천연다당류와 칼슘이온이 네트워크된 다공성 콘택트렌즈의 특성

서 론

콘택트렌즈는 각막에 직접 착용하는 의료용품으로 재료의 물리적 특성 및 광학적 특성, 생체적합성, 무독성 등의 조건이 필요하며.^[1] 재질과 디자인의 종류에 따라 각막에 미치는 영향이 달라지기 때문에 눈 건강에 중요하다. 이에 콘택트렌즈의 산소투과성과 습윤성 향상, 단백질 및 지질의 흡착 저하, 항균성 등 고기능성 콘택트렌즈에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.^[2-4]

하이드로겔 콘택트렌즈는 유연하고 착용감이 좋은 장점을 가지기 때문에 많은 사람들이 선호하지만, 낮은 산소투과성으로 인한 각막 저산소증, 각막부종 등과 같은 문제점을 가지고 있다. 이에 하이드로겔 렌즈는 우수한 착용감을 유지하면서, 고습윤성과 높은 산소투과성이 요구되었다. 실리콘 모노머가 포함된 실리콘하이드로겔은 하이드로겔 콘택트렌즈보다 산소투과성은 향상되었지만, 렌즈표면의 소수성으로 인해 렌즈의 습윤성이 떨어지고 지질 및 단백질 등이 침착되어 착용감을 떨어지는 문제점을 가지고 있다.^[5,6] 따라서 기존의 하이드로겔 콘택트렌즈가 가지는 낮은 산소투과성과 실리콘 하이드로겔 콘택트렌즈가 가지는 표면 습윤성의 저하와 같은 문제점을 보완할 수 있는 고기능성 콘택트렌즈 재질의 개발이 요구되고 있다.

최근에는 천연물질을 첨가하여 습윤성 및 함수율을 증가시키는 연구도 이루어지고 있다. 특히, 다당류는 생체 물질의 화학적 변형을 위해 가장 빈번하게 사용되는 천연 중 합체 중 하나로 카르복실 산 및 히드록실기의 존재로 인해 다른 물질과 반응을 쉽게 이룰 수 있어 매우 매력적인 소재로 사용되고 있다.^[7-9] 히알루론산(HA)를 포함한 중합체는 습윤 또는 윤활작용으로 습윤성을 향상시키고 단백질 흡착을 감소시켜 콘택트렌즈의 전반적인 편안함을 향상시켰으며.^[10,11] 알긴산을 포함한 중합체에서 습윤성의 향상으로 인해 단백질 부착을 감소시켰다.

천연 다당류를 이용한 하이드로겔이 생체 의학 및 약학 분야 등에서 많은 관심을 받고 있다.^[12] 천연 다당류는 합성고분자에 비해 쉽게 모방 할 수 없는 다양한 조성과 특성을 가지고 있다.^[13] 천연다당류 기반의 하이드로겔은 생체적합성, 생분해성, 다양한 생물학적 기능 등의 특성을 가지므로 응용분야가 다양해지고 있다.^[14] 최근 들어 생의학 분야 및 제약으로 많이 사용되어지고 있는 다당류는 알긴산, 키토산, 덱스트란. 카라기난, 히알루론산 등이 있다.^[15,16]

알긴산은 세포외 기질과 유사한 특성을 가지고 있으며, 생체적합성과 낮은 독성으로 인해 재생 의학 응용분야 및 조직 공학에 사용되기 적합한 물질이다.^[17] 알긴산은 Ca²⁺와 같은 2가 금속이온에 대해 높은 친화성을 가지며 ‘egg box’형태를 이루게 된다.^[18,19] 금속이온의 존재하에 형성된 알긴산 하이드로겔은 탄성 및 기계적 강도를 향상시키고 물리화학적 강도를 증가시켜 상처치유 드레싱 및 조직공학 응용에도 사용되고 있다.^[20,21]

