교차결합제 구조가 콘택트렌즈의 약물용출 및 항균효과에 미치는 영향

하이드로겔콘택트렌즈제조는친수성단량체인 2-Hydroxy ethyl methacrylate(HEMA)와 metacrylic acid(MAA)와 개시제인 2,2-Azobisisobutyronitrile(AIBN)는 JUNSE사 제품을 사용하였다. 교차결합제는 ethylen glycol dimethacrylate (EDGMA), N,N'-methylenebisacryl amide(MBAA), glycerol dimethacrylate(GD), 그리고 glycerol 1,3-diglycerolate diacrylate (GDD)는 Aldrich 사의 제품을 사용하였다. 콘택트렌즈의 약물 방출에 사용되는 약물은 안약에 많이 사용하는 ofloxacin(Aldrich)을 사용하였다. 연구에 사용된 교차결합제의 구조는 Fig. 1에 제시하였다. 항균시험에 사용된 균주는 한국 미생물 보존 센터로부터 구입한 E-Coli(ATCC 10536)를 사용하였다.

Figure1.

The chemical structures of crosslinking agent: (a) Ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), (b) Glycerol dimethacrylate (GD), (c) N,N'-Methylenebisacrylamide (MBAA), (d) Glycerol 1,3-diglycerolate diacrylate (GDD).

본 연구에 사용된 하이드로겔 콘택트렌즈는 HEMA와 친수성 단량체인 MAA와 4종의 교차결합제를 사용하여 제작하였다. 개시제는 0.3% AIBN을 사용했으며, 교차결합제는 각각 0.3%와 3% 두 가지로 농도로 나눠서 제작하였다. 콘택트렌즈 제작을 위한 구성 성분은 Table 1에 제시하였다.

콘택트렌즈 제작은 0.00D의 굴절력, 8.0 mm의 base curve, 11.0 mm의 직경을 가진 몰드를 사용하여 cast mold법으로 진행하였다. 중합은 100°C에서 1시간 동안 열중합하였으며, 렌즈 분리 후 미반응 물질을 제거한 후 시험하였다.

Ofloxacin이 포함된 콘택트렌즈는 전체용량의 0.1%를 사용하였으며 대조군으로 사용된 콘택트렌즈는 오플러삭신 대신 HEMA를 사용하였다. 교차결합제는 EGDMA, MBAA, GD, 그리고 GDD의 4종류에 대해 0.3%와 3%의 농도로 각각 사용하였다.

각 시료들의 명명은 교차결합제의 앞 글자와 교차결합제 농도를 뒤에 붙여서 명명하였다. 예를 들어 EGDMA를 0.3% 사용하면 E03, MBAA를 3% 사용하면 M3으로 명명하였다.

제작된 시료의 광투과율, 함수율, 접촉각, 인장강도를 각각 측정하였으며, 각 측정항목에 대해 한 시료당 5회 측정한 값을 평균하였다.

광투과율 측정은 콘택트렌즈를 PBS 완충용액에 24시간 이상 수화한 후 ISO 기준으로 가시광선(380 nm~780 nm) 영역에서 측정하였으며 함수율은 ISO 18369-4:2006의 중량측정법을 사용하였다.

접촉각은 Kruss GMBH사의 DSA30을 사용하여 24시간 수화 된 시료를 sessile drop방법으로 측정하였다.

콘택트렌즈의 기계적 강도 측정은 SHIMADZU사의 AGS-X20N를 사용하였으며 측정에 사용된 지그는 콘택트렌즈 시료를 고정하기 위해 별도로 제작을 하였으며, 환봉을 사용하여 시험 속도 10 mm/min상태에서 측정을 하였다.

