Gas Anti Solvent(GAS)법을 이용한 Poly (L-Lactic Acid) 미세입자 제조

송규호, 임종성, 이윤우, 김재덕, 이윤용, 이창하*

한국과학기술연구원 환경복원센터, 연세대학교 화학공학과*

Micrometer-sized Poly(L-Lactic Acid) Particles prepared by

Gas Anti Solvent(GAS) process

Kyu Ho Song, Jong Sung Lim, Youn-Woo Lee,

Jae-Duck Kim, Youn Yong Lee, Chang-Ha Lee

Environment Remediation Research Center, KIST

Department of Chemical Engineering, Yonsei University*

서 론

초임계 유체를 이용하여 입자를 결정화시키는 기본적인 이론 역시 기존의 용액상에서 물질을 결정화 및 재결정하는 기존 mechanism과 동일하며, 이러한 초임계 유체를 이용한 결정화 방법으로 Rapid Expansion Supercritical Solution(RESS)법과 Gas Anti Solvent(GAS)법이 있다. 여기서, RESS법은 재결정 대상이 되는 고체가 주어진 온도와 압력에서 초임계 유체에 용해된 후 고압상태의 고체+초임계 유체 용액이 저압의 상태로 감압될 때 초임계 유체 용해도의 급격한 감소로 침전되어 석출되는 원리를 이용한 것이다. 그러나, 이러한 RESS법을 이용하기 위해서는 초임계 유체가 대상 고체물질에 대하여 상당한 용해력을 가져야하며 때때로 용해도가 매우 작아 적용이 어려운 경우가 있다. 한편RESS법과 달리 초임계 유체에 용해되지 않는 물질에 대하여 초임계 유체를 역용매로 이용하는 GAS법은 온도나 압력에 민감하여 분쇄하거나 재결정하기 어려운 고체물질이 녹아있는 용매에 초임계 유체가 역용매로서 신속히 침투하여 용매의 용해력을 저하시킴으로서 용액중의 용질이 석출되는 원리를 이용하여 고체물질을 미세하고 균일하게 재결정하는 공정이다.

약물(drug)이 다 소비되고 난 후 수술에 의해 제거가 필요하지 않기 때문에, 비독성 물질로서 생체내에서 점차적으로 분해되어지는 고분자들이 요즘들어 특히 관심을 모으고 있다. 이러한 생분해성 고분자들로는 지방성의(aliphatic) polyesters, poly(lactic acid), 그리고 poly(glycolic acid)들이 있다. 이 중 poly(lactic acid)(PLA)는 lactic acid로 분해되어지는 천연 신진대사 물질로서 PLA를 implants(Yolles et al., 1971, 1975a, b; Wise et al., 1976, 1878), microcapsules(Mason et al., 1976; Beck et al., 1979a,b, 1983), microparticles(Boswell and Scribner, 1973; Jackanicz, 1973), 그리고 nanoparticles(Krause et al., 1985)의 형태로 제조하기 위한 많은 연구들이 수행되어져 왔다.

본 연구에서는 초임계 영역에서의 온도, 압력, 그리고 PLA의 초기농도 변화를 통하여 PLA 미세입자를 재결정화시키며, 제조된 입자크기 및 분포와 형상을 조

1. Carbon dioxide cylinder

2. High-pressure pumps

3. Rupture

4. Gas Chromatography

5. Solution reservoir

6. Precision pressure gauge

7. Thermocouple

8. Preheaters

9. Thermostatic air bath

10. Crystallizer with view-cell

11. Metal filters

12. Back-pressure regulator

13. Depressurizing tank

14. Wet gas meter

15. flow meter

16. Dry gas meter

Fig. 1 Experimental System for Crystallization of L-PLA particles

사하고자 한다.

실 험

초임계 GAS법을 이용한 생분성 고분자 재결정에 이용될 실험장치는 자체적으로 설계 제작된 Fig. 1에 나타낸 장치를 이용하였으며, GAS법에 의한 생분해성 고분자 실험에의 적용에 있어서 높은 팽창도를 보이는 용매를 선택하기 위해서 팽창도도 함께 실험할 수 있도록 장치를 설계하였다.

