기획특집: 의약분야 적용 고분자 소재 · 출처 : figure 2. google’s smart contact...

8
KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 21 1. 여는글 1) 콘택트렌즈는 500여 년 전부터 개발되어왔고, 1900년대 후반에 들어서 가장 많은 발전을 해왔다. 20세기 중반에 poly(methyl methacylate) (PMMA) 를 이용한 하드 콘택트렌즈(hard contact lens)디자인된 것을 바탕으로 더 개선된 모델이 지금까 지 시중에 팔리고 있다. 하드 콘택트렌즈가 개발 된 후 비슷한 시기에 poly(hydroxyethyl meth- acylate) (HEMA)를 이용한 소프트 콘택트렌즈 (soft contact lens)가 개발되었다. 다양한 제작 방 법과 몰드가 개발되면서 더 효과적으로 콘택트렌 즈를 제작할 수 있게 되었고, 바슈롬이 특허를 얻 으면서 1971FDAHEMA 기반의 콘택트렌즈 를 일회용 렌즈로서 승인했다[1](Grosvenor & Grosvenor, 2007). 제작 방법이 다양해짐에 따라, 콘택트렌즈에 사용될 수 있는 재료의 폭도 넓어지게 되었다. 한 컴퓨터를 이용한 레이저작업으로 제작의 정확 성도 증가했다. 기술의 발전과 재료의 다양성으로 산소 투과율의 증가, 편안한 착용감 등의 개선된 주 저자 (E-mail: [email protected]) 특성을 얻으면서 일회용 렌즈에서 장기착용렌즈 가 개발될 수 있었다. 최근에는 콘택트렌즈는 시력 보정의 목적 뿐만 아니라 치료, 진단, 미용 등의 다양한 목적을 위해 이용되고 있다. 2014년 초 콘택트렌즈를 전기화 , 정보통신 기술과 결합하여 질병진단에 이용하 는 기술을 구글이 개발하면서 진단용 콘택트렌즈 에 대한 관심이 높아졌다. 본지에서는 콘택트렌즈에 이용되는 소재에 대 한 소개와 최근 응용되고 있는 기술에 따라 어떻 게 발전할 수 있을지에 대해 논하였다. 2. 콘택트렌즈의 종류 콘택트렌즈는 초기에 시력 보정이 목적이었지만, 이후 치료, 미용 등 다양한 목적으로 개발되었다. 시력 보정용 콘택트렌즈는 근시, 원시, 난시 등 을 보정하는 것으로 눈으로 들어오는 빛의 초점을 잡아 굴절이상을 바로잡아서 시력을 보정한다. 근에는 각막교정술에 이용되어 근시 보정에도 사 용되는데, 이것은 자는 동안 렌즈를 착용하여 각 막 표면을 평평하게 만들어서 낮에는 렌즈를 빼도 콘택트렌즈 소재 및 응용기술 배 우 리이 동 윤 한양대학교 생명공학과 Contact Lens Materials and Applications Woo Ri Bae and Dong Yun Lee Department of Bioengineering, College of Engineering, Hanyang University Abstract: 콘택트렌즈는 시력 보정의 목적으로 개발되기 시작하여 최근에는 다양한 목적을 위해 이용되고 있다. 특히, 콘택트렌즈를 IT, NT, BT와 융합하여 질병 진단을 목적으로 이용하는데 관심이 높아지고 있다. 본지에서는 콘택트렌 즈의 재료와 최근 주목받고 있는 진단용 콘택트렌즈와 소재에 대해 소개하고 앞으로 전망에 대해 논하였다. Keywords: contact lens, smart, material 기획특집: 의약분야 적용 고분자 소재

Upload: lyduong

Post on 25-Aug-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 21

1. 여는글1)

콘택트렌즈는 500여 년 전부터 개발되어왔고,

1900년대 후반에 들어서 가장 많은 발전을 해왔다.

