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한국섬유공학회지, Vol. 52, No. 1, 14-19http://dx.doi.org/10.12772/TSE.2015.52.014

ISSN 1225-1089 (Print)

ISSN 2288-6419 (Online)

전기방사를 이용한 경피 약물 전달 체계용 알지네이트 웹 제조

구민경1 ∙ 김창현

1 · 김형섭2†

1건국대학교 공과대학 섬유공학과, 2건국대학교 공과대학 유기나노시스템공학과

Preparation of Electrospun Alginate Webs for Transdermal Drug Delivery SystemsMin Kyung Ku1, Changhyun Kim2, and Hyungsup Kim2†

1Department of Textile Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701, Korea2Department of Organic and Nano System Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701, Korea

1. 서 론

알지네이트는 풍부한 양, 생체친화성, 생분해성 그리고무독성 등의 장점을 가지고 있어 다양한 분야에서 사용되고 있다[1−5]. 알지네이트는 우로네이트(uronate)라는 단량체로 이루어져 있으며, 우로네이트는 결합 방식에 따라2가지의 이성질체를 가지게 된다. α 결합을 하면 글루론산(gluuronic acid, G) 그리고 β 결합을 하면 만누론산(mannuronic acid, M)이라 한다. 따라서 알지네이트는 만누론산으로만 연결된 블록(block), 글루론산으로만 연결된블록 그리고 만누론산과 글루론산이 번갈아 가며 연결된 블록들의 공중합체이다. 알지네이트가 1가 양이온과 결합하고 있는 경우에는 수용성을 가지고 있어, 유독한 용매를 사용하는 다른 천연 고분자들과는 달리 물을 용매로 사용할수 있다. 알지네이트가 다가 양이온과 결합을 하면, 물에녹지 않는 3차원 구조를 형성하게 되고, 계란 상자(egg-box)모양을 가지게 된다[6,7]. 가교결합의 정도에 따라 알지네이트의 팽창 정도가 달라지게 되고, 다른 용질의 투과성에도 변화를 주게 된다. 이러한 메커니즘을 통해 알지네이트

를 약물 전달 체계에 사용될 수 있다[8−10]. 대부분의 약물전달용 알지네이트는 작은 입자의 형태로 제조되고 있다.그러나 이러한 작은 입자보다 나노/마이크로 섬유 웹으로제조될 경우 큰 비표면적과 복잡한 기공구조로 인하여 약물 방출 프로필을 조절할 수 있다[11]. 그러나 알지네이트는 수용액에서 해리되었을 때, 사슬이 음이온을 띄며 사슬간의 강한 반발력을 형성하여 사슬간 엉킴이 어려워진다[12]. 또한 알지네이트 사슬 구조 중, 글루론산으로만 연결된 부분에서 사슬 내의 존재하는 수소결합 형성한다. 이로인해 알지네이트 사슬의 유연성이 낮아지고, 강건하고 펼쳐진 형태를 유지하여 사슬 간의 엉킴 형성이 어려워 낮은방사성을 가진다[13,14]. 따라서 알지네이트를 섬유로 제조하기 위해서는 반발력을 감소시키고 분자 내 수소결합을감소시켜 엉킴을 향상시키려는 연구가 진행되어 왔다[12,13,15−17]. 가장 많이 사용되는 방법으로는 PEO(polyethyleneoxide)나 PVA(polyvinyl alcohol)와 같은 유연한 고분자를 캐리어(carrier) 고분자로 사용한 것이다[12,15−17]. 알지네이트 용액에 캐리어 고분자를 첨가함으로써 알지네이트 사슬간의 강한 반발력이 감소하여 전기방사가 가능하게 되었다.

†Corresponding Author: Hyungsup KimE-mail: iconclast@konkuk.ac.kr

Received December 17, 2014Revised December 29, 2014Accepted January 28, 2015

ⓒ2015 The Korean Fiber Society

Abstract: In this study, alginate was electrospun for transdermal drug delivery systems.The spinnability of alginate was improved by the reduction of intra-molecular hydrogenbonding using glycerol. The prepared alginate solutions were electrospun and coagulatedin CaCl2 aqueous solution for improved dimensional stability. To observe release ability, theelectrospun alginate web was immersed in phosphate buffered saline (PBS) solution.Although 60% of dextran (drug model) was released from the prepared web within30 minutes, the remaining drug was released continuously over 3 days. The results indi-cated that the prepared alginate web could be used as a transdermal drug delivery system.

