KR20210073637A

KR20210073637A - 셀룰로오스 나노섬유로 강화된 용해성 마이크로니들

Info

Publication number: KR20210073637A
Application number: KR1020190163526A
Authority: KR
Inventors: 김진철; 김진아; 이승준
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-21
Also published as: KR102320970B1

Abstract

본 발명의 경피전달용 용해성 마이크로니들은 셀룰로오스 나노섬유가 비용해성 셀룰로오스 나노섬유를 형성하므로 강도가 향상되어 피부천공능이 향상되면서도 유효성분 방출성능은 고분자만으로 형성된 종래의 용해성 마이크로니들과 유사하여 효과적인 수용성 유효성분의 경피전달을 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 경피전달용 용해성 마이크로니들의 제조방법을 이용하면 마이크로니들의 강도와 용해도를 조절할 수 있어 피부 조직의 특성에 맞는 강도를 가져 효율적인 경피전달이 가능한 경피전달용 용해성 마이크로니들을 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

셀룰로오스 나노섬유로 강화된 용해성 마이크로니들{Cellulose Nanofiber-reinforced Dissolving Microneedle}

본 발명은 셀룰로오스 나노섬유로 강화된 용해성 마이크로니들에 관한 것으로, 셀룰로오스 나노섬유의 함량을 조절하여 용해성 마이크로니들의 강도 및 용해성을 조절하는 것을 특징으로 한다.

마이크로니들(Micro Needle)은 기질 또는 매트릭스 상에 형성된 작은 니들들로 구성되며 약물의 피부전달 또는 경피 전달용으로 사용된다. 마이크로니들은 마이크로일렉트로닉스(microelectronics) 및 마이크로머시너리(micromachinery) 기술을 통해 제조된다. 따라서 그 직경 및 길이가 수 미크론(micron) 및 수 마이크로미터(micronmeter)불과하다. 따라서 마이크로 니들을 이용하여 비침습적으로 각질층에 침투하면 아무런 고통 없이 약물의 경피 전달이 가능하여 약물의 국소작용 및 전신작용을 효과적으로 유도할 수 있는 장점이 있다.

마이크로니들은 금속 또는 폴리머 등을 이용하여 솔리드(solid) 또는 중공(hollow)등의 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 포크-플로우(poke-flow) 방법, 포크-패치(poke-patch) 방법, 포크-릴리즈(poke-release) 방법 및 코트-포크(coat-poke) 방법을 통해 약물의 경피 전달을 수행할 수 있다.

상기 포크-플로우(poke-flow) 방법은 마이크로니들을 피부에 침투시킨 후 약물이 피부내로 흘러들어가도록 하는 방법으로서 중공(hollow)형 마이크로니들을 사용하는 경우에 해당하며, 상기 포크-패치(poke-patch) 방법은 마이크로니들을 피부에 침투시킨 후 이를 제거하여 형성한 피부의 구멍으로 약물이 침투되도록 하는 방법으로 솔리드형 마이크로 니들을 사용하는 경우에 해당한다. 상기 포크-릴리즈(poke-release) 방법은 마이크로니들을 피부에 침투시킨 후 약물이 피부로 방출되도록 하는 방법으로 솔리드형으로 다공성이며 용해성인 마이크로니들을 사용하는 경우에 해당하며, 코트-포크(coat-poke) 방법은 약물이 코팅된 마이크로 니들을 피부에 침투시키는 방법으로 솔리드형 마이크로니들을 사용한다.

마이크로니들은 중공, 솔리드 정도, 구조, 구성 물질, 니들의 밀도 및 길이를 조절하게 되면 약물의 침투효과가 조절되어 그 효능을 향상시킬 수 있으며 부갑상선 호르몬(parathyroid hormone), 인슐린(insulin), 인플루엔자 바이러스 백신(influenza vaccine), 리도카인(lidocaine), 디클로닌(dyclonine), 라비스 바이러스 백신(rabies vaccine), 및 날트렉손(naltrexone)과 같은 다양한 약물의 경피 전달에 사용된 바 있다. 마이크로니들은 피부 또는 경피 전달을 위해 일정한 강도를 가져 부러짐 없이 피부를 관통할 수 있어야 한다. 그러나 종래의 마이크로 니들은 강도가 약하여 피부를 침투하여 약물을 전달하는데 한계가 있었다.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.

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본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 셀룰로오스 나노섬유를 포함하여 강도가 향상된 경피전달용 용해성 마이크로니들 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.

본 발명은 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber), 히알루론산(hyaluronic acid), 콜라겐(collagen) 및 트레할로오스(trehalose)를 포함하는 경피전달용 용해성 마이크로니들을 제공한다.

상기 마이크로니들 매트릭스는 상기 셀룰로오스 나노섬유가 3 내지 20 중량%, 상기 히알루론산이 30 내지 50 중량%, 상기 콜라겐이 30 내지 50 중량% 및 상기 트레할로오스가 1 내지 3 중량%로 포함되며 셀룰로오스 나노섬유, 상기 히알루론산, 상기 콜라겐 및 상기 트레할로오스를 포함하는 베이스 상에 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상으로 700㎛의 간격을 두고 형성된다.

본 발명의 경피전달용 용해성 마이크로니들은 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상의 마이크로 금속니들이 양각으로 형성된 마이크로니들 금속 마스터를 제조하는 제 1 단계; 상기 마이크로니들 금속마스터를 이용하여 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상의 마이크로니들이 음각으로 형성된 PDMS 몰드를 제조하는 제 2 단계; 및

상기 PDMS 몰드에 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 붓고 경화시킨 후 상기 PDMS 몰드를 제거하여 경피전달용 마이크로니들 매트릭스를 제조하는 제 3 단계;를 포함하는 제조방법으로 제조된다.

본 발명의 경피전달용 용해성 마이크로니들은 상기 셀룰로오스 나노섬유가 비용해성 셀룰로오스 나노섬유 네트워크를 형성하여 마이크로니들의 강도 및 용해도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 경피전달용 용해성 마이크로니들은 셀룰로오스 나노섬유가 비용해성 셀룰로오스 나노섬유를 형성하므로 강도가 향상되어 피부천공능이 향상되면서도 유효성분 방출성능은 고분자만으로 형성된 종래의 용해성 마이크로니들과 유사하여 효과적인 수용성 유효성분의 경피전달을 수행할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 경피전달용 용해성 마이크로니들의 제조방법을 이용하면 마이크로니들의 강도와 용해도를 조절할 수 있어 피부 조직의 특성에 맞는 강도를 가져 효율적인 경피전달이 가능한 경피전달용 용해성 마이크로니들을 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 마이크로니들을 제조하기 위한 마이크로니들 금속 마스터를 보여준다.
도 2는 본 발명의 마이크로니들을 제조하기 위한 마이크로니들-PDMS 몰드의 현미경 사진을 보여준다. 패널(A)는 마이크로니들-PDMS 몰드를 보여주며 패널(B)는 상기 마이크로니들-PDMS 몰드에 형성된 음각 니들의 크기를 보여준다.
도 3은 본 발명의 마이크로니들의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 패널(A)는 MN0의 주사전자현미경사진을 보여주며, 패널(B)는 MN1의 주사전자현미경사진을 보여주며, 패널(C)는 MN2의 주사전자현미경사진을 보여주며, 패널(D)는 MN3의 주사전자현미경사진을 보여준다.
도 4는 본 발명의 마이크로니들의 X-선 회절분석 결과를 보여준다.
도 5는 본 발명의 마이크로니들의 압축강도 시험결과를 보여준다.
도 6은 압축강도 시험을 수행한 본 발명의 마이크로니들의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 패널(A)는 MN0의 주사전자현미경사진을 보여주며, 패널(B)는 MN1의 주사전자현미경사진을 보여주며, 패널(C)는 MN2의 주사전자현미경사진을 보여주며, 패널(D)는 MN3의 주사전자현미경사진을 보여준다.
도 7은 본 발명의 마이크로니들의 인공피부 천공시험 결과를 보여준다. 패널(A)는 MN0의 인공피부 천공시험에 대한 현미경사진을 보여주며, 패널(B)는 MN1의 인공피부 천공시험에 대한 현미경사진을 보여주며, 패널(C)는 MN2의 인공피부 천공시험에 대한 현미경사진을 보여주며, 패널(D)는 MN3의 인공피부 천공시험에 대한 현미경사진을 보여준다.
도 8은 본 발명의 마이크로니들의 관통시험결과를 보여준다. 패널(A)는 마이크로니들이 인공피부를 관통한 것을 흑백 현미경 사진으로 보여주며, 패널(B)는 마이크로니들이 인공피부를 관통한 것을 형광 현미경 사진으로 보여주며, 패널(C)는 마이크로니들이 인공피부를 관통한 것을 흑백과 형광으로 겹친 현미경 사진으로 보여준다.
도 9는 본 발명의 마이크로니들의 형광염료(칼세인) 방출프로파일을 보여준다.
도 10은 본 발명의 마이크로니들의 형광염료(칼세인) 방출시험결과를 보여준다. 패널(A)는 MN0가 인공피부를 관통하여 형광염료를 방출한 것으로 보여주며, 패널(B)는 MN3가 인공피부를 관통하여 형광염료를 방출한 것으로 보여준다.

