JP4873795B2 - 動水力学的な二重安定化による安定した水−油−水多重エマルジョンシステム及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内水相安定性が極大化された水−油−水(water-in-oil-in-water)多重エマルジョンシステム(multiple emulsion system)及びその製造方法に関するものである。より詳しくは、本発明者が発明した動水力学的な二重安定化(hydrodynamic dual stabilization；以下、HDSという)技術により内水相を疎水化させ、内水相の油に対する分散安定性を１次的に極大化させ、２次乳化過程を経て、得られる水−油−水多重エマルジョンシステム内において内水相ドメインの外水相への拡散力を遮断させ、多重エマルジョンシステムが有する熱力学的安定性を大きく改善することにより、非常に安定した水−油−水多重エマルジョンシステムを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多重エマルジョンは、大きく水−油−水形態と油−水−油形態とに分けることができる。一般に、その応用性を考えると、水−油−水形態のエマルジョンがより広く適用されている。この多重エマルジョンは、油相内に水がドメインを形成している独特なシステムなので、水溶性活性物質を内水相に導入し、化学的または物理的な刺激により放出させる薬物伝達系において、非常に魅力的に受け入れられている。
【０００３】
今まで水−油−水多重エマルジョンは、相転移法と２段階乳化法により広く製造されて来た。相転移法は、界面活性剤の自発的配向性を考慮した方法で、初期に多く適用されたが、窮極的安全性を解決するのには限界性があるので、最近は２段階乳化法をよく使用している。この２段階乳化法は、１段階で疎水性界面活性剤を利用して水−油エマルジョンを製造し、次いで、製造された水−油エマルジョンを親水性界面活性剤が適切に溶けている水相で再び乳化させる方法である。
【０００４】
この２段階乳化法では、界面活性剤の配合、油の特性、機械的剪断力、相の体積率、水溶性添加剤の導入などを考慮しなければならない。界面活性剤の適切な選択は、多重エマルジョンの製造において非常に重要な機能を担当する。通常、１次水−油乳化では、HLB(hydrophilic lipophilic balance)値は３〜７が好ましく、２次水−油乳化では、８〜１６が好ましいと知られている。しかしながら、効果的な界面活性剤の選択は、油の特性に大きく依存するので、選択される界面活性剤のHLB値の領域はシステムによって流動的である。
【０００５】
適切な界面活性剤のシステム領域において、機械的剪断力と相の体積率は、最終的に得られる多重エマルジョンの液滴のサイズ、分散度、粘度、多重エマルジョンの収得率、相モールホロジ(morphology)等に影響を及ぼす。このような要因は、適用しようとする分野に相応しく実験によって調節しなければならない。多重エマルジョンシステムにおいて、内水相または外水相に添加する水溶性物質は、エマルジョンシステムの安定性の低下または向上に影響を及ぼす。このような影響は添加剤によって誘導される濃度勾配による結果で、特に、水溶性活性物質を内水相に導入して薬物伝達系に応用する場合、内相に存在する活性物質自体によって内水相と外水相間の濃度差異が発生するので、この濃度差を相殺させることができる適切な非活性水溶性添加剤を各相に処理しなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、多重エマルジョンシステムは、本質的に非常に狭い熱力学的な相組成領域内において向上された安定性及びその誘導効果を得なければならないので、各影響因子を相互有機的に考慮したシステムの考案が必須的である。
【０００７】