히알루론산은 하이드록시기(-OH)가 존재하여 수소결합을 통해 많은 양의 수분을 함유할 수 있으며, 수용액에서 안정적인 3차구조를 형성하여 보습능력이 뛰어난 소재로 알려져 있다. 또한 우수한 생체적합성과 생분해성으로 생의학 분야 및 산업에서 가장 많이 사용되는 고분자이다.^[22,23]

본 연구에서는 눈 건강을 위한 고기능성 콘택트렌즈 개발을 위해 산소투과성과 습윤성이 높은 다공성 하이드로겔 콘택트렌즈를 제작하고, 천연다당류를 사용하여 콘택트렌즈의 물리적 특성을 향상시키고자 하였다. 또한 다공성 콘택트렌즈의 기계적 강도를 향상시키기 위하여 칼슘이온을 가교시켜서 콘택트렌즈의 특성을 살펴보고자 하였다.

대상 및 방법

1. 시약

콘택트렌즈의 제작에 사용한 시약은 2-hydroxy ethyl methacrylate(HEMA, JUNSEI), 가교제로 Ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA, Aldrich), 개시제로 2,2-Azobisisobutyronitrile(AIBN, JUNSEI)을 사용하였으며, 캐스트몰드 방법으로 80^oC에서 2시간 열중합하였다. 다공성 하이드로겔 제작은 발포제는 sodium carbonate(SC, Aldrich)를 사용하였으며, 발포반응을 위해 methacrylic acid(MAA, JUNSEI)을 사용하였다. 또한 상호침투 고분자 네트워크(Interpenetrating Polymer Network, IPN)를 위한 개시제는 ammonium persulfate(APS, Aldrich)와 교차결합제는 N,N'-methylenebisacrylamide(MBAA, Aldrich)을 사용하였다.

다공성 콘택트렌즈와 기준 콘택트렌즈 제작을 위한 구성성분비는 Table 1에 제시하였다.

Table 1.

Composition of the porous hydrogel contact lenses*

2. 천연다당류와 칼슘이온이 가교된 다공성 콘택트렌즈 제작

천연다당류와 칼슘이온을 가교된 다공성 콘택트렌즈를 제작하기 위하여 알긴산과 히알루론산을 각각 1%, 0.5%의 용액으로 제조된 용액에 MBAA와 APS를 각각 0.3%씩 첨가하여 full-IPN으로 진행하였다. IPN은 천연 다당류를 녹인 각각의 용액에 콘택트렌즈를 37^oC에서 24시간 동안 침지하였다. IPN을 진행한 다공성 콘택트렌즈 시료에 대한 명명은 Table 2에 제시하였다. IPN을 하지 않은 다공성 콘택트렌즈는 PC로 명명하였으며, 알긴산과 히알루론산으로 네트워크한 시료는 각각 PC-A, PC-H로 명명하였다. 한편 알긴산과 히알루론산 용액을 1:1의 비율로 혼합하여 네트워크한 시료는 PC-AH로 명명하였다.

Table 2.

Nomenclature of samples after IPN in alginic and hyaluronic acid*

다공성 하이드로겔의 인장강도를 높이기 위하여 염화칼슘(CaCl₂)은 0.1M의 용액을 제조하여 각각의 시료를 10분 동안 침지시켰다.

결과 및 고찰

1. 해조다당류로 네트워크된 콘택트렌즈의 물리적 특성

1) 함수율

금속이온을 첨가한 시료의 함수율을 Fig. 1에 제시하였다. 발포제가 첨가되지 않은 시료 HEMA를 CaCl₂에 담근 후 함수율을 측정한 결과, 함수율의 변화는 나타나지 않았다.

Fig. 1.

Water content of porous contact lenses with natural polysaccharide and calcium ion.

다공성 콘택트렌즈에 칼슘이온을 결합시키면 함수율이 78.15%에서 65.41%로 감소하여 약 19.5% 감소율을 나타내었다. 알긴산과 히알루론산을 첨가한 시료에서도 CaCl₂ 첨가 시 함수율이 약 19.6~19.9% 감소하였다.

