콘택트렌즈소재및응용기술 배우리 이동윤 한양대학교생명공학과 Contact Lens Materials and Applications Woo Ri Bae and Dong Yun Lee Department of Bioengineering, College of Engineering, Hanyang University Abstract: 콘택트렌즈는시력보정의목적으로개발되기시작하여최근에는다양한목적을위해이용되고있다. 특히, 콘택트렌즈를 IT, NT, BT 와융합하여질병진단을목적으로이용하는데관심이높아지고있다. 본지에서는콘택트렌즈의재료와최근주목받고있는진단용콘택트렌즈와소재에대해소개하고앞으로전망에대해논하였다. Keywords: contact lens, smart, material 1. 여는글 1) 콘택트렌즈는 500여년전부터개발되어왔고, 1900년대후반에들어서가장많은발전을해왔다. 20세기중반에 poly(methyl methacylate) (PMMA) 를이용한하드콘택트렌즈 (hard contact lens) 가디자인된것을바탕으로더개선된모델이지금까지시중에팔리고있다. 하드콘택트렌즈가개발된후비슷한시기에 poly(hydroxyethyl methacylate) (HEMA) 를이용한소프트콘택트렌즈 (soft contact lens) 가개발되었다. 다양한제작방법과몰드가개발되면서더효과적으로콘택트렌즈를제작할수있게되었고, 바슈롬이특허를얻으면서 1971년 FDA는 HEMA 기반의콘택트렌즈를일회용렌즈로서승인했다 [1](Grosvenor & Grosvenor, 2007). 제작방법이다양해짐에따라, 콘택트렌즈에사용될수있는재료의폭도넓어지게되었다. 또한컴퓨터를이용한레이저작업으로제작의정확성도증가했다. 기술의발전과재료의다양성으로산소투과율의증가, 편안한착용감등의개선된 주저자 (E-mail: dongyunlee@hanyang.ac.kr) 특성을얻으면서일회용렌즈에서장기착용렌즈가개발될수있었다. 최근에는콘택트렌즈는시력보정의목적뿐만아니라치료, 진단, 미용등의다양한목적을위해이용되고있다. 2014년초콘택트렌즈를전기화학, 정보통신기술과결합하여질병진단에이용하는기술을구글이개발하면서진단용콘택트렌즈에대한관심이높아졌다. 본지에서는콘택트렌즈에이용되는소재에대한소개와최근응용되고있는기술에따라어떻게발전할수있을지에대해논하였다. 2. 콘택트렌즈의종류콘택트렌즈는초기에시력보정이목적이었지만, 이후치료, 미용등다양한목적으로개발되었다. 시력보정용콘택트렌즈는근시, 원시, 난시등을보정하는것으로눈으로들어오는빛의초점을잡아굴절이상을바로잡아서시력을보정한다. 최근에는각막교정술에이용되어근시보정에도사용되는데, 이것은자는동안렌즈를착용하여각막표면을평평하게만들어서낮에는렌즈를빼도 KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 21
Table 1. Functions of Contact Lens 목적시력보정용치료용미용 특징근시, 원시, 난시등을보정. 굴절이상을바로잡아시력을보정함 각막손상시눈의깜빡임으로인해각막이쓸리는것으로부터보호렌즈내약물을포함하여눈으로약물전달을하는데이용 홍채부분의색을변화시켜미용의목적으로이용렌즈가함유하는색소유출로인해안구충혈, 자극, 감염등의유발가능 시력교정효과를내게한다. 치료용콘택트렌즈는각막이손상된환자가눈의깜빡임으로인해각막이쓸리는것으로부터보호하여각막치료에도움을준다. 또한, 안약이낮은생체이용률을갖는다는단점을극복하기위해렌즈내에약물을포함하여렌즈착용시눈으로약물을전달시켜안구질환치료에이용되기도한다. 이것은수포성각막증, 안구건조증, 각막찰과상, 각막상피미란, 각막염, 각막부종, 각막궤양, 각막비대등다양한안구질환치료에이용된다 [2]. 최근미용콘택트렌즈가젊은층에서유행하고있다. 이것은홍채부분의색을변화시켜미용의목적으로이용되며, 사용자가원할시에는동시에시력보정도가능하다. 하지만, 렌즈가함유하는색소의유출로인해안구충혈, 자극, 감염등을유발할수있다. 또한, 미용렌즈의특징을이용하여홍채손실등을보정하기위해의료용으로도이용하기도한다 [3]. 3. 소재 [4] 콘택트렌즈의소재는하드렌즈와소프트렌즈에서사용되는것으로나눌수있다. 