Keywords: alginate, electrospinning, drug delivery system, dextran, drug releasing ability

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그러나 이는 알지네이트의 방사성이 향상된 것이 아니라,캐리어 고분자가 방사되면서 알지네이트가 캐리어 고분자와 함께 섬유의 형태를 가지게 된 것이다. 알지네이트 자체의 방사성을 향상시키기 위해서는 알지네이트 사슬 내의존재하는 수소결합을 감소시켜야 한다. 수소결합을 감소시키는 위해서는 글리세롤[13]이나 산화제[14,18−20]를 사용하는 방법이 있다. 그러나 산화제를 사용한 경우에는 사슬의 절단이 일어나며, 수소결합의 감소나 산화의 균일도를조절하기 어렵다. 따라서 글리세롤을 사용하여 알지네이트를 섬유화한 연구가 더 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 경피 약물 전달용 알지네이트 웹을 제조하였다. 알지네이트/글리세롤/약물 용액을 전기방사한 후염화칼슘 수용액에 침지하여 웹의 형태안정성을 향상시켰다. 약물 첨가량을 증가시킴에 따라 용액의 방사성 및 웹의 형태와 특성을 관찰하였다. 또한, 경피 약물 전달 체계에 사용할 수 있는 가능성을 확인하기 위해, 약물 방출 특성을 분석하였다.

2. 실 험

2.1. 알지네이트/글리세롤/약물 용액 및 웹 제조전기방사 웹을 제조하기 위해 알지네이트(중점도, 씨그마알드리치, 미국)를 증류수에 중량비 4%로 용해시켰다. 알지네이트의 전기방사성을 향상시키기 위해, 글리세롤(YakuriPure Chemicals, 일본)을 증류수의 무게에 비하여 1:2 비율로첨가하였다(A4G3). 약물 모델로는 Fluorescein isothiocyanate형광물질이 부착된 덱스트란(FITC-dextran, 평균분자량4,000, 씨그마알드리치, 미국)을 사용하여, 알지네이트의 무게에 비하여 1, 5, 10%로 첨가하였다(Table 1). 약물을 알지네이트/글리세롤 용액에 분산시키기 위해 초음파 처리를1−2시간 해주었다. 균일하게 혼합된 용액을 Table 2에 나타낸 조건으로 전기방사하였으며, 웹의 형태안정성을 향상시키기 위하여 중량비 3%의 염화칼슘(CaCl2, 무수, 씨그마알드리치, 미국)에 90−120분간 침지시켰다. 방사된 웹에 남아있는 글리세롤을 제거하기 위해 에탄올(덕산, 대한민국)로세척해 주었다. 그 후 60oC 오븐에서 하루 동안 건조시켜웹을 얻었다.

2.2. 특성분석약물 첨가에 따른 알지네이트 용액의 유변학적 거동의

변화를 관찰하기 위해 레오미터(RS-1, Haake, Germany)를측정하였다. 전기방사된 웹의 형태 및 약물의 분산 정도를확인하기 위해, 공초점 레이저 주사 현미경(Confocal LaserScanning Microscope, LSM710, Carl Zeiss MicroscopyGmbH, Germany)을 사용하였다. 약물에 의한 알지네이트의 화학 구조, 미세결정구조 그리고 열 안정성의 변화를 관찰하기 위해, 적외선 분광 광도계(Fourier Transform InfraredSpectrometer, Nicolet 6700, Thermo Scientific, USA), X-선회절분석기(X-ray Diffractometer, Ultima IV, Rigaku, Japan)그리고 열 중량 분석기(Thermo Gravimetric analysis, TGA4000,Perkin Elmer, USA)를 사용하였다.

2.3. 약물 방출 거동 분석전기방사된 알지네이트 웹이 약물 전달 체계에 적용될수 있는지를 확인하기 위해, in vitro 실험을 진행하였다.37 oC, pH 7.4의 인산 완충 식염수(PBS, Phosphate bufferedsaline, 0.01 M, 씨그마알드리치, 미국)에 알지네이트 웹을침지한 후 교반하였다. 이후 0분−3일 동안 PBS 용액을3 ml씩 용액을 추출한 후, 용액을 고속 액체 크로마토그래

