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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.35 No.3 pp.192-199
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2024.1018

Characterization of Carbamazepine-Imprinted Acorn Starch/PVA-Based Biomaterials

Kyeong-Jung Kim, Ji-Hoon Kang, Bo-Gyeong Kim, Min‑Jin Hwang*†, Soon-Do Yoon†
Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea
*Department of Environmental System Engineering, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea

1 Co-first authors


† Corresponding Author: M.‑J. Hwang: Chonnam National University, Department of Environmental System Engineering, Yeosu 59626, Republic of Korea; S.-D.Yoon: Chonnam National University, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Yeosu 59626, Republic of Korea Tel: M.‑J. Hwang: +82-61-659-7267; S.-D.Yoon: +82-61-659-7297 e-mail: M.‑J. Hwang: vip7080@jnu.ac.kr; S.-D.Yoon: yunsd03@chonnam.ac.kr
April 1, 2024 ; April 16, 2024 ; April 16, 2024

Abstract


In this study, carbamazepine (CBZ) imprinted starch/PVA-based biomaterials were prepared by the casting method and UV irradiation, and their physicochemical properties, CBZ adsorption ability, and release properties were investigated. The surface properties of the prepared biomaterials were characterized using FE-SEM, while the stability of CBZ under UV irradiation and the functional groups of the biomaterials were characterized using FT-IR analysis. The adsorption properties of CBZ on the biomaterials were evaluated by binding isotherm and Scatchard plot. Results indicate that CBZ imprinted biomaterials possess a specific binding site of CBZ. To evaluate the applicability of the transdermal drug delivery system, the release properties of CBZ from prepared biomaterials using various pH buffers and artificial skin at 36.5 °C were investigated. Results indicated that the CBZ release at high pH was faster than at low pH. In addition, CBZ was released continuously for 12 h in the artificial skin test. The drug release mechanism of CBZ followed a pseudo-Fickian diffusion mechanism in buffer solution, whereas the release from artificial skin exhibited a non-Fickian diffusion mechanism.


Transdermal drug delivery system , Carbamazepine , Adsorption properties , Release properties

카바마제핀 각인 도토리 전분/PVA 기반 바이오소재의 특성

김경중, 강지훈, 김보경, ⋅황민진*†, 윤순도†
전남대학교 공학대학 화공생명공학과
*전남대학교 공학대학 환경시스템공학과

초록


본 연구에서 carbamazepine (CBZ) 각인 도토리 전분(acorn starch, AS)/PVA 기반 바이오소재를 casting method와 UV 조 사를 이용하여 제조하고 물리⋅화학적 특성, CBZ 흡착 및 방출 특성을 조사하였다. 제조한 바이오소재의 표면 특성은 FE-SEM을 통해 확인하였고, UV 조사에 따른 CBZ의 안정성과 바이오소재 작용기는 FT-IR 분석을 이용하였다. CBZ에 대한 바이오소재의 흡착 특성은 binding isotherm 및 Scatchard plot으로 평가하였고 이를 통해 CBZ 각인 바이오소재에 CBZ 결합 부위가 존재하는 것을 확인하였다. 경피 약물 전달 시스템의 응용 가능성을 평가하기 위하여 36.5 °C에서 다양한 pH의 완충용액과 인공피부를 이용해 제조한 바이오소재의 CBZ 방출 특성을 조사하였다. 이 결과, CBZ는 pH 가 증가할수록 빠른 방출 속도를 보였으며, 인공피부 테스트에서 12 h 동안 지속적으로 방출되었다. 또한, 수학적 모델을 적용시킨 결과, 완충용액에서 CBZ 방출 메커니즘은 pseudo-Fickian diffusion 메커니즘을 따랐고 인공피부에서 non-Fickian diffusion 메커니즘을 따르는 것으로 평가되었다.