하드렌즈는과거에 Poly(methyl methacrylate) (PMMA) 를대표적인소재로하여만들어졌는데, PMMA가습윤성과산소투과성이좋지않아각막이상을일으킬수있어현재는거의사용되지않는다. PMMA의단점을극복하여지금의하드렌즈는 rigid-gas-permeable (RGP) 렌즈로 silicone/acrylate (S/A) 나 fluoro-silicone/acrylate (F-S/A) 같은산소투과성이좋은재료를사용하여만들어진다. S/A는 siloxane bonding에의해산소투과율이높지만, 이것으로인해렌즈의소수성이증가하여친수성이좋은 monomer가함께이용되어야한다. F-S/A는 fluorine이첨가된 S/A와유사한재료이다. fluorine으로인해화학적으로안정하며 S/A의문제점인건조증을감소시킬수있다. S/A에덜건조하고착용감이좋아서안구건조증환자도착용할수있다. Styrene은벤젠고리를포함하는재료로굴절률이높고비중이낮다. 이재료의렌즈는다른 RGP 렌즈에비해친수성이높고견고하여착용감이좋고특히각막에불규칙난시교정에좋다. Silicone Elastomer는탄성이좋고산소투과율이매우좋다. 이재료를사용한렌즈는중간정도직경을가져서아이들이착용하기좋다. 하지만표면의소수성, 흡착성때문에거의이용되지않고있으며무수정체소아환자에게사용되고있다. 소프트렌즈는하드렌즈에비해렌즈재질이부드러워이물감과각막에압박이적기때문에착용감이편안하다. 렌즈의직경도하드렌즈에비해커서외부의이물질을방어할수있고렌즈분실우려도적다. 재료는친수성이좋은 2-Hydroxyethyl Methacrylate (HEMA), N-vinyl pyrrolidone (NVP) 등의모노머가이용된다. HEMA는소프트렌즈에서가장대표적인재료로친수성, 유연성이좋다. 함수율이높아산소투과성을가지므로착용감이좋고생체적합성도좋다. 하지만 HEMA 단독으로는강도가떨어지므로 Methacrylate (MMA) 같은모노머와함께합성하여내구력을높인다. Methacrylic acid (MAA) 는렌즈의함수율을증가시키는데사용되는모노머이다. 생리학적 ph에서항상전하를갖기때문에, 이재료가사용된렌즈는음전하를 22 공업화학전망, 제 18 권제 6 호, 2015
콘택트렌즈소재및응용기술 Table 2. Materials of Contact Lens 하드렌즈 (RGP 렌즈 ) S/A 수식없음산소투과율 (Dk) 이높지만소수성이높아건조함 F-S/A 수식없음 Styrene Fluorine 으로인해 S/A 가갖는건조증을감소 S/A 에비해덜건조하고착용감이좋음 착용감이좋고, 난시교정에좋음 HEMA 소프트렌즈에서가장대표적인재질친수성, 유연성은좋지만산소투과율이낮음 소프트렌즈 EGDMA MAA crosslinking agent 로사용폴리머안정성을증가 함수율을증가시키고렌즈가음전하를갖게함 NVP 친수성을가지므로렌즈의함수율을증가시킴 갖게된다. N-vinyl pyrrolidone (NVP) 는비닐기를갖는친수성모노머로함수율을높이는데주로사용된다. 하지만강도가떨어지고흡착성이높은결점이있어서다른모노머와공중합시켜사용된다. Ethylene Glycol Dimethacrylate (EGDMA) 는가교제 (crosslinking agent) 로사용되는재료이다. 이것은폴리머의안정성을증가시키지만, 과량사용시렌즈를뻣뻣하게만들고, 함수율을감소시킨다. Divinylbenzene도두개의 vinyl group을가져서가교제로사용된다. 4. 콘택트렌즈의응용콘택트렌즈는시력보정, 치료등의다양한목적을갖고개발되고있다. 최근에는기존용도와달리 IT, BT 등과융합하여새로운형태의콘택트렌즈가주목받고있다. 지난해세계최대 IT 회사중하나인구글이혈당을확인할수있는콘택트렌즈를개발하고있다는보도이후생체정보센서로서역할을하는콘택트렌즈에대한관심이높아지고있다. 특히, 이 러한비침습, 무채혈기술이적용된플랫폼중에서 PET (polyethylene terephthalate) contact lens 를기반으로한눈물속포도당측정기술이개발되고있다 [5]. 이러한기술은환자의편의성을증가시키고경제성측면에서도매우유리하다. 4.1. 스마트콘택트렌즈현재개발되고있는 스마트콘택트렌즈 의대부분은전기화학적원리를이용한센서시스템이탑재되고있다. 아래에서국내외최고수준의콘택트렌즈플랫폼기술기반질환인자측정기술들에대해소개한다. 국내연구진인 KIST에서콘택트렌즈당뇨센서를개발했다. 이것은전자회로가콘택트렌즈에삽입되어눈물을안정적으로수집하고분석하여당뇨여부및진행정도를판단할수있다. 연구팀은눈물속에포함된미량의포도당을유연한플랫폼에서측정이가능하도록새롭게구성된센서를개발했을뿐만아니라, 이센서에대한초저전력구동이가능한미세모듈및눈물을안정적으로공급해줄수있는미소유체제어시스템을개발했 KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 23
