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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.34 No.2 pp.161-169
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2023.1015

Preparation and Drug Release Properties of Naproxen Imprinted Biodegradable Polymers Based Multi-Layer Biomaterials

Eun-Bi Cho, Han-Seong Kim, Min‑Jin Hwang*†, Soon-Do Yoon†
Department of Biomolecular and Chemical Engineering, Chonnam National University, Jeonnam 59626, Korea
*Department of Environmental System Engineering, Chonnam National University, Jeonnam 59626, Korea

1 These authors contributed equally to this work.


† Corresponding Author: M. J. Hwang: Chonnam National University, Department of Environmental System Engineering, Jeonnam 59626, Korea; SD Yoon: Chonnam National University, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Yeosu 59626, Korea Tel: M. J. Hwang: +82-61-659-7267; SD Yoon: +82-61-659-7297 e-mail: M. J. Hwang: vip7080@jnu.ac.kr; SD Yoon: yunsd03@chonnam.ac.kr
February 7, 2023 ; February 26, 2023 ; February 28, 2023

Abstract


In this study, we prepared naproxen (NP) imprinted biodegradable polymer based multi-layer biomaterials using allbanggae starch (ABS), polyvinyl alcohol (PVA), and alginic acid (SA), and investigated their physicochemical properties and the controlled drug release effects. In addition, the prepared multi-layer biomaterials were characterized by FE-SEM and FT-IR. In order to confirm the controlled drug release effect for the transdermal drug delivery system (TDDS), the NP release properties of NP imprinted multi-layer biomaterials were investigated using various pH buffer solutions and artificial skin at 36.5 °C. The results of NP release in various pH buffer solutions indicated that the NP release at high pH was about 1.3 times faster than that at low pH. In addition, NP release in multi-layer biomaterials was about 4.0 times slower than that in single-layer biomaterials. It was confirmed that the NP release rate in triple-layer biomaterials was 4.0 times slower than that in single- layer biomaterials while using artificial skin. Also, it could be found that NP in double-layer biomaterials and triple-layer biomaterials was released sustainably for 12 h. The NP release mechanism in pH buffer solutions followed the Fickian diffusion mechanism, but followed the non-Fickian diffusion mechanism with artificial skin.


Transdermal drug delivery , Rheumatoid arthritis Naproxen , Controlled drug release effect , Release mechanism

나프록센이 각인된 생분해성 고분자 기반 다층 바이오소재의 제조 및 약물 방출 특성

조 은비, 김 한성, 황 민진*†, 윤 순도†
전남대학교 화공생명공학과
*전남대학교 환경시스템공학과

초록


본 연구는 allbanggae starch (ABS), polyvinyl alcohol (PVA), alginic acid (SA)를 이용하여 naproxen (NP) 각인 starch 기반 다층 바이오소재를 제조하고, 물리화학적 특성과 약물 방출 제어 효과를 조사하였다. 또한, FE-SEM과 FT-IR 분석에 의해 제조한 다층 바이오소재의 특성을 조사하였다. 약물 방출 제어 효과와 경피 약물 전달 시스템의 적용 가능성을 확인하기 위해 NP 각인 다층 바이오소재로부터 NP 방출 특성을 사람의 체온인 36.5 ℃에서 다양한 pH buffer solution 과 인공 피부를 이용하여 확인하였다. NP는 낮은 pH보다 높은 pH에서 1.3배 더 빠른 방출을 나타냈고, single-layer 바이오소재에서보다 multi-layer 바이오소재에서 약 4.0배 느린 방출이 일어남을 확인하였다. 인공 피부 방출에서도 동 일하게 single-layer 바이오소재보다 multi-layer 바이오소재에서 약 4.0배 더 느린 약물 방출 결과를 나타내었다. 또한, double-layer와 triple-layer 바이오소재 모두 12시간 동안 지속적으로 NP가 방출되었음을 확인 하였다. NP 방출 mechanism을 규명하기 위해 수학적 모델링에 적용하여 비교했을 때, pH buffer solution에서의 방출은 Fickian diffusion mechanism, 인공 피부 방출은 empirical mechanism에 적합한 것을 확인하였다.


    1. 서 론

    류마티스 관절염(rheumatoid arthritis, RA)은 심한 관절통을 동반하 는 진행성 관절 파괴, 활막의 만성 염증, 뼈 부식 등을 특징으로 하는 전신 자가 면역 염증성 관절 장애이다. 또한 경증 및 중증 장애와 관 련되어 환자의 삶에 영향을 준다[1,2]. RA 발병으로 인해 관절 등에 염증이 유발되면 염증 반응으로 열, 발적, 통증 및 부기를 동반하는데 염증 반응은 세포질에서 생성된 아라키돈산이 cyclooxygenase (COX) 동위 효소인 COX-1와 COX-2와 반응하여 prostaglandin (PG)이 생성 된다. 이때 생성된 PG가 염증 반응 생성에 중요한 역할을 하는 물질 이다. PG가 증가하면 염증 조직에서 생합성이 증가하고 부기 발생 및 신경 등이 압박을 받으면서 발열과 통증이 동시다발적으로 일어난다 [3-5].

