키토산 매트릭스를 이용한 화상 치료제 개발

1. 약물의 함유량 변화와 가소제의 농도 변화에 따른 방출 특성

나재운, 김선일*, 이동병*, 윤영재*, 정영일**, 장미경***, 김성현****

순천대학교 고분자공학과, *조선대학교 화학공학과, **전남대학교 고분자공학과, ***경상대학교 화학과, ****광주·전남지방 중소기업청

Development of Burn Therapy Device using Chitosan Matrices

1. Release Characteristics by Variation Content of Drug

and Concentration of Plasticizer

Jae-Woon Nah, Sun-Il Kim*, Dong-Byung Lee*, Young-Jae Yun*, Young-IL Jeong**, Mi-Kyeong Jang***, Sung-Hyun Kim****

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

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

**Dept. of Polym. Eng., Chonnam National University, Kwangju 500-757, Korea

***Dept. of Chemistry, Gyeongsang National University, Chinju 660-701, Korea

****Regional Office of Kwangju-Chonnam Small and Medium Business Administration, Kwangju 502-200, Korea

1. 서 론

천연에 존재하는 다당류로서 cellulose와 유사한 구조를 가지고 있는 chitin은 신기능성 소재로 최근에 널리 알려져 있으며, 특히 chitin을 강알칼리로 탈아세틸화하여 제조한 chitosan은 식료품개발과 피혁폐수의 처리 그리고 의약품개발 등 많은 분야에 응용되고 있다[1-3]. Miyazaki[4] 등은 건조된 chitosan gel에 indomethacin 및 papaverine hydrochloride를 분산시켜 chitosan 과립을 조제하여 방출 지속성 제제를 합성하였으며, Sawayanagi[5] 등은 약물을 tablet으로 만들 때 chitosan이  mannitol, lactose 또는 potato starch와 혼합하여 부형제로 사용 될 수 있음을 보고하였다. 또한 Kawashima[6] 등은 chitosan을 이용하여  aspirin의 tablet을 형성시킨 다음 이것으로부터의 약물방출 지속성을 관찰하는 등 chitosan을 이용한 DDS의 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 chitosan을 증류수에 팽윤시킨 다음  glycerine을 가하여 고분자 용액을 제조하였다. 이 고분자 용액에 약물인 silver sulfadiazine (이하 AgSD라 칭함)을 가하여 chitosan matrix를 제조하였다. 이렇게 제조된 chitosan matrix로부터 약물의 함유량과 glycerine의 농도 변화에 따라 지속적이고 조절된 경피흡수제형으로서의 사용 가능성을 고찰하였다.

2. 실 험

2.1. 시약 및 기기

Chitosan은 chitin을 탈아세틸화시켜 합성하였고, acetic acid, hydrochloric acid, potassium hydroxide는 각각 Fisher Chemalert Co.의 시약 1급을, ethanol과 ether는 Aldrich Chemical Co.의 GR급 제품을 사용하였다. AgSD와 glycerine은 Polysciences Inc.의 시약 1급을 그대로 사용하였다. Chitosan의 구조를 분석하기 위해서 IR spectrophotometer (Bruker, IFS 66)와 elemental analysis (Carlo-Erba, Mod. 1108)을 사용하였다.

2.2. Chitosan의 제조 및 분석

게 껍질을 화학적 처리 방법[7,8]에 의하여 chitin을 제조한 후, chitin 분말시료 60 g을 47%-NaOH 600 mL 수용액으로 110 ℃에서 1시간 동안 탈아세틸화 반응을 4회 반복하여 chitosan을 제조하였다.  chitosan은 증류수, 에탄올, 에테르 순으로 씻어 80 ℃에서 진공 건조시켰다.

제조된 chitosan의 탈아세틸화도 결정은 IR 스펙트럼의 1655 cm-1의 amide Ⅰ

peak와 3450 cm-1의 -OH기 결합을 측정하여 아민기의 퍼센트(%)는 다음 (1)식

[9]에 의해서 구하였다.