20세기 중반에 poly(methyl methacylate) (PMMA)

를 이용한 하드 콘택트렌즈(hard contact lens)가

디자인된 것을 바탕으로 더 개선된 모델이 지금까

지 시중에 팔리고 있다. 하드 콘택트렌즈가 개발

된 후 비슷한 시기에 poly(hydroxyethyl meth-

acylate) (HEMA)를 이용한 소프트 콘택트렌즈

(soft contact lens)가 개발되었다. 다양한 제작 방

법과 몰드가 개발되면서 더 효과적으로 콘택트렌

즈를 제작할 수 있게 되었고, 바슈롬이 특허를 얻

으면서 1971년 FDA는 HEMA 기반의 콘택트렌즈

를 일회용 렌즈로서 승인했다[1](Grosvenor &

Grosvenor, 2007).

제작 방법이 다양해짐에 따라, 콘택트렌즈에

사용될 수 있는 재료의 폭도 넓어지게 되었다. 또

한 컴퓨터를 이용한 레이저작업으로 제작의 정확

성도 증가했다. 기술의 발전과 재료의 다양성으로

산소 투과율의 증가, 편안한 착용감 등의 개선된

주 저자 (E-mail: [email protected])

특성을 얻으면서 일회용 렌즈에서 장기착용렌즈

가 개발될 수 있었다.

최근에는 콘택트렌즈는 시력 보정의 목적 뿐만

아니라 치료, 진단, 미용 등의 다양한 목적을 위해

이용되고 있다. 2014년 초 콘택트렌즈를 전기화

학, 정보통신 기술과 결합하여 질병진단에 이용하

는 기술을 구글이 개발하면서 진단용 콘택트렌즈

에 대한 관심이 높아졌다.

본지에서는 콘택트렌즈에 이용되는 소재에 대

한 소개와 최근 응용되고 있는 기술에 따라 어떻

게 발전할 수 있을지에 대해 논하였다.

2. 콘택트렌즈의 종류

콘택트렌즈는 초기에 시력 보정이 목적이었지만,

이후 치료, 미용 등 다양한 목적으로 개발되었다.

시력 보정용 콘택트렌즈는 근시, 원시, 난시 등

을 보정하는 것으로 눈으로 들어오는 빛의 초점을

잡아 굴절이상을 바로잡아서 시력을 보정한다. 최

근에는 각막교정술에 이용되어 근시 보정에도 사

용되는데, 이것은 자는 동안 렌즈를 착용하여 각

막 표면을 평평하게 만들어서 낮에는 렌즈를 빼도

콘택트렌즈 소재 및 응용기술

배 우 리⋅이 동 윤†

한양대학교 생명공학과

Contact Lens Materials and Applications

Woo Ri Bae and Dong Yun Lee†

Department of Bioengineering, College of Engineering, Hanyang University

Abstract: 콘택트렌즈는 시력 보정의 목적으로 개발되기 시작하여 최근에는 다양한 목적을 위해 이용되고 있다. 특히,

콘택트렌즈를 IT, NT, BT와 융합하여 질병 진단을 목적으로 이용하는데 관심이 높아지고 있다. 본지에서는 콘택트렌

즈의 재료와 최근 주목받고 있는 진단용 콘택트렌즈와 소재에 대해 소개하고 앞으로 전망에 대해 논하였다.

Keywords: contact lens, smart, material

기획특집: 의약분야 적용 고분자 소재

기획특집: 의약분야 적용 고분자 소재

22 공업화학 전망, 제18권 제6호, 2015

시력 교정 효과를 내게 한다.

치료용 콘택트렌즈는 각막이 손상된 환자가 눈

의 깜빡임으로 인해 각막이 쓸리는 것으로부터 보

호하여 각막 치료에 도움을 준다. 또한, 안약이 낮

은 생체이용률을 갖는다는 단점을 극복하기 위해

렌즈 내에 약물을 포함하여 렌즈 착용 시 눈으로

약물을 전달시켜 안구 질환 치료에 이용되기도 한

다. 이것은 수포성 각막증, 안구건조증, 각막찰과

상, 각막상피미란, 각막염, 각막부종, 각막궤양, 각

막비대 등 다양한 안구 질환 치료에 이용된다[2].

최근 미용 콘택트렌즈가 젊은 층에서 유행하고

있다. 이것은 홍채 부분의 색을 변화시켜 미용의

목적으로 이용되며, 사용자가 원할 시에는 동시에

시력 보정도 가능하다. 하지만, 렌즈가 함유하는

색소의 유출로 인해 안구충혈, 자극, 감염 등을 유

발할 수 있다. 또한, 미용 렌즈의 특징을 이용하여

홍채 손실 등을 보정하기 위해 의료용으로도 이용

하기도 한다[3].

