막유화법을 이용한 단분산성 chitosan microparticle의 제조

전윤종, 강혜원, 유진오, 박성배, 함승주, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Preparation of Monodispersed Chitosan Microparticles Using Membrane Emulsification Method

Yun-Jong Jeon, Hye-Won Kang, Jin-Oh You, Seong-Bae Park, Seung-Joo Haam

and Woo-Sik Kim

Dept. of Chemical Engineering, College of Engineering, Yonsei University

서론

Chitosan은 glucosamine과 N-acetylglucosamine의 copolymer로 이루어진 polysacch-

aride로 갑각류 같은 해양무척추동물의 겉껍질 성분인 chitin의 C2 위치에 있는 아세트아미드기 중에 아세틸기를 제거함으로써 얻어질 수 있다. Chitosan은 대부분의 natural polysaccharide와는 달리 양성 charge를 가진 amino group과 sugar backbone을 포함하고 있기 때문에 cationic nature를 가진 유일한 polysaccharide이며, formic acid를 비롯한 유기산의 수용액이나 묽은 염산과 같은 무기산에 잘 용해되는 특성을 지니고 있다. Chitosan은 무독성, 무공해성이기 때문에 의약 및 의료, 식품공업에서의 응용물질로 사용되고 있으며, 특히 생체적합성과 생체분해성이 좋기 때문에 약물전달분야에서 제어방출용 제제로 널리 응용되고 있다. 또한 enzyme이나 whole cell의 고정화용 담체로 이용시 쉽게 조절이 가능하고 mechanical stability를 높일 수 있다는 장점이 있다.

현재 약물전달분야에서 chitosan은 막이나 bead, particle 등 여러 가지 형태로 응용이 연구되고 있으며 그 중에서도 특히 microparticle의 형태는 제어방출이 가능한 피하주입이나 경구용 제제로 사용하기 위해 널리 연구되어지고 있다. 기존의 bead에 비해 크기가 작은 microparticle은 약물수송체로서 주사제내의 약제 투입이나 패치제 내의 고른 필름형 분포 및 정제내의 encapsulation등과 같이 보다 넓은 용도로 사용이 가능하다는 장점이 있기 때문에 투약 경로를 막론하고 가장 선호되고 있는 약제의 형태이다. 이러한 particle의 경우 개개의 particle이 거의 일정한 속도로 일정한 양의 약물을 포함하고 또 방출해야 하는 약물전달시스템의 특성상 매우 균일한 크기를 가질 것과 그 크기 조절이 자유로울 것을 요구하게 된다. Particle은 일반적으로 유화중합을 통해 에멀젼을 형성하고 이를 가교시키는 방법으로 제조하거나 반대의 charge를 갖는 고분자물질과의 complexation을 이용하는 방법으로 제조한다. 그러나 이 경우 대부분이 크기는 작지만 그 분포가 균일하지 못하고 크기 조절 또한 어려운 것이 문제점으로 남는다.

본 실험은 막유화법이라는 기술을 도입하여 단분산적인 chitosan microparticle을 제조하고 chitosan을 보다 넓은 범위에서 작고 균일한 크기의 particle을 요구하는 약물전달제제로 응용하는데 그 목적이 있다 하겠다.

이론

막유화법은 기공의 크기가 균일한 microporous glass membrane을 사용하여 에멀젼을 제조하는 방법으로 1980년대 후반 일본에서 처음으로 개발된 기술이다. 막유화법에서 분산상은 일정 압력하에서 매우 좁은 크기 분포를 갖는 microporous 막의 기공을 통해 연속상으로 수송, 유화되어 에멀젼을 형성하게 된다. 기존의 일반적인 에멀젼 중합을 사용하면 공정의 정확한 조절이 어렵고 크기 분포가 다분산적인 에멀젼만을 제조하는데 비해 이 방법을 사용하면 막이 가지는 평균 기공의 크기에 따라 일정한 크기의 에멀젼을 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 기공 크기가 다른 막을 사용하여 0.1□~10□의 범위에서 에멀젼의 크기를 자유롭게 조절할 수 있고 소량의 유화제로도 에멀젼의 안정성을 얻을 수 있으며, O/W/O 및 W/O/W의 double 에멀젼도 비교적 용이하게 제조할 수 있다는 장점도 가지고 있다. 이러한 막유화법은 공정이 간단하고 조작비가 적게 들어 scale up이 용이하며 고부가가치 산업에서의 차별화된 상품 개발에 매우 적합한 방법이라 하겠다. 일본에서는 이미 오래전부터 식품공학을 비롯하여 의약 및 화장품 공업에서 응용을 위한 연구가 활발히 진행되었다.

실험

(1) Material

본 실험에서 사용된 막(Ise chemicals Co., Japan)은 평균 기공 크기가 2.9□이고 표면이 소수성으로 처리된 것을 사용하였다. 분산상으로는 chitosan(Aldrich, Chem. Co., U.S.A, high mole weight)을 사용하였고 chitosan의 가교제로는 glutaraldehyde(25% solution, Junsei chemical Co, Japan)를 사용하였다. 연속상으로는 isooctane(Junsei chemical Co, Japan)과 유화제 span80(Sigma, USA)을 사용하였다. 그리고 제조된 에멀젼의 세척과 경화, 탈수를 위해 acetone(Kanto chemical Co., Japan)을 사용하였다.