    1. 서 론

    간질은 뇌의 전기 신호 불균형으로 인해 반복적인 발작을 일으키는 중추신경계 질환 중 하나로 뇌전증이라고도 칭한다. 간질의 원인은 명확하게 밝혀진 것은 없으나 뇌졸중, 뇌수막염, 신경 퇴행성 장애 등 다양한 요인으로 추정되고 있다. 간질 발작은 부분 발작과 전신 발작으로 나뉘고 부분 발작은 의식 소실, 근육 경련, 감각 이상 등의 증상이 발생한다. 간질 환자들은 신경 세포의 나트륨 채널이 지속적으로 활성화되어 있어 흥분성 신경전달 물질이 쉽게 유입되므로 신경전달 물질 간의 불균형이 발생하여 발작이 일어난다. 간질의 증상은 완치 할 수 없지만, 약물 치료를 통해 뇌세포의 과도하고 불규칙한 신호를 억제함으로써 증상을 예방할 수 있다[1-3].

    카바마제핀(carbamazepine, CBZ)은 1965년부터 이용되었던 1차 항간질제이며, CBZ를 체내에 투여하면 나트륨 채널 단백질에 결합해 채널을 비활성화시킨다. 이에 따라, 흥분성 신경전달물질을 감소시키고 억제성 신경전달물질인 γ-aminobutyric acid 증가시켜 결과적으로 신경전달물질 간의 균형을 유지해 발작 증상이 억제된다. CBZ는 현재 시럽과 정제와 같은 경구용 제형으로 시판되고 있으나, 투여 시 빠르게 흡수되어 혈중 CBZ 농도가 급격히 증가해 peak에 빠르게 도달한다. CBZ peak에 도달 시 현기증, 복시, 졸음, 불안정 등 다양한 부작용을 유발하게 된다. 또한, 경구용 제제는 간 1차 대사와 위장 분해를 거치므로 생체 이용률이 가변적이라는 문제가 있다. 따라서, 효과적인 간질 치료를 위하여 경구 투여의 부작용을 최소화하는 약물 전달 전략이 연구되어야 한다[4-6].

    피부를 통해 약물을 흡수하여 질병을 치료하는 경피 약물 전달 시스템(transdermal drug delivery system, TDDS)은 경구 약물 전달의 문제점에 대한 해결책이 될 수 있다. 경구 약물 전달은 약물의 비활성화를 유발하고 특성 pH와 효소의 영향으로 표적 질병을 치료하기 전에 약물이 분해될 수 있다. 반면에 TDDS는 피부층을 통한 치료를 수행하므로 약물의 분해를 우회할 수 있고 비침습적이어서 통증이 없으므로 장기 치료를 위한 약물의 반복 투여 시에도 환자의 치료 순응도가 높다는 장점이 있다. 특히, 소량의 약물을 장시간 전달하여 peak를 피할 수 있다. 이러한 특징들을 고려하였을 때 TDDS를 이용하여 CBZ를 투여하면 부작용을 줄이고 생체 이용률을 향상시킬 수 있다[7-9].

    약물 전달용 바이오소재는 무독성, 뛰어난 생체적합성, 항균성 등이 필수적이다. TDDS에 이용되는 소재들 중 전분, 글리코겐, 셀룰로오스, 키토산과 같은 다당류 기반의 기능성 바이오소재는 기존에 약물 전달 바이오소재에 사용되는 고분자들을 대체하고 의공학 분야에 적용하기 위하여 다양한 연구가 이루어지고 있다[10,11]. 천연고분자 중 전분은 선형 고분자인 아밀로오스와 분지형 아밀로펙틴으로 구성되어 있고 도토리, 감자, 옥수수, 녹두, 타피오카, 밀 등의 식물에 주로 존재한다. 생분해성이 뛰어나기에 친환경 소재로 널리 사용되고 있으며 생체적합성, 무독성, 저비용의 장점이 있어 전분을 활용한 약물 전달 제형의 개발이 이루어지고 있다[12,13]. 본 연구에서는 식품 및 식품 첨가제, 한의약 약제로 많이 사용되는 도토리에서 추출한 도토리 전분을 이용하여 기능성 바이오소재를 제조하려 한다. 도토리 전분 (acorn starch, AS)는 친환경 소재이며 생체 적합성을 가진 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분, 녹두 전분 등을 이용한 기능성 바이오소재의 특성 및 응용에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으나, 아직 도토리 전분을 이용한 바이오소재에 대한 연구는 거의 없었다. 참나무 열매인 도토리는 지난 수 천년 동안 유럽, 아시아, 북아프리카, 중동 및 북미에서 다양한 식품 및 식량 공급원으로 사용되어 왔다. 우리나라에서는 도토리 전분을 이용하여 도토리묵, 당면, 떡 등의 식품으로 사용되 어지고 있다[14]. 도토리 전분에 대한 이화학적 특성은 많은 연구에 의해 보고되었으며, 특히 아밀로오스가 27~35%로 비교적 높은 함량을 가지고 있다[15,16]. 이전 연구에서 다양한 전분의 아밀로오스 합량을 분석했으며, 그 결과 옥수수 전분(amylose content (%), 20.83%), 밀 전분(amylose content (%), 23.71%), 고구마 전분(amylose content (%), 25.63%), 감자 전분 (amylose content (%), 34.53%)으로 나타났다. 또한, 아밀로오스 함량에 따른 생분해성 필름의 물리화학적 특성, 열적 안정성, 토양 분해 정도는 아밀로오스 함량이 증가함에 따라 증가한다고 보고하였다[17]. 그러므로 본 연구에서는 비교적 높은 아밀로오스 함량을 가진 도토리 전분을 사용하면 우수한 물리화학적 특성을 가진 생분해성 기능성 고분자 소재가 얻어질 것으로 판단되어 도토리 전분을 사용하였다. 또한, 도토리 전분을 이용한 생분해성 기능성 고분자 소재 제조와 응용에 관한 연구는 거의 보고가 되지 않았다.

