Ⅰ. 서 론
초기 콘택트렌즈는 시력 향상이 주요한 목적으로 사용되었다. 하지만 딱딱하고 유리 재질로 만들어져 무겁고 오랜 시간 착용이 불가능하여 많은 사람이 사용하지는 않았다.1) 산업의 발달과 함께 콘택트렌즈 산업도 발달하였고 부드러운 물질로 제작되어 눈에 부담이 덜하고 착용감을 개선한 소프트콘택트렌즈가 개발되면서 점차 많은 인구가 렌즈를 사용하게 되었다.2) 이후에 서클렌즈와 같은 컬러 콘택트렌즈가 개발되면서 자기 개성을 나 타내기 위한 수단으로도 사용되고 있다.
소프트콘택트렌즈의 착용감은 좀 더 많은 사람이 렌즈를 편하게 사용할 수 있는 계기가 되었고, 다양한 컬러렌즈 상품은 시대의 흐름과 맞물려 자기 개성을 표현하는 시대에서는 중요한 필수 아이템 중 하나로 자리 잡고 있다. 특히 중고생들 동경의 대상이 되는 아이돌이나 연예인, 인플루언서 등의 많은 유명인이 컬러렌즈를 통하여 패션과 개성을 나타내기 시작하면서 젊은 층의 렌즈 사용 빈도는 많이 늘어났다. 젊은 층에서 렌즈 착용 뿐 아니라 초기 렌즈를 착용하는 연령도 점점 낮아지고 있다.3)
콘택트렌즈 사용 증가는 착용에 따른 관련 질환들도 증가하였다. 콘택트렌즈의 착용 습관이나 빈도, 재질 혹 은 콘택트렌즈 보관 용기 등 여러 요인에 의하여 콘택트 렌즈에 오염이 발생하고 이런 오염된 콘택트렌즈의 착용은 눈과 관련된 질병을 초래한다. 여러 TV, 매체나 광고 등을 통하여 소프트콘택트렌즈에 대한 안전한 사용법 등 을 알고 숙지하고 있지만, 콘택트렌즈 사용 후 잘못된 보관 및 소독제품, 점안제 관리 부주의, 장시간 콘택트 렌즈를 착용하고 활동함으로 인해 콘택트렌즈와 연관된 감염성 각막염이 지속적으로 발생하고 있다.4-6)
앞서 언급한 것처럼 다양한 매체를 통해서 콘택트렌즈 관리의 중요성이 홍보되고 있지만, 사용자의 상황에 따라 콘택트렌즈 착용 시 주의사항이 제대로 지켜지지 못하고 있고 이로 인한 안과 관련 질환들이 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 근본적인 방법은 사용자 교육을 통해 잘못된 방식의 콘택트렌즈 착용은 심각한 부작용을 초래할 수 있다는 것을 자각 하고 느낄 수 있도록 하는 것이 중요하다.9,10) 하지만 부 작용의 심각성을 느끼지 못한 사용자들이 많기에 이러한 콘택트렌즈 부작용을 감소시킬 수 있는 연구들이 진행되고 있다. 불소 및 카르복시기로 치환된 피리딘 첨가제를 이용한 항균 콘택트렌즈 개발,7) 천연 항균 성분을 함유 하는 콘택트렌즈 개발8)등 여러 소재를 콘택트렌즈에 적용하여 항균과 항산화성을 강화한 콘택트렌즈 연구가 진행되고 있다.