본 발명은 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber, CNF)를 포함하여 강도가 향상되고, 용해도가 조절되므로 약물의 경피전달율이 최적화된 용해성 마이크로니들에 관한 것이다.

본 발명은 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber, CNF), 히알루론산(hyaluronic acid, HA), 콜라겐(collagen) 및 트레할로오스(trehalose)를 포함하는 경피전달용 용해성 마이크로니들을 제공한다.

상기 CNF는 자연에 풍부한 바이오매스인 셀룰로오스 섬유소(cellulose fibril)로 구성되며 그 직경이 10 내지 100nm이다. 상기 CNF는 결정성 셀룰로오스 도메인과 비결정성 셀룰로오스 도메인을 모두 포함하며 일정한 축강도(axial rigidity)를 가지고 있어 용해성 마이크로니들의 강도를 향상시킬 수 있는 특징이 있다. 또한 CNF는 물리적으로 서로 엉켜 존재하며 수소결합을 통해 네트워크를 형성하기 때문에 마이크로니들의 강도를 향상시킨다. 본 발명의 마이크로니들은 다당류, 단백질 및 당을 더 포함하며 바람직하게는 상기 다당류는 히알루론산이며, 상기 단백질은 콜라겐이며, 상기 당은 트레할로오스이다. 상기 HA는 사람의 몸속에 존재하는 다당류의 일종으로 피부, 관절액, 연골, 눈물 등에 많이 분포되어 있으며 스스로 무게의 300 내지 1000배에 해당하는 물을 함유할 수 있는 특성이 있다. 상기 콜라겐은 동물의 뼈와 피부에 주로 존재하며 연골, 장기 막, 머리카락 등에도 분포되어 있는 단백질로서 섬유상 고체로 존재하는 특성이 있다. 상기 트레할로오스는 2개의 α-포도당이 1,1-글리코시드 결합(1,1-glycosidic bond)을 통해 결합된 2당류(disaccharide) 형태의 탄수화물로서 세균, 곰팡이, 식물, 무척추동물 등에서 발견된다. 상기 히알루론산, 콜라겐, 및 트레할로오스를 혼합하면 수용성 고분자로 제조가 가능하며 상기 고분자를 건조하여 경화시키게 되면 강도는 낮으나 용해 가능한 수용성 마이크로니들을 제조할 수 있다. 상기 고분자를 형성하는 물질은 모두 수용성이므로 수용성 유효성분을 함께 혼합하여 마이크로니들을 제조하게 되면 마이크로니들을 피부에 침투시킨 후 약물이 피부로 방출되어 경피전달을 수행하는 포크-릴리즈(poke-release) 방법에 적용이 가능하다. 그러나 상기 마이크로니들은 용해성이 높아 약물방출이 잘 이루어지는 장점이 있으나 강도가 낮아 피부가 두껍거나 거친 경우 피부 천공이 어려운 단점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 상기 셀룰로오스 나노섬유를 이용하여 마이크로니들 내에서 비용해성 셀룰로오스 나노섬유 네트워크를 형성하므로 강도를 향상시키고 용해성을 조절하여 지속적인 약물방출이 이루어지도록 한 것이다.

본 발명의 상기 마이크로니들은 상기 셀룰로오스 나노섬유가 3 내지 20 중량%, 상기 히알루론산이 30 내지 50 중량%, 상기 콜라겐이 30 내지 50 중량% 및 상기 트레할로오스가 1 내지 3 중량%로 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 셀룰로오스 나노섬유가 3중량% 미만이면 셀룰로오스 나노섬유 네트워크의 양이 너무 적어 강도향상효과가 미미하며 상기 셀룰로오스 나노섬유가 20중량%를 초과하면 셀룰로오스 나노섬유 네트워크 보다는 셀룰로오스 자체 도메인의 클러스터링으로 인해 뭉침이 더 많아 강도 향상효과가 오히려 저하된다. 바람직하게는 상기 셀룰로오스 나노섬유는 3.3 내지 16중량%를 포함한다. 상기 히알루론산이 30중량% 미만이면 수용성 특성이 낮아 용해도가 저하되고 유효성분의 분산이 저하 될 수 있으며 상기 히알루론산이 50중량%를 초과하면 건조시간이 더 소요될 수 있다. 바람직하게는 상기 히알루론산은 41 내지 47.2중량%를 포함한다. 상기 콜라겐이 30중량% 미만이면 강도가 저하될 수 있으며 상기 콜라겐이 50중량%를 초과하면 마이크로니들이 쉽게 부서질 수 있다. 바람직하게는 상기 콜라겐은 41 내지 47.2중량%를 포함한다. 상기 트레할로오스가 1중량% 미만이면 점성이 너무 낮아 건조시간이 더 소요될 수 있고 상기 트레할로오스가 3중량%를 초과하면 점성이 너무 높아 몰드에서 원하는 형상의 제조가 어려울 수 있다.

본 발명의 마이크로니들은 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상의 마이크로 금속니들이 양각으로 형성된 마이크로니들 금속 마스터를 제조하는 제 1 단계; 상기 마이크로니들 금속마스터를 이용하여 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상의 마이크로니들이 음각으로 형성된 PDMS 몰드를 제조하는 제 2 단계; 및 상기 PDMS 몰드에 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 붓고 경화시킨 후 상기 PDMS 몰드를 제거하여 경피전달용 마이크로니들 매트릭스를 제조하는 제 3 단계;를 포함하는 경피전달용 용해성 마이크로니들의 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.

상기 마이크로니들 금속 마스터는 종래의 마이크로머시너리기술을 이용하여 양각의 피라미드형상을 가진 니들을 일정한 간격을 배치되도록 제조할 수 있다. 상기 마이크로니들 금속 마스터의 양각 니들은 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상이며 상기 마이크로니들 금속 마스터로부터 제조된 PDMS 몰드 및 상기 PDMS 몰드를 이용하여 제조된 마이크로니들에 이르기까지 그 형상 및 크기가 동일하다.