本発明者らは、従来の多重エマルジョンの不安定性を改善するため、研究している中、内相の水分子を水素結合抑制剤を使用して疎水化し、水分子凝集剤を利用して水分子間の凝集力を向上させることにより、水分子を動水力学的に安定化させることができ、このように動水力学的に安定化した水分子の場合、水−油−水多重エマルジョンシステムを形成する際、非常に安定した多重エマルジョンシステムになるということを明らかにした。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、公知のいずれのシステムより安定性に優れている多重エマルジョンを提供しようとする。上記目的を達成するために本発明は既存の研究が提案する界面活性剤の配合調節、適切な油の選択、機械的剪断力の調節、相の体積率の調節、水溶性添加剤の適切な導入などの方法論から脱皮して、内相に位置する水を動水力学的に安定化させることにより、根本的に水−油−水多重エマルジョンシステムが有する熱力学的な不安定要素を解決する方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、水素結合抑制剤によって内相の水分子を疎水化し、水分子凝集剤によって水分子間の凝集力を向上することにより、内相の水分子が動水力学的に安定化することを特徴とする多重エマルジョンシステム及びその製造方法に関するもので、上記製造方法は、水素結合抑制剤及び水分子凝集剤を混合して水を疎水化させる段階と、上記疎水化された水相及び疎水性界面活性剤を均一に混合し、機械的剪断力によって安定化した水−油エマルジョンを収得する段階と、上記水−油エマルジョンを親水性界面活性剤で再乳化する段階と、分散安定剤で外水相の粘度を高めることにより、上記多重エマルジョンシステムをより安定化させる段階とを含む。
【００１０】
以下、本発明をより具体的に説明する。
水は、高い極性を有している代表的な物質である。従って、このように極性が高い水が内相に位置した時、外相に存在する水も同じ特性を有しているので、界面活性剤のような添加剤で相条件を調節するとしても、類似属性を有する物質が合一しようとする本質的な傾向性を防ぐことはできない。しかしながら、内相にまたは外相に存在する水の特性を異ならせると、上記の深刻な問題を克服することができる。本発明はこのような点に焦点を合わしている。内相に存在する水を動水力学的に疎水化させることにより、油相との相対的な相溶性を向上させ、且つ外相に存在する水との合一現象を最小化させた。その結果、得られる多重エマルジョンは優れた内水相安定性を有する。
【００１１】
より詳しくは、本発明で提案するHDSは、内相に位置する水の疎水化及び流動性の最小化に基礎を置いている。これは内水相に水素結合抑制剤と水分子凝集剤を導入してなる。
【００１２】
水が極性を有する理由は、水分子の水素分子２つが１つの酸素分子に対して非対称的に結合されていて、互いに強い水素結合をしているからである。このような水分子の特性を変えるため、水素結合抑制剤を導入すると水の極性を低下させることができる。極性が低下された水分子は、2次的に凝集剤を利用して巨大分子化させる。上記過程を経た水相は、非常に疎水化され、流動性が大きく低下される。このような過程に対する模式的な解釈を図１にまとめた。
【００１３】
HDSにより処理された水相を多重乳化システムの内相に位置させる際、次のような点で乳化安定性を極大化させることができる。
（１）疎水化された水相は、油相との混合性を大きく増加させる。これは、一般の界面活性剤を利用して単に界面張力を低下させる場合とは異なる過程であって、２つの物質間の親和性を本質的に改善するという面から、２つの界面間の接着力を大きく向上させることができる。その結果、水−油間の相溶性が向上され、１次水−油エマルジョンを製造する場合、極めて小さい水ドメインを形成するようになり、水−油エマルジョン自体の安定性の向上を図る。
（２）2次乳化過程を経て製造された水−油−水エマルジョンにおいて、内相に存在する水は流動性が低いので、水分子が有する油相に対する拡散力を低下させることができる。従って、水分子が外相に流出されながら界面を弱化させる現象を防ぐことができ、多重エマルジョンの安定性をさらに大きく向上させる。
（３）既存の方法とは異なり、多重エマルジョンの安定性を向上させるため、付加的添加剤の導入が不要である。このような長所は、薬物伝達系のような実際の応用において、水溶性活性物質がもたらす不安定な要因を解決するのに重要な役割を果たす。
【００１４】
まず、水素結合抑制剤と水分子凝集剤とを利用して動水力学的に安定化した水相を、既存の油と一緒に適切な溶融温度以上で疎水性界面活性剤と一緒に均一に混合させた後、強い機械的剪断力を適用して安定した水−油エマルジョンを製造する。ここで、機械的剪断力とは、水相または油相粒子を機械的な力により割って混合し、乳化させる物理的な力を意味し、このような機器を乳化器という。乳化器にはホモジナイザー(homogenizer)が代表的である。これらは粒子のサイズを調節して乳化程度に影響を及ぼす。
