KR101971834B1 - Ph sensitive hydrogel comprising copolymer of carboxymethylcellulose and hydroxyethylacrylate - Google Patents

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박소현
신혁수
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Abstract

The present invention provides a PH-sensitive hydrogel comprising a copolymer of carboxymethyl cellulose and hydroxyethyl acrylate. The hydrogel comprises a copolymer crosslinked with poly(ethylene glycol) diacrylate as a copolymer of carboxymethyl cellulose and 2-hydroxyethyl acrylate. According to the present invention, effective skin penetration of drugs can be performed.

Description

카복시메틸셀룰로오스 및 하이드록시에틸 아크릴레이트의 공중합체를 포함하는 PH 감응형 하이드로겔 {PH SENSITIVE HYDROGEL COMPRISING COPOLYMER OF CARBOXYMETHYLCELLULOSE AND HYDROXYETHYLACRYLATE}PH SENSITIVE HYDROGEL COMPRISING COPOLYMER OF CARBOXYMETHYLCELLULOSE AND HYDROXYETHYLACRYLATE CONTAINING COPOLYMERS OF CARBOXYMethylcellulose and hydroxyethyl acrylate [

본 발명은 카복시메틸셀룰로오스 및 하이드록시에틸 아크릴레이트의 공중합체를 포함하는 PH 감응형 하이드로겔에 관한 것이다.The present invention relates to a PH-sensitive hydrogel comprising a copolymer of carboxymethylcellulose and hydroxyethyl acrylate.

피부는 표피, 진피 및 피하지방의 3개의 층으로 구성되어 있고 신체의 전신을 둘러싸고 있다. 그 중 표피는 기저층, 유극층, 과립층 및 각질층으로 이루어져 있다. 피부의 최외각 층인 각질층은 외부의 자극으로부터 피부를 보호하는 강력한 피부장벽의 역할을 담당하고 있으며, 이로 인해 각질층 내부로 약물을 통과시키는 데에 어려움이 따른다. 따라서 이러한 피부장벽을 극복하고 약물의 투과 효율을 증진시키기 위하여, 다양한 경피 약물 전달 시스템(transdermal drug delivery systems, TDDS)이 개발되고 있다. The skin consists of three layers of epidermis, dermis and subcutaneous fat and surrounds the whole body of the body. Among them, the epidermis consists of a basal layer, an outer layer, a granular layer and a stratum corneum layer. The stratum corneum, which is the outermost layer of the skin, plays a role of a strong skin barrier to protect the skin from external stimuli, which makes it difficult to pass the drug into the stratum corneum. Therefore, various transdermal drug delivery systems (TDDS) have been developed to overcome these skin barriers and to enhance the permeation efficiency of drugs.

하이드로겔은 구조 내에 많은 양의 수분을 흡수할 수 있는 친수성 고분자 시스템으로, 화학적 또는 물리적으로 가교 결합된 네트워크이다. 수용액에서 팽윤되는 하이드로겔은 열역학적으로 안정한 특유의 물리적 특성으로 인해 조직 공학, 콘택트렌즈, 약물 전달 시스템 등 다양한 분야에서 적용되고 있다. 한편, 경피 전달에서는 약물의 흡수 증진을 위하여 다양한 활성성분을 함유한 패치 시스템이 연구되고 있다. 특히 패치로 이용되는 하이드로겔은 피부를 국소적으로 밀폐시키며 다량의 수분으로 각질층을 수화시킴으로써 약물의 흡수를 촉진시킨다는 장점이 있다. 약물을 함유한 하이드로패치 시스템의 경피 투과율은 밀폐되지 않은 조건보다 3~4배 더 잘 투과된다고 보고된 바 있다. 특히 각질층을 수화시켜 약물 대부분을 모공, 땀샘과 같은 피부 부속물을 통한 경로로 투과시킬 수 있다고 보고되었다.Hydrogels are hydrophilic polymer systems capable of absorbing large amounts of moisture in the structure, and are chemically or physically crosslinked networks. The hydrogel swelling in an aqueous solution has been applied in various fields such as tissue engineering, contact lens, drug delivery system and the like due to its unique thermodynamically stable physical properties. On the other hand, in the transdermal delivery, a patch system containing various active ingredients has been studied for enhancing absorption of drugs. Particularly, the hydrogel used as a patch has an advantage of locally sealing the skin and promoting the absorption of the drug by hydrating the stratum corneum with a large amount of water. It has been reported that the transdermal permeability of a drug-containing hydro-patch system is 3 to 4 times better than that of unsealed conditions. In particular, it has been reported that the horny layer can be hydrated so that most of the drug can be penetrated through the skin attachment such as pores and sweat glands.

이러한 배경 하에 본 발명자들은 경피 투과성을 가지는 약물 전달 하이드로겔을 제공하고자 예의 연구 노력한 결과, 카복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 2-하이드록시에틸 아크릴레이트의 공중합체로 제조된 하이드로겔이 우수한 경피 투과율을 가지면서, pH 감응형 약물 방출 특성을 나타냄을 발견하여 본 발명을 완성하였다. Under these circumstances, the present inventors have made extensive efforts to provide a drug delivery hydrogel having transdermal permeability, and as a result, it has been found that a hydrogel made of a copolymer of carboxymethyl cellulose (CMC) and 2-hydroxyethyl acrylate has excellent transdermal permeability And exhibits pH-responsive drug release characteristics, thereby completing the present invention.

J. S. Boateng, K. H. Matthews, H. N. Stevens, and G. M. Eccleston, Wound healing dressings and drug delivery systems: a review, J. Pharm. Sci., 97(8), 2892 (2008).J. S. Boateng, K. H. Matthews, H. N. Stevens, and G. M. Eccleston, Wound healing dressings and drug delivery systems: a review, J. Pharm. Sci., 97 (8), 2892 (2008).

본 개시의 목적은 약물의 경피 전달이 가능한 하이드로겔을 제공하는 것이다. 구체적으로, pH 감응형 하이드로겔, 즉 특정 pH 조건에서 선택적으로 약물의 방출이 가능하면서 약물의 경피 전달 효율이 우수한 하이드로겔을 제공하는 것이다. The object of the present disclosure is to provide a hydrogel capable of transdermal delivery of a drug. Specifically, it is intended to provide a pH-sensitive hydrogel, that is, a hydrogel having an excellent transdermal delivery efficiency of a drug capable of selectively releasing a drug under specific pH conditions.

상기의 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 카복시메틸셀룰로오스 및 하이드록시에틸 아크릴레이트의 공중합체를 포함하는 하이드로겔을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a hydrogel comprising a copolymer of carboxymethylcellulose and hydroxyethyl acrylate.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

약물 전달 시스템에서 하이드로겔은 작용기에 따라 다양한 환경 조건(온도, pH, 전류 등)에서 상이한 특성을 나타낼 수 있으며, 이러한 환경 조건에 감응하는 ‘스마트 하이드로겔’이 고안되고 있다. 한편, 피부 각질층은 효과적인 장벽 기능을 수행하고 피부의 항상성을 유지하여야 하며 이를 위해서는 pH를 약 5.5로 유지하는 것이 매우 중요하다. 이러한 피부 각질층의 약산성 조건이 파괴되는 경우, 피부장벽 교란과 세균 번식으로 인한 여러 가지 피부 질환이 유발될 수 있다. 특히 아토피가 발병된 피부, 건조한 피부 등은 pH 7~9 부근의 염기성을 나타낸다. In drug delivery systems, hydrogels can exhibit different properties in various environmental conditions (temperature, pH, current, etc.) depending on their functional groups, and 'smart hydrogels' are developed that respond to these environmental conditions. On the other hand, the stratum corneum must perform an effective barrier function and maintain the homeostasis of the skin. For this, it is very important to maintain the pH at about 5.5. If such weak acidic conditions of the stratum corneum are destroyed, various skin diseases caused by skin barrier disturbance and bacterial propagation may be caused. Especially, atopic skin and dry skin have basicity of around pH 7 ~ 9.

따라서 본 개시는 이러한 pH의 차이를 고려하여 효과적으로 피부 질환을 치료하는, 즉 이러한 pH 차이로 인한 효과적인 약물 방출이 가능한 pH 감응형 하이드로겔을 제공하는 것이다. Accordingly, the present disclosure is to provide a pH-sensitive hydrogel which can effectively treat skin diseases, that is, capable of effective drug release due to such a pH difference, in view of the difference in pH.

본 개시에 따른 하이드로겔은 생체 친화성 고분자 재료인 셀룰로오스의 유도체인 카복시메틸 셀룰로오스 (carboxymethyl cellulose; CMC)를 이용한 것이다. 카복시메틸 셀룰로오스는 높은 생분해성, 무독성, 높은 생체적합성으로 인해 다양한 분야에서 많이 이용되고 있다. 작용기로 수산기(-OH)와 카복실기(-COOH)를 가지고 있으며, 카르복실기의 pKa는 약 4.3이다. 따라서 상기 카복실기는 염기성 조건에서 대부분 이온화되고, pH에 따른 이온화 정도의 변화로 그 물리화학적 특성이 변화된다. 카복시메틸 셀룰로오스는 자연 상태에서 풍부하게 존재하며 매우 저렴하지만 낮은 기계적 물성을 보여 응용에 제한이 따른다. The hydrogel according to the present disclosure uses carboxymethyl cellulose (CMC), which is a derivative of cellulose, which is a biocompatible polymer material. Carboxymethylcellulose is widely used in various fields due to its high biodegradability, non-toxicity and high biocompatibility. It has a hydroxyl group (-OH) and a carboxyl group (-COOH) as a functional group, and the pKa of the carboxyl group is about 4.3. Therefore, the carboxyl group is mostly ionized under basic conditions, and its physicochemical properties are changed by the change of ionization degree according to pH. Carboxymethylcellulose exists abundantly in nature and is inexpensive, but exhibits low mechanical properties resulting in limited application.

이에 본 개시에서는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 와 카복시메틸 셀룰로오스의 공중합체를 이용하였다. 본 개시에 따른 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트는 (메트)아크릴레이트 구조의 탄소 이중 결합을 통해 카복시메틸 셀룰로오스와 공중합 반응을 할 수 있다. 또한, 이러한 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트는 하이드록시 기(OH)를 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트는 각각 다음의 구조를 갖는 것일 수 있다: Thus, in the present disclosure, a copolymer of acrylate or methacrylate and carboxymethylcellulose was used. The acrylate or methacrylate according to the present disclosure can undergo a copolymerization reaction with carboxymethylcellulose through a carbon double bond of a (meth) acrylate structure. In addition, such an acrylate or methacrylate may further comprise a hydroxy group (OH). Specifically, the acrylate or methacrylate may each have the following structure:

Figure 112018075181522-pat00001
또는
Figure 112018075181522-pat00002
.
Figure 112018075181522-pat00001
or
Figure 112018075181522-pat00002
.

상기 식에서 n은 1 내지 10의 정수, 구체적으로 1 내지 5의 정수, 더 구체적으로 2일 수 있다. 상기 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트의 구체적인 예시로 하이드록시에틸 아크릴레이트 (Hydroxyethyl acrylate; HEA) 또는 하이드록시에틸 메타크릴레이트(Hydroxyethyl methacrylate: HEMA)가 가능하다. In the above formula, n may be an integer of 1 to 10, specifically an integer of 1 to 5, more specifically 2. Specific examples of the acrylate or methacrylate include hydroxyethyl acrylate (HEA) and hydroxyethyl methacrylate (HEMA).

일 실시예에서, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트를 이용하였으며, 이는 접착성 및 유연성을 개선시켜 기계적 물성을 높여주는 그래프팅제로 사용될 수 있다. 또한 친수성 작용기인 -OH는 수분 보유력을 증가시킬 수 있다. 따라서, 이러한 2-하이드록시에틸 아크릴레이트는 콘택트렌즈의 재료로 이용되기도 하며 생체 적합한 재료로 알려져 있다. 따라서, 본 개시에 따른 하이드로겔에서, 카복시메틸셀룰로오스와 하이드록시에틸 셀룰로오스의 공중합체를 이용함으로써 개선된 물리적 특성을 가지면서, 생체친화성이 높고 pH 조건에 따라 감응할 수 있는 하이드로겔을 제공하는 것이 가능하다. In one embodiment, 2-hydroxyethyl acrylate has been used, which can be used as a grafting agent to improve mechanical properties by improving adhesion and flexibility. Also, -OH, which is a hydrophilic functional group, can increase water retention. Thus, this 2-hydroxyethyl acrylate is also used as a material for contact lenses and is known as a biocompatible material. Therefore, in the hydrogel according to the present disclosure, there is provided a hydrogel which has improved physical properties by using a copolymer of carboxymethyl cellulose and hydroxyethyl cellulose, and which is highly biocompatible and can respond to pH conditions It is possible.

본 개시에 따른 하이드로겔에서, 상기 공중합체는 가교된 공중합체일 수 있다. 구체적으로, 상기 가교된 공중합체는 가교로 인해 커플링 (coupling) 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 공중합체의 커플링 구조는 각 공중합체의 알켄(C=C)기, 예컨대 하이드록시에틸 아크릴레이트의 알켄기를 각각 가교결합에 참여시켜, 이들이 서로 가교제 또는 가교물질을 통해 연결된 구조이다. 일 실시예에서 상기 가교된 공중합체를 제조하기 위하여 가교제로 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (poly(ethylene glycol) diacrylate; PEGDA)를 이용할 수 있다. 이 경우 공중합체를 제조하는 과정은 다음과 같다. In the hydrogel according to the present disclosure, the copolymer may be a crosslinked copolymer. Specifically, the crosslinked copolymer may have a coupling structure due to crosslinking. The coupling structure of the copolymer is a structure in which an alkene (C = C) group of each copolymer, such as an alkenyl group of hydroxyethyl acrylate, is allowed to participate in crosslinking, and these are connected to each other through a crosslinking agent or a crosslinking agent. In one embodiment, poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) may be used as a crosslinking agent to prepare the crosslinked copolymer. In this case, the process for producing the copolymer is as follows.

