PLA/MPEG 블록 공중합체 미셀의 약물 방출 메카니즘

김성연, 김덕준

성균관대학교 화학공학과

Drug releasing mechanism of PLA/MPEG block copolymer micelles

Sungyeon Kim, Dukjoon Kim

Department of Chemical Engineering, Sung Kyun Kwan University

서론

약물 전달 시스템(drug delivery system; DDS)은 기존의 약물 및 신약물을 장시간 동안 유효 혈중 농도로 유지시켜 치료효과를 극대화시키고, 약물의 부작용을 극소화시키는 새로운 투여경로 및 제형을 말한다. 약물 방출 시스템은 방출조절의 방법에 따라 확산지배형과 분해 및 화학반응 지배형으로 세분화할 수 있다. 확산지배형은 약물을 포함한 핵이 고분자막에 의해 쌓여있고, 고분자막을 통한 확산이 약물방출을 지배하는 경우와 약물이 고분자 내에 균일하게 용해되어 있거나 분산되어 있는 경우이다. 전자의 경우에 일정한 농도 구배가 이루어지게 할 수 있으며, 후자의 경우는 시간에 따라 약물방출 속도가 감소한다. 분해나 화학반응 지배형은 가수분해 혹은 효소분해에 의해 고분자가 분해되거나, 약물과 고분자간의 화학결합이 깨져 약물이 방출된다. 분해성 고분자로는 poly(lactic acid)나 poly(glycolic acid)와 같은 polyesters, poly (glutamic acid) 공중합체, polyanhydrides 등이 있다.

본 연구에서는 주사용 약물 전달 시스템을 위한 생분해성 고분자를 합성하기 위하여, 소수성이며 생분해성 고분자인 PLA와 친수성 고분자인 MPEG를 공중합하여 약물을 효과적으로 투입시킬 수 있는 미셀의 형태로서 제조하여 그들의 구조, 크기 및 약물 방출의 메커니즘에 대하여 살펴보고자 한다.

실험

시약 : 합성을 수행하기 전에 모든 시약을 정제하여 사용하였다. 수평균분자량([eqn: rm {bar Mn}] )이 2000인 MPEG(Aldrich Inc.)는 재침전법(reprecipitation)을 이용하여, l-lactide(Aldrich Inc.)는 재결정법(recrystallization)을 이용하여 정제하였으며 아세톤, 핵산, ethyl acetate 그리고 합성시 용매로 사용되는 톨루엔은 calcium hydride(CaH2)를 이용하여 각 물질의 비점 이상에서 증류하였다. 그리고 stannous 2-ethyl-hexanoate(stannous octoate)(Sigma co.)는 촉매로 정제 없이 그대로 사용하였다.

블록 공중합체의 합성 및 미셀 제조 : 공중합체의 합성은 개환 중합(ring opening polymerization)의 메커니즘으로 수행하였다1∼4. MPEG 블록의 분자량은 고정시키고, PLA 블록의 분자량에 변화(400∼1900 g/gmol)를 주어 이중 블록 공중합체를 합성하였다. 합성시 stannous octoate는 전체 질량에 대해 0.2 wt%로 넣어 주었다. 합성시 130 ℃에서 18 시간 동안 질소 분위기 하에서 반응을 수행하였으며, reflux condenser를 이용하여 톨루엔의 증발을 막아주었다. 이렇게 합성된 이중 블록 공중합체와 hexamethylene diisocyanate(HDI)를 사용하여 삼중 블록 공중합체를 60 ℃에서 36 시간 동안 반응하여 합성하였다. 그리고, 공중합체를 증류수에 넣은 후 1100 rpm, 5 분 정도 교반을 하여주어 미셀을 제조하였다.

분석 : 합성된 블록 공중합체의 구조는 IR과 NMR, 열적인 성질은 DSC, 분자량은 GPC와 NMR를 사용하여 확인하였다. 공중합체 미셀의 구조 및 크기는 DLS와 SEM을 사용하여 살펴보았고, 공중합체 미셀 내부에 약물을 투여한 후 약물의 방출 거동은 UV를 사용하여 살펴보았다.