3. 소 재[4]

콘택트렌즈의 소재는 하드렌즈와 소프트렌즈에

서 사용되는 것으로 나눌 수 있다.

하드렌즈는 과거에 Poly(methyl methacrylate)

(PMMA)를 대표적인 소재로 하여 만들어졌는데,

PMMA가 습윤성과 산소투과성이 좋지 않아 각막

이상을 일으킬 수 있어 현재는 거의 사용되지 않는

다. PMMA의 단점을 극복하여 지금의 하드렌즈는

rigid-gas-permeable (RGP) 렌즈로 silicone/acryl-

ate (S/A)나 fluoro-silicone/acrylate (F-S/A) 같은

산소투과성이 좋은 재료를 사용하여 만들어진다.

S/A는 siloxane bonding에 의해 산소 투과율이 높

지만, 이것으로 인해 렌즈의 소수성이 증가하여

친수성이 좋은 monomer가 함께 이용되어야 한다.

F-S/A는 fluorine이 첨가된 S/A와 유사한 재료이

다. fluorine으로 인해 화학적으로 안정하며 S/A의

문제점인 건조증을 감소시킬 수 있다. S/A에 덜

건조하고 착용감이 좋아서 안구건조증 환자도 착

용할 수 있다. Styrene은 벤젠고리를 포함하는 재

료로 굴절률이 높고 비중이 낮다. 이 재료의 렌즈

는 다른 RGP 렌즈에 비해 친수성이 높고 견고하

여 착용감이 좋고 특히 각막에 불규칙 난시 교정

에 좋다. Silicone Elastomer는 탄성이 좋고 산소투

과율이 매우 좋다. 이 재료를 사용한 렌즈는 중간

정도 직경을 가져서 아이들이 착용하기 좋다. 하

지만 표면의 소수성, 흡착성 때문에 거의 이용되

지 않고 있으며 무수정체 소아환자에게 사용되고

있다.

소프트렌즈는 하드렌즈에 비해 렌즈 재질이 부

드러워 이물감과 각막에 압박이 적기 때문에 착용

감이 편안하다. 렌즈의 직경도 하드렌즈에 비해 커

서 외부의 이물질을 방어할 수 있고 렌즈 분실 우

려도 적다. 재료는 친수성이 좋은 2-Hydroxyethyl

Methacrylate (HEMA), N-vinyl pyrrolidone (NVP)

등의 모노머가 이용된다. HEMA는 소프트렌즈에

서 가장 대표적인 재료로 친수성, 유연성이 좋다.

함수율이 높아 산소투과성을 가지므로 착용감이 좋

고 생체적합성도 좋다. 하지만 HEMA 단독으로는

강도가 떨어지므로 Methacrylate (MMA) 같은 모노

머와 함께 합성하여 내구력을 높인다. Methacrylic

acid (MAA)는 렌즈의 함수율을 증가시키는데 사용

되는 모노머이다. 생리학적 pH에서 항상 전하를

갖기 때문에, 이 재료가 사용된 렌즈는 음전하를

목적 특징

시력 보정용 근시, 원시, 난시 등을 보정. 굴절 이상을 바로 잡아 시력을 보정함

치료용각막 손상 시 눈의 깜빡임으로 인해 각막이 쓸리는 것으로부터 보호

렌즈 내 약물을 포함하여 눈으로 약물전달을 하는데 이용

미용홍채 부분의 색을 변화시켜 미용의 목적으로 이용

렌즈가 함유하는 색소 유출로 인해 안구충혈, 자극, 감염 등의 유발 가능

Table 1. Functions of Contact Lens

콘택트렌즈 소재 및 응용기술

KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 23

갖게 된다. N-vinyl pyrrolidone (NVP)는 비닐기를

갖는 친수성 모노머로 함수율을 높이는데 주로 사

용된다. 하지만 강도가 떨어지고 흡착성이 높은

결점이 있어서 다른 모노머와 공중합 시켜 사용된

다. Ethylene Glycol Dimethacrylate (EGDMA)는

가교제(crosslinking agent)로 사용되는 재료이다.

