KR101472160B1

KR101472160B1 - 나노입자, 나노입자의 제조 방법 및 제조 장치

Info

Publication number: KR101472160B1
Application number: KR1020100040872A
Authority: KR
Inventors: 고정상; 박영준; 최한곤; 김형훈; 차제명; 권봉현; 안철희
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2014-12-26
Also published as: KR20110121320A

Abstract

본 발명은 마이크로 채널 유동을 이용하여 제조하는 나노입자, 나노입자의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다. 나노입자 제조 장치는, 약물을 포함하는 제1 물질을 공급하는 제1 유입관과, 제1 유입관과 연결된 마이크로 채널과, 제1 유입관의 양측으로 연결되어, 고분자를 포함하는 제2 물질을 공급하는 제2 유입관과, 마이크로 채널과 연결되어 약물이 봉입된 나노입자가 유출되는 제1 유출관을 포함하되, 상기 제2 물질은 제1 물질을 사이에 두고 합류하여 마이크로 채널로 유입된다.

Description

나노입자, 나노입자의 제조 방법 및 제조 장치{Nano particle, method and device of manufacturing the same}

본 발명은 나노입자, 나노입자의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 채널 유동을 이용하여 제조하는 나노입자, 나노입자의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.

최근에는 질병의 진단 및 치료를 목적으로 세포, 단백질 및 효소와 같은 생체시료를 담체에 담지하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 마이크로 담체 기술을 이용한 기능성 제형에 관한 연구가 주목 받고 있다.

이러한 활성 생체시료의 담체는 내부에 담지된 물질 및 에너지를 전달하면서, 내부의 생체 시료를 주위 환경으로부터 보호하는 기능을 가지고 있다.

생체시료를 담지하기 위해 사용되고 있는 제조공정 기술은 대표적으로 프릴법 (prilling method), 스프레이법 (spray method), 및 에멀젼법 (emulsion method) 등이 있다.

프릴법은 노즐을 이용하여 액적을 형성하고, 액적 표면에 폴리머 막을 형성하여 담지하는 방법이고, 스프레이법은 이상의 액체를 공기 중에 동시에 분사하고 표면장력에 의해 얻어진 액적으로부터 인공 세포막을 형성하는 방법이고, 에멀전법은 섞이지 않는 두 상을 용기에 넣고 스터링 터빈을 회전시켜 액적을 형성하고 온도나 광과 같은 외부 자극을 이용하여 고형화시키는 방법이다.

이와 같은, 종래의 방법들은 일정한 크기의 캡슐 제조가 어렵고, 생체시료의 정량 담체가 어려워 최종적으로 치료를 목적으로 사용하기는 어렵다.

한편, 최근에는 마이크로 제조공정 기술을 기반으로 하는 마이크로 유체 시스템이 생명공학, 의약, 생화학 등의 분야에서 연구 개발 수요를 넓혀가고 있다. 정확한 양의 약물을 체내로 보내는 약물방출시스템(DDS:Drug Delivery System), 미량의 시료, 시약을 분석하는 미세 분석 시스템(μTAS: Micro Total Analysis Systems), 하나의 칩 위에서 시료의 혼합, 반응, 분석 등을 수행하는 랩칩(LOC: Lab On a Chip) 등에서 극소량의 유체 흐름을 제어하여 원하는 생화학 반응, 측정 및 분석을 일괄개념으로 하는 연구들이 개발되고 있다.

거대 분자약물을 세포 내로 전달할 수 있는 종래의 방법으로는 생체분해성 합성 고분자 (예로, Poly(D,L-latic-co-glycolic acid), PLGA)를 이용한 수용성/지용성/수용성 (W/O/W) 나노스피어 (nanosphere), 거대분자 약물(siRNA, 펩타이드, 단백질)의 페길레이션 (PEGylation), 강한 양이온을 띠는 폴리에틸렌이민 (polyethylenimine, PEI), 폴리엘라이신 (poly-L-lysine, PLL)을 이용한 치료용 유전 물질과의 폴리일렉트롤라이트 컴플렉스(polyelectrolyte complex)의 형성 등이 있다.

이러한 전달 방법은 예를 들어, PLGA 나노스피어의 경우 낮은 봉입율과 미비한 전달효율로서 실용성이 현저히 낮고, 펩타이드나 유전자의 페길레이션 (PEGylation)은 뭉침(aggregation) 현상을 줄여주지만 그 전달 효율이 낮다. 또한 폴리일렉트롤라이트 콤플렉스의 경우, 양이온성 고분자들이 세포 독성을 유발하기 쉬워 현재까지는 안전성에 문제가 있다. 특히 급성의 세포 독성 및 면역반응 등을 일으키는 것으로 알려져 있어서 생체 적합성이 떨어지는 등 거대 분자약물의 물리화학적 안정성에 많은 문제점이 있다.

