[논문]나노버블 기법을 이용한 화장품 내 유효물질의 피부투과성 증가에 관한 연구

이성주; 이순홍; 박승일

doi:10.12925/jkocs.2020.37.4.1041

나노버블 기법을 이용한 화장품 내 유효물질의 피부투과성 증가에 관한 연구
A study on skin permeability enhancement of active substances in cosmetics using nanobubble technique 원문보기

Journal of the Korean Applied Science and Technology = 한국응용과학기술학회지, v.37 no.4, 2020년, pp.1041 - 1051

이성주 (안양대학교 환경에너지공학과) , 이순홍 (안양대학교 환경에너지공학과) , 박승일 ((주)씨앤비코스메틱)

초록
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일본과 유럽에서 시작된 미세버블과 나노버블의 기술은 여러 응용분야에서 적용 가능하고 그 효과 또한 다양하게 나타나고 있어서 많은 연구자 뿐만 아니라 관련 산업 전문가들에게 관심을 받고 있다. 특히 나노버블은 물속에서 수개월 이상 존재 가능하다는 연구로부터 화장품과 같은 액상 형태의 제품에 적용 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 기포캡슐레이션 기법을 이용한 나노버블의 생성과 나노버블을 함유한 기능성 화장품 내 유효물질 3종(Niacinamide(1.6%), Caffeic acid(1%), Ferulic acid(1%))에 대하여 피부투과성 증가 실험을 진행하였다. 나노버블은 유효물질의 피부투과성 증가에 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 나노버블 미함유 물질 대비 최대 250% 피부투과성 증가가 확인되었다(Caffeic acid, 8시간). 이는 화장품 분야 뿐만 아니라 뇌종양과 같은 의약품 투과성에 관련된 분야 등 나노버블 기법에 의한 투과성 향상에 적용 가능한 분야에 연구 성과 및 산업적 파급효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The technology of microbubbles and nanobubbles originated in Japan and Europe is applicable to various applications and its effects are diverse, attracting attention not only from many researchers but also from industry experts. In particular, nanobubbles have the advantage that they can be applied to products in the form of liquids, such as cosmetics, from the study that they can exist for more than several months in water. In this study, it was carried out the production of nanobubbles using bubble encapsulation technique and the experiment of skin permeability enhancement of active substances in cosmetics using nanobubble techniquethree. Nanobubbles were confirmed to affect the skin permeability increase of active substances, and up to 250% increase in skin permeability compared to non-bubbles-free materials(Caffeic acid, at 8 hour). It is expected that research results and industrial ripple effects can be expected not only in the cosmetic field, but also in fields applicable to the improvement of permeability by nanobubble techniques, such as areas related to drug delivery system.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Correlation between solution stability and zeta potential[1]
그림 Fig. 1. Mechanism concept diagram of improving skin permeability of microbubbles (a) Previous research results, (b) Mechanism concept diagram.
그림 Fig. 2. (a) Type of nanobubble generator and (b) Conceptual diagram of developed nanobubble device.
그림 Fig. 3. NTA(Nano Tracking Analysis) concept diagram.
그림 Fig. 4. Transdermal absorption experiment process using Franz Diffusion cell.
그림 Fig. 5. Analytical sample concentration and HPLC analysis.
그림 Fig. 6. NTA(Nano Tracking Analyzer) Nano bubble analysis result.
표 Table 2. Skin permeability test conditions and results of functional mist containing Niacinamide, Caffeic acid, Ferulic acid
표 Table 3. Skin permeability test results of functional mist containing Niacinamide, Caffeic acid, Ferulic acid
그림 Fig. 7. Skin permeability test results of functional mist containing (a) Niacinamide, (b) Caffeic acid, (c) Ferulic acid and (d) results of skin permeability improvement rate (%).

