KR101190503B1 - 코아 셀 구조의 나노섬유 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피부에 부착하는 피부 패치 타입의 의료용 치료제로 사용되는 나노섬유 시트에 관한 것으로서, 의료용 피부 패치로 사용되는 나노섬유 시트에 있어서, 전기방사 방법으로 제조되고, 생분해성 고분자와 세포외기질 구성물질 및 영양분을 포함하여 코아 성분으로 하고 생분해성 고분자와 항생제를 포함하여 셀 성분으로 하여 코아 셀 구조의 나노섬유로 이루어지며, 상기 코아 셀 구조의 나노섬유가 복합구조로 이루어져 형성되는 것을 특징으로 하는 코아 셀 구조의 나노섬유 시트를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 본 발명은, 전기방사 방법으로 서로 다른 성분을 가지는 코아 셀 구조의 나노섬유를 제조함과 동시에 복합구조를 이루는 나노섬유 시트를 제조하여, 각 약물 성분의 기능에 따른 순차적인 작용 및 피부 세포의 종류에 따른 기능적인 작용이 이루어지도록 하여 빠른 상처 치유와 피부 재생 속도를 증가시키는 이점이 있다.

나노섬유 의료 패치 피부 재생 코아 셀 전기방사

Description

코아 셀 구조의 나노섬유 시트{nanofiber sheet with core-shell structure}

본 발명은 의료용 피부 패치로 사용되는 나노섬유 시트에 관한 것으로, 서로 다른 약물 성분을 포함하는 코아 셀 구조의 나노섬유가 복합적인 구조로 형성되어 약물 성분에 따라 순차적으로, 피부 세포 종류에 따라 기능적으로 작용하도록 형성된 코아 셀 구조의 나노섬유 시트에 관한 것이다.

일반적으로 나노기술은 IT, BT, ET 등과 맞물려 나노 융합소재는 그 활용범위가 날로 넓어지고 있으며, 나노섬유 소재 기술은 환경산업이나 웰빙산업 뿐만 아니라, 환경/에너지, 의료, 생의학, 국방, 전자 등으 많은 산업 분야에서 핵심 소재로 활용될 것이다.

특히, 나노섬유는 바이오, 의료, 생명 과학에서 많은 잠재적 응용성을 가지며, 특히 조직 재생과 약물전달 시스템 분야의 핵심소재로 활용될 것으로 기대되고 있다.

한편, 종래의 조직 재생이나 약물전달을 위한 치료방법으로는 피부 패치 형태나 경구투여, 주사제의 투여 방법이 널리 사용되고 있다. 경구투여나 주사제의 투여 방법은 어린이나 노약자 등 사용자에 따라 부적절한 치료방법이 될 수 있고, 지속적인 치료가 제대로 수행되지 않을 수도 있으며, 오랜 약물제의 복용으로 부작용이 초래될 수도 있다.

따라서, 피부 패치 형태의 치료제는 먹는 약으로 인해 생길 수 있는 위장장애, 간장애 등의 부작용이 거의 없을뿐만 아니라, 일정한 속도로 체내에 전달되므로 약효를 오랫동안 유지시킬 수 있는 장점이 있으며, 피부에 직접적으로 적용이 가능하므로 피부재생 및 피부암 등의 치료제로 신개념 약물제제가 될 것이다.

특히 이러한 피부 패치 형태의 치료제를 상기의 나노섬유로 제조하면, 약물 조절이 용이하고, 약물이 원활하게 피부에 흡수되도록 하며, 통기성 및 살균성이 향상되어 2차 감염의 우려가 없는 장점이 있다.

