gallic Acid)은 Sigma Aldrich에서 구입 하여 사용하였다. IPN(Interpenetrating polymer network) 과정에는 PEI(Polyethylenimine, Sigma Aldrich, USA) 와 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide, Sigma Aldrich, USA) 등의 시약을 사용하였다.
2. 실험 방법
1) 콘택트렌즈 제조
콘택트렌즈 제조에 사용된 HEMA는 회전감압농축기 (RV-10B, IKA, China)로 진공 증류하여 불순물과 중 합방지제(hydroquinone)를 제거한 후 사용하였다. 하이 드로겔 콘택트렌즈를 제조하기 위해 HEMA, EGDMA, AIBN과 NVP로 구성된 각각의 모노머를 Table 1과 같 은 비율로 혼합 후 교반기(MS-2026, MISUNG S&I, Korea)를 이용하여 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 콘택 트렌즈의 제조는 cast mold 방식을 사용하였으며, 90℃ drying oven(HST-501S, Hanst, Korea)에서 6시간 동안 열중합하였다. 렌즈 제조에 사용된 모노머와 기능 성 부여를 위해 첨가된 키토산과 갈릭산 등의 렌즈 구성 성분에 따른 시료명을 Table 2에 나타내었다.
2) Gallic Acid(GA) 첨가
본 연구팀에서는 최근 하이드로겔 콘택트렌즈에 다당 류의 일종인 키토산을 첨가하여 단백질 흡착 저감 기능 을 가진 기능성 하이드로겔 콘택트렌즈의 제조과정에 대 해 발표하였다.16)
키토산은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 아민(- NH2 ) 그룹을 포함하고 있으며, 갈릭산에는 카르복실(-COOH) 그룹을 포함하고 있다. 본 연구에서는 두 그룹의 축합중 합반응에 의한 아마이드(amide) 결합을 통하여 갈릭산 을 렌즈에 고정하였다. 이를 위해 우선 제조된 하이드로 겔 콘택트렌즈에 키토산을 IPN 방법(Fig. 3)으로 보고 된 방법과 동일하게 첨가하였다16).
갈릭산의 첨가는 IPN 방법에 의해 키토산이 첨가된 하 이드로겔 콘택트렌즈를 N,N-Dimethylformamide(DMF) 수용액에 4일 동안 상온에서 유지한 후 GA 0.17 g/mL 과 EDC 0.017 g/L, NHS(N-Hydroxysuccinimide, 0.01 g/L) 수용액에서 24시간 동안 유지하였다. 반응을 종료시킨 후 증류수에 72시간 동안 유지하였으며, 이 과 정에 대한 모식도를 Fig. 4에 나타내었다.
3. 분석
1) 함수율(Water content)
함수율 측정은 시료를 0.9%의 NaCl 생리 식염수에 24시간 동안 수화시키고, 90℃ oven에서 1시간 동안 건조시킨 후 중량법(gravimetric method)을 이용하여 3회 측정한 후 평균값을 사용하였다.
2) 광 투과율(Optical transmittance)
건조상태의 제조된 하이드로겔 콘택트렌즈를 Shimadzu 사의 UV-1650pc를 이용하여 300~800 nm 파장 범위 에서 광 투과율을 측정하였다.
3) 갈릭산의 정량 정성 분석(Quantitative and qualitative analysis of gallic acid)
키토산에 화학결합된 Gallic Acid(GA)의 확인은 FTIR 5700을 사용하였다. 렌즈에 결합된 GA 양은 UVvis spectrometer(UV-2401 PC, Shimazu)를 이용하 여 298 nm에서 흡광도를 측정하여 정량하였다.