상기 마이크로니들 금속 마스터를 이용하여 제조한 PDMS 몰드에 다당류, 단백질 및 당을 포함하는 용액에 CNF를 분산시킨 CNF 현탁액을 붓고 이를 상온에서 건조시킨다. 상기 CNF 현탁액은 증류수에 고형분으로서 셀룰로오스 나노섬유가 3 내지 20 중량%, 상기 히알루론산이 30 내지 50 중량%, 콜라겐이 30 내지 50 중량% 및 트레할로오스가 1 내지 3 중량%로 포함된 것을 특징으로 한다. 상기 셀룰로오스 나노섬유, 히알루론산, 콜라겐 및 트레할로오스의 사용량에 대해서는 상기에서 설명하였으므로 본 명세서의 중복을 피하기 위하여 설명하지 않는다.

추가적으로 상기 CNF 현탁액에 수용성 유효성분을 첨가하여 피부 또는 경적으로 전달할 수 있다. 상기 수용성 유효성분은 마이크로니들의 물성을 크게 변화시키지 않는 정도로 자유롭게 첨가할 수 있다. 상기 CNF 현탁액을 PDMS 몰드에 부어 경화시킨 후 PDMS 몰드를 조심스럽게 제거하게 되면 마이크로니들이 형성된 매트릭스가 제조된다.

상기 마이크로니들은 상기 셀룰로오스 나노섬유, 상기 히알루론산, 상기 콜라겐 및 상기 트레할로오스를 포함하는 베이스 상에 700㎛의 간격으로 형성되며 상기 셀룰로오스 나노섬유가 비용해성 셀룰로오스 나노섬유 네트워크를 형성하여 강도가 향상되고 용해성이 조절된 특성이 있다. 상기 간격이 너무 작으면 피부 침투시 저항이 증가하게 되는 문제점이 있고 상기 간격이 너무 크면 경피전달의 효율이 저하될 수 있다.

상기 마이크로니들은 피라미드 형상이며 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 것을 특징으로 한다. 보통 경피전달을 위해서는 300㎛ 정도의 피부천공으로도 충분한 것으로 알려져 있다. 본 발명의 마이크로니들은 그 높이가 500 내지 700㎛이어서 마이크로니들 전체가 피부에 관통하지 않더라도 경피전달을 위한 300㎛ 정도의 피부천공에는 전혀 문제가 없다. 상기 밑변의 길이가 250㎛ 미만이면 니들의 두께가 너무 얇아 원하는 강도를 얻을 수 없고 350㎛를 초과하면 피라미드의 폭이 너무 넓어 피부 천공능이 저하될 우려가 있다. 상기 밑변의 길이는 바람직하게는 300㎛이다.

본 발명의 경피전달용 용해성 마이크로니들은 셀룰로오스 나노섬유를 포함하고 있어 비용해성 셀룰로오스 나노섬유 네트워크를 형성하므로 마이크로니들의 강도 및 용해도를 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기 셀룰로오스 나노섬유의 네트워크화로 인해 인공피부에 대한 천공능(skin-piercing capability)이 95 내지 99%에 달하는 것으로 확인되었으며 상기 셀룰로오스 나노섬유 네트워크의 비용해성으로 인해 마이크로니들의용해도가 저하되어 유효성분의 방출량이 저하되는 것이 확인되나 그 저하정도가 30% 미만이어서 경피전달용 마이크로니들로 사용하는데 전혀 문제가 없는 것으로 판단된다. 참고로 상기 방출량의 저하는 필요에 따라 서방형 방출로 응용이 가능하므로 추가적인 연구를 통해 새로운 종류의 경피전달용 용해성 마이크로니들도 개발이 가능할 것으로 판단된다.

하시 실시예를 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다.

실시예

1. 실험 재료 및 방법

1-1. 실험재료

히알루론산(hyaluronic acid)과 콜라겐 펩타이드(collagen peptide)는 각각 SK 바이오랜드 Co., Ltd.(천안, 한국), 및 CNA 바이오텍 Co., Ltd.(충북, 한국)에서 구입하였으며 트레할로오스(trehalose), 칼세인(calcein) 및 PBS는 시그마 알드리치 Co., Ltd.(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 Cellulose-Lab(Canada)에서 구입하였다.

1-2. 마이크로니들 마스터 및 PDMS 몰드의 제조

본 발명의 마이크로니들은 금속 마스터를 사용하여 제조하였다. 마이크로니들 금속 마스터는 마이크로머시너리 기술(이화 다이아몬드 Ltd, Korea)을 이용하여 제조되었으며 피라미드 형상인 다수의 마이크로니들이 양각으로 형성되어 있다. 상기 마이크로니들의 가장 넓은 면(바닥면)은 한 변이 300㎛인 정사각형의 형상이다. 마이크로니들의 PDMS 몰드를 제조하기 위하여 실리콘 고무 용액(poly(dimethylsiloxane), PDMS, ELASTOSILR RT623 A), 실리콘 경화제(cross-linker, ELASTOSILR RT623 B) 및 실리콘 오일(유화제, AK35(C))을 9:1:3의 중량비로 혼합하여 실리콘 혼합용액을 제조하고 상기 마이크로니들 금속 마스터를 35㎜ 페트리 디쉬에 위치시킨 후 마스터가 완전히 잠길 때까지 상기 실리콘 혼합용액을 부어주었다. 그리고 60℃ 오븐에서 4시간동안 상기 실리콘을 경화시킨 후 페트리 디쉬와 마이크로니들 금속 마스터를 제거하여 마이크로니들-PDMS 몰드(MN-PDMS 몰드)를 제조하였다. 상기 MN-PDMS 몰드의 표면에는 상기 마이크로니들 금속 마스터의 마이크로니들이 위치하는 다수의 피라미드형 세공(pyramidial pore)이 음각의 형상으로 형성되어 있다.

1-3. 용해성 마이크로니들 매트릭스의 제조

직경이 10 내지 100㎚인 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose Nano Fiber, CNF)를 10㎖의 증류수에서 분산시킨 후 히알루론산(Hyaluronic acid, HA), 콜라겐(Collagen), 및 트레할로오스(Trehalose)를 첨가하고 혼합하여 CNF 현탁액을 제조하였으며 상기 CNF 현탁액은 CNF가 결합된 본 발명의 마이크로니들(Micro Needle, MN)의 제조에 사용되었다.

상기 CNF 현탁액의 조성은 표1과 같다.

	CNF (g/%)	HA (g/%)	Collagen (g/%)	Trehalose (g/%)	Total solid content (g/%)	DW (ml)
S/MN0	0	0.3/48.8	0.3/48.8	0.015/2.4	0.615/100	10
S/MN1	0.02/3.3	0.2903/47.2	0.2903/47.2	0.0144/2.3	0.615/100	10
S/MN2	0.1/16	0.2512/41	0.2512/41	0.0126/2	0.615/100	10
S/MN3	0.2/32.5	0.2024/32.9	0.2024/32.9	0.0101/1.7	0.615/100	10

상기 표1의 S/MN0는 CNF가 포함되지 현탁액을 의미하며, S/MN1, S/MN2, 및 S/MN3은 CNF가 각각 3.3%, 16%, 및 32.5% 함유된 CNF 현탁액을 의미한다. 상기 각각의 CNF 현탁액 0.7g을 마이크로니들-PDMS 몰드의 표면에 투입하고 4,500rpm으로 3분간 원심분리(rotor 13, NB-550, N-BIOTEK, Korea)하여 마이크로니들-PDMS 몰드의 피라미드형 세공에 상기 CNF 현탁액이 가득 차도록 하였다. 상기 CNF 현탁액이 피라미드형 세공에 가득 찬 마이크로니들-PDMS 몰드를 데시케이터에서 2일간 건조한 후 상기 마이크로니들-PDMS 몰드를 조심스럽게 제거하여 마이크로니들 매트릭스(Micro Needle Matrix)를 제조하였다. S/MN0, S/MN1, S/MN2, S/MN3으로 제조된 마이크로니들은 각각 마이크로니들0(MN0), 마이크로니들1(MN1), 마이크로니들2(MN2), 및 마이크로니들3(MN3)으로 명명하였다.