이에, 일정한 크기의 입도 분포를 가지며, 단순 약물 뿐만 아니라, 단백질과 같은 거대분자의 약물을 봉입할 수 있으며, 단백질 약물이 체내에서 서서히 방출될 수 있는 나노입자가 필요하게 되었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 채널 유동 기술을 이용하여 단백질과 같은 거대 분자 약물을 봉입하여 약물의 세포내 전달율, 안정성 및 약물의 활성도를 향상시킬 수 있는 나노 입자 제조 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 마이크로 채널 유동 기술을 이용하여 단백질과 같은 거대 분자 약물을 봉입하여 약물의 세포내 전달율, 안정성 및 약물의 활성도를 향상시킬 수 있는 나노 입자의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 마이크로 채널 유동 기술을 이용하여 단백질과 같은 거대 분자 약물을 봉입하여 약물의 세포내 전달율, 안정성 및 약물의 활성도를 향상시킬 수 있는 나노 입자를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치는, 약물을 포함하는 제1 물질을 공급하는 제1 유입관과, 상기 제1 유입관과 연결된 마이크로 채널과, 제1 유입관의 양측으로 연결되어, 고분자를 포함하는 제2 물질을 공급하는 제2 유입관과, 상기 마이크로 채널과 연결되어 상기 약물이 봉입된 나노입자가 유출되는 제1 유출관을 포함하되, 상기 제2 물질은 상기 제1 물질을 사이에 두고 합류하여 상기 마이크로 채널로 유입된다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 제조 방법은, 약물을 포함하는 제1 물질과 고분자를 포함하는 제2 물질을 마이크로 채널로 공급하는 단계와, 상기 제1 물질과 상기 제2 물질을 일정한 유속으로 상기 마이크로 채널을 통과시켜 나노입자를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제2 물질은 상기 제1 물질을 사이에 두고 합류하여 상기 마이크로 채널로 유입된다.

상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자는, 상기 나노입자 제조 방법에 의해 제조된다.

본 발명에 따른 나노입자는 일정한 크기의 입도 분포를 가지며, 단순한 약물 뿐만 아니라, 단백질과 같은 거대분자의 약물을 나노입자에 봉입함으로써 단백질 약물이 체내에서 서서히 방출될 수 있도록 한다.

특히, 본 발명에 따른 나노입자를 포함하는 의약품은 주사제 등과 같이 새로운 전달 경로를 이용할 수 있으며, 환자들의 약물 순응도와 복용 또는 주사의 편리성을 높여 치료의 질을 높일 수 있다.

또한, 경구 투여시 발생할 수 있는 약물에 대한 이상 반응이 감소할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1b는 제1 물질과 제2 물질 사이에서 나노입자가 생성되는 과정을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 TEM 사진이다.
도 3은 도 2의 나노입자의 크기의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자의 TEM 사진이다.
도 5는 도 4의 나노입자의 크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 직각을 이루는 나노입자 제조 장치의 개략도이다.
도 6b는 도 6a의 A-A’의 속도분포를 도시한 그래프이다.
도 7a는 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 60°를 이루는 나노입자 제조 장치의 개략도이다.
도 7b는 도 7a의 B-B’의 속도분포를 도시한 그래프이다.
도 8a는 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 30°를 이루는 나노입자 제조 장치의 개략도이다.
도 8b는 도 8a의 C-C’의 속도분포를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치의 개략적인 장치 구성도이다.
도 10a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자 제조 장치의 개략적인 장치 구성도이다.
도 10b는 도 10a의 영역 S의 TEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치의 사시도이다.
도 12는 도 11의 나노입자 제조 장치를 I-I’선으로 절단한 단면도이다.
도 13 내지 도 17은 도 11의 나노입자 제조 장치의 제조 과정을 설명하기 위한 단면도들이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명에 있어서, 마이크로채널은 마이크로미터 단위의 수력직경을 갖는 채널을 의미하며, 바람직하게 수력직경이 1~1000마이크로미터인 채널이다.

이하, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 제조 방법을 상세히 설명한다. 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 1b은 제1 물질과 제2 물질 사이에서 나노입자가 생성되는 과정을 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 제조 방법은 마이크로 채널에 두 가지 이상의 서로 다른 유체를 주입하여, 서로 다른 유체 사이에서 발생되는 층류의 경계면에서 고분자들의 자가 조립 반응에 의해 나노입자를 얻는 방법이다.

구체적으로 설명하면, 약물과 용매를 포함하는 제1 물질(M), 고분자와 용매를 포함하는 제2 물질(L1)을 마이크로 채널(C)로 주입하며, 제1 물질(M)과 제2 물질(L1) 사이의 반응을 조절하는 중간 물질을 포함하는 제3 물질(L2)을 마이크로 채널(C)로 추가로 주입할 수 있다. 상기 '중간 물질'은 제1물질과 제2물질의 반응시간을 조절하는 물질을 의미하며, 선택적으로 추가하여 나노입자를 제조할 수 있다.

이때, 제2 물질(L1)은 제1 물질(M)을 사이에 두고 합류하여 마이크로 채널(C)로 유입된다. 즉, 제2 물질(L1)은 제1 물질(M)의 양측으로 유입되며, 제1 물질(M)은 제2 물질(L1) 사이로 흐르게 된다. 제3 물질(L2)은 제1 물질(M)과 제2 물질(L1) 사이를 흐르도록 제1 물질(M)의 양측으로 유입된다.

제1 물질(M), 제2 물질(L1) 및 제3 물질(L2)은 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 물질(M)의 흐름에 제3 물질(L2)이 양측에서 합류하고, 다시 제2 물질(L1)이 양측에서 합류하여 마이크로 채널(C)로 주입된다. 이러한 제1 물질(M), 제2 물질(L1) 및 제3 물질(L2)은 마이크로 채널(C)을 통과하면서, 고분자들의 자가 조립 반응에 의해 나노입자(P)가 생성된다.

