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

The Korean Journal of Vision Science Vol.24 No.4 pp.445-452
DOI : https://doi.org/10.17337/JMBI.2022.24.4.445

Preparation of Blue-Light Blocking Hydrogel Contact Lenses Using Reactive Orange 16 Dye

Jong Lae Kim

AI contents Interdisciplinary Science, Hoseo Graduate School, Hoseo University, Researcher, Asan

^* Address reprint requests to Jong Lae Kim (https://orcid.org/0000-0002-7526-7792) Dept. of AI contents Interdisciplinary Science, Hoseo Graduate School, Hoseo University, Asan TEL: +82-41-556-5757, E-mail: retokorea@naver.com

Received December 7, 2022 Review December 29, 2022 Accepted December 30, 2022

Abstract

Purpose : Blue-light blocking dyes were chemically conjugated to the hydrogel contact lenses. Blue-light blocking properties of the resultant contact were investigated, and the amounts of attached dyes were quantified.

Methods : Vinyl sulfone-based Reactive Orange 16 Dyes were covalently conjugated to hydrogel contact lenses containing a considerable amount of alcohol groups. The investigation for blue-light blocking properties of the hydrogel lenses and the quantification for the amounts of attached dyes were performed using UV-vis spectrophotometer.

Results : The blue-light blocking Reactive Orange 16 Dyes were successfully conjugated to the hydrogel contact lenses. The resultant contact lenses exhibited good blue-light blocking properties according to the results of the UV-vis spectra investigation. Reactive Orange 16 Dye conjugated to contact lenses was quantified using Beer-Lambert's law, and the blue-light blocking rate of contact lenses could be controlled by adjusting the concentration of reactive dye.

Conclusion : In this study, a reactive dye with a blue-light blocking function was fixed to hydrogel contact lenses through chemical bonding, and their blue-light blocking function was analyzed. It was confirmed that as the concentration of the blue-light blocking dye increased in the chemical reaction, the blocking intensity in the blue light wavelength region between 380 and 500 nm and the amount of the conjugated dye also increased. The development of blue-light blocking contact lenses that can be mass-produced is expected to play an important role in the development of functional ophthalmic optical medical devices.

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

Reactive Orange 16 Dye를 이용한 청색광차단 기능의 하이드로겔 콘택트렌즈 제조

김 종래

호서대학교 일반대학원 AI콘텐츠융합학과, 연구원, 아산

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Funding:

Ⅰ. 서 론

일반적으로 500 nm 파장 이상의 영역에 해당하는 장 파장의 가시광선과 적외선 등은 인체, 특히 눈에 대체로 유해한 영향을 주지 않는다. 태양광 등과 같은 일반적인 자연광에 포함되어있는 자외선이나 가시광선 영역 중에 서도 청색광 부분의 단파장의 전자기파는 안구에 직접적 으로 손상을 가할 수 있다.^1-3) 따라서, 전자기기 디스플 레이와 태양광에 상당량 포함되어 이들 고에너지의 단판 장의 전자기파를 차단시킬 수 있는 거의 유일하게 효과 를 낼 수 있는 안경, 콘택트렌즈 등의 개발이 중요하다 할 수 있다.^4,5) 살균능력 그리고 세포파괴능력을 갖는 자 외선의 유해성은 많이 연구되었고, 안경렌즈나 하이드로 겔 콘택트렌즈에 오래전부터 적용되어 왔다.^6,7) 푸른빛 을 내는 380~500 nm의 파장인 청색광(blue light)은 파장이 짧아 망막의 앞쪽에 맺혀서 정확한 상으로 인식 되지 않으므로 색이 분산되기 때문에 눈의 피로감을 유 발시키며, 또한 파장이 짧을수록 에너지가 높아지는데 그만큼 눈에 있는 시세포를 강하게 자극해서 악영향을 주며, 안구 내 단백질의 산화손상을 일으킬 수 있다. 이 에 상기와 같은 인체 및 눈에 유해한 자외선 내지 가시 광선 내의 청색광을 반사 및 흡수하여 눈을 보호토록 한 기술이 개발되고 있으며, 보안경, 안경렌즈 등의 안광학 기기에 주로 적용되고 있다.

