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ISSN : 1229-6457(Print)
ISSN : 2466-040X(Online)

The Korean Journal of Vision Science Vol.22 No.4 pp.419-424
DOI : https://doi.org/10.17337/JMBI.2020.22.4.419

Synthesizing of Blue-light Blocking Polymeric Materials and Manufacturing Contact Lenses

Geun-Chang Ryu

, Cheol-Woo Lee

, Eun-Sun Seo*

Dept. of Optometry and Optic Science Dongshin University, Professor, Naju

^*Address reprint requests to Eun-Sun Seo Dept. of Optometry and Optic Science Dongshin University, Naju TEL: +82-61-330-3555, E-mail: eunsun111@hanmail.net

Received November 19, 2020 Review December 24, 2020 Accepted December 24, 2020

Abstract

Purpose :

Blue-light blocking polymers were synthesized and interpenetrated into the hydrogel contact lenses. The water contents and blue-light blocking properties of the resultant contact lenses with varying amounts of the blue-light blocking polymers were investigated and compared to that of the unmodified control.

Methods :

Polyethyleneimine (PEI) was covalently conjugated with blue-light adsorbing reactive dyes (Procion Yellow MX8G) via a nucleophilic substitution reaction and incorporated into the hydrogel contact lenses. The blue-light blocking properties of the hydrogel lenses were investigated using UV-vis spectrophotometry.

Results :

The blue-light adsorbing reactive dyes were successfully conjugated to the PEI and well incorporated into the hydrogel contact lenses. The resultant contact lenses exhibited good blue-light blocking properties according to the results of the UV-vis spectra investigation. Furthermore, we confirmed that the blue-light adsorbing dyes were not eluted from the contact lenses after extensive washings for 3 days.

Conclusion :

This report describes the synthesis and characterization of a series of hydrogel contact lenses containing blue-light blocking polymers. The hydrogel contact lenses showed good water contents and a transmittance of over 90% in the range of 450~700 nm. In particular, the blue-light blocking properties at the range of 380~450 nm were enhanced significantly as the increment in the amount of incorporated blue-light blocking polymers. The preparation of blue-light-blocking contact lenses may offer a new opportunity for the development of biomedical ophthalmic devices.

Key Words : Blue-light , Contact Lens , Hydrogel , Polyethyleneimine , Reactive dyes

청색광 흡수 고분자 소재 합성 및 콘택트렌즈 제조

유 근창, 이 철우, 서 은선*

동신대학교 안경광학과, 교수, 나주

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Cited-By

Funding:

Ⅰ. 서 론

가시광선은 파장이 380~780 nm에 해당하며, 이중 380~450 nm에 해당하는 짧은 파장의 영역은 청색광으 로 분류되고 있다. 가시광선 중 파장이 가장 짧기 때문 에 고에너지를 가지고 있으며, 청색광에 대한 노출은 시 세포에 악영향을 주며, 안구 내 단백질의 산화손상을 일 으키고 있다.^1-4) 또한, 청색광은 산란성이 크기 때문에 망막에 맺히는 상의 질을 저하시키며, 높은 굴절률로 인 해 색수차가 발생되어 눈의 피로감과 눈부심을 증가시킬 수 있다. 최근 들어, 스마트폰, 태블릿, 컴퓨터, TV 등 과 같이 디스플레이 화면을 밝게 표현하기 위해 사용되 는 광원에는 태양광이나 형광등보다 청광의 비율이 훨씬 높기 때문에, 시력저하나 눈부심, 피로감, 두통 등이 가 중되고 있다. 이에, 안구보호를 위해 안경, 보안경 등의 안광학기기에 청색광차단 기능이 적용되고 있다.

최근 들어, 시력교정용 하이드로겔 콘택트렌즈의 사 용이 늘어나고 있으며, 시력교정 외에 칼라 콘택트렌즈 는 미용을 목적으로 사용되며 국내외에서 큰 인기를 끌 고 있다. 최근에는 안구건강을 위한 기능성 렌즈의 개발 이 활발히 진행되고 있다. 약물전달 렌즈, 질병진단 렌 즈, 자외선차단 렌즈 등 헬스케어를 위한 다양한 기능성 하이드로겔 콘택트렌즈들이 개발되고 있다.^5-9) 하지만, 청색광차단 기능을 갖는 하이드로겔 콘택트렌즈의 개발 과 양산은 아직 미흡하며, 대중화된다면 착용자의 안구 건강을 크게 증진시킬 것으로 기대된다. 일반적인 하이드 로겔 콘택트렌즈는 여러 가지의 친수성 단량체들이 가교 제와 중합된 뒤에 물을 흡수하며 3차원적 고분자 네트워 크를 형성하면서 안정된 형태를 유지시키며 제조된다. 가 장 일반적으로 주로 사용되는 단량체는 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA)이며, 습윤성을 증가시키기 위해 N,N-dimethylacrylamide (DMA), N-Vinylpyrrolidone (NVP) 등의 친수성 단량체들이 추가될 수 있으며, 가교 제인 ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA)와 중 합되어 하이드로겔 콘택트렌즈로 사용되고 있다.^10,11) 중 합된 poly(HEMA) 하이드로겔 렌즈는 수분을 수십 wt% 함유하여 유연할 뿐만 아니라, 3차원적인 형태 구조를 잘 유지하여 각막에 큰 자극을 주지 않으면서 저렴하여 가장 많이 사용되고 있다.

