Ⅰ. 서 론
콘택트렌즈는 안구에 직접 착용하여 시력 교정 혹은 미용의 효과를 볼 수 있도록 만든 접촉식 의료기기이며, 크게 하드렌즈와 소프트렌즈로 나눌 수 있다. 콘택트렌 즈는 1958년 처음 우리나라에 도입되었으며, 1974년 콘택트렌즈 관련 법규 개정 후 2등급 의료기기로 제작 및 시판되고 있다. 콘택트렌즈는 안경에 비해 역사는 짧 으나 여러 가지 장점(넓은 시야, 부등시 교정, 우수한 입 체감, 미용상 이점, 수차감소, 김서림현상 없음, 사용상 편리함 등)으로 인해 시장이 계속 증가할 전망이다.1,2) 최근 콘택트렌즈 시장의 흐름은 하드콘택트렌즈의 약세, 소프트 콘택트렌즈의 강세와 더불어 다양한 디자인과 재 질의 미용렌즈와 일회용 렌즈가 약진하고 있다.
최근에는 시력교정을 목적으로 하이드로겔-기반의 소프트 콘택트렌즈가 많이 사용되고 있으며, 본래의 시 력교정 기능 외에 미용을 목적으로 개발된 칼라 콘택트 렌즈의 사용이 늘어나고 있다.3-5) 이외에도 약물전달 기 능성 콘택트렌즈, 녹내장 및 당뇨진단 기능성 콘택트렌 즈, bandage 렌즈 등 다양한 헬스케어 콘택트렌즈들이 개발되고 있다.5-7) 특히, 약물전달 콘택트렌즈와 기능적 으로 유사한 항생제전달 콘택트렌즈의 개발 및 상용화는 시급한 상황이다. 근래 들어 안구관련 수술이 많이 행해 지고 있으며, 그중에서도 라섹, 라식, 렌즈삽입 등의 시 력교정용 수술이 활발하게 진행되고 있다. 라섹수술은 희석된 알코올을 사용하여 각막상피편을 만든 후 각막 실질에 레이저를 조사하여 각막을 절삭함으로써 시력을 교정하는 수술이다. 라섹수술 후 3~5일간 눈물 흘림, 이물감, 눈부심이 나타나는 경우가 흔하고 5일 정도 각 막 보호용 bandage 콘택트렌즈 착용이 필수적이다. 항 생제가 bandage 렌즈에 함유되어 수술 후 적당한 농도 로 장시간 용출된다면 수술 효과를 증대시킬 수 있다.8,9)
다양한 항생제 및 약물전달용 콘택트렌즈에 대한 연 구가 있으나 대부분 감응성 없이 약물의 탑재량의 증가 나 장시간 방출을 초점을 맞춘 연구가 많다.10) 감응성 약물방출 렌즈의 경우, 온도감응성 고분자인 mPEG (multi polyethylene glycol)-PLA (poly lactic acid) 를 변형한 항생제 함유 lipid carrier를 제조하고 이를 intraocular lens (IOL)에 적용한 연구가 있다.11) 또한, Eudragit S100 필름이 적용된 pH-감응 약물방출 콘택 트렌즈가 개발되기도 하였다.12) 그러나 여전히 안구에 착용하는 경우에만 약물이나 항생제가 방출되는 감응성 콘택트렌즈 개발의 예는 드물기 때문에 관련 연구개발은 필수적이다.
