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KR101084932B1 - 폴리실록산계 전구중합체 및 하이드로겔 - Google Patents

폴리실록산계 전구중합체 및 하이드로겔 Download PDF

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KR101084932B1
KR101084932B1 KR1020080133231A KR20080133231A KR101084932B1 KR 101084932 B1 KR101084932 B1 KR 101084932B1 KR 1020080133231 A KR1020080133231 A KR 1020080133231A KR 20080133231 A KR20080133231 A KR 20080133231A KR 101084932 B1 KR101084932 B1 KR 101084932B1
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로이 와우
켄 유안 창
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파 이스턴 뉴 센츄리 코포레이션
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Abstract

본 발명은 테트라-알콕시실란 화합물, 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체 및 친수성 규소-함유 다작용성 단량체를 가진 제1 혼합물의 가수분해-축합에 의해 제조된 3차원적 네트워크 구조를 가진 폴리실록산계 전구중합체에 관한 것이다. 상기 폴리실록산계 전구중합체, 아크릴화된 규소-함유 단량체 및 에틸렌계 불포화 친수성 단량체를 가진 제2 혼합물을 중합시켜 하이드로겔을 제조한다.

Description

폴리실록산계 전구중합체 및 하이드로겔{POLYSILOXANE-BASED PREPOLYMER AND HYDROGEL}
본 발명은 폴리실록산계 전구중합체, 보다 구체적으로 3차원적 네트워크 구조를 가진 폴리실록산계 전구중합체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 폴리실록산계 전구중합체로부터 제조되고 콘택트 렌즈의 제조에 사용되는 하이드로겔에 관한 것이다.
본원은 2007년 12월 28일자로 출원된 타이완 특허출원 제096150791호의 우선권을 주장한다.
콘텍트 렌즈의 산소 투과성을 개선시키기 위해, 실리콘-함유 하이드로겔 물질이 콘텍트 렌즈의 제조에 점진적으로 사용되고 있다. 미국 특허 제5,387,632호는 (a) 하기 화학식으로 표시되는 아크릴-캡핑 폴리실록산 전구중합체; (b) 벌키폴리실록산일알킬 (메트)아크릴레이트 단량체; 및 (c) 하나 이상의 친수성 단량체를 포함하는 단량체 혼합물의 중합 생성물로부터 형성된 실리콘-함유 하이드로겔 물질 로부터 제조된 콘택트 렌즈를 개시한다:
Figure 112008088753980-pat00001
상기 식에서,
A 및 A'는 독립적으로 아크릴산 또는 메트아크릴산의 에스터 또는 아마이드이고;
R1 내지 R10은 독립적으로 1 내지 10개의 탄소를 가진 알킬, 플루오로알킬, 알코올, 에테르 또는 플루오로에테르 기이거나 6 내지 18개의 탄소를 가진 방향족 기이고;
m, n 및 p는 독립적으로 0 내지 200이되, m+n+p는 23 내지 200이고;
a 및 b는 독립적으로 1 내지 10이다.
미국 특허 제6,586,548호는 (a) 이타코네이트, (메트)아크릴레이트, 푸마레이트 및 스티렌계 수지로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 단량체; (b) 에틸렌계 불포화 라디칼을 포함하는 POSS 화합물을 가진 하나 이상의 단량체; 및 (c) 하나 이상의 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체를 가진 혼합물을 중합시켜 제조한 생체적합성 공중합체를 개시한다. 상기 생체적합성 공중합체는 우수한 강성 및 충분한 산소 투과성을 나타내지만, 그의 탄성률이 1000 MPa보다 높아 바람직하지 않게 착용감을 저하시킨다.
그러므로, 충분한 산소 투과성, 습윤성 및 감소한 탄성률을 나타내는 하이드로겔이 여전히 필요하다.
본 발명의 목적은 충분한 산소 투과성, 습윤성 및 감소한 탄성률을 나타내는 하이드로겔을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 3-차원적 네트워크 구조를 가진 폴리실록산계 전구중합체가 (a) 하기 화학식 I로 표시되는 테트라-알콕시실란 화합물; (b) 하기 화학식 2로 표시되는 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체; 및 (c) 하기 화학식 3으로 표시되는 친수성 규소-함유 다작용성 단량체를 포함하는 제1 혼합물의 가수분해-축합에 의해 제조된다:
Figure 112008088753980-pat00002
Figure 112008088753980-pat00003
Figure 112008088753980-pat00004
상기 식에서,
R11, R12, R13 및 R14는 독립적으로 C1-C8 알킬 기이고;
R21, R22 및 R23은 독립적으로 C1-C6 알킬 기이며;
R24는 C1-C6 알킬 기, 시아노 기 또는 수소이고;
X는 C1-C4 알킬렌, 단일 결합,
Figure 112008088753980-pat00005
또는
Figure 112008088753980-pat00006
이며;
Y는 C2-C4 알킬렌 기이고;
Z1 및 Z2는 독립적으로 단일 결합 또는 C1-C4 알킬렌 기이며;
R31, R32, R33, R34, R35 및 R36은 독립적으로 C1-C6 알킬 기이고;
d는 3 내지 90의 정수이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 콘택트 렌즈의 제조에 사용되는 하이드로겔이 (a) 상기 폴리실록산계 전구중합체; (b) 하기 화학식 4로 표시되는 아크릴화된 규소-함유 단량체; 및 (c) 에틸렌계 불포화 친수성 단량체를 포함하는 제2 혼합물의 중합에 의해 제조된다:
Figure 112008088753980-pat00007
상기 식에서,
D는 O, NH, S 또는 CH2이고;
E는 O 또는 단일 결합이며;
R60은 H, CH3, ph, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3 또는 Cph2CH3이고;
R61, R62 및 R63은 독립적으로 H, CH3, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3, Cph2CH3, O[Si(CH3)2O]jSi(CH3)3 또는 OSiR66R67R68이며;
이때, R66, R67 및 R68은 독립적으로 H, CH3 또는 (CH2)iCH3이고;
R64 및 R65는 독립적으로 H, OH, CH3, ph, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3 또는 Cph2CH3이며;
g는 0 내지 2의 정수이고;
e는 0 내지 5의 정수이며;
f는 0 내지 10의 정수이고;
ph는 페닐이며;
i 및 j는 독립적으로 1 내지 10의 정수이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실 시양태에 대한 하기 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.
