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국내에서 시판되고 있는 –3.00 D인 소프트콘택트렌즈 5종과 RGP 렌즈 5종을 선택하였다. 소프트 콘택트렌즈는 Nesofilcon A(NeF) Senofilcon A(SeF) Narafilcon A(NaF) Hilafilcon B(HiF) Somofilcon A(SoF)를 사용하였다. RGP 콘택트렌즈는 Itafocon A(IFA) Kolfocoon A(KFA) Pasifocon A(PFA) Pasifcon C(PFC) Silafocon A(SFA)를 사용하였다. 소프트 콘택트렌즈와 RGP 렌즈의 정보는 각각 Table 1, 2에 나타내었다.

콘택트렌즈를 ISO 18369-3 기준의 표준 생리식염수(PBS)에 수화시켜 습윤성을 평가하였다. 용액 교체는 24시간마다 한 번씩 3회 교체하여 총 72시간 동안 수화시켰다.

접촉각 측정 시 독일 Kruss GMBH 사의 Contact Angle Instrument(DSA30)를 사용하여 접촉각을 측정하였다. 실험실 환경은 일정한 실내 조건을 온도 20°C(±2°C), 습도 55%(±5%)로 유지시킨 상태에서 각각 5회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다.

본 논문에서는 RGP 콘택트렌즈와 소프트 콘택트렌즈의 습윤성을 ANSI Z80.20-2004의 기준인 drop 방법과 bubble 방법으로 측정하였다. 접촉각 측정 방법에 따른 측정 결과는 RGP 렌즈를 기준으로 소프트 콘택트렌즈의 접촉각 측정 결과를 비교하였다.

Sessile drop 기법은 액체 방울을 콘택트렌즈와 같은 기판에 떨어트려 액적과 렌즈 표면 사이에 형성된 접촉각을 측정하는 방법으로 가장 간단한 형태의 광학 기반 장력측정 기술이다.^[6] 본 논문에서는 ANSI Z80.20-2004 기준으로 표준 식염수 2 ㎕ 한 방울을 콘택트렌즈 표면 위에 놓아 액적과 콘택트렌즈가 이루는 각도를 측정하였다. 본 논문에서는 drop 방법으로 표기하였다.

Fig. 1. 
Measurement of the contact angle using the Sessile drop method.

Fig. 2. 
Measurement of the contact angle using the Captive Bubble method.

Captive bubble 기법은 유체에 콘택트렌즈가 잠긴 상태에서 기포를 접촉시켜 형성된 고체/액체 표면으로 접촉각을 측정하며,^[7-8] 역전된 Sessile drop 방법으로 간주할 수 있다.^[6] 본 논문에서는 ANSI Z80.20-2004 기준으로 표준식염수에 잠긴 콘택트렌즈 아래에 10 ㎕의 기포를 배치하여 기포와 콘택트렌즈가 이루는 각도를 측정하였다. 본 논문에서는 bubble 방법으로 표기하였다.

접촉각 측정 방법 중 소프트 콘택트렌즈에 적합한 습윤성 측정 방법을 알아보기 위해 반복 측정 및 시간에 따른 접촉각 변화를 측정하였다. 먼저 접촉각 측정 방법에 따른 정확성을 알아보기 위해 30회 반복 측정을 하여 편차량을 비교하였다. 또한 외부환경이 미치는 영향을 확인하기 위해 1분에 한 번씩 15분간 접촉각 변화율을 3회 반복 측정하여 평균값을 나타내었다. 측정 장비는 독일 Kruss GMBH사의 Contact Angle Instrument(DSA30)를 동일하게 사용하였다. 실험실은 온도 20°C(±2°C)이고 습도 55%(±5%)인 일정한 실내 조건을 유지하였다.

렌즈에서 측정 방법에 따른 습윤성

RGP 렌즈를 drop 방법과 bubble 방법으로 각각 측정하여 그 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 또한 ANSI에 의해 정해진 습윤성 측정 방법인 bubble 방법을 기준으로 drop 방법의 결과를 비교 분석하였다. 그 결과 전반적으로 drop 방법으로 측정한 결과가 bubble 방법으로 측정한 결과보다 접촉각이 높게 나타나며 습윤성이 낮게 나타났다.

Fig. 3. 
Contact angle of RGP contact lens.

접촉각 측정 방법 중 가장 대표적인 방법인 drop 방법은 공기 중에 노출된 상태에서 접촉각을 측정하기 때문에 나타나는 외부 영향과 및 렌즈 표면에서 흡수하는 액체로 인하여 접촉각이 높게 측정된 것으로 사료된다.^[6] 또한 고체의 표면의 거칠기에 영향을 받은 것으로 사료된다. 액체방울 내부 자유 에너지 변화는 표면이 거칠고 불균일할수록 영향을 받고 이러한 자유 에너지 변화가 접촉각에 영향을 준 것으로 사료된다.^[9] 표면이 거칠기가 접촉각에 미치는 영향은 Fig. 4를 통해 알 수 있다.^[10] 접촉각은 렌즈표면에 따라 다르게 나타나는데, 표면의 마루 부분에서는 큰 접촉각이 골 부분에서는 낮은 접촉각이 발생한다. 이러한 접촉각의 차이는 표면의 거칠수록 더 크게 나타난다.^[10]

Fig. 4. 
Effects of surface topography on contact angles.