    본 연구에서는 항간질 치료에 TDDS를 적용하기 위하여 CBZ가 각인된 도토리 전분(acorn starch, AS)/PVA 기반 바이오소재를 제조하고 바이오소재의 물리적 특성과 CBZ 흡착 및 방출 특성을 평가하였다. CBZ 흡착 특성은 흡착 평형 실험과 Scatchard plot 분석으로 확인하였으며, 방출 특성은 수학적 모델을 적용하여 메커니즘을 분석하였다. 또한, TDDS의 응용 가능성을 평가하고자 인공피부 테스트를 통해 CBZ 방출 특성을 확인하였다.

    2. 실 험

    2.1. 시약 및 재료

    Polyvinyl alcohol (PVA, 99% hydrolyzed; Mw: 89,000-98,000), glycolic acid (GA)와 mannitol (MT), carbamazepine (CBZ), ethanol, sodium phosphate monobasic, sodium phosphate dibasic, ethanol은 Sigma-Aldrich Company, Inc. (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였으며, 도토리 전분(acorn starch, AS)은 Chungwon Food, Inc. (Incheon, Korea)에서 구입하였다. 표준 완충용액(pH 4.0, pH 7.0, pH 10.0)은 ㈜ 덕산(Duksan Pharmaceutical Co., Ltd., Korea)에서 구입하여 사용하였다. 본 실험에서 사용된 증류수(distilled water, DW)는 탈이온화 후, 재 증류한 것을 사용하였다.

    2.2. AS/PVA 기반 바이오소재 제조

    CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재의 제조는 casting method와 UV 경화 공정을 이용하였다. 먼저, 100 °C의 DW 30 mL에 5 g의 PVA를 용해시켜 PVA 용액을 제조하고, 5 g의 AS를 DW 70 mL에 분산시켜 AS 용액을 제조하였다. 두 용액을 혼합하여 100 °C에서 500 rpm으로 10분간 교반한 후 균일한 겔화 용액이 되도록 실온에서 mechanical stirrer로 500 rpm, 60 min 동안 블렌딩하였다. CBZ 용액은 0.3 g의 CBZ를 ethanol 20 mL에 용해시켜 준비하였으며 해당 용액은 겔화 용액의 블렌딩 시 첨가하였다. 여기서, 현재 공급되고 있는 서방정 경구 제형의 CBZ 용량은 300 mg이므로 바이오소재에 첨가되는 CBZ의 함량을 0.3 g으로 설정하였다. 가소제로 GA 또는 MT를 첨가 할 경우, AS 용액 제조 시에 GA 또는 MT를 AS와 PVA 무게 기준 40.0 wt%로 첨가하였다. Aspirator를 이용하여 겔화 용액을 탈기시킨 뒤, 40 °C에서 보관된 Teflon mold (200 × 200 × 1 mm)에 부어 오븐에서 40 °C, 12 h 동안 건조시켰다. 제조된 바이오소재의 가교는 UV lamp (ULTRA VITALUX 300 W, OSRAM Co., Ltd., Seoul, Korea)로 수행하였다. 본 연구에서 4종류의 바이오소재를 제조하였으며, CBZ가 각인되지 않은 바이오소재는 ASP, CBZ가 각인된 바이오 소재는 ASPCBZ, GA 첨가 및 CBZ 각인 바이오소재는 ASPGACBZ, MT 첨가 및 CBZ 각인 바이오소재는 ASPMTCBZ로 명명하였다.