Figure 112018075181522-pat00003
Figure 112018075181522-pat00003

본 개시에 따른 하이드로겔은 이러한 하이드록시에틸 아크릴레이트의 사용 및 가교제의 사용으로 인해 개선된 물리적 특성, 특히 우수한 겔화율 및 접착성을 가진다. The hydrogels according to the present disclosure have improved physical properties, particularly good gelation rates and adhesiveness, due to the use of such hydroxyethyl acrylates and the use of crosslinking agents.

상기 공중합체 내 포함된 하이드록시에틸 아크릴레이트는 카복시메틸 셀룰로오스 1 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부, 구체적으로 5 내지 15 중량부, 보다 구체적으로 6 내지 12 중량부, 보다 구체적으로 7 내지 11 중량부, 더욱 구체적으로 8 내지 10 중량부일 수 있다. 또한, 상기 공중합체 내 포함된 가교제는 카복시메틸 셀룰로오스 1 중량부에 대하여 0.1 내지 1 중량부, 구체적으로 0.1 내지 0.7 중량부, 보다 구체적으로 0.1 내지 0.6 중량부, 더욱 구체적으로 0.1 내지 0.4 중량부, 더욱 더 구체적으로 0.1 내지 0.3 중량부일 수 있다. The hydroxyethyl acrylate contained in the copolymer is used in an amount of 1 to 20 parts by weight, specifically 5 to 15 parts by weight, more specifically 6 to 12 parts by weight, more preferably 7 to 11 parts by weight, based on 1 part by weight of carboxymethylcellulose More particularly 8 to 10 parts by weight. The amount of the crosslinking agent contained in the copolymer is 0.1 to 1 part by weight, specifically 0.1 to 0.7 part by weight, more specifically 0.1 to 0.6 part by weight, more specifically 0.1 to 0.4 part by weight, more preferably 0.1 to 4 parts by weight, relative to 1 part by weight of carboxymethyl cellulose. And more specifically 0.1 to 0.3 parts by weight.

상기 공중합체는 라디칼 중합반응을 이용하여 제조될 수 있다. 라디칼 중합반응의 개시제는 당해 업계에 공지된 어떤 것이든 사용 가능하며, 비제한적인 예시로 포타슘 퍼옥소설페이트 (potassium peroxosulfate; KPS)를 사용할 수 있다. The copolymer may be prepared using a radical polymerization reaction. As the initiator of the radical polymerization reaction, any known in the art can be used, and potassium peroxosulfate (KPS) can be used as a non-limiting example.

본 개시에 따른 하이드로겔은 50 내지 99 %, 구체적으로 60 내지 95%, 70 내지 90%, 80 내지 85%의 겔화율을 가지는 것일 수 있다. 겔화율은 본 개시의 실시예 1에 개시된 것과 같이 측정될 수 있으며, 카복시메틸 셀룰로오스의 중량에 대한 하이드록시에틸 아크릴레이트의 중량 및 가교제의 중량이 변화됨에 따라 겔화율이 변화될 수 있다. 일 실시예에서는 최대 약 83%의 겔화율을 갖는 하이드로겔이 제조되었으며, 이러한 하이드로겔이 우수한 물리적 특성을 가짐을 확인하였다. The hydrogel according to the present disclosure may have a gelation rate of 50 to 99%, specifically 60 to 95%, 70 to 90%, and 80 to 85%. The gelation rate can be measured as disclosed in Example 1 of the present disclosure, and the gelation rate can be changed as the weight of hydroxyethyl acrylate and the weight of crosslinking agent are changed with respect to the weight of carboxymethyl cellulose. In one embodiment, a hydrogel having a gelation rate of up to about 83% was prepared, and it was confirmed that this hydrogel had excellent physical properties.

또한, 일 실시예에서 본 개시에 따른 하이드로겔의 SEM 이미지 관찰, 열 중량 분석(TGA), 팽윤율(swelling ratio), 유변학적 특성(rheology), 텍스처 분석이 물리화학적 특성 등을 확인하였다. SEM 이미지 관찰을 통해 하이드로겔의 3차원 네트워크 구조를 확인하였으며, 특히 공극의 크기가 수십에서 수백 ㎛ 직경에 해당하는 초-다공성 (super-porous) 구조를 갖고 각 기공들이 서로 연결된 열린 셀 구조를 보이는 것을 확인하였다. 또한, 상기 하이드로겔은 pH 조건에 따른 팽윤율이 달라지며, 정상 피부의 pH 조건인 5.5의 pH 조건 보다 약염기성의 pH 조건(7.5 및 8.5)에서 보다 높은 팽윤율을 나타내는 것을 확인하였다. 즉, 특정 pH에서 보다 높은 팽윤율을 나타내어 하이드로겔 내 매질의 투과를 촉진시킬 수 있다. 이로 인해 pH 선택적인 약물 방출이 가능하다. 나아가, 하이드로겔이 우수한 강도, 접착성, 응집성, 탄성력 등의 물리적 특성을 가짐을 확인하였다. Also, in one embodiment, SEM image observation, thermogravimetric analysis (TGA), swelling ratio, rheology, and texture analysis of the hydrogel according to the present disclosure were confirmed. The three-dimensional network structure of the hydrogel was confirmed through SEM image observation. Especially, it was confirmed that the pores had a super-porous structure having a size of several tens to several hundreds of 탆 in diameter and an open cell structure Respectively. In addition, the swelling rate of the hydrogel was varied according to the pH condition, and it was confirmed that the hydrogel had a higher swelling rate than the pH condition of 5.5, which is the pH condition of the normal skin, at pH conditions (7.5 and 8.5) of weak basicity. That is, it exhibits a higher swelling rate at a specific pH and can promote the permeation of the medium in the hydrogel. This allows pH-selective drug release. Further, it was confirmed that the hydrogel had excellent physical properties such as strength, adhesiveness, cohesiveness and elasticity.

본 개시에 따른 하이드로겔은 우수한 약물 전달제로 이용될 수 있으며, 이에 따라 하이드로겔 내부에 약물을 포함하는 것일 수 있다. 상기 약물은 나린제닌, 아이소리퀴리티게닌, 루테올린과 같은 플라보노이드일 수 있다. 그 밖에 다른 아토피, 여드름, 어린선, 무좀, 건선피부 또는 피부 건조를 치료하기 위해 사용되는 공지된 임의의 약물이 포함될 수 있다. 상기 약물 전달제는 약물 전달제 전체 중량 대비 0.01 내지 50, 0.05 내지 20, 0.1 내지 10, 0.5 내지 5, 0.8 내지 3, 1 내지 2 중량의 약물을 포함할 수 있다. The hydrogel according to the present disclosure can be used as an excellent drug delivery agent, and thus contains a drug inside the hydrogel. The drug may be a flavonoid such as naringenin, eye siculitis, luteolin. And any other known drugs used to treat other atopic, acne, juvenile, athlete's foot, psoriatic skin or skin dryness. The drug delivery agent may comprise 0.01 to 50, 0.05 to 20, 0.1 to 10, 0.5 to 5, 0.8 to 3, 1 to 2 weight of the drug based on the total weight of the drug delivery agent.

일 실시예에서는 본 발명의 하이드로겔의 약물 전달 효과를 확인하고자, 나린제닌을 포함하는 하이드로겔을 제조하였다. 나린제닌은 감귤류 과일에 많이 함유되어 있는 플라보노이드로서 항산화, 항염증, 항암 및 항증식 효능을 가지는 것으로 알려져 있다. 특히 최근 연구에 따르면 나린제닌은 2,4-디니트로플루오로벤젠 (2,4-dinitrofluorobenzene; DNFB)으로 유도된 아토피 피부염 유발 마우스에서 Th1 면역반응 저해, 세포의 피부 병변으로 이동 억제, 혈중 IgE 농도의 감소 등을 통해 효과적인 치료에 도움을 줄 것으로 제안되었다. 또한 아토피 환자의 90% 이상에서 나타나는 황색포도상구균(Staphyloccus aureus)에 대하여 항균활성이 매우 큰 것으로 보고되었다.In one embodiment, to confirm the drug delivery effect of the hydrogel of the present invention, a hydrogel containing naringenin was prepared. Naringenin is a flavonoid that is abundant in citrus fruits and is known to have antioxidant, anti-inflammatory, anti-cancer and anti-proliferative properties. In particular, according to recent studies, naringenin inhibits Th1 immune response in atopic dermatitis-induced mice induced by 2,4-dinitrofluorobenzene (DNFB), inhibition of cell migration to skin lesions, Of the total number of patients. It has also been reported that Staphylococcus aureus , which is present in more than 90% of atopic patients, has a high antimicrobial activity.

본 개시에 따른 하이드로겔은 아토피, 여드름, 어린선, 무좀, 건선피부 또는 피부 건조를 치료하기 위해 사용되는 약물 전달체일 수 있다. 아토피 및 피부 건조의 경우 정상 피부 조건 (pH 5.5)과 달리 pH 7-9의 약염기성 피부 조건을 나타낸다. 본 개시에 따른 하이드로겔은 pH 감응형 하이드로겔로서 이러한 약염기성 조건에서 보다 우수한 약물 전달 특성을 갖는 것이므로, 이러한 약염기성 피부 조건을 형성시키는 질병의 치료에 보다 유용하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 일 실시예에서, 본 개시에 따른 하이드로겔의 pH에 따른 약물 방출 효과를 확인한 결과, 약산성 조건보다 약염기성 조건에서 더 우수한 약물 방출 효과를 보였다. 또한, 본 개시에 따른 하이드로겔의 피부 투과 능력을 확인한 결과, 매우 우수한 약물 경피 전달 효과가 나타났다. 이는 본 개시에 따른 하이드로겔이 피부를 수화시켜 일시적으로 피부 장벽 기능을 방해하여 쉽게 약물 또는 활성 성분을 투과시킬 수 있음을 보여준다. 나아가, 일 실시예에서, 약물로 나린제닌을 하이드로겔에 담지하고 각 pH 조건에 따른 이의 황색포도상구균에 대한 항균활성을 확인한 결과, 약산성 조건보다 약염기성 조건에서 더 우수한 항균 활성이 나타났다. 즉, pH를 제외하고 동일한 조건에서 더 우수한 항균 활성을 나타내므로, 본 개시에 따른 하이드로겔의 pH에 따른 상이한 약물 방출 특성을 확인한 것이다. 그러므로, 상기 하이드로겔은 특정 병변, 예컨대 여드름을 타겟팅할 수 있음으로 인해 효능 손실을 줄일 수 있기 때문에 약물의 경피 전달에 있어 효율적인 피부 전달체로 이용 가능성을 갖는다.The hydrogel according to the present disclosure may be a drug delivery vehicle used to treat atopy, acne, juvenile, athlete's foot, psoriasis skin or skin dryness. Unlike normal skin condition (pH 5.5), it exhibits weak basic skin condition of pH 7-9 for atopic and skin dryness. Since the hydrogel according to the present disclosure is a pH-sensitive hydrogel and has superior drug delivery properties under such weakly basic conditions, it can be more usefully used for the treatment of diseases that form such weakly basic skin conditions. Specifically, in one embodiment, the drug release effect according to the pH of the hydrogel according to the present disclosure was confirmed, and as a result, the drug release effect was more excellent in a weakly basic condition than in a weakly acidic condition. In addition, the skin permeation ability of the hydrogel according to the present disclosure was confirmed, and as a result, an excellent drug transdermal delivery effect was exhibited. This shows that the hydrogel according to the present disclosure hydrates the skin and temporarily interrupts the skin barrier function so that it can easily penetrate the drug or the active ingredient. In addition, in one embodiment, the antimicrobial activity against Staphylococcus aureus according to each pH condition was confirmed by supporting the drug-bound neurin on a hydrogel, and as a result, the antimicrobial activity was more excellent under weakly basic conditions than in a weakly acidic condition. That is, it exhibits better antimicrobial activity under the same conditions except for pH, so that different drug release characteristics according to the pH of the hydrogel according to the present disclosure are confirmed. Therefore, the hydrogel has potential as an efficient skin carrier in the transdermal delivery of drugs since it can reduce the loss of efficacy by being able to target certain lesions, such as acne.

따라서, 본 개시는 pH 감응형 하이드로겔, 구체적으로 염기성 조건에서 선택적인 약물 방출이 가능한 하이드로겔을 제공하며, 이러한 하이드로겔은 약염기성 피부 조건을 발생시키는 피부 질환에서 보다 효과적인 약물 방출과, 효과적인 피부 투과, 즉 약물의 경피 전달이 가능하다. Thus, the present disclosure provides a pH-sensitive hydrogel, specifically a hydrogel capable of selective drug release under basic conditions, which hydrogel provides more effective drug release in skin diseases that produce weakly basic skin conditions, Permeation, i.e. transdermal delivery of the drug, is possible.

또한, 본 개시의 또 다른 양태로서, 상기 하이드로겔 및 약물을 포함하는 약물 전달체를 제공한다. 상기 약물 전달체는 앞서 설명한 것과 같이 특정 pH에서 선택적인 약물 방출이 가능하다. 구체적으로, pH 7 내지 9에서 선택적인 약물 방출 특성을 갖는다. 또한, 상기 약물 전달체는 약물의 경피 전달 효율이 높기 때문에 특히 피부 질환에 유용하게 사용될 수 있다. 상기 약물 전달체는 피부 표면에 부착되어 약물을 경피까지 전달하는 효율이 매우 우수하다. 상기 약물 전달체에 포함된 약물은 pH 7 내지 9의 병변을 나타내는 질병을 치료하기 위한 약물일 수 있다. 상기 약물 전달체는 상기 pH 범위에서 보다 높은 약물 방출 특성을 나타내므로, 그러한 pH를 나타내는 병변을 발생시키는 질병에 특이적으로 작용할 수 있다. 따라서, 이러한 약물 전달체는 약물을 효과적으로 전달시켜 약물 전달체에 주입되는 약물의 양을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 상기 질병은 아토피, 여드름, 어린선, 무좀 건선피부 또는 피부 건조일 수 있다. 상기 약물 전달체는 하이드로패치, 마스크팩 등의 형태로 제공될 수 있다. Further, as another embodiment of the present disclosure, there is provided a drug carrier comprising the hydrogel and the drug. The drug delivery vehicle is capable of selective drug release at a specific pH as described above. Specifically, it has selective drug release characteristics at pH 7-9. In addition, since the transdermal delivery efficiency of a drug is high, the drug delivery system can be particularly useful for skin diseases. The drug delivery system is excellent in efficiency of being attached to the skin surface and delivering the drug to the percutaneous tissue. The drug contained in the drug delivery vehicle may be a drug for treating a disease showing a lesion of pH 7 to 9. Since the drug delivery vehicle exhibits higher drug release characteristics in the pH range, it can specifically act on diseases that cause lesions showing such pH. Accordingly, such a drug delivery system can effectively deliver the drug and more efficiently use the amount of the drug injected into the drug delivery system. The disease can be atopic, acne, juvenile, athlete's foot psoriasis or skin dry. The drug delivery system may be provided in the form of a hydro patch, a mask pack, or the like.

