[논문]막유화 다중 에멀젼을 이용한 생분해성 폴리카프로락톤(PCL) 마이크로캡슐의 제조

지연주; 염경호

doi:10.14579/membrane_journal.2017.27.6.511

초록
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막유화(membrane emulsification, ME)는 SPG 막과 같이 균일한 크기의 세공을 갖는 막을 사용하여 좁은 입도분포의 에멀젼을 제조하는 기술이다. 본 연구에서는 막유화법으로 형성시킨 다중 에멀젼을 사용하여 폴리카프로락톤(PCL) 마이크로캡슐의 제조를 연구하였다. 먼저 초음파 유화기로 $W_1/O$ 단일 에멀젼을 제조한 후, premix 막유화를 적용하여 $W_1/O/W_2$ 다중 에멀젼을 형성시킨 후 용매 증발을 통해 모델 약물인 BSA가 담지된 PCL 마이크로캡슐을 제조하였다. 연속상에 대한 분산상의 비율(D/C ratio), PCL 농도, 유화제 농도, 모델 약물의 농도, 막간 압력차 등 막유화 변수가 제조된 마이크로캡슐의 입경과 입도 분포에 미치는 영향을 실험하였다. Premix-ME를 적용하여 평균 입경 $5{\sim}6{\mu}m$의 균일한 크기를 갖는 모델 약물 BSA의 함침량이 약 26%인 다중 코어형 PCL 마이크로캡슐을 제조할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The membrane emulsification (ME) is a technology for producing emulsions with narrow size distribution by using the well-defined porous membranes such as the SPG membrane. In this study, the preparation of polycaprolactone (PCL) microcapsules by using the multiple emulsions obtained from membrane em...

The membrane emulsification (ME) is a technology for producing emulsions with narrow size distribution by using the well-defined porous membranes such as the SPG membrane. In this study, the preparation of polycaprolactone (PCL) microcapsules by using the multiple emulsions obtained from membrane emulsification method is studied. After the making of $W_1/O$ single emulsions by sonication method, then $W_1/O/W_2$ multiple emulsions are formed by premix-ME method. The PCL microcapsules impregnated with BSA model drug are prepared by solvent evaporating from $W_1/O/W_2$ multiple emulsions. The effects of various parameters such as the ratio of disperse/continuous phase (D/C ratio), the concentration of PCL, emulsifier and model drug and the transmembrane pressure on the size and distribution of PCL microcapsules are investigated. The uniform PCL microcapsules with about $5{\sim}6{\mu}m$ of mean size and 26% of BSA loading are obtained by the premix membrane emulsification.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

SPG 막을 사용한 Premix 막유화법을 적용하여 모델 약물이 담지된 다중 코어형 PCL마이크로캡슐을 제조하고 입경과 입도 분포 및 모델 약물의 담지량을 측정한 결과 다음의 결론을 얻었다.
다중 코어형 PCL 마이크로캡슐의 제조에 있어 초음파 유화에 의한 W₁/O 에멀젼 제조시의 분산상과 연속 상의 비(D/C ratio), PCL 농도와 분자량, 모델 약물인 BSA의 농도 및 Span 80 유화제의 농도, Premix-ME에 의한 W₁/O/W₂ 다중 에멀젼 제조시의 막간 압력차, 분산상과 연속상의 비(D/C ratio) 등의 유화공정 변수가 제조된 다중 에멀젼과 마이크로캡슐의 크기 및 분포에 미치는 영향을 실험하였으며, 최적의 유화조건에서 제조된 PCL 마이크로캡슐의 모델 약물 담지량과 방출 특성을 평가하였다.
그러나 문헌조사 결과 세공경이 다른 SPG 막을 차례로 두 번 통과시켜 다중 에멀젼을 제조하는 Direct-ME는 다중 에멀젼의 생성 속도가 매우 낮아 생산성 측면에서 문제가 있는 것으로 보고되어 있다[13,14]. 이에 본 연구에서는 기존의 유화 법인 초음파 유화를 사용하여 모델 약물이 포함된 W₁/O 단일 에멀젼을 제조한 다음 W₁/O 에멀젼을 SPG 막을 투과시켜 균일한 에멀젼 크기를 갖는 W₁/O/W₂ 다중에 멀젼을 제조하는 Premix-ME를 적용하였다. Premix-ME 로 균일한 크기의 다중 에멀젼을 제조한 후 PCL의 용매인 디클로로메탄을 증발법으로 제거하여 다중 코어형 PCL 마이크로캡슐 제조 실험을 수행하였다.

대상 데이터

Premix 막유화에 사용된 막으로는 일본 SPG Technology Co.의 세공경 2.5 µm인 원통형 SPG 막(외경 10 mm, 두께 1 mm, 길이 20 mm)을 사용하였다. SPG 막의 세척용 용매로는 톨루엔(한국 Samchun Pure Chemical Co.

