기능성 유기/ 무기 나노소재합성 및 하이드로겔콘택트렌즈로의 응용법에 관한 연구 = A Study on the Synthesis of Functional Organic/Inorganic Nanomaterials and Their Application to Hydrogel Contact Lenses

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Silicone hydrogel contact lenses offer superior oxygen transport compared with conventional hydrogels, but they often suffer from insufficient surface wettability and limited multifunctionality. This study aimed to (i) establish an optically transparent, TRIS-based silicone hydrogel baseline formulation and (ii) evaluate how low-dose inorganic and organic nanomaterials can impart ultraviolet (UV) shielding, mechanical reinforcement, improved surface wettability, acceptable polymerization stability (extractables), and antimicrobial activity.
A series of TRIS/DMA/NVP/HEMA silicone hydrogel lenses (S1–S4) were prepared to optimize composition. Formulations containing 40 wt% TRIS (S2, S4) produced transparent lenses (mean visible transmittance >90%), whereas 50 wt% TRIS (S1, S3) resulted in opaque lenses due to phase separation. The S4 formulation was selected as the reference because it combined stable water content (~41.7%) with the highest oxygen permeability (Dk = 26.73 × 10⁻¹¹ cm²/s·mL O₂/(mL·mmHg)).
Titanium dioxide (TiO₂) nanoparticles synthesized via hydrolysis–precipitation (H-TiO₂) and sol–gel (S-TiO₂) methods were incorporated into the S4 matrix at 0.03–0.10 wt%. Increasing TiO₂ loading reduced UV‑B transmittance from 76.3% (Ref) to 27.5% (H‑10) and 20.8% (S‑10) and increased tensile strength to 0.195 (H‑10) and 0.224 kgf/mm² (S‑10), with concurrent reductions in contact angle (to 84.2° and 77.8°, respectively). In addition, HEMA-based hydrogel lenses containing commercial CeO₂–ZrO₂ nanoparticles (0.015–0.300 wt%) exhibited pronounced improvements in mechanical and surface properties (maximum tensile strength 0.5937 kgf/mm²; contact angle reduced to 36.87°) while satisfying extractables criteria. Bio-derived nanochitosan (ionic gelation) and nanocellulose (enzymatic hydrolysis and freeze–thaw) also enhanced UV‑B blocking, tensile strength, and wettability nanocellulose notably increased water content up to 48.0% without meaningful refractive-index change. Antimicrobial assays against Staphylococcus aureus and Escherichia coli indicated overall inhibition trends for the nanocomposite lenses.
Overall, controlled incorporation of functional nanomaterials provides a practical route to next-generation hydrogel contact lenses with combined UV protection, enhanced durability, improved wettability, and antimicrobial potential.

목차 (Table of Contents)

• (Abstract)
• Ⅰ. 서 론 1
• 제 1장. 연구현황 및 방향 1
• 제 1절. 콘택트렌즈 소재의 한계 1
• 제 2절. 기능성 나노 복합 소재의 필요성 3
• 제 3절. 무기 및 유기 나노 소재의 연구 방향 4
• 제 2장. 이론적 배경 6
• 제 1절. 무기 나노물질 6
• 1. 가수분해-침전법을 사용한 이산화티타늄(TiO₂)의 특성 6
• 2. 졸-겔법을 사용한 이산화티타늄(TiO₂)의 특성 8
• 3. 나노 사이즈 세륨-지르코늄 산화물(CeO₂–ZrO₂)의 특성 9
• 제 2절. 유기 나노물질 10
• 1. 나노셀룰로오스의 특성 10
• 2. 나노키토산의 특성 12
• Ⅱ. 본 론 14
• 제 1장. 연구방법 14
• 제 1절. 사용시약 및 제조방법 14
• 1. 실리콘 하이드로겔 렌즈 제조 14
• 2. 무기 나노물질이 포함된 하이드로겔 렌즈 15
• 2.1 가수분해-침전법을 사용한 이산화티타늄 제조 15
• 2.2 졸-겔법을 사용한 이산화티타늄 제조 15
• 2.3 H-TiO₂가 혼합된 하이드로겔 렌즈 제조 16
• 2.4 S-TiO₂가 혼합된 하이드로겔 렌즈 제조 17
• 2.5 세륨–지르코늄 산화물 나노입자가 혼합된 하이드로겔 렌즈 제조 18
• 3. 유기 나노물질이 포함된 하이드로겔 렌즈 제조 19
• 3.1 나노키토산 제조 19
• 3.2 나노셀룰로오스 제조 19
• 3.3 나노키토산이 혼합된 렌즈 제조 20
• 3.4 나노셀룰로오스가 혼합된 렌즈 제조 21
• 제 2절. 측정기기 및 분석 22
• 1. 광학적 및 물리적 특성 평가 22
• 1.1 분광투과율 22
• 1.2 굴절률 23
• 1.3 함수율 24
• 1.4 인장강도 25
• 1.5 접촉각 26
• 2. 표면 분석 27
• 2.1 주사전자현미경 분석 27
• 2.2 원자힘현미경 분석 28
• 3. 중합 안정성 및 용출물 평가 29
• 3.1 과망간산칼륨 환원성 물질 29
• 3.2 pH 측정 30
• 3.3 자외선 흡수 스펙트럼 31
• 4. 항균성 평가 32
• 제 2장. 결과 및 고찰 33
• 제 1절. 실리콘 하이드로겔 렌즈의 배합 최적화 33
• 1. 광학적 특성 33
• 2. 굴절률 및 함수율 34
• 3. 표면 습윤성 35
• 4. 인장강도 36
• 5. 산소투과도 37
• 제 2절. 무기 나노물질이 포함된 하이드로겔 렌즈의 특성 38
• 1. 가수분해-침전법으로 제조된 H-TiO₂ 렌즈의 특성 38
• 1.1 자외선 차단 성능 38
• 1.2 인장강도 및 분산 39
• 1.3 굴절률 및 함수율 40
• 1.4 표면 특성 41
• 1.5 중합 안정성 및 용출물 평가 42
• 1.6 항균 특성 43
• 2. 졸-겔법으로 제조된 S-TiO₂ 렌즈의 특성 44
• 2.1 자외선 차단 성능 44
• 2.2 인장강도 및 분산 45
• 2.3 굴절률 및 함수율 46
• 2.4 표면 특성 47
• 2.5 중합 안정성 및 용출물 평가 48
• 2.6 항균 특성 49
• 3. 세륨–지르코늄 산화물(CeO₂–ZrO₂) 렌즈의 특성 50
• 3.1 자외선 차단 성능 50
• 3.2 인장강도 및 분산 51
• 3.3 굴절률 및 함수율 52
• 3.4 표면 특성 53
• 3.5 중합 안정성 54
• 3.6 항균 특성 55
• 제 3절. 유기 나노물질이 포함된 하이드로겔 렌즈의 특성 56
• 1. 나노키토산 첨가 렌즈의 특성 56
• 1.1 자외선 차단 성능 56
• 1.2 인장강도 및 분산 57
• 1.3 굴절률 및 함수율 58
• 1.4 표면 특성 59
• 1.5 중합 안정성 및 용출물 평가 60
• 1.6 항균 특성 61
• 2. 나노셀룰로오스 첨가 렌즈의 특성 62
• 2.1 자외선 차단 성능 62
• 2.2 인장강도 및 분산 63
• 2.3 굴절률 및 함수율 64
• 2.4 표면 특성 65
• 2.5 중합 안정성 및 용출물 평가 66
• 2.6 항균 특성 67
• Ⅲ. 결론 68
• 참 고 문 헌 72