피(high performance liquid chromatography, vacuum degasserand valve module SDV50A, solvent delivery pump SP930D,absorbance detector UV730D, 영린기기, 대한민국)를 통해 약물 방출량을 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 알지네이트/글리세롤/약물 용액의 유변학적 거동Figure 1과 Figure 2는 알지네이트/글리세롤 용액에 약물을 첨가하였을 때, 용액의 유변학적 거동을 보여준다.약물 첨가에 따른 G'과 G''의 거동과 용액의 점도 차이는크게 나타나지 않았으며, 약물을 첨가한 용액은 알지네이트/글리세롤 용액에 비하여 점도가 감소하였다. 이는 약물이 알지네이트/글리세롤 용액 속에 존재하는 알지네이트 사슬 구조에 영향을 주지 않았으나 저분자 물질인 모델 약물이 알지네이트 분자 사이에 존재하여 점도를 낮춘 것으로 판단된다. 유변학적 거동 분석 결과 첨가된 약물은 용액의 방사성 변화에 영향을 주지 않을 것으로 추정된다.

Table 2. Electrospinning conditions

Condition LevelVoltage 20−22 kVPressure 1 kgf/cm2 (0.1 MPa)Tip 20 gauge, 0.91 (outer diameter),

0.6 (inner diameter)Tip-to-collector distance (TCD) 9.5 cm

Table 1. Solution preparation conditions

Drug concentration Alginate/glycerol mixture (A4G3)1 wt% A4D15 wt% A4D5

10 wt% A4D10

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3.2. 알지네이트/약물 웹의 형태Figure 3은 전기방사된 알지네이트/약물 웹의 형태를 보여준다. 약물 농도에 따른 용액의 방사성에는 큰 차이가 나타나지 않았다. 모든 웹이 매끄러운 표면을 가진 섬유 형

태를 가지고 있다. 섬유에 약물이 잘 분산되어 있는지를 확인하기 위하여 FITC 형광물질을 측정해 본 결과, 약물의농도와 관계없이 매우 잘 분산되어 있음을 확인하였다. 또한 약물의 양이 증가할수록, 알지네이트 섬유가 더 많은 약물을 함유하고 있음을 확인할 수 있었다. 많은 약물을 함유하고 있음에도 불구하고 방사성에 큰 차이가 나타나지않은 이유는 첨가된 약물의 양이 알지네이트 무게에 비하여 매우 소량으로 전체 시스템에 영향을 주지 않기 때문이며, 약물이 알지네이트 용액에 골고루 분산되었기 때문이다.

3.3. 알지네이트/약물 웹의 화학 구조Figure 4는 알지네이트 분말, 덱스트란 그리고 전기방사된 알지네이트/약물 웹의 화학 구조변화를 관찰하기 위해,FT-IR을 측정한 결과이다. 알지네이트는 3272(vibration ofhydrogen bonded -OH), 1598(symmetric COO- vibration),그리고 1406 cm-1(asymmetric COO- vibration)에서 피크가관찰되었고, 덱스트란은 3423(stretching of –OH), 1647(bending of water molecule), 2929(stretching of –CH2),1458(bending of –CH2), 1157(glycosidic linkage, C-O-C), 그리고 1016(stretching of C-O) cm-1에서 피크가 관찰되었다.약물이 웹에 함유되어 있음에도 불구하고 약물 첨가에 따른 웹의 화학 구조는 달라지지 않았다. 이는 약물이 알지네이트와 화학적으로 결합한 것이 아니라, 물리적으로 결합을 하였기 때문이다. 또한 약물을 포함하고 있는 웹에 덱스트란의 피크가 잘 나타나지 않을 것은 약물의 양이 전체알지네이트에 비하여 상대적으로 매우 적기 때문이다.

3.4. 미세결정구조Figure 5(a)는 알지네이트와 덱스트란 분말, Figure 5(b)는약물을 포함한 알지네이트 웹의 미세결정구조를 보여준다.알지네이트 분말은 13.5 o와 22 o에서 각각 글루론산과 만누론산 영역의 결정 피크를 형성하였으며, 덱스트란은 무결정성으로 결정 피크가 관찰되지 않았다. 전기방사된 알지

Figure 1. Storage (G’) and loss (G’’) moduli of alginate/glycerol/drugsolutions.

Figure 2. Viscosity of alginate/glycerol/drug solutions.

Figure 3. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) images of electrospun drug-loaded alginate webs of different drug concentrations;(a) 1 wt%, (b) 5 wt%, and (c) 10 wt%.

