Synthesis of a Polymer Containing HEMA and Gold and Silver Nanoparticles and its Application in Contact Lenses

HEMA와 금 및 은 나노입자를 포함한 고분자의 합성 및 콘택트렌즈로의 응용

Abstract

Recently, nanoparticles of gold and silver has been applied to various fields due to antimicrobial property. This study added Ag and Au nanoparticles in HEMA (2-hydroxyethylmethacrylate), NVP (N-vinyl pyrrolidone) and MMA (methylmethacrylate) and copolymerized the solution by heating at $70^{\circ}C$ for 40 minutes, $80^{\circ}C$ for 40 minutes, and finally, $100^{\circ}C$ for 40 minutes. Using the polymer produced through the copolymerization process, and measured the physical characteristics which showed water content of 28.43% ~ 35.27%, refractive index of 1.429 ~ 1.440, visible transmittance of 79.2% ~ 86.5% and tensile strength of 0.125 kgf ~ 0.201 kgf. We judged that we made the copolymer with antimicrobial and physical properties which is suitable for conventional contact lens.

최근 금(Au)과 은(Ag) 나노입자는 항균성의 특징으로 다양한 분야에서 응용되고 있다. 본 연구는 HEMA (2-hydroxyethylmethacrylate), NVP (N-vinyl pyrrolidone) MMA (methylmethacrylate)에 금과 은 나노입자를 첨가하였으며, $70^{\circ}C$에서 약 40분, $80^{\circ}C$에서 약 40분 마지막으로 $100^{\circ}C$에서 약 40분 동안의 열처리 공정을 거쳐 공중합 하였다. 중합 과정을 거쳐 중합된 고분자를 통해 물리적 특성을 측정한 결과, 함수율 28.43% ~ 35.27%, 굴절률 1.429 ~ 1.440를 나타내었으며, 가시 광선 투과율 79.2% ~ 86.5% 그리고 인장강도 값은 0.125 kgf ~ 0.201 kgf을 나타내었다. 본 실험 결과로 볼 때 항균성을 가지면서 기존의 콘택트렌즈의 물리적 특성에도 부합되는 공중합체가 생성된 것으로 판단된다.

서론

안구의 표면에 직접 접촉되는 콘택트렌즈는 시력을 보정하기 위한 광학적인 특성 뿐 아니라 인체에 미치는 생리적 특성이 매우 중요하다. 따라서 콘택트렌즈에 사용되는 고분자는 광학적 특성이 우수한 PMMA(poly methyl methacrylate)에서 착용감이 뛰어난 hydrogel lens의 재료인 PHEMA(poly 2-hydroxyethyl methacrylate) 등으로 발전하였으며, 최근에는 기능성 고분자를 활용하여 콘택트렌즈의 적용에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.1-4

기능성 콘택트렌즈의 재료들로는 산소투과도를 증가시키기 위한 silicone계 물질과 자외선 차단을 위한 benzophenone계 물질 등이 있다. 또한 굴절률을 증가시키기 위한 styrene과 습윤성을 증가시키기 위한 propylene glycol 등이 사용되고 있으며, 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.5

콘택트렌즈는 안경과 달리 안구에 직접 착용함에 따라 위생적인 관리와 착용에 있어 주의가 필요하다. 그러나 부주의로 인한 안질환은 쉽게 나타날 수 있다. 예를 들어 접촉성 각결막염(contact keratoconjunctivitis), 각막상피외상(corneal epithelium trauma), 각막부종(cornreal edema) 그리고 거대유두결막염(giant papillary conjunctivitis)등이 유발될 수 있으며, 이는 가려움증과 점성 분비물, 충혈을 발생시켜 합병증을 야기 시킨다.6,7 눈은 많은 신경세포와 다양한 형태의 섬유로 구성되어 있으며, 인류의 어느 신체조직 보다 균에 쉽게 노출되어 있는 조직 중 하나이다. 또한 눈은 높은 습도와 적절한 온도의 환경으로 이루어져 있으며, 그리고 공기 중의 먼지와 미생물로 부터의 접근이 용이하다. 이로 인해 세균의 감염은 안과적인 문제로 이어지며 빠르고 다발적으로 증상을 유발시킨다. 눈과 관련된 세균은 진균, 녹농균 그리고 포도상구균 등이 대표적이다. 일상생활 속에서 먼지, 각종 의복 등에 서식하는 진균에 의한 진균각막궤양(fungal corneal ulcer), 오염된 콘택트렌즈 보관용기로 인해 잘 생성되는 녹농균에 의한 녹농균성 각막궤양(pseudomonas corneal ulcer) 그리고 포도상구균에 의한 급성카타르성 결막염(acute catarrhal conjunctvitis)과 만성세균결막염(chronic bacterial conjunctivitis) 등이 있다.8-10 최근 항균성을 갖는 나노 물질로 나노 금과 나노 은을 이용한 제품과 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.11-14 나노 금과 나노 은은 생체 적합성이 뛰어난 것으로 알려지면서 의료기기에도 그 사용이 확대 되어 가고 있다. 본 연구에서는 콘택트렌즈의 보관과 사용 중에 발생되는 세균 제거에 대해 도움이 되는 항균성 물질로 나노 금과 나노 은을 기존의 콘택트렌즈에 사용되는 재료인 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate), MMA(methyl methacrylate), NVP(N-vinyl pyrrolidone), EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)등에 적용하여 기능성 안 의료용 콘택트렌즈를 중합하였고, 기존 콘택트렌즈의 물리적 특성에 부합되는 정도를 굴절률, 함수율, 광투과율, 인장강도 등을 통하여 알아보았다. 본 연구는 나노 소재를 사용한 기능성 콘택트렌즈 분야에 응용이 가능 할 것으로 판단된다.