【００１５】
本発明で適用する水素結合抑制剤は、水−油−水多重エマルジョン全体含量に対して0.01〜5重量%が好ましく、水分子の水素または酸素と同一分子内において、２方向以上に相互引力を有するウレア（urea）、チオウレア（thio‐urea）、低分子アルコール、低分子アミンなどを含む全ての水溶性物質である。
【００１６】
水分子凝集剤は、水分子コレクト能力を有するシクロデキストリン(Cyclodextrine)及びその誘導体、またはこれと類似した分子機能を有する全ての化合物を含み、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜5重量%が好ましい。また、疎水性界面活性剤は、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜10重量%が好ましく、現在常用されているHLB値が1〜7範囲内の全ての界面活性剤を含む。
【００１７】
上記条件下で製造された水−油エマルジョンは、親水性界面活性剤が溶けている水相で低い機械的剪断力を印加して再乳化することにより、水−油−水多重エマルジョンを得ることができる。
【００１８】
このとき使用される親水性界面活性剤は、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜10重量%が好ましく、現在使用されているHLB値が8〜20範囲に含まれている全ての非イオン性界面活性剤及びHLB値が20以上のイオン性界面活性剤を含む。混合界面活性剤の組成もこの範囲に含まれる。
【００１９】
最後に、製造された多重エマルジョンは、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜10重量%の分散安定剤を利用して外水相の粘度を高めることによって、より安定化する。 本発明で使用される分散安定剤は、水相で溶けることができる高分子であって、具体的には、ゼラチン、澱粉、キサンタンガム(xanthan gum)、ナトリウムポリアクリルレート、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルキルエテール、ポリビニルアルコール、親水性基を主鎖に有するランダムまたはブロック共重合体などが含まれる。
【００２０】
本発明は、このような水−油−水多重エマルジョンシステムを利用して化粧品で使用され、ビタミンB及びその誘導体、ビタミンC及びその誘導体、コウジ酸及びその誘導体、アルブチン及びその誘導体、ペプチド化合物、タンパク質、酵素、水溶性植物抽出物及びそれを含む活性物質、水溶性機能性抽出物を含む水溶性活性物質を、水−油−水多重エマルジョンの内相に含ませた水−油−水多重エマルジョン構造の水溶性活性物質を含む化粧品に関するものである。
【００２１】
このような水溶性機能性活性物質は、非常に不安定なので水−油−水多重エマルジョンシステムの内水相に挿入して安定化させることができる。水−油−水多重エマルジョンシステムの製造の主な目的の１つが、このような水溶性機能性活性物質を安定に維持するシステムを作るためである。
【００２２】
また、本発明の水−油−水多重エマルジョンシステムは、医薬分野で活用されることができる。医薬分野において、水溶性活性物質を油−水−油多重エマルジョンシステム内に挿入すると、不安定な水溶性物質の安定化を図ることができ、活性物質の放出速度を調節することができる。従って、化粧品だけでなく医薬で使用される活性物質も、安定化や放出速度の調節が必要な場合なら、水−油−水多重エマルジョンシステムの構造を取ることができる。
【００２３】
医薬組成物でその活性薬物質が水溶性の場合なら、本発明の水−油−水多重エマルジョン構造内の内水相に活性物質を含むことが可能である。このような水溶性活性物質にはアミノ酸及び水溶性抗生剤を挙げることができる。アミノ酸は主に注射剤として使用される。水溶性抗生剤にはマクロリド(macrolide)系抗生剤があるが、代表的なものはテトラサイクリンHCl、ミノサイクリンHCl、アンピシリン、ゲンタマイシンHClを挙げることができる。このような水溶性抗生剤は、感染症で１次的に使用される抗生剤が多いので、半減期が短く、且つ排泄が早くて徐放性放出が必要な種類だと言える。従って、本発明の構造を取ることにより、目的とする徐放性放出効果を得ることができる。