또한, 본 개시의 다른 양태로서, 상기 하이드로겔 및 pH 7 내지 9의 병변을 나타내는 질병을 치료하기 위한 약물을 포함하는, 상기 질병의 치료용 약학적 조성물을 제공한다. 상기 하이드로겔은 앞서 설명한 것과 같이 특정 pH에서 선택적인 약물 방출이 가능하므로, 상기 약물은 상기 하이드로겔 내에 혼입된 형태로 존재할 수 있다. 그러한 경우, 상기 약학적 조성물에 포함된 하이드로겔이 pH 7 내지 9에서 선택적으로 약물을 방출하여, 상기 질병에 특이적으로 작용할 수 있다. 상기 질병은 아토피, 여드름, 어린선, 무좀, 건선피부 또는 피부 건조일 수 있다.In another aspect of the disclosure, there is provided a pharmaceutical composition for the treatment of the above diseases, which comprises the hydrogel and a drug for treating a disease showing a lesion at a pH of 7 to 9. Since the hydrogel is capable of selective drug release at a specific pH as described above, the drug may be present in a form incorporated in the hydrogel. In such a case, the hydrogel contained in the pharmaceutical composition may selectively release the drug at a pH of 7 to 9, so that it can act specifically on the disease. The disease can be atopic, acne, juvenile, athlete's foot, psoriatic skin or skin dry.

아울러, 본 개시의 다른 양태로서, 상기 하이드로겔 및 생리 활성 성분을 유효성분으로 포함하는 피부 투과용 조성물을 제공한다. 상기 피부 투과용 조성물은 화장품, 의약외품 등으로 이용될 수 있다. 상기 생리 활성 성분은 피부 미백제, 항노화제, 항산화제, 항균제, 항염증제, 피부 건조증 치료제, 약물, 천연물 추출물 또는 플라보노이드일 수 있다. 상기 생리 활성 성분은 하이드로겔 내에 혼입되고, 앞서 설명한 것과 같이, pH 감응형으로 방출될 수 있다. 또한, 하이드로겔의 피부부착으로 인한 국소적인 피부 밀폐와 이의 수화작용으로 인해 생리 활성 성분의 경피 전달이 가능하다. In another aspect of the present disclosure, there is provided a skin permeable composition comprising the hydrogel and a physiologically active ingredient as an active ingredient. The skin permeation composition may be used as cosmetics, quasi-drugs, and the like. The physiologically active ingredient may be a skin lightening agent, an anti-aging agent, an antioxidant, an antibacterial agent, an anti-inflammatory agent, a skin dryness treatment agent, a drug, a natural product extract or a flavonoid. The physiologically active component is incorporated into the hydrogel and can be released in a pH-responsive manner, as described above. In addition, transdermal delivery of physiologically active ingredients is possible due to local skin sealing and hydration of the hydrogel due to skin adhesion.

본 개시에 따른 하이드로겔은 pH 조건에 따라 약물 방출 특성이 달라지는 스마트 하이드로겔로서, 특정 pH 조건을 갖는 병변에 대해서 효과적으로 약물 전달이 가능하다. 또한, 각질층을 투과한 약물 전달이 가능하여 효과적인 약물의 경피 전달이 가능하다. The hydrogel according to the present disclosure is a smart hydrogel in which drug release characteristics are changed according to pH conditions, and it is possible to effectively deliver drugs to lesions having specific pH conditions. In addition, drug delivery through the stratum corneum is possible, which enables effective transdermal delivery of drugs.

도 1은 실험예 1-1에서 확인한 CMC, 2-HEA, PEGDA 및 실시예 1의 하이드로겔의 FT-IR 분광 결과를 나타낸다.
도 2는 실험예 1-1에서 확인한 CMC, 2-HEA, PEGDA의 1H NMR 및 실시예 1의 하이드로겔의 1H HR-MAS NMR 분광 결과를 나타낸다.
도 3은 실험예 1-2에서 확인된 실시예 1의 하이드로겔의 SEM 이미지를 나타낸 것이며, 스케일 바는 100 ㎛이다. (a)는 cl-CMC-g-pHEA-1, (b)는 cl-CMC-g-pHEA-2, (c)는 cl-CMC-g-pHEA-3, (d)는 cl-CMC-g-pHEA-4이며, (e)는 cl-CMC-g-pHEA-5의 표면이다. (f)는 cl-CMC-g-pHEA-1, (g)는 cl-CMC-g-pHEA-2, (h)는 cl-CMC-g-pHEA-3, (i)는 cl-CMC-g-pHEA-4이며, (j)는 cl-CMC-g-pHEA-5의 교차면이다.
도 4는 실험예 1-3에서 확인된 실시예 1의 하이드로겔의 열중량 분석 TGA 곡선의 결과이다.
도 5는 실험예 1-4에서 확인된 실시예 1의 하이드로겔의 팽윤 비율을 나타낸 것으로, 각각 pH 5.5, 7.5, 및 8.5에서의 결과를 나타내었다.
도 6은 실험예 1-5에서 확인한 유변학적 특성으로서, 실시예 1의 하이드로겔의 저장 탄성률 G' 및 손실 탄성률 G”을 각각 나타낸 것이다.
도 7은 실험예 1-5에서 확인한 텍스쳐 분석의 결과로서, 실시예 1의 강도(hardness), 응집성(cohesiveness), 탄성력(resilience), 씹힘성(chewiness), 접착성(adhesiveness) 및 탄성(springiness)을 나타낸 것이다. 결과는 평균 ± SD (n=3)으로 나타냈다.
도 8은 실험예 2에서 확인한 하이드로겔의 각각의 처리에 따른 세포 생존율을 나타낸 것이다.
도 9는 실험예 3-1에서 확인한, 하이드로겔의 시간에 따른 약물 방출 거동을 나타낸 것이다.
도 10은 실험예 4에서 확인한, 각 부위별 존재하는 나린제닌의 양을 나타낸 것이다. 각질층에 존재하는 나린제닌 (테이프), 각질층을 제외한 표피층과 진피층에 존재하는 나린제닌 (피부), 진피층까지 통과하여 리셉터 상에 존재하는 나린제닌 (경피)의 함량으로 나누어서 나타내었다.
도 11은 실험예 5에서 확인한, 하이드로겔의 항균활성 실험의 결과이다. 도 11의 (a)는 나린제닌을 담지하지 않은 하이드로겔의 경우를 나타내고, 도 (b)는 나린제닌을 담지한 하이드로겔의 경우를 나타낸다.
FIG. 1 shows FT-IR spectroscopic results of CMC, 2-HEA, PEGDA and hydrogel of Example 1 confirmed in Experimental Example 1-1.
FIG. 2 shows 1 H NMR of CMC, 2-HEA, PEGDA and 1 H HR-MAS NMR spectroscopy of the hydrogel of Example 1 as confirmed in Experimental Example 1-1.
Fig. 3 shows an SEM image of the hydrogel of Example 1 identified in Experimental Example 1-2, and the scale bar is 100 m. CMC-g-pHEA-3, (d) cl-CMC-g-pHEA-2, (c) g-pHEA-4, and (e) is the surface of cl-CMC-g-pHEA-5. CMC-g-pHEA-1, (g), cl-CMC-g-pHEA-2, (h) g-pHEA-4, and (j) is the intersection of cl-CMC-g-pHEA-5.
Fig. 4 shows the results of the thermogravimetric analysis TGA curve of the hydrogel of Example 1 identified in Experimental Example 1-3. Fig.
FIG. 5 shows the swelling ratios of the hydrogel of Example 1 identified in Experimental Examples 1-4, and the results are shown at pH 5.5, 7.5, and 8.5, respectively.
6 is a rheological property confirmed in Experimental Example 1-5, which shows the storage elastic modulus G 'and loss elastic modulus G "of the hydrogel of Example 1, respectively.
Figure 7 shows the results of the texture analysis of Experimental Example 1-5, showing the hardness, cohesiveness, resilience, chewiness, adhesiveness, and springiness of Example 1, Lt; / RTI > Results were expressed as mean ± SD (n = 3).
FIG. 8 shows the cell viability according to each treatment of the hydrogel determined in Experimental Example 2. FIG.
FIG. 9 shows the drug release behavior of the hydrogel over time as confirmed in Experimental Example 3-1.
Fig. 10 shows the amount of naringenin present in each region as confirmed in Experimental Example 4. Fig. Naringenin (tapes) present in the stratum corneum, naringenin (skin) present in the epidermis and dermis layers except the stratum corneum, and narinenin (transdermal) present on the receptor through the dermal layer.
Fig. 11 shows the results of an antibacterial activity test of a hydrogel as confirmed in Experimental Example 5. Fig. Fig. 11 (a) shows a case of hydrogel not carrying naringenin, and Fig. 11 (b) shows a case of hydrogel carrying naringenin.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.In the following, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, various modifications may be made in the embodiments, and the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It is to be understood that all changes, equivalents, and alternatives to the embodiments are included in the scope of the right.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for descriptive purposes only and are not to be construed as limiting. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. In the following description of the embodiments, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments may be unnecessarily blurred.

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량) %, 고체/액체는 (중량/부피) %, 그리고 액체/액체는 (부피/부피) %이다.Throughout this specification, "%" used to denote the concentration of a particular substance is intended to include solids / solids (wt / wt), solid / liquid (wt / The liquid / liquid is (vol / vol)%.

사용된 물질 및 기기Materials and equipment used

하이드로겔 합성에 사용한 소듐 카복시메틸 셀룰로오스 (sodium carboxymethyl cellulose) (평균 분자량 90,000), 2-하이드록시에틸 아크릴레이트(2-hydroxyethyl acrylate), 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (poly(ethylene glycol) diacrylate) (Mn 700), 포타슘 퍼옥소설페이트 (potassium peroxosulfate; KPS), 담지 물질로 사용한 나린제닌 (naringenin), 버퍼 제조에 사용한 소듐 포스페이트 이염기성 도데카하이드레이트 (sodium phosphate dibasic dodecahydrate; Na2HPO4·12H2O)는 모두 Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 수산화나트륨 (NaOH, assay = 98.0%)은 OCI Co. Ltd. (서울, 대한민국), 소듐 디하이드로젠 포스페이트 디하이드레이트 (Sodium dihydrogen phosphate dihydrate; NaH2PO4·2H2O)는 Junsei Chemical Co. Ltd. (도쿄, 일본)의 제품을 사용하였다. 1,3-부티렌 글리콜 (1,3-Butylene glycol; 1,3-BG), 에탄올, 폴리옥실 60 수소화된 카스터 오일 (polyoxyl 60 hydrogenated castor oil; HCO-60)과 같은 용매들은 분석용 특급 시약을, 증류수는 Milli-Q로 정제하여 사용하였다. UV-가시광선 분광기는 Varian (Australia)사의 Cary 50을, pH 미터는 Hanna (대한민국)사 제품을 사용하였다.Sodium carboxymethyl cellulose (average molecular weight: 90,000), 2-hydroxyethyl acrylate, poly (ethylene glycol) diacrylate, and the like, which are used in the hydrogel synthesis, (Mn 700), potassium peroxosulfate (KPS), naringenin used as a carrier material, sodium phosphate dibasic dodecahydrate (Na 2 HPO 4 .12H 2 O) were all available from Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, Mo., USA). Sodium hydroxide (NaOH, assay = 98.0%) was purchased from OCI Co. Ltd. (Seoul, Korea), sodium dihydrogen phosphate dihydrate (NaH 2 PO 4 .2H 2 O) was purchased from Junsei Chemical Co. Ltd. (Tokyo, Japan) were used. Solvents such as 1,3-butylene glycol (1,3-BG), ethanol, and polyoxyl 60 hydrogenated castor oil (HCO-60) And distilled water was purified by using Milli-Q. The UV-visible spectrophotometer was a Cary 50 from Varian (Australia) and a pH meter from Hanna (Korea).

실시예 1: 하이드로겔의 합성Example 1: Synthesis of hydrogel

하이드로겔의 합성 과정은 아래에 나타내었다. 라디칼 반응은 개시, 전파, 종결의 3단계로 구분 지을 수 있다. 개시 단계에서는 KPS가 열 조건하에서 소듐 카복시메틸 셀룰로오스 (CMC)에 라디칼을 생성시킨다. 전파 단계에서는 CMC에 생성된 라디칼이 2-HEA 단량체 및 PEGDA의 중합을 유도한다. 마지막으로, 생성된 라디칼이 모두 반응하고 나면 라디칼 반응이 종결이 되게 된다. 하이드로겔은 그래프팅제 및 가교제의 농도를 다르게 하여 제조하였다.The synthesis process of the hydrogel is shown below. The radical reaction can be divided into three stages: initiation, propagation, and termination. In the initiation step, KPS produces radicals in sodium carboxymethylcellulose (CMC) under thermal conditions. In the propagation phase, the radicals generated in CMC induce polymerization of 2-HEA monomers and PEGDA. Finally, after all of the radicals produced react, the radical reaction is terminated. The hydrogels were prepared with different concentrations of grafting agent and crosslinking agent.