초임계 유체 내에서의 평창정도의 측정은 공정의 적용에 있어 필수적인 기초 실험이라 할 수 있다. 장치도에서 팽창도 실험을 위한 부분은 초임계유체의 공급부분, 팽창정도를 육안으로 판별할 수 있도록 고압 유리로 구성되어진 고압 반응기(view window, 32ml), 용매와 초임계 유체간의 접촉 효율을 향상시키기 위한 순환 펌프부분, 용매의 평창정도에 따른 기체와 액체 이산화탄소의 몰분율을 측정하기 위한 GC부분으로 구성되어 있으며, 모든 장치의 구성요소들은 자동온도 조절기에 의해 온도가 제어되는 단열 처리된 항온공기조(air chamber)내에 장착되어 있다. 팽창도 측정을 위해서는 측정 온도를 설정하고 단열처리되어진 공기조내의 온도를 제어함으로써 반응기내의 반응온도를 유지하고 각 압력하에서의 팽창도를 측정하였다. 팽창도 측정을 위한 용매를 반응기내에 일정량을 주입하고 온도 조절기를 통하여 조절되어진 반응기내의 온도가 정상상태의 조건에 도달하면 후방압력조절기(back pressure regulator)에 의해 공급 압력이 조절되는 고압정량펌프를 이용하여 CO2를 측정압력으로 반응기내로 투입시킨다. 모든 조건의 조작이 완료되면 시간의 경과에 따른 용매의 부피 팽창을 측정한다. 이때 팽창성을 향상시키기 위하여 반응기의 상단부와 하단부에 연결되어진 고압순환펌프를 이용하여 CO2를 상단부에서 하단부로 순환시켜 용매와 초임계 유체간의 접촉성을 향상시켰다. 또한 초임계 GAS법을 이용한 연속적 재결정 실험은 크게 생분해성 고분자를 포함한 유기용매가 SCCO2에 의한 팽창으로 생분해성고분자의 재

Fig. 2 Effect of Pressure on the     Fig. 3 SEM pattern of the particles

mean diameter of L-PLA Particle    of L-PLA at 40℃ and 150bar

결정이 이루어져 침전이 행해지는 침전기부분, 생분해성 고분자가 용해된 용매의 공급부분, 역용매(CO2) 공급장치와 재결정화된 생분해성 고분자의 여과(filtering) 부분과 사용되어진 용매의 회수를 위한 감압부분의 5부분으로 구성되어 있다. 이 실험장치는 연속적인 GAS 재결정 공정을 수행할 수 있도록 설계 제작이 되었으며 역용매로써 선택되어진 CO2는 후방압력조절기에 의해 일정한 공급압력으로 제어가 되는 고압펌프에 의해서 침전기의 상단부분으로 공급이 되다. CO2실린더로부터 나오는 CO2는 펌프로 공급되기 직전에 저온항온조를 거쳐 충분한 액화상태를 유지하도록 하여 펌프에서의 맥동현상을 제거하여 원활한 공급이 이루어지도록 하였다. 펌프로부터 나온 CO2는 침전기로 공급되기 전에 항온조를 통과 시켜서 침전기내의 반응조건 온도에 접근하도록 예열을 하여 공급되로록 하였다. 침전기 내부의 반응 조건 압력은 침전기전의 후방압력조절기에 의해 생분해성 고분자의 재결정화와 용매의 팽창정도에 따라 압력 조건을 조절, 설정하도록 하였다. 용액속의 생분해성 고분자 입자들은 침전기내의 CO2를 통과하는 과정에서 용매와 CO2사이의 팽창작용에 의하여 과포화상태과정을 거치며 재결정되어 침전기 다음에 설치된 금속필터(0.5□)에 의하여 채취하도록 설계하였다. 연속적인 실험을 다른 조건하에서도 계속 수행할 수 있도록 tee-type fitting을 이용하여 2개의 필터를 연결하였다. 혼합 용액은 침전기 내부로 연속적으로 흘려 보내지고 재결정이 이루어진 생분해성 고분자는 필터에 의하여 수집이 되며 용액중에서 생분해성 고분자가 제거되어진 잔류 용액은 CO2와 함께 연속적으로 장치를 흘러 감압탱크 부분에서 감압이 되면서 용매에 팽창도를 급격히 감소를 시켜 용매와 CO2의 분리가 이루어져 용매의 회수가 가능하도록 하였다. 또한 연속적으로 공정상에 흐르는 CO2의 배출속도는 각각 건식누적 기체유량측정기, 습식 기체유량측정기와 유량계를 통하여 측정을 하게 된다.