콘택트렌즈 이외의 분야에서는, 온도감응성 고분자를 활용한 약물전달 시스템에 관한 연구가 많이 보고되고 있다. Poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAAm)는 약 32℃, poly(N,N-diethylacrylamide)(PDEAAm)는 25 에서 32℃, poly(N-vinlycaprolactam)(PVCL)는 25에 서 35℃, poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] (PDMAEMA)는 약 50℃에서 온도감응성을 보이며, 약 물전달 나노전달체, 조직공학, 유전자전달체, 온도센서 등에 사용되어 왔다.13-15) 본 논문에서는 PNIPAAm-기 반의 온도감응성 나노구조체에 항생제를 탑재하고 이를 콘택트렌즈에 적용하여 상온에서 보관 시 항생제 방출이 저해되다가, 안구착용 시 고온에서 항생제가 방출되는 스마트 항생제전달 콘택트렌즈의 개발에 대해 보고한다. 콘택트렌즈는 안구에 직접 접촉하기 때문에 항생제 및 온도감응 구조체를 콘택트렌즈 표면에 코팅하기 어렵다. 이 경우 착용감 저하 및 안구건강을 해치는 부작용을 일 으킬 수 있다. 이에, 샌드위치 공법을 사용하여 2겹의 렌즈 사이에 항생제가 탑재된 온도감응성 나노구조체를 적용하여 온도에 따른 항생제의 용출시험을 수행하였다 (Fig. 1).
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 재료
2-Hydroxyethyl methacrylate(HEMA), ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA), dialysis tubing cellulose membrane(MW cut-off 14,000), sodium n-dodecyl sulfate(SDS), N,N'-methylenebis(acrylamide) (BIS), 2,2'-Azobis(isobutyronitrile)(AIBN), levofloxacin (LVF)는 Sigma Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. N-Isopropylacrylamide(NIPAAm)는 세 진시아이(Tokyo, Japan)에서 구입하였다. Potassium persulfate(KPS)는 DAEJUNG(Korea)에서 구입하 였다.
2. 온도감응 나노젤의 제조
아르곤가스의 standard schlenk 라인하에서 0.2 g(1.8 mmol)의 NIPAAm, 0.03 g(19.4 μmol)의 BIS, 0.032 g(111 μmol)의 SDS를 25 mL의 D.I.(Deionized) water에 녹였다. 70°C에서 1시간 동안 교반하였다. 0.027 g (100 μmol)의 KPS를 반응물에 넣고, 같은 온 도에서 4시간 교반하였다. 상온으로 식힌 뒤 3일 동안 증류수에서 투석(MW cut-off 14,000)한 뒤 동결건조 하여 백색 분말가루의 온도감응성 나노구조체를 얻었다. 투과전자현미경(transmission electron microscopy: TEM, JEOL-JEM 2010)을 사용하여, 나노구조체의 합성을 확인하였다. 온도감응형 나노구조체(0.005 wt% 수용액) 한 방울을 Formvar-coated copper grid에 떨어뜨렸고, 상온에서 건조시켰다. 2 wt%의 uranyl acetate 수용액을 grid 위에 떨어뜨리고, 2분 후 필터 페이퍼로 과량의 용액을 제거하였다. 수용액에서의 크기 및 온도감응성은 입도분석기(OTSUKA Electronics Co., Ltd. ELSZ-2000 Particle Size and zeta potential analysis system)에 의해 분석되었다.
3. 하이드로겔 콘택트렌즈 제조
HEMA 단량체는 진공증류를 통해 중합방지제 및 불 순물을 제거 후 사용하였다. 가교제인 EGDMA 0.40 g (0.4 wt%), 개시제인 AIBN 0.40 g (0.4 wt%)를 99.20 g (99.2 wt%)의 HEMA 용액에 녹인 후 20분 동안 상 온에서 교반한 뒤 4 μm filter paper로 필터하였다. 혼 합된 물질들을 콘택트렌즈 몰드에 주입하고, 120℃의 오븐에서 30분 열중합하여 콘택트렌즈를 제조하였다. 몰드에서 콘택트렌즈를 하드상태에서 탈착하였다.