최근 연구에서는 망고스틴이 항산화, 항염, 항균 등에 큰 효능이 있다는 연구들이 많이 발표되고 있다.11,12) 또 한 망고스틴의 크산톤 화합물에는 청광차단기능이 있어 콘택트렌즈에는 유용한 기능이 될 수 있다. 이처럼 좋은 기능들이 있지만 실제 콘택트렌즈에 적용하였을 때는 여러 가지 환경적 실험적 변화에 따른 망고스틴의 활성이 제대로 나타날 수 있을지 알 수 없다. 또한, 전혀 다른 방향으로 활성을 나타낼 수 있으므로 실험적인 자료를 얻는 것이 중요하다. 또한, 망고스틴은 세포독성을 일으키지 않는 안전한 물질이라는 연구 결과도 있어 인체에 적용하는 콘택트렌즈에 사용해도 적합한 물질이라 판단 되었다.13) 이에 따라서 본 논문에서는 콘택트렌즈에 망고스틴을 적용하여 항산화, 항균 등에 대한 활성을 알아 보고 청광차단 기능을 확인하여 실용 가능성이 있는지 확인하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 재료 및 콘택트렌즈
시험에 사용하기 위한 콘택트렌즈는 2-Hydroxy ethyl methacrylate(HEMA, SIGMA, Korea), Methacrylic acid(MMA, SIGMA, Korea)로 중합하여 제조하였다. 감마망고스틴(gamma-mangostin) 은 SIGMA에서 구매하여 사용하였다. 라디칼 생성 개 시제는 2,2-Azobisisobutyronitrile (AIBN, SIGMA, Korea)를 사용하였다. 렌즈의 제조방법은 캐스팅몰드법을 사용하여 렌즈를 제조하였고 교반된 단위체를 주조 형 완전몰드에 주입시키고 120℃에서 40분간 열처리 공정을 거쳐 렌즈를 제조하였다. 이후 AIBN 3.4 wt% MeOH에 30분간 침지시킨 후, 콘택트렌즈의 겉 부분을 D.I water로 린스하였다. 그 후, 85℃의 DMA 35 wt%, 감마망고스틴 2 wt% 수용액에서 40분간 교반하며 라디 칼중합 반응시킨 후 증류수로 세척하여 콘택트렌즈 시료를 제조하였다.
2. 연구 방법
감마망고스틴이 포함된 콘택트렌즈가 항산화성과 항균성이 매우 뛰어나더라도 합성 후 콘택트렌즈의 기능이 없어진다면 콘택트렌즈로서의 가치를 상실하고 의미 없는 제품이 된다. 이 때문에 감마망고스틴을 포함한 콘택트렌즈의 성능을 파악하기 위해 콘택트렌즈 허가를 위한 기본적인 물리화학적 특성인 광투과율, 함수율, 산소투 과율을 측정하였다. 광투과율의 경우 UV-A, UV-B, 청광, Visible light로 세분화하여 측정하였다. 이후 감마망고스틴을 코팅한 콘택트렌즈의 항산화성, 항균성 시험을 진행하여 콘택트렌즈 형태에서도 항산화성과 항균성이 제대로 발현하는지 확인하였다.
광 투과율은 ISO 18369-4:2017(Ophthalmic optics contact lenses part4: Physicochemical properties of contact lenses materials)와 식약처 의료 기기 시험법을 기준으로 측정하였다. 충분히 수화시킨 렌즈를 ISO 18369-3의 표준생리식염수 용액(PBS)과 함께 측 정 큐벳에 넣고 측정한다. 자외선은 UV-A(316~380 ㎚)와 UV-B(280~315 ㎚) 두 가지를 측정하였고 350~500 ㎚의 청광차단과 380~780 ㎚ 영역의 가시광선 투과율까지 별도로 진행하였다. 시험기기는 Spectra Transmittance Meter(TM-2, TOPCON, JAPAN)을 이용하여 측정하였다.16)
함수율은 광 투과율과 마찬가지로 ISO 18369-4: 2017(Ophthalmic optics contact lenses part4: Physicochemical properties of contact lens materials) 와 식약처 의료기기시험법을 기준으로 측정하였다. 중량 측정법으로 측정하였고 과도한 표면수를 제거한 수화 상태에서 시험 표본의 무게를 측정한 후 오븐 혹은 진공 오븐에 100~110℃ (렌즈 재질이 변성될 경우 60.0±5.0℃)의 온도로 무게 변화가 없을 때까지 건조를 진행한 후 무게를 측정한다. 렌즈는 100~300 mg 사 용하며, 무게는 0.1 mg 단위로 측정한다. 함수율은 식 (1)을 이용하여 퍼센트로 계산하였다.
(m1: lens weight before drying, m2: lens weight after drying)
산소투과율은 폴라로그라피(polarographic) 방법을 이용하여 측정하고 O2 PERMEOMETER(201T, Createch/ Rehdr Dev, USA)를 사용하였다. 시험 시료는 ISO 18369-3의 표준생리식염수용액(PBS)에 넣어 상온 (20.0±2.0℃)에서 24시간 보관 후 눈의 온도와 같은 35.0±0.5℃에서 최소 2시간 이상 처리한 후 시험에 사용하였다.
