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

The Korean Journal of Vision Science Vol.24 No.1 pp.43-50
DOI : https://doi.org/10.17337/JMBI.2022.24.1.43

Preparation and Characterization of Biocompatible and High Functional Hydrogel Lenses Containing Collagen Material

Ji-Won Heo¹⁾

, Su-Mi Shin¹⁾

, Dal-Won Kim⁴⁾

, A-Young Sung^2),3)

¹⁾Dept. of Optometry & Vision Science, Daegu Catholic University, Student, Daegu
²⁾Dept. of Optometry & Vision Science, Daegu Catholic University, Professor, Daegu
³⁾Daegu Catholic University, Beauty Industry Fusion Institute
⁴⁾i.CODI Co.,Ltd. R&D Planning Center, Gwangju

^* Address reprint requests to A-Young Sung (https://orcid.org/0000-0002-9441-919X) Dept. of Optometry & Vision Science, Daegu Catholic University, Professor, Daegu TEL: +82-53-359-6790, E-mail: say123sg@hanmail.net

Received February 21, 2021 Review March 22, 2022 Accepted March 24, 2022

Abstract

Purpose : In this study, a high-functional ophthalmic polymer was prepared using various additives based on PDMS, and then, the prepared lens surface was coated with collagen with excellent biocompatibility and wettability to compare and analyze the physical properties.

Methods : Polydimethylsiloxane (PDMS) and hydrophilic monomers N,N-dimethylacrylamide (DMA) and 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) were used as main materials for lens manufacturing. Ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as a crosslinking agent and Azobisisobutyronitrile (AIBN) as a thermal initiator were used. In addition, 1,3-Bis (3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane (TMDS), Polyvinylpyrrolidone (PVP), 2-(Trifluoromethyl) styrene and collagen were used as functional additives. Light transmittance, refractive index, water content, oxygen transmittance, and tensile strength were respectively measured to evaluate the physical properties of the manufactured lens, and wettability was evaluated by measuring the contact angle.

Results : The addition of TMDS showed the oxygen transmittance of the lens as about 28 to 45×10⁻¹¹(cm²/sec)(mlO²/ml×mmHg) depending on the addition ratio. In addition, the addition of PVP and 2-(Trifluoromethyl)styrene showed the wettability and tensile strength of the lens as about 56~46° and about 0.11~0.17 kgf/mm² depending on the addition ratio, respectively. It was found that the functionality of the manufactured lens was improved by using various additives, and in particular, the use of the collagen additive, the contact angle of the surface of the hydrogel was greatly reduced to have excellent wettability.

Conclusion : Therefore, TMDS, PVP and 2-(Trifluoromethyl)styrene are effective in improving the functionality of silicone hydrogel lenses, and the use of collagen as an additive improves the wettability of lenses.

Key Words : Collagen , Hydrogel lens , PDMS , Wettability

Collagen을 포함한 생체 친화성 및 고기능성 하이드로겔 렌즈의 제조 및 특성

허 지원¹⁾, 신 수미¹⁾, 김 달원⁴⁾, 성 아영^2),3)

¹⁾대구가톨릭대학교 안경광학과, 대학원생, 대구
²⁾대구가톨릭대학교 안경광학과, 교수, 대구
³⁾대구가톨릭대학교 뷰티산업융합연구소
⁴⁾i.CODI(주), R&D Planning Center

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Cited-By

Funding:

Ⅰ. 서 론

콘택트렌즈는 안구의 각막에 직접적으로 착용하는 것 으로, 콘택트렌즈를 구성하는 재료에 따라 안구에 큰 영향 을 미친다.¹⁾ 하이드로겔 렌즈는 1960년대부터 지속적 으로 개발되었으며 1970년대에 FDA의 승인을 받아 널 리 보급되기 시작하였다. 현재까지도 2-Hydroxyethyl methacrylate(HEMA)를 사용한 하이드로겔 소프트 콘 택트렌즈가 판매되고 있으나 1990년대 이후, 산소투과성 이 다소 떨어지는 HEMA를 대신하여 실리콘을 주재료 및 첨가제를 사용한 고 기능성 콘택트렌즈 소재 개발에 관심 이 집중되고 있다.^2,3) 실리콘 하이드로겔 렌즈는 실리콘 과 친수성 모노머로 구성되어 고 산소투과성을 가지고 있으며, 다양한 실리콘 종류 중 Polydimethylsiloxane (PDMS)는 실리콘을 기반으로 한 폴리머로, 투명하여 광 학적으로 우수하며 내구성이 강하여 안의료용 소재로 많 이 활용된다. 또한 다양한 액체에 대한 침투성과 가공성이 좋으며, 화학적 안전성이 우수한 것으로 알려져 있다.^4,5) 실리콘 하이드로겔 렌즈의 물성을 더욱 향상시키기 위해 다양한 기능성 첨가제를 사용하여 산소투과성 뿐만 아니 라 습윤성, 인장강도의 다양한 기능성을 부가할 수 있 다.^6-8) 최근에는 안구의 각막, 공막, 결막 등에 직접적으 로 닿는 렌즈의 표면 부분의 코팅을 통한 기능성 콘택트렌 즈 개발 및 다양한 생리활성 특성을 가진 천연고분자를 코팅의 재료로 활용한 연구가 이뤄지고 있다.^9,10) 생체적 합성 및 습윤성이 우수하여 천연고분자로 알려져 있는 콜 라겐은 의료용 소재로 많이 활용되고 있으며, 많은 분야에 서 관심을 가지고 있다.¹¹⁾ 특히, 아텔로콜라겐은 동물의 피부 콜라겐에서 항원성이 위치한 텔로펩타이드 부분을 제거하여 면역반응을 최소화한 콜라겐으로, 손상된 생체 조직의 재생을 촉진하여 자연치유과정을 보조함으로써 유 효성과 안전성이 확인된 소재이다. 따라서 본 연구에서는 PDMS를 주재료로 사용하여 실리콘 하이드로겔을 제조하 였으며, 최적의 조건을 확립 후 천연고분자인 아텔로콜라 겐을 안의료용 고분자의 코팅 액의 재료로 사용하여 기능 성 실리콘 하이드로겔 렌즈 제조 및 물성을 측정하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 시약 및 재료

본 연구에서는 안의료용 고분자 중합을 위해 Polydimethylsiloxane(PDMS)(Sigma-Aldrich, USA), N,N-dimethylacrylamide(DMA)(Sigma-Aldrich, USA), 2-Hydroxyethyl methacrylate(HEMA)(Sigma-Aldrich, USA)와 교차결합제인 Ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA)(Sigma-Aldrich, USA), 개시제인 Azobisisobutyronitrile(AIBN)(Junsei, Japan)을 사 용하였다. 또한 콘택트렌즈의 기능성 향상을 위해 첨가 제로 1,3-Bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane (TMDS)(Alfa, USA), 2-(Trifluoromethyl)styrene (Sigma-Aldrich, USA), Polyvinylpyrrolidone(PVP) (Sigma-Aldrich, USA)을 사용하였으며, 코팅 액의 소 재에서 사용된 콜라겐은 Methacrylated TypeⅠ의 아 텔로 콜라겐(Allevi, USA)을 사용하였다.

2. 고분자 중합

1) TMDS가 첨가된 고 산소투과성 실리콘 하이드로겔 고분자 제조

PDMS와 HEMA를 사용하여 제조된 실리콘 하이드로 겔 소재에 실록산기를 가진 TMDS를 1~10%의 비율로 첨가하여 1시간 교반 후 120℃로 2시간 열중합 하였으 며, 제조된 렌즈는 24시간 동안 생리식염수에 수화시켰 다. 제조된 시료의 배합비는 Table 1에 나타내었으며, 기본 조합을 Ref_1로 명명하였고, Ref_1에 TMDS가 비율별로 첨가된 시료를 각각 T_1, T_5, 그리고 T_10 으로 명명하였다.