금속이온 첨가 시, 다공성 콘택트렌즈는 함수율이 감소하였으나 비다공성인 HEMA시료는 함수율의 변화가 거의 없었다. 또한 함수율이 천연다당류의 종류에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

2) 산소전달률

천연다당류와 금속이온이 네트워크된 콘택트렌즈의 산소전달률(Dk/t, cm·mL·O2)/(sec·mL·mmHg)·10^-9)은 Fig. 2에 제시하였다.

Fig. 2.

Oxygen transmissibility of porous contact lenses with natural polysaccharide and calcium ion.

비다공성의 기본 콘택트렌즈인 HEMA는 칼슘이온을 추가하여도 산소전달률의 변화가 거의 없었다. 또한 다공성 콘택트렌즈에 칼슘이온을 도입하였을 때에는 히알루론산만 첨가한 시료 PC-H를 제외하고 모든 시료에서 산소전달률이 감소하는 경향을 나타내었다. 칼슘이온의 첨가로 시료 PC와 PC-A, PC-AH의 산소전달률이 각각 26.5%, 20.9% 감소하였으며, 칼슘이온이 결합된 PC-H의 Dk/t는 약 7.0% 증가하였다.

금속이온을 첨가하였을 때 산소전달률의 변화량은 PC-A에서 26.5%로 가장 많았으며, 금속이온 첨가로 인해 대부분의 시료에서 산소전달률이 낮아지는 경향을 나타내었다. 이러한 현상은 다당류의 네트워크로 콘택트렌즈 내의 내부 공간이 줄어들었으며, 칼슘이온 첨가로 인한 다당류의 카르복시기와 칼슘이온간의 상호작용으로 내부 공극이 더욱 감소되었기 때문으로 분석한다.

3) 습윤성

습윤성은 접촉각이 작을수록 좋으며, 본 연구의 접촉각은 Fig. 3에 나타내었다. 비다공성 콘택트렌즈인 HEMA는 칼슘이온이 결합되어도 접촉각의 변화가 나타나지 않았으며, 다공성의 모든 시료에서 접촉각이 증가하는 경향을 내었다. 칼슘이온의 결합으로 인해 PC의 접촉각이 48.4^o에서 66.3^o로 약 37.0% 증가하였다. 또한 알긴산과 히알루론산을 첨가한 시료에서도 칼슘이온 결합 시에 PC-A, PC-AH 그리고 PC-H의 접촉각이 각각 35.1%, 24.6%, 그리고 12.2%로 증가하였다. 금속이온을 첨가하였을 때, SC가 첨가되어져 있는 시료에만 접촉각의 변화가 일어났으며, 변화량은 천연다당류를 가교하지 않은 시료 PC에서 가장 높게 나타났다. 또한 천연다당류를 가교시킨 시료 중 히알루론산만 첨가했던 시료에서 가장 낮은 변화량을 나타내었다.

Fig. 3.

Contact angle of porous contact lenses with natural polysaccharide and calcium ion.

일반적으로 천연다당류는 친수성기(-OH)로 인해 습윤성을 가지고 있으며, 습윤성이 높을수록 표면의 거칠기가 낮아지고, 지질 및 단백질의 흡착을 저해시킨다.^[25,26] 특히 히알루론산(HA)은 안구환경에 풍부한 glycosamino glycan으로 점탄성 및 전단-박화 특성으로 눈물막 안정성 및 안구 윤활을 향상시키는 것으로 알려져^[27] 있기 때문에 히알루론산이 네트워크된 시료의 접촉각이 낮게 나온 것으로 판단된다.

4) 기계적 강도

다공성 콘택트렌즈는 일반 콘택트렌즈에 비해 기계적 강도가 낮은 단점이 있다. 따라서 천연다당류로 네트워크시켰으며 칼슘이온을 추가로 네트워크하여 기계적 강도를 보완하였다. 알지네이트와 히알루론산이 네트워크되고 칼슘이온이 추가로 결합된 콘택트렌즈의 파단강도를 측정하여 Fig. 4에 제시하였다.

Fig. 4.

Breaking strength of porous contact lenses with natural polysaccharide and calcium ion.