    2.3. AS/PVA 기반 바이오소재의 물리적 특성

    AS/PVA 기반 바이오소재의 내수성은 팽윤도(swelling degree)와 용해도(solubility)를 측정하여 평가하였다. 바이오소재를 DW에 넣고 24 h 후 꺼내어 표면의 수분을 제거해 질량을 측정하고 질량 차이를 이용하여 팽윤도를 식 (1)로 계산하였다.

    S w e l l i n g   d e g r e e = W e − W 0 W 0
    (1)

    여기서 W0는 DW 흡수 전의 건조 질량, We는 DW을 흡수한 바이오소재의 질량을 의미한다.

    팽윤된 바이오소재를 40 °C에서 24 h 동안 재건조한 뒤 질량을 측정하여 식 (2)를 통해 용해도를 계산하였다.

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

    여기서 Wd는 재 건조된 바이오소재의 질량이다.

    AS/PVA 기반 바이오소재의 기계적 특성인 인장강도(tensile strength, TS)와 파단 신율(elongation at break (%), EB)는 25 °C, 상대습도 50.0%에서 일주일간 보관 후 측정하였다. 먼저, 바이오소재를 ASTM D-421 규격으로 제조하고 Instron 6012 testing machine (Norwood, MA, USA)을 이용하여 TS와 EB을 분석하였다. 바이오소재의 두께는 시편의 12곳을 digimatic micrometer (Mitutoyo Co., Tokyo, Japan)로 측정하여 평균값을 사용하였고, 평균값은 0.124 ± 0.0019 mm로 측정 되었다. Gauge length 및 grip distance는 모두 50.0 mm이고 Crosshead 는 20 mm/min이며 load cell은 250 kgf였다.

    2.4. CBZ 및 AS/PVA 기반 바이오소재의 특성

    AS/PVA 기반 바이오소재의 형태학적 특성을 평가하기 위하여 제조한 바이오소재의 표면과 단면을 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, ZEISS Sigma 500, Carl Zeiss Co., Ltd., Germany)를 사용하여 5.0 kV의 가속 전압에서 관찰하였다. UV 조사 전/후의 CBZ의 안정성 및 제조한 바이오소재의 작용기 분석은 Fourier transform infrared spectrophotometry (FT-IR, Spectrum Two, Perkin Elmer, USA)를 통하여 조사되었다.

    2.5. CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재의 흡착 특성

    CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재의 흡착 특성은 항간질 치료 약물인 CBZ에 대한 흡착 실험을 수행하고 binding isotherm을 이용하여 조사하였다. 제조한 바이오소재에서 CBZ를 추출하기 위하여 ethanol과 DW를 1:1로 혼합한 공용매를 사용해 Soxhlet 추출법으로 CBZ를 12 h 동안 추출한 뒤 바이오소재를 40 °C에서 24 h 재 건조하였다. 추출된 CBZ는 UV-vis spectrophotometer (OPTIZEN 2120UV, Neogen, Co., Ltd., Korea)를 사용하여 검출하였다. 재 건조된 바이오소재를 30~ 180 mg/L 농도로 제조된 CBZ 용액 30 mL에 첨가하여 shaking incubator (DS-210SF, Daewon Science, Inc., Korea)에 넣어 50 rpm 및 25 °C에서 12 h 동안 흡착 평형 실험을 수행하였다. CBZ가 각인되지 않은 바이오소재에 대해서도 같은 조건으로 흡착 실험을 수행하였다. 바이오소재에 흡착된 CBZ의 흡착량 (Q)는 다음 식 (3)으로 계산하였다.