4. 항생제 및 온도감응성 나노구조체가 탑재된 하이드로겔 콘택트렌즈의 제조
온도감응성 나노구조체(20 mg)를 두 겹의 수화되지 않 은 렌즈사이에 넣었다. 한쪽 렌즈의 엣지쪽에만 중합진행 중인 poly(HEMA)를 삽입하고, 120℃의 오븐에서 20분 동안 중합시켰다. 콘택트렌즈를 3일 이상 증류수에서 세척 하며, 반응하지 않은 물질들을 제거하였다. 항생제는 검판 선염, 각막궤양, 눈꺼풀염 등의 안질환뿐아니라 기관지염, 호흡기질환 등에도 효능이 있는 levofloxacin(LVF)이 사 용되었다. 제조된 콘택트렌즈 10개를 LVF 100 mg가 포 함된 20 mL의 수용액에 2일간 soaking하여 LVF를 탑재 시켰다.
5. 항생제 방출 실험
UV-Vis spectrophotometer를 사용하는 Lambert Beer’s law를 이용하여, 방출된 항생제의 흡광도를 측정 하여 정량하였다. LVF를 8-40 mg/L 범위의 농도로 수 용액을 제조하고, 표준정량 곡선으로 구하였다. LVF가 탑재된 콘택트렌즈를 10 mL의 phosphate-buffered saline(pH 7.4) 용액에 담그고 35℃와 25℃에서 24시간 동안 분취하고 UV/Vis spectrometer를 이용하여 285 nm에서 정량하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 온도감응성 항생제전달 콘택트렌즈 제조
콘택트렌즈에 물리적인 흡착으로 항생제를 담지할 경 우, 식염수에서 보관하거나 유통 중일 때 항생제가 방출되 어 상용화 및 유통이 어렵다. 콘택트렌즈 내·외부에 화학 적 결합을 통한 항생제의 담지 역시, 안정한 화학적 결합을 끊기 어렵기 때문에, 원하는 기간 및 농도 등에 따른 정교한 항생제의 용출이 어렵다. 보관 중에는 항생제가 콘택트렌 즈 안에 존재하다가, 안구에 착용시에만 방출되는 스마트 항생제용출 콘택트렌즈의 개발이 필요하다. 상온이나 냉 장보관에서 항생제를 포함하다가 안구표면의 35℃이상의 온도에 도달하였을 때 콘택트렌즈로부터 항생제가 용출되 는 전략으로, 온도감응형 고분자 및 이를 활용하여 합성된 나노구조체를 이용하고자 하였다. 안구의 표면온도 35℃ 에서 항생제를 방출하는 담지체를 제조하기 위해서는 수용 액상에서 고온에서 소수성이 되는 lower critical solution temperature(LCST) 성질을 갖는 고분자를 이용하였다. Poly(N-isopropylacrylamide) p(NIPAAm)은 약 32℃ 에서 LCST를 보이며 LCST 이상의 온도에서는 소수성으 로 수축되며, LCST 이하의 온도에서는 친수성으로 수화 및 팽창된다. 이를 나노크기로 중합시키면, 온도에 따라 수축-이완작용을 하는 항생제탑재 가능한 나노구조체로 형성될 수 있다(Fig. 1).
수용액상에서 sodium n-dodecyl sulfate(SDS)는 나 노크기의 micelle을 형성하며 template로 사용될 수 있다. 온도감응성 단량체인 NIPAAm, 가교제인 N,N'-methylenebis (acrylamide)(BIS) 등을 SDS micelle 내부에서 에멀젼중 합하여 p(NIPAAm)-기반의 나노구조체를 합성하였다. 건조된 상태의 나노구조체의 크기는 전자현미경(TEM)을 통해 20~40 nm의 크기임을 확인하였다(Fig. 2a). 수용 액에서의 온도감응성은 입도분석기에 의해 확인되었으며 (Fig. 2b), 25℃의 상온에서는 나노구조체의 크기는 약 90~100 nm, 25℃에서는 약 20~30 nm 크기로 측정되 었다. 상온에서는 나노구조체가 친수성이기 때문에 충분 히 수화되었기 때문에 약 90~100 nm의 크기를 보였고, 35℃에서는 나노구조체가 소수성이기 때문에 탈수되어 약 20~30 nm 크기로 수축되었다. 수축된 나노구조체의 크 기는 TEM에서 측정된 크기와 일치됨을 확인할 수 있었다.
