The Effects of Diphenylsilanediol on Hydrophilicity and Oxygen Permeability of Hydrogel Ophthalmic Lens

Diphenylsilanediol이 하이드로젤 의료용 렌즈의 친수성 및 산소침투율에 미치는 영향

서 론

국내의 안의료용 고분자에 대한 연구는 최근 매우 활발히 진행되고 있으며, 기본적인 물성의 변화뿐만 아니라 항균성, 자외선 차단성, 고산소투과성 등의 기능성을 지닌 재료에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.1-3 최근에 가장 주목받고 있는 콘택트렌즈의 특성으로는 착용감과 안과적 부작용에 큰 영향을 주는 습윤성 및 산소투과성 등이 있으며, 특히 콘택트렌즈 고분자의 산소투과율은 여러 물리적 특성 중 안과적 부작용과 관련하여 매우 중요한 특성이다. 혈관이 없는 각막은 대기 중의 산소를 통해 대부분의 산소를 공급 받는데 각막 위에 콘택트렌즈가 착용되면 각막에 충분한 산소가 공급되지 않아 각막부종, 신생혈관 등의 여러 가지 부작용이 야기 될 수 있기 때문이다.4,5 이와 관련하여 콘택트렌즈의 산소투과율을 증가시키기 위한 연구는 실리콘이 포함된 prepolymer를 사용하여 만든 친수성 hydrogel 콘택트렌즈 연구를 중심으로 진행되어 왔다.6-8 최근에는 산소투과성 재료로 많이 사용되는 PDMS(polydimethylsiloxane)뿐만 아니라 polyphosphazene 또한 고산소투과율 콘택트렌즈 재료로 사용하는 연구가 진행되고 있고 있으며,9 물에 용해된 산소의 양이 증가하여 산소가 눈의 각막에 더 많이 전달될 수 있도록 하기 위해 콘택트렌즈 재질의 함수율을 증가시키는 방법도 연구 되고 있다.10,11 그러나 함수율의 증가는 내구성의 감소와 침착물의 증가를 유도하여 함수율의 조절을 통한 산소투과율의 증가는 한계가 있다. 또한 최근에는 수용성(water solubility)과 생체적합성(biocompatibility)의 특성을 동시에 가지고 있는 물질인 polyN,N-dimethylacrylamide(PDMA)를 사용하여 산소투과율을 높이려는 연구도 진행되었다.12 그러나 이 물질 역시 함수율을 증가시키는 단점을 가지고 있어 그 사용이 제한적이다.

이에 본 연구는 접착제와 코팅제, polyamide와 epoxy resin의 개선제, 수지와 제지의 보호제와 같은 많은 분야에서 다양하게 활용되고 있는 N,N-dimethylacrylamide와13,14 소수성의 특성을 지니면서도 습윤성이 좋은 1,4-butylene dimethacrylate를 hydrogel 콘택트렌즈 재료로 가장 널리 사용되는 2-hydroxyethyl methacrylate와 함께 공중합 하였으며, 특히 산소투과율을 증가시키기 위해 diphenylsilanediol을 비율별로 첨가하여 기본적인 물성 및 산소투과율의 변화를 알아보았다.

 

실 험

시약 및 재료

실험에 사용된 2-hydroxyethyl methacrylate와 중합을 위해 사용된 개시제인 AIBN(azobisisobutyronitrile)은 JUNSEI사 제품을 사용하였으며, 1,4-butylene dimethacrylate, N,N-dimethylacrylamide, diphenylsilanediol, 그리고 가교제인 EGDMA(ethylene glycol dimethacrylate)는 모두 Aldrich사 제품을 사용하였다. 실험에 사용된 모든 시약은 특별한 정제 없이 사용하였다. 본 연구에 사용된 주요 물질들의 구조식을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.Structures of additive and monomer.