도 1b를 참조하여 구체적으로 설명하면, 약물을 포함하는 제1 물질(M)과 고분자를 포함하는 제2 물질(L1)이 서로 경계면을 형성하면서 흐르게 되고, 이 경계면에서 친수성과 소수성의 성질을 동시에 갖는 폴리머가 재배열 하게 된다.

이때, 제1 물질(M)과 제2 물질(L1)은 층상의 유체 흐름, 즉, 층류 유동을 하게 된다. 층류 유동이란, 통상 레이놀드 수가 2300 이하인 유체의 흐름을 말하는 것이다. 제1 물질(M)과 제2 물질(L1)이 층류 유동을 하게 되면, 제1 물질(M)과 제2 물질(L1) 사이의 확산(diffusion)이 일어나면서 제1 물질(M)과 제2 물질(L1)은 표면 에너지를 최소화하기 위해 구형을 형성하게 된다.

즉, 제1 물질(M)과 제2 물질(L1) 사이의 경계면에서 표면 장력이 커지면, 제1 물질(M)과 제2 물질(L1)은 더 이상 층류 유동을 하지 않으며, 액적 유동을 하게 된다. 이와 같은 방식으로 제1 물질(M)과 제2 물질(L1) 사이의 경계면에서 나노 입자가 형성된다.

한편, 제1 물질(M)과 제2 물질(L1) 사이에 주입되는 제3 물질(L2)은 제1 물질(M)과 제2 물질(L1) 사이의 반응 시간을 조절하는 중간 물질을 포함한다. 이러한 중간 물질은 필요에 따라 생략될 수 있으나, 적절히 사용함으로써 제2 물질(L1)의 농도 조절없이 나노 입자의 생성 조건을 조절할 수 있다.

예를 들어, 제1 물질(M)과 제2 물질(L1)의 반응 속도가 너무 빠른 경우, 제2 물질(L1)의 농도를 낮춤으로써, 반응 조건을 조절할 수 있으나, 제2 물질(L1)의 농도가 낮아지면 나노 입자의 수율이 줄어들 수 있으므로, 중간 물질을 이용하여 나노 입자의 수율에 영향을 최소화 하면서 반응 조건을 조절할 수 있다.

상기 제3물질은 약물을 포함하지 않은 제1물질 및/또는 고분자를 포함하지 않은 제2물질일 수 있으며, 이로써 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 물, 아세톤 등의 제1물질 및/또는 제2물질에 포함되는 용매일 수 있다.

나노입자(P) 내부에는 제1 물질(M) 속에 포함된 약물이 봉입된다. 제1 물질(M) 속에 포함되는 약물로는 단순 약물 뿐만 아니라, 단백질 약물과 같은 거대 분자를 갖는 약물이 봉입될 수 있다.

단백질 약물로는 예를 들어, 엑세나타이드, 인간 성장 호르몬, 인슐린(insulin), 소 성장 호르몬, 돼지 성장 호르몬, 성장 호르몬 방출 펩타이드, B세포 인자, T세포 인자, 과립구-콜로니 자극인자(G-CSF), 과립구 마크로파지-콜로니 자극인자(granulocyte macrophage-colony stimulating factor, GM-CSF), 마크로파지 콜로니 자극인자(macrophage-colony stimulating factor; M-CSF), 에리트로포이에틴(erythropoietin), 골격 형태발생 단백질(bone morphogenic protein), 인터페론(interferon), 아트라이오펩틴(atriopeptin), 종양 괴사 인자(TNF), 마크로파지 활성인자(macrophage activating factor), 인터루킨(interleukin), 종양 변성인자(tumor degenerating factor), 인슐린-유사성장인자(insulin-like growth factor), 표면성장 인자(epidermal growth factor), 조직 플라스미노겐 활성체(tissue plasminogen activator), 유로키나제(urokinase), 단백질 A, 알러지 억제인자, 세포 괴사 당단백질, 면역독소, 림포독소, 종양 괴사 인자, 종양 억제 인자, 전이 성장 인자, 알파-1 안티트립신, 알부민 및 그 단편, 아포리포단백질-E, 인자 VII, 인자 VIII, 인자 IX, 췌장 폴리펩타이드, 단백질 C, C-반응성 단백질, 레닌 억제제, 콜라지나제 억제제, 수퍼옥사이드 디스뮤타제, 혈소판 유래 성장 인자, 표피 성장 인자, 오스테오제닉 성장 인자, 골 형성 촉진 단백질, 칼시토닌(calcitonin), 카틸리지 유도 인자, 결합 조직 활성인자, 여포 자극 호르몬, 황체 형성 호르몬, 황체형성호르몬 방출 호르몬 및 그 동족체, 신경 성장 인자, 파라타이로이드 호르몬, 씨크레틴, 조마토메딘, 아드레노코티코트로픽 호르몬, 글루카곤, 콜레시스토키닌, 가스트린 방출 펩타이드, 코티코트로핀 방출 인자, 타이로이드 자극 호르몬, 바이러스, 박테리아 또는 독소에 대한 모노클로날 또는 폴리클로날 항체, 바이러스 유래 백신 항원, 휴미라(humira), 레미케이드(remicade), 옥트레오타이드 아세테이트(octreotide acetate), 이들의 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

제1 물질(M) 속에 포함된 용매로는 예들 들어, 물 또는 알콜이 사용될 수 있다.