약물 용출 농도 측정은 Agilent사의 Cary 60 UV-vis을 사용하여 콘택트렌즈 시료를 PBS 용액에 수화를 진행하면서 시간대별로 용출된 ofloxacin의 농도를 측정하였으며 ofloxacin의 흡광계수는 288 nm에서 30500 M^-1cm^-1을 사용하였다.¹⁵

교차결합제 구조에 따른 항균효과를 살펴보기 위한액체배지는 증류수 200 ml에 peptone 1g, beef 0.6 g을 혼합 후 멸균하여 사용하였다. 항균시험은 E-Coli(ATCC 10536)를 37°C에서 12시간 1차 배양 후 5000배로 희석한 용액에 콘택트렌즈를 넣어 12시간 동안 2차 배양하였다. 콘택트렌즈로부터 ofloxacin이 용출된 배양액을 E. Coli 3M PetrifilmTM 건조필름에 1ml를 도말하여 2시간, 8시간 경과 후 균 성장 상태를 확인하였다. 비교군의 경우, ofloxacin이 포함되지 않은 콘택트렌즈 시료를 만들어서 동일한 조건에서 실험을 진행하였다.

하이드로겔 콘택트렌즈의 물리적 특성 중 가장 기본이 되는 광학 투명도를 가시광선 영역에서 측정하였으며 결과 값은 Fig. 2에 제시하였다.

Figure2.

Transmittance of contact lens according to type of crosslinking agent.

투광도는 동일 교차결합제 사용 시, 교차결합제의 농도가 낮은 0.3% 일 때가 3% 보다 높게 나타났다. 소수성인 EGDMA를 사용한 콘택트렌즈의 광투과율이 친수성 교차결합제를 사용할 때 보다 낮게 나타났다. 하지만 교차결합제 종류나 농도에 따른 광투과율 차이가 1~2% 정도로 많은 차이를 보이지 않았다.

모든 시료들의 광투과율은 90% 이상으로 나타남으로써 ANSI Z80.20:2004에서 나타내는 콘택트렌즈의 기본 요건인 ANSI Z80.20규격인 88% 이상의 광투과율 규격에 적합함을 확인하였다.

하이드로겔 콘택트렌즈에 있어서 함수율은 착용감 뿐만아니라 굴절률, 습윤성, 산소투과성 등의 다른 물리적 특성과 밀접하게 연관되어 있어서 중요한 물성으로 평가된다. 구조가 각기 다른 4종의 교차결합제를 농도에 따라 제작한 콘택트렌즈의 함수율을 Fig. 3에 제시하였다.

Figure3.

Water content of contact lens according to type of crosslinking agent.

교차결합제 0.3% 농도의 GDD03 렌즈는 함수율이 66.51%로 가장 높게 나타났으며, 소수성인E03 렌즈는 61.09%로 가장 낮게 나타났다. 또한 GDD3 렌즈는 E3보다 14% 낮게 나타났다.

교차결합제의 농도가 3%인 콘택트렌즈는 0.3%인 렌즈와 비교하여 함수율이 모두 감소하였다. 이러한 현상은 교차결합제의 농도가 진하면 고분자들간의 교차결합이 많이 이루어져서 콘택트렌즈 내부의 공간이 줄어 들면서 함수율이 감소하게 된다.

4종의 교차결합제를 사용한 콘택트렌즈의 함수율을 비교하면 농도에 상관없이 GDD를 사용하였을 때의 함수율이 가장 높고 MBAA, GD, EGDMA의 순서로 낮아졌다. 이러한 이유는 EGDMA는 소수성을 띠고 MBAA, GD, GDD는 친수성를 띄기 때문이다. 특히 GDD의 분자는 다른 교차결합제에 비해 친수성 작용기인 하이드록시기를 3개 포함하고 있기 때문에 가장 높은 함수율을 보인다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 MBAA는 2개의 아미노기를 가지고 있으며 GD는 1개의 하이드록시기를 가지고 있기 때문에 친수성 작용기의 숫자가 많을수록 함수울이 높게 나타났다. 이러한 현상은 친수성 작용기의 존재가 함수율에 미치는 영향이 크다는 연구 결과와 일치하였다.¹⁶

습윤성은 콘택트렌즈 표면에 대한 물방울의 접촉각으로 확인하며 안구 건조를 예방하고 눈 건강을 유지하는데 많은 영향을 미치는 물리적 특성이다. 접촉각은 수치가 낮을수록 습윤성이 높아지는 특성을 가지고 있다.¹⁷

교차결합제 구조와 농도에 따른 콘택트렌즈의 접촉각 측정 값을 Fig. 4에 제시를 하였다.