성능/효과

1. Premix 막유화법을 사용하여 평균 입경 5~6 µm의 균일한 크기를 갖는 BSA 모델 약물을 담지한 다중 코어형 PCL 마이크로캡슐을 제조할 수 있었다. Premix-ME에 의한 PCL 마이크로캡슐 제조의 최적조건은 W₁/O 단일 에멀젼의 D/C 비율 10% (v/v), W₁/O/W₂다중 에멀젼의 D/C 비율 10% (v/v), Span 80 유화제 농도 5% (w/w), PCL 농도 5% (w/w), PCL 분자량 45,000 g/mol이었다.
2. PCL 마이크로캡슐의 입경은 W₁/O 단일 에멀젼 제조 시의 D/C 비율이 증가함에 따라 증가하였으며, 내부 수상 내 유화제의 농도가 증가할수록 감소하였고, 막간 압력차를 증가시키면 다중 에멀젼의 투과 flux는 증가하나 마이크로캡슐의 입경이 증가하고 다분산의 입자가 제조되었다.
3. Premix 막유화의 최적 조건에서 제조된 평균 입경 5~6 µm의 균일한 크기를 갖는 PCL 마이크로캡슐에의 모델 약물인 BSA 함침량은 약 26%이었으며, 내부 수상내 BSA 농도를 5% (w/w) 이상으로 높게 하면 외부 수상으로의 BSA 확산 손실이 커져 BSA 함침량이 감소하였으며, 유상 내 PCL 농도가 증가할수록 증가하였다.
Premix 막유화법을 사용하여 평균 입경 5~6 µm의 균일한 크기를 갖는 BSA 모델 약물을 담지한 다중 코어형 PCL 마이크로캡슐을 제조할 수 있었다. Premix-ME에 의한 PCL 마이크로캡슐 제조의 최적조건은 W₁/O 단일 에멀젼의 D/C 비율 10% (v/v), W₁/O/W₂다중 에멀젼의 D/C 비율 10% (v/v), Span 80 유화제 농도 5% (w/w), PCL 농도 5% (w/w), PCL 분자량 45,000 g/mol이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	막유화란?	막유화(membrane emulsification, ME)는 콜로이드 밀, 로터-스테이터(rotor-stator), 고압 유화기 및 초음파 유화기 등의 기존 유화법의 원리인 액상 파쇄법을 사용하지 않고 다공성 막의 미세공을 통해 분산상을 연속상 내에 drop-by-drop 상태로 투과시켜 에멀젼을 제조하는 유화법이다. 막유화에서는 다공성 막의 미세공을 통해 에멀젼의 제조가 이루어지기 때문에 제조된 에멀젼 액적은 크기가 단분산적이며, 특히 파쇄에 기초한 에멀젼 제조가 아니기 때문에 전단력(shear)에 의해 유효 성분의 파괴가 생길 수 있는 식품과 의약 물질의 유화에 적합하다[1-3].
	마이크로캡슐화는 어느 분야에서 활용되는가?	마이크로캡슐화란 특정 성분의 물질을 외부 환경으로부터 보호하거나 격리시키기 위해 구형의 고분자 matrix 또는 coating 내에 포괄시키는 기술을 총칭한다. 특히 약학 분야에서 W/O/W 에멀젼, 고분자 비드 및 캡슐 등을 제조하기 위한 다양한 마이크로캡슐화 시스템이 개발되어 약물에 대한 생체 적용성 향상, 서방성 조절(DDS), 외부 환경에 대한 보호, 부작용 감소, 처방 실수 방지 등을 목적으로 활용되고 있다[8].
	막유화에 의한 PCL 마이크로캡슐 제조의 문제점은 무엇인가?	막유화에 의한 PCL 마이크로캡슐 제조에 대한 기존 연구들[10-12]에 기초하여 본 연구에서도 균일한 크기의 에멀젼 제조가 가능한 막유화법을 적용하고자 일차적으로 작은 세공경을 갖는 SPG 막을 사용하여 모델 약물(bovine serum albumin, BSA)이 포함된 W1/O 에멀젼을 제조한 후 W1/O 에멀젼을 다시 큰 세공경을 갖는 SPG 막을 통과시켜 W1/O/W2 다중 에멀젼을 제조하는 직접 막유화 (Direct-ME)법 적용을 고려하였다. 그러나 문헌조사 결과 세공경이 다른 SPG 막을 차례로 두 번 통과시켜 다중 에멀젼을 제조하는 Direct-ME는 다중 에멀젼의 생성 속도가 매우 낮아 생산성 측면에서 문제가 있는 것으로 보고되어 있다[13,14]. 이에 본 연구에서는 기존의 유화 법인 초음파 유화를 사용하여 모델 약물이 포함된 W1/O 단일 에멀젼을 제조한 다음 W1/O 에멀젼을 SPG 막을 투과시켜 균일한 에멀젼 크기를 갖는 W1/O/W2 다중에 멀젼을 제조하는 Premix-ME를 적용하였다.

참고문헌 (14)

S. M. Joscelyne and G. Tragardh, "Membrane emulsification - A literature review", J. Membr. Sci., 169, 107 (2000).

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C. Charcosset, I. Limayem, and H. Fessi, "The membrane emulsification process - A review", J. Chem. Technol. Biotechnol., 79, 209 (2004).

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T. Nakashima and M. Shimizu, "Porous glass from calcium alumino boro-silicate glass", Ceramics Japan, 21, 408 (1986) (in Japanese).
T. Nakashima, M. Shimizu, and M. Kukizaki, "Particle control of emulsion by membrane emulsification and its applications", Adv. Drug Deliv. Rev., 45, 47 (2000).

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A web site of the SPG Technology Co., Ltd. http://www.spg-techno.co.jp/english/contents/spg_membrane.shtml (2017).
G. T. Vladisavljevic and H. Schubert, "Influence of process parameters on droplet size distribution in SPG membrane emulsification and stability of prepared emulsion droplets", J. Membr. Sci., 225, 15 (2003).

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A. Nazir, K. Schroen, and R. Boom, "Premix emulsification: A review", J. Membr. Sci., 362, 1 (2010).

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