청색광차단 소재를 위의 언급된 단량체들과 조합되어 렌즈로 제조되어 용출되지 않으려면 크기 2가지 방법으 로 적용될 수 있다. 첫 번째는 methacrylate나 acrylate 등의 중합기가 연결된 청색광차단 단량체를 HEMA, EGDMA 등과 공중합 시켜 렌즈를 제조하는 방법이 있 다. 이 경우, 청색광차단 단량체를 신규 합성하는데 어 려움이 있다. 두 번째는 청색광차단 물질로 구성된 고분 자로써, 충분히 분자량이 크다면 렌즈 중합시 끼어들어 가서 용출이 되지 않아 적용이 가능하다. 본 연구에서는 청색광을 흡수하는 고분자소재를 개발하여 이를 하이드 로겔 콘택트렌즈에 적용하고 물리적 특성과 분광학적 특 성을 분석하였다(Fig. 1). 청색광을 흡수하는 반응성 염료 Procion Yellow MX8G를 과량으로 polyethyleneimine (PEI)의 backbone에 친핵성 치환반응을 통해 화학적 결합으로 고정하여 청색광 흡수 고분자 소재 (B-PEI)를 합성하였다. B-PEI를 렌즈 단량체들과 배합하여 렌즈 를 제조하였고, 청색광차단 특성을 분석하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 재료

2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA), ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), Procion Yellow MX8G, polyethyleneimine (PEI), 2,2'-Azobis(isobutyronitrile) (AIBN), methylene는 Sigma Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다.

2. 청색광흡수 고분자소재의 합성

PEI 1.0 g과 Procion Yellow MX8G 0.3 g를 증류수 50 mL에 녹이고, 상온에서 교반시킨다. NaOH 0.5 mol 용액으로 pH를 8로 조정한 뒤 3시간 동안 교반한다. 반 응 종료 후 감압 여과하여 증류수를 제거한 뒤 청색차단 고분자소재(B-PEI, 1.3 g)를 얻었다.

3. 청색광차단 콘택트렌즈 제조

HEMA 단량체는 진공증류를 통해 중합방지제 및 불순 물을 정제 후 사용하였다. B-PEI(0.015~0.03 g), EGDMA 0.04 g, AIBN 0.04 g를 9.92 g의 HEMA 용액에 녹인 후 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 혼합된 물질들을 콘 택트렌즈 몰드에 주입하고, 120℃의 오븐에서 20분 중 합하여 콘택트렌즈를 얻었다. 몰드에서 콘택트렌즈를 제 거한 후, 렌즈를 최소 3일 이상 증류수에서 세척하며, 반응하지 않은 물질들을 제거하였다.

4. 청색광차단 세기 측정

제조된 렌즈들의 청색광차단 세기는 흡광 스펙트럼 실험을 통해 조사하였다. 실험에 사용된 시편은 제조된 콘택트렌즈의 일부를 절단하여, 평평한 시편으로 만든 후, 2개의 투명한 슬라이드 사이에 고정시켜 UV-vis spectrophotometer(SHIMADZU UV-1650PC)를 이 용하여 파장에 따른 차단율을 측정하였다. 380~450 nm의 파장 범위에서 청색광차단 특성을 측정하였다.

5. 함수율 측정

함수율은 렌즈에 의해 흡수된 물의 양을 특정한 조건 하에서 전체의 %로써 나타낸 값이다. 완전 수화된 렌즈 는 렌즈표면의 물기를 제거한 다음 무게를 측정하였고, 건조된 렌즈는 drying oven에서 100℃ 1시간 건조시킨 다음 무게를 측정하였다. 함수율은 다음 식을 이용하여 퍼센트로 계산하였다. 각 시료 별로 3차례 실험을 하여, 평균값을 표시하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 청색광흡수 고분자소재의 합성 및 청색광차단 콘택트렌즈 제조