1-4. 주사전자현미경 및 X-선 회절 분석

상기 제조한 마이크로니들 매트릭스를 금속 스터브(stub)에 위치시키고 표면을 금으로 코팅한 후 주사전자현미경((SEM, S-4800, 히타치, 강원대학교 공동실험실습관)을 이용하여 표면의 형상을 분석하였다. MN0, MN1, MN2, MN3 및 CNF에 대하여 X-선 회절분석(X'Pert PRO MPD)을 실시하였으며 이때 사용한 X-선은 Cu K1 방사선 (λ=1.5506) 및 Cu K2 방사선 (λ=1.5444)이었고 K2/K1=0.05였다. 2θ 범위는 5-45^o, 스캔범위는 5, 스캔단계는 0.0131303, 발산 slit는 1.52㎚이었으며, 발전전압은 40kV 이었다.

1-5. 압축강도(Compressive Strength)의 분석

변형값(strain)에 대한 압축력 프로파일을 측정하여 마이크로니들 매트릭스에 가해지는 압축력에 대한 마이크로니들의 기계적 강도를 평가하였다. 15x15의 마이크로니들이 포함되도록 마이크로니들 매트릭스를 절단하고 만능시험기(universal testing machine, TO-100-IC, Testone Co., Korea)의 로드셀(UMN-K10, Dacell, Korea) 중앙에 위치시켰다. 상기 마이크로니들 매트릭스에 가해진 압력은 고정된 상단 로드셀에 0.2㎜/분으로 일정하게 상승시키는 방법으로 측정하였다. 압축력 프로파일은 마이크로니들에 가해진 압력에 따른 변형정도를 도식화하여 표현하였으며 상기 압력이 가해진 마이크로니들에 대하여 주사전자현미경 분석을 수행하였다.

1-6. 피부 천공능(Skin-piercing Capability) 분석

마이크로니들 매트릭스를 인공피부(Start-M Membrane, Transdermal Diffusion Test Model, 25 mm)의 중앙에 위치시키고 마이크로니들이 피부 방향을 향하게 한 후 직경이 1.5㎝인 디스크 플레이트를 이용하여 눌러주었다. 이때 가해진 압력은 1.5㎏f가 되도록 하였다. 상기 마이크로니들 매트릭스를 제거한 후 100㎕의 염료(trypan blue)를 첨가하여 마이크로니들에 의해 형성된 인공피부의 천공으로 염료가 확산되는지 확인하였다. 좀 더 확실한 분석을 위하여 상기 인공피부를 상온에서 12시간 동안 건조한 후 이를 분석하였으며 상기 분석결과는 이동식 현미경(ViTiny UM12, Oasis Scientific Inc, USA)을 이용하여 현미경 사진을 촬영하였다. 마이크로니들에 의한 천공율(%)은 마이크로니들의 수와 실제 형성된 천공의 수를 나누어 %로 환산하였다.

1-7. 피부 관통능(Skin-penetrating Capability) 분석

칼세인이 탑재된 마이크로니들 매트릭스를 인공피부의 중앙에 위치시키고 마이크로니들이 피부 방향을 향하게 한 후 직경이 1.5㎝인 디스크 플레이트를 이용하여 눌러주었으며 상기 가해진 압력은 1.5㎏f가 되도록 하였다. 상기 칼세인이 탑재된 마이크로니들 매트릭스가 부착된 인공피부를 절단하여 그 단면을 형광현미경(DMi8, Leica, Germany)으로 관찰하였다.

1-8. 염료방출 분석

칼세인이 탑재된 마이크로니들 매트릭스를 PBS 완충용액이 담겨진 35㎜ 페트리 디쉬에 넣고 뚜껑을 덮은 후 32℃ 항온오븐에 두었다. 두 시간 후 PBS 2㎖을 꺼내어 칼세인의 형광세기(515㎚)를 측정한 후 페트리 디쉬에 다시 넣어 농도변화가 없도록 하였다. 방출량(%)은 초기 마이크로니들 매트릭스에 탑재한 염료(칼세인)의 양을 기준으로 PBS에 방출된 염료의 양을 기준으로 계산하였으며 PBS에 담긴 마이크로니들 매트릭스의 사진을 찍어 마이크로니들 매트릭스의 용해특성을 측정하였다.

1-9. 인 비트로 피부침투 분석

칼세인이 탑재된 마이크로니들 매트릭스를 인공피부의 중앙에 위치시키고 마이크로니들이 피부 방향을 향하게 한 후 직경이 1.5㎝인 디스크 플레이트를 이용하여 눌러주었다. 이 때 가해진 압력은 1.5㎏f가 되도록 하였다. 칼세인이 탑재된 마이크로니들 매트릭스가 부착된 인공피부를 프란츠 확산셀(Franz diffusion cell, 표면적 0.636㎝²)에 장착한 후 리셉터셀(receptor cell)에 PBS 5㎖을 채운 후 온도를 32℃로 유지하였다. 동시에 칼세인 용액 0.7㎖을 대조군으로 인공피부에 투입하였다. 상기 칼세인 용액은 PBS에 칼세인 0.1mM을 용해시킨 용액이다. 24시간 후 리셉터용액 2㎖을 꺼내어 칼세인의 형광세기(515㎚)를 측정하고 측정한 리셉터 용액을 다시 넣어 농도가 변하지 않도록 하였다. 칼세인(염료)의 양은 적정커브를 통해 계산하였으며 염료의 피부투과정도는 피부면적당 투과한 염료의 합으로 표시하였다.

2. 실험 결과

2-1. 마이크로니들 마스터 및 마이크로니들-PDMS 몰드의 제조결과

도 1은 텅스텐 마이크로니들 마스터의 사진을 보여준다. 피라미드형 텅스텐 마이크로니들이 1.5㎝X1.5㎝ 면적에 15X15열로 형성되어 있으며 700㎛ 간격으로 일정하게 형성된 것이 확인되며 상기 니들은 하부의 한 변이 300㎛이고 높이가 600㎛이다. 도2는 PDMS 몰드를 보여준다. 도2의 패널(A) 및 (B)를 보면 음각의 피라미드형 구멍이 상기 마이크로니들 마스터의 텅스텐 마이크로니들과 동일한 형상으로 형성된 것이 확인된다.

2-2. 마이크로니들 매트릭스의 제조결과

도3은 NM0, MN1, MN2, 및 MN3의 전자현미경 사진을 보여준다. 도3에 의하면 상기 마이크로니들 매트릭스는 사각의 밑변을 가진 피라미드형인 것으로 확인되며 마이크로니들 금속 마스터와 동일한 형상을 가지는 것으로 확인되며 상기 밑변의 길이 또한 마이크로니들 금속 마스터와 동일하게 300㎚인 것이 확인된다.