그러나, 종래의 나노섬유로 제조된 피부 패치는 피부 세포에 상관없이 전체적으로 동일한 구조로 형성되어, 피부 세포의 종류에 따른 상처치유와 피부 재생 속도를 뒷받침해 주지 못하여 효과적인 치료가 이루어지지 못하고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 서로 다른 약물 성분을 포함하는 코아 셀 구조의 나노섬유가 복합적인 구조로 형성되어, 약물 성분에 따라 순차적, 피부 세포 종류에 따라 기능적으로 작용하도록 형성된 코아 셀 구조의 나노섬유 시트의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 의료용 피부 패치로 사용되는 나노섬유 시트에 있어서, 전기방사 방법으로 제조되고, 생분해성 고분자와 세포외기질 구성물질 및 영양분을 포함하여 코아 성분으로 하고 생분해성 고분자와 항생제를 포함하여 셀 성분으로 하여 코아 셀 구조의 나노섬유로 이루어지며, 상기 코아 셀 구조의 나노섬유가 복합구조로 이루어져 형성되는 것을 특징으로 하는 코아 셀 구조의 나노섬유 시트를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 코아 셀 구조의 나노섬유 시트는, 코아 셀 구조의 나노섬유가 랜덤한 방향으로 전기 방사되어 형성된 랜덤층과; 코아 셀 구조의 나노섬유가 일정 방향으로 정렬되도록 전기 방사되어 형성된 정렬층;이 혼합된 복합구조로 이루어져, 피부 세포의 종류에 따라 상처치유와 피부재생 속도를 증가시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 셀의 생분해성 고분자가 코아의 생분해성 고분자에 비해 상대적으로 분해가 더 빨리 이루어지는 물질인 것이 바람직하다.

또한, 상기 셀의 생분해성 고분자는, PEO, PVA 및 PLA 중의 어느 하나를 사용하며, 상기 코아의 생분해성 고분자는, PCL를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 이중노즐을 이용하여 전기방사 방법으로 서로 다른 성분을 가지는 코아 셀 구조의 나노섬유를 제조함과 동시에 복합구조를 이루는 나노섬유 시트를 제조하여, 각 약물 성분의 기능에 따른 순차적인 작용 및 피부 세포의 종류에 따른 기능적인 작용이 이루어지도록 하여 빠른 상처 치유와 피부 재생 속도를 증가시키는 효과가 있다.

본 발명은 의료용 피부 패치로 사용되는 나노섬유 시트에 관한 것으로, 특히 전기방사 방법으로 서로 다른 약물 성분을 가지는 코아(core) 및 셀(shell) 구조의 나노섬유를 제조하고, 이를 복합구조의 시트로 제조하여 피부 세포의 종류에 따라 상처치유와 피부 재생을 유도하도록 한 것이다.

상기 코아 셀 구조의 나노섬유는 이중노즐을 이용하여 전기방사(electrospinning) 방법으로 제조되고, 코아를 이루는 약물 성분은 생분해성 고분자와 세포외기질(Extracellular matrix, ECM) 구성 물질 및 영양분을 포함하여 이루어지며, 셀을 이루는 약물 성분은 생분해성 고분자와 항생제를 포함하여 이루어진다. 도 1은 본 발명에 따른 코아 셀 구조의 나노섬유에 대한 모식도이며, 도 2는 이에 대한 SEM 사진을 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 코아 셀 구조의 나노섬유는 코아의 내부에 셀이 위치하는 것으로, 상기 셀은 바깥쪽에 위치하여 초기에 빠른 방출을 유도하고, 상기 코아는 셀의 활동이 끝난 후 천천히 지속적으로 작용하도록 하는 것이다.

따라서, 상기 셀의 성분을 이루는 생분해성 고분자는 상기 코아의 성분을 이루는 생분해성 고분자보다 상대적으로 더 분해가 빠른 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 셀을 이루는 약물 성분은 전체 셀의 약물 성분에 대해 13중량부의 분해가 빠른 생분해성 고분자와 2중량부의 항생제를 혼합하여 이루어지며, 상기 항생제는 사람이나 동물의 세포에는 특별한 손상을 주지 않으면서 질병을 일으키는 세균만을 선택적으로 죽이거나, 미생물을 죽이거나 성장을 억제시키는 것으로, 병의 치료 과정에서 감염과 염증을 막을 수 있도록 한 것이다. 특히 상처 치유 과정 중 염증 반응에 작용하여 염증의 유발 및 새로운 감염을 억제시킬 수 있도록 하는 것으로, 페니실린이나 세파짐 등의 항생제를 사용한다.

그리고, 상기 셀에 사용되는 생분해성 고분자는 빠른 생분해 속도(생체 내 분해성 고분자, 생체 내에 삽입하여도 결국 완전히 소화가 되어 잔류하거나 축적이 생기지 않는 것)를 가지는 것으로, 이를 나노섬유 바깥쪽에 위치시켜 가장 먼저 빠른 속도로 분해되면서 항생제를 방출할 수 있도록 유도하는 것이다. 상기 생분해성 고분자는 생체적합성, 친수성, 무독성의 성질을 가지고 있으며, PEO(poly ethylene oxide), PVA(poly vinyl acetate) 또는 PLA(poly latic acid) 등의 물질을 사용한다.