    나프록센(naproxen, NP)은 염증 생성 반응에서 COX 효소를 비선택 적으로 억제하여 작용하는 약물로 PG의 생성을 감소시킨다. NP는 통 증, 염증성 류마티스 및 비류마티스 질환에 사용되는 비스테로이드성 항염증제(non-steroidal anti-inflammatory drugs, NSAID)이다. NP는 주로 경구 또는 직장으로 투여할 수 있다. 그러나, 장시간 치료가 필 요한 RA 치료 약물로서 오랫동안 경구로 투여할 시에 속쓰림 및 메스 꺼움 등 위장 장애와 중추 신경계 영향을 포함한다[6-9]. 이를 최소화 하기 위해 위장관을 통과하지 않고 약물 방출 및 속도를 제어할 수 있는 약물 전달 시스템 개발이 필수적이다.

    약물 전달 시스템(drug delivery system, DDS)은 활성 제약 성분 (active pharmaceutical ingredient, API)의 생체 이용률을 증가시키기 위해 사용되는 방법으로 주사, 경구, 경피, 흡입 등 다양한 형태로 전 달된다[10]. DDS 중 경피 약물 전달 시스템(transdermal drug delivery system, TDDS)은 API가 피부를 투과하여 혈관을 통해 전신순환계로 흡수된 후 전신을 순환하는 약물 전달 시스템이다. TDDS는 피부를 통하여 약물을 전달하기 때문에 통증이 없고, 편의성 및 자가 투여가 가능하다는 등 많은 장점이 있다[11,12].

    본 연구에서는 다층 바이오소재를 제조하여 약물 방출 속도 제어 및 mechanism를 규명하는 데 목적이 있다. 다층 바이오소재는 약물 방출 제어를 가능하게 하여 더 나은 체내 약물 농도 균형 및 더 큰 약물 효과를 통해 환자에게 많은 편의를 제공하고, 바이오소재의 두 께를 조절하여 비교적 쉽게 약물 방출 속도를 제어할 수 있다는 장점 이 있다. 또한, 최근 생분해성 고분자를 이용하여 많은 기능성 바이오 소재를 제조하는 연구가 주목을 받고 있는데, 그 중 다당류 기반 생의 학 재료는 생분해성, 생체 적합성, 저렴한 비용 및 제조 용이성 등의 장점을 가지고 있다[13-15]. Lee 등의[16] 연구에서는 경피 약물 전달 을 위한 niacinamide 각인 전분 기반 바이오소재 제조 및 약물 방출에 대해 보고하였으며, 결과에서 피부의 과색소침착 치료를 위한 유용한 방법임을 확인 할 수 있었다. 그러나, 약물 방출 속도가 비교적 빨라 지속적인 치료효과가 떨어진다는 단점을 보였다. 그러므로 다양한 질 병 치료를 위한 약물 방출에 대한 속도 조절이 필요하며, 그에 따른 mechanism의 규명이 필수적이라 하겠다.

    NP가 각인된 다층 바이오소재는 알지네이트(alginic acid, SA)와 올 방개 전분(allbanggae starch, ABS)을 사용하여 다층 바이오소재를 제 조하였다. SA는 해조류에서 추출한 천연 다당류로 무독성, 생분해성, 생체 적합성이며 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 물질이다. SA는 농축, 필름 형성, 겔 생성 등을 포함하는 콜로이드 특성으로 인해 생체 고분 자 필름 또는 코팅 성분으로 주목받고 있다[17]. SA와 같은 하이드로 콜로이드로 제조된 생체 재료는 강한 필름을 형성하지만 친수성으로 인해 내수성이 좋지 않기 때문에 다가 이온이 있는 염기 용액에 필름 을 침지함으로써 SA 필름의 수용해도 특성이 향상되었다고 보고되었 다[18-20]. 전분은 저렴하고 생분해성이며 우수한 필름 형성 능력을 가지고 있다. 그 중 ABS는 저지대의 연못, 논 및 습지에서 자라나는 여러해살이풀로 물리적 특성이 우수하다는 점이 있다[21,22].

    본 연구에서는 류마티스 관절염 치료를 위한 NP 각인 기능성 다층 바이오소재를 제조하고 약물 방출 속도 제어 효과를 확인하였다. NP 방출 특성은 다양한 pH와 인공 피부를 사용하여 조사하였으며, 약물 방출 mechanism을 규명하여 TDDS로서의 응용을 평가하였다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 실험 시약 및 재료

    Allbanggae starch (ABS)는 Chungwon food (Incheon, South Korea) 에서 구입하였고, alginic acid (SA), polyvinyl alcohol (PVA) [Mw: 89,000~98,000 and degree of hydrolysis (DH): 99%], glycerol (GL), xylitol (XL), sorbitol (SL), 약물로 사용된 naproxen (NP)은 Sigma Aldrich Chemical Company, Inc. (Milwaukee, WI, USA)에서 구입하 였다. NP 방출 실험에서 사용된 buffer solution pH 4.0, 7.0, 10.0은 Duksan (Pharmaceutical Co., Ltd., Korea)에서 구입하였고, 인공 피부 (Artificial skin, NeodermⓇ-ED)는 Tego Scienece, Inc. (Seoul, Korea) 에서 구입하였다. 본 실험에서 사용된 증류수(D.W.)는 탈 이온화 후 재증류되어 모든 실험에 사용되었다.

