피막을 이용한 키토산 기질에서의 약물방출 (Ⅰ)

나재운, 이동병*

순천대학교 공과대학 고분자공학과, *조선대학교 공과대학 화학공학과

Drug Release from the Chitosan Matrix Formulation by Coating (Ⅰ)

Jae-Woon Nah, 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 가공성의 문제점으로 인하여 대부분 폐기되어 왔으나 최근에 이르러 그 활용성을 높이기 위한 노력이 다각도로 연구되고 있다. 특히 키틴의 N-아세틸기를 탈아세틸화하여 아미노기로 치환된 키토산은 용해성의 증가 및 기능성의 향상으로 식품공업, 의료공업, 섬유, 농축산, 환경 등에 이르기까지 연구 및 응용이 여러 각 분야에서 활발히 진행되고 있다[1]. 약물전달시스템에서 방출속도 제어불능의 경구투여 약물은 부작용 및 독성을 일으켜 치료유효혈중농도를 능가하며 급격한 약효의 하락은 치료를 더욱 어렵게 한다[2]. 이러한 문제들을 해결하는데 방출 조절형 의약이 필요하게 되었고 키토산는 생체적합성, 생분해성, 무해성 등의 특성을 지니고 있어 이 분야의 활로를 전망할 수 있다.

본 연구에서는 생체분해성 고분자로서 가장 많이 사용되고 있는 poly(DL- lactide)(DL-PLA)로 고분자 매트릭스에 피막을 형성하게 하는 새로운 약물전달시스템을 제시하였다. 이 제형의 목적은 높은 약물 방출속도를 유지하면서 급속한 약물의 방출속도 변화를 나타내는 문제점을 제거하기 위하여 고분자 피막을 입힌 키토산, 키토산·염 및 술폰화키토산을 매트릭스로 이용하였으며, 약물로는 항 류마티스 치료제인 prednisolone을 사용하였다. 따라서 고분자 매트릭스의 약물 방출 특성을 살펴보기 위하여 pH 1.2의 인산염 완충용액(PBS)에서 생체분해성 고분자 피막이 약물의 방출거동에 미치는 영향을 비교 검토함으로써 지속적이고 조절된 제형으로서의 사용 가능성을 고찰하였다.

2. 실 험

2.1. 시약 및 기기

Chitosan은 chitin을 탈아세틸화시켜 합성하였고, acetic  acid,  hydrochloride

Prednisolone, DL-lactic acid (DL-LA), chlorosulfonic acid 등은 Aldrich Chem. Co., dimethyl sulfoxide는 Yakuri Pure Chem. Co., Stannous octoate, dimethyl- formamide는 Sigma Chem. Co.의 특급 시약을 사용하였다. 기기로는 FT-NMR spectrophotometer (Bruker AC-300F, 300MHz), UV-spectrophotometer(Shimazu 2101PC), GPC column (Shimazu GPC-800series)등을 사용하였다.

2.2. DL-PLA의 합성

LA 100g과 Sb2O3 1.1g을 질소기류 하에서 120℃로 2시간 동안 탈수반응시킨 후 온도를 180℃까지 높이고 5mmHg에서 6시간 반응시켰다. 그 다음 반응기 내의 온도를 250∼260℃로 상승시켜 1시간 동안 반응시킨 후 연한 노란색의 부산물을 포함하고 있는 DL-lactide를 얻었다. 생성물을 chloroform과 ethyl acetate로 재결정한 다음 동결건조하여 순수한 백색의 DL-lactide를 얻었다. DL-lactide의 수득율은 44.2%, mp는 98.0℃ 였다. DL-lactide 1.0g, lauryl alcohol 0.1g 및 stannous octoate 0.3g을 질소기류 하에서 220℃로 4시간 동안 반응시켰다. 얻어진 생성물을 ethyl acetate/petroleum ether 혼합용매로 추출한 후 동결건조하여 백색의 DL-PLA를 얻었다.

2.3. 키토산 유도체 합성

키토산의 제조는 수산계 폐기물인 게, 새우 등으로부터 얻은 키틴 물질을 단리하여 순백색의 키틴을 제조하였다. 키틴 분말시료 40g을 47）-수산화나트륨 400mL 수용액으로 110℃에서 1시간 동안 탈아세틸화 반응을 한 후 증류수로 세척하였다. 이와 같은 과정을 3회 반복하여 탈아세틸화도를 높였다. 반응 종료 후 증류수로 충분히 씻어 알카리를 제거하고 무수에탄올, 무수에테르 등의 순서로 처리하여 80℃에서 진공건조하였다. 키토산·염의 합성은 키토산 6.0g을 2）-초산 320mL에 용해시킨 후에 과량의 35）-염산 수용액을 가하여 키토산의 염산염을 석출시켜 여과한 후 여액중에 Cl- 이온이 검출되지 않을 때까지 무수메탄올로 처리한 다음 진공건조하였다. 술폰화키토산의 합성은 피리딘 100mL와 클로로술폰산 16.8mL을 약 5℃에서 혼합시킨 용액에 피리딘 60mL에 키토산 10g을 분산시킨 고분자용액을 서서히 적가한 후 95℃에서 90분 동안 환류 반응시켰다. 이 반응물을 증류수 400mL에 주가하여 얻은 생성물을 2.5N-수산화나트륨 수용액과 에탄올로 처리하였으며 셀룰로오스 튜브에서 3일 동안 투석한 후에 무수에탄올 240mL로 처리하여 70℃에서 진공건조하였다.