이것은 폴리머의 안정성을 증가시키지만, 과량 사

용 시 렌즈를 뻣뻣하게 만들고, 함수율을 감소시

킨다. Divinylbenzene도 두 개의 vinyl group을 가

져서 가교제로 사용된다.

4. 콘택트렌즈의 응용

콘택트렌즈는 시력 보정, 치료 등의 다양한 목

적을 갖고 개발되고 있다. 최근에는 기존 용도와

달리 IT, BT 등과 융합하여 새로운 형태의 콘택트

렌즈가 주목받고 있다.

지난해 세계 최대 IT 회사 중 하나인 구글이 혈

당을 확인할 수 있는 콘택트렌즈를 개발하고 있다

는 보도 이후 생체 정보 센서로서 역할을 하는 콘

택트렌즈에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 이

러한 비침습, 무채혈 기술이 적용된 플랫폼 중에

서 PET (polyethylene terephthalate) contact lens

를 기반으로 한 눈물 속 포도당 측정 기술이 개발

되고 있다[5]. 이러한 기술은 환자의 편의성을 증

가시키고 경제성 측면에서도 매우 유리하다.

4.1. 스마트 콘택트렌즈

현재 개발되고 있는 ‘스마트 콘택트렌즈’의 대

부분은 전기화학적 원리를 이용한 센서 시스템이

탑재되고 있다. 아래에서 국내외 최고수준의 콘택

트렌즈 플랫폼 기술 기반 질환인자 측정 기술들에

대해 소개한다.

국내연구진인 KIST에서 콘택트렌즈 당뇨 센서

를 개발했다. 이것은 전자회로가 콘택트렌즈에 삽

입되어 눈물을 안정적으로 수집하고 분석하여 당

뇨 여부 및 진행정도를 판단할 수 있다. 연구팀은

눈물 속에 포함된 미량의 포도당을 유연한 플랫폼

에서 측정이 가능하도록 새롭게 구성된 센서를 개

발했을 뿐만 아니라, 이 센서에 대한 초저전력 구

동이 가능한 미세 모듈 및 눈물을 안정적으로 공

급해줄 수 있는 미소유체 제어 시스템을 개발했

하드 렌즈

(RGP 렌즈)

S/A 수식없음 산소 투과율(Dk)이 높지만 소수성이 높아 건조함

F-S/A 수식없음Fluorine으로 인해 S/A가 갖는 건조증을 감소

S/A에 비해 덜 건조하고 착용감이 좋음

Styrene

착용감이 좋고, 난시교정에 좋음

소프트렌즈

HEMA

소프트렌즈에서 가장 대표적인 재질

친수성, 유연성은 좋지만 산소투과율이 낮음

EGDMA

crosslinking agent로 사용

폴리머 안정성을 증가

MAA 함수율을 증가시키고 렌즈가 음전하를 갖게 함

NVP 친수성을 가지므로 렌즈의 함수율을 증가시킴

Table 2. Materials of Contact Lens

기획특집: 의약분야 적용 고분자 소재

24 공업화학 전망, 제18권 제6호, 2015

다. 센서에서 나노발전기는 눈을 깜빡일 때마다

전력을 발생시키고, 마이크로 채널을 통해 포집된

눈물을 센서로 보내 센서가 눈물 속 포도당 성분

을 분석하게 되며, 필름형 배터리는 전기를 저장

할 수 있다. 연구팀은 실제 당뇨 환자의 눈물을 사

용해 당류 성분을 판독하는데 성공했다. 이것을

통해 콘택트렌즈를 착용하는 것만으로도 혈당을

지속적으로 모니터링할 수 있어서, 보다 간편하고

정확한 진단과 관리가 가능할 것으로 예측된다.

