KR20210079434A

KR20210079434A - 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔 및 상기 하이드로겔로 이루어진 렌즈.

Info

Publication number: KR20210079434A
Application number: KR1020190170393A
Authority: KR
Inventors: 박민수
Original assignee: 주식회사 더원
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-30
Also published as: KR102334955B1

Abstract

본 발명은 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트(poly(hydroxyethylmethacrylate, p(HEMA))를 주재료로 하는 하이드로겔의 표면을 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)(p(MPC))로 개질한 하이드로겔 및 상기 하이드로겔로 이루어진 렌즈에 관한 것으로서, 하이드로겔의 표면을 p(MPC)로 개질함으로써 단백질과 박테리아의 흡착을 저감시켜 방오성을 향상시키며 방오성이 우수한 하이드로겔 렌즈를 제조할 수 있다.

Description

폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔 및 상기 하이드로겔로 이루어진 렌즈.{Poly(2-Methacryloyloxyethyl Phosphorylcholine)-Functionalized Hydrogel and Lens Using the Same}

본 발명은 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)(p(MPC))로 개질된 하이드로겔 및 상기 하이드로겔로 이루어진 하이드로겔 렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 p(MPC)를 사용하여 하이드로겔의 표면에 기능성을 부여함으로써 단백질 및 박테리아의 흡착을 저감시킬 수 있는 하이드로겔 및 이러한 하이드로겔을 이용하여 제조된 방오성이 향상된 하이드로겔 렌즈에 관한 것이다.

최근 다양한 형태의 생체 적합성 및 안티바이오파울링(antibiofouling) 특성을 가진 기능성 바이오물질이 개발되고 있다. 특히, 바이오물질을 바이오의학이나 산업에 적용하기 위하여 이를 하이드로겔로 제조하면 3차원 네트워크 구조의 소수성 고분자 네트워크가 다량의 물과 생물학적 유체를 포집할 수 있게 되므로 유용하다. 특히, 폴리(2-하이드록시에틸 메타크릴레이트)(p(HEMA))로 이루어진 하이드로겔은 요도 카테터, 신경조직 디바이스, 치과용 접착제, 삽입 약물 전달 시스템, 콘텍트렌즈, 인공수정체 등의 바이오의학 물질로 이용되고 있다.

이러한 종래의 하이드로겔은 단백질과 다른 파울런트(foulant)를 부착하여 삽입용 바이오물질로 사용이 곤란한 문제점이 있다. 단백질과 바이오분자의 흡착은 염증, 혈액응고, 생체막 형성, 세포부착, 박테리아 부착, 박테리아 감염 등 원하지 않는 다양한 생물학적 반응을 일으키기 때문이다. 따라서 비특이성의 단백질 흡착과 박테리아 부착 및 군체 형성을 막을 수 있는 새로운 형태의 바이오물질에 대한 개발이 요구되고 있다.

이러한 요구에 따라 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리사카라이드, 생체모방형 양쪽성 이온 고분자 등을 2차 소수성 고분자로하여 표면 개질을 하는 연구들이 진행되고 있다. 이러한 고분자들 중 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)(p(MPC))는 방오성 바이오물질로서 효과가 우수할 것으로 예상된다. 세포막 외표면은 인지질, 특히, 포스파티딜콜린이 풍부하기 때문에 MPC를 함유하는 고분자 물질은 방오제로서 유용할 것으로 기대된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술을 감안하여 안출된 것으로서, p(MPC)로 표면 개질된 하이드로겔을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

특히, 단백질과 박테리아의 흡착을 저감시킴으로써 방오성이 향상된 하이드로겔을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 상기 하이드로겔을 성형함으로써 얻어지는 하이드로겔 콘택트 렌즈를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔은 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 (poly(hydroxyethylmethacrylate, p(HEMA))를 주재료로 하는 하이드로겔의 표면을 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)(p(MPC))로 개질한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 p(HEMA) 하이드로겔은 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA) 및 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)를 하이드록시에틸메타크릴레이트(HEMA) 단량체에 용해시켜 혼합액을 제조하는 단계, 상기 혼합액을 몰드에 주입하고 가열하여 고분자를 제조하는 단계, 상기 고분자를 세척하여 하이드로겔을 제조하는 단계를 포함하여 제조되는 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이드로겔 콘텍트 렌즈는 상기 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔을 성형하여 제조된 하이드로겔 콘택트 렌즈인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 p(MPC)로 표면 개질된 하이드로겔은 하이드로겔의 표면을 p(MPC)로 개질함으로써 단백질과 박테리아의 흡착을 저감시켜 방오성을 향상시키는 효과를 나타낸다.