상기 코아를 이루는 약물 성분은 전체 코아의 약물 성분에 대해 생분해성 고 분자 5중량부, 세포외기질 구성물질 15중량부, 영양분 5중량부 및 성장인자를 혼합하여 이루어진다. 상기 코아를 이루는 생분해성 고분자는 상기 셀에 사용되는 생분해성 고분자보다는 느린 생분해 속도를 가지므로 이를 안쪽에 위치시켜 항생제가 우선적으로 방출된 후 상처치유와 피부 재생을 오랜기간 지속적으로 돕도록 하는 것으로, 생체적합성, 소수성, 무독성의 성질을 가지고 있으며, PCL(poly ε-caprolactone) 등을 사용한다.

그리고, 세포외기질(Extracellular matrix, ECM) 구성물질은 조직의 모양이나 구조의 변화가 있으려면 세포외기질의 분해가 있어야 하며, 염증 이후 조직의 수복시에도 세포외기질의 분해 및 재합성이 요구된다.

상기 세포외기질 구성물질로 섬유성 단백질은 세포가 생활을 할 수 있도록 제공되는 기본환경, 단백질 구조체 및 체액으로부터 공급된 고분자 및 무기질로 이루어진다. 이는 섬유형태의 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 엘라스틴(elastin), 라미닌(laminin), 인테그린(integrin), 파이브로넥틴(fibronectin), 프로테오글라이칸(proteoglycan) 등의 천연단백질로 구성되며, 상처치료 및 세포분화의 조절자 역할을 한다. 이러한 세포외기질은 조직의 상당부분을 차지하는 것으로, 세포외기질은 일종의 겔(gel) 상태로 되어 있다. 여기에는 많은 섬유성 단백질들이 퍼져 있으며, 겔은 무기염류, 영양분, 노폐물 등의 수용액으로 이루어진 세포간질 속에 거대 다당류의 분자들이 포함된 형태인데, 무기염류, 영양분, 노폐물까지 모두 섬유 안에 포함시켜 제조하고자 한다.

상기 영양분은 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Media), FBS, vitamin, growth factor와 같은 물질로, 세포증식, 세포 분열, 세포외기질 생성 등을 촉진시킬 수 있으며, 표피세포, 진피세포 등의 피부조직세포에 작용해 세포분열과 증식을 유도하는 것이다. 상기 DMEM는 동물세포배양용 배지, 아미노산, 무기염류, 비타민, 포도당, 지질로 구성되며, 혈청은 호르몬, 생장인자, 비타민을 공급해 줌으로써 동물세포의 생장과 활성을 촉진시킨다.

이러한 코아 및 셀 구조의 나노섬유는 상처에 셀의 성분을 이루는 생분해성 고분자 및 항생제가 먼저 작용하고, 그 다음 코아의 성분을 이루는 생분해성 고분자 및 세포외기질 구성물질 및 영양분이 작용하게 되어, 상처에 순차적으로 약물이 작용하도록 하여 상처 치유 속도 및 효과를 더욱 높일 수 있게 된다. 또한, 이러한 약물 성분은 피부 세포의 종류, 상처의 정도 및 종류에 따라 그 양 및 종류를 조절 선택할 수 있다.

이와 같이 전기방사 방법으로 이중노즐을 이용하여 특정 약물 성분을 이루는 코아 셀 구조의 나노섬유를 제조함과 동시에 이를 시트 형상으로 제조한다. 상기 코아 셀 구조의 나노섬유 시트 제조시 각 구조가 독립적인 여러개의 복합구조로 이루어지도록 한다.

즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 코아 셀 구조의 나노섬유는 전체적으로 단일 구조가 아닌, 피부 세포의 종류에 따라 랜덤한 방향으로 형성된 랜덤층(도 3(a), 도 4(a))과, 일정 방향으로 정렬되도록 형성된 정렬층(도 3(b),(c), 도 4(b))으로 이루어진 복합구조(도 3(d))로 이루어지도록 한다. 상기 랜덤층은 피부 세포 중 epidermal cell(표피조직세포)의 빠른 성장을 도우며, 상기 정렬층은 피부 세포 중 fibroblast cell(결합조직 형성세포)의 빠른 성장을 돕는다. 여기에서 상기 정렬층은 나노섬유가 한쪽 방향으로 정렬된 형태이거나 평면상의 다른 수직방향으로 정렬된 형태일 수도 있다.