AI 본문요약
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문제 정의

버블의 개체수와 크기는 유효물질의 피부투과성 향상과 밀접한 관련이 있기 때문에 높은 개체수와 안정된 크기의 나노버블 생성은 매우 중요한 요소이다. 나노버블을 이용한 유효물질의 피부투과성 향상 연구는 현재 연구 초기 단계이며, 본 연구에서는 나노버블이 함유된 화장품 내 유효물질 3종에 대하여 피부투과성이 증가되는가를 확인하기 위하여 진행되었으며, 본 나노버블이 함유된 화장품 성분을 Franz cell 실험에 사용하였다.
본 연구에서는 Franz cell을 이용하여 피부투과성을 간접적인 방법으로 확인하고자 시행하였다. 본 연구에서 사용되는 기능성 유효성분을 직접 피부투과성 실험에 적용하였으며, 사용한 유효성분은 Niacinamide, Caffeic acid, Ferulic acid로 각각의 성분을 미스트에 적용하여 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 기존의 물리적 접근법과 제형적 접근법에 의한 피부 투과성 및 경피 흡수 방법과 차별화된 초미세버블(Ultra fine bubble) 혹은 나노버블(nano bubble)을 이용한 경피 흡수 방법을 소개하고자 하였다. 화장품 제형에 나노버블을 적용하여 나노버블 화장품을 개발하였고 화장품 내 유효 성분 Niacinamide, Cafferic acid, Ferulic acid 3종을 대상으로 피부 투과성 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 기포캡슐레이션기법을 이용하여 나노버블을 생성하였고 생성된 나노버블을 기능성 화장품에 적용하여 화장품 내 유효물질 3종에 대하여 피부투과성 증가 가능성을 확인하고자 하였다. 이에 따른 결과는 다음과 같다.
여러 응용 분야에서 특히 의료 및 미용 분야, 즉 약물 전달 시스템 연구와 관련하여 미세버블이 유효물질의 피부 투과성 및 경피 흡수 증진에 효율적인 조력제 역할을 한다는 연구 보고에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 특히 화장품 분야에서 피부 투과성 및 경피 흡수 증진 연구는 연구자 뿐만 아니라 관련 기업에서도 관심을 많이 가지는 분야이다.
따라서 미세버블은 뇌혈관장벽과 같은 신체의 멤브레인을 자극하는 것으로 분석되며, 특히 미세버블의 불안정성이 증가될 때, 멤브레인의 자극이 증가되고 유효약물의 투과성이 증가되었다. 이러한 결과는 화장품 내 유효성분을 피부에 투과시키는 데에도 같은 효과가 있을 것으로 예상되며, 본 연구에서는 자체 개발한 화장품 내 유효 성분 3종에 대하여 피부투과성 실험을 진행하였다[22-27].

제안 방법

1. 기존의 피부투과성 증가 연구 기법과 차별화된 친환경 경피흡수 증가 기법을 개발하였다.
본 연구에서 사용되는 기능성 유효성분을 직접 피부투과성 실험에 적용하였으며, 사용한 유효성분은 Niacinamide, Caffeic acid, Ferulic acid로 각각의 성분을 미스트에 적용하여 분석을 진행하였다. Franz cell을 이용하여 투과도 테스트 실험의 경우 투과되는 양이 미량으로 HPLC 분석을 위해서 각 시간별로 진행된 모든 시료들을 회수하여 농축 후 분석을 진행하였다. 샘플은 Just mist, 초미세기포 함유 mist 각 50ml 준비하고, 시간 2, 4, 8, 12, 16시간에서의 유효성분은 Niacinamide(1.
먼전 셀 내에 나노버블수를 주입하고 배율과 초점을 맞춘 후 촬영을 시작한다. 그리고 약 1분에서 3분간 각 3회 촬영을 반복하여 나노버블의 개체수와 크기를 측정한다. 본 연구에서는 NTA를 이용하여 나노버블의 입자 크기와 개체 수를 확인하였다(Fig.
본 연구에서는 Franz cell을 이용하여 피부투과성을 간접적인 방법으로 확인하고자 시행하였다. 본 연구에서 사용되는 기능성 유효성분을 직접 피부투과성 실험에 적용하였으며, 사용한 유효성분은 Niacinamide, Caffeic acid, Ferulic acid로 각각의 성분을 미스트에 적용하여 분석을 진행하였다. Franz cell을 이용하여 투과도 테스트 실험의 경우 투과되는 양이 미량으로 HPLC 분석을 위해서 각 시간별로 진행된 모든 시료들을 회수하여 농축 후 분석을 진행하였다.
그리고 약 1분에서 3분간 각 3회 촬영을 반복하여 나노버블의 개체수와 크기를 측정한다. 본 연구에서는 NTA를 이용하여 나노버블의 입자 크기와 개체 수를 확인하였다(Fig. 3).
Franz cell을 이용하여 투과도 테스트 실험의 경우 투과되는 양이 미량으로 HPLC 분석을 위해서 각 시간별로 진행된 모든 시료들을 회수하여 농축 후 분석을 진행하였다. 샘플은 Just mist, 초미세기포 함유 mist 각 50ml 준비하고, 시간 2, 4, 8, 12, 16시간에서의 유효성분은 Niacinamide(1.6%), Caffeic acid(1%), Ferulic acid(1%)의 함량을 측정하였다.
Table 2는 초미세기포 함유 기능성 미스트의 피부투과성 실험 조건 및 결과를 나타내고 있다. 실험군과 대조군은 초미세기포의 함유 유무로 총 12시간에 걸쳐 실험을 진행하였다. Niacinamide의 경우, 2시간 경과시 초미세기포 함유 시료에서 대조군 100% 대비, 105.
실험에 사용된 Merck millipore사 매뉴얼에 보고된 바와 같이, Start-M membrane은 실제 피부와 피부투과성이 매우 유사한 투과도 양상을 보인다고 보고하고 있다. 이 때 용액의 온도는 피부 내 온도와 같은 37℃를 유지하며, 시간대별로 용출액 모두를 채취한 후 농축하여 HPLC를 통하여 함량을 분석하였다(Fig. 4,5).
본 연구에서는 기존의 물리적 접근법과 제형적 접근법에 의한 피부 투과성 및 경피 흡수 방법과 차별화된 초미세버블(Ultra fine bubble) 혹은 나노버블(nano bubble)을 이용한 경피 흡수 방법을 소개하고자 하였다. 화장품 제형에 나노버블을 적용하여 나노버블 화장품을 개발하였고 화장품 내 유효 성분 Niacinamide, Cafferic acid, Ferulic acid 3종을 대상으로 피부 투과성 실험을 수행하였다. 그리고 나노버블이 유효성분의 피부 투과성 증진에 효과가 있음을 확인하고자 하였다[19-21].