또한, 상기 하이드로겔을 이용하여 하이드로겔 렌즈를 제조함으로써 방오성이 우수한 렌즈를 제공하는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 표면 개질된 하이드로겔을 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 하이드로겔 시료의 투과도를 측정한 결과이다.
도 3은 하이드로겔 시료에 대한 접촉각 시험 결과로서 p(HEMA)(a), 실시예 1(b), 실시예 2(c), 실시예 3(d)의 측정 결과이다.
도 4는 하이드로겔 시료에 대한 단백질 흡착 시험 결과로서 렌즈당 흡착된 단백질 함량(a) 및 상대 단백질 흡착률(b)을 나타낸 결과이다.
도 5는 실시예 3의 시료에 대한 박테리아 흡착 시험 결과이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔은 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 (poly(hydroxyethylmethacrylate, p(HEMA))를 주재료로 하는 하이드로겔의 표면을 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)(p(MPC))로 개질한 것을 특징으로 한다.

상기 하이드로겔을 구성하는 p(HEMA)를 주재료로 하는 하이드로겔은 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA) 및 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)를 하이드록시에틸메타크릴레이트(HEMA) 단량체에 용해시켜 혼합액을 제조하는 단계, 상기 혼합액을 몰드에 주입하고 가열하여 고분자를 제조하는 단계, 상기 고분자를 세척하여 하이드로겔을 제조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면, 먼저 HEMA 단량체를 진공증류한 후 사용한다. EGDMA 0.04 중량부 및 AIBN 0.04 중량부를 HEMA 9.92 중량부에 녹인 후 30분 간 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 사각형 몰드에 주입하고 밀봉한 후 이를 90℃에서 5시간 동안 두어 반응시킴으로써 고분자를 얻었다. 이를 실온으로 냉각한 후 몰드에서 상기 고분자를 꺼내어 미반응 단량체와 반응물을 완전히 제거하기 위하여 400㎖의 증류수에 두고 투석 과정을 거쳤다. 투석은 2일에 걸쳐 증류수를 1일 3회 바꾸면서 수행하였다. 이를 통해 육각형의 하이드로겔(10×10×2.4㎜)을 얻었고, 이를 끓는 물에 15분간 둔 후 40℃에서 하룻밤 건조하여 p(HEMA)를 주재료로 하는 하이드로겔을 얻었다.

상기와 같은 방법으로 제조된 하이드로겔의 표면을 개질함으로써 본 발명에서 목적하는 p(MPC)로 개질된 하이드로겔을 얻을 수 있다.

이를 위하여 p(HEMA)를 주재료로 하는 p(HEMA) 하이드로겔을 벤조페논 용액에 함침하고 건조하여 벤조페논이 흡착된 p(HEMA) 하이드로겔을 제조한 후, 상기 벤조페논이 흡착된 p(HEMA) 하이드로겔을 2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린(MPC) 용액에 함침하여 함침액을 제조한다. 상기 함침액에 자외선을 조사하면 표면 개질된 하이드로겔을 얻을 수 있으며, 이후, 상기 표면 개질된 하이드로겔을 세척함으로써 본 발명에서 목적하는 p(MPC)로 개질된 하이드로겔을 얻을 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면, p(HEMA) 하이드로겔을 아세톤에 벤조페논을 10㎎/㎖의 함량으로 용해한 용액에 1분 간 함침하고 1시간 동안 진공건조하여 벤조페논이 흡착된 p(HEMA) 하이드로겔을 제조하였다. 이어서, 상기 벤조페논이 흡착된 p(HEMA) 하이드로겔을 MPC 수용액에 함침하였다. MPC 수용액의 농도는 0.1 내지 0.5M일 수 있다. 이후, 상기 함침된 하이드로겔에 15분 동안 UV-B를 조사하고 얻어진 생성물을 아세톤과 물로 세척하여 미반응 단량체, 과량의 벤조페논 및 부생성물인 벤조피나콜을 제거하였다. 또한, 공유결합을 형성하지 않은 고분자와 과량의 아세톤을 추가적으로 제거하기 위하여 표면 개질된 하이드로겔을 하룻밤 증류수에 담그어 처리하였다.