비다공성 콘택트렌즈인 HEMA는 칼슘이온이 결합되어도 파단강도가 많이 향상되지 않았으나 다공성 콘택트렌즈는 다당류의 네트워크 여부와 상관없이 칼슘이온이 결합되면 파단강도가 많이 향상되었다. PC-A의 칼슘이온 결합 전후 파단강도는 0.089 kgf/㎟에서 0.147 kgf/㎟로 약 65.2% 증가하여 가장 높은 파단강도를 나타냈다. 칼슘이온을 첨가 후 파단강도의 변화는 PC가 약 42.7%, PC-AH는 약 57.3% 그리고 PC-H는 약 84.2%의 증가율로 금속이온첨가 여부에 따라 모든 시료에서 칼슘이온은 파단강도를 향상시켰다. 특히 CaCl₂ 첨가 전 파단강도가 가장 낮았던 PC-H에서 CaCl₂ 첨가 후 약 2배가량 가장 높은 증가율을 나타내었지만, 0.105 kgf/㎟로 다른 시료들 보다 여전히 가장 낮은 파단강도를 나타내었다.

천연다당류의 종류에 따른 파단강도를 비교하면, 알지네이트가 포함된 시료가 더 높게 나타났다. 이는 알지네이트는 금속 2가 양이온인 Ca²⁺ 이온과 “egg-box”를 형성하여 결합력이 향상되었기 때문이다. 칼슘이온이 2개의 알긴산 사슬의 정렬된 G-G 블록 사이에 결합하게 되어 겔화가 형성되었으며, 칼슘이온에 의한 겔화로 인해 탄성 및 기계적 강도가 증가된다는 기존 연구^[28]와도 일치한 결과를 나타내었다. 알지네이트가 네트워크된 PC-A는 알지네이트와 히알루론산이 반씩 혼합되어 결합된 PC-AH보다 파단강도가 더 높게 나타난 것도 이러한 이유로 분석된다.

양이온인 칼슘이온은 음의 카르복시기와 직접 이온결합을 형성할 수 있으며,^[29] CaCl₂가 카르복시 잔기와 반응하여 표면 경도 및 강도를 증가시킨다고 보고하였다.^[30]

본 연구에 사용된 다공성 콘택트렌즈 시료에는 알긴산과 히알루론산 뿐만 아니라 친수성 단량체인 MAA가 있으며, MAA에도 카르복실산기가 존재한다. 다공성 콘택트렌즈 내에 MAA의 카르복실산기가 칼슘이온과 가교 결합하여 천연다당류를 포함하는 다공성 하이드로겔 렌즈와 천연다당류를 첨가하지 않은 다공성 하이드로겔 렌즈 모두 기계적 강도가 증가하고 물성이 변한 것으로 판단된다.

2. 천연다당류와 칼슘이온이 결합된 다공성 콘택트렌즈의 단백질 흡착

천연다당류와 칼슘이온이 결합된 다공성 콘택트렌즈의 단백질 흡착량은 Fig. 5에 제시하였다. 일반 콘택트렌즈인 HEMA에 비해 다공성 콘택트렌즈는 단백질 흡착이 감소한다. 그러나 칼슘이온이 결합되면 단백질이 많이 흡착되는 것으로 나타났다. CaCl₂에 시료를 담근 결과, 발포제가 첨가되지 않은 시료인 HEMA의 단백질 흡착량은 0.642 ㎎/g에서 0.678 ㎎/g으로 큰 변화는 나타나지 않았다. 하지만 발포제가 첨가된 PC의 단백질 흡착량은 0.388 ㎎/g에서 1.216 ㎎/g으로 크게 증가하였다.

Fig. 5.

Protein adsorption of porous contact lenses with natural polysaccharide and calcium ion.

PC-A는 CaCl₂에 담그기 전과 비교하여 단백질 흡착량이 226.2%, PC-AH는 137.5%, PC-H는 131.2% 증가하였다. 특히 천연다당류를 첨가한 시료 중 히알루론산의 단백질 흡착량이 금속이온을 추가하기 전과 후 모두 가장 낮게 나타났다.

