비타민C와 E의 피부침투에 대한 2차원 해석

김태균, 이성철, 정휘동

한양대학교 화학공학과

Two-dimensional Analysis of Skin-permeation of Vitamins C and E

Tae-Kyun Kim, Sung-Chul Yi, Whi-Dong Joung

Department of Chemical Engineering, CPRC, Hanyang University

서론

비타민C(L-ascorbic acid)와 E(□-tocopherol)는 피부노화방지와 미백작용 및 수분유지와 같은 효과가 있으므로 스킨케어제품으로 오래전부터 사용되어져 왔다. 그러나, 비타민 성분은 불안정하여 화장품내에서 쉽게 변질되고 피부속 깊이까지 전달하기가 매우 어려운 원료로 이를 완벽한 제품으로 개발하기에는 높은 기술수준이 요구된다. 과거에 수학적 모델링은 여러방법으로 행해져 왔으며, 피부층과 매개물을 묘사하는 하나 이상의 컴파트먼트를 기반으로 한 약물 동력학 모델이 대부분을 이루었다. 하지만 이러한 모델들은 각각의 층에서 약물 농도를 상미분 방정식에 의해 모델링을 한 관계로 피부깊이에 대한 농도분포을 얻지 못하는 한계가 있다. 또한 지금까지 이러한 단점을 없앤 확산모델들은 정상상태, 일차원 단일층 모델, no bioconversion과 같은 가정에 분석되었지만, 본 연구에서는 피부흡수 메카니즘을 정교화 하기 위해 2차원 bilayer/bioconversion 모델을 이용하여 비타민C와 E의 농도분포를 조사하였다.

이론

2차원 bilayer/bioconversion 모델의 일반적인 도식도는 figure 1에 도시했다. 비타민 분자가 피부속으로 Fick's law에 따라 확산되는 과정을 균일한 상이라 가정했으며, 비록 비타민 분자들이 비균일계에 속할 지라도, 비타민 분자이동은 단일확산계수로 표시했다. 각질층 표면에서 비타민용액이 피부표면에 침투했을때 농도구배가 생기지 않는다고 가정했으며, 이 비타민C와 E의 분자들이 각질층에서 살아있는 표피로 분배된후, 살아있는 표피에서는 생물학적 변환을 한다. 이에 대한 지배방정식과 경계층조건은 다음과 같다.

Governing Equation

* Stratum corneum (각질층)

* Viable skin (살아있는 표피)

Boundary Conditions

(i) Initial condition

(ii) Boundary conditions

(iii) Model parameters

Table 1. Physico-chemical properties of vitamin C     Tabel 2. Physico-chemical properties of vitamin E

결과 및 토론

Vitamin C

각질층과 살아있는 표피에서 피부깊이에 따른 비타민C의 농도 분포를 figure 2와3에 도시하였다. 우선, figure 2을 보면, 각질층에서 비타민C의 농도가 깊이에 따라 급격하게 감소함을 알 수 있다. 이와 같은 낮은 침투성은 각질층이 평평한 각질층 세포와 세포사이에 풍부한 지질로 이루어졌기 때문이다. 피부침투의 주요한 통로는 ICR(intercellular routes)이다. 따라서, 각질층 자체가 소수성(hydrophobic)이므로, 수용성 비타민계인 비타민C용액의 피부침투는 어렵다.

그러나 살아있는 표피영역인 figure 3을 보면, 피부깊이에 따른 비타민E의 농도분포가 조금씩 감소해서 거의 일정하게 보인다. 일반적으로, 살아있는 표피는 기저층에서 과립층으로 이루어진 Malpighi층으로 되어있다. 이 Malpighi층의 수분함량은 약70%이므로 살아있는 표피는 매우 친수성이다. Table 1에 나온 것처럼, 살아있는 표피의 확산계수가 각질층의 확산계수보다 약 760배 이상 큼을 볼 수있다. 또한, Table 1을 보면 살아있는 표피내 효소의 속도상수가 무척 작기 때문에 비타민C의 생물학적 변환에 거의 영향을 끼치지 않는다.

Vitamin E

비타민E의 피부깊이에 따른 농도분포를 figure 4와5에 나타냈다. Figure 4을 보면, 비타민C와 마찬가지로 농도분포가 급격하게 감소하는 것을 볼 수있다. 피부의 주요한 통로가 지질이 풍부한 intercellular routes이므로, 비타민E는 지질층과 잘 부합되는 octanol/water 분배계수를 가지고 있기 때문에 각질층을 잘 침투할 수 있다고 생각되어져 왔다. 그러나 비타민E의 분자가 각질층 모공에 비하여 매우 크기 때문에 비타민E 분자의 각질층을 통한 이동은 매우 어렵다.

Figure 5에서는 비타민E의 농도분포는 비타민 C의 농도분포와 다르게 피부깊이에 따라 감소하고 있다. 친유성인 비타민E분자들은 친수성인 살아있는 표피를 잘 침투하지 못한 것도 요인이지만, 생물학적 변환이 주요하게 작용했기 때문이다. 즉 살아있는 표피내 효소가 초기시간에 비타민E의 생물학적 변환에 큰 영향을 끼쳐 점점 비타민E의 농도가 감소했지만, 시간이 흐른후, 피부노화에 의해 비타민E를 전환시키는 피부효소가 점차적으로 불활성화 되기 때문이다.

Discussion

이 연구에서는, 살아있는 표피에 비타민C와 E의 생물학적 변환을 고려한 enzymatic metabolism을 적용하였다. 동시에 비타민C와 E의 피부침투와 생물학적 전환은 피부 노화 때문에 감소하는 지수법칙을 적용한 bilayer bioconversion 모델에서 평가되었다. 이 수학적 모델은 농도분포와 생물학적변환을 평가하는데 유용하다. 또한 비타민C와 E의 생물학적 변환이 전체 침투속도에 영향을 미치는 것으로 나타냈다.

Figure 1. Two dimensional bilayer model

Figure 2. Simulated concentration-depth profile           Figure 3. Simulated concentration-depth profile            of vitamin C in the stratum corneum(after 1hr)          of vitamin C in the viable(after 1hr)

Figure 4. Simulated concentration-depth profile           Figure 5. Simulated concentration-depth profile

of vitamin E in the stratum corneum(after 1hr)          of vitamin E in the viable skin(after 1hr)

감사의 글

본 연구는 (주)청호 나이스와 공동연구 수행과제로 진행되었으며, 재정적 지원과 많은 도움을 주신 세라믹 공정 연구센터에 깊은 감사를 드립니다.

참고문헌

[1] K. Tojo: J. Chem. Eng. Japan, 20, 300(1987)

[2] Lee A. R. C, Tojo K.: Chem. Pharm. Bull., 46(1), 174(1998)

[3] Daniel J. Harrison and Kristine Knutson, Pharmaceutical Research.,

12, 2003, (1995)