Figure4.

Contact angle of contact lens according to type of crosslinking agent.

교차결합제의 농도가 0.3%와 3%인 콘택트렌즈의 접촉각을 비교하면 3%의 농도일 때가 0.3%일 때 보다 높게 나타났다. E3 렌즈는 E03 렌즈에 비해 5.15% 증가한 59.2°, GD3 렌즈는 GD03 렌즈에 비해 6.44% 증가한 57.8°의 접촉각을 나타냈다. 교차결합제 구조에 따른 습윤성을 살펴보면 GDD03 렌즈가 56.9%이며 E03 렌즈는 59.2%로 높은 접촉각을 나타내었다. GDD를 사용 시 가장 높은 습윤성을 나타내는 것은 친수성 작용기가 많기 때문일 것이다.

친수성 교차결합제를 가진 하이드로겔 콘택트렌즈의 접촉각은 소수성 교차결합제인 EGDMA가 결합된 렌즈에 비해 접촉각이 낮아져 습윤성이 높은 것으로 나타났다. 그리고 접촉각의 크기는 GD, MBAA, 그리고 GDD 순으로 감소하여 GDD 교차결합제를 가진 렌즈에서 가장 높은 습윤성을 나타냄을 확인하였다. 이러한 현상은 함수율이 높을수록 접촉각이 낮아져서 습윤성이 높아진다는 기존 연구 결과와 일치함을 알 수 있었다.¹⁸

인장강도는 렌즈의 내구성, 관리, 취급 등과 연관된 기계적 특성으로 하이드로겔 콘택트렌즈에서 중요한 물리적 성질이다. 교차결합제 구조에 따른 콘택트렌즈의 인장강도는 Fig. 5에 제시를 하였다.

Figure5.

Tensile strength of contact lens according to type of crosslinking agent.

교차결합제 종류에 따른 인장강도를 비교하면, EGDMA를 사용한 E3렌즈가 1.082 kgf/mm²으로 가장 높게 나타났으며, GD, MBAA, 그리고 GDD의 순서로 감소하였다. 이러한 결과는 함수율이 높을수록 인장강도가 낮아진다는 기존 연구 결과와 같은 경향성을 보였다.¹⁹ 특히 GDD의 화학적 구조는 다른 교차결합제에 비해 가장 길고 친수성 작용기가 가장 많기 때문에 가교되는 힘이 약하고 함수되는 정도가 커서 인장강도가 약한 것으로 판단된다.

교차결합제의 농도에 따른 인장강도를 비교하면 농도가 진한 렌즈의 기계적 강도가 더 크게 나타났다. 0.3%의 EGDMA를 사용한 E03 렌즈의 인장강도는 0.487 kgf/mm²인데 반해 GDD03 렌즈는 0.263 kgf/mm²으로 나타나 51.5%의 차이를 보인다. 한편 E3렌즈에 비해 GDD3 렌즈는 48.2%의 강도 차이를 보임으로써 교차결합제의 농도가 낮을 때에 교차결합제의 구조적 특성이 더 크게 나타났다.

약물 용출 농도. 교차결합제의 구조에 따른 약물 용출 농도를 비교하기 위해 콘택트렌즈에서 용출되는 ofloxacin의 농도를 측정하였으며 0.3%의 교차결합제를 사용한 렌즈와 3%의 교차결합제를 사용한 렌즈의 약물용출 결과를 Fig. 6과 Fig. 7에 각각 제시하였다.

Figure6.

Concentration of drug release according to 0.3% crosslinking agent.

Figure 7.

Concentration of drug release according to 3% crosslinking agent.