대표적인 IT 기업인 구글은 2014년 초 당뇨병

환자의 눈물을 분석해 체내 혈당수치를 분석 가능

한 ‘스마트 콘택트렌즈’ 시제품을 공개했다. 소프

트렌즈용 소재로 제작된 두 장의 막 사이에 미세

한 크기의 무선 칩과 혈당치 측정 센서, 안테나,

LED 라이트를 장착하여 눈물 내 포도당 수치 변

화를 측정할 수 있다. 이 센서는 1 s에 한 번씩 연

속적으로(continuous) 측정이 가능하도록 디자인

되었고, 혈당이 기준치보다 상승하거나 하강할 때

는 LED 라이트를 이용하여 사용자의 시야에 LED

신호를 보여주도록 했다. 이렇게 읽어진 측정값은

무선으로 사용자의 모바일 기기에 전송될 수 있

다. 또한 자동 초점 카메라 렌즈와 비슷한 방식으

로 시력을 교정할 수도 있다. 종전 콘택트렌즈와

비슷한 형태와 두께의 렌즈에 복수의 초소형 카메

라, 센서, 통신장치 탑재와 관련한 특허를 확보했

다. 하지만 눈물 속에 포함된 미량의 포도당을 빠

르고 정확하게 측정하는 기술과 눈물을 안정적으

로 공급하는 기술이 필수적이므로 실제 구현까지

는 최소 5년 이상의 연구개발이 필요하다.

Triggerfish라는 스마트 콘택트렌즈는 내부에

장착된 센서를 통해 안압(intraocular pressure)을

측정할 수 있는 렌즈이다. 녹내장은 안압의 상승

으로 시신경이 압박되거나 혈액 공급에 장애가 생

겨 점차 시력이 저하되다가 결국 실명으로 이어지

는 질환이다. 녹내장 환자가 치료되는 과정에서

안압 측정은 필수 항목인데, 환자는 하루에도 여

러 번 안압이 변하게 되므로 안압을 정확히 측정

하기 위해서는 1회 측정이 아니라 장기간에 걸쳐

서 이루어져야 한다. 이 렌즈에는 얇은 스트레인

게이지(strain gauge)가 내장되어있어서 각막의 곡

률변화를 측정하게 된다. 그리고 이 정보를 무선

통신을 이용해 실시간으로 환자의 모바일 기기에

전송시킨다. 이 센서는 녹내장 환자가 병원에 입

원을 하여 24 h 동안 환자 상태를 모니터링할 수

있도록 고안되었다.

하지만 ‘스마트 콘택트렌즈’ 기술의 대부분은

출처 : http://koreajoongangdaily.joins.com/

Figure 1. Smart contact lens for diabetes patients that

monitors glucose levels (KIST, Korea, 2014). 출처 : http://www.popularmechanics.co.za/

Figure 2. Google’s smart contact lenses to monitor diabetes

(Google, USA, 2014).

콘택트렌즈 소재 및 응용기술

KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 25

potentiomery 또는 amperometry 기술이 적용되고

있어서, 이러한 ‘스마트’한 기능을 구현하기 위한

각종 컨트롤 회로, 통신 회로, 안테나 등이 극소형

화되어서 작으면서도 말랑말랑하고 투명한 콘택트

렌즈 속에 들어가야 한다. 따라서 상용화를 하기

위해서 좀 더 혁신적 기술개발이 요구되고 있다.

4.2. 스마트 콘택트렌즈 플랫폼에 적용 가능한 바이오

센서용 나노소재

앞서 소개했듯이 대부분의 스마트 콘택트렌즈

기술은 작은 콘택트렌즈 안에 여러 회로 등이 소

형화시켜 내장되어야 한다. 이러한 문제점을 극복

하기 위해 다양한 바이오센서용 나노소재들이 개

발되고 있다.

Dazhi Jiang 연구팀은 눈물과 타액에서 포도당을

검출하기 위한 glucose oxidase-coupled Pistol-like

DNAzyme (GOx-PLDz)을 개발했다[6]. 이 나노소

재는 glucose oxidase와 DNAzyme으로 구성된

dual-enzyme 바이오센서로, 눈물과 침에 포함된

포도당을 검출하기 위해 고안되었다. 포도당 산화

효소는 포도당을 산화시켜 과산화수소를 형성하게

하고, PLDz는 과산화수소를 감지하여 자가분열

(self-cleavage)을 일으키며 이 반응은 Mn2+, Co2+,

그리고 Cu2+에 의해 촉진된다. 즉, 포도당 검출은

PLDz가 분열되는 정도를 통하여 모니터링 될 수

있다. 이 소재는 포도당을 최소 5 µM까지 검출할

수 있다. 하지만, 검출을 위한 시간이 최소 1 h 이

상 걸리고, 현재는 분석이 전기영동으로 이루어지

고 있으며, 샘플 부피가 30 µL 정도로 많이 필요

하다는 등의 극복해야 할 한계점이 있다.

