셀룰로오스 유도체의 계면 가교반응에 의한 마이크로캡슐의 제조

심승욱·강현섭·장윤호

인하대학교, 화학공학과

Microcapsules with walls made of cross-linked cellulose derivatives

Seung Wook Shim·Hyun Seop Kang·Yoon Ho Chang

Dept. of Chem. Eng. Inha Univ. Inchon 402-751, Korea

서론

W/O 혹은 O/W형 에멀젼의 분산입자 표면에 천연 또는 합성 고분자를 이용하여 얇은 막을 형성시켜 만든 마이크로캡슐은 고체 또는 액체 약물이 중심핵에 위치한 구형입자를 말한다.  이것은 내부 물질을 pH, 습기, 공기중의 산소, 온도 및 반응성 물질과 같은 주위환경으로부터 보호하고, 고농도, 고활성 내부 물질의 농도 및 활성을 일정하게 유지하며, 요구하는 특정 조건에서 서서히 방출시킬 수 있는 막투과 제어기능을 갖고 있다.  또한, 마이크로캡슐의 내부물질은 화학물질 뿐만 아니라 생명체인 살아있는 세포 및 조직, 유산균등에도 적용 가능하여 식품 및 생명공학 분야에서 기술개발을 시도하고 있다.

이와같은 마이크로캡슐의 특성을 이용하여 약물 제어 방출 시스템을 개발하기 위한 수많은 연구들이 이루어져 왔으며 특히, 피막소재중 생체내에서 분해되는 고분자인 알부민, 젤라틴, 콜라겐과 이러한 물질들의 공중합물을 이용한 연구가 수행되었다. 최근 단백질이나 polysaccharide를 사용하여 생체 적합성 및 생분해성이 우수한 마이크로캡슐을 제조하기 위한 많은 연구들이 이루어지고 있으며, 특히 친수성 약물의 장약(裝藥)을 증가시키기 위해 젖음성이 좋고, 친수성을 증가시킨 마이크로캡슐도 보고되고 있다.

본 실험에서는 hydroxyethyl cellulose와 carboxymethyl cellulose를 벽물질로 사용하여 마이크로캡슐을 제조하였다. 이들 cellulose유도체 마이크로캡슐은 그 안에 존재하는 수많은 hydroxy group 때문에 친수성 입자로 될 것으로 예상되며, 이로 인해 친수성 약물을 마이크로캡슐 내부에 잡아두기 용이할 것으로 보인다.

유화제의 첨가량 및 HLB값, 교반시간등의 유화조건과의 분산상의 pH, 가교제의 농도, 반응시간등 공정조건을 조절하여 제조한 후 입자의 크기분포, 벽의 두께와 같은 마이크로캡슐의 성상 및 특성을 조사하고, cellulose유도체와 혼합된 단백질의 영향을 조사하였다.

실험

1.실험 재료 및 기기

본 실험에 사용한 hydroxyethyl cellulose(Average Mv ca. 90,000, D.S=1.5),  carboxymethyl cellulose(Average Mv ca. 250,000, DS=1.2)와 acylation agent로 terephthaloylchloride는 Aldrich에서 구입하였고, Gelatin(Type B, Bloom : 75)은 Sigma에서 구입하여 사용하였다.  유화제 및 보호콜로이드로 사용한 계면 활성제는 (주)오성화학에서 제공한 Sorbitan trioleate, sorbitan monooleate, polyoxyethylene(20) sorbitan monooleate를 사용하였다.  모든 Chloroform, n-Hexane, Ethanol은 분석용급을 사용하였으며, 물은 실험실에서 제조한 탈이온 증류수(Distilled deionized water)를 사용하였다.

Cellulose 유도체의 유화는 homogenizer(독일, CAT)를 사용하였으며, Image Analyser BX-60(일본, Olympus)으로 마이크로캡슐의 성상 및 크기를 분석하였다.

2.마이크로캡슐의 제조

Cellulose유도체를 염기성 완충용액에 완전히 녹인 후 이 용액 6g을 0.5%(w/w) sorbitan triolate, sorbitan monoolate가 첨가된 chloroform : n-hexane(2:3 v/v) 용액 30g에 homogenizer를 이용하여 30분간 유화시킨다. 이 후 40ml의 terephthaloyl chloride용액을 첨가하여 유화 분산 입자 계면에서 가교반응을 시킨다. 가교반응 종료 후 40ml n-hexane으로 희석시킨 후 원심분리로 마이크로캡슐을 분리한다. 분리된 마이크로캡슐은 2%(v/v) polyoxy- ethylene(20) sorbitan monooleate가 녹아있는 ethanol, ethanol, 물의 순서로 세척한다.

분산상의 pH, cellulose 유도체의 농도, 유화시간, 가교제의 농도 등과 같은 변수들을 각각 독립적으로 변화시켜가며 마이크로캡슐을 제조하였으며, Image analyser로 이들의 성상 및 입자크기를 조사하였다.

결과 및 고찰

1. Cellulose 유도체의 유화

유화제의 첨가량이 증가할수록 유화분산입자는 작아지며,  유화시작 후 초기에는 Fig. 2. (a)에서 보는것과 같이 분산입자의 크기가 약 30□정도로 크지만 크기편차가 매우 컸으며, 약 30분이 경과한 후 Fig. 2. (b)에서 보는 바와 같이 유화입자의 크기는 거의 변화가 없어지며, 일정한 크기의 유화입자를 얻을 수 있었다.  Cellulose 유도체의 유화시간과 유화제 첨가량에 따른 입자크기의 변화를 Fig. 3.에 나타내었다.

Fig. 2. Optical microphotograph of cellulose derivatives emulsion drop: (a) X 500, 10min (b) X 1,000, 30min

Fig. 3. Emulsion drop size varied with time

2.마이크로캡슐

마이크로캡슐은 Fig. 4.에서 보는바와 같이 투명한 구의 형태로 만들어지며, 유화 조건에 따라 캡슐의 크기를 조절할 수 있었으며, 약물 방출 속도를 결정하는 벽의 두께는 가교반응 조건에 의해 조절할 수 있을 것으로 보여진다.  Fig. 4.와 Fig. 5.는 유화제 첨가량과 두가지 유화제를 혼합하여 HLB값을 변화시켜 만든 마이크로캡슐의 크기변화를 나타낸 그림이다.  유화제의 첨가량이 증가할수록 마이크로캡슐의 크기는 감소하며, HLB값이 감소할수록 크기가 증가한다

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Fig. 4. Optical microphotograph of cellulose microcapsule (X 1,000)

Fig. 4. Microcapsule size with amount of Emulsifier

Fig. 5. Microcapsule size with HLB value

참고문헌

1. Tony L. Whateley, Microencapsulation of Drugs, 8∼16, (1992)

2. M.I.Ugwoke, R.Kinget, J. Microencapsulation, 15, 3, 273∼281, (1998)

3. L.W.Chan, P.W.S. Heng, J. Microencapsulation, 15, 4, 409∼420, (1998)

4. Magda A. El-Nokaly, Polymeric Delivery Systems, 18∼21, (1992)