손가형*, 심선우, 이현미(대구가톨릭대학교 안경광학과 석사, 경산)목적 : 폴리페놀이 첨가된 콘택트렌즈를 제작하고, 알지네이트와 폴리아크릴산을 사용한 Layer by Layer(LBL) 코팅을 진행하여 콘택트렌즈의 다양한 물리적 특성과 항산화 활성을 살펴보았다.

방법 : 카페인산과 클로로겐산이 포함된 콘택트렌즈를 제작하여 고분자인 알지네이트와 폴리아크릴산으로 LBL 표면코팅 하였으며, 함수율, 산소투과율, 광투과율 등 물리적 특성과 항산화 활성, 항균성, 표면분석 등을 진행하였다.

결과 : 폴리페놀이 첨가된 콘택트렌즈의 항산화성을 확인하였고, LBL 코팅을 진행함으로써 함수율과 두께가 증가하였다. LBL 코팅층이 증가할수록 약물 방출 지속시간이 향상되었다.

결론 : 폴리페놀인 카페인산과 클로로겐산이 첨가된 콘택트렌즈의 고분자 코팅을 통해 항산화성과 항균성이 확인되었고, 항산화제의 방출 지속 시간이 향상되었다.

서 론

안구 질환을 치료하기 위해 사용되는 약물의 90% 이상이 점안액이나 안연고의 형태다. 

하지만 점안액의 경우 5% 정도의 약물만이 사용되며 나머지 대부분의 약물은 결막에 흡수되거나 비강 내 배출을 통해 전신 순환계로 들어가게 된다. 

이를 해결하기 위해 약물 방출 제어를 위한 약물 전달체 연구가 활발히 진행되고 있으며, 약물 전달 시스템으로서의 콘택트렌즈 연구도 주목받고 있다. 

약물 전달에 있어 하이드로겔 콘택트렌즈는 물리적 및 화학적 결합 방식을 모두 적용할 수 있고, 로딩된 약물과 하이드로겔 사이의 결합을 증가시켜 약물 방출 시간을 연장할 수 있지만 폭발적인 초기 방출을 보인다는 단점이 있다. 

콘택트렌즈를 이용한 약물 전달에 대한 연구는 최근 들어 활발히 진행되고 있으나 약물 방출 제어를 위한 약물 방출 지속 시간 연장, 항산화 콘택트렌즈의 항산화 활성에 관한 연구는 상대적으로 부족하다. 

폴리페놀은 식물에서 발견되는 항산화 화합물로, 본 연구에서는 고함수 실리콘 하이드로겔 콘택트렌즈를 제작하고 카페인산과 클로로겐산과 같은 폴리페놀을 탑재하여 항산화 콘택트렌즈의 물리적 특성과 항산화 효과를 알아보고자 하였다. 

또한 친수성 고분자를 사용한 LBL 코팅을 진행하여 LBL 코팅이 콘택트렌즈에 미치는 물리적 특성을 평가하고, 콘택트렌즈의 항산화 효과 및 지속시간을 향상하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 시약 및 재료

실리콘 단량체인 (3-methacryloxy-2-hydroxypropoxy)propylbis(trimethylsiloxy)methylsilane(SiGMA)과 친수성 단량체인 N-vinyl-2-pyrrolidone(NVP), N,N-dimethylacrylamide(DMA)를 사용하였으며, 가교제로 ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA)를, 개시제로 2,2-Azobisisobutyronitrile(AIBN)을 사용하였다. 

항산화제는 caffeic acid, chlorogenic acid를 사용하였다. 

layer by layer(LBL) 코팅을 위해 polyethyleneimine(PEI)과 polyacrylic acid(PAA), 천연 다당류인 sodium alginate를 사용하였다(표 1).

2. 항생제를 첨가한 콘택트렌즈의 고분자 코팅 

LBL코팅을 위해 약물이 포함된 콘택트렌즈를 PEI 수용액(10mg/mL)에 5분 동안 침지한 후, 알지네이트 용액(1mg/mL)과 폴리아크릴산 용액(1mg/mL)에 각각 10분을 침지하여 두 번째 코팅층과 세 번째 코팅층을 형성하였다.

결과 및 고찰

1. 콘택트렌즈의 항산화성

DPPH를 사용하여 라디칼 소거능을 확인하였다. 

517nm에서 DPPH 용액(0.2 mM)과 비교했을 때 약물이 포함되지 않은 콘택트렌즈 RE는 흡광도 차이가 거의 없었으며, 반면 폴리페놀을 포함한 CA, CH의 경우 각각 52.64%, 54.35%의 라디칼 소거율을 보여 DPPH 용액에 비해 흡광도가 많이 감소한 것을 알 수 있었다(그림 1). 