2) 습윤성 및 내구성이 향상된 고 기능성 실리콘 하이드로겔 고분자 제조

렌즈의 습윤성 및 내구성을 향상시키기 위해 친수성 단량체인 PVP와 소수성 단량체인 Styrene계의 2-(Trifluromethyl)styrene을 각각 첨가제로 사용하여 1~10% 첨가하였다. 고 산소투과성을 나타낸 T_5 시료 를 기본조합으로 사용하였으며, Ref_2로 새로 명명하였 다. Ref_2에 PVP가 비율별로 첨가된 시료는 각각 P_1, P_5 그리고 P_10으로, 2-(Trifluromethyl)styrene가 비율별로 첨가된 시료는 각각 2TS_1, 2TS_5 그리고 2TS_10으로 명명하였으며, Table 2에 배합비를 나타내 었다. 배합된 용액이 고르게 섞이도록 VORTEX를 사용 하여 7 RPM으로 1시간 동안 교반하였으며, 120℃에 2 시간 열중합 후 24시간 동안 생리식염수에 수화시켰다.

3) 콜라겐이 코팅된 고 기능성 실리콘 하이드로겔 렌즈 제조

우수한 생체적합성 및 습윤성을 가진 아텔로콜라겐을 렌즈의 코팅 액 소재로 사용하였으며, 선행연구를 통하 여 최적의 조건을 확립하여 렌즈를 제조하였으며, 제조 된 렌즈를 Ref_3으로 명명하였다. 또한 Ref_3에 콜라 겐을 코팅한 렌즈를 C_Lens로 명명하였고, 제조된 렌즈 의 배합비는 Table 3에 나타내었다. 배합된 용액이 고 르게 섞이도록 VORTEX를 사용하여 7RPM에 1시간 동 안 교반한 후, 120℃에서 2시간 열 중합하여 제조하였 다. C_Lens의 경우, HEMA를 기반 Collagen 0.5%를 첨가한 코팅액 단량체를 사용하여 몰드에 코팅을 한 후, Ref_3의 소재와 함께 120℃에서 2시간 중합하여 제조 하였다. 제조된 렌즈 모두 24시간 동안 생리식염수에 수 화시켰다.

제조된 모든 실리콘 하이드로겔 렌즈는 함수율, 인장 강도, 접촉각, 산소투과율 등 다양한 기능성을 확인하고 자 기본적인 물성을 평가하였으며, 각 시험은 총 5번의 측정을 통해 평균값을 사용하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. TMDS가 첨가된 실리콘 하이드로겔 렌즈

1) 굴절률 및 함수율

제조된 실리콘 하이드로겔의 함수율 및 굴절률을 측 정한 결과, Ref_1의 굴절률은 1.3928, 함수율은 56.38%로 나타났으며, TMDS의 첨가량에 따라 굴절률 은 1.3891~1.3817, 함수율은 57.81~62.13%로 측정 되었다. 실록산기의 TMDS의 첨가량에 따라 제조된 렌 즈의 굴절률은 Ref_1보다 감소하는 것으로 나타났으며, 함수율은 점차 증가하는 것을 확인하였다.

2) 산소투과율

제조된 실리콘 하이드로겔 고분자의 산소투과율 측정 결과, Ref_1는 25.86×10⁻¹¹(cm²/sec)(mlO²/ml×mmHg) 으로 나타났으며, Ref_1에 TMDS 1~10%의 비율이 첨 가됨에 따라 산소투과율은 28.37~45.14×10⁻¹¹(cm²/sec) (mlO²/ml×mmHg)으로 나타났다. 따라서 TMDS의 첨 가량이 증가할수록 산소투과율이 점차 증가하였으며, 이 는 실록산기의 영향 및 함수율의 향상에 따라 산소투과 율이 향상된 것으로 판단된다. Ref_1 및 T_10의 산소 투과율 Current 측정 그래프를 각각 비교하여 나타내었 다(Fig. 1).