2.4. 약물전달체 제조

키토산, 키토산·염 및 술폰화키토산을 각각 10%-초산용액에 12시간 팽윤시켜  prednisolone을 가하여 교반 후 캐스팅하여 60℃에서 24시간동안 건조하였다. 건조된 고분자 매트릭스의 반지름은 6.30±0.01mm, 두께는 각각 2.08, 2.09, 2.10±0.01mm였다. 고분자 매트릭스의 피막 재질로는 DL-PLA를 사용하였다. DL-PLA를 약물이 분산된 고분자 매트릭스에 피막하기 위해서 dip coating 방법을 사용하였다. DL-PLA를 클로로포름에 녹인 후 이 고분자용액에 고분자 매트릭스를 매달아 클로로포름의 액면이 낮아짐에 따라 피막이 형성 되도록 하였다. 피막용 고분자용액은 클로로포름 10mL에 DL-PLA 1.0g을 녹여 만들었으며 피막은 1분간에 3회 처리하였다. 이때 피막의 두께는 0.07±0.01mm 였다.

2.5. 약물방출실험

약물방출 실험은 37.0±0.5℃의 pH 1.2의 PBS 1L에 대한 약물의 방출속도를 측정하였으며 교반속도는 100rpm을 유지하였다. Sample 용액은 1회에 5 mL씩 처음 1시간 동안은 10분마다, 그 이후에는 1시간 간격으로 채취하여 약물의 농도를 측정하였으며 sample 용액을 꺼낸 직후에 동량의 PBS을 보충하였다. 방출된 약물의 농도는 파장 242nm에서 UV-spectrophotometer를 사용하여 측정하였다.

2.6. 키토산의 탈아세틸화도 측정

Chitosan 1.0g을 증류수 100mL와 0.4M acetate buffer(pH 4.0) 100mL의 혼합 용액에 용해시켰다. 용해된 chitosan 콜로이드 용액 1.0g을 채취하여 증류수 30mL와 혼합하고 toluidine blue 지시약 2방울을 떨어뜨려 2.5mN potassium polyvinylsulfate 용액으로 적정하였다. 이때 용액의 색깔이 푸른색에서 보라색으로 변하는 점을 종말점으로 하여 탈아세틸화도(DAC)를 계산하였다[4].

2.7. 키토산의 점도평균분자량 측정

4M urea-0.2M CH3COOH-0.1M NaCl(1:1:1, v/v) 혼합용액에 건조된 chitosan 분말을 각각 0.05, 0.1, 0.15 및 0.2%가 되도록 용해하고 냉암소에 24시간 동안 방치하였다. 25.0±0.05℃ 항온조에서 각각 Cannon-Fenske형 모세관 점도계(Kimax No. 100)를 사용하여 모세관을 통과한 시간을 측정, 고유점도[□]를 계산하여 평균분자량을 계산하였다[5].

3. 결과 및 고찰

3.1. DL-PLA의 구조 확인

DL-lactide로부터 합성된 DL-PLA는 1H-NMR에서 -CH3내의 3개의 수소가 1.55∼1.60ppm 부근에서, ≡CH내의 1개 수소가 5.13∼5.26ppm 부근에서 흡수피크를 보였으며, 13C-NMR에서 -CH3내의 탄소가 16.62ppm에서, ≡CH내의 탄소가 68.92 ppm에서, -(C=O)O-내의  탄소가 169.34∼169.59ppm에서 흡수피크를 보여 DL-PLA의 합성을 확인할 수 있었다. 그리고 GPC로 측정한 DL-PLA의 평균분자량(Mw)는 120000 이었다.

