[논문]Poloxamer를 이용한 Swollen Micelle의 Tocopheryl Acetate 안정화

김미선; 윤경섭

doi:10.12925/jkocs.2019.36.2.609

[국내논문] Poloxamer를 이용한 Swollen Micelle의 Tocopheryl Acetate 안정화
Stabilization of Tocopheryl Acetate of Swollen Micelle by Poloxamer 원문보기

Journal of the Korean Applied Science and Technology = 한국응용과학기술학회지, v.36 no.2, 2019년, pp.609 - 622

김미선 (제주대학교 화학.코스메틱스학과) , 윤경섭 (제주대학교 화학.코스메틱스학과)

초록
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계면활성제가 수용액 중에 용해되면 용액 내에서 micelle (< 20 nm) 이라는 응집체를 형성하며, micelle은 그 내부에 활성물질을 담지하여 가용화 제형이 형성될 수 있다. Swollen micelle은 50~100 nm 정도로 일반 가용화 제형보다 더 많은 양의 활성물질을 담지할 수 있는 제형이다. Swollen micelle은 고압유화와 같은 별도의 공정이 필요한 liposome이나 nanoemulsion과는 달리 특별한 공정이 필요 없어 생산적인 면에서 좀 더 효율성 있는 가용화 및 입자형성 방법이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 Poloxamer 407을 이용하여 swollen micelle 제형에 대한 안정화 실험을 진행한 후, Response Surface Methodology (RSM)을 이용하여 tocopheryl acetate 가용화에 대한 제형 최적화 실험을 진행하였다. 가용화에 영향을 주는 계면활성제와 활성물질인 tocopheryl acetate를 요인(factor)로 설정하고 서로 간의 상관관계를 확인하였다. 평가방법으로서 온도 및 시간에 따른 안정성과 입자 분포 및 크기를 확인하였으며, FIB를 통해 효능 물질을 담지한 swollen micelle의 입자 구조 및 모양을 확인하였다. 이러한 실험 결과들을 통하여 tocopheryl acetate를 안정화시킨 swollen micelle은 poloxamer 407 0.500%, octyldodeceth-16 0.387%, tocopheryl acetate 0.945%일 때 가장 최적화된 처방이라 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

When the surfactant is dissolved in an aqueous solution, it forms aggregate called micelles (<20 nm) in the solution, and micelles can form the solubilized formulation by supporting the active ingredient therein. Swollen micelles are formulations capable of carrying larger amounts of active ingredient than conventional solubilized formulations at 50~100 nm. Unlike liposomes or nanoemulsions, which require a separate process such as high pressure emulsification, Swollen micelle is a more efficient method of solubilization and particle formation from a productive point of view. In this study, stabilization experiments on swollen micelle formulations were carried out using poloxamer 407, and then optimized formulation experiments for tocopheryl acetate components were performed using Response Surface Methodology (RSM). Tocopheryl acetate, a surfactant that affects solubilization and an active substance, were set as a factor and the correlation between them was confirmed. As the evaluation method, stability and particle size distribution and size were confirmed by temperature and time, and the structure and shape of the swollen micelle carrying the active ingredient were confirmed by FIB. These results show that poloxamer 407 0.500%, octyldodeceth-16 0.387% and tocopheryl acetate 0.945% are the most optimized prescriptions for swollen micelle stabilized with tocopheryl acetate.