고분자 중합

친수성 hydrogel 콘택트렌즈 재료를 위해 2-hydroxyethyl methacrylate, 1,4-butylene dimethacrylate, N,N-dimethylacrylamide와 가교제인 EGDMA를 기본 조합으로 하였으며, diphenylsilanediol을 비율별로 첨가하였다. 또한 개시제로는 AIBN을 사용하였다. 물성 및 산소투과율의 변화를 측정하기 위해 diphenylsilanediol을 배합비에 따라 첨가한 각각의 sample을 약 30분 동안 교반한 후 oven을 통한 열중합 방식을 사용하여 중합하였다. 콘택트렌즈의 성형은 cast mould 방법을 사용하였으며, 제조된 콘택트렌즈 sample은 0.9%의 염화나트륨 생리 식염수에 24시간 수화시킨 후 함수율, 굴절률, 분광투과율, 산소투과율을 각각 측정하였다.

실험에 사용된 각 sample은 diphenylsilanediol의 첨가 비율에 따라 각각 Ref., DPS-1, DPS-3, DPS-5, DPS-7, DPS-10으로 분류하여 명명하였다. 모든 조합은 총 5개의 sample을 제조한 후 실험하여 평균값을 나타내었다. 실험에 사용한 콘택트렌즈 sample의 배합비를 Table 1에 정리하여 나타내었다.

Table 1.Percent compositions of samples

측정기기 및 분석

함수율 측정은 ISO 18369-4:2006을 기준으로 gravimetric method를 사용하여 측정하였으며, 굴절률은 ISO 18369-4:2006을 기준으로 하여 ABBE refractormeter(ATAGO NAR1T, Japan)를 사용하였으며, 수화된 상태의 콘택트렌즈를 총 3회 측정한 평균값을 사용하였다. 분광투과율 측정을 위해 TM-2(TOPCON, Japan)를 사용하였으며, 가시광선 및 UV-A, UV-B 영역에 대해 각각 백분율로 표시하여 그 투과율을 나타내었다. 산소침투율(Dk) 및 산소투과율(Dk/t) 측정은 ISO 18369-4:2006를 기준으로 polarographic method를 사용하여 측정하였다. 측정에 사용된 기기는 Rehder singlechamber system-O2 permeometer(Rehder, USA)를 사용하였으며, 온도를 일정하게 유지하기 위한 발열상자(heated box)는 General Incubator(LIB-030M, Labtech, Korea)를 사용하였다. 전체 시스템은 (35±0.5)℃의 온도를 유지하였으며, 실험에 사용된 콘택트렌즈는 최소 검사 24시간 전에 표준 식염수 용액에 보관하고 검사 온도에서 최소한 2시간동안 평형을 이루게 하였다. 콘택트렌즈 재질의 고유한 특성인 산소침투율(oxygen permeability; Dk) 측정을 위한 콘택트렌즈의 두께는 ISO 18369-3:2006을 기준으로 electronic thickness gauge Model ET-3(Rehder, USA)을 사용하여 중심부의 두께를 측정하였다.

 

결과 및 고찰

고분자 중합 및 제조

2-Hydroxyethyl methacrylate, 1,4-butylene dimethacrylate, N,N-dimethylacrylamide, 그리고 diphenylsilanediol과 가교제인 EGDMA를 사용하여 고분자를 중합한 결과, 무색의 투명한 하이드로젤 렌즈가 제조되었다. 또한 모든 조합의 콘택트렌즈는 표준 식염수 용액에서 24시간 수화시킨 결과 유연하고 부드러운 특성을 나타내었다. 제조된 친수성 hydrogel 콘택트렌즈의 SEM 분석 사진을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2.SEM image of contact lens sample (DPS-1).