    Q ( m g / g ) = ( C i − C e ) V m
    (3)

    여기서 Ci는 흡착 전 CBZ의 농도, Ce는 흡착 평형 도달 후 CBZ의 농도, V는 흡착 시 용액의 부피, m은 재 건조된 바이오소재의 질량을 나타낸다. 제조한 바이오소재의 CBZ에 대한 결합 친화도는 Scatchard plot으로 분석하였으며, Scatchard 식은 다음 식 (4)와 같다[18].

    Q [ T e m p l a t e ] = ( Q max − Q ) V K D
    (4)

    여기서 Q는 바이오소재에 흡착된 CBZ의 양, Qmax는 겉보기 최대 결합 부위 수, [Template]는 흡착 평형에서 CBZ 농도, KD는 결합 부위의 평형 해리 상수이다.

    2.6. CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재의 방출 특성

    CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재의 pH 변화에 따른 약물 방출 거동은 사람의 체온인 36.5 °C에서 다양한 pH의 완충용액(pH 4.0, 7.0, 10.0)을 이용하여 평가하였다. 제조한 바이오소재를 완충용액 30 mL에 첨가해 shaking incubator에 넣어 바이오소재로부터 CBZ를 50 rpm 조건으로 방출하였다. 이후 방출 시간에 따라 용액의 상등액을 취하여 UV-vis spectrophotometer를 이용해 CBZ의 흡수 파장인 276 nm 에서 방출된 CBZ의 농도를 측정하였다. 또한, 인공피부(Neoderm®- ED, Tego Science, Inc, Korea) 테스트를 이용하여 제조한 바이오소재의 TDDS 응용 가능성을 평가하였다. Agarose gel 배지 위에 구성된 인공피부에 CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재를 부착하고 사람의 피부 조건인 36.5 °C 및 RH 60.0%에서 방출 특성을 확인하였다.

    약물의 방출 메커니즘을 파악해 방출 동역학을 평가하고자 수학적 모델로 Fickian diffusion 모델과 Korsmeyer-Peppas 모델을 적용하여 CBZ 방출 동역학을 확인하였다. Fick의 법칙은 바이오소재로부터 방출되는 약물의 확산계수를 확인하는 데 이용되며 식 (5)로 나타낼 수 있다.

    ∂ C ∂ t = D ∂ 2 C ∂ x 2
    (5)

    여기서 C는 방출 시간 t에서의 약물 농도, D는 확산계수를 나타낸다. 얇은 고분자 판상에서 식 (5)를 trigonometrical series 형태로 배열하면 식 (6)으로 나타낼 수 있으며, 이를 Fickian diffusion 모델이라 한다 [19,20].

    M t M ∞ = 1 − ∑ n = 0 ∞ 8 ( 2 n + 1 ) 2 π 2 e x p [ − D e ( 2 n + 1 ) 2 π 2 l 2 t ]
    (6)

    여기서 Mt는 시간 t에서 방출되는 약물의 농도, M∞는 무한대 시간에서 방출되는 약물의 농도를 나타낸다. l은 고분자 판상 두께의 절반을 의미하며 De는 확산계수를 의미한다.

    Korsmeyer-Peppas 모델은 식 (7)과 같이 나타낸다[21].

    M t M ∞ = k t n
    (7)

    여기서 k는 약물 방출 상수이고, n은 확산지수로 약물 방출 메커니즘을 의미하며 n < 0.5는 pseudo-Fickian diffusion 메커니즘이고, n = 0.5 는 Fickian diffusion 메커니즘, 0.5 < n < 1.0는 non-Fickian diffusion 메커니즘이다.

    2.7. 통계 분석

    본 연구의 실험 결과는 5번의 평균값 ± 표준편차(standard deviation, SD)로 나타내었고, 반복 실험을 통해 t-test를 이용하여 통계적 유의성을 확인하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. AS/PVA 기반 바이오소재의 물리적 특성 평가

