막유화법을 이용한 chitosan microsphere의 제조

전윤종, 강혜원, 유진오, 박성배, 박함용*, 함승주, 김우식

연세대학교 화학공학과, *태평양 기술연구원

Preparation of Chitosan Microspheres Using Membrane Emulsification Method

Yun-Jong Jeon, Hye-Won Kang, Jin-Oh You, Seong-Bae Park, Ham-Yong Park*, Seung-Joo Haam and Woo-Sik Kim

Dept. of Chemical Engineering, Yonsei University,

*Pacific Corporation/R&D Center

서론

Chitosan은 해양무척추동물이나 육지에 서식하는 곤충류의 겉껍질 성분인 chitin에서 아세틸기를 제거하여 얻어질 수 있는 천연의 polysacchride로 독성이 적고 생분해성 및 생체적합성이 우수하여 식품공학을 비롯한 여러 분야에서 이용되고 있으며, 의학, 약학 등의 분야에서 의료용 고분자 및 약물전달시스템(Drug Delivery System;DDS)의 제재로 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다.

DDS에서 여러 약물전달제재 중 Microsphere 형태는 주사제내 약제 투입이나 패치제 내의 균일한 분포 및 정제내의 encapsulation등 여러 가지 용도로 응용이 가능하기 때문에 투약 경로를 막론하고 가장 널리 연구가 이루어지고 있으며 에멀젼을 형성하고 가교시키는 방법으로 제조하거나 반대의 charge를 갖는 고분자물질과의 complexation을 이용하는 방법으로 제조한다.

에멀젼을 제조하는 방법으로는 일반적으로 rotor/stator system이나 high-pressure dispersing system이 이용되고 있다. 그러나 이들 방법으로 에멀젼을 제조할 경우 강한 기계적 에너지가 필요하며 크기에 대한 제어가 어려워 크기 분포가 다분산적이고 조절이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 최근 이용되고 있는 방법 중 하나가 막유화법이다. 막유화법은 microporous membrane을 이용하여 에멀젼을 제조하는 방법으로, 분산상은 장치에 도입되는 기체의 압력에 의해 막의 좁은 기공을 통과하여 연속상으로 분산되고 유화되어 에멀젼을 생성하게 된다. 막유화법을 사용할 경우 기존의 방법에 비해 평균 기공 크기에 따라 균일한 크기를 갖는 에멀젼을 제조할 수 있으며, 여러 종류의 단분산적인 에멀젼을 제조할 수 있다는 장점이 있다. 또한 에멀젼이 막표면에서 직접적으로 형성되기 때문에 기존 방법에 비해 system에 필요한 에너지도 적다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해 막유화법은 고부가가치 산업 분야에서 다품종 소량 생산 및 차별화된 상품개발에 적합한 방법으로 여겨지며 의약 및 식품공업, 화장품공업 등의 분야에서 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 막유화법을 이용하여 chitosan microsphere를 제조, 분석하였으며, 이온성 약물을 함유한 microsphere를 제조한 후 pH에 따른 방출실험을 행하여 약물의 이온성 및 방출용액의 pH가 약물방출에 미치는 영향에 관해 고찰하였다.

실험

(1) 재료

본 실험에 사용된 막(Ise chemicals Co., Japan)은 평균 기공 크기 2.9□이고 표면이 소수성 처리된 것을 사용하였다. 분산상의 고분자물질은 chitosan(Aldrich, Chem. Co., U.S.A)이며 가교제로는 glutaraldehyde(25% solution, Junsei chemical Co, Japan;GA)를 사용하였다. 연속상으로는 isooctane(Junsei chemical Co, Japan)과 유화제 span80(Sigma, USA)을 사용하였다. 그리고 에멀젼의 세척과 경화, 탈수를 위해 acetone(Kanto chemical Co., Japan)을 사용하였다. 이온성 약물의 모델약물로는 양이온성을 띠는 lidocaine·HCl(Hongsung Pharm. Co. Ltd., Korea;LH)과 음이온성을 띠는 sodium salicylate(Katayama Chemical Co., Japan;SS)를 사용하였다.

(2) Chitosan microsphere의 제조

Fig. 1. Schematic diagram of membrane emulsification apparatus

Microsphere의 제조는 Fig.1과 같은 막유화 장치를 이용하였다. 1% acetic acid 수용액에 chitosan을 용해시켜 분산상을 제조하고 isooctane에 span80을 용해시켜 연속상을 제조하였다. 만들어진 분산상과 연속상을 막유화 장치에 넣고 압력을 가해주고 교반속도는 350 rpm을 유지하며 에멀젼을 제조하였다. 제조된 에멀젼은 GA로 가교한 뒤, acetone을 첨가하여 탈수 경화 시킨 후, 감압여과를 통한 분리와 세척, 건조하여 microsphere를 제조하였다. 약물을 함유한 microsphere는 일정 농도의 약물이 포함된 수용액에 chitosan을 첨가한 후, 같은 방법으로 제조하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of drug release experiment apparatus

(3) 방출실험

완충용액이 들어있는 삼각플라스크 내에 약물을 함유한 chitosan microsphere를 투여한 후, shaking incubator(SI900, JEIO Tech., Korea)에서 방출실험을 행하였다. 방출실험은 37.5±0.5℃의 온도조건에서 행해졌으며 방출된 약물의 농도 경계층을 제거하기 위해 150±1 rpm의 일정한 속도로 교반시켜주었다. Sample의 채취는 microsyringe를 이용하여 일정시간 간격으로 3ml씩 하였으며, 방출액의 sink condition을 유지하기 위하여 sample채취 후 즉시 같은 온도의 완충용액을 동량 보충하였다. Fig. 2에 약물방출실험장치를 나타내었다.