3) 접촉각

제조된 렌즈의 습윤성을 평가하기 위해 습윤성을 측 정한 결과, Ref_1의 접촉각은 65.1°로 나타났으며, TMDS가 비율별로 첨가된 렌즈는 첨가량에 따라 62.3°~58.1°로 측정되었다.

4) 인장강도

제조된 실리콘 하이드로겔 렌즈의 인장강도는 Ref_1은 0.109 kgf/mm²로 측정되었다. 또한 TMDS가 1~10% 첨가된 시료의 경우, 첨가량에 따라 0.105~0.084 kgf/mm²으로 나타났으며, TMDS의 첨가량이 증가할수 록 인장강도는 점차 감소하는 것으로 나타났다.

2. 내구성 및 습윤성이 향상된 실리콘 하이드로겔 렌즈

1) 굴절률 및 함수율

제조된 렌즈의 굴절률을 측정한 결과, Ref_2의 굴절 률은 1.3817로 나타났으며, PVP의 첨가량이 증가함에 따라 1.3813~1.3753로, 2-(Trifluoromethyl)styrene 의 첨가량이 증가함에 따라 1.4001~1.4273으로 측정 되었다. 또한 제조된 렌즈의 함수율을 측정한 결과, Ref_2는 62.13%로 나타났으며, PVP의 조합은 64.86%~69.13%로, 그리고 2-(Trifluoromethyl) styrene 조합은 59.57%~46.49%로 나타났다. PVP의 친수성 성질 및 2-(Trifluoromethyl)styrene의 소수성 성질에 따라 렌즈의 굴절률 및 함수율 특성에 각각 다르 게 영향을 미친 것을 확인하였다.

3) 접촉각

렌즈의 습윤성 향상을 위하여 PVP를 첨가한 렌즈의 기능성을 확인하기 위해 PVP를 첨가한 군들과 PVP를 첨가하지 않은 Ref_2을 선정하여 접촉각을 각각 측정하 였다. 접촉각 측정 결과, Ref_2는 60.1°로 나타났으며, PVP조합은 56.2°~46.7°로 측정되었다. 따라서 PVP의 첨가 비율이 증가할수록 렌즈의 접촉각이 Ref_2에 비해 다소 감소하였으며, PVP의 첨가는 렌즈의 함수율 및 습 윤성 향상에 영향을 미친 것을 확인하였다(Fig. 2).

4) 인장강도

렌즈의 내구성을 향상시키기 위하여 2-(Trifluorome thyl)styrene을 첨가한 렌즈의 기능성을 확인하기 위해 2-(Trifluoromethyl)styrene을 첨가한 군들과 2-(Trif luoromethyl)styrene을 첨가하지 않은 Ref_2을 선정 하여 인장강도를 각각 측정하였다. 측정 결과, Ref_2는 0.099 kgf/mm²로 나타났으며, 2-(Trifluoromethyl)s tyrene의 조합은 첨가량에 따라 0.112 kgf/mm²~0.25 1 kgf/mm²로 나타났다. 2-(Trifluoromethyl)styrene 의 첨가 비율이 증가할수록 Ref_2에 비해 인장강도가 다소 증가하여 렌즈의 내구성을 향상시키는 것을 확인하 였다(Fig. 3).