한편, 제2 물질(L1) 속에 포함된 고분자로는 생분해성 고분자가 사용될 수 있다. 생분해성 고분자는 예를 들어, 폴리-D-락트산, 폴리-L-락트산, 폴리-D,L-락트산, 폴리-D-락트산-코-글리콜산, 폴리-L-락트산-코-글리콜산, 폴리-D,L-락트산-코-글리콜산(PLGA), 폴리락타이드(PLA), 폴리락타이드-글리콜라이드(PLA/GA), 또는 폴리알킬시아노아크릴레이트, 폴리아크릴로일 하이드록시에틸 전분(poly(acryloyl hydroxyethyl) starch), 폴리부틸렌 테레프탈레이트-폴리에틸렌글리콜의 공중합체, 키토산(chitosan) 및 그의 유도체, 폴리오르쏘에스터-폴리에틸렌글리콜의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 테레프탈레이트-폴리부틸렌 테레프탈레이트의 공중합체, 폴리세바식언하이드라이드(poly sebacic anhydride), 풀루란(pullulan) 및 그의 유도체, 전분 및 그의 유도체, 셀룰로오스 초산염(cellulose acetate) 및 그의 유도체, 폴리언하이드라이드(polyanhydride), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리에스터(polyesters), 폴리하이드록시부티르산(polyhydroxybutyric acid), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리메타크릴산 에스터(polymethacrylic acid ester), 폴리오르쏘에스터(polyorthoester), 폴리비닐초산(polyvinyl acetate), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral), 폴리비닐포말(polyvinyl formal), 알부민, 카제인, 콜라겐, 피브린, 피브리노겐, 젤라틴, 헤모글로빈, 트랜스페린, 제인, 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 고분자는 약물과 상이한 것일 수 있다.

제2 물질(L1)에 포함된 용매는 물과 혼합되지 않는 유기용매, 예를 들어, 아세톤, 메틸렌클로라이드, 에틸아세테이트, 헥산, 및/또는 테트라하이드로퓨란 등이 사용될 수 있다.

이때, 고분자는 중량비로 고분자: 용매= 0.1 내지 5 : 100의 양으로 유입될 수 있다. 고분자의 양이 중량비로 용매 100에 대하여 0.1 미만인 경우, 계면이 형성되지 않아 나노입자(P) 생성물이 감소할 염려가 있으며, 고분자의 양이 중량비로 용매 100에 대하여 5 초과인 경우에는 농도가 진해 마이크로 채널(C)이 막힐 염려가 있다.

마이크로 채널(C) 내부를 통과하는 제1 물질(M) 및 제2 물질(L1)의 유속은 균일한 크기와 형태를 갖는 나노입자(P)를 형성하는데 주요인자이다. 제1 물질(M) 및 제2 물질(L1)은 1 ~ 1000㎕/min의 유속을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로 얻어진 나노입자(P)는 평균 입자 직경이 1 ~ 1000nm이다. 제3물질(L2) 사용시 제1물질 또는 제2물질의 유속에 대비하여 반응속도를 조절할 수 있는 유속을 가질 수 있으며, 예를 들어 제1물질과 동일한 유속을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기 마이크로 채널을 통과한 제1 물질 중 나노입자 미형성 물질을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기 마이크로 채널을 통과한 제2 물질 중 나노입자 미형성 물질을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

<나노입자 제조>

본 발명 나노입자 제조방법의 실시예는 하기와 같다.

나노입자는 전술한 바와 같이, 제1 물질, 제2 물질 및 제3 물질을 마이크로 채널에 주입하여 형성한다. 각 물질의 조건은 <표 1>과 같다.

<표 1>

상기 <표 1>의 제1 물질, 제2 물질 및 제3 물질을 채널의 폭과 깊이가 각각50㎛(수력직경 50㎛에 해당함)이고 길이 600㎛인 마이크로 채널에 주입한다. 이때, 도 11에 도시된 형태의 장치를 이용하여 제2 물질은 제1 물질과 유입각이 약 30°를 이루도록 주입한다.

이와 같은 방식으로 제조된 나노입자 중 제1물질로 OVA와 정제수를 이용한 경우는 도 2에 나타내었고, 제1물질로 Exenatide와 정제수를 이용한 경우는 및 도 4에 나타내었다. 도 2 및 도 4는 나노입자를 투과형 전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM; H-7600; HITACHI)으로 촬영한 사진이며, 도 3 및 도 5는 각각 도 2와 도 4의 나노입자 크기 분포를 나타낸 그래프로, 나노입자의 크기분포는 Nanosizer(Malvern Co.)로 측정하였다. 상기 투과형 전자 현미경(TEM)은 광학 현미경보다 분해능이 높아 광학 현미경으로 볼 수 없는 세포내 초미세 구조나 바이러스, DNA, 분자 구조를 관찰할 수 있으며, 나노 입자의 형상, 크기, 표면의 상태 등을 관찰하고 정량적인 데이터를 획득할 수 있는 기기이다.

도 2를 참조하면, 중심에 OVA로 이루어진 약물이 봉입되어 있으며, 약물의 외부에는 고분자(PLGA)가 약물을 감싸는 구 형상의 캡슐 형태로 되어 있다. 도 3을 참조하면, 나노입자의 평균 직경이 183.0 nm이며, 고분자(PLGA)의 두께는 20 ~ 30nm가 된다.

또한, 도 4를 참조하면, 중심에 Exenatide로 이루어진 약물이 봉입되어 있으며, 약물의 외부에는 고분자(PLGA)가 감싸고 있다. 도 5를 참조하면, 나노입자의 평균 직경이 190.7nm이며, 고분자(PLGA)의 두께는 20nm 가 된다.

