KR101982400B1 - 다당류 기반의 다기능성 코팅 기술 개발 - Google Patents

다당류 기반의 다기능성 코팅 기술 개발 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막이 가교된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 약물을 포함하는 가교된 다층박막에 관한 것이다.
본 발명에서는 높은 생체 적합성 및 안정성을 가지며, 의료용 코팅 재료에 최적화된 다기능성 코팅을 제공할 수 있다.

Description

다당류 기반의 다기능성 코팅 기술 개발{Development of polysaccharide based antimicrobial coating technology}
본 발명은 의료용 재료에 최적화된 다당류 기반의 다기능성 코팅 기술에 관한 것이다.
의료용 재료 개발에 있어서, 추가적인 수술 없이 생체 내 약물 치료가 가능하도록 약물을 코팅하거나, 또는 접촉으로 발생할 수 있는 세균 감염을 방지하기 위하여 항균성 코팅을 하는 등의 의료용 기기에의 다기능성 코팅의 적용은 필수불가결한 요소이다.
의료용 재료에 적용되는 코팅은 생리적 환경에서 발생하는 화학적, 물리적 자극에서도 그 활성을 유지할 수 있도록 생체 적합성은 물론 적절한 내구성이 요구된다. 또한 의료용 재료는 사용 목적에 따라 미세한 크기와 구조를 갖기 때문에, 이러한 조건에 제한 없이 적용 가능한 코팅의 폭넓은 응용성이 중요하다.
현재까지 발명된 다기능성 코팅의 경우, 합성 고분자를 사용하거나 또는 복잡한 제조 과정 및 경제적인 측면에 대한 한계점이 존재한다. 이외 종래 기술의 경우에도 의료용 재료의 크기와 형태에 따른 코팅 적용의 어려움이 존재한다.
1. 한국등록특허 제10-0601393호
본 발명은 다양한 크기 및 형태의 의료용 재료에 적용가능하고, 생리적 환경에서 화학적, 물리적으로 안정한 생체적합성 다기능성 코팅 기술을 개발하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막이 가교된 코팅층을 포함하고,
상기 코팅층은 약물을 포함하며,
상기 양전하 고분자층을 형성하는 양전하를 가지는 고분자는 키토산이고,
상기 음전하 고분자층을 형성하는 음전하를 가지는 고분자는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히알루론산, 알지네이트 또는 콘드로이틴 설페이트인 가교된 다층박막을 제공한다.
또한, 본 발명은 기판 위에 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막을 형성하는 단계;
상기 다층박막을 가교하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층의 기공에 약물을 담지시키는 단계를 포함하며,
상기 양전하 고분자층을 형성하는 양전하를 가지는 고분자는 키토산이고,
상기 음전하 고분자층을 형성하는 음전하를 가지는 고분자는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히알루론산, 알지네이트 또는 콘드로이틴 설페이트인 가교된 다층박막의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서는 높은 생체 적합성 및 안정성을 가지며, 의료용 코팅 재료에 최적화된 다기능성 코팅을 제공할 수 있다.
본 발명은 별도의 외부 자극이나 나노입자의 첨가 없이 오직 다층박막을 구성하는 다당류간의 결합을 통해 코팅을 형성하고 코팅층의 내부 구조를 조절함으로써, 약물의 담지 및 방출이 가능한 동시에 항균성을 부여할 수 있다. 또한, 다당류 자체는 높은 강도를 가질 뿐 아니라 가교를 통해 많은 결합을 형성시켜, 평평한 기판이나 매우 미세한 크기의 기판 또는 유연한 기판에서도 코팅이 안정하게 유지될 수 있다.
즉, 본 발명은 기존 종래 기술의 문제점인 경제성, 복잡성 및 응용성에서의 한계를 극복할 수 있는 실용적인 기술로서, 의료 산업 분야의 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
도 1은 키토산과 카르복시메틸셀룰로오스로 이루어진 다층박막에 가교를 도입함으로써, 다공성 구조 및 초친수성이 부여된 것을 나타내는 모식도이다.
도 2는 다층박막의 박막(고분자층) 수 증가에 따른 박막의 두께 변화를 측정한 그래프이다.
도 3은 가교전 다층박막의 FE-SEM 이미지(왼쪽) 및 가교 후 다층박막의 FE-SEM 이미지(오른쪽)이다.
도 4는 가교 전, 후 다층박막의 생리적 안정성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 다층박막의 구조에 따른 약물 담지/방출 프로파일을 나타내는 이미지 및 그래프이다.
