키토산 분자량이 약물방출에 미치는 거동

나재운, 권규혁*, 이동병*

순천대학교 공과대학 고분자공학과, *조선대학교 공과대학 화학공학과

Behavior of Drug Release by Chitosan Molecular weight

Jae-Woon Nah, Kyu-Hyuk Kwun*, Dong-Byung Lee*

Dept. of Polym. Sci. and Eng., Sunchon National University, Chonnam 540-742, Korea

*Dept. of Chem. Eng., Chosun University, Kwangju 501-759, Korea

1. 서 론

키틴은 신기능성 소재로 최근에 널리 알려져 있으며, 키토산을 강알칼리로 탈아세틸화하여 제조한 키토산은 식료품개발과 피혁폐수의 처리 그리고 의약품개발 등 많은 분야에 응용되고 있다[1-3].  키틴 및 키토산은 탈아세틸화도, 분자량 등에 의해 물리화학적 특성이 달라지고 이러한 차이는 사용되는 용도를 결정한다. 이러한 특성에 따른 다양한 용도에서 그 가능성을 높이고자 그 응용가능성에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 키틴 및 키토산은 고부가가치를 창출할 수 있는 의료분야에서 그 관심을 받고 있어 상당한 연구들이 진척되고 있다. Miyazaki[4] 등은 건조된 키토산 겔에 indomethacin 및 papaverine hydrochloride를 분산시켜 키토산 과립을 조제하여 방출 지속성 제제를 합성하였으며, Kawashima[6] 등은 키토산을 이용하여  aspirin의 tablet을 제조해 약물방출 지속성을 연구한바 있다.져 이러한 그 형성시킨 다음 이것으로부터의 약물방출 지속성을 관찰하는 등 키토산을 이용한 약물전달시스템(drug delivery system, DDS)의 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 각각 탈아세틸화도 및 분자량을 가지고 있는 키토산을 acetic acid에 팽윤시킨 다음  항생제인 norfloxacin을 분산용해시켜 고분자용액을 제조하였다. 이 고분자 용액을 건조시킨 다음 성형하여 tablets을 제조하였다. 이렇게 제조된 tablets를 in vitro에서 약물방출실험을 하여 탈아세틸화도 및 분자량이 약물방출 지연성에 미치는 영향을 조사하여 지속적이고 조절된 약물전달체로서의의 사용 가능성을 고찰하였다.

2. 실 험

2.1. 시약 및 기기

키토산은 키틴을 탈아세틸화시켜 합성하였고, acetic acid, hydrochloric acid, potassium hydroxide는 각각 Fisher Chemalert Co.의 시약 1급을, ethanol과 ether는 Aldrich Chemical Co.의 GR급 제품을 사용하였다. norfloxacin은Sigma의 시약 1급을 그대로 사용하였다. Chitosan의 구조를 분석하기 위해서 IR spectrophotometer (Bruker, IFS 66)와 UV-spectrophotometer (Shmadzu Co. Mod. UV-1201)을 사용하였다.

2.2. 키토산의 제조 및 분석

게껍질에는 키틴외에 단백질, 탄산칼슘, 색소등이 존재하기 때문에 화학적 처리 방법에 따라서 다음과 같이 chitin을 제조[7,8]하였다. 게껍질을 수집하여 실온에서 2N-HCl 수용액에 12시간 동안 침적시켜 CaCO3을 용출시키고 믹서로 분쇄하였다. 이것을 2N-HCl 수용액 중에서 24시간동안 실온에서 처리하고 증류수로 충분히 세척한 후에 4%-NaOH 수용액으로 15℃이하에서 탈아세틸화가 일어나지 않도록 24시간 동안 처리하여 단백질을 분해 제거하고 증류수로 충분히 씻었다. 이와같은 산처리와 알칼리처리를 3회 반복한 후 3%- H2O2-1N-HCl 수용액으로 실온에서 6시간 동안 잔존하고 있는 색소를 산화처리하고 마지막으로 알칼리처리를 한 후에 증류수로 씻고 건조하여 순백색의 chitin chip을 얻었다. 이것을 볼밀로 분쇄하여 120mesh의 키틴 분말을 증류수, 에탄올 및 에테르의 순으로 씻어 80℃에서 진공건조하였다.