Figure 112018075181522-pat00004
Figure 112018075181522-pat00004

250 mL의 3구 둥근 바닥 플라스크에 증류수 50 mL와 CMC를 0.5 g 넣고, 75 ℃, 400 rpm으로 물중탕하면서 교반하며 충분히 용해시켰다. 용해된 CMC 용액에 N2 기체를 20분간 주입하여 플라스크 내 산소 분압을 충분히 낮춘 뒤, 라디칼 개시제인 KPS를 0.005 g 넣어주었다. 개시제를 넣고 20분 후, 2-HEA를 넣어 그래프팅을 시작하였다. 2-HEA 주입 후 유백색이 되기 시작하면 가교제인 PEGDA를 첨가하고, 반응을 3시간 동안 진행시켰다. 반응이 끝나면 합성물을 상온으로 충분히 식혀주었다. 이 때 합성하는 동안 교반 속도를 조절하여 균일한 합성을 유도하였다. 합성물을 5 L 증류수에서 3일 이상 투석하여 반응하지 않은 가교제 및 단량체를 제거하였다. 이후 하이드로겔은 동결 건조기(-60 ℃, 5 mmTorr; Ilshin biobase, 서울, 대한민국)를 이용하여 72 시간 동안 건조시킨 후 무게를 쟀다. 무게의 변화가 없을 때까지 건조시킨 겔의 무게가 건조된 겔의 무게(Wd)이다. 처음 사용한 고분자 무게(Wi)와 건조된 겔의 무게(Wd)로부터 겔화율을 계산하여 표 1에 나타내었다.50 mL of distilled water and 0.5 g of CMC were placed in a 250 mL three-necked round-bottomed flask, and dissolved sufficiently by stirring at 75 ° C and 400 rpm in water. N 2 gas was injected into the dissolved CMC solution for 20 minutes to sufficiently lower the oxygen partial pressure in the flask, and 0.005 g of KPS as a radical initiator was added thereto. 20 minutes after the initiator was added, 2-HEA was added to start grafting. After the 2-HEA injection, the crosslinking agent, PEGDA, was added and the reaction proceeded for 3 hours. At the end of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature. At this time, the stirring speed was controlled during synthesis to induce uniform synthesis. The compound was dialyzed in 5 L distilled water for at least 3 days to remove unreacted crosslinking agent and monomer. Thereafter, the hydrogel was dried for 72 hours using a freeze dryer (-60 ° C, 5 mm Torr; Ilshin biobase, Seoul, Korea) and weighed. The weight of the dried gel until no weight change is the weight of the dried gel (W d ). The gelation rate was calculated from the weight (W i ) of the polymer initially used and the weight (W d ) of the dried gel.

Figure 112018075181522-pat00005
······ (1)
Figure 112018075181522-pat00005
······ (One)

하이드로겔 #Hydrogel # CMC
(w/w%)
CMC
(w / w%)
2-HEA
(w/w%)
2-HEA
(w / w%)
PEGDA
(w/w%)
PEGDA
(w / w%)
KPS
(mg)
KPS
(mg)
물 (mL)Water (mL) 겔화율 (%)Gelation rate (%)
cl-CMC-g-pHEA-1cl-CMC-g-pHEA-1 1One 77 0.40.4 55 5050 61.7 ± 2.261.7 ± 2.2 cl-CMC-g-pHEA-2cl-CMC-g-pHEA-2 1One 99 0.40.4 55 5050 81.9 ± 1.881.9 ± 1.8 cl-CMC-g-pHEA-3cl-CMC-g-pHEA-3 1One 1111 0.40.4 55 5050 74.2 ± 1.974.2 ± 1.9 cl-CMC-g-pHEA-4cl-CMC-g-pHEA-4 1One 99 0.20.2 55 5050 82.6 ± 4.182.6 ± 4.1 cl-CMC-g-pHEA-5cl-CMC-g-pHEA-5 1One 99 0.60.6 55 5050 79.2 ± 3.079.2 ± 3.0

실험예 1: 하이드로겔의 분석Experimental Example 1: Analysis of hydrogel

실험예 1-1. 하이드로겔의 분광학적 분석Experimental Example 1-1. Spectroscopic analysis of hydrogel

합성된 물질의 화학적 구조는 FT-IR 및 1H NMR 분광법을 이용하여 확인하였다. CMC, 2-HEA, PEGDA 및 건조된 실시예 1의 하이드로겔의 FT-IR 분광을ATR-FTIR 분광기 (Travel IR, Smiths Detection, USA)로부터 얻었다. Smart Orbit ATR accessory인 diamond crystal과 Omnic 8.0 소프트웨어를 사용하여 650∼4000 cm-1 범위에서 측정하였다. cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔의 네트워크 시스템을 CMC, 2-HEA 및 PEGDA과 비교하여 도 1에 나타냈다. 2-HEA와 PEGDA의 1631 및 1635 cm-1은 에스테르 (-COO-)로 컨쥬게이션된 C=C 이중결합의 피크이다. 합성된 하이드로겔의 분광에서 컨쥬게이션된 C=C 이중결합(1600 ~ 1650 cm-1)에 해당하는 피크가 사라진 것으로 보아, 2-HEA 및 PEGDA의 이중결합이 없어지고 라디칼 반응을 통해 이들이 공유 결합된 것으로 판단된다. 이러한 결과로 하이드로겔이 잘 형성되었음을 확인하였다.The chemical structure of the synthesized material was confirmed by FT-IR and 1 H NMR spectroscopy. FT-IR spectroscopy of the hydrogel of CMC, 2-HEA, PEGDA and dried Example 1 was obtained from an ATR-FTIR spectrometer (Travel IR, Smiths Detection, USA). It was measured in the range of 650-4000 cm -1 using Smart Orbit ATR accessory diamond crystal and Omnic 8.0 software. The network system of cl-CMC-g-pHEA hydrogel is shown in Fig. 1 in comparison with CMC, 2-HEA and PEGDA. 1631 and 1635 cm -1 of 2-HEA and PEGDA are peaks of C = C double bonds conjugated to ester (-COO-). The peaks corresponding to the C = C double bonds (1600-1650 cm -1 ) conjugated in the spectra of the synthesized hydrogels disappeared, indicating that the double bonds of 2-HEA and PEGDA disappeared, Respectively. As a result, it was confirmed that the hydrogel was well formed.

그 밖에 3500 ~ 3300 cm-1 넓은 피크는 -OH의 신축 진동을 나타내며, 2950 cm-1와 2884 cm-1 피크는 각각 메틸렌 C-H의 비대칭과 대칭 신축 진동을 나타낸다. 1723, 1720 cm-1은 에스테르 C=O의 신축 진동 밴드이며, 1396 cm-1은 CMC 골격에 있는 카복실레이트 (-COO-)의 대칭 신축 진동 밴드이다. 1246 cm-1 및 1165 cm-1 피크는 에스테르 C-O의 신축 진동을 나타내며, 2-HEA와 PEGDA에 있는 에스테르 C-O의 신축 진동 1276 cm-1 및 1195 cm-1에 비해 낮은 파수에서 피크가 나타나는 것은 α,β-불포화된 에스테르 (-C=C-COO-)의 이중 결합이 없어지면서 에스테르 C-O 결합 세기가 약화되었기 때문이다. 1076 cm-1과 945 cm-1는 각각 2차 알코올 C-O의 신축진동을 포함하는 에테르 (-COC-) C-O의 비대칭 신축진동 흡수밴드와 에테르 C-O의 대칭 신축진동 흡수밴드이며, PEGDA에 있는 에테르 C-O의 신축진동(1107 cm-1, 952 cm-1)에 비해 낮은 파수에서 흡수밴드를 보이는 것은 수소결합에 의한 결합세기의 약화 때문일 것으로 사료된다.In addition, the broad peak at 3500 ~ 3300 cm -1 indicates the stretching vibration of -OH, and the peaks at 2950 cm -1 and 2884 cm -1 indicate the asymmetric and symmetric stretching vibration of methylene CH, respectively. 1723 and 1720 cm -1 are stretching vibration bands of ester C═O and 1396 cm -1 are symmetrically stretching vibration bands of carboxylate (-COO - ) in the CMC skeleton. Peaks at 1246 cm -1 and 1165 cm -1 represent the stretching vibration of ester CO and the peaks at lower frequencies compared to the stretching vibrations of ester CO in 2-HEA and PEGDA are 1276 cm -1 and 1195 cm -1 , , since the double bond of the? -unsaturated ester (-C = C-COO-) is lost and ester CO bond strength is weakened. 1076 cm -1 and 945 cm -1 are symmetrically stretched vibration absorption bands of ether (-COC-) CO and ether CO, including stretching vibration of secondary alcohol CO, respectively, and ether CO (1107 cm -1 , 952 cm -1 ), the weaker bond strength due to hydrogen bonding is thought to be due to the weaker absorption band at lower frequencies.

CMC, 2-HEA 및 PEGDA의 1H NMR 스펙트럼은 NMR Spectrometer (Model : DD2 700, Agilent Technologies-Korea, 미국)를 사용하여 수행되었다. 합성된 하이드로겔의 1H NMR 분광은 700 MHz FT-NMR Spectrometer (Bruker, Rheinstetten, 독일)를 사용하여 얻었다. Spin rate는 6000 Hz, 온도는 298 K, 프로브는 high-resolution magic angle spinning (HR-MAS)를 사용하였으며, recycle delay 시간은 4초였다. 1 H NMR spectra of CMC, 2-HEA and PEGDA were performed using an NMR Spectrometer (Model: DD2 700, Agilent Technologies-Korea, USA). 1 H NMR spectroscopy of the synthesized hydrogel was obtained using a 700 MHz FT-NMR spectrometer (Bruker, Rheinstetten, Germany). The spin rate was 6000 Hz, the temperature was 298 K, the probe was high-resolution magic angle spinning (HR-MAS) and the recycle delay time was 4 seconds.

도 2는 CMC, 2-HEA, PEGDA의 1H NMR 스펙트럼 및 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔의 1H HR-MAS NMR 스펙트럼을 나타낸다. CMC의 1H NMR 스펙트럼에서, 4.576 ppm에서 아노머 양성자(anomeric proton) (H1)가 관찰되었고, 치환된 카르복시 메틸기의 메틸렌 양성자와 당 고리의 양성자 (H2-H7)는 3.395-4.310 ppm에서 나타났다. 2-HEA의 경우, δ = 6.527-6.553, 6.288-6.328 및 6.076-6.091 ppm 사이의 화학적 이동은 불포화 탄소와 관련된 양성자, 즉 H8, H9 및 H8′에 기인한다. δ = 3.925-3.929 및 4.349-4.353ppm의 화학적 이동은 각각 H10 및 H11 위치의 양성자에 기인한다. PEGDA의 경우, δ = 6.526-6.551, 6.289-6.330 및 6.090-6.105 ppm, 즉 H12, H13 및 H12′의 불포화 양성자에 대한 화학적 이동이 각각 나타났다. 반면 δ = 3.770-3.803, 3.900 및 4.427ppm 사이의 화학적 이동은 각각 H14/H15, H16 및 H17의 양성자를 나타낸다. cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔의 1H HR-MAS NMR 스펙트럼에서, δ = 4.486, 4.210-4.217, 3.455 및 3.302 ppm 사이의 화학적 이동은 CMC의 anomeric proton (H1) 및 다른 양성자 (H2-H7)에 기인한다. δ = 3.593-3.599, 3.738, 3.854, 4.022 및 4.116-4.146 ppm의 화학적 이동은 각각 H17, H10/H18, H8, H12 및 H11/H19 양성자에 기인한다. δ = 1.609-1.746, 1.949-1.956, 2.384 및 2.458 ppm 사이의 화학적 이동은 각각 H13, H15, H9/H14 및 H16 양성자에 기인한다. 합성된 하이드로겔의 NMR 스펙트럼에서 δ = 6.076-6.553 ppm (불포화 양성자) 사이의 화학적 이동은 나타나지 않았으며, δ = 1.609-2.458 ppm 사이에 새로운 화학적 이동이 나타났고, 2-HEA와 PEGDA가 중합됨을 확인하였다. δ = 3.854 ppm (H8)에서의 화학적 이동은 CMC와 2-HEA가 CMC의 -OH기에 그래프팅된 것을 확인할 수 있다. 한편, PEGDA의 불포화된 양성자의 화학적 이동이 나타나지 않고, δ = 1.949-1.956 및 2.458ppm에서의 새로운 화학적 이동이 나타난 것은 PEGDA가 CMC 및 poly(2-HEA)의 공중합체를 가교 결합시키고 가교결합의 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔을 형성했다는 것을 알 수 있다.2 shows the 1 H NMR spectrum of CMC, 2-HEA, PEGDA and the 1 H HR-MAS NMR spectrum of the cl-CMC-g-pHEA hydrogel. The anomeric proton (H1) was observed at 4.576 ppm in the 1 H NMR spectrum of CMC, and the proton (H2-H7) of the methylene protons and the sugar rings of the substituted carboxymethyl groups appeared at 3.395-4.310 ppm. For 2-HEA, chemical shifts between δ = 6.527-6.553, 6.288-6.328 and 6.076-6.091 ppm are due to the protons associated with unsaturated carbons, namely H8, H9 and H8 '. The chemical shifts of δ = 3.925-3.929 and 4.349-4.353 ppm are due to protons at the H10 and H11 positions, respectively. In the case of PEGDA, chemical shifts to the unsaturated protons of δ = 6.526-6.551, 6.289-6.330 and 6.090-6.105 ppm, H12, H13 and H12 ', respectively. While chemical shifts between δ = 3.770-3.803, 3.900 and 4.427 ppm represent protons of H14 / H15, H16 and H17, respectively. chemical shifts between δ = 4.486, 4.210-4.217, 3.455 and 3.302 ppm in the 1 H HR-MAS NMR spectrum of the cl-CMC-g-pHEA hydrogel resulted in anomeric proton (H1) and other protons (H2-H7 ). The chemical shifts of δ = 3.593-3.599, 3.738, 3.854, 4.022 and 4.116-4.146 ppm are due to H17, H10 / H18, H8, H12 and H11 / H19 protons, respectively. The chemical shifts between δ = 1.609-1.746, 1.949-1.956, 2.384 and 2.458 ppm are due to the H13, H15, H9 / H14 and H16 protons, respectively. The NMR spectra of the synthesized hydrogels showed no chemical shift between δ = 6.076-6.553 ppm (unsaturated protons), a new chemical shift between δ = 1.609-2.458 ppm, and 2-HEA and PEGDA polymerization Respectively. Chemical shifts at δ = 3.854 ppm (H8) confirm that CMC and 2-HEA are grafted to the -OH group of CMC. On the other hand, no chemical shifts of the unsaturated protons of PEGDA were observed, and new chemical shifts at δ = 1.949-1.956 and 2.458 ppm were observed, indicating that PEGDA crosslinked the copolymers of CMC and poly (2-HEA) cl-CMC-g-pHEA hydrogel.