청색광을 흡수하는 물질은 보색인 노란색으로 보이기 때문에, 노란색의 색소를 콘택트렌즈에 고정하여, 착용 시 색소가 용출되지 않는 것이 중요하다. Multi-branched PEI는 3차원적인 구조를 가지고 있는 고분자이기 때문에, 하이드로겔 렌즈내의 p(HEMA) 네트워크와 상호 침입 그 물구조 구성할 수 있다. 렌즈내에 상호 침입 그물구조의 PEI는 용출될 수 없기 때문에, 창색광흡수 물질을 PEI 에 도입하여 렌즈로부터 용출을 방지하고자 하였다. 사 용된 청색광차단 물질은 반응성 염료인 Procion Yellow MX8G(Fig. 2)이며, λ_max(최대 흡수 파장)이 423 nm인 노란색 색소이다. Procion Yellow MX8G는 알콜기(OH) 와 아민기(NH₂) 등과 염기성 용액에서 공유결합하기 때문 에, PEI에 다량 존재하는 아민 작용기에 Procion Yellow MX8G를 결합시킬 수 있었다. 형성된 노란색의 PEI (B-PEI)는 청색광차단 기능이 있으며, 렌즈 내에 포함 되면 상호 침입 그물구조를 형성하며 용출되지 않는다. B-PEI를 렌즈 단량체 배합에 각각 0.15 wt%와 0.3 wt% 포함시켜 B-PEI-0.15과 B-PEI-0.3을 제조하였 다(Table 1). 추가적으로, 제조된 렌즈로부터 Procion Yellow MX8G의 용출은 없음을 분광학적 분석을 통해 확인하였다.

2. 콘택트렌즈 함수율 및 청색광차단 특성 분석

UV-Vis absorption spectroscopy 측정을 통해 합성 된 B-PEI의 absorbance를 측정하였다(Fig. 3). B-PEI 0.001 wt% 수용액이 423 nm에서 최대흡광도를 보이 며, Procion Yellow MX8G가 PEI에 결합되어 있음을 확인하였다. UV-Vis absorption spectroscopy를 통 해 B-PEI가 적용된 콘택트렌즈들의 투과 스펙트럼을 얻은 후, 청색광(파장범위: 380~450 nm)의 차단 세기 를 측정하였다(Fig. 4). B-PEI를 포함하지 않은 대조군 의 HEMA-기반의 하이드로겔 렌즈뿐 아니라 B-PEI가 적용된 렌즈 모두 450 nm 이상에서 90% 이상의 높은 가시광선 투과율을 확인할 수 있었다. 380~450 nm 구 간에서는 투과율이 떨어지며, 청색광의 차단 세기가 증 가함을 알 수 있었다. B-PEI의 함량이 0.15와 0.3 wt% 일 경우, 렌즈의 423 nm에서의 투과율이 각각 89.9와 80.3%였으며, 이는 B-PEI의 함량과 비례하게 청색광 차단 세기가 증가함을 확인시켜준다.

콘택트렌즈의 함수율은 가시광선 투과율과 함께 중요 한 물성이며, 콘택트렌즈의 착용감, 탄성, 기계적 강도 등에 큰 영향을 미친다. 함수율은 렌즈 당 3번씩 측정한 값을 평균하여 얻었다. 측정 결과, 모든 렌즈 시료에서 평균 함수율은 약 39%로 나타났으며, 이는 B-PEI 함량 이 함수율에 거의 영향을 주지 않음을 보여주는 것이다. 이는 B-PEI가 자체적으로 친수성이 우수하며, 0.3 wt% 이하로 매우 소량이 렌즈 배합에 첨가되었기 때문이다. 청색광차단 소재가 0.3 wt% 이하의 소량첨가이기 때문 에 기계적 물성 등의 변화는 관찰되지 않았다. 현재 상 용화를 위한, 물성적, 임상적 연구가 추가 진행 중이다.

Ⅳ. 결 론

반응성 염료를 사용하여 청색광차단 콘택트렌즈를 제 조하고 청색광차단 특성을 분석하였다. 노란색의 반응성 염료 Procion Yellow MX8G는 청색광을 흡수하며, 염 기성 용매하에서 친핵성 착용기를 포함하는 분자와 결합 할 수 있다. 아민 작용기가 다량으로 존재하는 PEI에 Procion Yellow MX8G를 화학적 결합으로 연결하여 청색광차단 고분자(B-PEI)를 합성하였다. B-PEI를 콘 택트렌즈 소재배합에 섞어 렌즈를 제조하였고, B-PEI 함량에 따라 함수율과 청색광차단 특성을 분석하였다. B-PEI가 0.15~0.3 wt% 포함되어도 대조군에 비교하면 함수율의 의미 있는 차이가 없음을 확인하였다. B-PEI의 함량이 증가할수록 λ_max(423 nm)에서의 차단 세기가 증 가함을 확인할 수 있었다. 합성된 B-PEI는 기존의 렌즈 제조 공정에 그대로 적용할 수 있어 상업적인 응용성이 큰 소재로 평가된다. 합성된 청색광차단 소재는 안의료 용 하이드로겔 콘택트렌즈의 개발뿐 아니라 안경렌즈, 보안경 등에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

Figure

Fig. 1.

Schematic illustration for the development of blue-light blocking contact lenses.

Fig. 2.

Molecular structure of Procion Yellow MX8G.

Fig. 3.

Absorbance of B-PEI aqueous solution (0.001 wt%).

Fig. 4.

Transmittance of hydrogel contact lenses.

Table

Table 1.

Characteristics of blue-light blocking hydrogel contact lenses

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