상기에서 살펴본바와 같이 마이크로니들은 마이크로니들 금속 마스터와 동일하게 복제되는 것이 확인되었으며 CNF의 함량이 증가함에 따라 그 표면이 거칠어지는 것이 확인되었다. 마이크로니들 매트릭스의 다른 구성성분인 히알루론산, 콜라겐, 트레할로오스는 물에 잘 녹는 성질을 가지고 있기 때문에 이를 건조하게 되면 부드러운 표면을 가지게 된다. 따라서 CNF가 함유되지 않은 S/MN0는 그 표면이 부드럽다(도 3의 패널(A)참조).

이에 반하여 상기 CNF는 셀룰로오스 단일물질이 아닌 길이가 수 미크론에 달하고 길이가 10 내지 100㎚에 달하는 셀룰로오스의 줄기의 묶음이다. 따라서 상기 CNF의 함량이 증가하게 되면 건조로 인해 형성된 마이크로니들 매트릭스의 표면이 불규칙해 지는 것이다.

2-3. 마이크로니들 매트릭스의 제조결과

도3에 의하면 상기 마이크로니들 매트릭스의 마이크로니들은 사각의 밑변을 가진 피라미드 형상인 것으로 확인되었다. 상기 형상은 마이크로니들 금속 마스터와 동일한 형상이며 밑변의 길이 및 높이 또한 마이크로니들 마스터와 동일하게 300㎛와 600㎛인 것이 확인되었다. CNF의 함량이 증가함에 따라 마이크로니들 매트릭스의 표면이 거칠어지는 것이 확인되었다. 마이크로니들 매트릭스의 다른 구성성분인 히알루론산, 콜라겐, 및 트레할로오스는 물에 잘 녹는 성질을 가지고 있어 이를 건조하더라도 잘 분산되어 부드러운 표면을 가지게 된다. 따라서 CNF가 함유되지 않은 S/MN0는 그 표면이 부드러운 것이 확인된다(도 3의 패널(A)참조). 이에 반하여 상기 CNF는 셀룰로오스 줄기가 서로 엉켜 형성된 것으로 상기 셀룰로오스 줄기는 길이가 수 미크론이며 직경이 10 내지 100㎚이다. 특히 상기 CNF는 셀룰로오스 단량체와 달리 용해도가 낮아 CNF의 함량이 증가하게 되면 건조로 인해 형성된 마이크로니들 매트릭스의 표면은 불규칙해 진다.

2-4. X-선 회절 분석결과

도 4는 MN0, MN1, MN2, MN3, 및 CNF의 X-선 회절분석결과를 보여준다. CNF의 분석결과에 따르면, 셀룰로오스 결정구조 (110)면, (200)면, 및 (004)면에 해당하는 회적피크들은 각각 15.8^o, 22.6^o 및 34.4^o에서 각각 발견되는 것이 확인된다. MN0의 분석결과에 따르면, 특징적인 피크가 발견되지 않는 것으로 보아 이는 MN0의 주성분이 비결정성 고분자인 히알루론산과 콜라겐이기 때문으로 판단된다. 비결정성 고분자를 주성분으로 하는 MN0 매트릭스는 비결정성 특성을 가져 X-선 회절로 인한 피크가 발견되지 않는다. MN1의 스펙트럼에서도 특징적인 피크가 발견되지 않았는데 이는 CNF의 함량이 3.3%에 불과하기 때문으로 판단된다. 이에 반하여 MN2에서는 두 개의 특징적인 피크가 CNF 결정구조의 (200)면으로부터 회절되어 22.2^o에서 발견된다. MN3 또한 MN2와 같은 특징적인 피크가 발견된다. MN3의 피크는 CNF 결정의 (200)면으로부터 회절되어 22.5^o에서 발견되는 두 개의 피크가 가장 강한 것으로 확인되며, CNF 결정의 (110)면으로부터 회절되어 15.7^o에서 발견되는 두 개의 피크, CNF 결정의 (004)면으로부터 회절되어 34.5^o에서 발견되는 두 개의 피크가 확인된다. 상기 X선 회절분석 결과에 따르면, CNF의 함량이 증가할수록 회절피크의 세기가 증가하는 것으로 확인되며 이는 CNF가 MN 매트릭스가 결정구조를 유지하는데 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다(도 4 참조).

2-5. 압축강도의 측정결과

도 5는 MN0, MN1, MN2, 및 MN3의 압축력 프로파일을 보여준다.

MN0의 압축력 프로파일을 살펴보면, MN 매트릭스와 상단 로드셀이 접촉하여 가해진 최초의 압력에 대한 압축력(compressive force)은 0.011㎏_f인 것으로 측정되었다. 그 반면, 변형값(strain 또는 displacement)이 0㎛에서 125㎛로 상승하는 경우, 압축력은 0.011㎏_f까지 상승하는 것으로 확인되며, 변형값이 125㎛에서 200㎛까지 상승하는 경우, 압축력은 0.041㎏_f수준으로 유지되는 것으로 확인되었다. 첫 번째 변형이 일어나는 0 내지 125㎛의 변형값 범위에 대한 압축력 프로파일을 살펴보면, 압축력이 변형값에 비례하여 증가하는 것이 확인되는데, 그 이유는 니들의 탄성변형이 압축력 프로파일에 반영되어 나타났기 때문으로 판단된다. 두 번째 변형이 일어나는 125 내지 200㎛의 변형값 범위에 대한 압축력 프로파일을 살펴보면, 변형값이 증가하여도 압축력이 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지되는 것이 확인된다. 그 이유는 니들이 파괴되어 변형값의 변화와 무관하게 압축력이 유지되기 때문으로 판단된다. 종래의 결과에 의하면, 압축력이 가해진 고분자 물질은 좁은 변형값 범위에서 탄성특성을 보이며 항복점(yield point) 이상의 변형값 또는 압축력을 받게 되면 파괴되어 버리는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 시험결과에 따르면, MN0의 니들은 변형값 200㎛ 부근(압축력 0.041㎏_f)에서 파괴되는 것이 확인된다. 따라서 MN0의 항복점은 압축력 0.041㎏_f 부근인 것으로 판단된다. 세 번째 변형이 일어나는 200㎛ 이상의 변형값에 대한 압축력 프로파일을 살펴보면, 변형값에 비례하여 압축력이 증가하는 것이 확인되며 이는 MN 매트릭스가 니들 팁(tip)이 파괴된 상태에서 매트릭스 자체의 탄성에 의해 변형된 결과가 반영된 것으로 판단된다.

MN1의 압축력 프로파일을 살펴보면, 변형값이 0㎛에서 82㎛으로 상승하면 압축력이 비례하여 최대 0.042kg_f까지 상승하는 것이 확인되며, 변형값이 83㎛에서 168㎛으로 상승하면 압축력은 일정하게 유지되며, 변형값이 168㎛을 초과하면 압축력이 다시 비례하여 상승하는 것이 확인되었다. MN1의 니들은 MN0와 유사하게 압축력 0.042 kg_f부근에서 파괴되는 것으로 확인되었으며 변형값에 대한 압축력의 변화가 급격하게 이루어지는 것으로 보아 MN0에 비해 MN1의 니들 팁이 더 단단하고 부러지기 쉬운 특성을 가지는 것으로 판단된다. 상기에서 살펴본 바와 같이 MN1의 CNF의 함량이 3.3%에 불과함에도 불구하고 니들의 강도가 향상되는 것이 확인되었다.