【００２４】
以下、実施例及び比較例によって本発明の方法をより具体的に調べてみるが、下記実施例に本発明の範囲が限定されるのではない。
【００２５】
実施例１：本発明の多重エマルジョンの製造
HDSによる安定した多重エマルジョンは、次のような過程を経て製造する。全体重量に対して１重量%のウレアと２重量%のヒドロキシプロピル−ベタ−シクロデキストリン（hydroxypropyl‐beta‐cyclodextrine）(日本食品化工社、日本)を添加して疎水化された水30重量%を、70〜75℃の温度で徐々に撹拌しながら完全に溶かす(混合物A)。疎水化の程度は界面張力測定によって確認する。次いで、疎水性界面活性剤、PEG−30ジポリヒドロキシステアレート(PEG−30 dipolyhydroxystearate)[製品名：Arlacel P135(ICI社、イギリス)]が全体重量に対して1.5重量%が溶けているミネラル油(mineral oil)[製品名：LP 70(Witco社、米国)]15重量%を70〜75℃の温度で徐々に撹拌しながら完全に溶かす(混合物B)。その後、２つの混合物AとBを機械式ホモジナイザーを利用して7000〜8000rpmで5分間強力に混合する。混合が終わった後、50〜60℃の温度に冷却して非常に安定化した水−油エマルジョンを製造する。
【００２６】
上記のように製造された水−油エマルジョンは、全体重量に対して0.5重量%のポロキサマ(poloxamer 407)[製品名：Synperonic PE/F 127(ICI社)]が溶けている水相に機械式ホモジナイザーを利用して50〜60℃の温度で4000rpmの速度で撹拌しながら徐々に添加する。この際、濃度は50重量%に固定する。添加が終わった後、１重量%のキサンタンガム[製品名：Kelfrol-F(Kelco社、米国)] 水溶液10重量%を添加して製造された水−油−水多重エマルジョンを安定化させ、室温まで徐々に冷却させる。
【００２７】
実施例２：内水相にコウジ酸を含む本発明の多重エマルジョンの製造
上記実施例１と同様に製造するが、全体重量に対して１重量%のコウジ酸をモデル水溶性活性物質に選択して内水相に導入し、まず、水−油エマルジョンを製造する。この際、活性物質の熱による変形を防ぐために温度処理に注意する。
【００２８】
比較例１：通常の多重エマルジョンの製造
上記実施例１と同様に製造するが、ウレアとヒドロキシプロピル−ベタ−シクロデキストリンを添加せず通常の多重エマルジョンを製造し、疎水化された水を利用して製造された多重エマルジョンとその安定性比較実験などに使用する。
【００２９】
実験例１：多重エマルジョンの安定性の試験
上記実施例１及び２、比較例１における方法で製造された多重エマルジョンを使用して実験する。但し、この場合、MgSO₄ 0.5重量%を内水相に導入し、次いで多重エマルジョンを製造しなければならない。製造された多重エマルジョンを４℃、室温、３０℃、３７℃、４５℃で各々保管する。1日毎に多重エマルジョンの一定量を水に完全に再分散させ、電導度をμ S/cm単位まで正確に測定する。測定された電導度は、水に対するMgSO₄濃度による電導度と比較して得られた標準直線と比較し、次のような数式を適用して多重エマルジョンの安定性を評価する。
【数１】

【００３０】
実施例１及び比較例１で製造された多重エマルジョンの安定性は、経時的に内水相の電解質が外水相に流出される量を定量的に測定して相対的に評価した。安定性を評価した結果、多重エマルジョンを製造した直後、約15%の電解質が外水相に流出されることを確認した。これは水−油エマルジョンを再乳化する過程において、不可避に発生すると考えられる。
【００３１】
実施例１のHDSによって製造された多重エマルジョンは、保存環境に構わず安定性が最小約70%以上で数日間維持されることを確認することができた。しかしながら、比較例１の通常の多重エマルジョンの場合、1日保存した後、50%以下に多重エマルジョンの安定性が急激に低下されることを確認した。このような結果は、内水相の動水力学的疎水化が多重エマルジョンの安定性の向上に決定的な役割を果たすことを証明する。