    2.2. NP 각인 SA/ABS 기반 다층 바이오소재의 제조

    먼저, SA 용액은 DW 100 g에 SA (2.0 g)와 GL (1.0 g)을 용해시켜 제조한 후, mechanical stirrer (200 rpm)를 이용하여 50.0 °C에서 2시 간 동안 블렌딩 공정을 통해 겔화 용액을 제조하였다. SA 용액은 2.0% (w/v)의 농도로 제조되었고, 가소제로 첨가된 GL은 SA와 1:2 비 율로 첨가하였다. 다음으로 ABS/PVA 용액은 NP (0.5 g)이 용해되어 있는 DW에 ABS (5.0 g)을 혼합한 전분 용액과 90 °C의 DW에 용해 시킨 PVA 용액을 Kitchenaid mixer를 이용하여 10분 동안 가열 교반 한 후, mechanical stirrer (450 rpm)를 이용하여 60분 동안 블렌딩 공 정을 통해 겔화 용액을 제조하였다. 가소제로 사용된 XL과 SL은 ABS 와 PVA 무게 기준 40.0%를 첨가하였고, 제조된 모든 겔화 용액은 aspirator를 이용해 기포를 제거하여 각각 균일화된 SA, ABS/PVA 용액 을 제조하였다.

    NP 각인 생분해성 고분자 기반 다층 바이오소재는 casting 방법을 이용하여 제조하였고, 이온 경화와 UV 경화 공정을 통해 가교하였다. 먼저, 균일화된 SA 용액을 40.0 °C로 미리 예열된 Teflon mold (200 × 200 × 2.0 mm)에 붓고, 40.0 °C에서 3시간 동안 건조한 후, NP가 첨가된 ABS/PVA 용액을 붓고 동일한 온도 조건에서 30분 동안 건조 하였다. 그 후, 다시 SA용액을 부어 24시간 동안 완전 건조하여 다층 바이오소재를 제조하였다. 제조된 다층 바이오소재는 에탄올 기반 2.0% CaCl2 용액 100 mL 속에서 10분 동안 이온 가교시켜준 후, UV 경화를 통해 가교하였고, 그 성분을 Table 1에 나타내었다.

    2.3. NP 각인 SA/ABS 기반 다층 바이오소재의 내수성

    제조된 생분해성 고분자 기반 다층 바이오소재의 내수성을 확인하 기 위해 팽윤 거동(swelling behavior, SB) 및 용해도(solubility, S) 평 가를 수행하였다. SB는 바이오소재가 물을 흡수하는 정도를 나타내는 값으로 다층 바이오소재를 DW에 넣고, 24시간 후 바이오소재의 질량 차이를 이용해 다음 식 (1)과 같이 계산되었다.

    S w e l l i n g   b e h a v i o r ( S B ) = W e − W 0 W 0
    (1)

    여기서 W0는 DW를 흡수하기 전 바이오소재의 초기 질량이고, We는 DW가 흡수된 평형 상태에서의 바이오소재 질량이다.

    각 다층 바이오소재의 S는 물에 분해되는 정도를 나타내는 값으로 각각의 팽윤된 바이오소재를 50.0 °C에서 24시간 동안 건조시킨 후 무게를 측정하여 다음 식 (2)를 이용하여 계산하였다.

    S o l u b i l i t y ( S ) = W 0 − W d W 0
    (2)

    여기서 Wd는 팽윤된 바이오소재의 건조 후 중량이다.

    2.4. NP 각인 SA/ABS 기반 다층 바이오소재의 기계적 특성

    인장강도(tensile strength, TS) 및 파단 신율(elongation at break, E%)은 UV 경화 시간에 따라 ASTM D-412 규격에 맞춰 아령 모양의 시편을 제조하고, 25 °C, RH 60% 조건에서 일주일 동안 보관 후 Instron 6012 시험기(Norwood, MA, USA)를 사용하여 측정하였다. 기 계적 특성은 gauge length와 grip distance는 모두 50.0 mm이고, crosshead speed는 20 mm/min, load cell은 250 kgf의 조건에서 조사되었다. 또한, 각 바이오소재의 두께는 machine scanner (digital thickness gauge “Mitutoyo” Tokyo, Japen)를 이용하여 측정하였고, 주변 13개 지점의 두께를 측정한 후 평균값을 사용하였다. 각각 바이오소재의 평균 두께는 single-layer 바이오소재는 약 0.100 mm, double-layer 바 이오 소재는 약 0.160 mm, triple-layer 바이오소재는 약 0.211 mm였다.