표면 개질된 하이드로겔의 물성은 다음과 같이 측정하였다.

표면 개질된 하이드로겔의 투과도를 측정하기 위하여 하이드로겔의 평균 두께가 2.4㎜인 시료를 제조하여 UV 분광기(UV-1650PC spectrophotometer, Shimadzu)를 사용하여 측정하였다. 측정은 실온에서 300 내지 700㎚의 파장영역에 대해 수행하였으며, 각 시료에 대해 4차례 반복측정하여 평균값을 구하였다.

또한, 표면 개질된 하이드로겔의 평형 팽창 비율(equilibrium swelling ratio, ESR)을 실온에서 중량 측정으로 구하였다. 표면 개질된 하이드로겔 시료를 완전히 건조한 후 측정하였다. 완전히 건조된 하이드로겔을 PBS 완충용액(pH 7.4)을 사용하여 24시간 동안 정치하여 평형 상태로 만들었다. 이후 PBS 완충용액을 제거하고 잔존 수분을 제거하였으며, 팽창된 하이드로겔의 중량을 측정하였다. ESR은 아래 식에 따라 계산되었다.

ESR (%) = [(Ws - Wd)/Wd] × 100

상기 식에서 Ws 및 Wd는 평형 상태의 하이드로겔 중량 및 건조 상태의 하이드로겔 중량이다.

또한, 표면 개질된 하이드로겔의 접촉각을 측정하기 위하여 시료를 접촉각 측정기(DSA100, Kruss GmbH)를 사용하여 측정하였다. 4.5㎕의 물을 하이드로겔 시료의 표면에 적하한 후 정접촉각을 측정했다. 10회 측정에 따른 평균값으로 접촉각을 구하였다.

또한, 표면 개질된 하이드로겔의 단백질 탈착 성능을 평가하기 위하여 표면 개질된 하이드로겔을 주형에 투입하여 하이드로겔 렌즈를 제조하여 시료로 사용하였다. 시료는 10㎖의 PBS(pH 7.4)에 함침하였다. 이후 실온에서 150rpm의 속도로 24시간 동안 항온진탕기로 배양하였다. PBS에 함유된 3.88g/ℓ의 소혈청알부민(BSA)을 함유하는 인공 눈물 용액과 계란 흰자 리소자임 1.2g/ℓ을 준비하고 시료에 10㎖의 인공 눈물을 투입한 후 37℃ 150rpm에서 12시간 동안 배양하였다. 시료를 PBS로 세정한 후 결합하지 않은 단백질을 제거하였고, 아세토니트릴/물 1:1(v/v)에 0.1% 트리플루오로아세트산를 함유하는 추출용매에 담그고 실온 암실에서 24시간 동안 배양했다. 추출 용액을 이동상을 사용하여 1/10로 희석한 후 분석하였다. HPLC(Azura) 측정으로 렌즈에서 탈착된 단백질 함량을 정량하였다. 약 20ℓ의 혼합 용액을 C18 컬럼(LUNA-C18, 4.6 × 250 ㎜, 5 ㎛; Phenomenex, Torrance)에 주입하고 isocratic 이동상을 사용하여 분리하였고, 0.1% 트리플로오로아세트산 및 50% 물을 함유하는 50% 아세토니트릴 혼합물을 얻었다. 런타임은 20분, 유속은 1.0㎖/min이었으며, 220㎚의 UV 검출기(DAD 2.1L, Azura)를 사용하였다.

또한, 표면 개질된 하이드로겔의 박테리아 탈착 성능을 평가하기 위하여 하이드로겔 렌즈를 시료로 하여 분석하였다. 모든 시료는 70% 에탄올 용액에 두었으며 1일 간 증류수에 둔 후 박테리아 탈착 시험을 실시하였다. Mueller-Hinton 배지 용액은 E. coli를 배양하여 얻었으며, 약 1㎖의 E. coli 저장액을 50㎖의 21g/ℓ Mueller-Hinton 배지 용액으로 살균했고 37℃에서 6시간 동안 배양했다.