(2) Chitosan microparticle의 제조

Chitosan microparticle의 제조는 Fig.1과 같은 막유화장치를 이용하였다. 장치는 막유화장치에 공급되는 N2가스를 공급할 가스 도입 부분과 분산상이 저장되어 있는 원통형의 모듈부분, 막이 장착되어 있는 유화장치부분 그리고 막을 통과하여 유화된 microparticle들이 모이는 연속상 부분으로 크게 나눌 수 있다. Particle의 제조에서 먼저 막유화 장치로 도입되는 압력의 영향을 알아보기 위해 10%(wt) Acetic acid 수용액에 chitosan을 용해 시켜 chitosan용액(분산상)을 제조한 후 N2 가스의 압력을 0.2, 0.4, 0.6, 0.8bar(gauge pressure)로 변화시켜면서 particle을 제조하였다. 제조된 particle은 SEM을 통해 평균 크기와 크기분포를 관찰한 후 가장 단분산적인 particle이 제조된 압력조건을 정하여 일정하게 유지시키고 chitosan 용액의 농도를 바꿔가며 particle을 제조하였다.

Fig.1 Membrane emulsification apparatus

Fig.2 Illustration of the principle of membrane emulsification

결과 및 토의

(1) 막유화장치로 도입되는 압력에 따른 particle의 제조

분산상의 농도를 1.5wt%로 일정하게 고정시키고 장치로 도입되는 N2가스의 압력을 0.2, 0.4, 0.6, 0.8bar (gauge pressure)로 변화시키면서 particle을 제조하였다. 그 결과 particle의 평균 크기는 6□ 정도였으며 압력에 따른 크기의 차이는 크게 나타나지 않았지만 압력이 커질수록 particle의 크기가 작아지는 경향이 있었다. 이 중 0.4bar에서 여러 압력에 비해 가장 단분산적이고 안정적인 particle을 얻을 수 있었고 0.2bar에서는 particle의 크기가 비교적 크고 다분산적인 경향을 보였으며, 0.8bar에서는 크기가 작고 다분산적인 경향을 보였다. 따라서 막유화법에서 막유화장치에 도입되는 압력의 영향은 비교적 작고, 압력을 증가시킬수록 막을 통한 분산상의 flux가 증가하여 유화시간을 단축할 수 있으나 입자크기에는 큰 상관관계가 없음을 알 수 있었다. Fig.3은 chitosan의 농도가 1.5wt%일 때 각 압력에 따라 얻어진 microparticle을 SEM으로 촬영한 것이다.

a. 0.2 bar

b. 0.4 bar

c. 0.6 bar

d. 0.8 bar

Fig.3 SEM photographs of chitosan microparticles (1.5wt%)

(2) Chitosan의 농도에 따른 particle의 제조

도입되는 압력에 따라 가장 단분산적인 microparticle을 얻은 0.4bar를 일정하게 고정시키고 chitosan의 농도 1.0, 1.5wt%에서 particle을 제조하였다. particle의 크기는 chitosan의 농도에 따라 달라지는데 이는 농도에 따라 용액의 점도가 달라지기 때문으로 점도가 커지면 분산상이 막으로부터 빠져나오는 시간이 늦어져서 particle의 크기는 점차 증가하게 된다. 0.5wt%의 경우 제조된 용액의 점도가 매우 낮아 에멀젼은 형성이 되나 가교를 위한 교반이나 유기용매와의 분리를 위한 감압을 할 때 particle이 붕괴가 일어나 particle을 얻기가 어려웠다. 이는 낮은 농도에서 particle의 solidity가 떨어지기 때문으로 여겨진다. 반면 2.0wt%에서는 분산상의 점도가 너무 높아 막의 기공을 잘 빠져나가지 못하였고 막의 표면에서 wetting이 일어나 계속적인 particle을 얻기가 힘들었다. 이에 비해 1.0wt%와 1.5wt%에서는 일정한 속도로 에멀젼이 형성되었고 균일한 particle을 얻을 수 있었다. 특히 1.0wt%에서 particle의 크기는 3□로 가장 균일한 particle을 얻을 수 있었다. Fig. 4는 chitosan의 농도에 따라 얻어진 microparticle을 SEM으로 촬영한 것이다.

a. 1.0 wt%

b. 1.5 wt%

Fig.4 SEM photographs of chitosan microparticles (0.4bar)

결론

본 실험에서는 막유화법을 이용하여 chitosan microparticle을 제조하고 단분산적인 particle 제조의 최적 조건에 대해 고찰하였다.

약물전달제제를 비롯한 생체재료로 많은 연구가 진행된 chitosan particle의 크기를 막유화법에 의하여 평균 3□ 수준으로 줄일 수 있었고 기존의 유화중합법에 비해 단분산적인 particle을 얻을 수 있었다. 막유화법에서 장치로 도입되는 N2가스의 압력이 높아질수록 막을 통한 분산상의 flux가 증가하여 유화시간이 단축되며 그 크기가 작아지는 경향을 보였고, 0.4bar 일 때 가장 단분산적이고 안정한 microparticle을 얻을 수 있었다. chitosan 농도의 경우 1.0wt%일 때 가장 작고 안정적이며 단분산적인 particle을 얻을 수 있었다.

이와 같이 막유화법을 통해 크기가 작고 단분산적인 chitosan microparticle을 제조할 수 있게 되어 크기가 크고 다분산적인 기존의 particle에 비해 보다 넓은 범위에서 응용이 가능하게 되었다.

참고문헌

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