결과 및 고찰

본 연구에 사용된 생분해성 고분자는 poly-□-lactic acid(M.W.: 85,000-160,000, i.v.: 1.645)로 Sigma로부터 구입하여 사용하였다. 고분자의 용매로는 HPLC등급의 dichloromethane(CH2Cl2)이 사용되었는데, CH2Cl2를 용매로 선택한 것은 L-PLA에 대한 용해도가 비교적 높으며, 초임계 CO2와 miscible하기 때문이다. Flocculation과 agglomeration을 줄이기 위한 stabilizer로 여러 용매가 사용되지만 본 연구에서는 사용하지 않았다.

GAS법을 사용한 L-PLA의 미세입자 제조를 위해 사용된 조건 및 절차는 다음과 같다. CH2Cl2용매에 0.5wt%의 고분자를 제조하였으며, 항온조의 온도는 40℃로 일정하게 유지하였다. 압력은 CO2를 3.3l/min의 속도로 셀 속에 일정하게 흘려 보낸 후 back-pressure regulator를 사용하여 원하는 압력으로 일정하게 유지시켰다. 압력이 일정하게 유지된 뒤 고분자가 포함된 용액을 0.3ml/min의 속도로 셀의 상부를 통해 흘려 보냈다. 이때, 초임계 CO2로 가득찬 셀 내부로 용액이 들어감에 따라 CH2Cl2의 농도가 급격히 떨어져, 그 결과 고분자가 용액 속에서 침전될 때까지, 고분자에 대한 용매의 용해력이 매우 빠르게 감소하게 된다. 이러한 현상은 셀 내부를 관찰한 결과, 용액이 셀 내부로 들어가자 고분자 입자의 흰 'smoke'로 셀이 급격하게 변화하였다.

GAS법으로부터의 얻어진 L-PLA 미세입자에 대한 압력의 영향을 조사하기 위해 다른 실험조건들을 일정하게 유지시키면서 압력을 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다. 압력을 90, 100, 그리고 150bar에서 실험한 결과 제조된 L-PLA 미세입자의 크기 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 압력이 증가함에 따라 큰 입자크기의 변화는 보이지 않았지만, Fig. 2에서 볼 수 있듯이 압력이 임계점 근처로 접근함에 따라 number mean particle size는 조금씩 감소함을 알 수 있다. 압력 150bar에서 생성된 L-PLA의 SEM사진을 Fig. 3에 나타내었다. 평균입자크기는 0.5-5□의 분포를 보였으며, SEM사진에서 볼 수 있듯이 구형의 미세입자가 형성되었다. 위의 결과들에서 알 수 있듯이 압력이 증가함에 따라서 초임계 CO2의 밀도가 증가함에도 불구하고 L-PLA 미세입자의 크기가 증가함을 볼 수 있으며, 이는 입자의 크기가 initial droplet size보다는 particle nucleation과 growth에 더 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 압력이 감소함에 따라서 더 큰 CH2Cl2과 CO2 mass transport rate을 기대할 수 있으며, 그 결과 initial droplet의 더 빠른 swelling을 가져오게 된다. 더 빠른 swelling의 결과로서 high degree of supersaturation과 high nucleation rate을 유발하게 되어 더 작은 입자를 형성하게 된다.

참고 문헌

1. Theodore W. Randolpf, Alan D. Randolph, Michael Mebes, and Sinaron Yeung; Biotechnol. Prog., 9, 429-435(1993)

2. Roland Bodmeier, Hui Wang, David J. Dixon, Simon Mawson, and Keith P. Johnston; Pharmaceutical Research, 12, 1211-1217(1995)

3. E. Reverchon, G. Della Porta, A. Di Trolio, and S. Pace; Ind. Eng. Chem. Res., 37, 952-958(1998)