포도당을 광학적으로 모니터링하기 위해 Shuiqin

Zhou 연구팀은 Molecular imprinting 기술을 적용

하여 Ag+ 이온을 함께 갖도록 한 poly (NIPAM-

AAm-VPBA)-Ag hybrid microgel을 개발했다[7].

이 imprinted hybrid microgels은 포도당을 높은

민감도와 선택성으로 모니터링이 가능하여 ‘포도

당 지표’로서 사용될 수 있다. 포도당의 농도가 높

아지면 색상이 노란색에서 붉은색으로 변하는 것

으로 포도당 농도가 상승하는 것을 알 수 있다. 또

한, 포도당이 microgel에 결합하면서 폴리머 네트

워크의 결합이 변화하면 광선의 굴절에 변화를 유

발시키는데, 이것을 SPR로 감지할 수 있어서 포도

당의 농도를 측정 가능하게 한다.

탄소나노튜브(carbon nanotubes)에 이산화티탄

(titanium dioxide)을 결합해서 일종의 단일분자 반

도체소자(single molecule electrical semiconductor)

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.

기획특집: 의약분야 적용 고분자 소재

26 공업화학 전망, 제18권 제6호, 2015

를 개발하였다[8]. 이것은 UV를 조사하거나 아세

톤에 노출되었을 때 전기적 반응을 달리하게 된다.

호흡에 포함된 아세톤은 당뇨성 케톤산증과 혈당

과 관련된다고 알려져 있다. 실온에서 이 나노소

재는 아세톤 증기에 대해 빠르고 매우 민감하게

반응하며(2~20 ppm), 가역적인 반응을 한다. 이

러한 특징으로 SWNTs-TiO2가 호흡 내 아세톤을

검출하는데 적절한 소재가 될 수 있다. 이러한 아

세톤 검출 센서는 당뇨환자나 대사 질환을 겪는

환자들이 편리하고 빠르게 질환을 진단할 수 있는

개인용 측정장치에 이용될 수 있을 것이라 예상된

다. Alexander Star 연구팀은 이것을 이용해 환자

호흡에 포함된 아세톤 함량을 분석하여 당뇨 진단

이 가능하다는 것을 입증하였다.

하이드로겔 포도당 같은 분석물질이 있으면 삼

투압에 의해 수축, 이완의 가역적 반응을 하는 특

성이 있다. 그리고 분석물질과 특이적으로 결합하

여 반응하도록 할 수 있다. Figure 7은 Photonic

crystal polymerized crystalline colloidal array

(PCCA)를 포도당 감지 물질로 사용한 것이다[9].

이것은 포도당 농도에 따라 하이드로겔 부피가 증

가하는 것으로 인해 회절과 산란으로 빛이 장파장

으로 변화하는 것을 감지하여 포도당의 농도를 분

석하는 것이다.

Figure 8과 같이 포도당과 반응하는 물질과 형

광물질과 결합한 소재를 콘택트렌즈에 적용하여

FRET 원리를 통해 검출하는 기술도 있다[10]. 이

기술은 외부에서 광원(light source)을 눈으로 조사

하여 나오는 emission light를 측정하여 포도당 농

도를 검출하는 것이다.

5. 향후 전망

현재 개발되고 있는 ‘스마트 콘택트렌즈’ 플랫

폼은 환자가 거부감 없이 비침습적 및 지속적인

SMBG (Self-monitoring of blood glucose)를 구현

할 수 있는 기술이다. 대부분은 전기화학적 원리

를 이용한 센서 시스템이 탑재되고 있다.

이러한 스마트 콘택트렌즈 플랫폼 개발에서 중

요한 안전성의 이슈는, (1) 눈에 직접 장착하는 기

기이므로 절대적으로 안전이 보장되어야 한다. 예

를 들면 LED를 이루는 물질 중의 하나인 AlGaAs

(Aluminum Gallium Arsenide)는 독성이 있으므로

생체적합성 소재로 완전히 봉입되어야 한다. (2) 회

로에서 발생되는 열(heat)도 문제가 될 수 있다. 눈

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-TiO2) 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.

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.

콘택트렌즈 소재 및 응용기술

KIC News, Volume 18, No. 6, 2015 27

에 무리가 가지 않기 위해서는 약 45 ℃ 이하의 열

만 발생시켜야 한다. (3) 오랜 시간 눈에 장착하는

동안 눈에 대한 부작용과 독성 검증이 필요하다.