도 6은 가교 전, 후 다층박막의 물 접촉각을 측정한 그래프이다.
도 7은 3 종류의 균을 사용하여 항균실험을 한 결과를 나타낸다.
도 8은 안과용 재료로 사용되는 실리콘 튜브에 코팅된 카르복시메틸셀룰로오스/키토산 다층박막의 FE-SEM 이미지(왼쪽) 및 치과용 교정 유지 장치 재료로 사용되는 PETG 시트에 코팅된 카르복시메틸셀룰로오스/키토산 다층박막의 FE-SEM 이미지(오른쪽)이다.
이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명은 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막이 가교된 코팅층을 포함하고,
상기 코팅층은 약물을 포함하는 가교된 다층박막에 관한 것이다.
본 발명에서 다층박막은 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는데, 예를 들어, 상기 다층박막은 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층이 반복적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 다층박막에서 하나의 고분자층은 이웃하는 고분자층과 정전기적 인력, 반 데르 발스 힘, 소수성 결합 또는 공유결합을 통해 형성 또는 결합될 수 있다. 예를들어, 상기 고분자층은 양전하를 가지는 고분자 및 음전하를 가지는 고분자의 정전기적 인력을 통해 다층으로 형성될 수 있다.
본 발명에서 양전하를 가지는 고분자 및 음전하를 가지는 고분자는 고분자가 용매에 용해되어 각각 양전하 및 음전하를 띌 수 있는 고분자를 의미한다.
상기 양전하를 가지는 고분자 및 음전하를 가지는 고분자로 다당류 기반의 고분자 물질을 사용할 수 있다. 상기 다당류 기반의 고분자 물질은 생리적 환경에서 화학적, 물리적으로 안정한 생체적합성을 부여할 수 있다.
본 발명에서 양전하를 가지는 고분자는 키토산일 수 있다.
또한, 음전하를 가지는 고분자는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히알루론산, 알지네이트 또는 콘드로이틴 설페이트일 수 있으며, 구체적으로 카르복시메틸셀룰로오스일 수 있다. 천연고분자인 키토산과 카르복시메틸셀룰로오스는 생체적합성과 생분해성을 가지고, 무독성으로 생체 의료용 코팅제로서 가장 우수한 특성을 지니고 있을 뿐 아니라, 이들의 내부 또는 체인간의 강한 수소결합으로 인해 높은 강도를 가지며, 비슷한 화학 구조로 인해 서로 친화성이 매우 우수하다. 또한, 이들로 이루어진 다층박막을 가교하여 다층박막의 표면 및 내부 형태를 변화시킴으로써, 다양한 분자량의 약물 담지 및 방출 조절을 가능하게 할 뿐만 아니라, 코팅층 표면에 초 친수성으로 인한 항균성을 부여할 수 있다.
본 발명에서 다층박막을 형성하는 고분자층의 수는 특별히 제한되지 않으며, 10 내지 20 층일 수 있다. 상기 범위에서 항균성 및 물성이 우수한 다층박막을 제조할 수 있다.
또한, 다층박막의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 500 nm 내지 20,000 nm 일 수 있다.
본 발명에서 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막은 가교된 코팅층의 형태로 존재한다. 상기 가교된 다층박막, 즉 코팅층은 생리적 환경에서 내구성이 향상될 뿐 아니라, 박막에 다공성을 부여하여 거침성을 증가시킴으로써 초친수성을 부여할 수 있다. 초친수성이 부여된 코팅층은 생리적 환경에서 수막을 형성하여 상기 코팅층에 세균이 달라붙지 못하게 함으로써 항균 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 가교에 의해 다층박막의 내부 형태가 변화되어 다공성 구조가 형성될 수 있다.
상기 다층박막이 가교된 코팅층의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 500 내지 20,000 nm 일 수 있다. 상기 범위에서 물성이 우수하고, 초친수성을 부여하며, 다공성 구조의 형성이 용이하다.
또한, 코팅층의 기공 직경은 특별히 제한되지 않으며, 10 내지 30 nm 일 수 있다.
또한, 다층박막이 가교된 코팅층의 물 접촉각은 5 내지 10 도일 수 있다. 상기 범위에서 코팅층이 초친수성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 가교된 다층박막, 즉 코팅층은 약물을 포함한다. 구체적으로, 코팅층의 내부는 기공이 형성되어 있으며, 상기 기공 내부에 약물이 담지될 수 있다.