출처 : http://koreajoongangdaily.joins.com/ Figure 1. Smart contact lens for diabetes patients that monitors glucose levels (KIST, Korea, 2014). 다. 센서에서나노발전기는눈을깜빡일때마다전력을발생시키고, 마이크로채널을통해포집된눈물을센서로보내센서가눈물속포도당성분을분석하게되며, 필름형배터리는전기를저장할수있다. 연구팀은실제당뇨환자의눈물을사용해당류성분을판독하는데성공했다. 이것을통해콘택트렌즈를착용하는것만으로도혈당을지속적으로모니터링할수있어서, 보다간편하고정확한진단과관리가가능할것으로예측된다. 대표적인 IT 기업인구글은 2014년초당뇨병환자의눈물을분석해체내혈당수치를분석가능한 스마트콘택트렌즈 시제품을공개했다. 소프트렌즈용소재로제작된두장의막사이에미세한크기의무선칩과혈당치측정센서, 안테나, LED 라이트를장착하여눈물내포도당수치변화를측정할수있다. 이센서는 1 s에한번씩연속적으로 (continuous) 측정이가능하도록디자인되었고, 혈당이기준치보다상승하거나하강할때는 LED 라이트를이용하여사용자의시야에 LED 신호를보여주도록했다. 이렇게읽어진측정값은무선으로사용자의모바일기기에전송될수있다. 또한자동초점카메라렌즈와비슷한방식으로시력을교정할수도있다. 종전콘택트렌즈와비슷한형태와두께의렌즈에복수의초소형카메 출처 : http://www.popularmechanics.co.za/ Figure 2. Google s smart contact lenses to monitor diabetes (Google, USA, 2014). 라, 센서, 통신장치탑재와관련한특허를확보했다. 하지만눈물속에포함된미량의포도당을빠르고정확하게측정하는기술과눈물을안정적으로공급하는기술이필수적이므로실제구현까지는최소 5년이상의연구개발이필요하다. Triggerfish라는스마트콘택트렌즈는내부에장착된센서를통해안압 (intraocular pressure) 을측정할수있는렌즈이다. 녹내장은안압의상승으로시신경이압박되거나혈액공급에장애가생겨점차시력이저하되다가결국실명으로이어지는질환이다. 녹내장환자가치료되는과정에서안압측정은필수항목인데, 환자는하루에도여러번안압이변하게되므로안압을정확히측정하기위해서는 1회측정이아니라장기간에걸쳐서이루어져야한다. 이렌즈에는얇은스트레인게이지 (strain gauge) 가내장되어있어서각막의곡률변화를측정하게된다. 그리고이정보를무선통신을이용해실시간으로환자의모바일기기에전송시킨다. 이센서는녹내장환자가병원에입원을하여 24 h 동안환자상태를모니터링할수있도록고안되었다. 하지만 스마트콘택트렌즈 기술의대부분은 24 공업화학전망, 제 18 권제 6 호, 2015
콘택트렌즈소재및응용기술 출처 : http://new-glaucoma-treatments.com/ Figure 3. SENSIMED Triggerfish Sensor to measure the eye s pressure (Sensimed, Switzerland, 2012). 출처 : Modified from Biosensors and Bioelectronics, 70, 455-461 (2015). Copyright 2015 Elsevier B.V. Figure 4. Glucose oxidase-coupled Pistol-like DNAzyme (GOx-PLDz) biosensor. 출처 : Modified from Biomaterials, 33, 7115-7125 (2012). Copyright 2012 Elsevier B.V. Figure 5. Molecularly imprinted poly(nipam-aam- VPBA)- Ag hybrid microgels with specific glucose-binding sites. potentiomery 또는 amperometry 기술이적용되고있어서, 이러한 스마트 한기능을구현하기위한각종컨트롤회로, 통신회로, 안테나등이극소형화되어서작으면서도말랑말랑하고투명한콘택트렌즈속에들어가야한다. 따라서상용화를하기위해서좀더혁신적기술개발이요구되고있다. 4.2. 스마트콘택트렌즈플랫폼에적용가능한바이오센서용나노소재앞서소개했듯이대부분의스마트콘택트렌즈기술은작은콘택트렌즈안에여러회로등이소형화시켜내장되어야한다. 이러한문제점을극복하기위해다양한바이오센서용나노소재들이개발되고있다. Dazhi Jiang 연구팀은눈물과타액에서포도당을검출하기위한 glucose oxidase-coupled Pistol-like DNAzyme (GOx-PLDz) 을개발했다 [6]. 이나노소재는 glucose oxidase와 DNAzyme으로구성된 dual-enzyme 바이오센서로, 눈물과침에포함된포도당을검출하기위해고안되었다. 