더불어 눈물은 0.5~2.2 µL/min (하루 : 0.72~3.2

mL) 속도로 극소량으로 생성되고 약 20여 종의 성

분들을 포함하므로[10], 스마트 콘택트렌즈 플랫

폼에 사용되는 소재는 초고감도 및 질환인자 특이

성이 매우 우수해야 할 것으로 전망된다.

안정성의 문제를 해결하기 위해서는 나노소재

를 콘택트렌즈에 fabrication하는 기술이 필요할

것이다. 콘택트렌즈 착용 시 눈꺼풀의 움직임으로

인해 검출하는 입자가 탈락될 가능성이 있으므로

소재가 안전해야 하며, 안정적으로 부착되어야 한

다. 그리고 나노소재가 콘택트렌즈와 결합 후 렌

즈 자체의 물리적 특성도 잘 유지해야 한다는 점

도 고려하여 기술이 개발되어야 할 전망이다.

6. 결 론

콘택트렌즈는 본래 개발된 목적인 시력 보정뿐

만 아니라 최근 다양한 목적을 갖고 개발되어 오

고 있으며, 특히 질환 진단용 콘택트렌즈가 주목받

고 있다. 하지만 진단용 스마트 콘택트렌즈가 상용

화되기 위해서는 민감성, 특이성 등의 한계점을 극

복할 다양한 소재들이 개발되어야 할 것이다.

스마트 콘택트렌즈의 개발로 인해 앞으로 눈물

속 각종 질병인자 탐지를 통한 조기진단이 가능하

며, 정확한 조기진단을 통해 빠른 치료대책 수립

이 가능할 것이다. 그리고 지속적 비침습형 진단

시스템을 통해 측정 비용을 줄일 수 있다. 이것으

로 환자에게 국가의료비 부담을 절감시킬 수 있

다. 또한 손쉬운 자가진단을 통해 환자의 지속적

건강관리가 가능하게 되어 질병 예방에 대한 국민

의 사회적 인식을 제고할 수 있다. 그리고 BT, IT,

NT 기반의 바이오센서 시제품 개발을 통해 신성

장 동력 창출과 융합연구개발의 신모델 제시로 신

규 시장 창출과 일자리 창출 또한 가능하다.

사 사

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의

재원으로 한국연구재단 바이오⋅의료기술개발사

업의 지원을 받아 수행된 연구임(과제번호 : 2015M

3A9E2030125).

참 고 문 헌

1. T. Grosvenor and T. P. Grosvenor, Primary

Care Optometry (Butterworth-Heinemann/El-

sevier, 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

출처 : danmee.chosun.com

Figure 9. Tear element (left : normal, right : dry eye).

기획특집: 의약분야 적용 고분자 소재

28 공업화학 전망, 제18권 제6호, 2015

DNAzyme sensor for glucose detection in

tears and saliva, Biosens Bioelectron, 70,

455-461 (2015).

7. W. Wu et al., Specific glucose-to-SPR signal

transduction at physiological pH by

molecularly imprinted responsive hybrid

microgels, Biomaterials, 33, 7115-7125 (2012).

8. M. Ding, D. C. Sorescu, and A. Star,

Photoinduced charge transfer and acetone

sensitivity of single-walled carbon nanotube-

titanium dioxide hybrids, J. Am. Chem. Soc., 135, 9015-9022 (2013).

9. Y. Liu, Y. Zhang, and Y. Guan, New

polymerized crystalline colloidal array for

glucose sensing, Chem. Commun., 1867-1869

(2009).

10. R. Badugu, J. R. Lakowicz, and C. D.

Geddes, A glucose-sensing contact lens: from

bench top to patient, Curr. Opin. Biotechnol., 16, 100-107 (2005).

배 우 리2009~2014 한양대학교 생명공학과 학사

2015~현재 한양대학교 생명공학과 석사

이 동 윤1994~1998 한양대학교 학사

1998~2000 한양대학교 석사

2000~2005 광주과학기술원 박사

2005~2007 서울대 종합약학연구소

박사후연구원

2007~2009 미국 하버드의과대학

박사후연구원

2009~현재 한양대학교 조교수/부교수