[생체소재설계] 인공각막의 설계

소개

아주대학교 생명분자공학부 응용화학과 박기동 교수님의 `생체소재화학` 수업(`08-2학기)

기존에 PMMA를 이용하여 만들고 있는 인공각막에 대한 유래와 기술성, 그리고 시장성에

대해서 언급되어 있고

단점을 보완하기 위해 키토산과 콜라겐을 이용해 인공각막을 설계해 봤습니다.

인공각막에 대한 자료는 현재 인터넷 상에서 접하기 힘드실꺼에요.

외국논문을 참고해서 키토산과 콜라겐을 이용한 인공각막을 설계했습니다.

저희가 설계했기 때문에 100% 생체적합성이 향상된 인공각막이라고는 장담드릴 수 없지만,

학부수준의 지식으로 낼 수 있는 최대한의 결과물이라 생각됩니다.

공학인증때문에 설계가 1학점 포함되어 있는 수업을 들으시는 분들이 많으시죠?

생체소재 관련해서 설계를 원하시는분에게 도움이 되시길 바랍니다.

본 자료는 PPT자료와 함께 제출했던 15장 분량의 레포트 입니다.

PPT자료도 원하시는 분은 제 아이디를 검색하시면 다운 받으실 수 있습니다.

목차

생체적합성 향상을 위한 인공각막의 설계
1. 설계목적
2. 각막이란?
3. 현재 인공각막의 상황 및 시장성
4. 인공각막이란?
5. 문제점 & 나아갈 방향
6. 소재선정 및 소개
7. Crosslinking mechanism
8. 각막 설계
9. 기대되는 결과 및 시장성
10. 참고문헌

본문내용

Polymethylmethacrylate(PMMA)는 광학적 투명성이 뛰어나고, 안구내에서 이물반응이 적어 인공각막의 광학부로 주로 쓰이고 있으나, 소수성(hydrophobic)이어서 후면섬유막이 잘 발생한다. PMMA 대신에 hydrogel sponge나 polysulfone등이 실험되었으나 문제점이 해결되고 있지 않다. Hydrogel은 친수성(hydrophilic)이면서 생체적합성이 뛰어나 주변 섬유막 발생이 감소하지만 지방 침전(lipid deposition), 단백 흡착(protein adsorption), pH에 따른 구조적 불안정성 등이 문제가 된다. 따라서 인공각막의 광학부로서 많은 장점을 가지고 있는 PMMA의 재질을 취하면서 표면개질을 통해 수술 후 후면섬유막을 억제하려는 방법이 모색되고 있다.
인공소재의 생체적합성은 그 재질의 표면 특성에 의하여 크게 좌우되며, 인공수정체 및 인공각막의 광학부 재질로 보편화된 PMMA도 생체적합성의 향상을 위한 표면 개질(surface modification)에 대하여 연구가 계속되어 왔다. Tamada와 Ikada는 세포부착반응과 증식은 대상물질의 친수성 예로서 물접촉각(water contact angle)과 관련이 있으며, 표면이 약 7 0°의 접촉각을 가질 때 섬유아세포가 가장 많이 부착 증식한다고 보고하였다. Crystal 등도 세포부착반응은 대상재질의 계면자유에너지 (interfacial free energy)와 관련이 있으며, 친수성PHEMA (poly-hydroxyethylmethacrylat e)처럼 에너지가 5 erg/㎠ 미만이거나 소수성 실리콘(주로 polydimethylsiloxane)처럼 40 erg/㎠ 이상이면 세포부착이 적고, PMMA(13.8 erg/㎠)와 같이 중간인 경우(5 erg/㎠~40 erg/㎠)는 오히려 세포부착이 많다고 보고하였으며 이는 앞의 Ikada의 연구와 일치하는 것이다.
PMMA 자체로는 그것이 가지는 물리•화학적 성질들(소수성, rigid 등) 때문에 직접 인공각막으로 사용될 수 없다는 단점이 있다. 그렇기 때문에 여러가지 친수성 물질이나 PMMA의 강도를 연화시킬 수 있는 물질을 복합적으로 사용하는 것이 현재의 기술이다. 하지만 인공각막을 삽입한 환자 일부에서는 약간의 염증 및 인공각막 주변 생체조직의 연화 및 괴사반응이 관찰되었다. 또한 PMMA와 복합물질들 사이의 interaction 에서의 문제점도 관찰되고 있다.
이와 같은 문제점들을 개선하기 위해 우리는, PMMA자체의 성질을 개선할 수 있는 작용기를 바꾸거나, 다른 고분자 물질과의 공중합체를 형성, 또는 표면에 다른 물질들을 코팅하는 등의 여러가지 방법들을 생각해보고, PMMA 이외의 물질 중 생체적합성이 우수하여 체내에 삽입되었을 때 거부반응을 일으키지 않으며, 대체 가능한 인공각막의 새로운 소재를 생각해 보고자 한다.

참고자료

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· - Myung D, Farooqui N, Waters D, et al., “Glucose-Permeable Interpenetrating Polymer Network Hydrogels for Corneal Implant Applications: A Pilot Study”, CURRENT EYE RESEARCH, 33, 29-43
· - Rafat M, Griffith M, Hakim M, et al., “Plasma Surface Modification and Characterization
· of Collagen-Based Artificial Cornea for Enhanced Epithelialization”, JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE, 106, 2056-2064
· - Myung D, Koh W, Bakri A, et al., “Design and fabrication of an artificial cornea based on a photolithographically patterned hydrogel construct”, BIOMEDICAL MICRODEVICES, 9, 911-922
· - Basli E, Goulas A, Karampatakis V, et al., "Artificial light-induced cytokine gene expression in rabbit cornea in vivo: Effect of ocular drops containing flurbiprofen", EUROPEAN JOURNAL OF INFLAMMATION, 6, 81-86
· - Sung-Pei Tsai 외 6, “Preparation and Cell Compatibility Evaluation of Chitosan/Collagen Composite Scaffolds Using Amino Acids as Crosslinking Bridges”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 105, 1774–1785 (2007)
· http://educategory.encyber.com/search_w/ctdetail.php?gs=ws&gd=&cd=&q=&p=&masterno=771262&contentno=771262
· - http://www.neosensors.com/index.php?page=technology&action=surfaces