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네이트 웹은 낮은 결정화도를 나타내었는데, 빠른 가교결합 속도로 인해 결정을 형성하는 시간이 부족했기 때문으로 추정된다[21]. 또한 모든 전기방사된 웹에서는 글루론산

영역의 결정은 거의 사라지고, 주로 만누론산 영역의 결정만 남아있는 것이 관찰되었다. 이는 방사성을 향상시키기위해 첨가하였던 글리세롤에 의한 것으로[22], 글루론산 영역에 존재하는 수소결합을 감소시킴에 따라 결정을 형성하는 드라이빙포스(driving force)가 약해졌기 때문이다. 또한덱스트란에 의한 결정화도의 변화도 크게 나타나지 않았는데, 이는 알지네이트와 덱스트란이 물리적 결합을 하고 있기 때문이다.

3.5. 열적 특성Figure 6과 Table 3은 덱스트란과 전기방사된 웹의 열 분해 거동을 보여준다. 160−170 oC에서는 친수성인 덱스트란이 포함하고 있는 물이 증발에 의한 것이고, 300 oC에서는

Figure 4. Fourier transform infrared (FT-IR) spectra of alginate,dextran, and electrospun alginate webs.

Figure 5. X-ray diffraction (XRD) patterns of (a) alginate, dextran,and (b) electrospun alginate webs.

Figure 6. Thermogravimetric/derivative thermogravimetric (TG/DTG) curves of (a) dextran and (b) electrospun alginates.

Table 3. Degradation temperatures of drug-loaded alginate webs

Sample code Td (oC)A4G3A4D1A4D5A4D10

251253252259

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덱스트란이 열분해에 의한 것이다. 반면에 약물을 포함하고 있는 알지네이트 웹은 252 oC에서 대부분 분해되었다.

3.6. 약물 방출 거동Figure 7은 시간에 따른 알지네이트 웹의 약물 방출 거동을 나타낸다. 30분 이내로 60%의 약물이 방출되었지만(burstrelease), 남아있는 약물이 3일 동안 서서히 방출되는 것을확인할 수 있었다. 처음 30분 동안 염화칼슘에 의하여 가교되지 않은 알지네이트가 인산 완충 식염수 속에서 용해가 되면서 약물이 빠르게 방출하였고, 이후 3일 동안에는수용성인 덱스트란(약물)이 알지네이트 웹으로 부터 방출되었을 것으로 추측된다. 또한 Table 4에서 보이듯, 약물의농도가 중량비 1%인 경우에는 거의 서방성이 관찰되지 않았지만, 약물의 농도가 증가함에 따라 서방성의 증가하는것을 알 수 있었다.이를 통해 전기방사된 알지네이트 웹이 약물 전달 시스템에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결 론

알지네이트/글리세롤 용액에 약물을 첨가하여 성공적으로 전기방사하였다. 약물 첨가에 따른 용액의 방사성 및 전기방사된 알지네이트의 형태, 화학 구조, 미세결정구조 그리고 열 안정성은 크게 변하지 않았다. 그럼에도 불구하고약물의 농도가 증가함에 따라 전기방사된 웹에 더 많은 약물이 골고루 분산되어 있었으며, 약물 방출 특성을 관찰한결과를 보아 대부분의 약물이 초반에 급격하게 방출되었지

만, 웹에 남아있는 약물이 서서히 방출되었다. 따라서 약물을 함유하고 있는 전기방사된 알지네이트 웹은 약물 전달체계에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글: 이 논문은 2014년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(한국연구재단-2012-NRF-2012R1A1A2008620).

References

1. N. Bhattarai, Z. Li, D. Edmondson, and M. Zhang, “Alginate-Based Nanofibrous Scaffolds: Structural, Mechanical, andBiological Properties”, Adv. Mater., 2006, 18, 1463−1467.

2. Q. Ain, S. Sharma, G. Khuller, and S. Garg, “Alginate-basedOral Drug Delivery System for Tuberculosis: Pharmacokineticsand Therapeutic Effects”, J. Antimicrob. Chemother., 2003, 51,931−938.

3. B.-J. Lee and G.-H. Min, “Oral Controlled Release of MelatoninUsing Polymer-reinforced and Coated Alginate Beads”, Int. J.Pharm., 1996, 144, 37−46.

4. G. R. Trout, C. Chen, and S. Dale, “Effect of Calcium Carbonateand Sodium Alginate on the Textural Characteristics, Colorand Color Stability of Restructured Pork Chops”, J. Food Sci.,1990, 55, 38−42.

5. J. L. Drury and D. J. Mooney, “Hydrogels for Tissue Engineering:Scaffold Design Variables and Applications”, Biomaterials,2003, 24, 4337−4351.

6. E. R. Morris, D. A. Rees, D. Thom, and J. Boyd, “Chiropticaland Stoichiometric Evidence of a Specific, Primary DimerisationProcess in Alginate Gelation”, Carbohydr. Res., 1978, 66, 145−154.