본 발명에 따른 하이드로겔 샘플에 대해 얻은 접촉각, 수분 함량 및 산소 투과성의 값들은 현재 콘택트 렌즈에 의해 요구되는 기준을 충족시킨다. 게다가, 샘플의 연신율 및 인장 탄성률도 상기 샘플이 우수한 착용감 및 내구성을 제공함을 보여준다. 본 발명의 친수성 규소-함유 다작용성 단량체로부터 제조된 폴리실록산계 전구중합체가 우수한 습윤성, 우수한 산소 투과성 및 원하는 기계적 성질(예를 들어, 인장 탄성률 및 연신율)을 가진 하이드로겔 샘플을 제공함이 분명하다. 나아가, 본 발명의 하이드로겔은 ISO 10993-5에 따른 세포독성 시험도 통과하였다.
본 발명에 따른 3차원적 네트워크 구조를 가진 폴리실록산계 전구중합체는 (a) 하기 화학식 I로 표시되는 테트라-알콕시실란 화합물; (b) 하기 화학식 2로 표시되는 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체; 및 (c) 하기 화학식 3으로 표시되는 친수성 규소-함유 다작용성 단량체를 포함하는 제1 혼합물의 가수분해-축합에 의해 제조된다:
화학식 I
Figure 112008088753980-pat00008
화학식 2
Figure 112008088753980-pat00009
화학식 3
Figure 112008088753980-pat00010
상기 식에서,
R11, R12, R13 및 R14는 독립적으로 C1-C8 알킬 기이고;
R21, R22 및 R23은 독립적으로 C1-C6 알킬 기이며;
R24는 C1-C6 알킬 기, 시아노 기 또는 수소이고;
X는 C1-C4 알킬렌, 단일 결합,
Figure 112008088753980-pat00011
또는
Figure 112008088753980-pat00012
이며;
Y는 C2-C4 알킬렌 기이고;
Z1 및 Z2는 독립적으로 단일 결합 또는 C1-C4 알킬렌 기이며;
R31, R32, R33, R34, R35 및 R36은 독립적으로 C1-C6 알킬 기를 이고;
d는 3 내지 90의 정수이다.
바람직하게는, 화학식 3의 친수성 규소-함유 다작용성 단량체 : 테트라-알콕시실란 : 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체의 몰비는 1 : 2 내지 22 : 2 내지 40, 보다 바람직하게는 1 : 3 내지 20 : 3 내지 35, 가장 바람직하게는 1 : 4 내지 18 : 4 내지 30이다. 1 : 2 내지 22 : 2 내지 40의 몰비 내에서, 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체의 대부분의 불포화 작용기는 반응 후 3차원적 네트워크 구조를 가진 폴리실록산계 전구중합체의 표면에 있음으로써 하이드로겔의 제조를 위한 후속 중합을 용이하게 하는 반응성 기를 제공할 것이다.
바람직하게는, 상기 테트라-알콕시실란 화합물은 테트라-메톡시실란, 테트라-에톡시실란 또는 테트라-아이소프로폭시실란이다. 본 발명의 실시예에서, 테트라-알콕시실란 화합물은 테트라-에톡시실란이다.
바람직하게는, 상기 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체는 비닐 트라이메톡시실란, 알릴트라이메톡시실란 또는 3-트라이메톡시실릴 프로필 메트아크릴레이트이다. 본 발명의 실시예에서, 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체는 비닐 트라이메톡시실란이다.
바람직하게는, 친수성 규소-함유 다작용성 단량체는 하기 화학식 5로 표시되는 아이소시아네이트 치환 (트라이알콕시)실란을 폴리에테르 다이올과 반응시켜 제 조한다:
Figure 112008088753980-pat00013
상기 식에서,
R41, R42 및 R43은 독립적으로 C1-C6 알킬이고,
Z0은 단일 결합 또는 C1-C4 알킬렌이다.
바람직하게는, 상기 아이소시아네이트 치환 (트라이알콕시)실란은 아이소시아네오토프로필트라이에톡시실란 또는 아이소시아네이토프로필트라이메톡시실란이다.
바람직하게는, 폴리에테르 다이올의 분자량은 200 내지 4,000, 보다 바람직하게는 350 내지 2,500이다. 본 발명의 한 실시양태에서, 폴리에테르 다이올은 폴리에틸렌 글라이콜이다.
바람직하게는 중합 과정 동안 (그러나, 이로 한정되지 않음) 테트라-알콕시실란 화합물을 친수성 규소-함유 다작용성 단량체와 먼저 혼합한 후 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체를 첨가한다.
경우에 따라, 필요하다면, 실란, 예를 들면, 트라이알콕실 4급 암모늄 실란(헤드웨이(Headway)로부터 시판되는 제품 번호: AB-8638) 및 데구사(Degussa)로부 터 시판되는 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸트라이에톡시실란을 상기 제1 혼합물에 첨가하여 예를 들어, 본 발명의 하이드로겔의 항균성 및 지질-내성을 부여할 수 있다. 화학식 3의 친수성 규소-함유 다작용성 단량체 : 테트라-알콕시실란 : 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체 : 추가 실란의 몰비는 1 : 2 내지 22 : 2 내지 40 : 0 내지 10이다.