실험예 1-2. 형태학적 분석Experimental Example 1-2. Morphological analysis

높은 다공성은 약물 부하 및 확산을 통한 약물 방출에 유리하기 때문에, 다공성은 하이드로겔의 중요한 특성이다. 따라서, 실시예 1의 하이드로겔을 형태학적으로 관찰하였다. 하이드로겔의 3차원 네트워크 구조를 15 kV 가속 전압의 SEM (Tescan Vega3, Tescan, Czecho)을 이용하여 확인하였다. 건조된 하이드로겔을 Pt로 증착시킨 후 관찰하였고, 측정 시 전압을 1.0 ∼ 1.5 kV로 하여 각각의 샘플을 ×500의 배율로 촬영하여 도 3에 나타냈다. Porosity is an important property of hydrogels because high porosity is beneficial to drug release through drug loading and diffusion. Thus, the hydrogel of Example 1 was observed morphologically. The three - dimensional network structure of the hydrogel was confirmed by SEM (Tescan Vega3, Tescan, Czecho) with 15 kV acceleration voltage. The dried hydrogel was observed after depositing Pt, and each sample was photographed at a magnification of x500 at a voltage of 1.0 to 1.5 kV during measurement and shown in Fig.

도 3에서 나타난 것과 같이, 실시예 1의 하이드로겔은 모두 다공성 구조를 보였다. 공극의 크기는 cl-CMC-g-pHEA-1 (40 ~ 89 ㎛) > cl-CMC-g-pHEA-4 (33 ~ 56 ㎛) > cl-CMC-g-pHEA-2 (26 ~ 54 ㎛) > cl-CMC-g-pHEA-3 (12 ~ 26 ㎛) > cl-CMC-g-pHEA-5 (12 ~ 22 ㎛) 순으로 나타났다. 그래프팅제 및 가교제 농도가 증가할수록 공극의 크기가 감소하였다. 하이드로겔에 결합된 물 분자와 해리 물 분자의 관점에서 볼 때, 공극의 크기가 커지면 하이드로겔에 결합된 물 분자의 비율이 줄어들고 해리된 물 분자의 비율이 증가한다. 따라서 그래프팅제 및 가교제 농도가 낮을수록 공극의 크기가 증가하기 때문에 활성 성분을 담지한 수용액의 포집 효율이 증가하고 피부 전달이 용이할 것으로 판단된다.As shown in FIG. 3, the hydrogel of Example 1 all showed a porous structure. CMC-g-pHEA-1 (40 to 89 탆)> cl-CMC-g-pHEA-4 (33 to 56 탆)> cl- CMC-g-pHEA-3 (12 to 26 탆)> cl-CMC-g-pHEA-5 (12 to 22 탆). As the grafting and crosslinking agent concentrations increased, the pore size decreased. From the viewpoint of the water molecules and dissociated water molecules bound to the hydrogel, as the pore size increases, the proportion of water molecules bound to the hydrogel decreases and the proportion of dissociated water molecules increases. Therefore, as the concentration of the grafting agent and the crosslinking agent is lower, the pore size increases, so that the collection efficiency of the aqueous solution carrying the active ingredient is increased and the skin is easily transferred.

하이드로겔은 공극의 크기와 구조에 따라 4가지로 분류될 수 있다. 공극의 크기에 따라, 공극이 없는 비-다공성(Non-porous), 100 ~ 1000 Å 직경의 공극을 가진 마이크로-다공성(Micro-porous), 0.1 ~ 1 ㎛ 직경의 거대-다공성(Macro-porous), 그리고 수십에서 수백 ㎛ 직경의 초-다공성(Super-porous)로 나뉘며, 이 중 비-다공성, 마이크로-다공성, 거대-다공성은 공극 간 연결이 없는 닫힌 셀 구조이다. 도 3에서 확인된 실시예 1의 하이드로겔은 이보다 큰 직경으로 내부 공극 간에 서로 연결된 열린 셀 구조를 보이는 초-다공성 하이드로겔 (super-porous hydrogel; SPH)로 판단된다. SPH는 공극 구조 내부로 빠르게 수분을 포착하는 모세관 체계로 약물 전달 시스템 (drug delivery system; DDS)에 많이 이용되고 있다.Hydrogels can be classified into four types according to the size and structure of pores. Non-porous, micro-porous with a pore size of 100-1000 Å, macroscopically porous with a diameter of 0.1-1 urn, depending on the size of the pores, And super-porous with a diameter of several tens to several hundreds of micrometers. Among them, non-porous, micro-porous, and macroporous are closed cell structures without inter-pore connection. The hydrogel of Example 1 identified in FIG. 3 is considered to be a super-porous hydrogel (SPH) having an open cell structure interconnected with inner pores with a larger diameter. SPH is a capillary system that captures moisture quickly into the pore structure and is widely used in drug delivery systems (DDS).

실험예 1-3. 열적 중량 분석Experimental Examples 1-3. Thermal gravimetric analysis

열 중량 분석(Thermo Gravimetric Analysis, TGA)은 온도에 따른 물질의 질량 변화를 측정하여 다중 성분 물질의 성분 분석, 열적 안정도, 수분 함량과 같은 유용한 정보를 제공한다. 특히 경피로의 약물 전달 분야에서 수분 함량은 중요한 특징이다. 본 실험예에서 실시예 1의 하이드로겔의 수분 결합력, 수분 증발 속도를 평가하기 위해 TGA 곡선을 분석하였다.Thermo Gravimetric Analysis (TGA) measures the mass change of a substance with temperature and provides useful information such as component analysis, thermal stability, and moisture content of multi-component materials. Particularly in the field of transdermal drug delivery, moisture content is an important feature. In this experiment, the TGA curve was analyzed to evaluate the water binding capacity and water evaporation rate of the hydrogel of Example 1.

하이드로겔의 열적 중량 분석은 JP/DTG-60 (Shimadzu, 도쿄, 일본)을 이용하여 측정하였다. 팽윤된 하이드로겔을 필터 페이터를 이용하여 과량의 물기를 제거한 후, 초기 무게를 약 20 mg로 칭량하여 진행하였다. 질소 하에서 속도 50 mL/분, 가열속도 3 ℃/분으로 20℃ ~ 250℃ 온도 조건에서 진행하였다. 표준물질은 α-알루미나 분말을 사용하였고 그 결과를 도 4에 나타냈다.Thermal gravimetric analysis of the hydrogel was performed using JP / DTG-60 (Shimadzu, Tokyo, Japan). The swollen hydrogel was washed with an excess amount of water using a filter paper, and the initial weight was weighed to about 20 mg. Under a nitrogen atmosphere at a rate of 50 mL / min and at a heating rate of 3 DEG C / min from 20 DEG C to 250 DEG C. [ As a standard material,? -Alumina powder was used and the results are shown in FIG.

모든 하이드로겔은 20 ℃에서 140 ℃로의 온도 변화에 따라 질량이 감소하는 유사한 곡선을 보였다. 이 현상은 하이드로겔 내의 수분 증발로 인한 것이다. 하이드로겔의 수분이 증발하기 시작하여, 140 ℃에서 하이드로겔의 질량은 대부분 감소하였다. 100 ℃에서 하이드로겔 질량 손실율을 비교할 때, 질량 손실률은 cl-CMC-g-pHEA-1 (95.3%) > cl-CMC-g-pHEA-4 (90.3%) > cl-CMC-g-pHEA-2 (87.6%) > cl-CMC-g-pHEA-3 (81.5%) > cl-CMC-g-pHEA-5 (79.2%) 순으로 나타났다. 이러한 결과는 앞서 설명한 것과 같이 공극의 크기가 클수록 해리 물 분자의 비율이 높아지고 하이드로겔의 수분 결합력이 감소하여 수분 증발 속도가 증가하기 때문으로 보이며, SEM 관찰 결과와 일치한다.All of the hydrogels showed a similar curve in which the mass decreased with temperature change from 20 ° C to 140 ° C. This phenomenon is due to water evaporation in the hydrogel. The moisture of the hydrogel began to evaporate, and the mass of the hydrogel at 140 ° C was mostly decreased. CMC-g-pHEA-1 (95.3%)> cl-CMC-g-pHEA-4 (90.3%)> cl-CMC-g-pHEA-1 when the hydrogel mass loss rate at 100 ° C was compared. CMC-g-pHEA-3 (81.5%)> cl-CMC-g-pHEA-5 (79.2%). These results are consistent with the results of the SEM observation, as shown above, as the size of the pores increases as the ratio of dissociated water molecules increases and the water-binding capacity of the hydrogel decreases to increase the water evaporation rate.

실험예 1-4. 하이드로겔의 팽윤 측정Experimental Examples 1-4. Measurement of swelling of hydrogel

하이드로겔은 일반적으로 외부 용매에 노출되었을 때 팽윤되는 특징을 가지고 있다. 이러한 팽윤 거동은 주로 삼투압의 힘, 정전기적 힘 그리고 점탄성의 복원력과 관련되어 있다. 하이드로겔의 팽윤 비율과 팽윤 동역학에 대한 중요한 요인은 다공성으로, 공극의 크기와 다공성 구조가 영향을 미친다.Hydrogels are generally characterized by swelling when exposed to external solvents. This swelling behavior is mainly related to the osmotic force, the electrostatic force and the resilience of the viscoelasticity. Important factors for the swelling rate and swelling kinetics of hydrogels are porosity, which is affected by the size of the pores and the porous structure.

이러한 하이드로겔의 팽윤 현상을 pH에 따라 관찰하였다. pH 조건은 정상피부 조건인 pH 5.5와 병변피부 조건인 pH 7.5 및 8.5로 조절하여 관찰하였다. 건조된 실시예 1의 하이드로겔을 일정한 무게(100 mg)로 절단한 뒤, pH 5.5, 7.5 및 8.5의 포스페이트 완충된 식염수 (phosphate buffered saline; PBS) 완충 용액에 넣었다. 24 시간 동안 37 ℃에서 팽윤시킨 뒤, 하이드로겔의 표면에 있는 물기만을 제거하여 무게를 측정하였다. 팽윤 비율은 식(2)을 이용하여 계산하였다. 그 결과를 도 5에 나타냈다. The swelling phenomenon of the hydrogel was observed according to the pH. The pH was controlled by adjusting the pH of the skin to 5.5 and the pH of the skin to 7.5 and 8.5, respectively. The dried hydrogel of Example 1 was cut to a constant weight (100 mg) and then placed in a phosphate buffered saline (PBS) buffer solution at pH 5.5, 7.5 and 8.5. After swelling for 24 hours at 37 ° C, only the water on the surface of the hydrogel was removed and the weight was measured. The swelling ratio was calculated using equation (2). The results are shown in Fig.

Figure 112018075181522-pat00006
······ (2)
Figure 112018075181522-pat00006
······ (2)

Ws : 팽윤된 하이드로겔의 무게(g)W s : weight of swollen hydrogel (g)

Wd : 건조된 하이드로겔의 무게(g)W d : weight of dried hydrogel (g)

모든 실시예 1의 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔은 pH가 5.5에서 7.5 또는 8.5로 증가함에 따라 팽윤 비율이 증가하였다. 이러한 결과는 CMC의 카르복실기 이온화와 양성자 균형에 기인한다. pH 5.5에서 카르복실기는 양성자화 되었으며, 이들 사이의 강한 수소 결합은 중합체-물 상호작용보다 우세한 중합체-중합체 상호작용을 일으킨다. 한편, 높은 pH 값은 카르복실기의 이온화를 유도하였고, 이들 사이의 정전기적 반발은 네트워크를 더욱 확장시켜 하이드로겔의 팽윤력을 증가시켰다. cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔은 팽윤 매질에서 하이드로겔의 이온화 정도를 표현하는 헨더슨-하셀바하 식을 잘 따르는 것으로 나타났다. 그러나 pH를 7.5에서 8.5로 증가시킴에 따라 매질에 존재하는 Na+와 같은 이온의 전하 가리움 효과로 인해 카르복실산 음이온의 전하가 차단되어 고분자 사슬 사이의 정전기적 반발을 감소시켰다. 그 결과, 팽윤 값이 약간 감소되었다.The cl-CMC-g-pHEA hydrogel of all Example 1 increased swelling rate as the pH increased from 5.5 to 7.5 or 8.5. These results are due to carboxyl group ionization and proton balance of CMC. At pH 5.5, the carboxyl groups have been protonated, and strong hydrogen bonds between them cause predominant polymer-polymer interactions than polymer-water interactions. On the other hand, high pH values induced ionization of carboxyl groups, and electrostatic repulsion between them further extended the network, thereby increasing the swelling power of the hydrogel. The cl-CMC-g-pHEA hydrogel was found to follow the Henderson-Hassel-Baha equation which expresses the degree of ionization of the hydrogel in the swelling medium. However, as the pH was increased from 7.5 to 8.5, the charge of the carboxylic acid anion was blocked due to the charge blocking effect of ions such as Na + present in the medium, thereby reducing the electrostatic repulsion between the polymer chains. As a result, the swelling value was slightly decreased.