Keyword

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Particle form of micelle and swollen micelle.
그림 Fig. 2. Structure of poloxamer 407 (approximate block lengths of a = 101 and b = 56).
그림 Fig. 3. Manufacturing method of swollen micelle.
표 Table 1. Information about the raw materials used in the experiment
그림 Fig. 4. Results of prescription for various solubilizers affecting solubilization in Table 2.
표 Table 2. Prescription experiment for solubilizers affecting solubilization
표 Table 3. Solubilization prescription experiments on Poloxamer 407 content changes
그림 Fig. 5. Results of prescription for changes in content of poloxamer 407 and Octyldodeceth-16 in Table 3.
그림 Fig. 6. Results of tocopheryl acetate solubilization for changes in content of poloxamer 407 and Octyldodeceth-16 in Table 4.
표 Table 4. Tocopheryl acetate solubilization experimental prescription
그림 Fig. 7. Box-Behnken design, The point at the center of the cube corresponds to the center of the Box-Behnken design, and the point at the middle of each line of the cube corresponds to the IBFact.
표 Table 5. Setting and scope of independent variables as RSM factors
표 Table 6. Experiments on RSM factor range of 17 prescriptions
표 Table 7. Y-axis variable results for 17 experiments using Box-Behnken design
표 Table 8. Variance analysis for Y axis variable data
표 Table 9. Coefficient table to 3D model of variance analysis (A : Poloxamer 407 / B : octyldodeceth-16 / C : tocopheryl acetate)
그림 Fig. 8. 3D model for particle size of RSM (A: poloxamer 407, B: octyldodeceth-16, C: tocopheryl acetate / (a): AB, (b): AC, (c): BC).
그림 Fig. 9. 3D model for PDI of RSM (A: poloxamer 407, B: octyldodeceth-16, C: tocopheryl acetate / (d): AB, (e): AC, (f): BC).
그림 Fig. 10. 3D model for Zeta potential of RSM (A: poloxamer 407, B: octyldodeceth-16, C: tocopheryl acetate / (g): AB, (h): AC, (i): BC).
그림 Fig. 11. Stability comparison of swollen micelles after 30 days.
그림 Fig. 12. Turbidity comparison of swollen micelles after 30 days. Rating: 1-10 (the higher the score, the higher the turbidity).
그림 Fig. 13. Cyro-SEM image (left: Run 13 / right: Run 16)
표 Table 10. Optimal condition setting using RSM

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상기 문제점을 개선하고자 swollen micelle 연구에 poloxamer 407를 이용하고자 하였다. 많은 연구진들에 의해 오랫동안 poloxamer 407를 이용한 블록공중합체 미셀(micelle)의 약물전달체 연구가 진행되어 왔다.
본 연구에서는 가용화제로서 poloxamer 407과 octyldodeceth-16를 사용하여 활성물질인 tocopheryl acetate를 가용화 및 안정화시킬 때의 최적화 처방 및 이의 원료에 대한 상관관계를 정량적으로 알아보고자 실험을 진행하였다. 이와 같은 상관관계를 정략적으로 해석하는데, 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)을 활용하였다.
RSM은 통계학적 분석방법으로서 기초 실험을 통해 변수에 따른 반응 결과 값을 예측하여 원하는 반응치에 따른 최적 조건을 도출해주는 방법이다. 본 연구에서는 RSM의 기법 중 하나인 박스-벤켄 설계(Box-Behnken design)을 사용하여 모델링하고 정확한 예측을 할 수 있게 함으로써 최적의 조건과 최적의 처방을 제시하고자 한다[14,15].
4와 같이 poloxamer 407이 적용된 실험품(# 1-1)이 상대적으로 투명함을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 하여 poloxamer 407의 함량 및 poloxamer 407과 octyldodeceth-16이 비율이 가용화에 영향을 미치는지 확인하기 위해 실험을 진행하였다(Table 3). 그 결과 poloxamer 407의 함량이 높을수록 가용화되는 것을 알 수 있었다.