<유입각 변화에 따른 속도분포 변화>

이하, 도 6a 내지 도 8b를 참조하여, 제1 물질과 제2 물질의 유입 각도에 따른 제1 물질과 제2 물질의 경계면에서의 속도 분포에 관해 설명한다.

도 6a는 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 직각을 이루는 나노입자 제조 장치의 개략도이고, 도 6b는 도 6a의 A-A’의 속도분포를 도시한 그래프이고, 도 7a은 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 60°를 이루는 나노입자 제조 장치의 개략도이고, 도 7b는 도 7a의 B-B’의 속도분포를 도시한 그래프이고, 도 8a는 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 30°를 이루는 나노입자 제조 장치의 개략도이고, 도 8b는 도 8a의 C-C’의 속도분포를 도시한 그래프이다. 속도분포는 CFD-ACE+ version 2009(ESI)로 해석하였다.

제1 물질(W)과 제2 물질(A)이 합류하는 지점부터 유속이 낮아지게 됨에 따라, 제1 물질과 제2 물질의 경계면에서 생성되는 나노입자가 채널 내부에 쌓여 채널이 막힐 수 있으므로, 제1 물질(W)과 제2 물질(A)이 합류하는 지점의 유속이 빠른 분포를 갖도록 합류지점을 설계하는 것이 바람직하다.

도 6a 내지 도 8b를 참조하면, 제1 물질과 제2 물질이 합류하는 유입각을 예를 들어, 30°, 60°, 90°로 각각 설정하여 유속 분포를 확인하였다. 그 결과, 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 30°를 이룰 때, 제1 물질과 제2 물질의 경계면의 속도가 빠름을 알 수 있다.

한편, 제1 물질과 제2 물질의 유입각은 0 - 180°가 모두 가능하다. 즉, 제1 물질과 제2 물질이 서로 합류하여 층류를 이룰 수 있으면 나노입자의 제조가 가능하다. 다만, 나노입자의 수율을 극대화할 수 있는 최적 유입각은 바람직하게는 약 30°전후인 15 - 45°로 설정될 수 있다.

이와 같이, 제1 물질과 제2 물질의 유입 각이 15 - 45°를 이루도록 조정함으로써, 제1 물질과 제2 물질의 느린 유속 분포로 인해 나노입자가 채널 내부에 부착하여 쌓이면서 채널이 막히는 현상을 방지할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 제조방법은 제2 물질의 유입 방향은 상기 제1 물질의 유입방향과 15~45°를 이루도록 공급할 수 있다.

<나노입자 제조장치 I>

이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 제조 장치에 관하여 상세히 설명한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치의 개략적인 장치 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 제조 장치는 3개의 유입구(inlet)와 1개의 유출구(outlet)를 포함한다.

3개의 유입구는 제1 유입구(161), 제2 유입구(162) 및 제3 유입구(163)이며, 각각 제1 물질, 제2 물질 및 제3 물질이 유입된다. 제1 물질, 제2 물질 및 제3 물질은 각각 제1 유입구(161), 제2 유입구(162) 및 제3 유입구(163)와 연결된 제1 유입관(151), 제2 유입관(152) 및 제3 유입관(153)을 통하여 마이크로 채널(154)로 유입된다.

이때, 제1 유입관(151)은 마이크로 채널(154)과 직선형태로 연결될 수 있으며, 제2 유입관(152)은 제1 유입관(151)의 양 측면으로 연결되고, 제3 유입관(153)도 제2 유입관(152)과 같이 제1 유입관(151)의 양 측면으로 연결될 수 있다. 제3 유입관(153)은 제1 유입관(151)과 제2 유입관(152) 사이에 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 제1 유입관(151)과 제2 유입관(152) 사이라 함은, 제3 물질이 제1 물질과 제2 물질 사이에 위치하여 마이크로 채널(154)로 유입될 수 있도록 제3 물질을 제1 물질과 제2 물질 사이로 주입할 수 있는 위치를 말하는 것이다. 따라서, 제1 유입관(151)과 제2 유입관(152)이 합류하는 지점에서 제1 유입관(151)과 제2 유입관(152)의 끼인각에 제3 유입관(153)이 형성되는 구조뿐만 아니라, 제1 유입관(151) 또는 제2 유입관(152)의 일 지점에 제3 유입관(153)이 합지(合枝)되어 제2 물질이 제1 물질 또는 제3 물질과 먼저 합류(合流)하여 나머지 물질과 합류하는 형태로 형성될 수도 있다.

본 발명의 나노입자 제조 장치는 제1 유입관과 제2 유입관은 제1 물질의 유입 방향과 제2 물질의 유입 방향이 서로 15 - 45°를 이루도록 연결될 수 있다.

제1 물질, 제2 물질 및 제3 물질은 마이크로 채널(154)을 통과하면서, 나노입자를 형성하게 되며, 이렇게 생성된 나노입자는 자가조립 반응이 일어나지 않은 나머지 물질들과 함께 유출구(164)로 배출될 수 있다.

나노입자 제조 장치에 의한 예시적인 나노입자 제조 과정을 설명하면, 제1 유입구(161)를 통하여 약물이 용해된 수용액을 일정한 속도로 주입하고, 제2 유입구(162)를 통하여 친수성과 소수성의 두 가지 성질을 가지는 고분자(예를 들어, PLGA)가 함유된 아세톤 용매를 주입하고, 제3 유입구(163)를 통하여 아세톤 용액만을 주입한다.