히알루론산이 첨가된 HA-pHEMA의 접촉각은 기존의 pHEMA보다 약 50% 감소된 접촉각을 나타냈으며, 인간혈청알부민(HSA)의 흡착이 감소되었다는 기존 연구^[31]와 같이 본 연구에서도 히알루론산의 첨가로 인해 접촉각과 단백질 흡착량이 현저히 감소된 결과를 확인할 수 있었다. 또한 카르복시기(-COOH)의 존재로 인해 음이온성인 알긴산과 히알루론산 모두 음으로 하전된 BSA와 전하 반발에 의해 단백질 흡착이 감소된 것으로 판단된다.

3. 칼슘이온이 결합된 다공성 콘택트렌즈의 표면분석 비교

주사전자현미경을 통해 금속이온을 첨가한 시료의 표면과 단면을 ×3,000로 측정하여 분석한 결과는 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6.

Changes in surface image of SEM due to calcium ion. A. non-CaCl2, B. CaCl2

다공성 하이드로겔 콘택트렌즈 PC를 CaCl₂에 담그기 전과 후의 표면과 단면의 이미지가 다르게 나타났다. 표면의 SEM을 살펴보았을 때, 금속이온을 첨가하지 않은 Fig 6(A)에서는 기공이 원 또는 타원형의 양상을 보였으며, 기공이 없는 부분에는 표면이 매끄럽게 나타났다. 반면에 Fig. 6(B)는 금속이온을 첨가한 표면의 기공이 상대적으로 다각형의 양상을 보였으며, 표면이 거칠게 나타났다.

전자힘현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 통해 살펴본 콘택트렌즈의 표면거칠기를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7.

Changes in AFM image of porous contact lenses with natural polysaccharide and calcium ion.

발포제를 첨가하지 않은 HEMA의 평균 거칠기(Ra)는 금속이온에 담그기 전 0.87±0.012 nm에서 금속이온에 담근 후 0.089±0.004 nm로 변화가 거의 없었다. 그러나 발포제를 첨가한 시료 PC의 평균 거칠기(Ra)는 0.077±0.007 nm에서 0.094±0.014 nm로 22.1% 증가하였으며, 알긴산과 히알루론산을 IPN한 시료 PC-A와 PC-H의 평균 거칠기(Ra)는 금속이온에 담근 후 각각 9.1%, 62.5% 증가하였다.

다공성 하이드로겔 콘택트렌즈는 금속이온의 첨가로 인해 표면의 평균 거칠기(Ra) 값이 모두 증가하는 경향을 나타냈다. 특히 금속이온의 첨가로 인한 표면의 평균 거칠기 값의 증가량이 PC-H에서 가장 높았지만 다른 시료와 비교하였을 때 여전히 가장 낮은 평균 거칠기(Ra)값을 나타냈다.

결 론

다공성 하이드로겔 콘택트렌즈에 천연다당류인 알긴산과 히알루론산을 네트워크하였을 때, 습윤성과 단백질흡착은 크게 향상되었다. 특히 히알루론산은 콘택트렌즈의 함수율과 산소투과율에는 큰 영향을 미치지 않았으나 습윤성과 단백질부착에 대해 많은 영향을 미치는 것을 확인하였다.

콘택트렌즈에 가교된 다당류의 카르복실기와 금속이온이 결합됨으로써 함수율과 산소투과율, 그리고 습윤성을 저하시켰으나, 여전히 다공성 하이드로겔 콘택트렌즈의 높은 물리적 특성을 유지하였다. 또한 금속이온으로 인해 다공성 하이드로겔 콘택트렌즈의 단점인 기계적 강도를 크게 향상시켰다.

다공성 하이드로겔 콘택트렌즈에 도입된 천연다당류는 습윤성 향상 및 단백질 흡착저하 효과를 가져오고, 칼슘이온의 도입으로 강도가 향상됨을 확인하였다.

Acknowledgments

본 연구는 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구 사업 (No. 2021R1F1A106332211)으로 연구되었습니다

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