바람직하게는, 가수분해-축합 반응은 20 내지 60℃, 바람직하게는 30 내지 50℃에서 2 내지 5 또는 8 내지 12, 바람직하게는 2 내지 4 또는 9 내지 11의 pH 값 하에서 수행한다. 바람직하게는, 반응은 4 내지 24시간, 보다 바람직하게는 7 내지 18시간 동안 수행한다.
이로써 수득된 폴리실록산계 전구중합체를 하이드로겔의 제조에 사용할 수 있다. 본 발명의 하이드로겔은 제2 혼합물의 자유 라디칼 쇄 중합의 생성물이다. 상기 제2 혼합물은 (a) 상기 폴리실록산계 전구중합체; (b) 하기 화학식 4로 표시되는 아크릴화된 규소-함유 단량체; 및 (c) 에틸렌계 불포화 친수성 단량체를 포함한다:
화학식 4
Figure 112008088753980-pat00014
상기 식에서,
D는 O, NH, S 또는 CH2이고;
E는 O 또는 단일 결합이며;
R60은 H, CH3, ph, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3 또는 Cph2CH3이고;
R61, R62 및 R63은 독립적으로 H, CH3, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3, Cph2CH3, O[Si(CH3)2O]jSi(CH3)3 또는 OSiR66R67R68이며;
이때, R66, R67 및 R68은 독립적으로 H, CH3 또는 (CH2)iCH3이고;
R64 및 R65는 독립적으로 H, OH, CH3, ph, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3 또는 Cph2CH3이며;
g는 0 내지 2의 정수이고;
e는 0 내지 5의 정수이며;
f는 0 내지 10의 정수이고;
ph는 페닐이며;
i 및 j는 독립적으로 1 내지 10의 정수이다.
바람직하게는 폴리실록산계 전구중합체는 제2 혼합물의 총 중량을 기준으로 3 내지 50 중량%, 보다 바람직하게는 5 내지 40 중량%, 가장 바람직하게는 10 내지 30 중량%의 양으로 존재한다.
바람직하게는, 아크릴화된 규소-함유 단량체는 제2 혼합물의 총 중량을 기준으로 10 내지 50 중량%, 보다 바람직하게는 15 내지 40 중량%, 가장 바람직하게는 20 내지 30 중량%의 양으로 존재한다.
바람직하게는, 상기 에틸렌계 불포화 친수성 단량체는 상기 제2 혼합물의 총 중량을 기준으로 20 내지 60 중량%, 보다 바람직하게는 30 내지 50 중량%, 가장 바람직하게는 35 내지 45 중량%의 양으로 존재한다.
바람직하게는, 상기 아크릴화된 규소-함유 단량체의 예로는 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴레이트(TRIS), 비스(트라이메틸실록시)메틸실릴프로필 메트아크릴레이트, 펜타메틸다이실록산프로필 메트아크릴레이트, 펜타메틸다이실록사닐 메틸메타크릴레이트, 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필옥시에틸 메트아크릴레이트, 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴옥시에틸카바메이트, 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 글리세롤 메트아크릴레이트(SIGMA) 및 트리스(폴리다이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴레이트를 들 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상기 아크릴화된 규소-함유 단량체는 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴레이트이다.
바람직하게는, 상기 에틸렌계 불포화 친수성 단량체의 예로는 하이드록시에틸 메트아크릴레이트(HEMA), 메트아크릴산(MAA), N-비닐 피롤리돈(NVP), N,N'-다이메틸아크릴아마이드(DMA), N,N'-다이에틸아크릴아마이드, N-아이소프로필아크릴아마이드, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트, 비닐 아세테이트, N-아크릴오일모르폴린 및 2-다이메틸아미노에틸 아크릴레이트를 들 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 에틸렌계 불포화 친수성 단량체는 HEMA, NVP 및 DMA이다.
바람직하게는, 상기 제2 혼합물은 하기 화학식 6으로 표시되는 직쇄 실리콘-함유 전구중합체를 추가로 포함한다:
Figure 112008088753980-pat00015
상기 식에서,
na1/nb는 0 내지 1.5이고, na2/nb는 0 내지 1.5이며, nb는 4 내지 50의 정수이다.
또한, 상기 제2 혼합물의 자유 라디칼 쇄 중합의 반응에서 상기 제2 혼합물의 중량을 기준으로 0.2 내지 1 중량%의 광-개시제 또는 열적 개시제가 사용될 수 있다. 상기 광-개시제 및 열적 개시제는 현재 공지된 임의의 개시제, 예를 들어, 미국 특허 제6,992,118호 및 제5,908,906호에 개시된 것들일 수 있다. 2-하이드록시-2-메틸-1-펜틸-1-프로판온이 본 발명의 한 실시양태에서 광-개시제로서 사용된다.
광-개시제가 사용되는 경우, 바람직하게는 자유 라디칼 쇄 중합은 2 내지 10 mw/㎠, 바람직하게는 2 내지 5 mw/㎠의 조사 조건 하에 수행된다. 열적 개시제가 사용되는 경우, 바람직하게는 열 처리 온도는 60 내지 120℃이다. 바람직하게는, 조사 또는 열 처리 시간은 10분 내지 2시간, 보다 바람직하게는 30분 내지 2시간이다.