이때, 제1 유입구(161), 제2 유입구(162) 및 제3 유입구(163)를 통해 주입되는 물질은 동시에 주입될 수도 있고, 그 중 어느 것을 먼저 주입하는 순차 주입도 가능하다. 예를 들면, 제2 유입구(162)와 제3 유입구(163)에 고분자 물질과 중간 물질을 먼저 주입하고, 그 다음에 제1 유입구(161)를 통하여 약물이 용해된 수용액을 일정한 속도로 주입함으로써, 마이크로 채널(154) 내부에 유체 간의 계면이 형성될 수 있다.

한편, 제3 유입구(163)를 통해 주입하는 중간 물질인 아세톤 용액은 고분자와 수용액 간의 반응성이 높고 빠르기 때문에 마이크로 채널(154) 내부에서 반응 속도를 제어하고 지연시킬 수 있는 중간층을 형성하는 역할을 하게 된다. 이와 같은 중간 물질을 이용하게 되면, 나노입자의 크기 및 수율 등을 적절히 조절할 수 있게 된다.

마이크로 채널(154)의 길이는 나노입자의 안정적인 제조에 영향을 주는 인자로서, 마이크로 채널(154)의 입구로부터 완전 발달 유동이 시작하는 길이로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 실험실 설계상 500㎛ 이상에서 완전 발달 유동 영역이 얻어질 수 있어, 600㎛로 형성할 수 있다.

<나노입자 제조장치 II>

이하, 도 10a 및 도 10b를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자 제조 장치에 관하여 상세히 설명한다. 도 10a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자 제조 장치의 개략적인 장치 구성도이고, 도 10b는 도 10a의 영역 S의 투과형 전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM; H-7600; HITACHI)으로 촬영한 사진이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자의 제조 장치는 3개의 유입구(inlet)와 2개의 유출구(outlet)을 포함한다. 즉, 고가의 고분자와 약물을 재사용하기 위해 나노입자 형성에 참여하지 않은 물질 즉, 나노입자 미형성 물질을 회수할 수 있는 전용 배출구를 따로 설치할 수 있다.

도 10a 및 도 10b를 참조하면, 마이크로 채널(154)을 통과한 나노입자와 잔류 물질들은 분리 영역(S)을 통과하게 된다. 분리 영역(S)은 마이크로 채널(154) 보다 직경이 확장된 영역으로서, 나노입자는 분리 영역(S)의 중앙 부분을 통과하여 제1 유출관(255)과 제1 유출구(264)를 통하여 배출된다. 반면에, 나노입자 미형성 물질(잔류 물질)들은 나노입자의 외측으로 분리 영역(S)을 통과하여, 제2 유출관(256) 및 제2 유출구(265)를 통하여 배출된다. 따라서, 나노입자와 나노입자 미형성 물질(잔류 물질)의 분리가 용이하여, 고가의 약액 및 고분자의 재활용이 용이하게 된다.

한편, 분리 영역(S)은 마이크로 채널(154)과 디퓨저 형상으로 연결됨으로써, 유동층의 두께를 증가시킬 수 있어, 나노입자의 유동층과 아세톤 용매의 유동층을 쉽게 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 제조 장치는 마이크로 채널과 제1 유출관 사이에 상기 마이크로 채널의 폭 보다 크게 형성된 확장관을 더 포함하되, 상기 확장관은 상기 마이크로 채널로부터 30°의 각도로 확장될 수 있다.

이하, 도 11 내지 도 17을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치 및 나노입자 제조 장치의 제조 방법에 관하여 상세히 설명한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치의 사시도이고, 도12는 도 11의 나노입자 제조 장치를 I-I’선으로 절단한 단면도이고, 도 13 내지 도 17은 도 11의 나노입자 제조 장치의 제조 과정을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치는 기판(200), 몰드(140) 및 튜브(131, 132, 133, 134)를 포함한다.

구체적으로 설명하면, 유리 등으로 형성된 기판(200) 상에 제1 유입구(161), 제2 유입구(162), 제3 유입구(163) 및 유출구(164)가 형성된 몰드(140)가 부착되어 있다. 제1 유입구(161), 제2 유입구(162), 제3 유입구(163) 및 유출구(164)는 각각 몰드(140)를 관통하는 형태로 형성되어 있으며, 전술한 바와 같이, 제1 물질, 제2 물질, 제3 물질 및 나노입자 등의 유입되거나 유출되는 통로가 된다.

제1 유입구(161), 제2 유입구(162), 제3 유입구(163) 및 유출구(164)에는 각각 튜브(131, 132, 133, 134)가 삽입되어 있어, 외부와 연결될 수 있다.

한편, 제1 유입구(161), 제2 유입구(162) 및 제3 유입구(163)는 각각 제1 유입관(151), 제2 유입관(152) 및 제3 유입관(153)과 각각 연결되어, 마이크로 채널(154)과 연결된다.

제1 유입관(151), 제2 유입관(152), 제3 유입관(153) 및 마이크로 채널(154)은 몰드(140)의 하단부에 음각으로 형성되어, 기판(200)과 몰드(140) 사이의 공간에 의해 형성된다. 이와 같은, 제1 유입관(151), 제2 유입관(152), 제3 유입관(153) 및 마이크로 채널(154)에는 전술한 바와 같이, 제1 물질, 제2 물질, 제3 물질 및 나노입자가 유출입된다.