    2.5. NP 각인 SA/ABS 기반 다층 바이오소재의 특성 평가

    UV 조사에 의한 NP의 안정성, 제조된 생분해성 고분자 기반 다층 바이오소재의 각 층별 및 NP의 첨가 유무에 따른 작용기 사이의 상호 작용을 분석하기 위해 FT-IR 분광광도계(Fourier transform infrared spectrophotometry, vertex-70, Bruker, Germany)를 사용하였다. 또한, 각 바이오소재의 표면과 단면의 형태학적 분석을 위해 전계 방사 주 사현미경(field emission scanning electron microscope. S-4700, Hitachi, Tokyo, Japen, FE-SEM)을 이용하여 분석하였다. 전처리 과정으로 Quorum 코팅 장치(Sc 7620 Mini Sputter Coater, Quorumatech Co. Ltd., UK)를 이용하여 백금 코팅하였고, 모든 바이오소재의 FE-SEM 이미지는 5.0 kV의 가속 전압에서 분석하였다.

    2.6. NP 방출 특성

    NP 각인 생분해성 고분자 기반 다층 바이오소재의 TDDS로서 응용 가능성을 평가하기 위해 사람의 체온인 36.5 °C에서 pH 변화에 따른 약물 방출 특성을 조사하였다. 제조한 바이오소재 0.10 g ± 0.003 g을 buffer solution (pH 4.0, 7.0, 10.0) 30 mL에 넣은 후, shaking incubator (VS-8480SF, Vision, Science Co, Korea)를 이용하여 36.5 °C, 80 rpm 의 조건에서 NP 방출 특성을 조사하였다. 방출 시간에 따라 NP 방출 용액의 상등액 2.0 mL를 취하고 UV-vis spectrophotometer (OPTIZEN 2120UV, Neogen, Co., Korea)를 이용해 NP의 흡수 파장인 329 nm에 서 농도를 측정하였다. 또한, 인공 피부(NeodermⓇ-ED, Tego Science, Inc, Korea)를 이용하여 사람의 피부 조건인 36.5 °C, RH 60% 조건에 서 NP각인 바이오소재의 ‘in vitro’ 방출 특성을 평가하였다. 제조된 NP 각인 바이오소재 0.20 ± 0.005 g을 agarose gel (pH 5.5)과 접합된 인공 피부에 부착한 후 항온항습기(DS-150SG, Daewon Science, Inc. Korea)를 이용하여 방출 특성을 분석하였다.

    2.7. 통계 분석

    모든 데이터는 5번의 실험 결과 평균값 ± 표준편차(standard deviation, SD)로 표시하였고, 본 연구의 데이터는 반복 실험을 통해 t-test 를 이용하여 통계적 유의성을 확인하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. NP 각인 SA/ABS 기반 다층 바이오소재의 물리적 특성

    생분해성 고분자 기반 바이오소재는 기존 합성 고분자에 비해 낮은 물리적 특성을 나타내므로 NP 각인 다층 바이오소재의 물리적 특성 분석이 필요하다. Figure 1은 각 층별 바이오소재의 UV 경화 시간에 따른 물리적 특성 분석 결과를 나타낸다. Figure 1(a, b) 결과를 통해 UV 경화 시간이 증가할수록 SB와 S 모두 감소하는 경향을 보였다. 이는 UV 경화 과정을 통해 바이오소재 성분들 간의 가교와 물성이 향상된 것을 의미한다. 또한, SA layer가 증착될수록 SB는 감소하고, S는 증가하는 경향은 강한 친수성을 나타내는 SA의 특성에 의한 것 으로 판단된다. SA기반의 바이오소재는 일반적으로 Ca2+와의 강한 이 온 가교 결합을 통해 높은 SB가 나타나지만 본 연구에서 ABS layer와 인접한 SA는 이온 가교가 잘 이루어지지 않아 표면만 가교 되어 상대 적으로 SB가 감소하고 S가 증가한 것으로 판단된다[23]. Figure 1(c, d) 결과는 각 층별 바이오소재의 UV 경화 시간에 따른 TS와 E%의 분석 결과로 모든 바이오소재는 UV 경화 시간이 증가할수록 TS는 증 가하고, E%는 감소하는 경향을 보였다. 또한, triple layer > Double layer > Single layer 바이오소재 순서로 TS와 E% 모두 높은 값을 나 타내었다. 이는 SA layer에 첨가된 GL의 영향으로 인해 바이오소재 내부에 수분 함량이 증가하기 때문이라 판단된다[24].