팽윤 값에 대한 그래프팅제 및 가교제 농도의 영향도 도 5에서 확인할 수 있다. 2-HEA 및 PEGDA의 함량이 증가할수록 팽윤 값이 감소하였다. 하이드로겔의 팽윤율이 고분자 사슬 및 가교 밀도에 의존한다는 것은 잘 알려져 있다. 높은 고분자 사슬 및 가교 밀도는 촘촘한 겔 구조를 만들어 팽윤 비율을 감소시키고, 쇄간 반발력을 제한하고 매질의 투과를 느리게 한다. 이러한 pH 반응성 하이드로겔은 제한된 pH로부터 원하는 목표에 약물을 방출하도록 설계될 수 있다.The effect of grafting agent and crosslinker concentration on the swelling value can also be seen in FIG. As the content of 2-HEA and PEGDA increased, the swelling value decreased. It is well known that the swelling rate of the hydrogel depends on the polymer chain and the cross-link density. The high polymer chains and crosslinking densities result in a dense gel structure that reduces the swelling ratio, limits interrangement repulsion and slows the permeation of the medium. These pH-reactive hydrogels can be designed to release the drug from a limited pH to the desired target.

실험예 1-5. 하이드로겔의 기계적 특성 분석Experimental Examples 1-5. Analysis of Mechanical Properties of Hydrogel

1) 유변학적 특성1) Rheological properties

유변학적 특성 분석으로 하이드로겔의 탄성 및 점성에 대한 정보를 빠르고 정확하게 얻을 수 있다. 저장 탄성률 G′은 탄성에 의해 손실 없이 저장되는 에너지를 의미하며, 손실 탄성률 G″은 점성에 의해 손실되는 에너지를 의미한다. 또 다른 유용한 파라미터는 tanδ이며, 이는 재료의 점탄성을 나타낸다. tanδ는 G″/G′의 값으로 나타내는데, 제조된 하이드로겔의 물리적 성질을 나타내는 지표라고 볼 수 있다. 일반적으로 tanδ 값이 1보다 클 때는 액체 상태에 가깝고, 1보다 작을 때는 고체 상태에 가깝다. tanδ는 점탄성 거동이 증가하고 겔이 뻣뻣해질수록 더 작아진다.The rheological properties analysis provides quick and accurate information on the elasticity and viscosity of the hydrogel. The storage elastic modulus G 'means energy stored without loss by elasticity, and the loss elastic modulus G' means energy lost by viscosity. Another useful parameter is tan?, Which represents the viscoelasticity of the material. The tan δ is represented by the value of G "/ G ', which can be regarded as an index indicating the physical properties of the produced hydrogel. Generally, when the tan δ value is greater than 1, it is close to the liquid state, while when it is smaller than 1, it is close to the solid state. tan δ becomes smaller as the viscoelastic behavior increases and the gel stiffens.

실시예 1의 하이드로겔의 유변학적 특성을 35 mm의 평행 평면판 프로브를 장착한 Thermo Haake MARS rheometer (Thermo Electron GmBH, Karlsruhe, 독일)을 이용하여 37 ℃에서 측정하였다. 시료는 2mm의 두께로 탐침의 직경 크기로 잘랐다. 주파수 스윕 측정은 10-2 ~ 10-1 Hz의 범위에서 수행하였다. 항복 응력을 알아내기 위해 1 Hz에서 전단 응력(10에서 1000 Pa까지)의 변화로 진폭 스윕을 수행하였다. 겔 샘플의 전단 점도는 전단 속도 범위 1-500/s 사이에서 측정되었다.The rheological properties of the hydrogel of Example 1 were measured at 37 占 폚 using a Thermo Haake MARS rheometer (Thermo Electron GmBH, Karlsruhe, Germany) equipped with a 35 mm parallel flat plate probe. The sample was cut to the diameter of the probe to a thickness of 2 mm. The frequency sweep measurement was performed in the range of 10 -2 to 10 -1 Hz. An amplitude sweep was performed with a change of shear stress (from 10 to 1000 Pa) at 1 Hz to find the yield stress. The shear viscosity of the gel samples was measured between shear rate range 1-500 / s.

도 6(a)는 가장 높은 겔화율을 갖는 cl-CMC-g-pHEA-4 하이드로겔의 주파수에 대하여 독립적인 저장 탄성률(G′)과 손실 탄성률(G″)를 나타낸다. 겔은 G′가 주파수에 대해 독립적이며 저장 탄성률(G′)이 손실 탄성률(G″)보다 높다. 따라서 cl-CMC-g-pHEA 하이드로 겔은 겔의 유변학적 특성을 보였다. 진폭 스윕 측정을 나타낸 도 6(b)에서 G′이 전단 응력의 특정 한도에서 G″보다 높게 유지되었다. 또한, 특정 전단 응력 후에, G′와 G″ 모두 하이드로겔의 가교 네트워크 파괴로 인해 급격히 감소하였다. 이 전단 응력을 항복 응력(σ)이라 한다. 또한, 도 6(c)는 전단율이 증가하면서 전단 점도가 지속적으로 감소하는 추세를 보이며, 이는 cl-CMC-g-pHEA-4의 전단 벽화 거동을 나타낸다.FIG. 6 (a) shows the storage elastic modulus (G ') and the loss modulus (G ") independent of the frequency of the cl-CMC-g-pHEA-4 hydrogel having the highest gelation rate. The gel is G 'independent of frequency and the storage modulus (G') is higher than the loss modulus (G "). Therefore, the cl-CMC-g-pHEA hydrogel showed the rheological properties of the gel. In Fig. 6 (b) showing the amplitude sweep measurement, G 'was maintained above G "at a certain limit of shear stress. In addition, after certain shear stresses, both G 'and G "were abruptly reduced due to the bridging network breakdown of the hydrogel. This shear stress is referred to as yield stress (). Also, FIG. 6 (c) shows a tendency that the shear viscosity continuously decreases with an increase in the shear rate, indicating the shear walling behavior of cl-CMC-g-pHEA-4.

2) 텍스쳐 분석2) Texture analysis

하이드로겔이 경피 전달 시스템으로 이용될 때, 피부는 매우 동적인 움직임을 나타내므로 겔과 피부 사이에 보다 밀접한 접촉을 필요로 한다. 강도(hardness)는 하이드로겔의 피부에 대한 적용성을 나타낼 수 있고, 접착성(adhesiveness)은 피부 적용 부위에서의 지속 시간의 지표가 될 수 있다. 이러한 특성은 고분자 농도 및 조성과 직접적으로 관련이 있다. 텍스처 분석은 이러한 특성에 대해 신뢰할 수 있는 정보를 제공한다.When a hydrogel is used as a transdermal delivery system, the skin exhibits very dynamic movement and therefore requires more intimate contact between the gel and the skin. The hardness may indicate the applicability of the hydrogel to the skin, and the adhesiveness may be an indicator of the duration of the skin application site. These properties are directly related to polymer concentration and composition. Texture analysis provides reliable information about these properties.

하이드로겔의 텍스쳐 분석을 위해 texture analyzer (TA.XT Express Enhanced, Stable Micro Systems, Godalming, Surrey, UK)를 사용하였다. 사용된 로드셀은 5 kg까지의 힘을 측정할 수 있고, 40 mm 직경의 원반 프로브를 사용하였다. Trigger load는 5.0 g, 변형률은 30%, 프로브 속도는 2.0 mm/s로 고정하여 상온에서 두 번 반복하여 압축하였다. 결과로 나타난 힘-거리 곡선으로부터 Texture Exponent 32 software를 사용하여 하이드로겔 강도(hardness), 응집성(cohesiveness), 탄성력(resilience), 씹힘성(chewiness), 접착성(adhesiveness), 탄성(springiness)을 계산하였다. 각 결과를 도 7(a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)에 각각 나타내었다. A texture analyzer (TA.XT Express Enhanced, Stable Micro Systems, Godalming, Surrey, UK) was used for the texture analysis of the hydrogel. The load cell used was able to measure up to 5 kg of force and a disk probe of 40 mm diameter was used. Trigger load was 5.0 g, strain was 30%, probe speed was fixed at 2.0 mm / s and compressed twice at room temperature. The hardness, cohesiveness, resilience, chewiness, adhesiveness, and springiness of the hydrogel were calculated from the resulting force-distance curves using Texture Exponent 32 software . The results are shown in Figs. 7 (a), (b), (c), (d), (e) and (f).

그래프팅 비율이 증가함에 따라 경도와 응집력도 증가하였다 (cl-CMC-g-pHEA-1 < cl-CMC-g-pHEA-2 < cl-CMC-g-pHEA-3). 가교 결합의 비율이 증가함에 따라 경도 및 응집력도 증가하였다 (cl-CMC-g-pHEA-4 < cl-CMC-g-pHEA-2 < cl-CMC-g-pHEA-5). 그래프팅과 가교 결합의 비율이 증가하면 하이드로겔이 네트워크를 형성할 때 단단히 얽히게 되어 딱딱하고 응집된 겔 구조가 생성되는 것으로 보인다. 따라서, 그래프팅 및 가교 결합의 비율이 낮으면 느슨한 겔 구조가 형성된다. 탄력성과 씹힘성은 경도 및 응집력과 같은 경향을 보였다. 특히 탄력성을 향상시키는 2-HEA의 함량이 가장 적은 cl-CMC-g-pHEA-1은 매우 낮은 탄력성을 보였다. 씹힘성은 경도×응집력×탄력성 값으로 계산되므로 경도와 밀접한 관련이 있다.As the grafting ratio increased, the hardness and cohesion also increased (cl-CMC-g-pHEA-1 <cl-CMC-g-pHEA-2 <cl-CMC-g-pHEA-3). (Cl-CMC-g-pHEA-4 < cl-CMC-g-pHEA-2 < cl-CMC-g-pHEA-5) as the ratio of crosslinking increases. As the ratio of grafting and crosslinking increases, the hydrogel becomes entangled when it forms a network, resulting in a hard, agglomerated gel structure. Therefore, a loose gel structure is formed when the ratio of grafting and crosslinking is low. The elasticity and chewiness showed the tendency such as hardness and cohesion. In particular, cl-CMC-g-pHEA-1, which has the least amount of 2-HEA to improve elasticity, showed very low elasticity. The chewiness is closely related to the hardness since it is calculated as hardness x cohesion x elasticity value.

접착성은 -OH와 같은 친수성 작용기에 의한 탈수 효과로 나타날 수 있다. 실시예 1의 하이드로겔은 고분자 중합체 및 가교 밀도를 증가하면 접착성이 감소되었다. 이는 겔 내부의 인력이 증가함에 따라 타 표면에 대한 부착성은 낮아지는 결과로 생각된다. 그러나 본 실험예에서 접착성은 겔 표면과 프로브 표면 사이의 인력만으로는 설명할 수 없다. 인출 과정에서 겔의 작은 조각이 프로브에 달라붙어 원래의 겔 샘플로부터 분리될 수 있기 때문이다. 이처럼 접착성은 프로브 표면에 대한 접착력뿐만 아니라 겔 자체의 응집력과도 밀접한 관련이 있다. 따라서 최적의 경피 전달 시스템을 제조함에 있어서, 하이드로겔 적용 부위에서의 지속 시간이 길어지려면, 겔의 접착성과 응집성의 균형이 유지되어야 한다. 한편, 탄성(압출 후 겔의 높이/압출 전 겔의 높이)은 모든 샘플에서 차이가 없이 1에 가까운 값으로 측정되었다.Adhesion may result from dehydration by hydrophilic functional groups such as -OH. The hydrogel of Example 1 had decreased adhesion when the polymeric polymer and cross-link density were increased. This is considered to be the result that the adhesion to the other surface is lowered as the attractive force inside the gel increases. However, in this experimental example, the adhesiveness can not be explained only by the attractive force between the gel surface and the probe surface. A small piece of the gel sticks to the probe and can be separated from the original gel sample during the drawing process. The adhesiveness is closely related not only to the adhesion to the probe surface but also to the cohesion of the gel itself. Therefore, in order to produce an optimal transdermal delivery system, the gel must have a balance of adhesion and cohesion so that the duration of the application at the hydrogel application site is prolonged. On the other hand, the elasticity (height of gel after extrusion / height of gel before extrusion) was measured to be close to 1 without any difference in all samples.

실험예 2. 하이드로겔의 세포 독성Experimental Example 2: Cytotoxicity of hydrogel

하이드로겔을 피부 전달체로 사용하기 위해서는 세포 독성이 있는지 확인하였다. 메틸티아졸디페닐-테트라졸륨 브로마이드 (Methylthiazoldiphenyl-tetrazolium bromide; MTT) 어세이를 이용하여 세포 독성을 평가하였다. 하이드로겔을 37 ℃에서 3일 및 7일 동안 세포배양 배지에서 1 × 1 cm 크기로 용출하여 용출액을 얻었고, 96 웰-플레이트에 HaCaT 세포를 1 × 104 세포 밀도로 분주하여 하루 동안 5% CO2, 37 ℃ 조건에서 시험관 내 세포배양을 한 후 용출 용액을 분주하였다. 다음날 MTT 어세이를 이용하여 샘플에 의한 HaCaT 세포 생존율을 비교함으로써 세포독성을 평가하였다. ELISA 리더기를 이용하여 570 nm 파장에서의 흡광도를 측정하였으며 비 처리군(untreated group)에 의한 흡광도를 음성 대조군(100%)으로 하여 식(9)에 따라 처리군(treated group)에 대한 상대적인 세포생존율을 구하였다. 이를 도 8에 나타냈다.In order to use the hydrogel as a skin transporter, it was confirmed whether it was cytotoxic. Cytotoxicity was assessed using an assay of methylthiazoldiphenyl-tetrazolium bromide (MTT). The hydrogel was eluted at 1 × 1 cm in size on a cell culture medium at 37 ° C. for 3 days and 7 days to obtain an eluate. HaCaT cells were plated at a density of 1 × 10 4 cells in a 96-well plate, 2 , and 37 ° C, and the eluted solution was dispensed. The cytotoxicity was evaluated by comparing the survival rate of HaCaT cells by the sample using MTT assay. The absorbance at 570 nm was measured using an ELISA reader and the absorbance of the untreated group was determined as negative control (100%), and the cell survival rate relative to the treated group according to equation (9) Respectively. This is shown in Fig.