3. 콜라겐을 포함한 기능성 실리콘 하이드로겔 렌즈

1) 광학적 특성

제조된 렌즈의 광학적 특성을 확인하기 위해 분광투 과율 기기를 사용하여 가시광선 투과율을 측정하였다. 가시광선 투과율은 380~780 nm 파장의 빛을 지속적으 로 투과시켜 투과율(Transmittance, T%)을 측정하는 방식으로, 렌즈 시료 당 각각 5회씩 측정하였다. 측정 결과, Ref_3과 C_Lens 군의 평균 가시광선 투과율이 모두 약 95%로 나타났다. 제조된 렌즈의 광투과율 측정 그래프를 그림 4에 나타내었다. 제조된 모든 렌즈의 광 학적 특성이 우수한 것으로 나타났으며, 콜라겐 및 기능 성 첨가제는 광학적 특성에 큰 영향을 미치지 않은 것으 로 판단된다.

2) 물리적 특성

기능성 첨가제가 포함된 Ref_3와 기능성 첨가제 및 콜 라겐을 포함한 C_Lens의 물리적 특성을 측정하여 비교 분석하였다. 측정 결과, 제조된 콘택트렌즈 모두 기본적인 콘택트렌즈의 물성을 만족하는 동시에 인장강도 및 산소투 과율이 우수한 것으로 나타났다. 또한 두 시료의 물리적 특성 측정 결과는 다소 유사한 것으로 나타났으며, 콜라겐 이 포함된 코팅 액은 물리적 특성에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. Ref_3과 C_Lens의 물리적 특성 측정 결과를 Table 4에 비교하여 나타내었다.

4) 표면적 특성

제조된 렌즈의 접촉각 측정 결과, Ref_3은 49.3°, C_Lens는 37.2°로 나타나 렌즈에 코팅된 콜라겐이 렌 즈 표면의 습윤성을 매우 향상시킨 것으로 나타났다. 각 각의 접촉각 측정 결과를 그림 5를 통해 나타내었다.

Ⅳ. 결 론

본 연구는 PDMS를 실리콘 하이드로겔의 주재료로 사 용하였으며, 산소투과성, 습윤성 및 내구성 향상을 위해 TMDS, PVP 그리고 2-(Trifluoromethyl)styrene를 각 각 첨가하였다. 또한 제조된 기능성 실리콘 하이드로겔 표 면에 천연 고분자인 콜라겐을 포함한 코팅 액을 적용하였 다. 본 연구 결과, 기존 실리콘 하이드로겔 소재에 TMDS 의 첨가는 첨가량에 따라 산소투과율을 점차 증가시켰으 며, PVP의 첨가는 함수율 및 습윤성을 향상시켰다. 또한 2-(Trifluoromethyl)styrene을 첨가함에 따라 인장강도 가 증가하여 내구성이 향상됨을 확인하였다. 최적의 배합 비를 확립한 후, 제조된 기능성 실리콘 하이드로겔에 콜라 겐을 코팅한 결과, 접촉각이 크게 감소하는 것으로 나타나 렌즈 표면의 습윤성이 더욱 향상되는 것으로 나타났다. 따 라서 제조된 실리콘 하이드로겔 렌즈에 첨가된 TMDS, PVP 및 2-(Trifluoromethyl)styrene은 렌즈의 기능성 향상에 효과적이며, 특히 콜라겐을 활용한 렌즈의 코팅은 효과적인 습윤성 향상을 위한 안의료용 재료로써 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Figure

Fig. 1.

Oxygen transmittance current measurement result of samples. (a): Ref_1, (b): T_10.

Fig. 2.

Water content and contact angle of hydrogel lens samples using PVP.

Fig. 3.

Tensile strength of hydrogel lens samples using 2-(Trifluoromethyl)styrene.

Fig. 4.

Optical transmittance of Ref_3 and C_Lens.

Fig. 5.

Contact angle of Ref_3 and C_Lens.

Table

Table 1.

Percent composition of TMDS samples (Unit: wt%)

Table 2.

Percent composition of samples with improved wettability and durability (Unit: wt%)

Table 3.

Percent composition of collagen-coated samples (Unit: wt%)

Table 4.

Measurement result of physical properties of Ref_3 and C_Lens

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