    Figure 2는 가소제 첨가 유무에 따른 triple-layer 바이오소재의 UV 경화 시간에 변화에 대한 물리적 특성 분석 결과를 나타낸다. Figure 2(a, b) 결과를 통해 가소제 첨가 유무에 상관없이 triple-layer 바이오 소재는 UV 경화 시간이 증가할수록 SB, S 모두 감소하였고, triple layer*SL > triple layer*XL > triple layer 순서로 가소제가 첨가된 바 이오소제에서 SB와 S 모두 향상된 것을 확인하였다. 이 결과는 기 보 고한 연구 결과[24]에서 가소제 첨가로 인한 hydroxyl group의 증가로 인해 바이오소재 분자간의 상호작용이 감소되었기 때문인 것을 확인 하였다. Figure 2(c, d)는 가소제 첨가 유무에 따른 triple-layer 바이오 소재의 UV 경화 시간에 변화에 대한 TS와 E%의 분석 결과로 가소제 첨가 유무에 상관없이 UV 경화 시간이 증가함에 따라 높은 TS와 낮 은 E%를 나타내었다. 또한, triple layer*SL > triple layer*XL > triple layer 순서로 더 낮은 TS와 높은 %E를 나타내었는데, 이는 가소제 첨 가로 인한 hydroxyl group의 증가로 인해 바이오소재의 ABS와 PVA 사이 수소 결합이 증가하여 바이오소재 간의 이동성이 향상되고 전분 사슬 간의 자유 부피가 증가되기 때문이다. 물리적 분석 결과에서 모 든 바이오소재는 UV 경화 시간 15분까지 SB와 S가 급격하게 감소하 였지만 이후로 큰 변화를 보이지 않았고, 20분 이상 UV경화 할 경우 바이오소재가 타는 것을 확인하였으므로 UV 경화 시간은 15분을 최 적 시간으로 하여 바이오소재를 제조하였다.

    3.2. NP 각인 SA/ABS 기반 다층 바이오소재의 특성화

    Figure 3은 UV 조사에 의한 NP의 안정성, 제조된 생분해성 고분자 기반 다층 바이오소재의 각 층별 및 NP의 첨가 유무에 따른 작용기 사이의 상호작용을 분석을 확인하기 위한 FT-IR 분석 결과이다. Figure 3(a)는 UV 조사 유무에 따른 NP의 FT-IR 결과로 UV 조사와 상관없이 NP는 방향족 화합물과 관련된 C-H 신축 진동으로 인해 3000 cm-1, C-O의 흡수 피크인 1214.02 cm-1, -CH3 진동에 의한 1389.13 cm-1 및 –COO- 신축 진동으로 인한 1583.47 cm-1에서 피크가 나타났고[25], 이 결과를 통해 NP는 UV조사 대해 안정하다는 것을 확인하였다. Figure 3(b)는 NP가 첨가되지 않은 바이오소재의 층별 FT-IR 결과로 Ca2+로 이온 가교된 SA single layer의 경우, 1408.01 cm-1및 1599.14 cm-1에서 카르복실산 염과 관련된 –COO-의 대칭 및 비대칭 신축 진동, 1408.01 cm-1의 피크는 Ca2+이온과의 가교 결합에 의한 진동이 나타났다. 또한, Ca2+이온 가교 결합과 관련된 1025.16 cm-1 및 1089.13 cm-1 에서 나타나는 C-C 및 C-O 진동으로 인해 제조 된 다층 바이오소재가 이온 가교 결합된 것을 확인할 수 있었다[26]. Single-layer 바이오소재는 ABS로 이루어져 있으며, 1082.12 cm-1 및 1025.16 cm-1에서 포도당 고리와 관련된 C-C와 C-O의 흡수 피크, 1330.99 cm-1 및 1414.24 cm-1에서 –CH2의 굽힘 진동에 의한 피크가 나타난 것을 확인하였다[27]. Double-layer 바이오소재는 SA와 ABS 두 층으로 제조되었으며, 1415.11 cm-1 및 1614.03 cm-1에서 SA와 관 련된 –COO-에 의한 피크 및 1307.33 cm-1에서 ABS와 관련된 –CH2의 굽힘 진동에 의한 피크가 모두 관찰되었다. Triple-layer 바이오소재의 경우에도 SA와 관련된 –COO-에 의한 피크가 1415.11 cm-1 및 1606.15 cm-1에서 확인되었고, ABS와 관련된 –CH2의 굽힘 진동에 의 한 피크가 1290.68 cm-1에서 관찰되었다. 이러한 결과를 통해 double- layer, triple-layer 바이오소재 모두 SA와 ABS 작용기 사이에 상호 작용 없이 제조되었다는 것을 확인하였다. Figure 3(c)은 NP 및 가소 제 첨가 유무에 따른 triple-layer 바이오소재의 FT-IR 분석 결과이다. 가소제를 첨가한 triple-layer 바이오소재는 XL와 SL 모두 폴리올로 다량의 –OH를 함유하고 있어 3000~3600 cm-1 사이에서 –OH 그룹의 흡수 피크가 높게 관찰되었다. 또한, NP와 SA 모두 갖고 있는 –COO- 와 같이 유사한 작용기로 인해 피크가 중첩되어 NP의 확인이 쉽지 않 으나 NP의 특성 피크의 투과 정도의 증가로 인해 NP가 바이오소재에 각인되었음을 알 수 있었다.