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

Chitosan의 분자량을 측정하기 위하여 무수 초산에 용해시킨 후  Ubbelohde

점도계를 사용하여 25.0±0.5 ℃에서 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. Chitosan matrix의 제조

Chitosan을 증류수에 팽윤시킨 다음 glycerine을 가하여 교반하고 물 중탕에서 서서히 가열하여 70 ℃에 이르러 2시간 동안 유지시킨다. 그 다음 온도를 낮추면서 이 고분자 용액에 약물인 AgSD을 가하여 50 ℃에서 1시간 동안 교반시킨 후 diffusion cell에서 성형하여  면적이 9.26 cm2인 chitosan matrix를 제조하였으며 조성은 Table 1과 같다.

Table 1. Composition of chitosan matrix forming solution (wt%)

Type	Chitosan	Silver sulfadiazine	Glycerine	Distilled water	Matrix thickness (□)
A	10	5	40	45	4.48±0.02
B	10	10	40	40	4.48±0.01
C	10	10	20	60	4.48±0.01

2.4. 약물방출실험

Chitosan matrix로부터 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. 방출량은 3회 이상 실험을 실시하여 얻은 평균치를 사용하였다.

2.5. 약물의 방출조절 메커니즘

본 연구에서는 matrix 경계층 모델인  Higuchi의 확산식[11,12]을 사용하여  chitosan matrix를 통한 약물의 방출 조절 메커니즘을 다음과 같은 가정하에서 수식학적 모델을 구하였다. a) 정상 상태 방출이다. b) Matrix의 약물 농도는 matrix의 용해도 보다 매우 크다(A 》Cs). c) 확산계수는 일정하다. 따라서 matrix로부터의 약물방출 pattern은 식(3)과 같이확산식으로 나타낼 수 있다.

Q={D(2A-CS)CSt}1/2                   (3)

여기서 Q는 t시간 후에 고분자 matrix 단위 표면적당 방출된 약물량 (mg/cm2)이고, D는 고분자 matrix에서  약물의  확산계수 (cm2/sec)이며,  A는 고분자 matrix의 단위 용적에 존재하는 약물량 (mg/cm3), Cs는 고분자 matrix에 대한 약물의 용해도 (mg/cm3)를 나타낸다.  식(3)을 변형하면 약물의 방출(Q)가 시간의 제곱근(t1/2)에 비례하는 식(4)가 얻어진다.

Q=□·t1/2                       (4)

여기에서 □는 겉보기 방출속도상수(apparent release rate constant)라 불리는데 식(3)에 대해서는 □={D(2A-CS)CS}1/2로 표시된다.

따라서 식(4)에서 보는 바와 같이 고분자 matrix로부터의 약물방출량(Q)과 시간의 제곱근(t1/2)간에는 직선관계가 성립되며 그 기울기 값으로부터 겉보기 방출속도상수(□)를 구할 수 있다.

3. 결과 및 고찰

3.1 Chitosan의 구조확인

Chitin의 IR 스펙트럼의 경우에  3250 cm-1와 3090 cm-1에서 N-H 결합 신축진동에 의한  특성 흡수띠가 나타났으나, 탈아세틸화된 chitosan의 경우는 이러한 흡수띠가 약해졌다. 이러한 현상은 C=O와 N-H 결합 사이에  작용하는 수소 결합력이 chitosan과 chitin이 다르기 때문인 것으로 생각된다. 또한 일반적으로 amide I의 C=O 결합에 의한 신축진동은 보통 1639 cm-1부근에서 나타나는데, chitin의 경우에는 1657 cm-1에서 흡수띠를 보여주고 있다. Chitosan의 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, chitin의 경우에는 1316 cm-1에서 amide III 흡수띠가 나타났지만 chitosan의 경우는 축소되었기 때문에 단지 CH2 wagging에 의한 흡수띠라고 판단된다.

Chitin과  chitosan의 원소분석에 의한 탄소, 수소 및 질소들의 중량비는 Table 2와 같이 계산치와 실측치가 실험오차 범위 이내에서 잘 일치하여 단리한 chitin이 순수한 poly N-acetyl-glucosamine임을 알 수 있었고, 이를 탈아세틸화시켜 합성한 chitosan의 탈아세틸화도는 IR에 의한 방법으로 행하여 84%임을 확인하였다. 그리고 chitosan의 고유점성도값은 1.21 dL/g 이었으며, 평균분자량은 5.5X105으로 추정되었다.