상기 랜덤층은 전기방사 시 콜렉터(collector)가 일반 플레이트(plate) 형태로써 나노섬유가 생성되는 그대로 받아내어 무작위적인 형태를 이루도록 하여 제조된다. 그리고, 상기 정렬층은 콜렉터(collector)가 원형의 회전체 형태로써 회전속도를 1000rpm 이상 높일 경우에 나노섬유가 회전되는 방향으로 정렬되도록 한 것이다. 또한, 콜렉터 위에 나노섬유를 받고자 하는 기판(substrate)을 한번은 x 방향으로 두고, 나노섬유를 받다가 y방향으로 둘 경우에 서로 오버랩되어 수직방향으로 정렬된 나노섬유 시트를 형성시킬 수 있다.

또한 회전체 위에서 정렬된 나노섬유를 받은 후에 플레이트 형태의 콜렉터로 옮겨서 전기방사하면 정렬된 나노섬유 위에 랜덤한 나노섬유를 오버랩시킬 수도 있다.

이와 같이, 이중노즐을 이용하여 전기방사 방법으로 코아 셀 구조의 나노섬유를 제조함과 동시에 콜렉터의 형태에 따라 나노섬유의 형성 방향을 조절하여, 나노섬유 시트 내부에 구조가 복합적으로 형성되도록 한다. 특히, 랜덤한 방향으로 형성한 랜덤층은 피부 표피 조직에 작용하고, 정렬층은 피부 결합 조직에 작용하여 빠른 상처치유 및 피부 재생을 돕게 된다.

즉, 코아 셀 구조의 나노섬유에 의해 셀의 약물 성분이 먼저 작용하도록 하고, 코아의 성분이 그 보다 늦게 작용하도록 하여, 약물 성분에 따른 순차적인 작 용이 가능하도록 할 뿐만 아니라, 복합 구조의 나노섬유 시트를 제조하여 피부 세포의 종류에 따라 각 구조가 작용하도록 하여 보다 빠른 상처치유 및 피부 재생이 이루어지게 하는 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 코아 셀 구조의 나노섬유 시트의 구체적인 실시예에 대해 설명하고자 한다. 다음 표에서 코아의 성분을 각각 달리하여 5종류의 코아 셀 구조의 나노섬유 시트를 제조하였다. 코아 성분으로 생분해성 고분자로 전체 코아 성분의 5중량부의 PCL(poly ε-caprolactone, P), 세포외기질 구성물질로 전체 코아 성분의 4중량부의 젤라틴(gelatin, G), 영양분으로 다음 표의 중량부를 갖는 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle Medium)을 사용한다. 그리고, 셀 성분으로 생분해성 고분자로 전체 셀 성분의 13중량부의 PEO(poly ethylene oxide), 항생제로 전체 셀 성분의 2중량부의 세파짐(ceftazidime)을 사용한다

	코 아	셀
1군	PCL	PEO+세파짐
2군	PCL+G	PEO+세파짐
3군	PCL+G+DMEM(0.5중량부)	PEO+세파짐
4군	PCL+G+DMEM(1.0중량부)	PEO+세파짐
5군	PCL+G+DMEM(1.5중량부)	PEO+세파짐
6군(대조군)	은제재

상기의 약물 성분을 10ml 준비하여 플레이트 형태의 콜렉터에 방사하여 랜덤층을 형성한 후, 원형의 콜렉터에 1000rpm 정도의 회전속도로 방사하여 정렬층을 형성하여, 복합구조의 나노섬유 시트 전체 두께가 200㎛ 정도가 되도록 하였다.

상기와 같이 제조된 나노섬유 시트를 상처가 있는 누드마우스에 생체실험(nude mouse in-vivo) 하였다. 도 5는 각군에 대한 4일째 및 8일째에 해당하는 상처 면적을 나타낸 것이다. 도 6은 5군에 대한 3개의 실험 개체의 상처 사진이다.

도 5에 도시된 바에 의하면, 전체적으로 DMEM이 첨가된 3군, 4군, 5군에서의 효과가 뛰어났으며, 특히 4일째의 경우 DMEM이 가장 많이 첨가된 5군 시료의 특성이 그렇지 않은 시료에 비해 우수하게 나타났다. 4일째의 경우 나노섬유가 모두 분해되지 않았으므로 계속 기능을 유지하기 때문인 것으로 보인다.