본 발명의 하이드로겔은 콘택트 렌즈의 제조에 사용될 수 있다. 콘택트 렌즈의 제조를 위한 여러 공지된 기법에 따르면, 주조(casting) 공정이 원하는 후방 및 전방 렌즈 표면을 가진 성형 제품을 생성할 수 있다. 예를 들어, 정적 주조 공 정에서 상기 제2 혼합물은 원하는 전방 렌즈 표면을 형성하기 위한 제1 주형 구획 및 원하는 후방 렌즈 표면을 성형하기 위한 제2 주형 구획을 가진 주형에 충전될 수 있다. 스핀주조 공정에서, 상기 제2 혼합물은 원하는 전방 렌즈 표면을 성형하기 위한 표면을 가진 개방 주형에 충전될 수 있다. 원하는 후방 렌즈 표면은 주형의 회전으로부터 성형된다. 그러나, 제품의 경화 후에 수행되는 기계가공 공정이 눈에 착용하기에 보다 적합한 콘택트 렌즈를 제공하기 위해 여전히 필요할 수 있다. 이러한 기계가공 공정은 원하는 가장자리를 수득하기 위해 렌즈를 선삭(lathe cutting)하는 단계, 및 렌즈 가장자리를 완충시키거나 렌즈 가장자리 또는 표면을 연마하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하이드로겔은 눈 이식재, 예컨대, 안내 렌즈, 또는 각막 대체물, 예컨대, 인공 각막의 제조에 사용될 수 있다. 눈 이식재로서 사용되는 경우, 방향족-함유 실리콘 절편이 상기 폴리실록산계 전구중합체의 합성 과정 동안 도입될 수 있다. 별법으로, 하이드로겔의 제조 과정 동안 벤젠 화합물을 첨가하여 상기 하이드로겔로부터 형성된 눈 이식재의 굴절 지수를 상승시킬 수 있다.
화합물의 출처
1. 폴리에틸렌 글라이콜(PEG): 플루카(Fluka)로부터 시판되고, CAS 번호는 25322-68-호이며 분자량은 1,000이다.
2. 3-아이소시아네이토프로필트라이에톡시실란(IPTS): GE 실리콘스로부터 시 판되는 실퀘스트® A-링크(TM) 25 실란이고, CAS 번호는 24801-88-5이다.
3. 다이부틸틴 다이라우레이트: TCI로부터 시판되고, CAS 번호는 77-58-7이다.
4. 테트라에톡시실란(TEOS): 쇼와(SHOWA)로부터 시판되고, CAS 번호는 78-10-4이다.
5. 트라이알콕실 4급 암모늄 실란(하기 표 1에서 AB-실란으로 표시됨): 헤드웨이로부터 시판되고, 제품 번호는 AB-8638이며, 분자량은 1,400.6이다.
6. 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸트라이에톡시실란(하기 표 1에서 F-실란으로 표시되는 CF3(CF2)5CH2CH2Si(OC2H5)3): 데구사로부터 시판되고, CAS 번호는 51851-37-7이다.
7. 비닐 트라이메톡시실란: 톱코 테크날로지 코포레이션(Topco Technology Corp.)으로부터 시판되고, 제품 번호는 KBM1003이다.
8. 하기 화학식 7로 표시되는 친수성 규소-함유 다작용성 단량체: 하기 실시예에서 기재된 바와 같이 본 발명의 단계에 따라 제조된다:
Figure 112008088753980-pat00016
상기 식에서, d는 21 내지 27의 정수이다.
9. 아크릴화 실록산 폴리알킬렌옥사이드 공중합체(직쇄 실리콘-함유 전구중 합체): GE 실리콘스로부터 시판되는 코트오실(CoatOsil)® 3509이다.
10. 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴레이트(TRIS): 겔레스트(Gelest)로부터 시판되고, CAS 번호는 17096-07-0이다.
11. N-비닐 피롤리돈(NVP): 알드리치로부터 시판되고, CAS 번호는 88-12-0이다.
12. 하이드록시에틸 메트아크릴레이트(HEMA): 아크로스(ACROS)로부터 시판되고, CAS 번호는 868-77-9이다.
13. N,N'-다이메틸아크릴아마이드(DMA): TCI로부터 시판되고, CAS 번호는 0680-3-7이다.
장비
1. 핵 자기 공명 분광계(NMR): 브루커(Bruker)로부터 시판되고, 모델 번호는 ADVANCED 300이다.
2. 루리에 변환 적외선 분광계(FT-IR): 퍼킨 엘머로부터 시판되고, 모델 번호는 T1이다.
일반적인 방법
1. 콘택트 각도 분석을 정적법(sessile drop method)에 따라 수행하였다.
2. 수분 함량(%) 시험을 ISO 표준 10339에 따라 측정하였다.
3. 산소 투과성을 ISO 9913-1에 따라 측정하였다.
4. 연신율 및 인장 탄성률을 ASTM D1780에 따라 측정하였다.
5. 세포독성 시험을 ISO 10993-5에 기재된 방법에 따라 수행하였다: 시험관내 세포독성에 대한 의료 장비-시험의 생물학적 평가.
친수성 규소-함유 다작용성 단량체의 제조
30 g(≒ 0.03 몰)의 폴리에틸렌 글리콜 및 14.82 g의 3-아이소시아네이토프로필트라이에톡시실란을 질소 조건 하에 70℃의 온도에서 반응시키고, 상기 두 성분의 총 중량의 0.3 중량%의 양으로 다이부틸틴 다이라우레이트를 촉매로서 동시에 첨가하였다. 반응을 1 내지 3시간 동안 지속시키고, 헥산을 사용하여 정제를 수행함으로써 미반응된 단량체를 제거하였다. 마지막으로, 진공 조건 하에 40 내지 60℃에서 건조함으로써 건조된 친수성 규소-함유 다작용성 단량체를 수득하였다. 정제된 친수성 규소-함유 다작용성 단량체는 NMR 및 FT-IR을 이용하여 확인하였다.