결과 및 토론

블록 공중합체의 분자량 및 구조 분석 : 이중 블록 공중합체의 분자량은 GPC와 NMR로 측정한 결과 PLA 블록의 분자량은 400∼1900 (g/gmol) 정도였다. 그리고, 다분산도는 이중 블록 공중합체가 1.05∼1.09 정도였으며, 삼중 블록 공중합체는 1.03∼1.18 정도였다. NMR 측정을 이용하여 이중, 삼중 블록 공중합체의 합성여부를 알 수 있다.

블록 공중합체의 열적 거동 : Fig. 1에서 이중 블록 공중합체의 PLA 블록의 분자량이 증가할수록 MPEG 부분의 용융점이 PLA 블록의 영향을 받아서 낮은 온도로 전이됨을 볼 수 있다. 또한, 삼중 블록 공중합체도 PLA 블록의 영향으로 인하여 MPEG 블록의 용융점이 낮은 온도로 전이함을 알 수 있었다.

블록 공중합체 미셀의 구조 및 크기 : Fig. 2에 LLS를 이용하여 시간과 분자량에 따른 크기의 변화를 관찰하였으나 많은 변화는 보이지 않았다. 그리고, Fig. 3에서 미셀의 구조와 크기를 알 수 있는데, 이중, 삼중 블록 공중합체 미셀은 150 nm 정도의 구형이었으며, 분자량에 따른 변화는 보이지 않았다.

약물 방출 메카니즘 : Fig. 4와 5에서 공중합체 미셀 내의 약물의 방출은 30 시간 후에 평형에 도달하였다. 또한, PLA/MPEG 이중 블록 공중합체 내의 PLA 블록의 분자량이 증가할수록 고분자 단위 질량 당 투여되는 약물의 양이 증가함을 알 수 있다. 그리고, 약물 방출이 평형에 도달할 때까지 PLA 블록의 분자량과 미셀의 크기에 변화가 없는 것으로 보아 약물 방출의 메커니즘은 PLA 블록의 생분해성보다는 약물의 확산에 의존함을 알 수 있었다. 구형 미셀에서의 약물방출속도를 정량화 할 수 있는 약물의 방출 확산계수를 Fick의 확산식을 기초로 얻어낼 수 있었다.

참고문헌

[1] K. J., Zhu, S., Bihai, and Y. Shilin,, J. Appl. Polym. Sci., 27, 2151	(1989).

[2] K. J., Zhu, L., Xiangzhou, and Y., Shilin, J. Appl. Polym. Sci., 24,	331 (1986).

[3] K. J., Zhu, L., Xiangzhou, and Y., Shilin, J. Appl. Polym. Sci., 39, 1	(1990).

[4] E., Piskin, X., Kaitian, E. B., Denkbas, and Z., Kucukyavlz, J.	Biomer. Sci, Polymer Edn, 7, 359 (1995).

Fig. 1 DSC thermogram of PLA/MPEG diblock copolymers with a temperature scanning rate of 10 ℃/min. PLA/MPEG ; (1) 0//2000, (2) 400/2000, (3) 900/2000, (4) 1500/2000, (5) 1900/2000.

Fig.   Time dependence of particle size of PLA/MPEG diblock copolymer micelles. PLA/MPEG ; (■) 400/2000, (●) 900/2000, (▲) 1500/2000, (◆) 1900/2000.

Fig. 3 SEM photograph of PLA/MPEG diblock copolymer micelle.

Fig. 4 Time dependence of drug releasing content per unit mass of PLA/MPEG diblock copolymer micelles. PLA/MPEG ; (■) 400/2000, (●) 900/2000, (▲) 1500/2000, (◆) 1900/2000.

Fig. 5 Time dependence of mass fraction of drug released from PLA/MPEG diblock copolymer micelles. PLA/MPEG ; (■) 400/2000, (●) 900/2000, (▲) 1500/2000, (◆) 1900/2000.