그러나, 8일째의 경우 나노섬유의 분해가 많이 진행되어 다소 기능성이 떨어진것처럼 보이나, 이는 나노섬유 시트의 두께가 200㎛ 이하로 짧은 기간에만 기능을 수행하고 약물성분이 완전히 분해되었기 때문으로, 단순히 많은 양의 PCL+G+DMEM을 방사하여 나노섬유 시트를 2배 혹은 3배로 할 경우, 긴 치료날짜에도 충분히 차별화된 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 도 6은 200 두께의 나노섬유 시트로 제조하여 5군에 대한 3개의 개체에 대한 상처부위의 현미경 사진으로, 4일째보다 8일째에 상처 면적이 현격히 줄어든 것으로 나타났다. 그러나 4일째보다 8일째의 경우 대조군보다 상처부위가 약간 크게 나타났으나, 이는 약물방출 소재의 두께로 인한 영향으로 나타난 것으로 파악 되었다. 그리고 시료의 조직 검사 결과 대조군 보다 세포성장이 두드러지게 증가했으며 우수한 것으로 나타났다.

이와 같이, 약물 성분을 각각 달리하는 코아 및 셀로 이루어지고, 복합구조의 나노섬유 시트를 제조하여, 각 약물 성분의 기능에 따른 순차적인 작용 및 피부 세포의 종류에 따른 기능적인 작용이 이루어지도록 하여 빠른 상처치유 및 피부 재생을 돕게 되는 것이다.

도 1 - 본 발명에 따른 코아 셀 구조의 나노섬유에 대한 모식도.

도 2 - 본 발명에 따른 코아 셀 구조의 나노섬유에 대한 SEM 사진을 나타낸 도.

도 3 - 본 발명에 따른 코아 셀 구조의 나노섬유 시트의 복합구조에 대한 모식도((a)랜덤층, (b)일방향 정렬층, (c)수직방향 정렬층, (d)복합구조).

도 4 - 본 발명에 따른 코아 셀 구조의 나노섬유 시트의 랜덤층 및 정렬층에 대한 SEM 사진을 나타낸 도((a)랜덤층, (b)정렬층).

도 5 - 본 발명의 일실시예에 따라 누드마우스의 생체실험으로 각군에 대한 4일째 및 8일째에 해당하는 상처 면적을 나타낸 도.

도 6 - 본 발명의 일실시예 5군에 대한 3개의 실험 개체의 상처 사진을 나타낸 도.

Claims (5)

1. 의료용 피부 패치로 사용되는 나노섬유 시트에 있어서,

   전기방사 방법으로 제조되어, 생분해성 고분자와 세포외기질 구성물질 및 영양분을 포함하여 코아 성분으로 하고 생분해성 고분자와 항생제를 포함하여 셀 성분으로 하여 코아 셀 구조의 나노섬유로 이루어지되,

   상기 셀의 생분해성 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(poly ethylene oxide, PEO), 폴리비닐아세테이트(poly vinyl acetate, PVA), 폴리락틱애시드(poly latic acid, PLA) 중 하나이고, 상기 코어의 생분해성 고분자는 폴리카프롤락틴(poly ε-caprolactone, PCL)이고,

   영양분은 동물세포 배양용 배지, 혈청, 비타민, 성장인자 중의 어느 하나로 이루어지며,

   상기 코아 셀 구조의 나노섬유가 랜덤 또는 정렬구조로 이루어져 형성되는 것을 특징으로 하는 코아 셀 구조의 나노섬유 시트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코아 셀 구조의 나노섬유 시트는,

   코아 셀 구조의 나노섬유가 랜덤한 방향으로 전기 방사되어 형성된 랜덤층과;

   코아 셀 구조의 나노섬유가 일정 방향으로 정렬되도록 전기 방사되어 형성된 정렬층;이 혼합된 복합구조로 이루어져, 피부 세포의 종류에 따라 상처치유와 피부재생 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 코아 셀 구조의 나노섬유 시트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 셀의 생분해성 고분자가 코아의 생분해성 고분자에 비해 상대적으로 분해가 더 빨리 이루어지는 물질인 것을 특징으로 하는 코아 셀 구조의 나노섬유 시트.
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5. 삭제

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