NMR에 의해 확인된 결과는 다음과 같다:
1H-NMR(300 MHz, CDCl3), δ5.02(br, 1H, NH), 4.2∼4.12(m, 2H, 우레탄의 -CH2), 3.78(Quat, J=6.9 Hz, 6H, -OCH2-), 3.61(s, 40H, PEG의 -OCH2CH2O-), 3.17∼3.04(m, 2H, 우레탄의 N-CH2-), 1.62∼1.52(m, 2H, -CH2-), 1.18(t, J=6.9Hz, 9H, -CH3-), 0.65∼0.52(m, 2H, -CH2-Si-).
또한, 반응 전의 IR 스펙트럼과 반응 후의 IR 스펙트럼의 비교는 반응 전 반응물의 IR 스펙트럼의 약 2200 cm-1에서 -N=C=O를 나타내는 피크가 반응 후 스펙트럼으로부터 사라짐을 보여준다. 나아가, 반응 후, PEG의 말단에 있는 N=C=O와 -OH 가 반응하여 NH-(C=O)-를 형성할 것이기 때문에, C=O를 나타내는 피크는 반응 후 IR 스펙트럼의 약 1700 cm-1에서 발생하였다. 또한, 3.61(s, 40H, PEG의 -OCH2-CH2-O-) 강도에 대한 4.2∼4.12(m, 2H, 우레탄의 -CH2) 강도의 비로부터 친수성 규소-함유 다작용성 단량체의 분자량이 1400 내지 1662임이 추정될 수 있다.
또한, FT-IR 및 NMR에 의해 확인된 결과는 생성물이 하기 화학식 7로 표시되는 친수성 규소-함유 다작용성 단량체임을 보여준다:
화학식 7
Figure 112008088753980-pat00017
상기 식에서, d는 21 내지 27의 정수이다.
폴리실록산계 전구중합체의 제조
실시예 1
제조 단계:
(1) 6.9 g의 건조된 친수성 규소-함유 다작용성 단량체와 4.6 g의 TEOS를 주위 온도에서 둥근 바닥 플라스크 내에서 혼합하고, 적정량의 아이소프로판올을 상기 플라스크에 첨가함으로써 맑고 투명한 반응 용액을 수득하였다.
(2) 단계 (1)에서 수득된 반응 용액을 40℃로 가열하고, pH가 2 내지 3인 1,080 ㎕의 수성 하이드로클로라이드(HCl(수성))를 상기 반응 용액에 첨가하여 약 3시간 동안 제1 가수분해-축합 중합을 수행하였다.
(3) 6.3 g의 비닐 트라이메톡시실란을 단계 (2)에서 제1 가수분해-축합 중합 공정으로 처리한 반응 용액에 서서히 첨가하고, pH가 2 내지 3인 1,140 ㎕의 수성 하이드로클로라이드를 추가로 첨가하여 6시간 동안 제2 가수분해-축합 중합을 수행함으로써 실리콘-함유 전구중합체가 분산되어 있는 제1 용액(고체 함량 = 0.45 g/㎖)을 수득하였다.
(4) 단계 (3)에서 제2 가수분해-축합 중합 공정으로 처리된 반응 용액 중의 아이소프로판올을 50℃에서 진공 농축을 이용하여 제거하였다. 헥산을 사용하여 정제를 수행함으로써 본 발명의 폴리실록산계 전구중합체를 수득한 후, 진공 농축을 이용하여 헥산을 제거함으로써, 본 발명의 정제된 폴리실록산계 전구중합체를 수득하였다.
구조 확인:
이로써 수득된 폴리실록산계 전구중합체의 구조는 NMR 및 FT-IR을 이용하여 확인하였다. NMR 결과는 다음과 같다: 1H-NMR(300 MHz, CDCl3), δ6.18∼5.82(m, 3H, CH2=CH-), 4.2∼4.17(m, 1H, 우레탄의 -CH2), 3.79(Quat, J=5.6Hz, 3H, SiOCH2-), 3.62(s, 26H, PEG의 -OCH2CH2O-), 3.17∼3.12(m, 1H, 우레탄의 N-CH2-), 1.63∼1.53(m, 1H, -CH2-), 1.29∼1.23(m, 3H), 1.22(t, J=5.6Hz, 4.5H, -CH3), 0.65∼0.56(m, 1H, -CH2-Si-). 또한, CH2=CH- 이중 결합의 흡수 신호가 IR 스펙트럼의 1600.64 nm-1 및 약 800 nm-1에서 선명하게 보인다.
NMR 및 IR 결과는 본 발명의 폴리실록산계 전구중합체의 구조를 완전히 이해하기에 충분하지 않을 수 있지만, 상기 결과는 상기 반응물들이 가수분해-축합 중합되었음을 선명하게 보여줄 수 있었다. 뿐만 아니라, 본 발명의 폴리실록산계 전구중합체는 입상 크기가 1 내지 400 nm, 바람직하게는 5 내지 300 nm인 3차원적 네트워크 3D 구조를 갖는다.
실시예 2 내지 6
실시예 2 내지 6에서 본 발명에 따른 폴리실록산계 전구중합체의 제조 단계는 실시예 1의 제조 단계와 실질적으로 동일하다. 차이점은 수성 하이드로클로라이드의 양, 및 반응물의 종류 및 양에 있다. 이들 실시예의 수행 조건은 하기 표 1에 기재되어 있다. 또한, AB-실란이 실시예 4의 단계 (1)에서 추가로 첨가되고, F-실란이 실시예 6의 단계 (1)에서 추가로 첨가되었다.