【００３２】
実施例２で製造されたコウジ酸を内水相に含む多重エマルジョンを４℃、室温、３０℃、３７℃、４５℃で各々保管し、経時的な変色、変臭、力価変化を観察する実験を行なう。力価はHPLCを利用して初期濃度に対する濃度変化を比較して得る。その後、変色、変臭の程度を比較した結果、約２ヶ月以上初期の製造状態を維持した。力価テストの結果も保管温度に構わず1ヶ月後にも80%以上の初期力価をそのまま維持することを確認することができた。
【００３３】
実験例２：多重エマルジョンの顕微鏡写真の分析
上記比較例１及び実施例１で製造された多重エマルジョンの平均液滴のサイズ及びモールホロジは、光学顕微鏡(Optical Microscope)写真結果を利用して測定し、図２及び図３に示した。顕微鏡写真から明らかなように、製造された多重エマルジョンは、いずれも水−油−水の２つの界面を成す多重構造を有していることが分かる。図２及び図３の比較から明らかなように、HDSによって製造された多重エマルジョンは、公知の多重エマルジョンとは異なるモノリシック(monolithic)形態のモールホロジを有している。これに対して、一般水を使用した場合、大きい内水相を形成することが分かる。このような結果は、本発明の多重エマルジョンの場合、内相に位置する水が所望の通り動水力学的に疎水化されることにより、油相との相溶性が大きく向上され、非常に小さいサイズに分散されるからである。さらに、界面張力を測定した結果、ウレアとヒドロキシプロピル−ベタ−シクロデキストリンが導入された水の場合、純粋な水に比べて約20mN/m以上に表面張力が急激に低下されることを観察した。これは、ウレアとヒドロキシプロピル−ベタ−シクロデキストリンの導入によって水の極性低下及び凝集が成功的に進行されたことを証明する。
【００３４】
実施例２で製造したコウジ酸１重量%が安定化した多重エマルジョンの光学顕微鏡写真の結果は、図４に示した。写真の結果に示すように、水溶性活性物質が過量導入されても、モールホロジと平均液滴のサイズが全然変わらないことを確認することができる。これは水溶性活性物質が内水相に安定に位置しただけでなく、製造過程においてエマルジョン安定性の低下を全然もたらさないことを示す。本発明の多重エマルジョンの液滴のサイズは、2〜20μm範囲と比較的に均一した。しかしながら、内水相を処理しない場合、多少分散度が低下されることを観察することができる。これは形成された多重エマルジョンの内相が不安で、油相を通じて外水相に移動することにより、界面安定性を急激に低下させて液滴の合一を誘導するからである。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、HDSによって製造された非常に安定した多重エマルジョンシステムの製造方法は、通常の製造方法とは非常に異なる方法であって、不安定な多重エマルジョンシステムの問題点を根本的に解決することができる。これは、公知になった既存の製造方法の限界性からもたらす単純な応用の幅を拡大させることができると期待される。特に、HDS技術を利用して製造された多重エマルジョンを薬物伝達系に適用する場合、水溶性活性物質が水においてその安定性及び機能性が急激に低下される問題点を解決することができる有用な材料になると考えられる。製造された多重エマルジョンは、保存安定性及び内水相／外水相遮断性に優れているので、本発明のHDSを利用した多重エマルジョンシステムは、医薬及び化粧品を含むさまざまな分野で効果的に応用されると期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、HDS(hydrodynamic dual stabilization)による水−油−水多重エマルジョンシステム(multiple emulsion system)の界面模式図である。
【図２】 図２は、一般の多重エマルジョンシステムの光学顕微鏡写真を示す図である。
【図３】 図３は、HDSによって製造された水−油−水多重エマルジョンシステムの光学顕微鏡写真(ウレア0.5重量%、ヒドロキシプロピル−ベタ−シクロデキストリン１重量%添加)を示す図である。
【図４】 図４は、コウジ酸(Kojic acid)１重量%が内水相に安定化した水−油−水多重エマルジョンシステムを示す光学顕微鏡写真である。