키토산 분말시료 60 g을 47%-NaOH 600 mL 수용액으로 110 ℃에서 1시간 동안 탈아세틸화 반응을 4화 반복하여 키토산을 제조하였다.  키토산은 증류수, 에탄올, 에테르 순으로 씻어 80 ℃에서 진공 건조시켰다. 제조된 키토산의 탈아셀틸화도 및 분자량의 변화를 주기 위해 알칼리처리, HCl 및 초음파처리를 하여 각각 다른 탈아세틸화도 및 분자량을 갖는 5가지 키토산 시료를 제조하였다. 제조된 키토산의 탈아세틸화도 결정은 IR 스펙트럼의 1655 cm-1의 amideⅠpeak와 3450 cm-1의 -OH기 결합을 측정하여 아민기의 퍼센트(%)는 다음 (1)식[9]에 의해서 구하였다.

%N-acetyl=(A1655/A3450)X100/1.33         (1)

분자량을 측정하기 위해 Ubbelohde점도계를 사용하였으며 4M urea, 0.2M CH3COOH 및 0.1M NaCl(1:1:1, v/v) 용액에 진공 건조된 chitosan 분말을 각각 0.05, 0.1, 0.15 및 0.2%가 되도록 용해하고 냉암소에 24시간 동안 방치하였다. 25±0.05℃ 항온조에서 고유점성도[□]를 측정하여  다음 (2)식[10]에 의해서 중량평균분자량(Mw)을 구하였다.

[□]=8.93X10-4 Mw0.71 (dL/g, 25.0±0.5℃)    (2)

2.3. 키토산 tablets의 제조

5종류의 키토산 0.5 g을 acetic acide에 팽윤시킨 다음  norfloxacin 0.2 g을 분산용해후  교반하였다. 이 용액을 60 ℃에서 진공건조한 후 12 ton의 압력으로 성형하여 키토산 tablet을 제조하였다. tablets 크기는 반지름 7.0(±0.01) mm, 두께 2.10(±0.01) 정도였다.3의 tablets을 제조하였다.

2.4. 약물방출실험

키토산 tablets으로부터 다음과 같이 in vitro에서 약물방출 실험을 하였다. 실험 조건은 pH 7.4의 인산염 완충용액을 37.0±0.5 ℃, 교반 속도는 100 rpm을 유지하였으며 시료채취는 일정한 시간마다 5 mL의 sample 용액을 취하고 sink condition을 유지하기 위하여 곧바로 같은 부피의 인산염 완충용액을 첨가하였다. 채취된 시료는 millipore filter(pore size 0.2 □m)를 통과시킨 후 UV spectrophotometer를 이용하여 파장 273 nm의 흡수극대파장에서 완충용액을 대조로 하여 그 흡광도를 측정하였으며 미리 작성된 검량선으로부터 방출된 약물을 정량하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 키토산의 구조확인

키틴의 IR 스펙트럼의 경우에  3250 cm-1와 3090 cm-1에서 N-H 결합 신축진동에 의한  특성 흡수띠가 나타났으나, 탈아세틸화된 키토산의 경우는 이러한 흡수띠가 약해졌다. 이러한 현상은 C=O와 N-H 결합 사이에  작용하는 수소 결합력이 키토산과 키틴이 다르기 때문인 것으로 생각된다. 또한 일반적으로 amide I의 C=O 결합에 의한 신축진동은 보통 1639 cm-1부근에서 나타나는데, 키틴의 경우에는 1657 cm-1에서 흡수띠를 보여주고 있다. 키토산의 경우에는 1655 cm-1에서의 C=O 결합의 신축진동 흡수띠는 약화되고 1552 cm-1의 amide Ⅱ 흡수띠만 남아 있었다. 이 amide Ⅱ 흡수띠는 N-H bending의 흡수 띠이며, 키틴의 경우에는 1316 cm-1에서 amide III 흡수띠가 나타났지만 키토산의 경우는 축소되었기 때문에 단지 CH2 wagging에 의한 흡수띠라고 판단된다.

Ubbelohde점도계를 사용하여 분자량이 4만, 8만, 16만, 22만, 26만정도의 분자량을 갖는 키토산을 얻었다. IR에 의한 탈아세틸화도에서는 평균분자량이 4만, 8만, 30만의 경우에는 합성한 키토산의 탈아세틸화도는 73-76%정도였으며 47% NaOH로 탈아세틸화 과정을 수회 반복하여 보다 많은 탈아세틸화도를 갖게한 22만의 경우에는 87%정도의 탈아세틸화도를 나타내었다.