최근에는 시력교정용을 목적으로 하이드로겔-기반의 소프트 콘택트렌즈가 많이 사용되고 있으며, 본래의 시력 교정 기능 외에 미용을 목적으로 개발된 컬러 콘택트렌즈 의 사용이 늘어나고 있다.^8,9) 이외에도 약물전달 기능성 콘택트렌즈, 녹내장 및 당뇨 진단기능성 콘택트렌즈 등 다 양한 헬스케어 콘택트렌즈들이 개발되고 있다.^10-12) 하지 만, 유해한 청색광차단 기능을 갖는 콘택트렌즈의 개발은 아직 진행 중이며, 상업적으로도 청색광차단 필터를 적용 한 일부의 렌즈가 판매되며 대중화되지 못하였다. 하이드 로겔 콘택트렌즈의 경우 여러 가지의 친수성 단량체들이 다량의 중합기를 갖는 가교제와 중합된 뒤 수화과정을 거 쳐 제조된다. 형성된 고분자 네트워크 안에는 다량의 물이 함유됨에도 3차원적 형태와 부드러운 특성을 보여준 다.^13-15) 일반적으로 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA)가 여러 가교제나 첨가제 등과 중합되어, poly (HEMA)기반의 하이드로겔 콘택트렌즈를 형성하게 된다.

콘택트렌즈는 안구에 직접 접촉하기 때문에 안경렌즈 처럼 청색광을 반사하는 물질을 콘택트렌즈 표면에 코팅 하기 어렵다. 이 경우 착용감 저하 및 안구건강을 해치 는 부작용을 일으킬 수 있다. 이에, 청색광을 흡수하는 소재들은 콘택트렌즈 제조에 사용되는 배합 소재들과 화 학적으로 결합되어야 하며, 렌즈에서 용출되지 않아야 한다. 또한, 가시광선 투과율, 함수율, 인장강도 등 렌즈 의 물리적 특성을 저하시키지 않아야 하며, 생산공정에 서도 멸균과정에서도 청색광차단 특성을 유지해야하고, 불량률을 증가시키지 않아야 한다. 본 논문에서는 청색 광을 흡수하는 친수성 염료인 Reactive Orange 16 Dye를 제조된 하이드로겔 콘택트렌즈에 화학적 결합으 로 고정하여, 청색광차단률이 각각 84.9, 67.1, 41.6 % 인 청색광차단 기능성 렌즈를 개발하였다. 이들 렌즈의 물리적, 분광학적 특성을 분석하였으며, 염료가 용출되 지 않기 때문에 인체에 대한 안정성이 우수할 것으로 판 단된다 (Fig. 1).

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 재료

2-Hydroxyethyl methacrylate(HEMA), Ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA), Reactive Orange 16 Dye, 2,2'-Azobis(isobutyronitrile)(AIBN), Sodium hydroxide는 Sigma Aldrich(St. Louis, MO, USA)에 서 구입하였다.

2. 청색광차단 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 필터 페이퍼로 필터하였다. 혼 합된 물질들을 콘택트렌즈 몰드에 주입하고, 120℃의 오븐에서 30분 열중합하여 콘택트렌즈를 제조하였다. 몰드에서 콘택트렌즈를 탈착한 후, 렌즈를 최소 2일 이 상 증류수에서 세척 및 수화하며, 반응하지 않은 단량체 와 불순물을 제거하였다. 0.1 mol NaOH 수용액 20 mL에 Reactive orange 16 dye를 첨가하여 각각의 dye의 농도가 0.05, 0.1, 0.2 wt%가 되도록 염료 용액 을 제조하였다. 염료 용액에 제조된 콘택트렌즈를 첨가 한 후 80℃에서 40분 동안 교반한다. 반응이 끝난 후 3 일 동안 식염수에 담가 용액을 교환 및 세척하여 반응이 가지 않은 물질을 제거한 뒤 최종 결과물을 얻었다. 렌 즈내 미반응 염료의 존재는 최종 세척액의 흡광도 분석 을 통해 염료의 용출이 더 이상 없음을 확인하였다. 염 료의 농도가 0.05 wt% 농도 (O-0.05), 0.1 wt% 농도 (O-0.1), 0.2 wt% 농도 (O-0.2)의 용액을 사용하여 제조하였다.

3. 청색광차단 세기 측정

제조된 하이드로겔 콘택트렌즈들의 청색광차단 세기 는 가시광선영역에서의 투과율(%) 실험을 통해 조사하 였다. 실험에 사용된 시편은 제조된 콘택트렌즈의 일부 를 절단하여, 평평한 시편으로 만든 후, 2개의 투명한 슬라이드 사이에 고정시켜 UV-Vis spectrophotometer (UH5300, Hitachi, Tokyo, Japan)를 이용하여 파장 에 따른 투과율을 측정하여, 청색광영역의 차단 세기를 분석하였다. 380~500 nm의 파장 범위에서 청색광차단 특성을 측정하였다.