이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 제조 장치의 제조 방법에 관하여 설명한다.

먼저 도 13을 참조하면, 마스터 기판(100) 상에 포토 레지스트층(110)을 도포한다.

마스터 기판(100)은 니켈 등의 금속 기판을 사용하거나 실리콘 기판 등을 사용할 수 있으며, 마스터 기판(100) 상에 스핀 코팅 등의 방법을 이용하여 포토 레지스트층(110)을 도포한다. 포토 레지스트층(110)은 감광재로서, 예를 들어, SU8과 같은 제품이 사용될 수 있다.

이때, 필요에 따라 포토 레지스트층(110)이 도포된 마스터 기판(100)을 소프트 베이크(soft bake) 시킬 수 있다.

이어서, 도 14를 참조하면, 사진 식각 공정(lithography)를 이용하여 포토 레지스트층(110)을 패터닝한다. 구체적으로, 유입관 및 마이크로 채널이 형성된 마스크를 이용하여 포토 레지스트층(110)을 부분 노광한 후, 유입관 및 마이크로 채널의 형상을 제외하고 나머지 포토 레지스트를 제거한다. 이와같은 방법으로 포토 레지스트 패턴(111, 112, 113)을 형성한다.

이어서, 도 15를 참조하면, 포토 레지스트 패턴(111, 112, 113) 상에 포트(port)를 형성한다. 포트(121, 122, 123, 124)는 구리(Cu) 등의 물질로 형성될 수 있으며, 유입구 및 유출구가 형성될 위치 상에 형성될 수 있다.

이어서, 도 16을 참조하면, 포트(121, 122, 123, 124) 상에 튜브(131, 132, 133, 134)를 삽입하고, 몰드(140)를 형성한다.

몰드(140)은 포토 레지스트 패턴(111, 112, 113) 및 포트(121, 122, 123, 124)가 형성된 마스터 기판(100) 상에 폴리머를 이용하여 형성한다. 폴리머는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 광경화성 수지 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리머는 환형 올레핀 공중합체(cyclic olefin copclymer, COC), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리스틸렌(polystyrene, PS), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리디메틸 실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌 불소수지(polytetrafluoroethylene, Teflon), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC) 등이 사용될 수 있다.

이어서, 도 17을 참조하면, 몰드(140)를 마스터 기판(100)으로부터 분리하여, 유리 등으로 형성된 기판(200) 상에 부착한다. 이때, 접착시킬 몰드(140)의 표면에 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 장비를 이용하여 O₂플라즈마를 처리한다. 표면이 활성화된 몰드(140)와 기판(200)을 서로 압착시켜 도 12와 같은 나노입자 제조 장치를 완성한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 마스터 기판 110: 포토 레지스트층
111, 112, 113: 포토 레지스트 패턴
121, 122, 123, 124: 포트 131, 132, 133, 134: 튜브
140: 몰드 151: 제1 유입관
152: 제2 유입관 153: 제3 유입관
154: 마이크로 채널 161: 제1 유입구
162: 제2 유입구 163: 제3 유입구
164: 유출관 200: 기판
255: 제1 유출관 256: 제2 유출관
264: 제1 유출구 265: 제2 유출구