항산화성은 DPPH 용액(0.2 mMol)을 이용하여 시간에 따라 라디칼이 제거되는 정도로 평가하였다. DPPH 용액은 DPPH 0.079 g을 100 ml 에탄올에 넣어 제조한 후, 10배 희석하여 사용하였다. 측정은 온도 37℃에서 시료들을 교반하면서 UV-vis spectrophotometer를 이용하여 517 nm에서의 용액 흡광도를 측정하여 변화량을 평가하였다. 이후 (2)의 식에 대입하여 라디칼 소거율을 계산하였다.14,15,17)
(Acontrol: initial absorbance, Atest: lens absorbance)
항균실험은 식품의약품안전처의 미생물 한도시험을 통해 정량적으로 나타내어 항균성을 판단하였다. 시험은 멤브레인필터법을 기준으로 하여 진행하였다. 공경이 0.45 μm 이하인 멤브레인필터를 사용하여 검체의 적당량을 멤브레인필터에 넣어 여과를 진행한다. 이후 적당량의 희석액을 여과시키고 총 호기성 미생물 수 측정용 멤브레인필터를 대두카제인소화한천배지의 표면으로 옮겨 30~35℃에서 3일 이내 배양 후 집락 수를 측정한다. 총 진균수 측정용 멤브레인필터는 사부로포도당한천배 지 표면으로 옮겨 20~25℃에서 5일 이내 배양 후 집략 수를 측정하여 판단하였다.
Ⅲ. 결 과
콘택트렌즈의 식약처 허가를 위한 필수 물리화학적 시험 몇 가지를 통해 망고스틴을 포함한 콘택트렌즈가 콘택트렌즈로서 기능을 하는지 확인하였다. 실험용 콘택트렌즈는 준비된 개시제와 단량체를 이용하여 제조하였으며, 실험 결과 비교를 위한 망고스틴코팅 콘택트렌즈는 제조된 콘택트렌즈에 IPN코팅기술을 이용하여 제조 한 뒤 실험에 사용하였다. 실험 결과값에서 코팅하지 않은 비교군 렌즈를 R로 표현하였고 IPN기술로 망고스틴 코팅한 렌즈를 침지농도에 따라 M40, M60, M100으로 표현하여 값을 나타내었다.
1. 광 투과율
아무것도 처리하지 않은 일반콘택트렌즈와 감마망고스틴으로 IPN코팅을한 콘택트렌즈의 광 투과율을 측정 한 결과는 Figure 3과 같다.
실험 결과에 따르면 코팅이 된 콘택트렌즈는 대조군 인 일반 콘택트렌즈와 비교할 때 전체적으로 광 투과율 이 떨어지는 것을 알 수 있다. 하지만 모든 빛에서 일정 한 비율로 크게 떨어지는 것이 아니라 인체에 해로운 UV와 청광의 범위에서는 크게 떨어지지만, 가시광선 범 위에서는 낮기는 하지만 대조군과 큰 차이가 없는 것을 확인했다. 특히 UV의 경우 60% 이상 크게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그에 반해 가시광선투과율의 경우 대체적 1%의 아주 낮은 차이를 보이지만 청광의 범위에 서는 좀 더 많은 편차를 보여 감마망고스틴 코팅 유무에 따른 가시광선 투과율 변화는 청광을 제외한 부분에서는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 시중 에 판매 중인 자외선 차단 콘택트렌즈와의 비교에서는 가시광선, 청광, UV-A에 대해서는 유의미한 차이가 날 정도의 차이는 보이지 않았다. 하지만 UV-B는 시중의 콘택트렌즈가 조금 더 좋은 효과를 보였지만 전체적으로 감마망고스틴코팅렌즈와 큰 차이를 보이지는 않았다.
따라서 감마망고스틴으로 코팅된 콘택트렌즈는 인체에 해로운 UV, Blue light 등 해로운 빛을 차단하여 눈을 보호하는 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
2. 함수율
콘택트렌즈는 함수율이 높지 않으면 눈에 불편함과 이물감을 주어 착용감을 감소시키게 되고 소비자는 착용 감이 좋은 렌즈를 고르기 위해 함수율이 높은 렌즈를 택하게 된다. 그만큼 렌즈의 물리적 특성에서 중요한 부분을 차지하는 요소 중의 하나이다.
함수율 측정 결과는 Figure 4 와 같다. 코팅하지 않은 렌즈는 40.89%, 감마망고스틴으로 코팅한 렌즈는 M40, M60, M100 순으로 40.58, 40.64, 40.51%로 감마망고스틴 코팅의 유무에 따른 함수율은 유의미한 차이가 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 감마망고스틴 코팅의 유무는 함수율에 큰 차이를 보이지 않는다. 또한, 함수율이 떨어지지 않기 때문에 일반렌즈와 비교했을 때 착용성에서 큰 차이가 나지 않을 것으로 보인다.