함수율

생성된 고분자의 물 함량을 평가하기 위해 gravimetric method를 사용하여 함수율을 측정한 결과, diphenylsilanediol을 첨가하지 않은 Ref.는 36.74%로 나타났다. 이는 일반적인 하이드로젤 콘택트렌즈의 함수율과 비슷한 수치를 나타냈다. 또한 diphenylsilanediol을 비율별로 첨가한 조합에서는 DPS-1이 36.61%, DPS-3 35.70, DPS-5 35.54%, DPS-7 37.80%, 그리고 DPS-10이 36.91%로 나타났다. 전체적으로 함수율의 변화가 크진 않았지만 diphenylsilanediol의 첨가 비율이 7% 이상일 때 함수율이 다소 증가하였다. 이는 친수성 물질인 HEMA의 감소로 인해 diphenylsilanediol이 7% 첨가된 경우까지 다소 감소하였으나, 10% 첨가한 경우 diphenylsilanediol의 영향으로 다시 친수성의 특성을 나타낸 것으로 판단된다. 각 sample의 함수율 측정 결과를 Table 2에 나타내었다.

Table 2.* wH2O is the water content. ** mhydrated is the mass of the hydrated test specimens. *** mdry is the mass of the dry test specimens.

굴절률

각 sample의 굴절률을 측정한 결과, diphenylsilanediol을 첨가하지 않은 Ref.는 1.4353으로 나타났다. 또한 diphenylsilanediol을 비율별로 첨가한 조합에서는 DPS-1이 1.4370, DPS-3 1.4387, DPS-5 1.4410, DPS-7 1.4425, 그리고 DPS-10이 1.4363으로 각각 측정되었다. 굴절률의 경우 diphenylsilanediol의 첨가비율에 따라 큰 차이를 나타내지는 않았으나 전체적으로 함수율과 반비례 관계를 나타내었다. 각 sample의 굴절률 변화를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3.Refractive index of samples.

분광 투과율

각 sample의 가시광선 영역에 대한 분광 투과율을 측정한 결과, diphenylsilanediol을 첨가하지 않은 Ref.는 90.0%를 나타내어 높은 가시광선 투과율을 나타내었다. 또한 diphenylsilanediol을 비율별로 첨가한 조합의 가시광선 투과율은 DPS-1 89.5%, DPS-3 87.0%, DPS-5 86.7%, DPS-7 84.2%, 그리고 DPS-10이 84.2%로 나타났다. 전체적으로 diphenylsilanediol의 첨가비율이 증가할수록 가시광선의 투과율은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 투명도의 전체적인 감소보다는 450 nm 이하의 투과율의 감소가 Ref. 조합에 비해 크게 나타났기 때문으로 판단된다.

자외선 영역의 분광투과율을 측정한 결과, Ref. 조합은 UV-A 86.0%, UV-B 82.5%로 나타났으며, 가시광선 투과율에 비해 자외선 영역의 투과율이 다소 낮게 측정되었으나 자외선을 크게 차단하지는 못하는 것으로 나타났다. 또한 DPS-1 sample의 경우 UV-A 82.7%, UV-B 73.3%로 측정되었으며, DPS-3은 UV-A 75.5%, UV-B 66.5%, DPS-5는 UV-A 70.3%, UV-B 58.0%, DPS-7은 UV-A 67.5%, UV-B 56.7%, 그리고 DPS-10은 UV-A 65.0%, UV-B 54.0%로 측정되었다. 전체적으로 diphenylsilanediol의 첨가비율이 증가할수록 자외선 영역의 투과율은 감소하는 것으로 나타났으며 diphenylsilanediol을 약 10% 정도 첨가할 경우 일정부분 자외선을 차단할 수 있는 것으로 나타났다. 모든 조합에 대한 분광투과율을 Table 3에 나타내었으며, Ref.와 DPS-10의 분광투과율 그래프를 Fig. 4에 나타내었다.

Table 3.Spectral transmittance of samples

Fig. 4.Spectral transmittance of sample (Ref. and DPS-10).

산소침투율(oxygen permeability; Dk)

각 sample의 산소침투율(Dk)은 산소투과율(Dk/t)과 중심두께를 측정한 후 계산하여 결정하였다. 먼저 각 조합의 중심두께는 0.312~0.447 μm의 범위로 측정되었으며, 이는 굴절력을 주기 위한 절삭과정 전의 상태이므로 일반적인 콘택트렌즈의 두께보다 다소 두껍게 측정되었다. 또한 각 sample의 산소투과율(Dk/t)은 3.297~5.272×10-9 (cm/sec)(mlO2/ml×mmHg)의 범위로 측정되었다. 이는 일반적인 하이드로젤 콘택트렌즈에 비해 낮은 수치이나 두께가 두껍기 때문에 상대적으로 낮은 산소투과율(Dk/t)을 나타낸 것으로 판단된다.