상기 약물은 분자량이 10k 내지 50k Da인 고분자 약물일 수 있다. 상기 약물로는 오브알부민(Ovalbumin) 또는 에리트로포이에틴(Erythropoietin)을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅층은 크기 또는 형태에 제한없이 다양한 소재에 적용가능하며, 특히, 미세한 크기와 구조를 가지는 소재에도 적용가능하다.
본 발명에 따른 코팅층은 안과용 재료로 사용되는 매우 얇고 유연한 실리콘 튜브 및 치과용 교정 유지 장치 소재인 Glycol-modified polyethylene terephthalate(PETG) 시트 등의 의료용 기기에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 가교된 다층박막의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가교된 다층박막은 (A) 기판 위에 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막을 형성하는 단계;
(B) 상기 다층박막을 가교하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
(C) 상기 코팅층의 기공에 약물을 담지시키는 단계를 통해 제조될 수 있다.
본 발명에서는 자기조립방법을 이용하여 다층박막을 형성할 수 있다. 자기조립방법이란, 기판에 상대 전하를 띠는 용액을 순차적으로 분사하는 과정을 원하는 만큼 반복함으로써 박막을 적층시키는 것을 의미한다. 순차적으로 박막을 제조할 수 있기 때문에 'layer by layer(층대층, LBL)이라 부르기도 한다. 용액을 서로 혼합하는 것이 아니라 기질을 사용하는 방법이기 때문에 상분리가 일어나지 않는 박막(고분자층)을 제작할 수 있다. 또한, 층대층 적층법은 코팅하고자 하는 기판의 크기나 모양에 상관없이 박막의 제조가 용이하기 때문에 간단한 방법으로 다양한 의료용 재료에 코팅을 도입할 수 있다.
본 발명에서는 단계 (A)를 수행하기 전에 기판을 전처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 전처리는 기판 표면에 수산치를 도입하기 위하여, 코로나 처리 또는 플라즈마 처리와 같은 고주파수의 스파크 방전 처리; 열 처리; 화염 처리; 커플링제 처리; 프라이머 처리 또는 기상 루이스산(ex. BF3), 황산 또는 고온 수산화나트륨 등을 사용한 화학적 활성화 처리 등을 수행할 수 있다.
또한, 상기 전처리로 실란 처리한 후, 폴리에틸렌이민 용액에 담지하여 기판 표면에 아민기를 형성할 수 있다. 이는 후술할 가교 과정을 위한 것으로, 상기 가교 과정에서 적층된 다층박막이 기판으로부터 분리되는 것을 방지하기 위하여, 수산기를 도입한 후 기판 표면과 다층박막을 단단히 연결하도록 아민기를 형성할 수 있다.
본 발명에서 기판으로는 코팅층을 적용하고자 하는 소재를 제한없이 사용할 수 있다.
본 발명에서 단계 (A)는 기판 위에 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막을 형성하는 단계이다.
양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 이루는 양전하를 가지는 고분자(양전하 고분자) 및 음전하를 가지는 고분자로(음전하 고분자)는 전술한 종류를 제한없이 사용할 수 있다. 본 발명에서는 양전하 고분자로 키토산을 사용하고, 음전하 고분자로 카르복시메틸셀룰로오스를 사용하여 상기 성분간의 정전기적 상호인력을 기반으로 층대층 적층법을 통해 다층박막을 제조할 수 있다.
본 발명에서는 양전하 고분자를 포함하는 용액을 양전하 고분자 용액, 음전하 고분자를 포함하는 용액을 음전하 고분자 용액이라 할 수 있다.
본 발명에서 다층박막은 예를 들어, 하기 방법을 통해 제조될 수 있다.
(a) 전처리된 기판을 음전하 고분자 용액 또는 양전하 고분자 용액에 담지하여 음전하 고분자층 또는 양전하 고분자층을 형성하는 단계;
(b) 기판 상에 남은 고분자 용액을 제거하는 단계
(c) 기판을 (a)에서 사용된 고분자 용액과 다른 전하를 가지는 고분자 용액에 담지하여 고분자층을 형성하는 단계;
(d) 기판 상에 남은 고분자 용액을 제거하는 단계;
(e) 기판을 (a)에서 사용된 고분자 용액에 담지하여 고분자층을 형성하는 단계;
(f) 기판 상에 남은 고분자 용액을 제거하는 단계; 및
(g) (c)~(f)를 반복하여 원하는 두께의 다층박막을 제조하는 단계
본 발명에서 양전하 고분자 용액에서 양전하 고분자의 농도는 1 내지 2 mg/ml 일 수 있으며, 음전하 고분자 용액에서 음전하 고분자의 농도 또한 1 내지 2 mg/ml일 수 있다. 또한, 고분자 용액의 pH는 3.5 내지 4 일 수 있다.