결과 및 고찰

(1) Chitosan microsphere의 제조 및 특성

이전 연구의 결과에 따라 본 실험의 막유화장치에서 가장 단분산적인 제조 조건을 적용하여, 분산상의 chitosan 농도를 1.0wt%, 장치로 도입되는 N2 gas의 압력을 0.4bar로 고정시키고 chitosan microsphere를 제조하였다. 제조된 microsphere를 SEM으로 분석하고 임의의 150개 sample에 대한 size를 분석하여 Fig.3와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 4.0~6.0□사이의 크기를 갖는 microsphere가 많이 관찰되었으며 5.5□의 크기에서 가장 높은 분포값을 보였고 전체 평균 size는 약 5.0□정도로 나타났다. 또한 제조된 chitosan microsphere의 pH에 따른 해리도를 알아보기 위해 서로 다른 pH의 완충용액에 대하여 Zeta Potential Analyzer(BI-90, USA)를 사용하여 표면전하를 측정하였다. 표면 전하는 낮은 pH에서 보다 높은 값이 측정되었는데, 이는 chitosan microsphere가 낮은 pH에서 보다 많은 해리가 일어남을 의미하는 것으로, 이는 chitosan이 aimno group을 가지고 있고, pH가 낮을수록 보다 많은 amino group이 수소이온(H+)을 받아 NH2에서 NH3+로 해리되기 때문으로 여겨진다. Fig. 4는 각각의 pH에서 zeta potential 측정 결과를 나타낸 것이다.

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Fig. 3 Size distribution of chitosan microspheres

Fig. 4 Zeta potential of chitosan microspheres

이온성 약물을 함유한 chitosan microsphere도 같은 조건에서 제조하였다. 제조한 microsphere를 SEM으로 관찰한 결과는 Fig. 5에 나타내었다. 두 약물(SS/LH) 모두에 대해 약물을 함유하지 않았을 때와 비슷하게 단분산적인 microsphere를 얻을 수 있었다.

a. sodium salicylate

b. lidocaine·HCl

Fig. 5 SEM photographs of ionic drug & chitosan microspheres

(2) pH에 따른 이온성 약물방출

이온성 약물을 함유한 chitosan microsphere를 pH 1.4, 7.5의 완충용액에서 방출실험을 행하였고 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 그래프에서 알 수 있듯이 음이온성인 sodium salicylate와 양이온성인 lidocaine·HCl 모두 pH 7.5에서 보다 pH 1.4에서 빠른 방출이 일어남을 알 수가 있다. 이는 chitosan이 가지고 있는 amino group이 낮은 pH에서 더 많은 해리가 일어나고 그에 따른 이온간의 반발력에 의해 microsphere의 구조가 느슨해지면서 swelling이 상대적으로 많이 일어나기 때문으로 여겨진다. 또한 약물의 이온성의 따른 경향을 보면 양이온성인 lidocaine·HCl이 음이온성인 sodium salicylate에 비해 빠른 방출이 일어나는 것으로 나타났다. 이는 chitosan이 가지고 있는 amino group(+)과 약물간의 정전기적 상호작용으로 음이온성 약물과의 결합이 더 크기 때문으로 풀이된다. 그러나 이러한 약물의 이온성에 따른 방출 속도의 변화는 방출용액의 pH에 따른 변화에 비해 훨씬 작은 것으로 나타났으며, 따라서 chitosan microsphere에 있어서 약물 방출은 해리된 amino group에 의해 생성된 NH3+기가 갖는 약물과의 정전기적 상호작용보다는 microsphere의 pH에 따른 swelling차에 의한 영향이 더 지배적이라고 할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 볼 때, chitosan microsphere는 pH에 따른 자극감응성 제어방출에 효과적으로 응용될 수 있을 것으로 여겨진다.

a. sodium salicylate

b. lidocaine·HCl

Fig. 6 Drug release from chitosan microspheres in pH 1.4 & 7.5

결론

본 연구에서는 막유화법을 이용하여 chitosan microsphere를 제조하고 특성을 분석하였으며, 이온성 약물을 함유한 microsphere를 제조하고 pH에 따른 방출실험을 행하여 약물의 방출 특성에 대하여 고찰하였다.

막유화법을 통해 평균 크기 5.0□에 4.0~6.0□의 크기분포를 갖는 비교적 단분산적인 chitosan microsphere를 제조할 수 있었다. microsphere의 표면전하를 측정한 결과 낮은 pH에서 높은 값이 나타났으며 이를 통해 낮은 pH에서 보다 많은 해리가 일어남을 알 수가 있었다. 이온성 약물을 함유한 microsphere를 제조하고 방출실험을 한 결과 pH 1.4에서보다 pH 7.5에서 방출이 지연되는 것으로 나타났으며 이는 microsphere의 해리와 swelling차에 의한 것으로 분석된다. 약물의 이온성에 따른 경향은 양이온성 약물에 비해 음이온성 약물의 방출이 지연되었으며 이는 amino group과 약물간의 정전기적 상호작용에 의한 것으로 분석된다. 또한 방출용액의 pH가 약물의 이온성에 비해 약물 방출에 보다 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.

참고문헌

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