음이온 계면활성제와 Butyl lactate를 cosurfactant로

사용한 Microemulsion 시스템

원종훈, 임종주*, 박상권*, 박상준

경원대학교 화학공학과

동국대학교 화학공학과*

Microemulsion systems of Sodium dodecyl sulfate/Butyl-lactate/n-Heptane/Water

Jong-Hoon Won, Jong-Choo Lim*, Sang-Kwon Park*, Sang Joon Park

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University, 461-701, Korea

Department of Chemical Engineering, Dongguk University, 100-715, Korea*

서론

약물전달체(DDS)로 활용되는 system은 전형적으로 colloid 형태로 인체 내에 투입되는데 여기서 colloid는 크기, 생분해 속도, 형태, 표면전하 등의 여러 가지 성격에 따라 각기 다른 약물전달 시스템이 될 수 있고 이것을 목적에 맞게 design하는 것이 매우 중요한 일이라 할 수 있다. Colloid 입자의 제조는 대부분 고분자를 사용하거나 self-assembled polymer, lipid, surfactant 등 다양한 소재가 사용된다. 그 중에서 microemulsion을 DDS로 활용하는 연구는 최근에 매우 활발하게 이루어지고 있는데 그 이유는 microemulsion이 열역학적으로 안정하며, 광학적으로 투명하고 제조하기가 쉬운(경제적인) 장점이 있기 때문이다.

Sodum dodecyl sulfate(SDS)은 대표적 이온성 계면활성제로서 microemulsion의 연구와 응용분야에서 광범위하게 사용되어 온 계면활성제이며 화장품이나 약물전달체로 사용하기 위해서도 많은 연구가 이루어져 있다. 그러나 SDS와 같은 이온성 계면활성제는 microemulsion을 형성하기 위해서 대부분 알콜류 등과 같은 cosurfactant를 필요로하며 그 대표적 예로 pentanol을 들 수 있다. 하지만 SDS/pentanol system을 사용한 외용(topical) 약물전달체의 경우는 pentanol의 자극성 때문에 새로운 cosurfactant의 개발이 필요한 상황이다. 최근에 cosurfactant를 butyl lactate로 대체하려는 시도가 이루어지고 있는데 이는 butyl lactate가 pentanol에 비하여 피부 독성이 작으며 생분해성 물질인 동시에 최근의 biomass로부터의 lactic acid 생산공정에서 부산물로 얻을 수 있어 새로운 활용분야의 개발이 요구되고 있기 때문이다. 아울러 연구에 의하면 pentanol에 비해서 butyl lactate 의 경우 microemulsion을 형성하는 조성 범위가 넓다고 알려져 있다.

본 연구에서는 butyl lactate(BL)을 cosurfactant로 활용하여 microemulsion system을 제조하고 궁극적으로 약물전달체로의 활용을 위한 기초 연구를 수행하였다. 구체적으로 SDS/BL/heptane/water system에 대한 상 평형도를 구했으며 균일한 상에서의 conductivity 측정을 통해 microemulsion의 특성을 파악하였다.

실험

Sodium dodecyl sulfate은 SIGMA(99+%) 제품을 사용하였으며 butyl lactate와 n-heptane은 Aldrich 제품 99% 이상의 순도를 사용하였다. 물은 deionized water를 사용하였다. 계면활성제와 보조 계면활성제는 더 이상의 정제없이 실험에 사용하였다.

실험에 사용한 시스템은 SDS/butyl-lactate(BL)/heptane/water 이며 상평형도는 전형적인 titration 방법을 사용하여 pseudo ternary diagram을 작성하였다. 앞선 연구에서 SDS와 water의 혼합비를 일정하게 유지하며 상 평형도를 구한 결과 pentanol에 비해서 microemulsion 의 영역이 현저하게 넓음을 확인하였다. 그러나 약물전달체의 경우 실제 응용 단계에서 계면활성제와 물의 성분비가 일정하게 유지되는 경우는 드물며 일반적으로 희석 등의 단계에서 물의 혼합비가 변하는  경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 계면활성제 SDS와 butyl lactate(BL)의 비를 일정하게 유지하면서 water/heptate/SDS-BL의 ternary diagram을 구축하였다. 사용된 SDS와 BL의비율은 3:4, 1:1 그리고 4:3 이었다. Conductivity 측정은 microemulsion 형성 영역에 대해 수행하였는데 세가지 SDS:BL 비율 중에 가장 넓은 영역에서 microemulsion을 형성하는 [BL:SDS]=4:3인 system에 대해 이루어졌다. Conductivity 측정은 BL+SDS와 heptane의비를 80:20인 선을 따라서 수행하였는데 항온조에서 25。C의 온도로 용액의 온도를 유지하며 water의 질량 분율을 증가시키고 평형에 도달하도록 한 뒤 conductivity 값을 측정하였다. Conductivity meter로는 Orion제품의 model-162를 사용하였다.