    Figure 4는 제조된 바이오소재의 형태학적 분석을 위한 표면 및 단 면의 FE-SEM 이미지를 나타낸다. Figure 4(a-c)는 UV 경화를 하지 않 은 바이오소재의 각 층별 FE-SEM 이미지로 모든 바이오소재는 층의 경계가 잘 구분되어 제조되었고, 상대적으로 SA layer보다 ABS layer 가 두껍게 형성된 것을 확인하였다. 이는 SA와 ABS의 밀도 차이로 인해 SA 용액이 ABS 용액보다 밀도가 낮아 다층 바이오소재 제조 시 SA layer의 두께가 더 얇게 제조된다[28]. Figure 4(d-f)는 15분 동안 UV 경화한 NP 각인 triple-layer 바이오소재의 가소제 첨가에 따른 FE-SEM 이미지이다. Figure 4(d)는 triple-layer 바이오소재의 FE-SEM 이미지로 균열, 응집 등이 없이 균일하게 제조되었음을 확인하였고, Figure 4(e, f)는 각각 XL과 SL을 첨가한 NP 각인 triple-layer 바이오 소재의 FE-SEM 이미지로 두께는 일정하게 유지되었고, 표면 및 단면 이 상대적으로 더 균일하게 제조되었다.

    3.3. 기능성 NP 각인 SA/ABS 기반 바이오소재의 약물 방출 특성

    생분해성 고분자 기반 NP 각인 다층 바이오소재의 지속적인 약물 방출 특성을 확인하기 위해 각각 층별로 pH buffer solution를 이용한 다양한 pH조건(4.0, 7.0, 10.0), 36.5 °C에서 지속적인 약물 방출 효과 를 평가하였다. 또한, NP 각인 다층 바이오소재의 NP 방출 결과를 체 계적으로 분석하기 위해 Fickian diffusion model 및 empirical model을 통해 약물 방출 mechanism을 평가하였다. Fickian diffusion model은 Fick’s 2법칙의 식을 사용하여 다음 식 (3)과 같이 얻어졌다[29-31].

    ∂   C ∂   t = D ∂ 2 C ∂ x 2
    (3)

    여기서 C는 시간 t에서의 농도이고, D는 일정한 확산계수이다. 삼각 급수의 형태로 제시되는 Fickian diffusion model은 다음 식 (4)로 알려 져 있다.

    Q t Q ∞ = 1 − ∑ n = 0 ∞ 8 ( 2 n + 1 ) 2 × π 2 exp [ D e × ( 2 n + 1 ) 2 × π 2 l 2 × t ]
    (4)

    여기서 Qt는 시간 t에서의 약물 방출량, Q∞는 무한 시간에서의 약물 방출량, t, l, De는 각각 바이오소재의 확산 시간, 절반 두께 및 확산 계수이다. 또한, empirical 모델은 Fickian diffusion model의 식을 일반 화시켜 표현한 식으로 다음 식 (5)와 같이 나타내고, n 값에 따라 Fickian diffusion, non-Fickian diffusion으로 나누어진다.

    Q t Q ∞ = k t n
    (5)

    여기서 k는 약물 방출 상수이고 n은 약물 방출 mechanism을 특징짓는 확산 지수이다. n < 0.5의 값을 가질 때 Fickian diffusion mechanism을 따르고 0.5 < n < 1사이의 값을 가질 때 empirical mechanism과 상관 관계가 있다.

    생분해성 고분자 기반 NP 각인 다층 바이오소재의 NP 방출 결과 (plot)와 diffusion mechanism에 적용한 결과(line)를 Figure 5에 나타내 었고, 계산된 parameter 값 들을 Table 2에 나타내었다. 모든 바이오소 재는 낮은 pH보다 높은 pH 조건에서 NP 방출 속도가 빠르게 나타났 다. 이는 알칼리에서 높은 용해도를 나타내는 NP의 특성으로 인해 상 대적인 약물 방출 속도가 빠른 것으로 판단된다[32]. 또한, 계산된 parameter 중 방출 속도를 의미하는 확산 계수 De (m2/s2)를 확인한 결과 낮은 pH 보다 높은 pH 조건에서 높은 De값을 나타내어 NP 각인 다층 바이오소재는 높은 pH에서 NP의 방출 속도가 더 빠른 것을 확인하였 다. 각 층별 바이오소재는 pH 변화와 상관없이 triple-layer, doublelayer, single-layer 바이오 소재 순서로 느린 NP 방출 속도를 나타내었 다. 확산 계수 De값을 확인한 결과 single layer > double layer > triple layer 순서로 높은 De값을 나타내었다. 이러한 결과를 통해 본 연구에 서 제안한 NP 각인 다층 바이오소재의 지속적인 약물 방출 효과를 확 인하였다.

    Figure 5에서 NP 방출 결과(plot)와 diffusion mechanism에 적용한 결과(line)를 비교했을 때 empirical model보다 Fickian diffusion model 에 정확하게 fitting되는 것을 확인하였고, Table 2에서 방출 mechanism의 척도를 나타내는 n의 값이 n < 0.5 이므로 buffer solution에서 의 각 층별 NP 방출 결과는 Fickian diffusion model에 적합하다는 것 을 확인하였다.