제안 방법

정제수는 증류수제조기(Pure RO 130, Human Corporation, Korea)를 이용하여 제조된 것을 사용하였다. 또한 swollen micelle 제조에는 Agitator (SL4000, Global Lab, Korea)을 사용하여 실험을 진행하였다. 통계학적으로 최적하기 위해 DesignExpert® Software Version 11 (Stat-Ease Inc.
각 제품들을 실온, 냉온(4℃), 항온(45 )에서 보관하여 약 30일 간 현탁도 및 물성에 대한 안정성평가를 진행하였다.
수상을 제외한 오일 및 계면활성제 등의 원료들을 A part로 하여 평량하고 A part가 녹을 정도의 온도로 가열하여 용해 및 분산시킨다. 그 다음 A part를 B part에 1초에 3방울의 속도로 서서히 첨가하면서 Agitator로 3분간 교반한다(Fig.
5와 같이 투명도는 실험품(# 2-1)이 가장 양호하였으나, 각 온도 별로 실온, 냉온(4℃) 그리고 항온(45℃)에서 1개월 동안 관찰한 결과, poloxamer 407과 octyldodeceth-16의 비율을 2:1로 한 실험품(#2-2)이 가장 안정성이 양호하였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 가장 적합하다고 판단된 poloxamer 407과 octyldodeceth-16 비율을 2:1로 하여 활성물질인 tocopheryl acetate에 대한 함량 실험을 진행하였다.
상기 처방 실험들의 결과에 의하면 활성물질인 tocopheryl acetate의 swollen micelle 제형을 통한 가용화에 poloxamer 407, octyldodeceth-16, tocopheryl acetate 함량이 주요 요인으로서 3가지 원료를 RSM factors로 설정하였으며, 각 factor에 대한 범위를 Table 5에 나타내었다.
7을 기본 바탕으로 하여 factor에 대한 범위가 설정되어 처방이 결정된다. 3개의 factor, 3개의 level 그리고 기타 외부요인에 의한 오차를 최소화하기 위해서 12개의 IBFact점, 5회 반복되는 Center점을 포함하여 총 17회의 실험이 랜덤으로 수행되었다(Table 6)[16].
RSM factor 범위에 대한 17개 처방에 대해 실험을 진행한 후 입자 크기(particle size), 제타 전위(Zeta potential), 다분산지수(polydispersityindex, PDI)를 측정하여, Table 7에 나타내었다. 이에 대한 분산 분석을 Table 8에 나타내었다.
다음 분석 결과를 바탕으로 Design-Expert® Software Version 11을 사용하여 최적화된 swollen micelle 처방을 구하였다.
Particle size 및 Zeta potential를 관찰하기 위해 particle size & Zeta potential analyzer (Zetasizer Nano ZS, Malven, UK)로 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서의 원료로는 Table 1에 기재된 리스트로 구매하여 사용하였다. 정제수는 증류수제조기(Pure RO 130, Human Corporation, Korea)를 이용하여 제조된 것을 사용하였다.
본 실험에서의 원료로는 Table 1에 기재된 리스트로 구매하여 사용하였다. 정제수는 증류수제조기(Pure RO 130, Human Corporation, Korea)를 이용하여 제조된 것을 사용하였다. 또한 swollen micelle 제조에는 Agitator (SL4000, Global Lab, Korea)을 사용하여 실험을 진행하였다.
다음 분석 결과를 바탕으로 Design-Expert® Software Version 11을 사용하여 최적화된 swollen micelle 처방을 구하였다. 본 연구에서는 작은 입자 크기 및 다분산지수를 가지고, 제타 전위 값이 낮은 제형을 최적의 swollen micelle로 고려하였다. Swollen micelle 최적화 기준에 따른 최적 처방은 다음과 같다(Table 10).
본 실험에서 제조한 swollen micelle의 입자는 20∼292 nm로 나타났다.

데이터처리

통계학적으로 최적하기 위해 DesignExpert® Software Version 11 (Stat-Ease Inc.,USA)를 이용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 가용화제로서 poloxamer 407과 octyldodeceth-16를 사용하여 활성물질인 tocopheryl acetate를 가용화 및 안정화시킬 때의 최적화 처방 및 이의 원료에 대한 상관관계를 정량적으로 알아보고자 실험을 진행하였다. 이와 같은 상관관계를 정략적으로 해석하는데, 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)을 활용하였다. RSM은 통계학적 분석방법으로서 기초 실험을 통해 변수에 따른 반응 결과 값을 예측하여 원하는 반응치에 따른 최적 조건을 도출해주는 방법이다.
Particle size 및 Zeta potential를 관찰하기 위해 particle size & Zeta potential analyzer (Zetasizer Nano ZS, Malven, UK)로 측정하였다. SEM 측정은 Cyro-SEM/FIB(Quanta 3D FEG, FEI, USA)을 이용하였다.