4. 콘택트렌즈에 고정된 청색광차단 염료의 정량분석

UV-Vis spectrophotometer를 통해 렌즈의 흡광도 를 측정하였다. Reactive Orange 16 Dye를 0.001~ 0.003% 범위의 농도로 수용액을 제조하고, 표준정량 곡 선으로 구하였다. 498 nm에서의 흡광도를 기준으로 콘 택트렌즈 1개당 μg/cm²의 단위로 고정된 염료 값을 정 량하였다. 각 시료 별로 3차례 실험을 하여, 평균값을 표시하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 청색광차단 콘택트렌즈 제조

청색광을 흡수하는 염료는 보색인 노란색 혹은 오렌 지색으로 보인다. 보색의 성질을 이용하여, 노란색 혹은 오렌지색 계열의 염료를 하이드로겔 콘택트렌즈에 적용 한다면, 청색광차단 콘택트렌즈를 제조할 수 있다. 사용 된 청색광차단 염료는 시중에 많이 판매되고 있는 반응 성 염료 reactive orange 16(Fig. 1)이며, 수용액상 에서 λ_max(최대 흡수 파장)이 498 nm인 오렌지색 염료 이다. 2개의 이온를 포함하여, 친수성이기 때문에 콘택 트렌즈에 적용되어도 함수율이나 착용감 저하를 방지할 수 있다. Reactive Orange 16 Dye는 염기성 조건하에 반응물의 알콜기(OH)와 아민기(NH₂) 등의 친핵체와 반 응하여 각각 에터 (ether)와 아민 (amine)결합을 형성 하며 화학적 공유결합으로 고정될 수 있다. 따라서 Reactive Orange 16 Dye는 염기성 수용액 상에서 다 량의 알콜기를 함유하는 poly(HEMA)-기반의 하이드로 겔 렌즈에 고정될 수 있다. Reactive Orange 16 Dye 는 비닐 설폰 작용기를 포함하는 반응성 염료이며, 비닐 설폰기는 불안정하기 때문에 반응전에는 에틸 설포닐기 로 변환되어 사용할 수 있다(Fig. 1). 반응은 두 단계로 반응이 진행되었다. 1단계에서는 NaOH의 염기성 조건 하에서 Reactive Orange 16 Dye의 에틸 설포닐 작용 기가 제거된다. 2단계에서는 비닐 설폰기가 활성화되며, 이들은 poly(HEMA)의 알콜 작용기와 Michael addition 반응을 통해 에터결합을 형성한다. 즉, 0.1 mol NaOH 수용액 상에서 Reactive Orange 16 Dye와 하이드로겔 콘택트렌즈의 알콜기가 Michael addition 반응을 통해 에터결합을 형성하며 염료들이 렌즈에 고정될 수 있었 다. 미반응 물인 Reactive Orange 16 Dye와 염기들은 수화과정 및 증류수를 이용한 세척과정에서 쉽게 제거되 었다. 청색광차단 기능의 염료들이 화학적 공유결합으로 고정되어 형성된 콘택트렌즈들은 오렌지색을 띠었다. Reactive Orange 16 Dye 수용액의 농도 0.05, 0.1, 0.2 wt%를 사용하여 청색광차단 콘택트렌즈 각각 O-0.05, O-0.1, O-0.2를 제조하였다(Fig. 2).

2. 청색광차단 콘택트렌즈의 분광학적 특성 분석

UV-Vis spectrophotometer를 이용하여 청색광차 단 콘택트렌즈들의 가시광선투과율 (300~700 nm)을 측정하였다(Fig. 3, Table 1). 제조된 청색광차단 콘택 트렌즈가 498 nm에서 최대 차단율을 보이며, 청색광차 단 특성이 있음을 확인하였다. 380~500 nm 구간에서 는 청색광투과율이 떨어지며, 청색광의 차단 세기가 증 가함을 알 수 있었다. O-0.05, O-0.1, O-0.2의 경우 498 nm 에서의 투과율이 각각 89.4, 67.1, 41.6%로 측정되었으며, 이는 반응시켰던 Reactive Orange 16 Dye의 농도와 비례하게 청색광차단 세기가 증가함을 확 인시켜준다.