7. P. Sikorski, F. Mo, G. Skjåk-Bræk, and B. T. Stokke, “Evidencefor Egg-Box-Compatible Interactions in Calcium-AlginateGels from Fiber X-ray Diffraction”, Biomacromolecules, 2007,8, 2098−2103.

8. F.-L. Mi, H.-W. Sung, and S.-S. Shyu, “Drug Release from

Figure 7. Drug release profiles of drug-loaded alginate webs for different drug concentrations.

Table 4. Drug release from drug-loaded alginate webs from 3 h to 72 h

Sample code Increment of drug (%)A4D1 3.23A4D5 10.63

A4D10 16.07

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Chitosan–alginate Complex Beads Reinforced by a NaturallyOccurring Cross-linking Agent”, Carbohydr. Polym., 2002, 48,61−72.

9. A. Badwan, A. Abumalooh, E. Sallam, A. Abukalaf, and O.Jawan, “A Sustained Release Drug Delivery System UsingCalcium Alginate Beads”, Drug. Dev. Ind. Pharm., 1985, 11,239−256.

10. C. Knill, J. Kennedy, J. Mistry, M. Miraftab, G. Smart, M.Groocock, and H. Williams, “Alginate Fibres Modified withUnhydrolysed and Hydrolysed Chitosans for WoundDressings”, Carbohydr. Polym., 2004, 55, 65−76.

11. D.-G. Yu, L.-M. Zhu, K. White, and C. Branford-White,“Electrospun Nanofiber-based Drug Delivery Systems”,Health, 2009, 1, 67−75.

12. S. Safi, M. Morshed, S. H. Ravandi, and M. Ghiaci, “Study ofElectrospinning of Sodium Alginate, Blended Solutions ofSodium Alginate/poly(vinyl alcohol) and Sodium Alginate/poly(ethylene oxide)”, J. Appl. Polym. Sci., 2007, 104, 3245−3255.

13. H. Nie, A. He, J. Zheng, S. Xu, J. Li, and C. C. Han, “Effects ofChain Conformation and Entanglement on the Electro-spinning of Pure Alginate”, Biomacromolecules, 2008, 9,1362−1365.

14. O. Smidsrød and T. Painter, “Effect of Periodate OxidationUpon the Stiffness of the Alginate Molecule in Solution”,Carbohydr. Res., 1973, 26, 125−132.

15. Y. J. Lee, D. S. Shin, O. W. Kwon, W. H. Park, H. G. Choi, Y. R.Lee, S. S. Han, S. K. Noh, and W. S. Lyoo, “Preparation of

Atactic Poly(vinyl alcohol)/sodium Alginate Blend Nanowebsby Electrospinning”, J. Appl. Polym. Sci., 2007, 106, 1337−1342.

16. H. Nie, A. He, W. Wu, J. Zheng, S. Xu, J. Li, and C. C. Han,“Effect of Poly(ethylene oxide) with Different MolecularWeights on the Electrospinnability of Sodium Alginate”,Polymer, 2009, 50, 4926−4934.

17. J.-W. Lu, Y.-L. Zhu, Z.-X. Guo, P. Hu, and J. Yu,“Electrospinning of Sodium Alginate with Poly(ethyleneoxide)”, Polymer, 2006, 47, 8026−8031.

18. C. Gomez, M. Rinaudo, and M. Villar, “Oxidation of SodiumAlginate and Characterization of the Oxidized Derivatives”,Carbohydr. Polym., 2007, 67, 296−304.

19. T. Boontheekul, H.-J. Kong, and D. J. Mooney, “ControllingAlginate Gel Degradation Utilizing Partial Oxidation andBimodal Molecular Weight Distribution”, Biomaterials, 2005,26, 2455−2465.

20. K. A. Kristiansen, H. B. Tomren, and B. E. Christensen,“Periodate Oxidized Alginates: Depolymerization Kinetics”,Carbohydr. Polym., 2011, 86, 1595−1601.

21. C. K. Kuo and P. X. Ma, “Ionically Crosslinked AlginateHydrogels as Scaffolds for Tissue Engineering: Part 1.Structure, Gelation Rate and Mechanical Properties”,Biomaterials, 2001, 22, 511−521.

22. M. K. Ku, J. U. Yang, and H. Kim, “Preparation of AlginateNanofiber via Electrospinning ang Crosslinking”, Text. Sci.Eng., 2013, 50, 323−327.