 

실험

시약 및 재료

실험에 사용된 재료는 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)와 개시제인 AIBN(azobisisobutyronitrile)은 JUNSEI사 제품을, NVP(N-vinyl pyrrolidone)와 EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)는 Acros사 제품을, MMA(methyl methacrylate)는 Crown Guaranteed Reagents사 제품을 그리고 silver nitrate는 Sigma-Aldrch사의 제품을 구입하여 사용하였다. 또한 실험에 사용된 나노 은은 2 ~ 5 nm 입자를, 나노 금은 20 ~ 30 nm colloid 입자를 25 ppm 농도로 사용하였다.

실험 방법

기존 콘택트렌즈에 사용되는 HEMA, NVP, 그리고 MMA와 일정량의 나노 은을 첨가한 배합비에 나노 금을 1%에서 30%까지 증가시켜 배합 후 교반하였다. 사용한 가교제로는 EGDMA를, 개시제는 AIBN을 사용하였으며, 재료를 약 30분 동안 교반하였다. 교반되어진 재료는 콘택트렌즈 몰드에 주입 후 열중합 방식을 통하여 70 ℃ 에서 약 40분, 80 ℃ 에서 약 40분 건조하였다. 마지막으로 100 ℃에서 약 40분 열처리 공정을 거친 후 제조하였다. 기존 콘택트렌즈로 사용되는 재료인 HEMA, NVP, 그리고 MMA를 중합한 sample과 나노 은을 첨가한 sample 그리고 나노 금과 나노 은을 함께 첨가한 sample 각각의 물리적 특성을 알아보았으며, 이를 비교 분석하였다. 제조된 고분자의 물리적 특성은 오차를 줄이기 위해 각각 3번씩 측정하여 정확도를 높였다.

측정 기기 및 분석

습윤성

습윤성 측정은 접촉각을 측정하여 평가하였으며, S.E.O.사의 Phoenix-Mini 접촉각 측정기를 사용하였다. 접촉각의 측정은 상온에서 순수한 증류수를 제조된 콘택트렌즈 sample의 표면에 떨어뜨려 생성된 각을 측정하였다. 접촉각의 측정은 3회씩 측정하고 그 평균값을 사용하였다.

함수율

함수율은 케스트 몰드법(cast mould)을 통해 제조된 콘택트렌즈의 건조 무게와 0.9%의 염화나트륨(NaCl) 용액에서 약 24시간 동안 함수 시킨 후 수화된 무게를 측정하여 중량 측정법을 통해 산출하였다.

굴절률

굴절률은 0.9%의 염화나트륨(NaCl) 용액에서 약 24시간 동안 수화시킨 후 함수된 sample을 filter paper No. 1-whatman(Whatman International Ltd, England)을 사용하여 수분을 제거한 후 ABBE Refractormeter(ATAGO NAR 1T, Japan)를 사용하여 측정하였다. 측정 핸들을 돌려 경계선에 위치될 때 눈금을 읽어 굴절률을 측정하였다.

인장강도

인장강도는 0.9%의 염화나트륨(NaCl) 용액에서 약 24시간 동안 수화시킨 후 함수된 sample을 filter paper No.1-whatman(Whatman International Ltd, England)을 사용하여 수분을 제거 시킨 후 0에서 10초 시간 동안 0.000 kgf에서 1.000 kgf의 힘을 sample에 가해 파괴 될 때의 값을 인장강도로 나타내었다.

광투과율

광투과율은 TOPCON TM-2를 사용하여 자외선 영역과 가시광선 영역에서의 투과율을 측정하였다.