성능/효과

가용화에 미치는 다양한 종류의 계면활성제(poloxamer 407, polysorbate 80, PEG-60 hydrogenated castor oil, octyldodeceth-16)에 대한 기초 실험 처방을 Table 2에 작성하였다. 그 결과 Fig. 4와 같이 poloxamer 407이 적용된 실험품(# 1-1)이 상대적으로 투명함을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 하여 poloxamer 407의 함량 및 poloxamer 407과 octyldodeceth-16이 비율이 가용화에 영향을 미치는지 확인하기 위해 실험을 진행하였다(Table 3).
이 결과를 바탕으로 하여 poloxamer 407의 함량 및 poloxamer 407과 octyldodeceth-16이 비율이 가용화에 영향을 미치는지 확인하기 위해 실험을 진행하였다(Table 3). 그 결과 poloxamer 407의 함량이 높을수록 가용화되는 것을 알 수 있었다. Poloxamer 407만 첨가한 실험의 경우 냉온(4℃)에서 분리되었으나 octyldodeceth-16와 함께 첨가하였을 때 각 온도 별 조건에서 안정한 것을 확인하였다.
계면활성제 함량 1.5% 기준으로 가용화 실험을 진행한 결과 Fig. 5와 같이 투명도는 실험품(# 2-1)이 가장 양호하였으나, 각 온도 별로 실온, 냉온(4℃) 그리고 항온(45℃)에서 1개월 동안 관찰한 결과, poloxamer 407과 octyldodeceth-16의 비율을 2:1로 한 실험품(#2-2)이 가장 안정성이 양호하였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 가장 적합하다고 판단된 poloxamer 407과 octyldodeceth-16 비율을 2:1로 하여 활성물질인 tocopheryl acetate에 대한 함량 실험을 진행하였다.
실험품(# 3-3∼# 3-6)에서 octyldodeceth-16가 가용화에 직접적으로 큰 영향을 미치는 것으로 보이지는 않으나 실험품을 제조하고 나서 경시변화 관찰 시, octyldodeceth-16를 첨가하지 않은 실험품(# 3-5, # 3-6)은 현탁도가 확연히 높아진 것을 확인하였다.
실험품(# 3-3∼# 3-6)에서 octyldodeceth-16가 가용화에 직접적으로 큰 영향을 미치는 것으로 보이지는 않으나 실험품을 제조하고 나서 경시변화 관찰 시, octyldodeceth-16를 첨가하지 않은 실험품(# 3-5, # 3-6)은 현탁도가 확연히 높아진 것을 확인하였다. 따라서 octyldodeceth-16는 활성물질인 tocopheryl acetate의 안정화에 대한 보조적 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
분산분석 결과에서 2차 다항식 모델이 적합함을 보여주었다. 모델의 p-value는 0.
Table 8에서 poloxamer 407의 p-value가 가장 신뢰성이 있는 것으로 나타났다. Fig. 10에서poloxamer 407이 제타 전위에 가장 영향을 주는 것을 확인할 수 있었고, octyldodeceth-16과 tocopheryl acetate은 유의미한 영향을 나타내지 않았다(Fig. 10(g)-(i)).
따라서, 입자 크기는 poloxamer 407과 tocopheryl acetate, PDI는 octyldodeceth-16, 제타 전위는 poloxamer 407의 영향을 받는 것을 알 수 있다.
30일 간 온도 안정성 평가 결과, RSM 처방에서 Center를 나타내는 실험품(Run 3, 5, 11, 12,13)은 실온(A), 냉온(B)(4℃), 항온(C)(45℃)에서 모두 안정하였으나, Run 1, 2, 6, 9 실험품의 경우는 실온(A)과 항온(C)(45℃)에서는 안정하나 냉온(B)(4℃)에서 분리되는 것을 확인하였다(Fig. 11).
5%로 첨가되어도 octyldodeceth-16의 함량이 낮으면 안정성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 추측된다. 앞서 예비 실험에서와 같이 octyldodeceth-16이 활성물질인 tocopherylacetate의 가용화에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
12에 나타내었다. 제조 직후에도 현탁도를 나타냈던 성상은 현탁도가 유지되거나 높아지는 것을 확인하였다. 또한 Run 16, 17 실험품은 제조 직후에는 현탁도가 높았으나 30일 후에는 현탁도가 낮아지는 것으로 나타났다.
13에 나타내었다. SEM 사진은 왼쪽이 RSM Run 13 실험품이고 오른쪽이 RSM Run 16 실험품으로 nano size 크기의 구형인 것을 확인하였다.
현탁도와 안정성을 30일 간 확인한 결과 poloxamer 407과 octyldodeceth-16의 첨가 비율이 현탁도에 영향을 미치며, 안정성은 RSM Run Center의 값으로 주어진 처방이 가장 안정하며 입자 크기도 20∼50 nm로 가장 이상적인 크기의 입자로 측정되었다.
RSM을 이용한 tocoheryl acetate 함유 swollen micelle 최적 처방은 poloxamer 407 0.500%, octyldodeceth-16 0.387%, tocopheryl acetate 0.945% 제형으로 입자 크기는 70.115 nm, 제타 전위는 -17.225 mV, 다분산도는 0.348의 값을 가질 것으로 예측되었다.
Poloxamer 407과tocopheryl acetate가 입자의 형성 및 크기에 대한 영향을 미치며, poloxamer 407는 입자 간의 반발력을 통해 안정성을 확인을 하는 제타 전위에도 영향을 주었다. 또한 가용화제로 알려진 octyldodeceth-16의 경우 PDI에 영향을 주나 입자의 크기 및 안정성에는 크게 영향을 주지 않는 것을 확인하였다. 현탁도와 안정성을 30일 간 확인한 결과 poloxamer 407과 octyldodeceth-16의 첨가 비율이 현탁도에 영향을 미치며, 안정성은 RSM Run Center의 값으로 주어진 처방이 가장 안정하며 입자 크기도 20∼50 nm로 가장 이상적인 크기의 입자로 측정되었다.