    가소제 첨가 유무에 따른 생분해성 고분자 기반 NP 각인 triplelayer 바이오소재를 36.5 °C, 다양한 pH buffer solution (4.0, 7.0, 10.0) 에서 약물 방출 결과(plot)와 diffusion mechanism에 적용한 결과(line) 를 Figure 6에 나타내었고, 그 parameter 값들을 Table 3에 나타내었다. 모든 NP 각인 triple-layer 바이오소재는 가소제 첨가 유무에 상관없이 2시간 동안 방출되었고, 확산 계수 De (m2/s2)를 확인한 결과 낮은 pH 보다 높은 pH 조건에서 높은 값을 나타내어 NP의 방출 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다. 첨가한 가소제의 종류에 따라 triple layer* SL_NP > Triple layer*XL_NP > Triple layer_NP 순으로 빠른 방출 속 도를 보였다. 이는 폴리올의 첨가로 인해 ABS와 PVA의 수소결합을 형성하여 바이오소재 매트릭스 사이의 이동성이 증가되어 NP 분자의 방출 속도가 향상될 수 있다고 판단된다. 또한, Figure 6 그래프에서 NP 방출 결과는 empirical model보다 Fickian diffusion model에서 정 확하게 fitting되는 것을 보였고, Table 3에서 방출 mechanism의 척도 를 나타내는 n값이 n < 0.5 이므로 가소제 첨가 유무에 따른 다양한 buffer solution에서의 NP 방출 결과는 Fickian diffusion model에 적합 하다는 것을 확인하였다.

    3.4. 인공 피부를 이용한 NP 방출 특성

    NP 각인 다층 바이오소재를 경피약물전달 패치로서 적용가능성을 확인하기 위해 인공 피부(NeodermⓇ-ED)를 사용하여 36.5 °C, RH 60% 조건으로 ‘in vitro’ 약물 방출 특성을 분석하였다. 인공피부 모델 을 적용한 생분해성 고분자 기반 NP 각인 triple-layer 바이오소재의 ‘in vitro’ 약물 방출 결과(plot)와 diffusion mechanism에 적용한 결과 (line)를 Figure 7에 나타내었고, 계산된 parameter 값들을 Table 4에 나타내었다.

    Figure 7(a)는 가소제를 첨가하지 않은 각 층별 바이오소재의 인공 피부에서 NP 방출 결과로 single-layer는 3시간, double-layer, triplelayer 바이오소재는 모두 12시간 동안 지속적으로 방출되었지만, doublelayer보다 triple-layer 바이오소재에서 상대적으로 느린 방출 속도가 나타났고, 이러한 결과를 통해 다층 바이오소재에서 지속적인 약물 방출의 가능성을 확인하였다. 또한 diffusion mechanism에 적용시켰을 때, Figure 7(a)에서 Fickian diffusion model보다 empirical model에서 정확하게 fitting되는 것을 확인하였고, 방출 mechanism의 척도를 나 타내는 n 값이 n < 0.5으로 계산되어 인공 피부를 이용한 NP 방출 결 과는 non-Fickian diffusion model이며, empirical model에 적합하다는 것을 확인하였다.

    Figure 7(b)는 가소제 첨가 유무에 따른 NP 각인 triple-layer 바이오 소재의 인공 피부에서 NP 방출 결과로 모든 바이오소재에서 12시간 동안 지속적인 약물 방출을 보였고, 첨가된 가소제의 종류에 따라 triple layer*sl_np > triple layer*xl_np > triple layer_NP 순으로 빠른 방출 속도를 나타냈다. 이는 buffer solution에서의 방출 결과와 동일 하게 폴리올의 증가로 인한 것으로 판단된다. 또한, diffusion mechanism에 적용시켰을 때, Figure 7(b)에서 Fickian diffusion model보다 empirical model에서 정확하게 fitting되는 것을 확인하였고, Table 5에 서 방출 mechanism의 척도를 나타내는 n 값이 n > 0.5이므로, non-Fickian diffusion mechanism를 따른다고 할 수 있다. 이러한 결과 들을 바탕으로 triple-layer 바이오소재는 사람의 피부 조건에서 방출 제어 효과를 나타냄과 동시에 NP의 일정한 방출을 확인할 수 있었으 며, 지속적인 치료를 위한 TDDS의 적용 가능성을 확인하였다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 ABS과 SA, PVA를 이용한 지속적인 약물 방출 특성 을 갖는 NP 각인 생분해성 고분자 기반 다층 바이오소재를 제조하였 다. 제조된 바이오소재는 CaCl2를 이용한 이온 가교와 UV 경화 공정 을 통해 가교하였고, 물리적 특성을 향상시키기 위해 가소제(XL, SL) 를 첨가하고 특성 변화를 분석하였다. NP 각인 다층 바이오소재의 물 리적 특성은 UV 경화 시간이 증가할수록 향상되었고, 가소제 첨가했 을 때 바이오소재의 SB와 S는 감소되었지만, TS와 E%는 증가되었다. 바이오소재의 SB와 S 분석 결과 UV 경화시간 16분 이후로 큰 변화가 없어서 UV 최적 경화 시간을 15분으로 하여 바이오소재를 제조하였 다. 또한, FE-SEM 분석을 통해 NP각인 다층 바이오소재의 모두 층이 잘 구분되고 응집이나 균열 없이 균일한 것을 확인 하였고, FT-IR 분 석을 통해 SA와 ABS 작용기 사이에 상호작용 없이 제조된 것을 확인 하였다. 제조한 NP 각인 다층 바이오소재의 지속적인 약물 방출 특성 을 확인하기 위해 다양한 pH buffer solution에서 NP 방출을 확인한 결과, 낮은 pH보다 높은 pH에서 NP의 방출 속도가 1.3배 더 빠른 것 으로 나타났다. NP의 방출 속도는 single, double, triple-layer 바이오소 재 순서로 느린 방출을 보였으며, 단층보다 다층에서 4배 느린 방출 속도를 나타냈다. 또한, 가소제 첨가에 의해 hydroxyl group이 증가할 수록 NP의 방출 속도는 향상되었고, NP의 buffer solution 방출을 diffusion mechanism에 적용시켰을 때 방출 mechanism은 Fickian diffusion model에 적합한 것을 확인하였다. 제조한 다층 바이오소재를 경피 약물 전달 패치로 적용하기 위해 인공 피부를 이용한 ‘in vitro’ 실험에서 NP의 방출 결과, single-layer 바이오소재는 3시간, double- layer와 triple-layer 바이오소재는 약 12시간 동안 4배 더 지속적인 방출을 나타내었고, double-layer 바이오소재보다 triple-layer 바이오소 재에서 상대적으로 느린 방출을 나타내었다. Triple-layer 바이오소재 에서 NP 방출을 diffusion mechanism에 적용시켜 비교한 결과 12시간 동안 안정되고 일정한 상태로 증가하는 경향을 보였고, 이는 empirical diffusion mechanism을 따르는 것을 확인하였다. 이러한 결과들을 통 해 경피 약물 전달 시스템에서 다층 필름 기술을 이용하여 지속적인 약물 방출 소재의 응용 가능성을 확인하였다.