Claims (6)

1. 水素結合抑制剤であるウレアによって内相の水分子を疎水化し、水分子凝集剤であるヒドロキシプロピル−β−シクロデキストリンによって水分子間の凝集力を向上することにより、内相の水分子を動水力学的に安定化する段階と、
   上記疎水化された水相及び疎水性界面活性剤であるＰＥＧ−３０ジポリヒドロキシステアレートを均一に混合し、機械的剪断力によって安定化した水−油エマルジョンを収得する段階と、
   上記水−油エマルジョンを親水性界面活性剤で再乳化する段階と、
   分散安定剤であるキサンタンガムで外水相の粘度を高めることにより、上記多重エマルジョンシステムをより安定化させる段階とを備えて製造されたことを特徴とする水−油−水多重エマルジョンシステム。
2. 水素結合抑制剤によって内相の水分子を疎水化し、水分子凝集剤によって水分子間の凝集力を向上させて、内相の水分子が動水力学的に安定した水−油−水多重エマルジョンシステムの製造方法であって、
   水素結合抑制剤及び水分子凝集剤を混合して水を疎水化させる段階と、
   上記疎水化された水相及びHLB値が１〜７の疎水性界面活性剤を均一に混合し、機械的剪断力によって安定化した水−油エマルジョンを収得する段階と、
   上記水−油エマルジョンを親水性界面活性剤で再乳化する段階と、
   分散安定剤で外水相の粘度を高めることにより、上記多重エマルジョンシステムをより安定化させる段階とを含み、
   前記水素結合抑制剤は、ウレア、チオウレア、低分子アルコール、及び低分子アミンからなる群から選択された水溶性物質を含み、且つ水分子の水素または酸素と同一分子内で２方向以上に相互引力を有する化合物から選択されるものであり、
   水分子凝集剤は、水分子コレクト能力を有し、シクロデキストリン及びその誘導体を含む化合物よりなる群から選ばれる少なくとも１種であり、
   分散安定剤は、水相に部分的にまたは完全に溶解されることができる高分子で、ゼラチン、澱粉、キサンタンガム、ナトリウムポリアクリルレート、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルキルエーテル、ポリビニルアルコール、及び親水性基を分子主鎖に有するランダムまたはブロック共重合体からなる群から選択されるものであることを特徴とする水−油−水多重エマルジョンシステムの製造方法。
3. 親水性界面活性剤は、HLB値が８〜２０の非イオン性界面活性剤及びHLB値が２０以上のイオン性界面活性剤よりなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の水−油−水多重エマルジョンシステムの製造方法。
4. 水素結合抑制剤は、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜5重量%、水分子凝集剤は、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜5重量%、疎水性界面活性剤は、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜10重量%、親水性界面活性剤は、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜10重量%、分散安定剤は、水−油−水多重エマルジョン全体重量に対して0.01〜10重量%含有されることを特徴とする請求項２に記載の水−油−水多重エマルジョンシステムの製造方法。
5. 水−油−水多重エマルジョンシステム構造を有して水溶性機能性活性物質を含む化粧品において、ビタミンB及びその誘導体、ビタミンC及びその誘導体、コウジ酸及びその誘導体、ペプチド化合物、タンパク質、酵素、水溶性植物抽出物及びそれを含有する水溶性活性物質、並びにその他の水溶性機能性抽出物からなる群から選択された水溶性機能性活性物質が、請求項１の水−油−水多重エマルジョンシステムの内水相に含まれることを特徴とする化粧品。
6. 水−油−水多重エマルジョンシステム構造を有して水溶性活性物質を含む医薬組成物において、アミノ酸又は水溶性抗生剤のいずれかを含む水溶性活性物質が、請求項１の水−油−水多重エマルジョンシステムの内水相に含まれることを特徴とする医薬組成物。

Images