Ca-alginate microparticle 약물수송체를 encapsulation시킨 chitosan beads의 제조와 이온성 약물 방출

강혜원, 전윤종, 유진오, 박성배, 함승주*, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Ionic Drug Release and Preparation of Chitosan beads encapsulated with Ca-Alginate Microparticle Drug Carrier

Hye-Won Kang, Yun-Jong Jeon, Jin-Oh You, Seong-Bae Park,

Seung Joo Haam* and Woo-Sik Kim

Department of Chemical Engineering, College of Engineering, Yonsei University

서론

생분해성 천연 고분자들은 drug delivery system (DDS)의 제어-방출을 위한 설계로서, 특히 protein 과 peptide drugs의 운반체로서 중요성이 점차 증가되고 있다. 이러한 고분자들은 장내의 통로로부터 흡수되어지지 않아서, 식물섬유로서 인식되어질 뿐만 아니라 경구 처방제로 안전하기 때문에 약의 운반 제제로서 많이 연구되어 지고 있다. 그 중에서도 특히 alginate와 chitosan의 의학적 응용은 현재 활발하게 연구중이다. DDS에 이용되는 천연고분자인 다당류중 alginate는 특히 생체적합성이 우수하고 2가의 양이온과 반응하여 gel을 형성하는 성질이 있어, 이를 이용하여 약물의 미립자 coating과 지속성 정제의 matrix로 이용된 바가 있으며, 또한 alginate gel은 음전하를 띄는 carboxyl group을 가지고 있어 음이온성 약물과 달리 양이온성 약물과 이온적인 인력으로 방출지연 효과가 있다.  Alginate는 찬물에서는 녹지 않으며, 뜨거운 물에는 약간 녹는 약한 유기산으로 쉽게 Na+, Ca2+, K+, NH4+ 등의 양이온과 반응하여 염을 형성하는데, 대부분의 생성된 염들이 물에 쉽게 용해되며 강한 친수성을 가지므로 약간의 수분에 의해서도 쉽게 응집되는데 비해 Ca2+에 의해 생성된 염은 물에 거의 녹지 않는다.

chitosan은 게나 새우등의 갑각류에서 자연적으로 발생되는 chitin을 탈아세틸화하여 얻어진 고분자량의 양이온성 polysaccaride로 amino group으로 치환되어 있다. 반응성이 좋은 amino group이 있는 chitosan은 2N-초산에 swelling되고 질산, 염산 등에는 분해된다. 또한 chitosan은 생체적합성, 생분해성, 항혈전성, 선택투과성, 면역부활 효과 등의 의약 및 의료분야에서 요구되는 소재로서 좋은 조건들을 구비하고 있으므로 이 분야에서의 용도가 더욱 확대되고 있다. Chitosan은 DDS에서 약물 전달체로 사용되는데, 예를 들면 S. Miyazaki등은 indometacin과papaverine hydrochlride를 chitosan gel에 incorporation하여 방출거동을 살펴보았으며, Y. Sawaynagi등은 chitin과 chitosan을 manitol, lactose, potato starch등과 혼합하여 diluents로 사용하였다. 그밖에 다른 연구진들은 chitin/chitosan을 사용하여 경피 흡수형 제제와 경구투여 제제인 tablet형 고분자 매트릭스를 제조하여 그 사용가능성을 보고한 바 있으며, 강력한 금속이온 흡착능을 가지고 있어, 안정성이 높은 착화제로서 중금속이온의 제거 및 중금속의 체내 흡수 억제제로도 이용 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 약물 방출의 최대 지연 효과를 이끌어내기위해 약물을 함유한 Ca-alginate microparticle을 막유화법을 이용해 제조한 후 이 microparticle을 chitosan bead안에 encapsulation시켜 생체 내에서 서서히 분해하는 성질을 이용하여 복용한 약이 장기간 원하는 부위에 체류함과 동시에 치료에 적당한 양을 체내에 방출하도록 하여 지속적인 투약효과를 보이도록 하는데 목적을 두었다.

실험

1. Ca-alginate microparticle의 제조

Na-alginate와 약물(lidocaine·HCl과 sodium salicylate)을 1:1의 비율로 증류수에 녹인 분산상을 막유화 반응기내에 넣은 후 질소압력을 가하여 연속상속으로 막을 통해 분산시킨다. 20% Calcium chloride 수용액을 반응이 끝난 연속상에 넣어 가교시켜 준 후 Acetone으로 탈수시키고 Ca-alginate microparticle을 경화시키게된다. 얻어진 particle을 여과하여, 제조된 microparticle을 약 24시간 동안 완전히 건조시킨다.

약물은 수용액 중에서 양이온성을 띠는 lidocaine·HCl(Hongsung Pharm. Co. Ltd., Korea)과 음이온성을 띠는 sodium salicylate(Katayama chemical., Japan)를 사용하였다. 또한 본 연구에 사용된 막유화 반응기내의 막(Ise chemicals Co., Japan)은 분산상의 젖음을 방지하기 위하여 소수성을 가진 막을 사용하였으며 기공의 평균 크기는 2.9□이다.