 

결과 및 고찰

나노 Ag를 첨가한 콘택트렌즈

재료의 배합비

HEMA(96.20%), NVP(2.50%), MMA(1.00%), EGDMA(0.30%)를 기본 조합으로 하여 이를 H로 분류하여 명명하였고, Ag colloid의 양을 0.25%에서 1.50%까지 점차적으로 농도를 증가시켜 Ag-1, Ag-2, Ag-3 그리고 Ag-4로 각각을 분류하여 명명하였다. 이에 대한 배합비를 Table 1에 나타내었다.

Table 1.Percents composition of sample (Ag)

물리적 특성

함수율은 건조한 무게와 함수된 무게에 의해 얻어진 무게를 통해 함수율로 산출하였으며, 그 평균 함수율을 Table 2에 나타내었다. Reference sample H의 함수율은 34.54%을, Ag-1은 34.70%을, Ag-2는 36.19%을 나타내었고, Ag-3은 38.72%을 그리고 Ag-4는 39.03%를 각각 나타내었다. Sample H의 굴절률 평균은 1.445, Ag-1은 1.444 그리고 Ag-2는 1.442를 나타내었으며, Ag-3은 1.437 그리고 Ag-4는 1.436을 각각 나타내었다. 또한 sample H의 광투과율은 UV-B, UV-A 그리고 visible ray 빛에 대해 각각 82.0%, 84.4%, 83.8%를, Ag-1은 81.5%, 83.3% 83.5% 그리고 Ag-2는 80.2%, 81.6%, 82.2%를 나타내었고, Ag-3의 경우 78.6%, 80.6%, 79.8% 그리고 Ag-4는 78.2%, 79.2% 79.1%를 각각 나타내었다. 평균 인장강도는 0.117 kgf ~ 0.198 kgf를 나타내어 기존 콘택트렌즈의 물리적 특성에 부합되는 것으로 판단된다. 나노 Ag를 첨가한 콘택트렌즈의 물리적 특성을 Table 2에 정리하여 나타내었다.

Table 2.Physical properties of samples (Ag)

나노 Ag과 나노 Au를 첨가한 콘택트렌즈

재료의 배합비

HEMA(96.20%), NVP(2.50%), MMA(1.00%), EGDMA(0.30%)를 기본 조합으로 하여 이를 R로 그리고 Ag colloid의 양을 0.5% 첨가하여 중합한 sample을 A1로 분류하여 명명하였다. A0.5는 사전 실험에서의 Ag-2의 조합을 통해 얻어진 조합이며, 이를 기본으로 Au의 양을 점차적으로 1%에서 30%까지 증가시켜 각각을 AG1에서 AG30으로 분류하여 명명하였다. 이에 대한 배합비를 Table 3에 나타내었다.

Table 3.Percents composition of sample

함수율

측정 후 계산된 평균 함수율을 Table 4에 나타내었으며, 측정된 함수율의 경향을 Fig. 1에 나타내었다. 함수율은 중량측정법에 의해서 계산하였으며, 다음 식(1)을 이용하였다. 식(1)을 이용한 함수율 계산 예를 다음에 나타내었다.

Table 4.Physical properties of samples (Water content)

기존 콘택트렌즈 재료를 중합한 sample R의 평균 함수율은 33.34% 그리고 은 나노 0.5% 첨가하여 중합한 sample A0.5의 평균 함수율은 35.27%를 나타내었다. Sample A의 중합비에 금 나노 1.0% ~ 30%를 첨가한 AG1 ~ AG30의 각각의 함수율 평균은 33.52%, 33.47%, 33.44%, 32.96%, 32.46% 그리고 28.43%를 각각 나타내었다. 함수율의 경우 R sample에 비해 나노 은을 포함한 조합에서 함수율이 증가하였으며, 나노 금의 비율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 나노 금을 약 30% 첨가한 조합에서는 급격하게 함수율이 감소하는 것으로 나타났다. 나노 은의 경우는 반대의 경향이 나타났으며, 이는 나노 은의 친수성으로 인해 함수율이 증가하였으나 나노 금을 포함하는 경우에는 주재료인 친수성 HEMA와의 배위결합으로 HEMA가 갖는 물과의 경쟁반응에서 더 우세하게 작용하여 HEMA의 친수성을 방해하기 때문에 함수율이 감소하는 것으로 판단된다.