후속연구

945%가 가장 최적화된 처방이라고 할 수 있다. 추후 실험을 통해 최적화 제형의 확인 및 피부투과 실험 및 장기안정성에 대한 평가를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 poloxamer 407를 도입한 것은 swollen micelle의 어떤 문제를 해결하기 위해서인가?	이렇게 형성된 swollen micelle은 지용성 물질을 담지할 수 있는 제형으로서 가용화 제형에 많이 사용되고 있다. 그러나 작은 입자를 가진 swollen micelle은 고 농도의 계면활성제를 사용하는 것이 좋으나 비용, 자극성을 최소화하고 효능 및 안정성을 향상시키기 위해 계면활성제의 최적화된 함량을 찾는 것은 매우 중요하다[1-5].
	micelle은 무엇인가?	Micelle은 입자 자체가 매우 작기 때문에 활성물질의 담지체 역할보다는 향을 가용화시키는 정도로 활용되고 있다. 계면활성제가 수용액 중에 분산되면 소수성의 꼬리 부분은 물과 접촉을 피하기 위해 머리 부분은 외부로 향하여 전체적으로 구형의 응집체를 형성하게 되며, 이러한 응집체를 micelle (< 20 nm)이라고 한다. Micelle이 형성되기 시작하는 농도를 임계미셀농도(Critical Micelle Concentration, CMC)라고한다.
	고분자 미셀이 계면활성제 미셸에 비해 약물 전달 부분에서 적합한 이유는 무엇인가?	약물 전달을 위해 블록공중합체 미셀은 작은 크기와 가용화 및 생체 내 지속 가능성으로 인해 많은 연구진들의 관심의 대상이 되어 왔다[6]. 계면활성제 미셀에 비해고분자 미셀은 일반적으로 현저히 낮아진 임계미셀농도로 안정되어 있으며 해리 속도가 느려서 피부로 투과된 약물을 유지할 수 있으며 궁극적으로는 목표로 하는 지점에 도달할 수 있다[7]. 블록공중합체 미셀에 사용되는 계면활성제인 poloxamer 407는 일반적인 부류의 공중합체인 친수성 비이온 계면활성제이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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