2. Chitosan bead의 제조

약물을 함유한 alginate microparticles가 encapsulation된 chitosan bead는 Bodmeier et al의 방법(1989)에 따라 제조하였다. 우선 증류수에 microparticle과 chitosan을 1:1의 비율로 넣어 아세트산의 첨가 하에 용해시킨 후, 이 키토산 수용액 혼합물을 서서히 교반하는 tripolyphosphate solution(10%w/w)의 가교용액 속으로 주사기를 통해 떨어 뜨려 가교 시킨다. 만들어진 bead들을 분리시키고 증류수로 세척해준다. 제조된 bead들을 감압여과 시킨 후 상온에서 24시간 완전히 건조시킨다.

3. 약물의 방출실험

삼각 flask내에 pH 1.4, pH 7.9의 buffer solution 30 ml를 각각 넣은 후 앞서 제조된 chitosan beads를 동시에 삼각 flask안에 넣어주고, 37.5±.5℃의 incubator에서 방출실험을 행하였으며, 교반속도는 150±1rpm을 유지하였다. Sample은 일정시간 간격으로 3 ml씩 채취하였고, Sample 채취 후 즉시 동량의 방출액을 보충하였다. 방출된 약물의 농도는 sodium salicylate는 296nm, lidocaine·HCl은 263nm에서 U.V. spectrophotometry를 사용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

1. Ca-alginate microparticle의 제조

Ca-alginate microparticle은 분산상의 농도를 2 wt%로 하고, 도입되는 질소의 압력을 0.4×105 Pa로 유지시켜 막유화를 통해 제조하였으며, 제조된 alginate microparticle의 직경은 대략 4□이내고, 안정하고 단분산적인 microparticle을 보여주고있다. 또한 각각의 두가지 이온성 약물에 따라 얻어진 particles는  SEM을 이용해  Fig. 1 과 Fig. 2에 나타내었다.

Fig.1 SEM photograph of alginate                      Fig.2 SEM photograph of alginate

microparticles loaded sodium salicylate                  microparticles loaded lidocaine·HCl

2. Alginate microparticles를 encapsulation 시킨 chitosan bead

Ionotropic gelation technique을 사용하여 제조된 chitosan bead의 직경은 0.4∼0.5mm이며, 크기가 균일한 구형의 형태를 보였다.

3. 약물방출 특성

서로 다른 이온성 약물을 함유한 Ca-alginate microparticle을 chitosan bead에 encapsulation을 시킨 후 약물의 방출 특성을 알아 본 결과 chitosan bead나 그 속의 alginate particle의 pH에 따른 swelling의 차이가 방출에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 위의  Fig. 3과 Fig. 4에서 보는 바와 같이 두가지 약물 모두 약물의 이온성과 관계없이 pH 1.4에서의 방출속도에 비해 pH 7.9에서의 방출속도가 현저하게 지연되는 것을 볼 수 있다. 이는 chitosan이 낮은 pH에서 swelling이 증가되는 경향이 alginate에 비해 매우 강하게 나타나기 때문인 것임을 알 수 있다.

또한 양이온성과 음이온성 약물에 따른 방출의 특성을 살펴보면, Fig. 5에서 보는바와 같이 pH 1.4에서 초기에 약물이 sodium salicylate보다 lidocaine·HCl의 방출속도가 빠르게 나타나는 것을 알 수 있는데, 이런 결과는 Fig. 6에서 pH 7.9일 때의 방출 결과와 비슷하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 이온성에 따른 정전기적 차이가 산성용액내의 방출속도에 영향을 미치기 때문이며, 특히 초기방출 시에 alginate particle보다는 buffer solution에 직접적으로 접하고 있는 chitosan bead의 영향이 더 크게 작용했음을 알 수 있다.

결론

본 연구를 통해 Ca-alginate microparticles를 encapsulation시킨 chitosan bead의 약물 방출 결과는 기존의 chitosan bead간의 약물 방출 보다 지연성이 뛰어나며, 약물의 부작용이 나타날 수 있는 초기의 다량 방출도 현저히 줄일 수 있음을 알게 되었다. 따라서 이러한 방법을 통하여 인체내의 pH나 약물의 이온성에 따라 약물 방출의 제어가 가능하였으며 약물수송체로서의 이용 가능성을 살펴보았다.

Fig.3 Release of sodium salicylate from chitosan     Fig.4 Release of lidocaine·HCl from chitosan

bead in pH 1.4 and pH 7.9                       bead in pH 1.4 and pH 7.9

Fig.5 Release of sodium salicylate vs lidocaine· Fig.6 Release of sodium salicylate vs lidocaine·               HCl from chitosan bead in pH 1.4                  HCl from chitosan bead in pH 7.9

참고문헌

1. Polk, A., Amsden, B., De Yao, K., Peng, T., Goosen, M.F.A. : J. Pharm. Sci.       83(2), 178-185 (1994)

2. Murata, Y., Maeda, T., Miyamoto, E., Kawashima, S., : Int. J. Pharm. 96,           139-145 (1993)

3.  Aral, C., Akbuga, J., : Int. J. Pharm. 168, 9-15 (1998)

4.  Patel, V., R., Amiji, M., M., : Pharm. Res. 13(4), 588-593 (1996)