4) 항산화 효과(antioxidant activity)
렌즈의 항산화 효과는 잘 알려진 DPPH(1,1-diphenyl- 2-picryl hydrazyl) assay를 활용하여 측정하였다.22) DPPH는 0.2 mM 에탄올 용액을 제조하여 사용하였다. GA가 첨가된 시료 렌즈와 대조군으로 사용한 순수한 하 이드로겔렌즈를 20 mL 갈색 바이알(vial)에 각각 넣고 0.2 mM DPPH 용액 2.7 mL를 첨가하였다. 상온에서 20분 동 안 유지한 후 시료와 대조군 용액의 흡광도(absorbance or optical density(OD))를 515 nm에서 측정하여 라디칼 억제율(radical inhibition, %), 즉 렌즈의 항산화 효과 를 측정하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 함수율
실험에 사용된 3종류의 하이드로겔 콘택트렌즈에 대 한 함수율 값을 Table 3에 나타내었다. 순수한 하이드 로겔 콘택트렌즈(Hy)에서는 50.5±1.2%, 낮은 분자량의 키토산을 함유한 렌즈에 갈릭산이 고정된 하이드로겔 콘 택트렌즈(Hy-CL-GA)에서는 52.4±0.7%, 상대적으로 높은 분자량의 키토산을 함유한 렌즈에 갈릭산이 고정된 하이드로겔 콘택트렌즈(Hy-CH-GA)에서는 55.6±0.6% 의 함수율을 각각 나타냈다.
본 연구에서는 NVP와 같은 친수성 단량체를 사용하였 기 때문에 순수한 하이드로겔 콘택트렌즈에서도 50%가 넘는 높은 함수율을 나타냈으며, 이는 고함수 소프트콘택 트렌즈에 해당한다. 또한, 순수한 하이드로겔 콘택트렌즈 보다 키토산과 갈릭산이 첨가된 하이드로겔 콘택트렌즈에 서 함수율이 더 높게 나타났다. 이는 이들 화합물에 포함 된 친수성 작용기(-OH, -COOH)가 함수율 증가를 유도 한 것으로 분석할 수 있으며, 분자량이 큰 키토산을 첨가 한 렌즈(Hy-CH-GA)의 함수율이 순수한 렌즈에 비해 5% 이상 증가한 결과도 같은 이유로 설명된다.
1) 광 투과율
제조한 3 종류의 콘택트렌즈에 대한 광 투과율을 300~ 800 nm에서 측정하여 Fig. 5에 나타내었다. 순수한 렌 즈와 키토산과 갈릭산이 첨가된 렌즈 모두에서 90% 이 상의 광 투과율을 보였다. 이는 ANSI Z80.20 규격에서 지정한 콘택트렌즈의 광 투과율 88% 보다 높게 나타나 콘택트렌즈로써 사용에 문제가 없는 것으로 판단되었다. 이와 같은 결과는 첫째로 고분자 키토산이 IPN 방법에 의해 효과적으로 HEMA 기반의 콘택트렌즈와 잘 결합 하였고, 다음 여기에 첨가한 갈릭산과 키토산의 화학결 합이 잘 이루어져 상분리 없이 투명한 렌즈를 생성한 것 으로 볼 수 있다.
2) 갈릭산의 정량 정성 분석
콘택트렌즈에 갈릭산을 첨가하기 위해 키토산이 첨가 된 콘택트렌즈를 활용하여 키토산의 아민(amine: –NH2) 그룹과 갈릭산의 카르복실(carboxyl: -COOH) 그룹 간 의 아마이드(amide) 결합(- CONH - )을 유도하였다. HEMA 기반의 하이드로겔 콘택트렌즈에 키토산의 첨가 는 이미 보고한 바와 같이 IPN 방법을 이용하여 성공적 으로 수행하였으며,16) 키토산과 갈릭산 간의 아마이드 결합을 확인하기 위해 FT-IR을 측정하여 Fig. 6에 나타 냈다. 갈릭산이 첨가된 두 샘플 렌즈(Fig. 6(b): Hy-CL -GA, Fig. 6(c): Hy-CH-GA)에서 아마이드 결합의 특 징적인 NH 결합의 bending mode로 생각되는 1,650~ 1,580 cm-1 근처에서 새로운 peak가 생성된 사실로 부터 키토산과 갈릭산 간의 결합을 확인할 수 있었다.