Figure 112008088753980-pat00018
실험예 : 하이드로겔 샘플의 제조
실험예 1
(1) 본 실험의 수행 단계는 다음과 같다:
실시예 1의 단계 (3)에서 수득된 제1 용액으로서, 본 발명의 폴리실록산계 전구중합체가 분산되어 있는 제1 용액 적정량과 코트오실®, TRIS 및 에틸렌계 불포화 친수성 단량체를, 상기 폴리실록산계 전구중합체, 코트오실®, TRIS 및 에틸렌계 불포화 친수성 단량체의 함량 비가 각각 약 13.16 중량%, 10.86 중량%, 21.7 중량% 및 54.28 중량%가 되도록 균질하게 혼합하여 제2 용액을 수득하였다. 에틸렌계 불포화 친수성 단량체는 3가지 종류의 단량체, 즉 NVP, HEMA 및 DMA를 2.5/1/1.5의 중량비로 포함한다.
(2) 제2 혼합물의 중량을 기준으로 0.7%의 2-하이드록시-2-메틸-1-펜틸-1-아세톤(제조사: CIBA; 모델 번호: D1173) 및 소량의 아이소프로판올을 단계 (1)에서 수득한 제2 용액에 첨가하여 혼합 용액을 수득하였다.
(3) 서로 평행하게 배열된 2개의 유리 클램핑 플레이트(1); 상기 클램핑 플레이트(1) 사이에 배치되어 있고 상기 클램핑 플레이트(1) 각각의 4개 주변 가장자리에 인접해 있는 실리콘 패드(2); 및 혼합 용액(9)이 클램핑 플레이트(1) 및 실리콘 패드(2)에 의해 둘러싸이도록 클램핑 플레이트(1) 및 실리콘 패드 (2)를 제자리에 고정하기 위한 2개의 고정 부재(3)를 가진 성형 장치(도 1에 도시됨) 내로 단계 (2)에서 수득된 혼합 용액을 주입하였다. 이어서, 실리콘-함유 겔 시트가 형성되도록 2 내지 3 mw/㎠의 광 강도 하에 1시간 동안 광-개시를 수행하였다.
(4) 고정 부재(3), 클램핑 플레이트(1) 및 실리콘 패드(2)를 순서대로 탈착시키고, 겔 시트를 제거하고 추출을 위해 7:3의 비로 알코올과 물을 함유하는 혼합 용액 중에 2시간 동안 침지시킨 후, 생리수 중에 1 내지 2시간 동안 침지시킴으로써 본 발명의 하이드로겔을 수득하였다.
(5) 멸균을 위해 상기 하이드로겔을 121℃에서 30분 동안 열 처리함으로써 하이드로겔 시험 샘플을 수득하였다.
실험예 2 내지 10
실험예 2 내지 10에서 하이드로겔 샘플의 제조 단계는 반응물의 양 및 종류를 제외하고 실험예 1의 제조 단계와 실질적으로 동일하다. 실험예 1 내지 10에 대한 반응물의 양 및 종류는 하기 표 2에 기재되어 있다.
비교예 1
비교예 1에서 하이드로겔의 제조 단계는 실험예 1의 제조 단계와 실질적으로 동일하다. 주요 차이점은 본 발명에 따른 폴리실록산계 전구중합체가 포함되지 않고 단계 (1)에서 약 13.42 중량%의 코트오실®, 약 26.18 중량%의 TRIS 및 약 60.4 중량%의 에틸렌계 불포화 친수성 단량체가 균질하게 혼합되고 NVP/HEMA(즉, 에틸렌계 불포화 친수성 단량체)의 중량비가 4.5/1.5라는 점에 있다.
비교예 2
비교예 2에서 하이드로겔 샘플의 제조 단계는 본 발명에 따른 폴리실록산계 전구중합체가 포함되지 않고 단계 (1)에서 약 22.73 중량%의 코트오실®, 약 31.82 중량%의 TRIS 및 약 45.45 중량%의 에틸렌계 불포화 친수성 단량체가 균질하게 혼합되고 NVP/HEMA(즉, 에틸렌계 불포화 친수성 단량체)의 중량비가 19/6이라는 점을 제외하고 실험예 1의 제조 단계와 실질적으로 동일하다.
Figure 112011011945242-pat00036
접촉각 , 수분 함량(%) 및 산소 투과성에 대한 분석
실험예 1 내지 8 및 비교예 1 및 2에서 수득된 샘플들의 접촉각을 각각 분석하고 상기 샘플들의 수분 함량(%) 및 산소 투과성에 대한 시험을 수행하였다. 접촉각 분석은 하이드로겔 샘플의 습윤성을 특징 지웠다. 시험의 결과는 하기 표 3에 기재되어 있다.
콘택트 렌즈의 제조에 현재 사용되는 물질의 접촉각은 10° 내지 90°이다. 본 발명의 하이드로겔 샘플들의 접촉각은 30° 내지 60°이므로 현재 요건을 충족시킴이 하기 표 3으로부터 확인된다. 상기 하이드로겔 샘플의 수분 함량은 40% 내지 60%이고 산소 투과성은 30 Dk 내지 60 Dk이다.
Figure 112008088753980-pat00020
기계적 성질 시험
실험예 1 내지 3, 실험예 5 내지 8, 실험예 10, 및 비교예 1 및 2에서 수득한 하이드로겔 샘플(두께 = 0.4 mm)의 연신율 및 인장 탄성률을 ASTM D1780에 따라 측정하였다. 그 결과는 하기 표 4에 기재되어 있다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 하이드로겔 샘플들의 인장 탄성률은 1 Mpa보다 낮다. 따라서, 상기 하이드로겔 샘플로부터 형성된 콘택트 렌즈는 보다 우수한 착용감을 나타낸다. 또한, 모든 샘플들의 연신율이 150%를 초과한다. 특히 주목할만한 것은 표 3 및 4에 나타낸 바와 같이 비교예 1 및 2의 산소 투과성 값이 실험예 1 내지 8의 산소 투과성 값보다 더 높고, 비교예 1 및 2의 연신율이 단지 76.853% 및 58.55%(표 2 참조)인데, 이러한 연신율은 비교예 1 및 2가 낮은 내구성을 가짐을 의미한다는 것이다. 이것은 본 발명이 외부 연신력에 노출될 경우 깨질 가능성이 더 적고 더 우수한 내구성을 가짐을 입증한다.