CNF는 셀룰로오스 분자가 묶음의 형태로 뭉쳐진 구조를 가지며 상기 구조에는 결정화 도메인을 포함하고 있다. CNF는 상기 결정화 도메인으로 인하여 강도가 향상된 특성이 있는데 상기 CNF는 MN의 니들에서도 동일하게 적용되어 니들의 강도를 향상시킨 것으로 판단된다. 추가적으로 CNF 줄기는 길이가 수 마이크로미터에 달하는 긴 형상을 가지고 있어 물리적으로 엉켜 존재할 수 있고 장거리 상호결합(long-range interaction)이 가능한 특성이 있다. 또한 상기 장거리 상호결합은 CNF 줄기사이의 수소결합이 가능하도록 하므로 상기 장거리 상호작용을 더 향상시키는 요인이 된다. 상기와 같은 환경 하에서 CNF 줄기는 서로 네트워크를 형성 할 수 있으며 이는 니들의 강도를 향상 시킨다.

MN2의 압축력 프로파일은 MN1의 압축력 프로파일과 유사하나 변형값에 대한 압축력의 기울기(slope)가 MN1보다 더 가파른 특징이 있다. MN2의 CNF 함유량은 16%로서 MN1의 CNF 함유량에 비하여 3배가량 더 많다. 따라서 MN2의 기계적 특성은 MN1에 대비하여 강도가 더 향상되었을 것으로 판단된다.

추가적으로 CNF의 함유량이 증가하게 되면 CNF 네트워크가 더 용이하게 형성되며 상기 CNF 네트워크는 니들의 강도를 향상시킨다. MN2는 MN1과 달리, 니들 팁이 파괴되는 압축력과 두 번째 탄성 변형이 이루어지는 압축력 사이에서 더 작은 변형값 범위에서 가파른 기울기를 보이는 것이 확인되는데 이는 MN2의 니들 파괴가 단계적으로 이루어진다는 것을 의미한다.

MN3의 경우 니들 팁의 파괴와 두 번째 탄성 변형 사이의 압축력 증가가 더 현저한 것으로 확인된다. MN3의 CNF 함량은 33%로서 MN1의 함량에 대비하여 10배가량 높다. CNF 함량이 높을수록 MN 매트릭스의 표면이 더 거칠다는 점을 고려하면, CNF는 특히 함량이 높을 때 광범위한 물리적 얽힘으로 인해 자체 도메인으로 클러스터링 되는 것으로 판단되었다.

CNF의 함량이 33%인 경우 CNF, 히알루론산(HA) 및 콜라겐의 질량비는 1 : 1 : 1 (CNF : HA : collagen)이었다. 상기와 같이 CNF의 함량이 높게 되면 균일하게 분산된 줄기사이의 네트워크는 형성되기 어려우나 그 자체의 도메인은 형성가능하다. 상기와 같은 환경에서 MN3은 불균일한 기계적 성질을 보이게 되는데 이는 니들이 파괴되는 압축력과 두 번째 탄성 변형(니들 팁의 파괴)이 이루어지는 압축력 영역 사이에서 단계적인 니들 파괴가 이루어진 이유를 설명해 준다. 첫 번째 탄성 변형 영역에서의 압축력 프로파일의 기울기는 MN2가 MN3보다 더 가파르다. 상기 결과는 CNF가 높은 함량으로 존재하여 불균일하게 분산된 분위기에서 형성되는 MN3의 CNF 도메인은 오히려 균일하게 분산된 CNF에 의해 형성된 MN2의 CNF 네트워크에 대비하여 니들의 강도 향상에 불리하다는 점을 의미한다.

도 6은 압축강도시험에 사용된 MN0, MN1, MN2, 및 MN3의 주사전자현미경 사진을 보여준다. MN 매트릭스의 니들 팁(tip)은 모두 구부러진 것으로 관찰되며 줄기(stem)부분은 모두 형태를 유지하고 있는 것으로 확인된다. 상기 압축강도 실험결과에 따르면 두 번째 탄성 변형은 123 내지 170㎛에서 발생한다. 주사전자현미경 사진에서 확인된 구부러진 팁의 길이 역시 약 124 내지 166㎛로서 상기 압축강도 실험결과와 일치하는 것으로 확인되었다. 상기 압축강도시험의 최대 변형값(300㎛)은 상기 니들 팁이 구부러지는 변형값에 대비하여 두 배 이상이다. 상기 최대 변형값이 적용되면 니들 팁은 파괴되나 그 이하의 줄기부분은 그 형태를 그대로 유지하고 있는 것이 확인된다. 상기 결과는 줄기 부분이 팁 부분과 달리 탄성 변형을 한다는 것을 의미한다.

2-6. 피부천공능의 측정결과

도 7은 MN0, MN1, MN2, 및 MN3에 의하여 천공된 인공피부에 대한 광학현미경사진을 보여준다. 상기 인공피부에는 천공이 선명하게 확인되며 천공에 사용된 MN0, MN1, MN2, 및 MN3의 니들이 완벽히 제거되어 어떠한 부스러기도 남기지 않은 것이 확인된다. MN0, MN1, MN2, 및 MN3의 천공율(%)은 각각 81.8%, 97.8%, 98.7%, 및 96.4%인 것으로 확인되었다. CNF를 함유하는 MN 매트릭스(MN1, MN2, 및 MN3)는 CNF를 함유하지 않은 MN 매트릭스(MN0)에 대비하여 우수한 피부 천공능(skin-piercing capability)을 가지는 것으로 확인되었다.

니들의 피부 천공능에 영향을 미치는 요인은 직경, 기학적 구조, 기계적 특성 및 압축력 등이 있다. 본 발명의 실시예의 MN 매트릭스는 니들의 직경, 기하학적 구조, 및 압축력의 조건이 동일하게 시험하여 니들의 기계적 특성, 강도에 따른 피부천공능을 분석하였다. 니들의 강도가 높으면 니들에 가해진 압축력은 니들에 흡수되지 않고 인공피부로 전달된다. 본 발명의 CNF를 포함하는 MN 매트릭스는 CNF를 포함하지 않은 MN 매트릭스에 비해 피부 천공능이 더 높은 것으로 확인되는데 이는 CNF를 포함한 MN 매트릭스에 비해 강도가 더 높기 때문으로 판단된다(도 5 참조).

2-7. 피부 관통능의 측정결과

도 8은 인공피부에 부착된 칼세인이 탑재된 MN0의 단면을 흑백(패널(A)), 형광(패널(B)), 및 이들을 겹쳐 표현(패널(C))한 현미경사진을 보여준다. 먼저 도 8의 패널 (A)를 보면, 인공피부와 칼세인이 탑재된 MN0 매트릭스 사이에 흰색으로 촬영된 MN 매트릭스의 베이스 부분이 보이는데 이는 칼세인이 탑재된 MN0 매트릭스 니들의 1/3만이 피부를 관통한 것을 의미한다. 상기 칼세인이 탑재된 MN 매트릭스는 칼세인에 의해 황록색의 형광색으로 표현되며 상기 인공피부는 검정색으로 표현된다. 형광현미경으로 촬영시 검정색과 형광색이 겹치게 되면 검게 표시된다. 따라서 인공피부를 관통한 니들은 인공피부와 겹쳐져 검게 표시되고 인공피부를 관통하지 못한 니들은 황록색으로 표시된다. 도 8의 패널 (B)를 보면, 칼세인이 탑재된 MN 매트릭스의 베이스는 황록색으로 표시되며 인공피부는 검정색으로 표현된다. 도 8의 패널(C)는 패널(A)와 패널(B)를 겹친 것이다. 인공피부를 관통한 니들 부분은 인공피부의 검은색과 겹쳐져 검게 표현된다. 칼세인이 탑재된 MN 매트릭스 니들의 밑 부분은 황록색으로 표시되는데 이는 상기 밑 부분이 피부내로 관통하지 못하였기 때문으로 판단된다. 칼세인이 탑재된 CNF 함유 MN 매트릭스(MN1, MN2 및 MN3)의 피부 관통정도는 CNF를 함유하지 않은 MN 매트릭스(MN0)와 유사한 것으로 확인되었다. MN 매트릭스의 피라미드형 니들은 니들 팁이 파괴된 후 탄성변형을 보인다. 따라서 MN 매트릭스에 적용된 압축력은 니들의 탄성 줄기에 의해 흡수되어 피부로 완전하게 전달되지 않기 때문에 니들의 모든 부분이 인공피부내로 관통되지 못한 것으로 판단된다.