이후, 약 2㎖의 배양된 E. coli 용액을 400㎖의 살균된 Mueller-Hinton 배지 용액에 접종했고, 37℃에서 12시간 동안 항온진탕기로 배양했다. 배양 후, E. coli 용액을 1ℓ 비이커로 옮기고 시료를 용기에 두고 박테리아 용액에 함침했다. 시료를 실온에서 회전진탕기에 두고 박테리아가 시료의 표면에 접촉하게 했다. 6시간 배양한 후 시료는 증류수로 세정했고 20㎖의 살균된 Mueller-Hinton 배지 용액에 두고 회전진탕기를 사용하여 37℃에서 150rpm으로 처리하였다. 이후 약 1㎖의 배지 시료를 취하여 595㎚의 파장에서 UV 분광기(TU-1800, Korea)를 사용하여 흡광도를 측정하였다.

상기 물성을 측정하기 위하여 표면 개질된 하이드로겔 시료를 제조하였으며, 이는 도 1과 같은 3단계의 과정을 통해 제조되었다. HEMA 단량체를 전술한 바와 같이 EGDMA 및 AIBN을 가교제 및 프리라디칼 공급원으로 사용하여 중합하였다. 다음 두 단계에서는 광증감제로 벤조페논을 사용하여 흡착하는 과정이며 MPC 단량체를 하이드로겔 표면에서 UV 유도 프리라디칼 중합하여 흡착시켰다. 표면 개질은 수용액 환경에서 MPC 단량체의 농도를 0.10M(실시예 1), 0.25M(실시예 2), 0.50M(실시예 3)로 달리하여 시료를 제조하였다.

표 1은 표면 개질된 하이드로겔의 성질을 나타낸 것이다.

	공역 p(MPC)의 함량 (μmol/㎠ )	평형팽창비율(%)	접촉각(°)
p(HEMA)	-	60.1±1.1	78.6±9.6
실시예 1	18.0±1.2	61.0±2.9	74.7±9.7
실시예 2	21.8±0.5	61.6±1.0	65.0±4.7
실시예 3	24.1±1.8	68.3±1.3	59.2±7.0

표 1을 참조하면 MPC의 양이 증가할수록 하이드로겔 표면에 흡착된 p(MPC)의 양이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 하이드로겔 표면에 대한 p(MPC)의 양은 실시예 1 내지 3에 대하여 각각 24.0, 21.8, 및 18.0μmol/㎠ 으로 추산되었다.

표면 개질에 따른 효과를 실온에서 PBS 배지에 대해 평형 팽창 비율(ESR)을 측정함으로써 평가하였다. 높은 평형 수분 함량은 하이드로겔의 주요한 특성이며 하이드로겔 팽창에 영향을 미치는 요인이다. 표 1의 결과에서와 같이 ESR은 MPC의 양의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. p(HEMA) 하이드로겔의 ESR은 60.1%였는데, p(MPC)로 표면 개질되면 61.0에서 68.3%까지 증가하는 것으로 나타났다.

또한, 상기 표면 개질된 하이드로겔로 제조된 렌즈의 광학 투과도를 평가하였는데, 그 결과, 도 2에서와 같이 모든 하이드로겔 시료에 대해 94% 이상의 높은 투과도를 나타내었다. 이는 콘택트 렌즈에서 요구되는 투과도(92%)를 충족시키는 결과이다. 또한, 높은 투과도는 p(MPC)로 표면 개질된 p(HEMA) 하이드로겔이 불투명하거나 상분리되지 않음을 시사하는 결과이기도 하다. 이는 HEMA 및 EGDMA를 포함하는 단량체 용액에 대한 MPC의 높은 혼화성 때문이기도 하다.

또한, 접촉각을 측정하여 표면 젖음성을 평가하였고, 그 결과는 표 1 및 도 3과 같다. 표면 개질된 하이드로겔은 쌍성 이온성 및 친수성 MPC 성분을 가지고 있으며, MPC 양의 증가와 함께 접촉각이 감소하며 표면 젖음성이 향상되는 결과를 나타내었다. 상대적으로 높은 78.6°의 접촉각이 p(HEMA) 하이드로겔 시료에서 관찰되었는데, MPC 양이 증가함에 따라 74.7, 65.0, 59.2°로 접촉각이 감소하는 결과를 확인하였다. 이러한 표면 젖음성의 향상은 MPC에서 포스포릴콜린기의 이온 수화에 따른 것이다.