    기존 바이오소재에 이용하는 합성고분자에 비하여 천연고분자 소재는 상대적으로 물리적 특성이 취약하다는 문제가 있으므로 TDDS용 바이오소재로써 응용하기 위해선 전분 기반 바이오소재의 물리적 특성을 개선 및 평가하여야 한다. Figure 1(a)는 UV 조사에 따른 ASP의 내수성을 평가한 결과이다. UV 조사 시간이 증가할수록 팽윤도 (swelling degree)와 용해도(solubility)가 감소하는 경향을 나타내었으며, 특히 UV 조사 30 min까지 급격하게 감소하였다. 이는 UV 조사에 의해 ASP의 가교도가 향상되어 내수성이 증가되었음을 의미한다. UV 조사 시간이 30 min을 초과하였을 경우 팽윤도와 용해도는 유의미한 감소를 보이지 않았으며 UV 조사 시간 40 min에서 바이오소재의 산화가 발생하여 최적의 UV 조사 시간을 30 min로 설정하였다. Figure 1(b)는 제조한 바이오소재의 TS 및 EB를 나타낸 결과로 바이오소재에 CBZ가 각인될 시 인장강도와 파단 신율에 큰 영향을 미치지 않아 비교적 유사한 값을 가지는 것이 확인된다. 그러나 가소제를 첨가한 ASPGACBZ 및 ASPMTCBZ는 인장강도가 감소하고 파단 신율이 증가하였다. 이는 GA와 MT의 작용기인 carboxyl group과 hydroxyl group이 제조한 바이오소재의 분자간 상호작용에 영향을 줌으로써 유연성이 증대되어 결과적으로 연신율이 향상되었기 때문이다.

    3.2. CBZ 및 AS/PVA 기반 바이오소재의 특성

    AS/PVA 기반 바이오소재의 표면과 단면에 대한 FE-SEM 이미지는 Figure 2(a-d)에서 확인된다. UV 조사 후 제조한 바이오소재는 균열, 응집, 기공 등 없이 비교적 균일하게 형성되었음이 확인되며, CBZ와 가소제가 첨가된 바이오소재 또한 균일하게 형성된 것으로 나타났다. Figure 3(a)는 UV 조사 전/후 CBZ의 FT-IR 스펙트럼 결과로, 3465 cm-1에서 NH 신축진동과 관련된 peak가 나타났고 1674, 1594, 1385 cm-1의 peak는 각각 C=O, C=C, C≡N의 진동에 해당한다[22]. 제조한 바이오소재들의 FT-IR 스펙트럼은 Figure 3(b)에서 확인된다. 3277 cm-1의 넓은 band는 hydroxyl group에 해당하며 1414 및 1326 cm-1의 band는 CH2의 굽힘 진동과 관련이 있고 921 및 845 cm-1의 band는 전분의 ring 구조에서 –COC- 결합의 진동에 기인하는 결과이다. CBZ가 각인된 바이오소재는 1380 cm-1에서 C≡N의 진동과 관련된 피크가 확인되었다. 가소제가 첨가된 바이오소재는 GA와 MT의 구조적인 특성으로 인하여 1729 cm-1(C=O), 1078 및 1017 cm-1(C-OH)에서 피크가 깊게 형성되었다[23,24].

    3.3. 흡착 특성

    CBZ 각인 특성을 평가하기 위해 제조한 바이오소재에서 CBZ를 추출한 결과는 Figure 4(a)에서 확인된다. CBZ가 각인된 바이오소재에서 CBZ는 첨가된 가소제의 종류에 따라 추출 시간이 약간 차이가 있었으나 상온에서 12 h 동안 99.0% 이상 추출되었다. Figure 4(b)는 CBZ 각인 바이오소재에서 약물인 CBZ에 대한 흡착 평형 결과를 보여준다. CBZ의 농도가 증가함에 제조한 바이오소재에 대한 CBZ 흡착량 (Q)이 증가하는 경향을 나타내었으며 180 mg/L 농도에서 CBZ 가 각인된 바이오소재는 CBZ가 각인되지 않은 바이오소재보다 1.24~ 1.86배 더 높은 Q값을 보였다. 또한, 첨가된 가소제에 종류에 따라 Q 값이 상이하였고 ASPGACBZ가 ASPMTCBZ보다 높은 Q값을 가지는 것이 확인된다. 이러한 결과는 MT에 존재하는 다수의 hydroxyl group이 바이오소재 내부의 CBZ 흡착에 대한 결합 부위를 더 많이 형성하는 데 기여하였기 때문이라 판단된다.