Figure 112018075181522-pat00007
······ (9)
Figure 112018075181522-pat00007
(9)

그 결과, 모든 실험군에서 90%이상의 세포 생존율을 보여 세포 독성을 나타내지 않는 것으로 확인되었다.As a result, it was confirmed that all the experimental groups showed cell viability of 90% or more and did not show cytotoxicity.

실험예 3. 하이드로겔의 시험관 내 약물 방출Experimental Example 3. In vitro drug release of hydrogel

실험예 3-1. 약물 포집효율 및 방출 거동Experimental Example 3-1. Drug collection efficiency and release behavior

실시예 1의 하이드로겔들 중에서, 높은 겔화율과 우수한 접착성 및 적절한 응집성을 나타낸 cl-CMC-g-pHEA-4 하이드로겔이 경피 전달 시스템으로 적절하다고 판단되었다. 따라서 상기 겔에 대하여 pH에 따른 약물 방출 거동을 확인하였다. Among the hydrogels of Example 1, a cl-CMC-g-pHEA-4 hydrogel showing a high gelation rate, excellent adhesion and adequate cohesion was judged suitable as a transdermal delivery system. Therefore, drug release behavior according to pH was confirmed for the gel.

하이드로겔의 약물 포집효율을 측정하기 위해 건조된 cl-CMC-g-pHEA-4 하이드로겔 100 mg을, PBS 중의 0.5 mM 나린제닌을 포함한 20% 1,3-BG 용액 20 mL에 담갔다. 하이드로겔은 24시간 동안 37 ℃에서 나린제닌 용액을 담지하였다. 하이드로겔을 용액에서 꺼낸 후 표면의 액체를 제거하였다. 100 mg of the dried cl-CMC-g-pHEA-4 hydrogel was immersed in 20 mL of a 20% 1,3-BG solution containing 0.5 mM naringenin in PBS to measure the drug capture efficiency of the hydrogel. The hydrogel carried a solution of narinin at 37 ° C for 24 hours. The hydrogel was removed from the solution and the liquid on the surface was removed.

포집효율은 UV/Vis 분광 광도계에 의해 나린제닌의 검량선을 이용하여 분석하였다. 흡광도는 나린제닌의 최대흡수파장 292 nm에서 측정하였다. 하이드로겔에 포집된 약물의 양은 식(3)로 계산하였다.The collection efficiency was analyzed by using a calibration curve of Naringenin by UV / Vis spectrophotometer. Absorbance was measured at the maximum absorption wavelength of naringinin at 292 nm. The amount of drug trapped in the hydrogel was calculated by Equation (3).

Figure 112018075181522-pat00008
······ (3)
Figure 112018075181522-pat00008
(3)

IE : 포집효율(incorporating efficiency)IE: incorporating efficiency

V1 : 초기 약물 용액의 부피(mL)V 1 : Volume of initial drug solution (mL)

V2 : 남아있는 약물 용액의 부피(mL)V 2 : volume of remaining drug solution (mL)

C1 : 초기 약물의 농도(mM)C 1 : initial drug concentration (mM)

C2 : 남아있는 약물의 농도(mM)C 2 : concentration of remaining drug (mM)

이로부터 계산된 나린제닌에 대한 하이드로겔의 포집 효율은 51.5%로 나타났다. 이러한 포집은 하이드로겔의 팽윤으로 인한 것이다. The hydrogel collecting efficiency for naringenin calculated from this was 51.5%. This collection is due to the swelling of the hydrogel.

한편, 약물 방출 거동은 pH 5.5, 7.5 및 8.5의 포스페이트 완충된 생리식염수 (PBS) 완충용액으로 평가하였다. 나린제닌을 담지한 하이드로겔을 즉시 방출 매질(20% 1,3-BG의 PBS 용액)에 넣고 37 ℃에서 방출되었다. 일정한 시간 간격으로 방출 매질(0.5 mL)을 채취하고 일정한 부피가 유지되도록 새로운 매질(0.5 mL)을 첨가하였다. 방출 연구는 24 시간 동안 수행하였다. 약물의 농도는 UV/Vis 분광 광도계로 측정하였고, 이를 도 9에 나타냈다. On the other hand, the drug release behavior was evaluated with phosphate buffered saline (PBS) buffer solutions at pH 5.5, 7.5 and 8.5. Naringenin-loaded hydrogel was immediately released into the release medium (20% 1,3-BG in PBS) and released at 37 ° C. The release medium (0.5 mL) was withdrawn at regular time intervals and a fresh medium (0.5 mL) was added to maintain a constant volume. Release studies were performed for 24 hours. The concentration of the drug was measured with a UV / Vis spectrophotometer, which is shown in FIG.

나린제닌의 포집 효율인 51.5%을 고려하여 방출 양을 계산하였다. 방출 24시간 후, pH 5.5, 7,5 및 8.5에서 약물의 누적 방출 양은 각각 42%, 73% 및 70%로 나타났다. pH 조건에 따라 약물 방출 속도에서 다소 차이를 나타내었으며, 이는 팽윤 정도와 일치하는 결과이다. 즉, 낮은 pH 조건에서는 방출이 억제되고, 높은 pH에서 방출이 촉진되는 것으로 나타났다. 이는 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔 시스템에서 pH가 약물의 방출에 영향을 미칠 수 있음을 시사하는 결과이다. 따라서 높은 pH의 피부 조건을 갖는 아토피 피부를 목표로 하는 경피 약물 전달 시스템에 응용될 수 있음을 확인하였다.The emission amount was calculated by considering the capture efficiency of naringenin as 51.5%. After 24 hours of release, the cumulative release of the drug at pH 5.5, 7, 5 and 8.5 was 42%, 73% and 70%, respectively. The rate of drug release was slightly different depending on the pH condition, which is consistent with the degree of swelling. That is, the release was suppressed at low pH conditions and the release was promoted at high pH. This is a result suggesting that pH in the cl-CMC-g-pHEA hydrogel system may affect drug release. Thus, it was confirmed that the present invention can be applied to a transdermal drug delivery system targeting atopic skin having a high pH skin condition.

실험예 3-2. 약물 방출 속도 및 메커니즘Experimental Example 3-2. Drug release rate and mechanism

도 9에서 확인한 바와 같이 pH에 따라 방출 속도에 약간의 차이가 있었지만, 모두 초기의 빠른 방출을 보였다. 다공성 하이드로겔의 가교 네트워크는 방출 매질에 노출되는 순간 구조적으로 표면의 약물 방출을 제어할 수 없다. 따라서 초기에 약물의 자유로운 용출을 가능하게 한다. 한편 이들의 약물 방출은 초반에 그치지 않고, 시간에 따라 지속적으로 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔의 약물 방출 거동에 대해 수학적 모델을 이용하여 평가하였다.As shown in FIG. 9, although there was a slight difference in the release rate depending on the pH, all of them showed early release early. The crosslinked network of porous hydrogels can not control structurally surface drug release as soon as it is exposed to the release medium. Thus allowing free elution of the drug initially. On the other hand, these drug releases did not stop at the beginning, but were found to increase continuously with time. Therefore, the drug release behavior of the cl-CMC-g-pHEA hydrogel was evaluated using a mathematical model.

하이드로겔의 시험관 내 약물 방출 메커니즘은 네트워크 구조의 침식 및 나린제닌의 확산 등으로 설명될 수 있다. 이 메커니즘은 first-order, Hixson-crowell 및 Higuchi 방정식과 같은 수학적 모델에 적합하다. 방정식은 Polymath professional 6.1로 계산하였으며, 가장 좋은 모델은 가장 높은 상관 계수(R2)를 가진다. 약물 방출 메커니즘은 확산, 부식 및 결합 메커니즘을 포함하는 방정식에 기초하여 추론될 수 있다. 모델 방정식은 다음과 같다.The in vitro drug release mechanism of hydrogels can be explained by erosion of network structure and diffusion of naringenin. This mechanism is suitable for mathematical models such as first-order, Hixson-crowell and Higuchi equations. The equation is calculated by Polymath professional 6.1, and the best model has the highest correlation coefficient (R 2 ). The drug release mechanism can be deduced based on equations including diffusion, corrosion and coupling mechanisms. The model equations are as follows.

First-order model :

Figure 112018075181522-pat00009
(4)First-order model:
Figure 112018075181522-pat00009
(4)

Hixson-crowell model :

Figure 112018075181522-pat00010
(5)Hixson-crowell model:
Figure 112018075181522-pat00010
(5)

Higuchi model :

Figure 112018075181522-pat00011
(6)Higuchi model:
Figure 112018075181522-pat00011
(6)

여기서 Mt는 각각의 시간에 방출된 약물의 비율이고, K1, Khc 및 Kh는 각각 first-order, Hixson-crowell 및 Higuchi 방출 속도 상수를 나타낸다.Where M t is the fraction of drug released at each time, K 1 , K hc, and K h represent the first-order, Hixson-crowell, and Higuchi release rate constants, respectively.

결과를 아래 표 2에 나타냈다. The results are shown in Table 2 below.

Figure 112018075181522-pat00012
Figure 112018075181522-pat00012

상관 계수(R2) 값에 근거한 결과, 하이드로겔의 시험관 내 약물 방출은 침식에 의한 방출시스템인 Hixson-crowell model 등 보다 확산에 의한 방출시스템인 Higuchi model을 더 잘 따랐으며, 속도 상수는 pH에 따라 차이를 나타내었다. 더욱 분명한 방출 과정을 살펴보기 위해, Korsmeyer-Peppas와 Peppas-Sahlin model을 사용하였다. Based on the correlation coefficient (R 2 ), the in vitro drug release of the hydrogel was better followed by the Higuchi model, a diffusion release system, than the Hixson-crowell model, which is the erosion release system, Respectively. In order to examine more clearly the release process, Korsmeyer-Peppas and Peppas-Sahlin models were used.

Korsmeyer-Peppas 모델을 이용한 다음 식으로 해당 시스템이 활성 물질을 방출할 때의 확산되는 메커니즘을 역학적으로 분석하였다.Using the Korsmeyer-Peppas model, we have mechanically analyzed the mechanism by which the system dissolves when it releases the active material.

Korsmeyer-Peppas model :

Figure 112018075181522-pat00013
(7)Korsmeyer-Peppas model:
Figure 112018075181522-pat00013
(7)

여기서 Mt는 각각의 시간에 방출된 약물의 비율, K는 시스템의 구조적, 기하학적 특징을 통합하는 속도 상수, n은 약물 방출의 메커니즘을 나타내는 방출 지수이다. 따라서 n 값을 통해 약물 방출의 메커니즘을 특징화할 수 있다. 방출 시스템의 형태가 구형일 때, n ≤ 0.45 에서는 확산에 의한 약물 방출이 지배적인 Fickian diffusion 메커니즘을 따르며, 0.45 < n < 0.89 에서는 non-Fickian transport, n = 0.89 에서는 부식에 의한 약물 방출이 지배적인 case II transport, 0.89 ≤ n 에서는 super case II transport 메커니즘을 따르는 것으로 설명된다. 방출 지수(n)를 결정할 때는 60 % 이내의 약물 방출 곡선이 사용된다.Where M t is the rate of drug released at each time, K is the rate constant incorporating the structural and geometric characteristics of the system, and n is the release index indicating the mechanism of drug release. Thus, the value of n can be used to characterize the mechanism of drug release. At n ≤ 0.45, the release of drug by diffusion follows the predominant Fickian diffusion mechanism, with non-Fickian transport at 0.45 <n <0.89 and dominant drug release by corrosion at n = 0.89 case II transport, and 0.89 ≤ n are described as following the super case II transport mechanism. Drug release curves within 60% are used to determine the release index (n).

모든 실험적 결과(100 % 방출 곡선)에 대한 분석은 Peppas와 Sahlin에 의해 제안된 또 다른 모델을 사용하여 수행하였다. 이는 고분자 매트릭스로부터 약물의 방출 메커니즘에 있어 확산뿐만 아니라 고분자의 완화 작용을 설명하기 위해 제안되었다.All experimental results (100% emission curve) were analyzed using another model proposed by Peppas and Sahlin. This has been proposed to explain the relaxation behavior of polymers as well as diffusion in drug release mechanisms from polymer matrices.

Peppas-Sahlin model :

Figure 112018075181522-pat00014
(8)Peppas-Sahlin model:
Figure 112018075181522-pat00014
(8)

Mt는 각각의 시간에 방출된 약물의 비율, 상수 m의 값은 매트릭스의 종횡비에 의해 결정되었다. Kf 상수는 Fickian 확산에 의한 기여, Kr 상수는 고분자 완화 작용에 대한 기여를 나타낸다.M t is the ratio of released drug at each time, and the value of constant m is determined by the aspect ratio of the matrix. The K f constant is the contribution by the Fickian diffusion, and the K r constant represents the contribution to the polymer relaxation.

이들의 결과를 상기 표 2에 함께 나타내었다. These results are shown together in Table 2 above.

그 결과, cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔의 방출 거동은 이들과 높은 상관관계(R2 > 0.95)를 보이며 유의할 만한 분석임을 나타내었다. Korsmeyer-Peppas (n < 0.45) 방정식과 Peppas-Sahlin (Kr < Kf) 방정식에 따라 이들의 약물 방출은 확산 과정에 지배적인 Fickian diffusion 메커니즘으로 분석되었다. 게다가 pH가 높아짐에 따라 확산 상수인 Kf는 증가하였으며, 고분자 완화 상수인 Kr은 모두 Kf보다 낮았다. 결과적으로 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔의 나린제닌 방출은 확산에 지배적이며, 피부의 pH에 따라 약물의 방출의 속도를 조절할 수 있을 것으로 판단된다.As a result, the release behavior of cl-CMC-g-pHEA hydrogel showed a high correlation (R 2 > 0.95) and a significant analysis. Korsmeyer-Peppas (n <0.45) equation and Peppas-Sahlin (K r <K f) of these drug release according to the equation was characterized by dominant Fickian diffusion mechanism in the diffusion process. In addition, as the pH increased, the diffusion constant, K f , increased, and the polymer relaxation constant, K r, was lower than that of K f . As a result, the release of naringenin in the cl-CMC-g-pHEA hydrogel is predominantly diffusion-dependent, and it is believed that the rate of release of the drug can be controlled by the pH of the skin.

