Emulsification-diffusion 방법을 이용한 nanoparticle의 제조

권혜영, 한선부, 김중현

연세대학교 화학공학과 고분자 소재 연구실

Preparation of nanoparticle by emulsification-diffusion method

Hye-Young Kwon, Sun-Boo Han, Jung-Hyun Kim

Polymer Materials Laboratory, Department of Chemical Engineering,

Yonsei University, 134 Shinchon-Dong, Seodaemoon-ku, Seoul 120-749, Korea

Introduction

관상동맥 확장 수술은 높은 성공률에도 불구하고 세포 증식에 의한 확장부위의 재협착(restenosis by cell proliferation)이 시술후 6개월내에 일어나는 단점이 있다. 따라서 동맥경화의 예방 및 시술후 재협착 방지와 치료를 위하여 재협착 치료 약제의 개발이 시급하다. 그러나 estrogen과 같은 약물의 경우 투여시 전신 부작용이 심각하므로 본 연구에서는 관상동맥 병소 부위에만 국소적으로 고농도로 잔류하는 drug carrier를 개발하고자 한다. 세포간극 사이의 효과적인 침투를 위해서는 100 nm 이하의 생체 적합한 drug carrier의 제조가 필수적이다

Polymeric nanoparticle은 polymer degradation rate 조절에 의한 drug release 조절이 가능한 바 약물 전달 시스템에서 유망한 투약 형태이다. 특히 약물 표적화를 포함하여 특정 부위 약물 전달을 위한 형태로서 생분해성 고분자로 만들어진 비경구 치료 시스템은 전신 부작용을 최소화 할 수 있는 바 특별한 관심이 집중되고 있다. 이런 콜로이드 시스템의 연구는 물에 녹지 않는 약물을 수상에서 안정한 형태로 존재하는 콜로이드내에 encapsulation 시킬 수 있다는 장점과 drug carrier로서의 nanoparticle의 크기 및 표면성질을 치료 목적에 맞게 조절할 수 있는 장점을 갖고 있기 때문에 약제 분야에서 중요한 부분을 차지한다. 현재까지는 PLGA, PLA, PGA등이 생체적합하고 생분해될 수 있으며, 독성이 아주 적고 인체에서 면역이 없으므로 가장 많이 사용되고 있다.

PLGA를 drug carrier로써 사용한 지금까지의 연구결과는 nanoparticle의 입자크기가 300 nm 이상이기 때문에 약물의 모세심혈관 및 세포간극간 침투시 적합하지 않다. 따라서 본 연구에서는 이를 위해 새로운 방법인 emulsification-  diffusion 방법을 도입하여 입자크기에 영향을 미치는 인자를 고려한후 안정성을 평가하였다.

Theory

Polymeric nanoparticle의 제조에는 고분자의 유화방법에 근거하여 주로 아래의 세가지 방법이 사용되고 있다.

(1) solvent-evaporation procedure

(2) salting-out procedure

(3) nanoprecipitation procedure

그러나 독성 용매의 사용(solvent-evaporation procedure), 생체 부적합한 염의 사용(salting-out procedure), 낮은 수율(nanoprecipitation procedure)등의 문제가 있다. 또 입자크기의 범위가 300 nm이상이기 때문에 관상모세심혈관까지 약물을 침투시켜야 하는 본 연구에서는 적당하지 않다. 이런 문제점을 극복하기 위해 emulsification-diffusion method를 도입하였다. 이 방법은 물에 부분적으로 녹는 용매를 사용하여 O/W emulsion을 형성한 후, 과량의 물을 더하여 100 nm이하의 입자크기를 갖는 nanoparticle을 얻는다.

Fig. 1에서 새로 제안된 emulsification-diffusion method의 nanoparticle 형성과정을 간단하게 나타내었다. 고분자를 함유한, 물에 부분적으로 녹는 용매상과 안정화제를 함유한 수상은 상호 포화후 열역학적으로 안정한 상태에 있다(a). 교반에 의해 용매상은 연속상인 수상에 droplet의 형태로 평형을 이룬다. 이 때 안정화제는 새로 생성된 계면의 droplet에 흡착한다. 용매가 자발적으로 물에 유화하지 않기 때문에 nanoprecipitation procedure과는 달리 교반이 필수적이다(b). 용매가 물에 완전히 녹을 수 있을 만큼의 충분한 양의 물을 첨가하면 열역학적 불안정에 의해 용매가 수상으로 확산된다(c). 용질의 이동에 의해 nanometer size의 입자를 형성한다(d). 이 결과로 새로운 연속적 비용매상 때문에 고분자 droplet은 응집한다.

Experimental

아래에 간단히 실험과정을 나타내었다. PLGA(Mw=75000∼125000)를 물에 부분적으로 녹는 용매인 PC(propylene carbonate)에 녹인다. 이 용액을 안정화제가 녹아 있는 수상과 포화시킨후 homogenizer를 이용하여 유화시킨다. 이때 과량의 물을 첨가하여 열역학적 평형에 있던 PC를 수상으로 확산시킴으로써 nanoparticle을 얻을 수 있다. 입자크기는 light scattering을 이용한 zeta plus로 분석하였다. 본 실험에서는 안정화제로 PVA(poly vinyl alcohol)과 DMAB(didodecyl dimethyl ammonium bromide)를 사용하였다.

Results and Discussion

입자크기에 영향을 미치는 인자로 안정화제의 종류와 농도, PLGA의 농도 및 과량의 물 첨가시 안정화제의 농도를 고려하였다. 아래 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 안정화제의 농도가 증가할수록 두 종류의 안정화제에 대해 모두 입자크기가 감소한다. 그러나 DMAB의 경우 PVA에 비해 소량에도 불구하고 입자크기가 많이 감소한다. 이는 두 안정화제의 안정화 메커니즘 및 solubilizing ability의 차이에 기인한다. PVA는 자체가 고분자로서 steric hindrance에 의해 안정화 시키며 또한 고점도를 유발한다. 이에 반해 DMAB는 ionic 안정화제로서 electrostatic stabilization 메커니즘을 가지며 점도에 대한 영향이 거의 없다. 즉 DMAB의 경우 입자 표면에 PVA보다 조밀하게 흡착하기 때문에 좀더 안정화에 효과적이다. 또한 저분자로서 PC확산시 물질 전달의 저항계수가 훨씬 적다고 사료된다.

Fig. 3에서는 PLGA의 농도의 입자크기에 미치는 영향을 살펴보았는데 농도가 증가할수록 입자크기가 증가한다. 이는 PC가 수상으로 확산될 때 용질인 고분자와 함께 확산되므로 PC가 함유하는 고분자의 양이 증가하기 때문이다. 과량의 물 첨가시 생성되는 입자의 안정성을 높이기 위해 안정화제(PVA)를 사용하였으나 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 입자크기에 별 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 이는 처음 emulsion 형성시 넣어준 안정화제의 양이 충분하기 때문에 가하여준 안정화제가 영향을 미치지 않았기 때문이다.

Fig. 1. Schematic description of nanoparticle formation

by emulsification-diffusion method

Fig. 2. Influence of stabilizer concentration

on the particle size.

Fig. 3. Influence of PLGA concentration    Fig. 4. Influence of stabilizer

on the particle size.                       concentration on the par-

ticle size.

Reference

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