2-8. 형광염료(칼세인)의 방출결과

도 9는 칼세인이 탑재된 MN0, MN1, MN2, 및 MN3의 형광염료(칼세인) 방출 프로파일을 보여준다. MN0의 경우 처음 20분간 86%까지 빠른 속도로 염료를 방출하며 나머지 시간 동안에는 98%까지 서서히 방출하는 것으로 확인되었다. MN1, MN2, 및 MN3 역시 MN0와 동일한 방법으로 방출하여 포화상태에 이르는 프로파일을 보이는 것으로 확인되었으며 상기 포화 방출 프로파일은 종래의 수용성 카고가 탑재된 매트릭스 타입의 운반체의 방출프로파일과 유사한 것으로 판단된다.

본 발명의 MN 매트릭스는 CNF 함유량이 낮을수록 높은 초기 방출정도를 보이는 것으로 확인된다. 예를 들어 MN0, MN1, MN2, 및 MN3의 초기 10분 방출정도를 보면 각각 80%, 75%, 63%, 및 42% 수준인 것으로 확인되며, 시간이 흐를수록 MN0, MN1, MN2, 및 MN3 사이의 방출정도 차이가 미미해져 후기 120분 이후의 방출에서는 모든 MN 매트릭스가 최대 방출정도(90% 이상)를 보이는 것이 확인되었다.

MN0는 수용성 고분자만으로 구성되어 있다. 따라서 MN0는 수용액상에서 쉽게 용해되어 높은 방출량을 유지한다. 이에 반하여 MN1, MN2, 및 MN3는 CNF를 포함하고 있고 상기 CNF는 비수용성이다. 상기 CNF는 셀룰로오스 섬유 줄기로서 MN 매트릭스 내에서 물리적 엉킴으로 네트워크를 형성하거나 줄기사이의 수소결합을 이룬다. 따라서 상기 CNF를 함유한 MN 매트릭스는 물에 쉽게 녹지 않게 된다. 상기와 같은 조건에서 형광염료(칼세인)의 방출은 매트릭스의 용해도 및 형광염료의 매트릭스 확산정도에 의해 조절된다. 상기와 같은 염료 방출 기작은 CNF 함유량이 높을수록 방출량이 적은 이유를 설명해 준다.

도 10은 32℃로 유지된 PBS 완충용액에 10 분 및 24시간 동안 담겨진 MN0 또는 MN3를 촬영한 사진을 보여준다. 실험결과, MN0는 10분 만에 용해된 것이 확인되었는데, 이는 MN0가 물에 잘 녹는 히알루론산 및 콜라겐으로 구성되어 있기 때문으로 판단된다. 이에 반하여 MN3는 10분이 지나도 그 형태를 유지하는 것으로 확인되었는데, 이는 MN3 내에 CNF 비수용성 네트워크가 형성되었기 때문으로 판단된다.

MN3는 초기 방출 단계에서 확산 메커니즘에 의해 탑재된 유효성분을 방출하는 것으로 판단된다. 상기 결과는 CNF를 포함하지 않는 MN 매트릭스에 대비하여 CNF를 함유하는 MN 매트릭스의 초기 염료 방출량이 더 낮은 결과에 의해 지지된다(도 9 참조). 상기 MN0와 MN3를 PBS 완충용액에 24시간동안 담가 두게 되면 MN0의 경우 완전히 용해되어 형태를 알아볼 수 없게 된 반면, MN3는 아직 형태가 남아 있으나 CNF 네트워크를 제외한 히알루론산이나 콜라겐과 같은 수용성 고분자들은 침출되어 풀어지는 것으로 확인된다. 상기와 같이 MN0와 MN3은 니들이 용해되는 과정을 통해 탑재된 유효성분을 방출하는 것으로 판단되며 상기 결과는 후기 방출 프로파일에서 모든 MN 매트릭스가 시간이 흐름에 따라 그 방출량의 차이가 미미해지는 것과 포화 방출상태에 이르게 되는 이유를 설명해 준다.

정리하면 본 발명의 MN 매트릭스는 탑재된 유효성분에 대하여 초기 방출시에는 확산에 의해 방출하는 것으로 판단되며 후기 방출시에는 용해에 의해 방출하는 것으로 판단된다.

2-9. 인-비트로 피부 투과 분석결과

도 11은 칼세인이 탑재된 MN0, MN1, MN2, 및 MN3을 부착시킨 인공피부와 MN 매트릭스를 부착시키지 않은 인공피부에 칼세인(염료) 용액을 적용하고 24시간동안 변화한 칼세인의 양을 측정하여 인공피부를 투과한 칼세인의 누적량을 보여준다. 아무런 부착을 하지 않은 인공피부의 경우 24시간이 지나도 칼세인의 누적량의 변화가 미미한 것으로 확인되었다. 상기 칼세인은 수용성이며 피부의 높은 극성으로 인하여 피부에 거의 묻지 않는 특성이 있어 칼세인이 피부에 흡착되어 양이 변할 우려는 없는 것으로 판단된다. 한편, 칼세인이 탑재된 MN0, MN1, MN2, 및 MN3을 부착시킨 인공피부의 칼세인 누적량은 시간이 흐름에 따라 현저히 증가하는 것이 확인되었다.

칼세인의 피부투과는 초기 5시간동안 천천히 진행되었으며 그 후 나머지 시간동안 빠르게 진행되었다. 상기 인공피부에 리셉터용액이 흡수되어 평형을 이루기까지는 수 시간이 소요된다. 따라서 인공피부 투과실험의 초기단계에서는 MN 매트릭스의 수화정도는 용해정도가 매우 낮은 상태이다. 초기 피부투과 단계에서는 상기 염료가 주로 확산에 의해 방출되는 것으로 확인된다. 이는 초기 단계에서 피부투과가 서서히 일어나는 것에 의해 지지된다. 상기 초기 단계를 지나 인공피부가 리셉터 용액에 의해 완전히 수화되면 니들의 용해정도가 증가하게 되므로 상기 니들의 염료의 방출량이 증가하게 된다. 이는 상기 염료의 방출이 후기 단계 접어들어 그 방출속도가 급격히 증가하는 것에 의해 지지된다.