청색광차단 콘택트렌즈당 결합된 Reactive Orange 16 Dye의 양을 Beer-Lambert의 법칙을 이용하여 계산 하고자 UV-Vis spectrophotometer를 통해 콘택트렌 즈의 흡광도를 측정하였다. 순수한 Reactive Orange 16 Dye를 0.001-0.003% 범위의 농도의 수용액으로 제 조하여, 표준정량 곡선을 구하였다(Fig. 4). 표준정량 곡 선을 통해 x-축의 아마 알고 있는 염료의 농도와 y-축 의 측정된 흡광도가 비례함을 알 수 있었다. 즉, 미지의 염료의 농도의 콘택트렌즈의 흡광도를 측정한다면 역으 로 농도를 계산할 수 있었다. 498 nm에서의 최대 흡광 도를 기준으로 염료를 정량하여 렌즈 1개당 각각 0.42 μg/cm²(O-0.05), 8.8 μg/cm²(O-0.10), 26 μg/cm² (O-0.20)의 양으로 존재함을 확인하였다(Fig. 5, Table 1). 결과적으로, Reactive Orange 16 Dye의 반응 농도 를 조절한다면 콘택트렌즈의 청색광 차단률이 조절됨을 확인할 수 있었다. 추가적으로 반응 온도와 반응 시간 등 을 조절한다면 콘택트렌즈의 청색광 차단률의 세기를 조 절할 수 있을 것으로 판단된다. 청색광차단 기능이 없는 일반적인 콘택트렌즈에 가시광선을 투과하였을때 반대편 에 통과된 청색광의 양이 본 논문에서 개발된 청색광차 단 콘택트렌즈를 투과한 청색광의 양 보다 훨씬 많음을 유추할 수 있었다. 청색광차단 콘택트렌즈는 청색광 투 과율을 현저히 낮출 수 있으므로 청색광에 의한 눈부심 및 눈의 피로감, 각종 안과질병 등을 예방할 수 있을 것 으로 판단된다.

Fig. 2와 Fig, 5를 보면 청색광차단률이 높을수록 콘 택트렌즈의 색이 어둡게 짙어짐을 알 수 있다. 심미적 기능을 고려하였을 때 O-0.2와 O-0.1 보다는 O-0.05 혹은 비슷한 염료를 첨가하여 제조된 청색광차단 기능성 렌즈가 상용화에는 적합할 것으로 판단된다. 498 nm 에 서의 투과율이 대략 85% 이상에서 결정되어야 할 것이 며, 90% 이상이면 청색광차단 효과가 거의 없기 때문에 그 기능을 활용할 수 없을 것이다. 또한, 최대흡수파장 을 498 nm에서 400-450 nm 사이로 보다 단파장으로 옮길 수 있다면 콘택트렌즈의 심미적 효과와 청색광차단 기능성을 개선시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Ⅳ. 결 론

에터결합이 가능한 반응성 염료를 사용하여 청색광차 단 기능성을 갖는 하이드로겔 콘택트렌즈를 개발하였 고, 이의 청색광차단 특성을 분석하고 결합된 청색광차 단 염료를 정량하였다. 반응성 염료란 반응물에 특정조 건하에서 섞어만 주면 바로 화학적 공유결합을 형성하 며 고정될 수 있는 염료를 의미하기 때문에 제조 공정상 유용성이 매우 높다. 청색광차단 기능의 오렌지색 염료 인 Reactive Orange 16 Dye를 사용하였고, 이들 염료 는 염기성 수용액하에서 친핵성 작용기를 포함하는 HEMA와 화학적 에터결합을 형성할 수 있다. Reactive Orange 16 Dye는 염기성 조건하에서 poly(HEMA)- 기반의 콘택트렌즈에 포함되는 다량의 알콜 작용기와 에터결합을 형성하며 화학적으로 고정시킬 수 있었다. 염료의 반응농도 조건에 따라, 최대 흡광파장인 498 nm 파장에서 콘택트렌즈는 41.6에서 89.4%의 청색광 투과율을 보여주었다. UV-Vis spectrophotometer를 통해 498 nm 파장에서 콘택트렌즈의 흡광도를 측정하 여, Reactive Orange 16 Dye가 렌즈 1개당 0.42~26 μg/cm² 범위로 결합됨을 정량하였다. Reactive Orange 16 Dye의 함량이 증가할수록 최대 흡광도(498 nm)에 서의 청색광 차단율이 증가함을 확인할 수 있었다. 개발 된 청색광차단 콘택트렌즈 제조 방법은 기존의 렌즈제 조 공중합 공정에 큰 변경 없이 적용될 수 있어서, 상업 적인 생산이 가능할 것으로 판단된다. Reactive Orange 16 Dye가 적용된 청색광차단 하이드로겔 콘택트렌즈는 유해한 광선으로부터 사용자의 안구건강을 지킬 뿐 아 니라 안과광학의료기기에도 적용될 것으로 판단된다.

Figure

Fig. 1.

Schematic illustration for the development of blue-light blocking hydrogel contact lenses using Reactive Orange 16 Dye.

Fig. 2.

Photos of blue-light blocking hydrogel contact lenses for (a) O-0.05, (b) O-0.1, and (c) O-0.2.

Fig. 3.

Transmittance of blue-light blocking hydrogel contact lenses for (a) O-0.05, (b) O-0.1, and (c) O-0.2.

Fig. 4.

Standard calibration curve based on Reactive Orange 16 Dye.

Fig. 5.

Absorbance of blue-light blocking hydrogel contact lenses for (a) O-0.2, (b) O-0.1, and (c) O-0.05.

Table

Table 1.

Characteristics of blue-light blocking hydrogel contact lenses

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