상기 단계 (b), (d) 및 (f)에서 고분자 용액의 제거는 증류수를 이용하여 수행할 수 있으며, 상기 단계를 통해 미반응 고분자뿐만 아니라 약한 결합으로 적층된 고분자를 제거할 수 있다.
본 발명에서 단계 (B)는 상기 다층박막을 가교하여 코팅층을 형성하는 단계이다.
상기 단계에서는 다층박막을 이루고 있는 물질들 간의 추가적인 화합결합이 형성되며, 예를 들어, 다층박막을 구성하는 카르복시메틸셀룰로오스의 카르복시기(COOH)와 키토산의 아민기(NH2)가 가교 결합을 형성하게 된다. 이를 통해, 다층박막의 생리적 환경에서 내구성이 향상될 뿐 아니라, 박막 표면에 다공성을 부여하여 거침성(거칠기)을 증가시킴으로써 초친수성을 부여할 수 있다. 초친수성이 부여된 코팅층은 생리적 환경에서 수막을 형성하여 상기 코팅층에 세균이 달라붙지 못하게 함으로써 항균 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 가교에 의해 다층박막의 내부 형태가 변화되어 다공성 구조가 형성될 수 있다.
본 발명에서 가교제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 사용되는 일반적인 가교제를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 상기 가교제로 1-ethyl-3-(3-(dimethylamino)propyl)carbodiimidehydrochloride (EDC) 및 N-hydroxysulfosuccinimide (NHS)의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 EDC 및 NHS를 함께 사용할 경우, EDC의 농도는 0.1 내지 0.3M일 수 있으며, NHS의 농도는 2 내지 10 mM 일 수 있다.
상기 단계는 다층박막이 형성된 기판을 가교제를 포함하는 용액에 담지하여 수행할 수 있다. 상기 기판의 담지 시간은 15 분 내지 40 분일 수 있다.
본 발명에서는 가교제의 농도 및 가교 시간을 달리하여 양전하 고분자 및 음전하 고분자의 결합 형성 및 재조립 정도를 조절할 수 있다. 일반적으로 가교제의 농도가 증가하거나 가교 시간이 증가할수록 기공 직경이 감소하는 경향을 보이며, 가교제의 농도, 즉, EDC의 농도가 0.3M 이상, NHS의 농도가 10mM 이상이거나 또는 가교 시간이 40 분 이상이면 기공 직경에 큰 영향을 미치지 않는다.
본 발명에서는 가교시 미가교된 고분자의 추가 가교를 수행할 수 있다. 상기 추가 가교에 사용되는 가교제로는 글루타알데히드(Glutaraldehyde)를 사용할 수 있다. 상기 추가 가교제의 농도는 1.5 내지 3.5%일 수 있으며, 가교제에 기판의 담지 시간은 30 분 내지 45 분일 수 있다.
본 발명에서 단계 (C)는 단계 (B)에서 형성된 코팅층의 기공에 약물을 담지시키는 단계이다.
이때, 약물로는 전술한 종류의 약물을 사용할 수 있다. 특히, 10k 내지 50k Da의 고분자 약물은 다공성 구조를 가지는 본 발명의 코팅층에 용이하게 담지될 수 있다. 본 발명에서는 가교 조건의 조절을 통해 담지되는 약물의 분자량을 조절할 수 있다.
상기 약물의 담지는 가교된 다층박막, 즉 코팅층을 포함하는 기판을 약물을 포함하는 용액에 담지함으로서 수행할 수 있다. 담지하고자 하는 약물의 종류 및 함량에 따라 용액 중의 약물의 농도 및 담지 시간을 조절할 수 있다.
본 발명에서는 간단하고 효과적인 접근으로 약물 전달 기능과 항균 효과 발휘가 모두 가능한 의료기기용 다기능성 코팅층을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예 1. 가교 다층박막(코팅층) 제조
기판으로 실리콘웨이퍼를 사용하였다. 상기 기판 상에 다층박막은 하기 같은 방법으로 제조되었다.