3.2. 약물방출 특성

키토산의 탈아세틸화도와 분자량의 변화에 따른 tablet으로부터 약물방출은 분자량이 30만의 키토산이 가장 장시간 동안 지연되어 228 시간의 방출지연성을 보였으며 그다음이 분자량이 16만의 경우가 188 시간, 8만의 경우가 151시간, 22만의 경우가 145 시간, 4만의 경우가 95 시간의 방출시간을 나타내었다. 이 결과로부터 분자량 4만의 경우는 분자량 30만의 절반에도 못 미치는 방출 지연성을 보였다. 그리고 분자량이 증가할 수록 방출지연성이 증가함을 보이고 있어 분자량이 약물을 방출시키는데 결정적인 역할을 함을 알수 있다. 또한 분자량이 가장 많은 30만의 키토산은 228 시간으로 가장 높은 방출 지연성을 보였고 분자량이 22만의 경우가 145 시간의 방출 지연되는 시간을 보였다. 두 키토산이 분자량에 있어서는 상대적으로 작은 차이를 보이나 방출지연되는 시간을 상당한 차이를 보이고 있으며 분자량이 8만의 경우와 22만의 경우는  분자량에 있어서는 14만이라는 차이를 보이고 있으나 방출지연되는 시간은 각각 151과 145시간으로 그다지 차이를 보이고 있지 않다. 따라서 분자량에도 그 차이는 있겠지만 탈아세틸화도 정도가 이치는 영향도 매우 큼을 알수 있다. 이러한 현상은 탈아세틸화도가 높아 아세틸기가 많을수록 조밀한 구조를 이루게 되고 분자량이 많을 수록 물분자가 키토산 분자사이로 들어가 팽윤에  요구되는 시간이 어렵게 되어 보다 보다 장시간을 요구하는데 그 원인이 있는 것으로 생각된다. 결과적으로 약물방출을 지연시켜 약물전달시스템에서 이용하고자 할 때 분자량 조절뿐만 아니라 탈아세틸화도를 조절하면 치료조건에 따라 보다 적당한 조건을 지니는 약물전달체를 제조할 수 있을 것으로 사료된다.

4. 결 론

분자량 및 탈아세틸화도가 다른 키토산을 제조하고 acetic acid에 용해시킨 다음 norfloxacin을 분산시켰다. 이 약물과 키토산이 녹아 있는 용액을 건조 후 성형하여 tablets을 제조하고 제조된 tablets를 in vitro상에서 약물방출 시험을 하여 분자량 및 탈아세틸화도가 약물방출에 미치는 영향을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

키토산의 탈아세틸화도와 분자량의 변화에 따른 tablet으로부터 약물방출은 분자량이 30만의 키토산이 방출 지연성이 가장 좋아 228 시간의 방출지연성을 보였으며 그다음이 분자량이 16만의 경우가 187 시간, 8만의 경우가 151시간, 22만의 경우가 145 시간, 4만의 경우가 95 시간의 방출시간을 나타내었다. 분자량이 증가함에 따라 분자량이 22만의 경우를 제외하고 방출 지연되는 시간 또한 길어짐을 알 수 있다. 그러나 분자량이 가장 많은 30만의 키토산은 228 시간으로 가장높은 방출 지연성을 보였고 분자량이 22만의 경우가 145 시간의 방출 지연되는 시간을 보였다.  따라서 분자량에도 그 차이는 있겠지만 탈아세틸화도 정도가 미치는 영향도 매우 큼을 알 수 있다.

결과적으로 약물방출을 지연시켜 약물전달시스템에서 이용하고자 할 때 분자량 조절뿐만 아니라 탈아세틸화도를 조절하다면 초기의 약물 과잉방출 현상을 억제하고 보다 장시간 동안 약물을 방출하는 약물전달시스템에서 그 가능성을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

5. 참고문헌

1. Muzzarelli, R. A. A.: □Natural Chelating Polymer,□ Pergamon, New York,

1973, p. 33.

2. Muzzarelli, R. A. A.: □Chitin,□ Pergamon, New York, 1977, pp. 54∼57.

3. Kurida, K.: 化學□  領域, 35, 927(1981).

4. Miyazaki, S.,  Ishii, K. and  Nodai, T.: Ibid., 29, 3067(1981).

5. Sawayanagi, Y.,  Nambu, N. and  Nagi, T.: Ibid., 31, 2507(1983).

6. Kawashima, Y., Lin, S. Y., Kasai, A., Handa, T. and  Takenaka, H.:

Chem. Pharm. Bull., 33, 2107(1985).

7. Hackman, R. H.:  J. Biol. Sci.(Austr.), 7, 168(1954).

8. Rigby, G. W.: U.S. Patent. 2,072,771(1936).

9. Sannan, T., Kurita, K., Ogura, K. and Iwakura, Y.: Polymer, 19, 458 (1978).

10. Baclanecky, M., Tuzar, Z., Stoll, H. and Chromeck, R.: Chem. Commun, 33,

4104(1964).