3.2. 키토산 유도체들의 구조 확인

FT-IR spectrum에서 키틴의 특성피크인 CH3 wagging 흡수가 952cm-1에서, C=O결합 streching 흡수가 1655cm-1에서 나타났으나 키토산에서는 매우 약하게 관측되었다. 키틴의 1550cm-1의 NH bending 흡수피크만 키토산의 1552cm-1에서 남아있어 키토산이 합성되었음을 확인할 수 있었다. 탈아세틸화에 따른 C=O와 NH결합 사이에 작용하는 수소결합력의 차이에 의해 키틴의 3250cm-1와 3090cm-1의 NH streching에 의한 흡수피크가 키토산의 경우에는 매우 약하게 나타났다. 그리고 키토산의 탈아세틸화도는 87.0%였으며, 점도 평균분자량은 4.0×104([□]=1.65□/g)이었다. 키토산으로부터 키토산·염의 특성피크인 NH3흡수가 1527cm-1에서 streching, 2105cm-1에서 broad하게 나타났다. 또한 술폰화키토산의 특성피크인 S=O결합의 흡수가 1260cm-1에서, C-O-S결합의 흡수가 706cm-1에서 나타난 것으로 보아 술폰화키토산이 합성되었음을 확인하였다.

3.3. 약물전달체가 약물 방출에 미치는 영향

약물로 사용된 prednisolone의 함유량을 0.2g으로 동일하게 하고 약물전달체의 함유량을 각각 0.3, 0.6 및 1.0g으로 변화시킨 후 방출거동은 시간에 대한 누적 약물방출량(%)과 시간의 제곱근(t1/2)에 대해 plot한 결과 t1/2에 대한 약물방출량의 증가가 직선적 관계를 나타내는 것은 고분자 매트릭스로부터 약물 방출이 조절된다는 것을 의미한다. 약물전달체의 함유량 증가에 따른 지속적인 약물 방출 시간은 키토산의 경우에 82, 90, 99시간이었고, 키토산·염의 경우는 65, 70, 75시간, 술폰화키토산의 경우는 71, 74, 78시간으로 지연되었다. 약물 방출속도는 키토산·염이 가장 높았고 그 다음이 술폰화키토산, 키토산의 순서를 나타내었다.

3.4. 생체분해성 고분자 피막이 약물 방출에 미치는 영향

전보[3]에 보고되었던 고분자 매트릭스(noncoated monolithic polymeric matrix)에서의 약물 방출속도는 초기에 과량의 약물이 방출되었다. 이에 반해 피막형 고분자 매트릭스(coated monolithic polymeric matrix)는 초기 약물의 과량 방출량이 DL-PLA 피막에 의하여 현저히 줄어들었으며 따라서 피막형 매트릭스 제제는 피막되지 않은 경우보다 2배 정도의 방출시간이 지연되는 결과를 보였다. 즉 DL-PLA로 고분자 매트릭스에 피막을 함으로써 약물의 방출속도의 변화를 줄일 수 있었다. 상기의 결과는 DL-PLA가 lactic acid로 분해되면서 점차 막으로써의 기능을 잃기 때문인 것으로 생각된다.

4. 결 론

DL-PLA로 피막된 고분자 매트릭스를 약물전달시스템(DDS)에 이용하기 위해 키토산, 키토산·염 및 술폰화키토산으로 제조되었다. 모델 약물로 prednisolone을 사용하는 본 약물 방출에 관한 연구는 인산염 완충용액 pH 1.2에서 실험을 하였다. 약물 방출 속도는 고분자 매트릭스의 함유량이 증가할 수록 감소하였다. 피막된 고분자 매트릭스의 종류에 따라 지연된 약물의 방출시간은 키토산의 경우가 가장 길었으며, 술폰화키토산, 키토산·염의 순서였다. DL-PLA로 피막된 고분자 매트릭스가 피막되지 않는 고분자 매트릭스 보다 약물 방출 시간이 2배 정도의 지연되었을 뿐만 아니라 초기에 약물 과잉방출 현상도 작아 피막된 경우가 방출 조절형 제제로서 더 바람직한 결과를 보였다. 따라서 DL-PLA로 피막된 고분자 매트릭스는 장시간의 약물 방출을 위한 약물전달체로써의 응용이 기대된다.

5. 참고문헌

1. Austin, P. R., C. J. Brine, J. E. Castle, and Zikakis, J. P.: Chitin, New Facets      Res. Sci., 212, 749 (1952).

2. Guy, R. H and Hadgraft, J.: Drug Parameters Important for Transdermal Delivery,

PP.4∼6, Vol. 3, CRC press, Florida (1987).

3. Cha, W. S., S. I. Kim, J. W. Na, and  Lee, D. B.: Control of Drug Release

using Chitosan Derivatives, J. Korean Ind. & Eng. Chem., 6, 8 (1995).

4. Maeda, M., H. Murakami, H. Ohta, and Tajima, M.: Stimulation of IgM

Production in Human-Human Hybridoma HB4C5 Cells by Chitosan, Biosci.

Biotech. Biochem., 56, 427∼431 (1992).

5. Rutherford Ⅲ, F. A. and P. R. Austin, Chitin/Chitosan, Proc. 1st, Int'l Conf.,

p.182, Held in Bostone (1978).