Figure 112008088753980-pat00021
세포독성 시험
실험예 6에서 수득한 샘플에 대해 세포독성 시험을 수행하였다. 생물학적 평가에 따라, 세포의 수 및 형태를 관찰하고 지수 정의 ISO 10993-5를 참조함으로써 구역 지수 및 세포용해 지수를 산출하였다. 이어서, 반응 지수(RI) 값을 식 RI = 구역 지수/세포용해 지수를 이용하여 상기 두 지수로부터 산출하였다. RI 값이 낮을수록 세포독성이 낮다.
세포독성 시험에서 사용된 샘플은 (1) 실험예 6에서 수득된 본 발명에 따른 하이드로겔로부터 절삭된 직경 1.1 cm의 샘플; (2) 1% 페놀 용액 중에 침지되고 양성 대조군으로서 사용된 동일 크기의 샘플; 및 (3) 음성 대조군으로서 사용된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTEE) 샘플을 포함한다.
먼저, L-929 섬유모세포를 10%의 태아소 혈청을 함유하는 최소 필수 배지(MEM) 중에 1x105 세포/㎖의 농도로 희석한 후, 6-웰 배양 플레이트에 웰 당 2 ㎖씩 접종하였다. 그 다음, 상기 배양액을, 37℃로 설정되고 5% CO2로 충전된 항온처리기 내에서 24시간 동안 배양하였다. 이어서, MEM을 제거하고 45℃로 가열된 아가 배지(액체 형태) 2 ㎖를 상기 6-웰 배양 플레이트의 각 웰에 첨가하였다. 상기 아가 배지의 온도가 실온으로 떨어졌을 때, 아가 배지가 응집됨으로써 세포-함유 고체 아가 배지가 수득되었다.
이어서, 실험예 6에서 수득된 본 발명의 하이드로겔 샘플, 양성 대조군 샘플 및 음성 대조군 샘플을 세포-함유 아가 배지 상에 각각 배치하고 37℃로 설정되고 5% CO2로 충전된 항온처리기 내에서 24시간 동안 배양하였다. 샘플 각각에 상응하는 위치에서 배양 플레이트의 각 웰의 후면 상에 샘플의 프로파일 및 이 프로파일을 갖되 상기 프로파일보다 더 큰 반경을 가진 동심원을 그렸다. 상기 프로파일 내의 면적은 샘플 구역이었고, 상기 동심원 내에 포함되되 상기 프로파일 외부에 있는 면적은 확산 구역이었다. 그 다음, 각 샘플을 아가 배지의 표면으로부터 제거하고, 아가 배지를 중성 적색 용액을 사용하여 염색하였다. 이어서, 샘플 구역 및 분산 구역 내의 세포의 수 및 형태를 200X 배율로 설정된 역상 현미경 하에 관찰하였다. 실험 결과는 도 2 내지 7에 나타나 있다. 도 2는 실험예 6에 대한 샘플 구역 내의 염색된 세포의 사진이고, 도 3은 실험예 6에 대한 확산 구역 내의 염색된 세포의 사진이다. 도 4는 양성 대조군 샘플에 대한 샘플 구역 내의 염색된 세포의 사진이고, 도 5는 양성 대조군 샘플에 대한 확산 구역 내의 염색된 세포의 사진이다. 도 6은 음성 대조군 샘플에 대한 샘플 구역 내의 염색된 세포의 사진이고, 도 7은 음성 대조군 샘플에 대한 확산 구역 내의 염색된 세포의 사진이다.
각 샘플에 대한 구역 지수 및 세포용해 지수를 실험예 6에서 수득된 하이드로겔 샘플, 양성 대조군 샘플 및 음성 대조군 샘플에 대한 샘플 구역 및 확산 구역 내의 세포의 수 및 형태로부터 산출하였고, RI를 상기 두 지수로부터 산출하였다. 실험예 6, 양성 대조군 및 음성 대조군에 대한 RI는 0/0, 5/5 및 0/0이었다. 이 결과는 본 발명의 하이드로겔이 ISO 10993-5에 따른 세포독성 시험을 통과하였으므로 무독성을 나타냄을 보여준다.
요약하건대, 본 발명에 따른 하이드로겔 샘플에 대해 얻은 접촉각, 수분 함량 및 산소 투과성의 값들은 현재 콘택트 렌즈에 의해 요구되는 기준을 충족시킨다. 게다가, 샘플의 연신율 및 인장 탄성률도 상기 샘플이 우수한 착용감 및 내구성을 제공함을 보여준다. 본 발명의 친수성 규소-함유 다작용성 단량체로부터 제조된 폴리실록산계 전구중합체가 우수한 습윤성, 우수한 산소 투과성 및 원하는 기계적 성질(예를 들어, 인장 탄성률 및 연신율)을 가진 하이드로겔 샘플을 제공함이 분명하다. 나아가, 본 발명의 하이드로겔은 ISO 10993-5에 따른 세포독성 시험도 통과하였다.