LBL코팅 진행에 따른 약물 방출 지속 시간을 비교하기 위해 용출된 약물의 라디칼 소거율을 계산한 결과 LBL 코팅층이 없는 CA, CH 콘택트렌즈의 자유라디칼 소거는 12시간까지 90% 이상이 나타났으나 그 이후에는 더 이상 진행되지 않았다. 

그에 비해 LBL 코팅을 한 콘택트렌즈들은 72시간 동안 꾸준히 라디칼 소거가 진행되었다.

이중 코팅한 렌즈는 자유라디칼 소거율이 단층 코팅 렌즈보다 다소 낮게 나타났으나 지속성은 더 우수했다. 

이를 통해 카페인산, 클로로겐산 모두 LBL 코팅으로 콘택트렌즈 내부에 있는 약물의 용출속도를 조절할 수 있음을 확인하였다(그림 2). 

2. 콘택트렌즈의 광투과율

항산화제가 포함되지 않고 LBL층을 형성하지 않은 RE의 광투과율이 가장 높았으며, CA와 CH는 비슷한 광투과율을 보였다. 

단층 코팅한 CAA, CHA는 코팅하지 않은 렌즈에 비해 다소 감소하였으며, 이중 코팅 렌즈가 단층보다 광투과율이 다소 감소하였다. 

따라서 알지네이트와 폴리아크릴산으로 콘택트렌즈를 코팅함으로써 광투과율이 감소함을 알 수 있었다(그림 3). 

2. 콘택트렌즈의 함수율

콘택트렌즈의 함수율 측정 결과 RE의 함수율은 72.21%로 약물을 포함한 CA, CH의 함수율과 차이가 크지 않았다. 

고분자로 단층 코팅한 콘택트렌즈에서 함수율이 증가하였으며. 이중 코팅된 CAAP, CHAP 또한 74.73%, 76.17%로, 이를 통해 코팅층 수가 증가할 수록 함수율이 증가한다는 것을 알 수 있었다(그림 4). 

2. 콘택트렌즈의 항균성

대장균을 이용하여 항균성을 평가 비교하였다. 

RE는 셀 수 없을 정도로 무수히 많은 균(too numerous to count, TNTC)이 자라 항균성이 없는 반면, 항산화제가 포함된 콘택트렌즈에서는 대장균 수가 감소한 것을 확인하였다. 

알지네이트로 LBL코팅한 콘택트렌즈는 가장 높은 항균 효과를 보였는데, 그 이유는 천연 다당류인 알지네이트가 음이온화된 카복실 그룹(-COO)에 의해 항균성이 발생하여 E. Coli에 대한 항균 효과를 가지기 때문으로 보인다. 

이중 코팅한 콘택트렌즈는 단일 코팅에 비해 균 수가 증가하여 낮은 항균성을 보였는데, 이는 폴리아크릴산의 자체적인 항균성이 없으며 알지네이트로 코팅한 렌즈에 비해 더 촘촘한 네트워크 구조를 형성하여 약물의 용출이 어렵기 때문으로 분석된다(그림 5). 

결론

천연 폴리페놀을 첨가하여 고분자인 알지네이트와 폴리아크릴산으로 LBL 코팅한 실리콘 하이드로겔 콘택트렌즈를 제작하였다. 

실리콘 하이드로겔 콘택트렌즈는 높은 함수율을 나타내었으며 모두 88% 이상의 광투과율을 나타냈다. 

폴리페놀이 첨가된 콘택트렌즈는 항산화성과 항균성이 있었으며, 고분자 LBL 코팅을 통해 콘택트렌즈의 항산화 지속시간이 향상됨을 확인하였다. 

폴리페놀을 함유한 LBL 코팅 콘택트렌즈는 일부 물리적 특성은 감소하였으나 약물의 방출 지속시간과 항균성이 향상되었으므로 치료용 콘택트렌즈로의 활용 가능성을 확인하였다.

[참고문헌] Shin WY, Lee HM. Changes in the Characteristics of Contact Lenses with Networks of Alginate and Carrageenan. J Korean Ophthalmic Opt Soc. 2023;28(3):191-197 외 28건

원문 참조: 「한국안광학회지」제29권 3호, 115~122쪽. 2024년

논문의 판권은 한국안광학회지에 있으며 저자의 동의하에 요약본을 게재함.

출처: 옵틱위클리