이론/모형

2(b)). 따라서 본 연구에서는 자체 개발한 기포캡슐레이션법 나노버블 발생 장치를 이용하여 화장품(미스트, 스킨, 클린징 워터, 에센스 등)에 적용하였다. 상온, 상압에서 2kg의 화장품을 나노버블 장치에 투여 후, 약 15분 가량 버블링하였다.

성능/효과

2. 나노버블이 유효물질의 피부투과성에 어떤 효과를 나타내는지 확인하였으며, 피부투과성 증가에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
3. 유효물질의 분자량이 작을수록 피부투과성은 증대되는 경향성이 있다는 것을 확인할 수 있었다.
4. Niacinamide의 경우 8시간에서 147.8%, Caffeic acid는 8시간에서 249.6%, Ferulic acid는 12시간에서 190.6% 최대 투과성 증가를 확인하였으며, 유효물질 종류에 따라서 나노버블에 의한 최대 투과성 증가 비율은 약간의 차이를 보였지만 세 유효물질 모두 뚜렷한 투과성 증가를 보였다.
그러나 빠르게 투과하는 반면에 나노버블의 영향이 다소 감소하는 경향이 나타났다. Caffeic acid와 Ferulic acid의 경우 동일한 시간에 투과량은 적으나 나노버블의 투과성 증가에 대한 긍정적인 효과가 Niacinamide에 비해 뚜렷하게 나타났다.
실험군과 대조군은 초미세기포의 함유 유무로 총 12시간에 걸쳐 실험을 진행하였다. Niacinamide의 경우, 2시간 경과시 초미세기포 함유 시료에서 대조군 100% 대비, 105.6% 투과량 증가가 확인되었으며, 8시간 경과시 147.8%로 가장 높게 나타났다. 12시간에서는 점차 감소하여 115.
기포캡슐레이션법 나노버블장치를 이용한 결과 나노버블 개체수는 54.0억개/ml, 버블 크기는 85.6nm로 분석되었다. 본 결과는 일반적으로 알려진 나노버블 개체수 수억개/ml, 나노버블의 크기 200~300nm보다 월등히 높은 개체수와 작은 버블을 형성하였음을 알 수 있다(Fig.
또한 실험에 사용된 Start-M membrane은 피부의 특성을 고려하여 만든 인공피부라서 수용성 층과 비수용성 층으로 구성되어 있고, 물질 투과는 멤브레인에 존재하는 pore를 통해 이루어지기 때문에 pore를 통과할 수 있는 분자량의 크기가 우선 중요하고 그리고 막의 친수성과 소수성 특징으로 인한 투과성 증감의 요인이 된다고 알려져 있다[32]. 나노버블 미함유의 대조군 Niacinamide는 Ferulic acid, Caffeic acid에 비하여 시간에 따른 투과량이 큰 것을 확인 할 수 있었다. 2시간 기준, Niacinamide는 1.
이후 1995년 다이세이히로후미 교수가 세계 최초로 미세버블의 발생 기술을 개발하였고, 굴 양식장에 적용하여 굴 성장 촉진에 미세버블이 큰 영향을 미치는 결과를 얻었다. 다이세이 교수는 미세버블의 효율적 용존 산소 공급 때문에 성장이 촉진 된 것으로 분석하였고, 살균 효과 증진 역시 증진시킨다는 것으로 밝혀내었다. 2000년 이후 일본 NHK에서 미세버블에 대하여 소개하는 방송을 하였으며, 미세버블은 피부세포 재생, 살균, 세정 등의 효과가 있다고 발표하면서 대중과 연구자들의 관심을 얻기 시작하였다.
1(a,b)). 따라서 미세버블은 뇌혈관장벽과 같은 신체의 멤브레인을 자극하는 것으로 분석되며, 특히 미세버블의 불안정성이 증가될 때, 멤브레인의 자극이 증가되고 유효약물의 투과성이 증가되었다. 이러한 결과는 화장품 내 유효성분을 피부에 투과시키는 데에도 같은 효과가 있을 것으로 예상되며, 본 연구에서는 자체 개발한 화장품 내 유효 성분 3종에 대하여 피부투과성 실험을 진행하였다[22-27].
95 mg 투과되어 Niacinamide의 투과성이 컸다. 따라서 본 실험 결과에서 보는 바와 같이, 분자량이 작을수록 피부투과성은 증대되는 경향성이 있다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 나노버블이 함유된 시료에서는 12시간 기준, Niacinamide는 9.
6nm로 분석되었다. 본 결과는 일반적으로 알려진 나노버블 개체수 수억개/ml, 나노버블의 크기 200~300nm보다 월등히 높은 개체수와 작은 버블을 형성하였음을 알 수 있다(Fig. 6). 버블의 개체수와 크기는 유효물질의 피부투과성 향상과 밀접한 관련이 있기 때문에 높은 개체수와 안정된 크기의 나노버블 생성은 매우 중요한 요소이다.
본 연구 결과를 바탕으로 실제 기능성 물질의 피부투과성에 대하여 나노버블이 투과도에 긍정적인 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 수용성이며 용해도가 큰 Niacinamide(용해도 50000 mg/L)와 같은 물질일수록 투과도가 높게 나타났다.
2(a)). 본 연구에 사용된 나노버블 발생장치는 기포캡슐레이션 방법을 이용한 장치로 기존의 방법과 비교하여 매우 높은 나노버블 농도(개체수, 50억개 이상/ml)를 생성시킬 수 있으며, 버블 크기 역시 평균 100 nm 이하로 작고 균일하게 생성시킬 수 있다. 이 장치의 나노버블 생성 성능은 기존 수억개/ml를 생성하는 장치보다 월등히 고농도의 나노버블을 생성시킬 수 있다는 장점이 있다(Fig.
6% 투과성 증가를 확인하였다. 유효물질 종류에 따라서 나노버블에 의한 최대 투과성 증가 비율은 약간의 차이를 보였지만 세 유효물질 모두 뚜렸한 투과성 증가를 보였다.
이 결과는 나노버블이 유효물질의 투과성 증가에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인 할수 있었다. 그리고 Niacinamide의 경우 8시간에서 147.