Table 2. Elemental analysis of chitin and chitosan

Formula	C(%)		H(%)		N(%)
	Calc'd	Found	Calc'd	Found	Calc'd	Found
Chitin [C8H13O5N]n	47.29	47.40	6.40	6.37	6.90	6.93
Chitosan [(C8H13O5N)0.16(C6H11O4N)0.84]n	45.22	45.14	6.80	6.76	8.35	8.40

3.2. 약물방출 특성

Type A, B, C의 in vitro에서 약물방출 실험결과 약물방출의 지속시간은 각각 12.0, 13.8, 15.2 일이었으며, 방출량(Q)은 69.0, 80.0, 71.0 mg/cm2이었다. 시간의 제곱근(t1/2)에 대한 방출량(Q)의 증가가 직선적 관계를 나타내었는데 이것은 고분자 matrix 내에서 약물의 방출양식은 Higuchi식에 잘 부합됨을 알 수 있었다. Type A와 B에서 약물의 함유량이 5, 10 wt%로 증가함에 따라 약물방출의 시간이 지연되었으며, 약물방출량에 있어서도 증가함을 알 수 있다. Type C와 B에서 glycerine의 농도를 20, 40 wt%으로 변화시킴에 따라 직선적으로 방출되는 시간이 각각 15.2와 13.8일로 감소하였으나 약물방출량(Q)에 있어서는 71.0과 80.0 mg/cm2로 증가하였다. 이러한 현상은 chitosan matrix내에서 글리세린이 lubricant[13]로 작용하여, matrix 내의 고분자 chain이 유연하게되어 약물이 용이하게 통과하는 것으로 생각된다. 따라서 glycerine의 함유량을 변화시킴으로서 약물을 어느 일정한 시간동안 지속적으로 방출시킬 수 있는 제형을 설계할 수 있을 것으로 사료된다.

3.3.방출속도상수(K)값과 chitosan matrix 변수와의 상관관계 검토

겉보기 방출속도상수(□)값에 있어서 약물의 함유량이 5, 10 wt%로 증가함에 따라 각각 20.6191, 22.0522 mg/cm2·days1/2로, glycerine의 함유량이 20, 40 wt%로 증가함에 따라 각각 18.7502, 22.0522 mg/cm2·days1/2로 겉보기 방출속도상수(□)값도 증가하였다. 또한 이들의 상관계수(r)값도 0.9983∼0.9994로 매우 높은 값을 나타내어 AgSD의 방출거동은 Higuchi식에 따르는 것으로 생각된다.

4. 결 론

본 연구에서는 chitin을 탈아세틸화하여 합성한 chitosan과  glycerine으로 제조한 고분자 용액에 약물인 AgSD을 가하여 chitosan matrix를 제조하였다. 제조된 chitosan matrix로부터 약물방출 실험을 하여 경피흡수제형으로서 사용가능성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

Chitosan matrix내에서 AgSD의 함유량이 5, 10 wt%로 증가함에 따라 약물의 방출시간은 12.0일에서 13.8일로, 약물방출량에 있어서도 각각 69.0, 80.0 mg/cm2로 증가함으로써, AgSD의 방출거동은 Higuchi model에 따른 확산으로 생각되었다. Glycerine의 함유량이 20, 40 wt%로 증가함에 따라 약물의 방출시간은 15.2일에서 13.8일로 감소하였으나, 약물방출량에 있어서는 오히려 71.0 mg/cm2에서 80.0 mg/cm2로 오히려 중가하였다. 또한 약물의 함유량과 glycerine의 함유량이 증가 할 수록 겉보기 방출속도상수(□)값도 증가하였고, 이들의 상관계수(r)값도 0.9983∼0.9994로 매우 높은 값을 보였다.

따라서 본 실험에서 chiosan matrix에 항균제인 AgSD를 담지시킬 경우 우수한 생체분해성 경피흡수제형으로서의 사용 가능성이 기대된다.

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).

11. Desai, S. J.,  Simonelli, A. P. and  Higuchi, W. I.: Ibid., 54, 1459(1965).

12. Desai, S. J., Singh, P., Simonelli, A. P. and Higuchi, W. I.: Ibid., 55,

1224(1966).

13. Martin, A. and  Swarbrick, J.: □Physical Pharmcy,□ Lea and Febiger,

Philadelphia, 1984, pp. 22∼29.