결과 및 고찰

본 연구의 궁극적 목표는 butyllactate를 보조계면활성제로 활용한 약물 전달체의 개발이며 현재 모델 약물을 이용한 약물전달 실험이 이루어지고 있다. 따라서 SDS의 농도범위와 수용액의 농도 범위를 개발하려는 약물 전달체의 농도범위로 한정하였으며 그 결과 주어진 실험 범위에서 Fig. 1, 2, 3에서 알 수 있듯이 계면활성제 SDS에 비하여 보조계면활성제인 butyl lactate의 비가 클수록 microemulsion 의 영역이 넓어짐을 알 수 있었다. Fig. 2의 경우에는(SDS:BL=1:1) O/W 그리고 W/O microemulsion의 isotropic한 두 개 영역이 형성되는 것으로 나타났으며 Fig. 3의 경우에는 Fig. 2와 비교할 때에 butyl lactate의 상대적 양이 증가하면서 중간단계인 bicontinuous system이 형성되고 그 결과 하나의 큰 single phase region이 형성되는 것으로 사료된다. 이것을 보다 정확히 규명하기 위해서 Fig. 3의 single phase region에 대하여 conductivity 측정이 이루어졌는데 그 결과가 Fig. 4에 나타나 있다.

Conductivity 측정실험은 Fig. 3 에 나타난 isotropic한 single phase region 에 대하여 SDS+BL 혼합액과 heptane의 비가 80: 20인 선을 따라서 물의 양을 증가시켜 갈 때의 conductivity 값을 측정하는 것으로 이루어졌다. 그 결과 Fig. 4에서 보는바와 같이 물의 양이 증가하면서 conductivity 값이 거의 일직선으로 증가하다가 conductivity 값이 완만해 지면서 최대치를 보인 후 다시 감소하는 것으로 나타났다. 이는 다음과 같이 해석된다. 우선 주어진 SDS+BL 혼합액과 heptane의 농도비에서 물의 양이 12% 이상이 되면 microemulsion이 형성되는데 이는 W/O 형태의 microemulsion이다. W/O microemulsion system에 물이 첨가되고 그 양이 증가하면 water pool의 상호 연결과 응집 현상이 촉진되고 이는 좁은 water channel의 형성을 이루어내고 conductivity의 증가로 이어지는 것으로 사료된다.

한편 중간 영역(water content 37-58%)에서는 conductivity 값이 특이한 거동을 보이는데 conductivity 값의 증가율이 서서히 감소하면서 57%의 water content에서 최대치를 보여주고 있다. 이는 bicontinuous system의 존재를 나타내는 것으로 사료되며 이 상태에서 시스템은 oil상과 수용액상 모두 국부적으로 연속적인 상태를 유지한다. 나아가 57% 이상의 높은 물 농도 영역에서는 conductivity 값이 감소하고 있는데 이는 O/W microemulsion의 영역에서 볼 수 있는 현상으로 사료된다. 즉, O/W 상태의 microemulsion은 연속상(continuous phase)이 물이며 이 시스템에 물의 양을 증가시켜 가면 연속상의 이온 농도가 희석되고 이는 바로 conductivity의 감소로 이어진다고 사료된다.

요약

이온 계면활성제의 microemulsion 형성에 사용되는 보조계면활성제를 기존의 pentanol과 같은 알콜류를 대체하기 위한 연구로 butyl lacate를 보조 계면활성제로 사용해서 SDS가 형성하는 microemulsion의 상거동을 연구하였다. 본 연구에서 얻은 실험 결과를 볼 때에 SDS를 계면활성제로 butyl lactate를 보조 계면활성제로 사용하는 경우 주어진 실험 조건에서 butyl lactate와 SDS의 비가 3:4인 경우는 microemulsion의 형성 영역이 매우 작으며 이 비율이 1:1로 되면 O/W와 W/O의 두 개의 좁은 영역이 존재하는 것을 알 수 있었다. 그리고 이 비가 4:3으로 증가하면 하나의 넓은 isotropic region 영역을 얻을 수 있었으며 물의 양을 증가시켜 가면서 single phase region에 대한 conductivity값을 측정한 결과 이 영역에는 water-in-oil region, bicontinuous region, 그리고 oil-in-water region이 존재함을 알 수 있었다.

참고문헌

[1] F. Comelles, J. Sanchez Leal, J. Dispersion Science and Technology, 20(7) 1777-1788(1999)

[2] J. Carlfors, I Blute and V. Schmidt, J. Dispersion Science and Technology, 12(5&6) 467-482 (1991)

[3] G. Gu, W. Wang and H. Yank, J. Colloid Interface Sci., 167(1), 87-93 (1994)

[4] S. E. Friberg and I. Burasczenska, Prog. Colloid Polymer Sci., 63, 1-9 (1978)