포도당산화효소는포도당을산화시켜과산화수소를형성하게하고, PLDz는과산화수소를감지하여자가분열 (self-cleavage) 을일으키며이반응은 Mn 2+, Co 2+, 그리고 Cu 2+ 에의해촉진된다. 즉, 포도당검출은 PLDz가분열되는정도를통하여모니터링될수있다. 이소재는포도당을최소 5 µm까지검출할수있다. 하지만, 검출을위한시간이최소 1 h 이상걸리고, 현재는분석이전기영동으로이루어지고있으며, 샘플부피가 30 µl 정도로많이필요하다는등의극복해야할한계점이있다. 포도당을광학적으로모니터링하기위해 Shuiqin Zhou 연구팀은 Molecular imprinting 기술을적용하여 Ag + 이온을함께갖도록한 poly (NIPAM- AAm-VPBA)-Ag hybrid microgel을개발했다 [7]. 이 imprinted hybrid microgels은포도당을높은민감도와선택성으로모니터링이가능하여 포도당지표 로서사용될수있다. 포도당의농도가높아지면색상이노란색에서붉은색으로변하는것으로포도당농도가상승하는것을알수있다. 또한, 포도당이 microgel에결합하면서폴리머네트워크의결합이변화하면광선의굴절에변화를유발시키는데, 이것을 SPR로감지할수있어서포도당의농도를측정가능하게한다. 탄소나노튜브 (carbon nanotubes) 에이산화티탄 (titanium dioxide) 을결합해서일종의단일분자반도체소자 (single molecule electrical semiconductor) KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 25
출처 : Reprinted with permission from J Am Chem Soc 135, 9015-9022 (2013). Copyright 2013 American Chemical Society. Figure 6. Single-Walled Carbon Nanotube-Titanium Dioxide (SWNTs-TiO 2 ) Hybrids. 출처 : Modified from Chem Commun (Camb), 1867-1869 (2009). Copyright 2009 The Royal Society of Chemistry. Figure 7. The structure and sensing principle of the PCCA sensor. 러한특징으로 SWNTs-TiO 2 가호흡내아세톤을검출하는데적절한소재가될수있다. 이러한아세톤검출센서는당뇨환자나대사질환을겪는환자들이편리하고빠르게질환을진단할수있는개인용측정장치에이용될수있을것이라예상된다. Alexander Star 연구팀은이것을이용해환자호흡에포함된아세톤함량을분석하여당뇨진단이가능하다는것을입증하였다. 하이드로겔포도당같은분석물질이있으면삼투압에의해수축, 이완의가역적반응을하는특성이있다. 그리고분석물질과특이적으로결합하여반응하도록할수있다. Figure 7은 Photonic crystal polymerized crystalline colloidal array (PCCA) 를포도당감지물질로사용한것이다 [9]. 이것은포도당농도에따라하이드로겔부피가증가하는것으로인해회절과산란으로빛이장파장으로변화하는것을감지하여포도당의농도를분석하는것이다. Figure 8과같이포도당과반응하는물질과형광물질과결합한소재를콘택트렌즈에적용하여 FRET 원리를통해검출하는기술도있다 [10]. 이기술은외부에서광원 (light source) 을눈으로조사하여나오는 emission light를측정하여포도당농도를검출하는것이다. 5. 향후전망 출처 : Modified from Curr Opin Biotechnol 16, 100-107 (2005). Copyright 2005 Elsevier Ltd. Figure 8. Boronic acid doped contact lenses. The hand-held device works by flashing a light into the eye (Ex) and measuring the emission (Em) intensity. 를개발하였다 [8]. 이것은 UV를조사하거나아세톤에노출되었을때전기적반응을달리하게된다. 호흡에포함된아세톤은당뇨성케톤산증과혈당과관련된다고알려져있다. 실온에서이나노소재는아세톤증기에대해빠르고매우민감하게반응하며 (2~20 ppm), 가역적인반응을한다. 이 현재개발되고있는 스마트콘택트렌즈 플랫폼은환자가거부감없이비침습적및지속적인 SMBG (Self-monitoring of blood glucose) 를구현할수있는기술이다. 대부분은전기화학적원리를이용한센서시스템이탑재되고있다. 이러한스마트콘택트렌즈플랫폼개발에서중요한안전성의이슈는, (1) 눈에직접장착하는기기이므로절대적으로안전이보장되어야한다. 예를들면 LED를이루는물질중의하나인 AlGaAs (Aluminum Gallium Arsenide) 는독성이있으므로생체적합성소재로완전히봉입되어야한다. (2) 회로에서발생되는열 (heat) 도문제가될수있다. 눈 26 공업화학전망, 제 18 권제 6 호, 2015