후속연구

5. 본 연구 결과를 통하여 화장품 분야뿐만 아니라 뇌종양과 같은 의약품 투과성에 관련된 분야 등 나노버블 기법에 의한 투과성 향상에 적용 가능한 분야에 연구 성과 및 산업적 파급효과를 기대할 수 있을 것이다.
본 연구 결과를 통하여 유효물질 종류, 나노버블의 개체수 등에 따른 나노버블의 투과성 증가 패턴에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되며, 이는 화장품 분야뿐만 아니라 뇌종양과 같은 의약품 투과성에 관련된 분야 등 나노버블 기법에 의한 투과성 향상에 적용 가능한 분야에 연구 성과 및 산업적 파급효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 버블의 안정성은 무엇을 통해 알 수 있는가?	나노 버블의 안정성은 제타전위를 측정함으로써 알 수 있다. 제타 전위의 크기는 콜로이드 계(colloidal system)의 안정성을 가리키는 지표이기 때문이다.
	나노 버블에서 전기 이중층은 어떤 원리로 형성되는가?	제타 전위의 크기는 콜로이드 계(colloidal system)의 안정성을 가리키는 지표이기 때문이다. 액체 내에 분산되어있는 입자 표면의 전하는 주변 이온분포에 영향을 미쳐 입자표면의 전하와 반대되는 부호의 이온농도를 높인다. 따라서 각 입자 주변에는 전기 이중층(electrical double layer)이 형성된다.
	미세버블의 경피 흡수 방법에는 어떤 것들이 있는가?	따라서 다양한 방법의 경피 흡수 증진 연구가 시도되고 있다. 경피 흡수 방법에는 물리적 접근법, 제형적 접근법이 연구되고 있으며, 물리적 접근법에는 피부에 전위차를 주어 피부의 전기적 환경을 변화시킴으로써 이온성 약물의 피부 투과를 증가시키는 방법인 iontophoresis, 고전압을 이용한 약물침투법인 electroporation, 초음파를 이용하여 약물이 생체막을 통과하여 피부에 침투하게 만들어주는 sonophoresis 등이 있다. 제형적 접근법에는 고분자 수화젤, 고분자 마에셀, 나노 에멀젼, 리포좀, 에토좀 등이 있다[2-18].

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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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