콘택트렌즈에 항산화기능을 부여하기 위해 도입한 갈 릭산의 양은 UV-Vis spectrophotometer를 이용하여 정량하였다. Fig. 7(a)에 Hy-CL-GA와 Hy-CH-GA 렌즈에서 측정한 흡광도 결과를 나타내었다. 각각의 곡 선은 3회씩 측정한 후 평균한 값을 사용하였다. 갈릭산 의 벤젠고리에 의해 나타난 흡광도를 298 nm에서 측정 하여 갈릭산을 정량하였으며, 이를 위해 갈릭산 표준물 질의 농도에 따른 흡광도 변화를 측정한 표준화곡선을 작성하여 사용하였다(Fig. 7(b)). 콘택트렌즈의 두께를 무시하고 Hy-CL-GA와 Hy-CH-GA 렌즈 표면에 결합 된 GA의 양은 각각 0.30, 0.37 mmol/cm2 이었으며, 고분자의 키토산이 첨가된 Hy-CH-GA 렌즈에 더 많은 갈릭산이 결합된 것을 알 수 있었다. 이와 같은 이유는 분자량이 더 큰 고분자의 키토산이 첨가된 렌즈에 더 많 은 아민(amine) 그룹이 존재하고, 따라서 갈릭산의 카 르복실 그룹과의 아마이드(amide) 결합이 더 많이 생성 되었음을 의미하며, 이는 두 렌즈에서 나타난 함수율 변 화 경향과 일치한다.
3) 항산화효과
본 연구에서는 항산화 작용을 하는 폴리페놀의 한 종류 인 갈릭산을 하이드로겔 콘택트렌즈에 첨가하고자 하였 다. 일반적으로 항산화 효과란 산화를 유발하는 활성산소 나 자유라디칼의 억제 능력을 말한다.23) 따라서 항산화 기능을 가진 하이드로겔 콘택트렌즈란 렌즈 주변에 산화 를 일으키는 불안정한 자유라디칼(radical)을 얼마나 제 거할 수 있는가로 평가할 수 있다. 콘택트렌즈에 첨가된 갈릭산에 의한 라디칼의 제거 메카니즘을 살펴보면 갈릭 산에 있는 두 개의 H 원자가 주변에 있는 자유라디칼과 결합하게 되고, 갈릭산은 diketone을 생성하면서 안정화 된다. 결과적으로 갈릭산 1개당 활성화된 2개의 자유라디 칼이 제거되면서 항산화 효과가 나타나게 된다. 이와 같 은 항산화 과정의 메카니즘을 Fig. 8에 나타내었다.
갈릭산을 고정한 두 종류의 렌즈에서 항산화 효과를 살펴보기 위해 라디칼 소거능을 측정하여 Fig. 9에 나타 냈다. 갈릭산을 함유하지 않은 순수한 Hy에서는 라디칼 억제율이 전혀 없는 것으로 나타났다. 반면에 GA를 첨 가한 Hy-CL-GA에서는 48.23%, Hy-CH-GA에서는 58.32%로 나타나 GA에 의한 높은 항산화 기능을 확인 할 수 있었다. 특히, 고분자의 키토산과 갈릭산이 결합 된 렌즈에서 자유라디칼 억제율이 10% 이상 증가함을 보여 렌즈에 결합된 갈릭산의 양에 따라 항산화 효과가 영향을 받음을 확인할 수 있었으며, 이는 GA의 정량분 석 결과나 함수율의 결과와도 일치한다.
Ⅳ. 결 론
키토산과 갈릭산을 활용하여 광 투과율과 함수율이 높 고 항산화 효과를 가진 기능성 하이드로겔 콘택트렌즈를 제조하였다. 렌즈에 결합된 갈릭산의 양은 Hy-CL-GA 와 Hy-CH-GA에서 0.30, 0.37 mmol/cm2 이었다. 광 투과율은 갈릭산을 첨가한 렌즈에서도 90% 이상으로 나 타났다. 함수율은 하이드로겔 렌즈(Hy)에서보다 고분자 의 키토산을 사용한 렌즈(Hy-CH-GA)에서 약 5% 더 높 은 55.60%를 기록하였으며, 항산화 효과는 Hy-CL-GA 에서 48.23%, Hy-CH-GA에서는 58.32%로 고분자 키 토산에 갈릭산이 첨가된 렌즈에서 더 높게 나타났다. 갈 릭산은 하이드로겔 렌즈에 첨가된 키토산과 amide bonding을 통하여 상분리 없이 결합함을 확인할 수 있 었고, 렌즈에 결합된 갈릭산의 양이 증가함에 따라 함수 율과 항산화 효과가 증가함을 알 수 있었다. 콘택트렌즈 에 다당류와 폴리페놀류의 화합물을 첨가하는 방법을 제 시함으로써 단백질 억제, 습윤성 향상, 항산화 기능 등 을 함유한 다기능성 렌즈 제조에 기여할 것으로 본다.