Claims

약물을 포함하는 제1 물질을 공급하는 제1 유입관;
상기 제1 유입관과 연결된 마이크로 채널;
제1 유입관의 양측으로 연결되어, 고분자를 포함하는 제2 물질을 공급하는 제2 유입관;
상기 제1 유입관의 양측으로 연결되어, 상기 제1 유입관과 상기 제2 유입관 사이에 형성되고, 상기 제1 물질과 상기 제2 물질의 반응을 조절하는 중간 물질을 포함하는 제3 물질을 공급하는 제3 유입관; 및
상기 마이크로 채널과 연결되어 상기 약물이 봉입된 나노입자가 유출되는 제1 유출관을 포함하되,
상기 제2 물질은 상기 제1 물질을 사이에 두고 합류하고, 제3 물질은 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 사이에 위치하여 상기 마이크로 채널로 유입되어 중간층을 형성하는 나노입자 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 유입관과 상기 제2 유입관은 상기 제1 물질의 유입 방향과 상기 제2 물질의 유입 방향이 서로 15 - 45°를 이루도록 연결된 나노입자 제조 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 마이크로 채널과 상기 제1 유출관 사이에 연결되어 상기 마이크로 채널을 통과한 상기 제2 물질 중 나노입자 미형성 물질을 유출시키는 제2 유출관을 더 포함하는 나노입자 제조 장치.
제4항에 있어서,
상기 마이크로 채널과 상기 제1 유출관 사이에 상기 마이크로 채널의 폭 보다 크게 형성된 확장관을 더 포함하되, 상기 확장관은 상기 마이크로 채널로부터 30°의 각도로 확장되는 나노입자 제조 장치.
약물을 포함하는 제1 물질과 고분자를 포함하는 제2 물질을 마이크로 채널로 공급하는 단계;
상기 제1 물질과 상기 제2 물질 사이에 상기 제1 물질과 상기 제2 물질의 반응을 조절하는 중간 물질을 포함하는 제3 물질을 공급하는 단계; 및
상기 제1 물질과 상기 제2 물질을 일정한 유속으로 상기 마이크로 채널을 통과시켜 나노입자를 형성하는 단계를 포함하되,
상기 제2 물질은 상기 제1 물질을 사이에 두고 합류하고, 상기 제3 물질은 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 사이에 위치하여 상기 마이크로 채널로 유입되어 중간층을 형성하는 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 제2 물질의 유입 방향은 상기 제1 물질의 유입방향과 15~45°를 이루도록 공급하는 나노입자의 제조 방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 마이크로 채널을 통과한 제1 물질 중 나노입자 미형성 물질을 회수하는 단계를 더 포함하는 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 마이크로 채널을 통과한 제2 물질 중 나노입자 미형성 물질을 회수하는 단계를 더 포함하는 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 약물은 단백질 약물인 나노입자의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 단백질 약물은 엑세나타이드, 인간 성장 호르몬, 인슐린(insulin), 소 성장 호르몬, 돼지 성장 호르몬, 성장 호르몬 방출 펩타이드, B세포 인자, T세포 인자, 과립구-콜로니 자극인자(G-CSF), 과립구 마크로파지-콜로니 자극인자(granulocyte macrophage-colony stimulating factor, GM-CSF), 마크로파지 콜로니 자극인자(macrophage-colony stimulating factor; M-CSF), 에리트로포이에틴(erythropoietin), 골격 형태발생 단백질(bone morphogenic protein), 인터페론(interferon), 아트라이오펩틴(atriopeptin), 종양 괴사 인자(TNF), 마크로파지 활성인자(macrophage activating factor), 인터루킨(interleukin), 종양 변성인자(tumor degenerating factor), 인슐린-유사성장인자(insulin-like growth factor), 표면성장 인자(epidermal growth factor), 조직 플라스미노겐 활성체(tissue plasminogen activator), 유로키나제(urokinase), 단백질 A, 알러지 억제인자, 세포 괴사 당단백질, 면역독소, 림포독소, 종양 괴사 인자, 종양 억제 인자, 전이 성장 인자, 알파-1 안티트립신, 알부민 및 그 단편, 아포리포단백질-E, 인자 VII, 인자 VIII, 인자 IX, 췌장 폴리펩타이드, 단백질 C, C-반응성 단백질, 레닌 억제제, 콜라지나제 억제제, 수퍼옥사이드 디스뮤타제, 혈소판 유래 성장 인자, 표피 성장 인자, 오스테오제닉 성장 인자, 골 형성 촉진 단백질, 칼시토닌(calcitonin), 카틸리지 유도 인자, 결합 조직 활성인자, 여포 자극 호르몬, 황체 형성 호르몬, 황체형성호르몬 방출 호르몬 및 그 동족체, 신경 성장 인자, 파라타이로이드 호르몬, 씨크레틴, 조마토메딘, 아드레노코티코트로픽 호르몬, 글루카곤, 콜레시스토키닌, 가스트린 방출 펩타이드, 코티코트로핀 방출 인자, 타이로이드 자극 호르몬, 바이러스, 박테리아 또는 독소에 대한 모노클로날 또는 폴리클로날 항체, 바이러스 유래 백신 항원, 휴미라(humira), 레미케이드(remicade), 옥트레오타이드 아세테이트(octreotide acetate), 이들의 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 고분자는 생분해성 고분자인 나노입자의 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 생분해성 고분자는 폴리-D-락트산, 폴리-L-락트산, 폴리-D,L-락트산, 폴리-D-락트산-코-글리콜산, 폴리-L-락트산-코-글리콜산, 폴리-D,L-락트산-코-글리콜산(PLGA), 폴리락타이드(PLA), 폴리락타이드-글리콜라이드(PLA/GA), 또는 폴리알킬시아노아크릴레이트, 폴리아크릴로일 하이드록시에틸 전분(poly(acryloyl hydroxyethyl) starch), 폴리부틸렌 테레프탈레이트-폴리에틸렌글리콜의 공중합체, 키토산(chitosan) 및 그의 유도체, 폴리오르쏘에스터-폴리에틸렌글리콜의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 테레프탈레이트-폴리부틸렌 테레프탈레이트의 공중합체, 폴리세바식언하이드라이드(poly sebacic anhydride), 풀루란(pullulan) 및 그의 유도체, 전분 및 그의 유도체, 셀룰로오스 초산염(cellulose acetate) 및 그의 유도체, 폴리언하이드라이드(polyanhydride), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리에스터(polyesters), 폴리하이드록시부티르산(polyhydroxybutyric acid), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리메타크릴산 에스터(polymethacrylic acid ester), 폴리오르쏘에스터(polyorthoester), 폴리비닐초산(polyvinyl acetate), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral), 폴리비닐포말(polyvinyl formal), 알부민, 카제인, 콜라겐, 피브린, 피브리노겐, 젤라틴, 헤모글로빈, 트랜스페린, 제인, 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 제2 물질은 상기 고분자와 용매를 포함하되, 상기 고분자는 중량비로 고분자: 용매= 0.1 내지 5 : 100인 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 제2 물질은 상기 고분자와 용매를 포함하되, 상기 용매는 아세톤, 메틸렌클로라이드, 에틸아세테이트, 헥산, 테트라하이드로퓨란으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 물질은 상기 약물과 용매를 포함하되, 상기 용매는 물 또는 알코올인 나노입자의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 유속은 1~1000㎕/min의 범위인 나노입자의 제조 방법.
제6항, 제7항 및 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 나노입자.
제19항에 있어서,
상기 나노입자는 직경이 1~1000nm인 나노입자.