또한, 표면 방오성을 평가하기 위하여 단백질 및 박테리아 탈착 시험을 실시하였다.

단백질 탈착은 다양한 요인에 의한 것으로서, 위상배치, 단백질 구조, 크기, 전하 등의 영향을 받는다. 따라서 BSA 및 라이소자임의 2가지 단백질 모델의 흡착을 고려하여 시험하였다.

그 결과는 도 4와 같으며, MPC의 함량이 증가함에 따라 렌즈당 BSA 흡착량이 3.13, 2.54, 2.51g으로 증가하는 것으로 나타났다. 표면 개질하지 않은 하이드로겔 렌즈가 7.55g인 것과 비교하면, 이러한 결과는 BSA 흡착이 59, 66, 및 67% 감소하는 것을 시사하는 것이다. 또한, 표면 개질에 의해 라이소자임 흡착이 감소하는 것으로 나타났다. 표면 개질하지 않은 하이드로겔 렌즈에 대한 라이소자임 흡착량이 3.87g인 것에 대해 표면 개질된 하이드로겔 렌즈의 경우 흡착량이 1.02 내지 1.05g인 것으로 나타나 대략 73 내지 74%의 라이소자임 흡착율의 감소를 확인하였다.

다만, 실시예 2와 3에서 BSA 및 라이소자임의 흡착량이 거의 동일하였으며, 이로부터 최적의 표면 개질을 위해서는 0.25M의 MPC 단량체로 표면 개질하는 것이 적합하며, 이를 통해 최적의 표면 방오성을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 단백질 흡착에 대한 저항성은 포스포릴콜린 부분과 주위의 물의 상호작용에 의한 것이며, 기재에 대해 자유로운 물의 함량에 따라 포스포릴콜린기 주변의 수화층의 밀도가 정해지며 이를 통해 단백질 흡착을 저해하는 일종의 방어막을 형성하는 것으로 생각된다.

또한, 박테리아 흡착 시험을 위하여 그람-음성 E. Coli를 사용하여 실험을 실시하였다. 하이드로겔 시료는 박테리아 현탁액에 함침하였고 37℃에서 배양한 후 이를 꺼내어 살균 배지에 다시 함침하였다. 이후 박테리아의 함량을 미리 설정된 시간 간격으로 1에서 24시간 동안 측정하였다. 측정은 UV 분광기를 이용하여 광학 밀도를 구함으로서 실시하였다.

실시예 3의 시료에 대한 시험 결과는 도 5와 같은데, 표면 개질된 하이드로겔을 포함하는 현탁액은 대조군에 비해 낮은 박테리아 흡착을 나타내었다. 즉, 대조군에 비해 박테리아 흡착량이 10 내지 73% 감소하는 결과를 얻었다.

단백질 탈착 결과와 마찬가지로 박테리아에 대해서도 흡착률 감소의 결과를 얻었으며, 이는 하이드로겔 표면의 수화층 밀도가 높아지기 때문인 것으로 생각되었다.

이와 같은 결과로부터 본 발명에 따른 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 표면 개질된 하이드로겔은 단백질 및 박테리아의 흡착에 대한 높은 저항성을 나타내며, 이로 인해 우수한 방오성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 표면 개질된 하이드로겔을 성형하여 콘택트 렌즈를 제조하면 상기 하이드로겔의 특성으로 말미암아 방오성 및 항균성이 향상되며, 안구의 감염을 방지하고 이를 통해 콘택트 렌즈 착용시 발생할 수 있는 안구질환을 저감 및 예방할 수 있을 것으로 기대된다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

폴리하이드록시에틸메타크릴레이트(poly(hydroxyethylmethacrylate, p(HEMA))를 주재료로 하는 하이드로겔의 표면을 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)(p(MPC))로 개질하는 것을 특징으로 하는 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔.
청구항 1에 있어서,
상기 p(HEMA) 하이드로겔은,
에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA) 및 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)를 하이드록시에틸메타크릴레이트(HEMA) 단량체에 용해시켜 혼합액을 제조하는 단계;
상기 혼합액을 몰드에 주입하고 가열하여 고분자를 제조하는 단계;
상기 고분자를 세척하여 하이드로겔을 제조하는 단계;
를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔.
청구항 1의 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린)로 개질된 하이드로겔로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 콘텍트 렌즈.