Fig. 1.Distribution of water content

굴절률

공중합하여 24시간 후 수화된 sample의 평균 굴절률을 Table 5에, 그 경향을 Fig. 2에 나타내었다. sample R은 1.431, A0.5는 1.429를 나타냈으며, sample A의 중합비에 금 나노 1.0% ~ 30%를 첨가한 AG1 ~ AG30의 굴절률 평균은 각각 1.431, 1.431, 1.431, 1.432, 1.432, 그리고 1.440을 나타내었다. 굴절률의 경우, 함수율과는 반대되는 경향을 나타냈으며, 나노 금의 함량이 증가할수록 굴절률은 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 나노 금을 약 30% 넣은 조합에서는 급격하게 굴절률이 증가하는 것으로 나타났다. 굴절률은 함수율과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며, 함수율이 증가하면 일반적으로 굴절률은 감소하는 경향을 나타내게 되는데 본 연구에서도 같은 경향을 나타내었다.

Fig. 2.Distribution of refractive index

Table 5.Physical properties of samples (Refractive index)

광투과율

중합하여 얻어진 콘택트렌즈 sample의 자외선과 가시광선의 평균 투과율을 Table 6에, Ag-1 sample 하나의 광투과율을 Fig. 3에 나타내었다. Sample R의 광투과율은 UV-B, UV-A 및 visible ray에 대해 각각 84.0%, 85.4%, 86.5%를, A0.5는 81.2%, 80.1% 83.5% 그리고 AG1은 80.4%, 81.2%, 82.2%를, AG3은 81.5%, 81.3%, 81.2%를 나타내었다. AG5의 UV-B, UV-A과 Visible rays는 80.7%, 82.5%, 81.2%를, AG7은 80.5%, 80.9%, 80.7%를, AG10은 81.5%, 81.8%. 81.1%를 그리고 AG30은 79.9%, 78.4% 79.2%를 각각 나타내었다.

Table 6.Optical transmittance of samples.

Fig. 3.Optical transmittance of sample contact lens (AG10-4)

인장강도

중합한 고분자를 사용하여 제조된 콘택트렌즈의 평균 인장강도는 0.125 kgf ~ 0.201 kgf를 나타내어 기존 콘택트렌즈의 물리적 특성에 부합되는 것으로 나타났다. AG5-1의 인장강도 측정 그래프를 대표적으로 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4.Tensile strength of contact lens (AG5-1)

접촉각

접촉각은 습윤성을 나타낼 수 있는 콘택트렌즈의 물리적 특성으로 고체의 표면 특성에 따라 차이가 발생한다. 일반적으로 접촉각이 작을수록 친수성(hydrophilic) 물질이며, 클수록 소수성(hydrophobic)의 특성을 나타낸다. 본 연구에는 접촉각 방법 중 고체표면에 액체를 떨어뜨려 그 각을 측정하는 sessile drop method를 사용하였다. 접촉각 측정 결과 sample R은 46.25˚ A0.5는 42.48˚를 나타냈으며, sample A의 중합비에 금 나노 1.0% ~ 30%를 첨가한 AG1 ~ AG30의 각각의 굴절률 평균은 46.42˚, 46.16˚, 46.28˚, 49.66˚, 50.25˚, 57.42˚을 나타내었다. 접촉각의 경우, 함수율이 감소할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 함수율이 급격하게 감소하는 나노 금을 약 30% 넣은 AG30 조합에서 가장 큰 값을 나타내었다. 접촉각의 경우 함수율과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며, 일반적으로 함수율과 반비례 관계를 나타낸다. 본 연구에서도 함수율이 증가함에 따라 접촉각은 작아져 습윤성이 증가하는 것으로 나타났다. 각 조합의 접촉각 측정 결과를 Table 7에 나타내었으며, 각 sample의 접촉각 측정 결과를 Fig. 5-7에 각각 나타내었다.

Table 7.Physical properties of samples (Contact angle)

Fig 5.Contact angle of contact lens (A0.5-1)

Fig 6.Contact angle of contact lens (AG5-1)

Fig 7.Contact angle of contact lens (AG30-1)

 

결론

콘택트렌즈의 주재료에 나노 은을 첨가한 실험에서는 콘택트렌즈의 함수 후의 광투과율 79.1% ~ 83.8%, 굴절률 1.436~1.445의 범위를, 인장강도의 경우 0.117 kgf ~ 0.198 kgf를 그리고 함수율은 34.54% ~ 39.03%를 나타내었다. 함수율은 은의 함량이 증가할수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 금과 은을 함께 첨가한 실험에서의 물리적 특성으로 광투과율은 79.2% ~ 86.5%를, 굴절률은 1.429 ~ 1.440의 범위를, 인장강도는 0.125 kgf ~ 0.201 kgf 범위를 그리고 함수율은 28.43% ~ 35.27%를 나타내었으며, 은을 일정량 증가시킨 경우와 비교하여 금을 첨가한 경우의 실험에서는 금의 함량이 증가할수록 함수율과 접촉각이 감소하는 경향을 나타내었다. 제조된 sample은 항균성을 포함한 기능성 고분자로 다양하게 적용이 가능할 것으로 판단된다.