    제조한 바이오소재의 CBZ에 대한 결합 부위와 친화도는 Scatchard plot으로 평가할 수 있으며 그 결과는 Figure 4(c)에서 확인된다. 결과로부터 직선으로 간주할 수 있는 두 군데가 나타났으며 이러한 두 직선은 CBZ 각인 바이오소재에 CBZ의 결합 부위가 존재하는 것을 의미한다. X. Liu 등은 Scatchard plot의 가파른 직선과 완만한 직선은 각각 높은 친화도를 가지는 결합 부위와 낮은 친화도를 가지는 결합 부위와 관련이 있다고 보고하였다[25]. 이에 따라, 식 (4)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    Q / [ T e m p l a t e ] = Q max1 − Q 2 K D 1 − Q max2 − Q 2 K D 2
    (8)

    여기서 Q1, Qmax1, KD1은 높은 친화도의 결합 부위와 관련이 있고 Q2, Qmax2, KD2는 낮은 친화도의 결합 부위와 관련이 있다. Table 1는 식 (8)을 통해 계산한 평형 해리 상수 (KD1, KD2, KD) 및 최대 겉보기 결합 수 (Qmax1, Qmax2, Qmax)에 대한 결과이다. 바이오소제에 첨가된 가소제 에 따라 Qmax에 차이를 보였으며, ASPMTCBZ의 Qmax(337.62 mg/g)가 가장 높은 값을 나타냈다. 이러한 결과는 ASPMTCBZ가 가장 많은 결 합 부위를 지니고 있음을 보여주며 Figure 4(c)의 결과와 같이 ASPMTCBZ가 가장 많은 CBZ를 흡착할 수 있으므로 CBZ에 대한 흡 착능이 우수하다는 것으로 평가할 수 있다. 이러한 흡착 결과로부터 체내·외 방출된 약물의 함량을 측정하고, 이에 따른 복용량을 결정할 수 있을 것이라 판단된다.

    3.4. CBZ 방출 특성

    Figure 5(a-c)는 다양한 pH의 완충용액 및 36.5 °C에서 평가한 CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재의 CBZ 방출 거동과 수학적 모델을 적 용한 결과를 보여주며, Table 2는 수학적 모델을 적용하여 계산된 매 개변수를 나타낸다. 바이오소재에서 CBZ는 60 min 이내에 빠르게 방 출되었으며, 60 min 초과 시 상대적으로 느리게 방출되어 120 min 방 출되었다. 또한, pH가 높아질수록 CBZ의 방출 속도가 증가하였는데 이는 높은 pH에서 전분의 구성성분이 분해돼 바이오소재의 고분자 네트워크가 붕괴하여 CBZ가 빠른 속도로 방출 매질인 완충용액에 유 입된 것으로 판단된다[26]. 첨가된 가소제에 따라 CBZ 방출은 ASPMTCBZ > ASPGACBZ > ASPCBZ 순서로 빠른 속도를 보였는데 이는 가소제의 높은 용해도로 인해 바이오소재에서 CBZ가 더 빠르게 완충용액으로 확산된 것으로 판단된다. 수학적 모델을 비교하였을 때, Fickian diffusion 모델의 R2 값이 더 크므로 Korsmeyer-Peppas 모델보 다 적합하였고 확산계수인 De는 pH가 높아질수록 증가하였다. 또한, 확산지수인 n 값은 모든 바이오소재에서 0.5 미만이므로 완충용액에 서의 CBZ 방출 메커니즘은 pseudo-Fickian diffusion 메커니즘을 따르 는 것으로 평가되었다.

    CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재에 대한 TDDS 응용 가능성은 인공 피부 테스트를 통해 평가하였다. Figure 6 및 Table 3는 36.5 °C, RH 60%에서 바이오소재를 인공피부에 적용하였을 때 CBZ 방출 특성 결과이다. 제조한 바이오소재로부터 12 h 동안 CBZ가 지속적으로 방출되었으며, 완충용액에서의 CBZ 방출 결과와 같이 ASPMTCBZ > ASPGACBZ > ASPCBZ 순으로 빠른 방출 속도를 나타내었다. 또한, 인공피부 테스트에서는 Korsmeyer-Peppas 모델이 Fickian diffusion 모델보다 CBZ 방출 거동을 더 적절히 예측하였고, n 값은 모두 0.5를 초과하였으므로 non-Fickian diffusion 메커니즘을 따르는 것이 확인되었다. 이 결과는 Korsmeyer-Peppas 모델을 이용하여 실제 피부에 경피 약물 전달 바이오소재를 적용하였을 때, 약물의 방출 정도를 수학적으로 해석할 수 있으며, 약물의 투여량 역시 예측할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 약물 방출 실험 결과로부터 가소제 종류와 pH에 따라 약물 방출 제어가 가능하다고 할 수 있으며, 이러한 결과를 토대로 의료용 약물전달 패치로 적용 가능할 수 있다고 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 항간질 치료에 TDDS를 적용하기 위하여 CBZ 각인 AS/PVA 기반 바이오소재를 제조하였다. AS/PVA 기반 바이오소재의 내수성은 UV 조사 시간에 따라 분석하였으며 최적의 UV 조사 시간은 30 min으로 설정하였다. 또한, UV를 조사한 바이오소재의 TS와 EB을 측정하여 기계적 특성을 평가하였다. 제조한 바이오소재의 표면 특성은 FE-SEM으로 확인하였고 FT-IR 분석을 통해 UV 조사 전/후의 CBZ의 안정성과 제조한 바이오소재의 구성 성분에 대한 작용기를 확인하였다. CBZ 흡착 특성은 흡착 평형 실험 및 Scatchard plot 분석을 통해 평가되었고, 그 결과 CBZ가 각인된 바이오소재는 각인되지 않은 바이오소재에 비하여 1.24~1.86배 더 높은 CBZ 흡착량을 나타내었으며, Scatchard plot 분석에 의해 CBZ 각인 바이오소재에 CBZ의 결합 부위가 있는 것으로 확인되었다. 다양한 pH의 완충용액에서 제조한 바이오소재의 CBZ는 120 min 이내에 방출되었고, pH가 증가할수록 빠른 방출 속도를 보였다. 수학적 모델 적용 시 Korsmeyer-Peppas 모델에 비해 Fickian diffusion 모델이 더 적합하게 설명되었다. 실질적인 TDDS 적용 가능성을 확인하기 위해 인공피부 테스트를 수행한 결과, CBZ는 12 h 동안 지속적으로 방출되었고 방출 동역학은 Korsmeyer- Peppas 모델이 더 적합하였다. 또한, 완충용액에서 CBZ의 방출 메커니즘은 pseudo-Fickian diffusion 메커니즘을 따랐고 인공피부에서는 non-Fickian diffusion 메커니즘을 따르는 것을 확인하였다.

    감 사

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

    Figures

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    Physical properties of AS/PVA-based biomaterials. (a) Water resistance properties of AS/PVA-based biomaterials with various UV irradiation time. (b) Mechanical properties of AS/PVA-based biomaterials with UV irradiation for 30 min.
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    FE-SEM images of surface and cross-section of AS/PVAbased biomaterials with UV irradiation. (a) AS/PVA-based biomaterials. (b) CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials. (c) GA-added CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials. (d) MT-added CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials.
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    FT-IR spectra of CBZ and AS/PVA-based biomaterials. (a) FT-IR spectra of CBZ with/without UV irradiation. (b) FT-IR spectra of AS/PVA-based biomaterials with/without the addition of CBZ and plasticizers.
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    Adsorption properties of AS/PVA-based biomaterials. (a) Extraction ratio(%) of CBZ into CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials. (b) Binding isotherm of CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials. (c) Scatchard plot analysis of CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials.
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    Release properties of CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials at various pH buffers and 36.5 °C. The symbols represent the CBZ release behavior, and the long dash and solid lines depict the Fickian diffusion and Korsmeyer-Peppas model fitting, respectively.
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    Release properties of CBZ imprinted AS/PVA-based biomaterials using artificial skin test at 36.5 °C and RH 60%. The symbols represent the CBZ release behavior, and the long dash and solid lines depict the Fickian diffusion and Korsmeyer-Peppas model fitting, respectively.

    Tables

    KD and Qmax Were Calculated from the Slope and Intercept of the Scatchard Plot

    Fickian Diffusion and Korsmeyer-Peppas Model Parameters of CBZ Release from CBZ Imprinted AS/PVA-based biomaterials at Various pH Buffers and 36.5 °C.

    Fickian Diffusion and Korsmeyer-Peppas Model Parameters of CBZ Release from CBZ Imprinted AS/PVA-based biomaterials Using Artificial Skin Test at 36.5 °C and RH 60%.

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