소프트 콘택트렌즈는 수화시킨 용액의 영향을 받아 습윤성이 달라진다.^[11] 특히 패킹용액이 함유된 소프트 콘택트렌즈는 렌즈별로 패킹용액이 다르고, 패킹용액에 함유된 습윤제의 종류와 함유량의 차이가 콘택트렌즈의 습윤성에 영향을 미친다. 이러한 패킹용액이 미치는 영향을 배제하고, 접촉각 측정 방법에 따른 습윤성을 평가하기 위해, 소프트 콘택트렌즈를 PBS 용액에 수화시킨 후 접촉각을 측정하였다. PBS 용액에 24시간 동안 3번을 수화시켜 렌즈 안에 남은 패킹용액을 제거한 후, ANSI Z80.20-2004 기준을 따라 각각 drop 방법과 bubble 방법을 통해 습윤성을 측정하였다. 측정한 결과는 Fig. 5를 통해 나타내었다.

Fig. 5. 
Contact angle of Soft contact lens.

사용한 소재에 따라 소프트 콘택트렌즈의 물성은 영향을 받는다. 본 논문에서 사용된 소프트 콘택트렌즈의 재료는 크게 Silicone 그룹과 HEMA 그룹으로 나뉠 수 있다. Silicone은 소수성 소재이며, HEMA는 함수율이 높은 소재이다. 소프트 콘택트렌즈는 산소투과도를 높이기 위해 소수성 소재나 함수율이 높은 소재를 사용하고 있다.

특히 소수성의 대표적인 소재인 Silicone의 경우 물보다 산소가 더 잘 녹기 때문에 산소투과도가 높다.^[12] 또한 Silicone의 경우 함량이 높을수록 인장강도가 높아지고 단백질 침착률이 낮아진다.^[13-17] 하지만 소수성 물질이기 때문에 습윤성이 낮아진다는 단점이 있다.^{[13,14,18-20]}

함수율이 높을수록 산소투과도가 높아지지만, 한계가 존재하고 함수율이 클수록 인장강도가 낮아지고 단백질 침착이 증가되는 단점을 가지고 있다.^[13,21] 이러한 결과는 Silicone 소재를 사용한 SeF와 NaF 렌즈가 drop 방법으로 측정한 접촉각이 높게 나타난 본 실험 결과와 일치한다.

HEMA는 친수성 폴리머로 공기에 노출되면 메틸 그룹이 사슬 회전에 의해 소수성 게면을 향해 회전하여 표면 자유 에너지를 낮춘다.^[22] 하지만 극성 액체에 노출되면 폴리머가 회전하여 친수성 그룹이 극성을 향해 표면 습윤성을 증가시킨다.^[23] 이러한 결과는 HEMA 소재를 사용한 NeF와 HiF 렌즈의 접촉각이 낮고, drop 방법으로 측정한 결과보다 극성 액체에 노출된 bubble 방법에서 접촉각이 낮게 나타난 실험 결과와 일치한다.

또한 측정 결과 모든 렌즈에 대하여 bubble 방법을 사용한 접촉각이 drop 방법을 통해 측정한 접촉각보다 최소 20.4도에서 49.8도까지 낮게 나타났다. 그중 SeF 렌즈인 경우 방법에 따른 접촉각의 차이가 55.7도로 가장 큰 차이를 나타냈다. 이는 SeF 렌즈가 다른 렌즈들과 달리 낮은 함수율을 가져 나타난 결과로 사료된다. Zhou 등의^[24] 선행연구에 따르면 수분 함량이 증가함에 따라 하이드로겔 내의 폴리머 네트워크의 농도가 감소하여 공기 중에서 마찰력이 감소한다. 또한 Qiao 등의^[11] 선행연구에 따르면 마찰력의 증가는 접촉각 증가시킨다고 하였다. 즉 SeF 렌즈의 경우 낮은 함수율로 높은 마찰이 작용하여 drop 방법에서 접촉각이 크게 측정된 것으로 사료된다.

RGP 렌즈와 소프트 콘택트렌즈에서 접촉각을 방법에 따라 측정하였다. 그 결과를 Fig. 3, 5에 나타내었다. 그림과 같이 bubble 방법이 drop 방법보다 접촉각이 낮게 측정 되어 습윤성이 좋은 것으로 측정되었다. 또한 두 방법에 따른 접촉각의 차이는 20.4~49.8°로 크게 나타났는데, 이는 위에서 언급한 바와 같이 drop 방법으로 측정할 시 외부 요인의 영향을 받아 나타난 결과로 사료된다.

그 외의 요인으로 drop 방법과 bubble 방법에서의 방울 크기에 대한 영향으로 사료된다. 접촉각은 측정 방법과 외부 환경 이외에도 방울의 크기에 따라 값의 차이가 나타날 수 있다.^[25] 이러한 방울 크기에 따른 접촉각의 차이는 모든 접촉각 측정 결과에서 10°에서 20°까지 다른 것으로 보고되었다.^[26] 하지만 정적 기술인 drop 방법 및 bubble 방법을 사용할 때에는 최소한의 차이가 나타난다고 보고되었다.^[27] 또 다른 선행연구 결과에 의하면 전진각은 입자 크기에 상대적으로 영향을 받지 않지만, 후진각의 경우 입자 크기에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.^[28]

이처럼 선행연구 결과 방울의 크기가 접촉각에 미치는 영향의 정도는 달랐다. 하지만 방울의 크기가 접촉각에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그렇기 때문에 방울 크기에 따른 영향력을 최소화 하고 동일한 크기로 측정하는 것이 중요하다. 그래서 본 연구에서는 drop 방법과 bubble 방법에서 사용된 방울의 크기는 ANSI Z80.20-2004에 명시된 기준으로 측정하였다.