Table 4.+Dk/t : ×10-9(cm/sec)(mlO2/ml × mmHg) ++Dk : ×10-11(cm2/sec)(mlO2/ml × mmHg)

재질의 고유한 특성인 산소침투율(Dk)은 diphenylsilanediol이 포함되지 않은 Ref.가 14.738×10-11(cm2/sec) (mlO2/ml×mmHg)로 측정되었다. 이는 일반적인 하이드로젤콘택트렌즈보다 다소 높은 수치로 N,N-dimethylacrylamide가 산소침투율을 다소 증가시킨 것으로 판단된다. 또한 diphenylsilanediol을 비율별로 첨가한 조합에서는 DPS-1 15.597, DPS-3 15.012, DPS-5 15.816, DPS-7 17.132, 그리고 DPS-10이 12.929×10-11(cm2/sec)(mlO2/ml×mmHg)로 측정되었다. 전체적으로 diphenylsilanediol의 첨가 비율이 증가할수록 산소침투율(Dk)이 증가하는 것으로 나타나 diphenylsilanediol가 산소침투율(Dk)을 증가시키는 것으로 판단된다. 그러나 diphenylsilanediol을 약 10% 첨가한 조합에서는 오히려 큰 폭의 산소침투율의 감소를 나타내어 Ref. 조합보다 낮은 수치를 나타냈다. 이 결과로 볼 때, 많은 양의 diphenylsilanediol의 첨가는 산소침투율의 감소를 가져올 수 있다고 판단된다. 각 조합의 중심두께와 산소투과율 및 산소침투율을 Table 4에 나타내었으며, 각 sample들에 대한 polarographic cell에 전달되는 전류의 측정 그래프를 Fig. 5에 각각 나타내었다.

Fig. 5.Probe current and temperature versus time (a:Ref., b:DPS-1, c:DPS-7, d:DPS-10).

Fig. 6.Water content and oxygen permeability of samples.

일반적으로 하이드로젤 콘택트렌즈의 경우 함수율과 비례하여 산소침투율은 증가한다. 이는 재질의 함수율이 증가할수록 물에 용해된 산소의 양이 증가하여 산소가 더 많이 전달되기 때문이다. 그러나 본 실험에서는 diphenylsilanediol의 첨가가 함수율에 큰 영향을 주지는 않았으나 산소침투율에서는 그 값의 차이가 나타났다. 또한 이 결과로 볼 때, diphenylsilanediol이 10% 이상 첨가된 경우는 함수율과 관계없이 구조적으로 산소침투율을 감소시키는 것으로 나타났다. 각 조합의 함수율과 산소침투율의 변화 경향을 Fig. 6에 비교하여 나타내었다.

 

결 론

본 연구는 N,N-dimethylacrylamide와 1,4-butylene dimethacrylate를 hydrogel 콘택트렌즈 재료로 가장 널리 사용되는 2-hydroxyethyl methacrylate와 혼합한 후 diphenylsilanediol을 비율별로 첨가하여 기본적인 물성 및 산소투과율의 변화를 측정하였다. 그 결과, diphenylsilanediol의 첨가가 함수율과 굴절률에는 큰 변화를 나타내지 않았으나 산소 침투율은 증가시키는 것으로 나타났다. 그러나 diphenylsilanediol이 10% 첨가 되었을 경우, 산소침투율은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 또한 diphenylsilanediol의 첨가는 일정부분의 자외선을 차단하는 것으로 나타났다. 이상의 결과를 통해, diphenylsilanediol은 일정량을 첨가하였을 경우 함수율을 증가시키지 않으면서 산소침투율을 증가시키는 하이드로젤 콘택트렌즈 재료로 적용 가능할 것으로 판단된다.