3. 산소투과율(Dk/t)
안구에 전달되는 산소는 눈물을 통한 영양공급과 더불어 중요한 요소 중의 하나이다. 콘택트렌즈 착용은 눈 에 전달되는 산소를 차단하여 각막에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 산소투과율(DK/t)은 눈 건강에 매우 중요한 역할을 한다. 측정한 산소투과율(Dk/t) 결과를 Table 3 에 나타내었다.
산소투과율(Dk/t)에 대한 측정 시료는 Figure 6과 같이 나타난다. 함수율과 마찬가지로 산소투과율 역시 코팅 유무에 따른 유의미한 차이를 보이지 않았다. 따라 서 감마망고스틴 코팅 유무는 산소투과율에 영향을 주지 않는다고 할 수 있다.
4. 항산화성 평가
IPN으로 코팅된 감마망고스틴 렌즈의 항산화성을 코팅이 되지 않은 것과 비교실험을 진행하였다. 항산화성 실험을 진행하기 전 감마망고스틴을 1, 10, 40, 100의 농도별로 UV-Vis spectrometor로 흡광도를 측정하여 나타낸 그래프가 Figure 7과 같다. 이후 517 nm에서의 흡광도를 이용하여 표준 항산화그래프를 만들어 렌즈의 침지농도에 따른 항산화율 그래프를 나타내었다. 이후 농도별로 침지 후 감마망고스틴이 코팅된 콘택트렌즈를 측정하여 분석하였다.
항산화율을 측정한 결과 M40, M60, M100 순으로 17.49, 28.46, 36.99%로 측정되었다. 농도가 높아질수록 항산화 수치도 점점 높아지는 것을 확인할 수 있지 만, 농도가 증가한 비율만큼 비례하여 상승하지는 않았다. 표준물질과의 항산화율을 비교해볼 때 콘택트렌즈에 코팅하였을 때의 항산화율은 감마망고스틴만 사용했을 때와 비교하여 50% 이상 감소된 수치를 보였다. M40, M60, M100 순으로 농도가 높아질수록 표준물질 대비 항산화 효과가 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 하지만 대조군의 경우 항산화 효과가 전혀 나타나지 않았으며, 감마망고스틴을 코팅한 실험군에서만 항산화 효과를 볼 수 있었다. 이 결과로 볼 때 감마망고스틴 코팅은 항산화 효과가 있다고 볼 수 있다. 항산화 효과 측정 결과를 바탕으로 하여 감마망고스틴 표준 항산화 그래프와 함께 Figure 8로 나타내었다.
5. 항균성 평가
감마망고스틴의 코팅 유무에 따른 콘택트렌즈에서의 항균성을 평가하였다. 그에 따른 실험 결과를 Figure 9 에 표시하였다. 시험 결과 SDA에서 혐기성 진균 배양실험에서 코팅하지 않은 콘택트렌즈의 경우 18 CFU/Unit 가 나타났다. 감마망고스틴으로 코팅한 콘택트렌즈의 경우 농도별로 12, 5, 3 CFU/Unit로 항균 효과가 확실히 있다는 것을 입증함과 동시에 농도에 따라 항균 활성이 점차 증가한다는 것을 알 수 있다. TSA에서 호기성 배양 실험한 결과에서는 코팅하지 않은 콘택트렌즈의 경우 45 CFU/Unit, 감마망고스틴으로 코팅한 렌즈는 33, 24, 9 CFU/Unit으로 혐기성세균과 마찬가지로 호기성 세균의 항균 효과가 있다는 것도 입증이 되었으며, 농도가 증가함에 따라 항균 활성이 증가하는 것을 확인하였다.
호기성, 혐기성 진균 모두 코팅하지 않은 렌즈는 감마망고스틴으로 코팅된 렌즈에 비해 최대 6배 이상의 많은 균을 확인할 수 있었다. 이 결과로 미루어 볼 때 감마망고스틴 코팅렌즈에는 균을 항균 하는 효과가 있다고 볼 수 있다.
Ⅳ. 고 찰
소프트콘택트렌즈 착용으로 발생되는 여러 안과적 질환을 해결하기 위해 수많은 연구가 진행되어왔다. 그 결과 안과적 질환을 해결하기 위한 기능성 렌즈들이 개발 되었다. 개발된 렌즈의 공통적인 특징으로는 항산화와 항균성을 지닌 렌즈를 개발하여 렌즈로 인해 손상된 각 막에 감염되는 안과적 질환의 발현확률을 낮추는 형태로 개발되었다. 이런 흐름에 따라 본 연구는 항산화와 항균 활성이 뛰어난 망고스틴을 이용한 고기능성 소프트렌즈 개발하는 것을 목표로 진행되었다.