온도감응형 나노구조체를 콘택트렌즈에 샌드위치공법 으로 도입하고, 약물을 soaking 및 탑재시켜, 온도감응 형 항생제방출 콘택트렌즈를 제조하였다(Fig 3). 나노 구조체를 콘택트렌즈 기본 단량체인 2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA)와 함께 공중합시, 나노구조체 내외부가 poly(HEMA)와의 interpenetrating polymer network(IPN) 형성으로 인해, 온도감응 능력이 상실될 것으로 판단된다. 또한, 항생제의 탑재 효율도 현저히 떨어지게 될 것이다. IPN 형성을 방지하기 위해 콘택트 렌즈 2개를 겹치는 샌드위치 공법을 도입하였다. 먼저 poly(HEMA)-기반의 콘택트렌즈를 제조하고, 두 겹의 렌즈 사이에 탈수된 온도감응 나노구조체를 넣고, 양 쪽 렌즈사이에 동공부분 바깥쪽에만, 중합진행 중인 poly(HEMA)를 삽입하고, 다시 고온에서 중합시켜 2중 으로 겹쳐진 콘택트렌즈를 고정하였다. 안과수술 후 사용 될 수 있는 항생제인 LVF 수용액에 항생제를 soaking 하였다.
2. 온도감응성 스마트 콘택트렌즈의 항생제 방출 연구
온도에 따른 온도감응형 스마트 콘택트렌즈의 항생제 용출 실험을 24시간 동안 수행하였다(Fig. 4) 항생제를 함유하는 온도감응형 콘택트렌즈는 25℃에서는 시간이 경과하더라도 방출된 항생제의 농도는 거의 변화가 없었 으며, 3 μg 이내의 항생제를 방출하는데 그쳤다(Fig. 4). 안구착용 가정 온도인 35℃까지 올렸을 경우 시간이 경과함에 따라 2시간 이내에 약 80%이상이 방출되었으 며, 방출량은 9 μg에 달하였다. 이는 상온에서는 나노구 조체가 항생제를 포함하며 용출을 제한하였으나, 온도가 증가함에 따라 나노구조체가 탈수 및 수축되며, 내부의 항생제를 방출한 결과에 기인한다. 따라서, 개발된 항생 제 함유 콘택트렌즈는 25 °C이하에서 보관 및 유통해야 항생제의 용출을 최소화할 수 있다.
Ⅳ. 결 론
온도감응형 PNIPAAm-기반 나노구조체를 에멀젼중 합법을 이용하여 제조하고 이를 샌드위치 공법으로 poly (HEMA) 콘택트렌즈에 탑재하였다. 두 겹의 콘택트렌즈 사이에 온도감응형 나노구조체를 넣고, 양쪽 렌즈 사이에 동공부분 바깥쪽에만, 중합진행 중인 poly(HEMA)를 삽입 하고, 다시 고온에서 중합시켰다. 항생제인, levofloxacin (LVF) 수용액에 soaking하였다. 상온인 25℃에서는 항 생제를 제한된 양으로 방출하였지만, 35℃에서는 2시간 이내에 상당량의 항생제를 방출하였음을 확인하였다. 즉, 보관 중에는 항생제가 용출되지 않다가 안구착용 시 렌즈 온도가 35℃에 도달하여 항생제가 방출되는 스마 트 온도감응 콘택트렌즈를 개발 및 분석하였다. pH감응 및 온도감응기반의 항생제 및 약물 방출 렌즈가 일부 개 발되기는 하였으나, 아직 상용화되지 못하였다. 본 연구 에서 다루어진 온도감응 나노구조체를 이용한 항생제 방 출 콘택트렌즈는 기존 보고된 감응형 렌즈에 비해 학문 적 독창성을 보일 뿐만 아니라 다른 약물 방출 시스템에 도 적용될 수 있을 것이다