    감 사

    이 논문은 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원 을 받아 수행된 기초연구사업(Grant No. NRF- 2019R1I1A3A01061508) 에 의해 수행하였음.

    Figures

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    Water resistance and mechanical properties of biomaterials with UV curing time for various layers. (a) Swelling behavior of biomaterials with UV curing time for various layers. (b) Solubility of biomaterials with UV curing time for various layers. (c) Tensile strength (TS) of biomaterials with UV curing time for various layers. (d) Elongation at break (%E) of biomaterials with UV curing time for various layers.
    ACE-34-2-161_F2.gif
    Water resistance and mechanical properties of triple layer biomaterials with/without the addition of XL and SL for various UV curing time. (a) Swelling behavior of triple layer biomaterials for UV curing time. (b) Solubility (S) of triple layer biomaterials for UV curing time. (a) Tensile strength (TS) of triple layer biomaterials for various UV curing time. (b) Elongation at break (%E) of triple layer biomaterials for various UV curing time.
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    FT-IR of mm (a) FT-IR spectra of NP with/without UV irradiation. (b) FT-IR spectra of biodegradable polymers based NP non-added biomaterials on various layers. (c) FT-IR spectra of NP imprinted triple layer biomaterials with/without the addition of XL and SL.
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    FE-SEM images of surfaces and cross-sections of biomaterials. (a) Single layer biomaterials without UV curing. (b) Double layer biomaterials without UV curing. (c) triple layer biomaterials without UV curing. (d) Crosslinked NP added triple layer biomaterials. (e) Crosslinked NP and XL added triple layer biomaterials. (f) Crosslinked NP and SL added triple layer biomaterials.
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    Experimental, Fickian diffusion model and empirical model fits of NP release from NP imprinted biomaterials on various layer at different pHs and 36.5 °C.
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    Experimental, Fickian diffusion model and empirical model fits of NP release from NP imprinted triple layer biomaterials with/without the addition of XL and SL at different pHs and 36.5 °C.
    ACE-34-2-161_F7.gif
    NP release ratio (%) from NP imprinted biomaterials using artificial skin at 36.5 °C and RH 60%. (a) NP release ratio (%) from NP imprinted biomaterials on various layer. (b) NP release ratio (%) from NP imprinted triple layer biomaterials with/without the addition of XL and SL. The symbols indicated experimental data and the dot line (Fickian) and solid line (empirical) depict model prediction.

    Tables

    The Components of Biodegradable Polymers Based Biomaterials
    Fickian Diffusion and Empirical Model Parameters of Controlled NP Release from NP Imprinted Biomaterials without the Addition of Plasticizers at Different pHs and 36.5 °C
    Fickian Diffusion and Empirical Model Parameters of Controlled NP Release from NP Imprinted Triple Layer Biomaterials with/without the Addition of XL and SL with Different pHs and 36.5 °C
    Fickian Diffusion and Empirical Model Parameters of NP Release from NP Imprinted Biomaterials without the Addition of XL and SL Using Artificial Skin at 36.5 °C and RH 60%
    Fickian Diffusion and Empirical Model Parameters of Controlled NP Release from NP Imprinted Triple Layer Biomaterials with/without the Addition of XL and SL Using Artificial Skin

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