실험예 4. 하이드로겔의 시험관 내 피부 투과Experimental Example 4. In vitro skin permeation of hydrogel

합성된 하이드로겔의 시험관 내 피부 투과 연구는 Franz diffusion cells (Permegear, USA)를 이용하여 수행하였다. 털없는 마우스(Hairless mice) (생후 6주, 암컷)의 등에서 적출한 피부에서 피하지방과 과도한 조직들을 제거한 후 사용하였다. 프란츠 확산 셀 기구(Franz diffusion cell) (Permegear, USA)를 이용하여 실험을 진행하였다. 도너(Donor)와 리셉터(receptor) 상(phase) 사이에 각질층이 위로 향하도록 피부를 고정시켰다. 샘플이 적용되는 피부의 면적은 모두 0.6362 cm2로 모두 통일하여 진행하였다. 리셉터 챔버에 리셉터 상 (HCO-60:EtOH:PBS = 2:20:78 (v/v%))을 채우고 24 시간 동안 150 rpm으로 교반하였다. 항온수조를 이용하여 온도는 37 ℃로 유지하였다. 대조군으로는 PBS와 20% 1,3-BG이 있는 PBS에 나린제닌을 동일 농도로 용해시켜 사용하였다. 도너의 가운데 구멍을 만들어 구획 부분을 형성시켰으며, 이러한 도너 구획 부분(compartment) 내 피부에, 동일한 농도의 시료 0.1 mL를 처리하였으며, 하이드로겔의 양은 포집 효율을 고려하여 처리하였다. 24시간 후 샘플링 포트를 통해 리셉터 상을 채취하였다. 각질층과 피부가 함유하고 있는 나린제닌의 양을 측정하기 위해 피부의 표면은 PBS 용액을 이용하여 세척하였다. 각질층은 3 M 스카치 테이프(Korea 3M)를 이용하여 스트리핑(stripping) 방법으로 3회 제거하였고, 이 후 테이프와 피부 내에 있는 나린제닌을 각각 100% 에탄올로 초음파분쇄(sonication)를 이용하여 용해시켰다. 채취된 나린제닌의 농도는 UV/Vis 분광 광도계로 결정하였다. 이 때 상기 실험의 pH는 7.4였다. 결과를 도 10에 나타냈다. In vitro skin permeation studies of synthesized hydrogels were performed using Franz diffusion cells (Permegear, USA). Subcutaneous fat and excess tissue were removed from the skin of hairless mice (6 weeks of age, female). The experiment was carried out using a Franz diffusion cell (Permegear, USA). The skin was fixed with the stratum corneum facing up between the donor and the receptor phase. The area of the skin to which the sample was applied was 0.6362 cm 2 . The receptor chamber was filled with a receptor (HCO-60: EtOH: PBS = 2: 20: 78 (v / v%)) and stirred at 150 rpm for 24 hours. The temperature was maintained at 37 캜 using a constant temperature water bath. As a control, naringenin was dissolved in PBS and PBS containing 20% 1,3-BG at the same concentration. The center hole of the donor was made to form the compartment. The skin in the compartment was treated with 0.1 mL of the same concentration of the sample, and the amount of the hydrogel was treated in consideration of the collection efficiency. After 24 hours, the receptor phase was sampled through a sampling port. To measure the amount of naringenin contained in the stratum corneum and skin, the surface of the skin was washed with PBS solution. The stratum corneum was removed three times by stripping using a 3 M scotch tape (Korea 3M), and then the tape and naringenin in the skin were dissolved by ultrasonication with 100% ethanol, respectively. The concentration of naringenin sampled was determined by UV / Vis spectrophotometer. At this time, the pH of the experiment was 7.4. The results are shown in Fig.

결과는 각질층에 존재하는 나린제닌 (테이프), 각질층을 제외한 표피층과 진피층에 존재하는 나린제닌 (피부), 진피층까지 통과하여 리셉터 상에 존재하는 나린제닌 (경피)의 함량으로 구분하여 도 10에 나타내었다. 24시간 후 총 투과량은 cl-CMC-g-pHEA-4 하이드로겔이 58.8%로 1,3-BG와 20% 1,3-BG/PB 용액(각각 43.5, 42.4%)보다 우수하였다. 한편 1,3-BG 용액의 경우 가장 많은 양이 각질층에 존재하는 것으로 측정되었다. 이는 보습제 및 용매 성분만으로는 피부를 투과하기에 어려움이 있고, 나린제닌이 진피층을 통과하지 못해 최외각층인 각질층에 남아있게 된 것임을 나타낸다. 다만, 20% BG/PB 용액에서 진피층까지 통과한 양(경피)이 약간 증가하였다. 모공을 통한 경로는 가장 많은 활성 성분을 투과시킬 수 있다. 따라서 점성을 갖는 1,3-BG보다는 PB가 섞였을 때 모공 사이로 투과가 더욱 쉽게 일어난 것으로 생각된다. The results are shown in Fig. 10 by the contents of naringenin (tape) present in the stratum corneum, naringenin (skin) existing in the epidermal layer and dermal layer excluding the stratum corneum, and naringenin (transdermal) . After 24 hours, the total permeation amount of cl-CMC-g-pHEA-4 hydrogel was 58.8%, which was better than that of 1,3-BG and 20% 1,3-BG / PB solution (43.5 and 42.4%, respectively). On the other hand, the highest amount of 1,3-BG solution was found to exist in the stratum corneum. This indicates that the moisturizing agent and solvent components alone are difficult to penetrate through the skin and that naringenin can not pass through the dermal layer and remains in the stratum corneum outermost layer. However, the amount (transdermal) passed from the 20% BG / PB solution to the dermal layer slightly increased. The pathway through the pores can penetrate the most active ingredients. Therefore, it seems that permeation between pores was more easily occurred when PB was mixed than with 1,3-BG having viscosity.

cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔을 이용한 결과 각질층을 포함하는 표피층과 진피층에 존재하는 약물의 양(테이프와 피부)은 대조군과 미미한 차이를 나타내었지만, 진피층까지 투과한 약물의 양(경피)은 크게 증가하였다. 이는 하이드로겔이 피부 표면을 밀폐시킴으로써 피부의 수화를 촉진하고 그로 인해 약물의 확산을 더욱 향상시키기 때문인 것으로 사료된다. 수화된 각질층이 일시적으로 피부 장벽의 기능을 방해하게 되고, 이에 의해 하이드로겔에 담지된 활성 성분이 피부에 쉽게 투과된 것으로 생각된다. 결론적으로, 24시간 동안 진행한 피부 투과 실험에서 대조군과 비교할 때 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔이 가장 높은 피부 투과율을 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 나린제닌을 피부에 전달하여 다양한 피부 질환을 방어하기 위한 효과적인 약물 전달 시스템으로 응용될 수 있음을 시사한다.The amount of drug (tapes and skin) present in the epidermis and dermis layers including the stratum corneum was slightly different from that of the control group. However, the amount of drug (transdermal) permeated to the dermis layer Respectively. This is because the hydrogel seals the surface of the skin, thereby promoting hydration of the skin, thereby further improving the diffusion of the drug. It is believed that the hydrated stratum corneum temporarily interferes with the function of the skin barrier, whereby the active ingredient carried on the hydrogel is easily permeable to the skin. In conclusion, in the 24-hour skin permeation experiment, cl-CMC-g-pHEA hydrogel showed the highest skin permeability when compared with the control group. This showed that naringenin was delivered to the skin to protect various skin diseases This study suggests that the drug delivery system can be applied as an effective drug delivery system.

실험예 5. 하이드로겔의 항균 활성Experimental Example 5. Antibacterial activity of hydrogel

황색포도상구균(Staphylococcus aureus)은 아토피 피부에서 주로 나타나는 균으로, 나린제닌을 담지한 cl-CMC-g-pHEA 하이드로겔의 항균활성을 평가하기 위해 선택되었다. 항균활성은 디스크 확산 어세이(disc diffusion assay)로 측정하였다. 배양된 균주는 1x10^6~7 CFU/mL으로 맞추어 본 실험에 사용하였으며, 각 균주는 평판배지에 100㎕씩 멸균 면봉을 사용하여 도말하였다. 하이드로겔은 일정한 무게로 단면이 원형이 되도록 절단하였으며, 이를 균주를 도말한 평판배지 위에 밀착시킨 후 배양시켜 디스크 주변에 생성된 저해환(clear zone, mm)을 측정하여 항균활성을 비교하였다. Staphylococcus aureus is the predominant bacterium in atopic skin and has been selected to evaluate the antimicrobial activity of the cl-CMC-g-pHEA hydrogel loaded with naringenin. The antimicrobial activity was measured by a disc diffusion assay. The cultured strains were used in this experiment at a concentration of 1 × 10 ^ 6 to 7 CFU / mL. Each strain was plated on a plate medium with a sterile swab of 100 μl. The hydrogels were cut so that the cross section of the hydrogels became circular, and the hydrogels were adhered on a plate-coated flat plate culture medium. The hydrogels were cultured to measure the clear zone (mm) produced around the disk.

나린제닌을 담지한 cl-CMC-g-pHEA-4의 항균활성 결과는 도 11 및 표 3에 나타내었다. The results of antibacterial activity of cl-CMC-g-pHEA-4 carrying naringenin are shown in FIG. 11 and Table 3.

나린제닌의 방출을 위해 나린제닌을 담지한 하이드로겔의 표면을 pH 5.5, 7.5 및 8.5 완충액으로 처리하여 배지 위에 밀착시켰다 (도 11 (b)). 대조군은 나린제닌을 담지하지 않은 하이드로겔의 표면을 pH 5.5, 7.5 및 8.5 완충액으로 처리하여 배지 위에 밀착시켰다(도 11(a)). 그 결과, 나린제닌을 담지한 하이드로겔은 S. aureus에 대해 저해환을 나타내었으며, 특히 pH 7.5 및 8.5 완충액으로 처리한 경우, 더 높은 항균 활성을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 약물 방출 연구와 일치하며, pH 7.5 및 8.5에서 나린제닌이 더 많이 방출되었기 때문에 더 뛰어난 항균 활성이 나타난 것임을 알 수 있다. 이러한 경향은 산성막이 파괴된 피부질환에서 효과적으로 작용할 수 있을 것으로 기대된다. 반면 대조군에서는 저해환이 나타나지 않았으므로, pH 변화의 영향이 없음을 확인할 수 있다. 따라서, cl-CMC-pHEA 하이드로겔은 아토피 등의 피부 질환 치료를 위한 피부전달 시스템으로 적용될 수 있을 것이다.For the release of naringenin, the surface of the naringenin-loaded hydrogel was treated with pH 5.5, 7.5 and 8.5 buffer and adhered onto the medium (Fig. 11 (b)). In the control group, the surface of the non-naringenin-loaded hydrogel was treated with pH 5.5, 7.5 and 8.5 buffer to adhere onto the medium (Fig. 11 (a)). As a result, the hydrogel containing naringenin showed an inhibitory effect on S. aureus , and showed a higher antimicrobial activity especially when treated with pH 7.5 and 8.5 buffer. These results are consistent with the drug release studies and show that more antinicrobial activity is exhibited because more naringenin is released at pH 7.5 and 8.5. This tendency is expected to work effectively in acidic membrane-destructive skin diseases. On the other hand, no inhibition was observed in the control group. Thus, the cl-CMC-pHEA hydrogel may be applied as a skin delivery system for the treatment of skin diseases such as atopy.

저해환 직경 (mm)Inhibition diameter (mm) pH 5.5pH 5.5 pH 7.5pH 7.5 pH 8.5pH 8.5 (a) cl-CMC-g-pHEA-4(a) cl-CMC-g-pHEA-4 -- -- -- (b) 나린제닌 로딩된cl-CMC-g-pHEA-4(b) Naringenin loaded cl-CMC-g-pHEA-4 16 ± 216 ± 2 35 ± 335 ± 3 32 ± 332 ± 3

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with reference to the drawings, various technical modifications and variations may be applied to those skilled in the art. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI &gt; or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (5)

카복시메틸셀룰로오스; 및 2-하이드록시에틸 아크릴레이트의 공중합체로서, 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트로 가교된 공중합체를 포함하는 하이드로겔로서,
상기 하이드로겔은 상기 하이드로겔 내에 약물을 담지하는 경우, pH 7 내지 9의 조건에서 선택적인 약물 방출이 가능한 것이고, 상기 약물은 나린제닌인, 하이드로겔.
Carboxymethylcellulose; And a copolymer of 2-hydroxyethyl acrylate, which is crosslinked with poly (ethylene glycol) diacrylate,
Wherein the hydrogel is capable of selective drug release under the condition of pH 7 to 9 when the drug is loaded in the hydrogel, and the drug is naringenin.
삭제delete 삭제delete 제1항에 기재된 하이드로겔을 포함하는 약물 전달체.
A drug carrier comprising the hydrogel according to claim 1.
pH 7 내지 9의 병변을 나타내는 질병의 치료용 약학적 조성물로서, 상기 질병은 아토피, 어린선, 무좀, 건선 피부 및 피부 건조 중에서 선택된 질병이고, 상기 조성물은 제1항에 기재된 하이드로겔 및 나린제닌을 포함하는 것인, 치료용 약학적 조성물.A pharmaceutical composition for the treatment of diseases showing a lesion of pH 7 to 9, wherein the disease is selected from the group consisting of atopy, athlete's foot, athlete's foot, psoriatic skin and dry skin, the composition comprising the hydrogel according to claim 1 and a naringenin &Lt; / RTI &gt; or a pharmaceutically acceptable salt thereof.
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