본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 실시양태인 것으로 간주되는 실시양태와 관련하여 기술되어 있지만, 본 발명은 개시된 실시양태로 한정되지 않고 모든 변형물 및 균등물을 포괄하도록 가장 넓게 해석되는 기술적 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형물 및 균등물을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이드로겔 샘플의 실시양태의 제조에 사용되는 성형 장치를 보여주고;
도 2는 본 발명에 따른 하이드로겔 샘플에 대한 샘플 구역 내의 세포를 보여주는 사진이며;
도 3은 본 발명에 따른 하이드로겔 샘플에 대한 확산 구역 내의 세포를 보여주는 사진이고;
도 4는 양성 대조군 샘플에 대한 샘플 구역 내의 세포를 보여주는 사진이며;
도 5는 양성 대조군 샘플에 대한 확산 구역 내의 세포를 보여주는 사진이고;
도 6은 음성 대조군 샘플에 대한 샘플 구역 내의 세포를 보여주는 사진이며;
도 7은 음성 대조군 샘플에 대한 확산 구역 내의 세포를 보여주는 사진이다.

Claims (9)

  1. (a) 하기 화학식 I로 표시되는 테트라-알콕시실란 화합물; (b) 하기 화학식 2로 표시되는 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체; 및 (c) 하기 화학식 3으로 표시되는 친수성 규소(silicon)-함유 다작용성 단량체를 포함하는 제1 혼합물의 가수분해-축합에 의해 제조된 3-차원적 네트워크 구조를 가진 폴리실록산계 전구중합체:
    화학식 I
    Figure 112008088753980-pat00022
    화학식 2
    Figure 112008088753980-pat00023
    화학식 3
    Figure 112008088753980-pat00024
    상기 식에서,
    R11, R12, R13 및 R14는 독립적으로 C1-C8 알킬 기이고;
    R21, R22 및 R23은 독립적으로 C1-C6 알킬 기이며;
    R24는 C1-C6 알킬 기, 시아노 기 또는 수소이고;
    X는 C1-C4 알킬렌, 단일 결합,
    Figure 112008088753980-pat00025
    또는
    Figure 112008088753980-pat00026
    이며;
    Y는 C2-C4 알킬렌 기이고;
    Z1 및 Z2는 독립적으로 단일 결합 또는 C1-C4 알킬렌 기이며;
    R31, R32, R33, R34, R35 및 R36은 독립적으로 C1-C6 알킬 기이고;
    d는 3 내지 90의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 혼합물 중의 친수성 규소-함유 다작용성 단량체 : 테트라-알콕시실란 : 에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체의 몰비가 1 : 2 내지 22 : 2 내지 40인, 폴리실록산계 전구중합체.
  3. 제1항에 있어서,
    테트라-알콕시실란이 테트라에톡시실란인, 폴리실록산계 전구중합체.
  4. 제1항에 있어서,
    에틸렌계 불포화 유기실록산 단량체가 비닐 트라이메톡시실란인, 폴리실록산계 전 구중합체.
  5. (a) 제1항의 폴리실록산계 전구중합체; (b) 하기 화학식 4로 표시되는 아크릴화된 규소-함유 단량체; 및 (c) 에틸렌계 불포화 친수성 단량체를 포함하는 제2 혼합물의 중합에 의해 제조된, 콘택트 렌즈의 제조에 사용되는 하이드로겔:
    화학식 4
    Figure 112011011945242-pat00027
    상기 식에서,
    D는 O, NH, S 또는 CH2이고;
    E는 O 또는 단일 결합이며;
    R60은 H, CH3, ph, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3 또는 Cph2CH3이고;
    R61, R62 및 R63은 독립적으로 H, CH3, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3, Cph2CH3, O[Si(CH3)2O]jSi(CH3)3 또는 OSiR66R67R68이며;
    이때, R66, R67 및 R68은 독립적으로 H, CH3 또는 (CH2)iCH3이고;
    R64 및 R65는 독립적으로 H, OH, CH3, ph, (CH2)iCH3, CH(CH3)2, C(CH3)3 또는 Cph2CH3이며;
    g는 0 내지 2의 정수이고;
    e는 0 내지 5의 정수이며;
    f는 0 내지 10의 정수이고;
    ph는 페닐이며;
    i 및 j는 독립적으로 1 내지 10의 정수이다.
  6. 제5항에 있어서,
    폴리실록산계 전구중합체가 제2 혼합물의 총 중량을 기준으로 3 내지 50 중량%의 양으로 존재하는, 하이드로겔.
  7. 제5항에 있어서,
    아크릴화된 규소-함유 단량체가 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴레이트, 비스(트라이메틸실록시)메틸실릴프로필 메트아크릴레이트, 펜타메틸다이실록산프로필 메트아크릴레이트, 펜타메틸다이실록사닐 메틸메타크릴레이트, 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필옥시에틸 메트아크릴레이트, 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴옥시에틸카바메이트, 트리스(트라이메틸실록시)실릴프로필 글리세롤 메트아크릴레이트, 트리스(폴리다이메틸실록시)실릴프로필 메트아크릴레이트 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  8. 제5항에 있어서,
    에틸렌계 불포화 친수성 단량체가 하이드록시에틸 메트아크릴레이트, 메트아크릴 산, N-비닐 피롤리돈, N,N'-다이메틸아크릴아마이드, N,N'-다이에틸아크릴아마이드, N-아이소프로필아크릴아마이드, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트, 비닐 아세테이트, N-아크릴오일모르폴린, 2-다이메틸아미노에틸 아크릴레이트 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  9. 제5항에 있어서,
    제2 혼합물이 하기 화학식 6으로 표시되는 직쇄 실리콘(silicone)-함유 예비중합체를 추가로 포함하는, 하이드로겔:
    화학식 6
    Figure 112008088753980-pat00028
    상기 식에서,
    na1/nb는 0 내지 1.5이고,
    na2/nb는 0 내지 1.5이며,
    nb는 4 내지 50의 정수이다.
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