콘택트렌즈에서 용출되는 ofloxacin의 농도는 처음부터 5시간까지는 급격히 증가하고 있으나 8시간 이후에는 비교적 완만하게 나타났다.

교차결합제 농도에 의한 약물 용출 농도는 교차결합제 0.3%를 사용한 렌즈가 3% 사용한 렌즈 보다 더 높은 것으로 나타났다. 이는 콘택트렌즈 중합 시 교차결합제 사용 양이 증가됨으로써 고분자 네트워크이 더 많이 이루어져서 내부에 있는 약물이 빠져나오기 힘든 상태가 되기 때문이다.

교차결합제 구조에 따른 약물 용출 농도를 비교하면, 교차결합제 농도에 상관없이 GDD렌즈에서 가장 높게 나타났으며, EGDMA 렌즈에서 가장 낮은 값을 보였다. 친수성 작용기가 많은 GDD를 사용한 렌즈는 함수율이 높아서 약물 용출이 용이한 것으로 보인다. 그리고 함수율이 높은 렌즈는 약물을 많이 흡수할 수 있으며 약물용출도 용이할 것이다. 약물전달용 하이드로겔 콘택트렌즈의 약물저장 및 용출 농도는 함수율 및 약물의 분자 크기 등과 관련이 있다.²⁰ 교차결합제의 구조와 함수율에 따른 약물용출은 하이드로겔에서 약물전달 조절을 위해 교차결합제의 구조에 따른 네트워크 디자인과 함수율을 고려한다는 기존연구^21,22에 부합함을 확인하였다.

항균성. 콘택트렌즈의 항균성은 ofloxacin이 포함된 콘택트렌즈로부터 방출된 용액을 대장균(E.Coli)을 이용하여 살펴보았다.

교차결합제의 구조와 농도에 따른 항균성 결과는 약물용출 2시간 경과 시의 사진과 데이터를 Fig. 8에 제시하였다. 8시간 경과 이후에는 교차결합제의 종류와 농도에 관계없이 ofloxacin이 들어간 모든 렌즈는 균이 전혀 자라지 못했기 때문에 별로의 데이터는 제시하지 않았다.

Figure8.

Antimicrobial activity of contact lens according to type of crosslinking agent.

Ofloxacin이 포함된 렌즈들은 대조군 BASE에 비해 균의 양이 확연하게 줄어들었다. 그리고 교차결합제 농도가 높으면 낮을 때보다 colony 수가 많아져서 항균성이 떨어진 것으로 나타났다. 이는 교차결합제의 증가로 인해 하이드로겔을 이루는 네트워크 수가 늘어나고 콘택트렌즈 내의 공극 크기가 변함으로써 약물의 용출 속도가 조절된 것으로 보인다.²³ 이와 같은 결과로부터 하이드로겔의 약물 용출속도에 미치는 영향은 다양하게 존재하지만 교차결합제의 농도가 약물 용출 속도에 영향을 미친다는 것을 확인하였다.

E03렌즈의 균은 40 CFU/ml이며 GDD03렌즈는 6CFU/ml이다. 또한 E3렌즈는 58CFU/ml인데 비해 GDD3렌즈의 균수는 11CFU/ml로 나타났다. 친수성 교차결합제를 사용한 렌즈의 성장 균수는 소수성 교차결합제를 가진 렌즈에 비해 훨씬 작았다. 하이드록시기를 3개 가진 GDD렌즈는 친수성 작용기를 1개 가진 GD와 2개를 가진 MBAA를 사용한 렌즈보다 균의 수가 적었다. 친수성 작용기의 숫자에 비례해서 균 성장이 억제됨을 확인하였다. GDD 렌즈에 비해 EGDMA렌즈는 6배 가량 균이 더 성장한 것으로 나타났다. 이러한 현상은 친수성기를 많이 가진 교차결합제를 사용한렌즈는 같은 시간 내에 약물 방출 속도가 빨라서 많은 농도의 약물이 포함되어 있기 때문에 항균성이 좋았던 것으로 판단된다.