감마망고스틴을 렌즈에 코팅하기위한 방법으로 IPN 을 이용한 코팅을 진행하였다. 실험에 사용한 감마망고 스틴의 구조는 Figure 10와 같은데 구조에 달린 많은 OH- 작용기와 ketone과 ether 구조로 인해 HEMA와 수소결합을 통한 렌즈와의 결합, H2O와의 결합을 통해 함수율과 관련하여도 큰 효과를 볼 수 있다. 하지만 함 수율 실험결과 큰 차이가 없었다. 이런 현상이 나타난 이유는 감마망고스틴 콘택트렌즈 두께는 평균 0.145 mm 대조군 콘택트렌즈 두께 0.143 mm로 함수율에 영 향을 줄 정도로 두꺼운 두께로 코팅되지 않았기 때문에 큰 변화가 없는 것으로 보인다. 그리고 감마망고스틴코팅은 구조의 이중결합으로 일부는 가교 되어 IPN코팅시 유용한 작용기로써 화학적으로도 결합하여 코팅된 부분 이 탈락하거나 분리될 염려도 없어 안전성에서도 좋은 효과를 나타낼 수 있을 것으로 보인다.
감마망고스틴 코팅 이후 렌즈로서 기능을 하기위한 기본적인 성능평가 3가지를 진행하였다. 실험설계단계 에서 예상된 함수율 증가 효과는 크게 나타나지 않았지 만, 일반렌즈와 큰 차이가 없어 눈의 수분 유지와 착용 감에서 큰 차이가 없어 렌즈의 기능을 할 수 있을 것으로 보인다. 최근에 망고스틴과 관련된 연구 중 자외선 차단 망고스틴이 자외선을 막아 세포의 자살 보호 효과가 입증되면서 자외선 차단 효율이 굉장히 높다는 것을 알 수 있었다.18) 본 연구에서도 높은 자외선 차단율을 기대했는데 마찬가지로 높은 자외선 차단을 확인할 수 있었고 추가로 청광에 대한 차단도 추가로 확인할 수 있었다. 또한, 시중에 판매되는 콘택트렌즈와의 비교에서 도 거의 차이가 없을 만큼 효과가 높게 나왔고 감마망고스틴코팅 렌즈의 경우 추가적인 기능들이 있어 시중의 콘택트렌즈보다 더욱 가치 있는 제품이 될 것이라 예상 된다. 렌즈의 기본적인 성능인 가시광선 투과율은 일반 렌즈와 거의 차이가 없을 정도로 비슷한 투과율을 보여 감마망고스틴의 코팅은 렌즈의 기능에 크게 미치지 않는 다는 것을 알 수 있다. IPN코팅을 통해 산소투과율이 감소할 것을 고려하여 진행된 실험에서는 코팅 전후 산소투과율의 변화 차이가 크게 나타나지 않아 IPN코팅을 하여도 산소가 충분히 통과할 수 있는 공간을 만들어 안구에 산소공급이 원활히 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 3가지 물리적성질 실험을 통하여 감마망고스틴 코팅렌즈도 콘택트렌즈로서의 기능을 잃지 않고 코팅에 따른 성능저하가 이루어지지 않아 일반렌즈와 비슷한 느낌의 착용감 및 사용성을 보여줄 것이라 예상된다.
항균, 항산화 시험 결과 감마망고스틴이 지닌 항균, 항산화 성질을 잃지 않고 그대로 보여준다는 것을 알 수 있었다. 항균에서 일반렌즈 대비 최대 6배 이상 항균 효과를 확인할 수 있었으며, 항산화 효과에서는 최대 36% 의 효과를 나타내어 항균, 항산화성이 뛰어난 렌즈를 제조할 수 있을 것으로 보인다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 항균, 항산화성을 갖는 기능성 콘택트 렌즈 개발을 위한 감마망고스틴의 역할을 확인해보았다. 콘택트렌즈에 망고스틴의 코팅은 렌즈의 기능성 저해를 일으키지 않고 착용자의 착용감까지 기존 렌즈와 큰 차이가 없을뿐더러 뛰어난 항균 항산화 성질을 갖고 있다 는 것을 확인하였다. 따라서 천연재료인 감마망고스틴을 활용한 렌즈 코팅은 기존 렌즈와의 비슷한 성능을 가지며 착용에 큰 부담이 없고, 콘택트렌즈 착용으로 인한 안과적 질환을 예방하고 발생비율을 낮출 수 있을 것으로 판단된다.