콘택트렌즈소재및응용기술 출처 : danmee.chosun.com Figure 9. Tear element (left : normal, right : dry eye). 에무리가가지않기위해서는약 45 이하의열만발생시켜야한다. (3) 오랜시간눈에장착하는동안눈에대한부작용과독성검증이필요하다. 더불어눈물은 0.5~2.2 µl/min ( 하루 : 0.72~3.2 ml) 속도로극소량으로생성되고약 20여종의성분들을포함하므로 [10], 스마트콘택트렌즈플랫폼에사용되는소재는초고감도및질환인자특이성이매우우수해야할것으로전망된다. 안정성의문제를해결하기위해서는나노소재를콘택트렌즈에 fabrication하는기술이필요할것이다. 콘택트렌즈착용시눈꺼풀의움직임으로인해검출하는입자가탈락될가능성이있으므로소재가안전해야하며, 안정적으로부착되어야한다. 그리고나노소재가콘택트렌즈와결합후렌즈자체의물리적특성도잘유지해야한다는점도고려하여기술이개발되어야할전망이다. 6. 결론콘택트렌즈는본래개발된목적인시력보정뿐만아니라최근다양한목적을갖고개발되어오고있으며, 특히질환진단용콘택트렌즈가주목받고있다. 하지만진단용스마트콘택트렌즈가상용화되기위해서는민감성, 특이성등의한계점을극복할다양한소재들이개발되어야할것이다. 스마트콘택트렌즈의개발로인해앞으로눈물속각종질병인자탐지를통한조기진단이가능하며, 정확한조기진단을통해빠른치료대책수립이가능할것이다. 그리고지속적비침습형진단 시스템을통해측정비용을줄일수있다. 이것으로환자에게국가의료비부담을절감시킬수있다. 또한손쉬운자가진단을통해환자의지속적건강관리가가능하게되어질병예방에대한국민의사회적인식을제고할수있다. 그리고 BT, IT, NT 기반의바이오센서시제품개발을통해신성장동력창출과융합연구개발의신모델제시로신규시장창출과일자리창출또한가능하다. 사사이논문은 2015년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단바이오 의료기술개발사업의지원을받아수행된연구임 ( 과제번호 : 2015M 3A9E2030125). 참고문헌 1. T. Grosvenor and T. P. Grosvenor, Primary Care Optometry (Butterworth-Heinemann/Elsevier, 2007). 2. L. C. Bengani, K. H. Hsu, S. Gause, and A. Chauhan, Contact lenses as a platform for ocular drug delivery, Expert Opin. Drug. Deliv., 10, 1483-1496 (2013). 3. T. L. Steinemann, U. Pinninti, L. B. Szczotka, R. A. Eiferman, and F. W. Price. Jr, Ocular complications associated with the use of cosmetic contact lenses from unlicensed vendors, Eye Contact Lens, 29, 196-200 (2003). 4. E. S. Bennett and B. A. Weissman, Clinical Contact Lens Practice (Lippincott Williams & Wilkins, 2005). 5. H. Yao, A. J. Shum, M. Cowan, I. Lahdesmaki, and B. A. Parviz, A contact lens with embedded sensor for monitoring tear glucose level, Biosens Bioelectron, 26, 3290-3296 (2011). 6. C. Liu et al., A glucose oxidase-coupled KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 27
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