본 발명의 MN 매트릭스의 피부 투과도는 MN0 > MN1 > MN2 > MN3 순인 것으로 확인된다. 실험결과에 의하면, 24시간동안 측정한 인공피부 투과 누적량은 MN0, MN1, MN2, 및 MN3가 각각 57, 52, 41, 및 12 μg/ml인 것으로 확인된다. 본 발명의 MN 매트릭스는 용해성 또는 반-용해성 니들을 사용하므로 포크-릴리즈 방법을 통해 수용성 조성물을 피부로 운반하게 된다. 포크-릴리즈 방법에서 피부 투과에 영향을 주는 포크(poke) 관련 요인은 니들의 피부 천공 정도와 피부 관통 깊이이며 릴리즈(release) 관련 요인은 니들에 탑재된 유효물질에 대한 확산율과 니들의 용해율이다. CNF를 함유하는 MN 매트릭스의 피부 천공능은 CNF를 함유하지 않은 MN 매트릭스에 대비하여 약간 높은 수준이다. 따라서 CNF를 함유하는 MN 매트릭스는 CNF를 함유하지 않은 MN 매트릭스 보다 유효탑재물질의 피부 투과가 유리할 것으로 판단된다. MN 매트릭스의 종류에 상관없이 니들은 피부를 완전히 관통하지 못 할 수 있다. 상기 니들은 길이는 600㎛ 수준임에도 불구하고 두께가 약 300㎛인 피부를 부분적으로 관통하게 되는데 그 이유는 MN 매트릭스가 가진 탄성으로 압축력을 흡수하기 때문으로 판단된다. 이론적으로 CNF를 함유하는 MN 매트릭스의 마이크로니들은 강도가 더 높기 때문에 피부를 더 깊이 관통할 것으로 예상할 수 있다. 그러나 피부에 관통 형성된 구멍의 크기가 모드 유사한 것으로 볼 때 피부의 관통 깊이 역시 모두 유사한 것으로 판단된다.

니들에 탑재된 유효성분의 확산율 변화는 MN 매트릭스의 소형화 및 극성 그리고 MN 매트릭스와 유효성분의 전기적 결합 또는 수소결합과 같은 상호작용에 의해 결정된다. MN 매트릭스가 24시간 정도 수용액상에 존재하게 되면 수용성 성분은 모두 용해되어 풀어지게 된다(도 10 참조). 따라서 MN 매트릭스를 이용하여 장시간 동안 피부투과를 통해 유효성분을 전달하는 경우, 천공을 통한 유효성분의 확산보다는 용해로 인한 유효성분의 방출이 중요한 역할을 하는 것으로 판단된다.

본 발명의 실시예에 따르면, CNF가 함유되지 않은 MN 매트릭스(MN0)는 피부 투과능이 가장 우수하며 쉽게 용해되는 특징이 있다. 이에 반하여 가장 높은 CNF 함량을 가진 MN3은 가장 높은 피부 관통능을 가지는 것과 달리 피부투과정도가 가장 낮으며 잘 용해되지 않는 것으로 확인된다. 따라서 용해성 MN 매트릭스에 탑재된 운반체의 피부투과정도를 조절하기 위해서는 CNF의 함유량을 조절하여 그 용해정도를 조절하는 방법으로 수행하는 것이 가능할 것으로 판단된다.

3. 결론

본 발명의 특징을 정리하면 하기와 같다.

1) 본 발명의 용해성 MN 매트릭스는 CNF를 각각 0%, 3.3%, 16% 및 33%를 함유하며 CNF, 히알루론산, 콜라겐, 트레할로오스의 혼합용액을 MN-PDMS 몰드에서 경화시켜 제조하며 상기 MN 매트릭스의 니들은 밑면이 폭이 300㎛이고 높이가 600㎛으로 금속-MN 마스터에 형성된 금속니들의 형상과 동일한 것으로 확인되었다.

2) 압축강도 시험결과, MN 매트릭스에 함유된 CNF의 함량이 증가할 수 록 니들의 강도가 증가하며 압축력이 가해짐에 따라 니들 팁의 탄성 변형, 니들 팁의 파괴 및 니들줄기(stem)의 탄성변형이 차례로 일어나고, 니들 줄기 부분은 니들 팁이 구부러진 상태에서도 형태를 유지되는 것으로 확인되었다.

4) CNF를 함유하는 MN 매트릭스는 CNF를 함유하지 않은 MN 매트릭스에 대비하여 강도가 높아 피부 천공능이 더 우수한 특징이 있는 반면, MN 매트릭스의 수용성 염료의 방출량은 상대적으로 낮은 것으로 확인되었다.

5) CNF를 함유하는 MN 매트릭스는 CNF 줄기가 물리적 엉킴과 수소결합을 통해 서로 상호작용을 하게 되므로 MN 매트릭스에서 비수용성 네트워크를 형성하게 되고 상기 네트워크는 니들의 용해도를 저하시키기 때문에 니들의 용해에 의한 유효성분의 방출이 줄어들게 된다.

6) 인-비트로 피부 투과시험결과, CNF 함유량이 높을수록 MN 매트릭스에 탑재된 운반체의 피부투과도가 저하되는 것이 확인되었으며 상기 피부투과도의 저하는 경피전달율의 저하를 의미한다.

7) 따라서 CNF의 함량을 조절하면 강도가 향상되어 피부 천공능이 향상되면서도 경피전달율이 유사한 CNF 강화 마이크로니들 매트릭스를 제조할 수 있다.

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims

셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber), 히알루론산(hyaluronic acid), 콜라겐(collagen) 및 트레할로오스(trehalose)를 포함하는 경피전달용 용해성 마이크로니들.
청구항 1에 있어서, 상기 마이크로니들은 상기 셀룰로오스 나노섬유가 3 내지 20 중량%, 상기 히알루론산이 30 내지 50 중량%, 상기 콜라겐이 30 내지 50 중량% 및 상기 트레할로오스가 1 내지 3 중량%로 포함된 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들.
청구항 1에 있어서, 상기 마이크로니들은 피라미드 형상이며 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들.
청구항 1에 있어서, 상기 마이크로니들은 상기 셀룰로오스 나노섬유, 상기 히알루론산, 상기 콜라겐 및 상기 트레할로오스를 포함하는 베이스 상에 700㎛의 간격으로 형성된 패치형상인 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들.
청구항 1에 있어서, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 비용해성 셀룰로오스 나노섬유 네트워크를 형성하여 상기 마이크로니들의 강도 및 용해도를 조절하는 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들.
청구항 1에 있어서, 상기 마이크로니들은 인공피부에 대한 천공능(skin-piercing capability)이 95 내지 99%인 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들.
밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상의 마이크로 금속니들이 양각으로 형성된 마이크로니들 금속 마스터를 제조하는 제 1 단계;
상기 마이크로니들 금속마스터를 이용하여 밑면의 한 변이 250 내지 350㎛이며 높이가 500 내지 700㎛인 피라미드 형상의 마이크로니들이 음각으로 형성된 PDMS 몰드를 제조하는 제 2 단계; 및
상기 PDMS 몰드에 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 붓고 경화시킨 후 상기 PDMS 몰드를 제거하여 경피전달용 마이크로니들 매트릭스를 제조하는 제 3 단계;
를 포함하는 경피전달용 용해성 마이크로니들의 제조방법.
청구항 7항에 있어서, 상기 셀룰로오스 나노섬유 현탁액은 전체 고형분 100 중량%에 대하여 셀룰로오스 나노섬유가 3 내지 20 중량%, 상기 히알루론산이 30 내지 50 중량%, 콜라겐이 30 내지 50 중량% 및 트레할로오스가 1 내지 3 중량%로 포함된 현탁액인 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들의 제조방법.
청구항 7항에 있어서, 상기 마이크로니들은 700㎛ 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들의 제조방법.
청구항 7항에 있어서, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 비용해성 셀룰로오스 나노섬유 네트워크를 형성하여 마이크로니들의 강도 및 용해도를 조절하는 것을 특징으로 하는 경피전달용 용해성 마이크로니들의 제조방법.