(1) 기판의 표면 개질
산소 플라즈마 처리를 통해 기판 표면에 수산기를 도입였다. 그 다음, 상기 기판을 에폭시기를 포함하고 있는 실란 화합물 용액에 담지하고, 실란 처리를 한 후, 상기 기판을 아민기(NH2)가 풍부한 폴리에틸렌이민 용액에 담지하였다.
상기 과정을 통해 기판에 존재하는 에폭시의 고리열림 반응을 통해 기판 표면에 아민기(NH2)를 단단히 고정시킬 수 있다.
그 후, 증류수로 세척하여 남아있는 잔류물을 제거하였다.
(2) 다층박막( CMC /CHI films) 제조
(a) 아민기로 인해 양전하를 띠고 있는 기판을 pH 4 수용액 상에서 음전하를 띠는 카르복시메틸셀룰로오스 용액에 담지하여 수소결합 및 정전기적 인력으로 카르복시메틸셀룰로오스를 적층하였다.
(b) 증류수를 이용하여 약한 결합으로 적층한 물질(카르복시메틸셀룰로오스)을 제거하였다.
(c) 카르복시메틸셀룰로오스의 카르복시기로 인해 음전하를 띠고 있는 기판을 pH 4 수용액 상에서 양전하를 띠는 키토산 용액에 담지하여 정전기적 인력으로 키토산을 적층하였다.
(d) 증류수를 이용하여 약한 결합으로 적층한 물질(키토산)을 제거하였다.
(e) 적층된 키토산의 아민기로 양전하를 띠고 있는 기판을 다시 카르복시메틸셀룰로오스 용액에 담지하여 카르복시메틸셀룰로오스를 적층하였다.
(f) 증류수를 이용하여 약한 결합으로 적층한 물질(카르복시메틸셀룰로오스)을 제거하였다.
(g) (c)~(f)를 반복함으로써 원하는 두께의 다층박막을 제조하였다.
(3) 다층박막에 가교를 통한 구조 변화 및 내구성 부여( 가교된 다층박막(Crosslinked CMC /CHI film) 제조)
다층박막을 구성하는 카르복시메틸셀룰로오스의 카르복시기(COOH)와 키토산의 아민기(NH2)를 활성화시켜 아마이드 결합을 형성시켰다.
가교 용액으로는 0.2 M의 1-ethyl-3-(3-(dimethylamino)propyl)carbodiimidehydrochloride (EDC) 와 5 mM의 N-hydroxysulfosuccinimide (NHS)를 포함하는 가교용액을 제조 및 사용하였다.
(2)에서 제조된 카르복시메틸셀룰로오스와 키토산의 다층박막이 형성된 기판을 상기 가교 용액에 20분 동안 담지하였다.
미반응 잔류물을 Phosphate-buffered saline(PBS) 용액과 증류수로 제거하였다.
미반응한 각 작용기의 추가적인 가교를 위하여 pH 9의 2.5% 글루타알데히드(Glutaraldehyde) 가교 용액을 제조하였다.
30℃에서 상기 Glutaraldehyde 용액에 기판을 40분 동안 담지 하여 추가적인 가교 결합을 형성시켰다. 최종적으로 완성된 기판의 잔류물을 증류수로 제거하고 자연 건조시켰다.
본 발명에서 도 1은 키토산과 카르복시메틸셀룰로오스로 이루어진 다층박막에 가교를 도입함으로써, 다공성 구조 및 초친수성이 부여된 것을 나타내는 모식도이다.
상기 도 1에 나타난 바와 같이, 가교를 통해 기판 상에 다공성 구조의 코팅층이 형성된 것을 확인할 수 있다.
실험예 1. 다층박막의 물성 측정
(1) 두께 측정
실시예 1. (2)에서 제조된 다층박막(가교전 다층박막)의 두께를 측정하였다.
본 발명에서는 도 2는 다층박막의 박막(고분자층) 수 증가에 따른 박막의 두께 변화를 측정한 그래프이다.
상기 도 2에 나타난 바와 같이, 표면 개질된 기판에 카르복시메틸셀룰로오스와 키토산이 한 층씩 적층될 때마다(박막의 적층수가 증가함에 따라) 다층박막의 두께가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
(2) 가교 전, 후의 다층박막 이미지
실시예 1. (2)에서 제조된 다층박막(가교전 다층박막) 및 (3)에서 제조된 가교된 다층박막의 구조를 확인하였다.
본 발명에서 도 3은 가교 전 후의 다층박막의 구조를 나타내는 FE-SEM 이미지이다. 이때, 왼쪽 이미지는 가교전의 다층박막, 오른쪽 이미지는 가교된 다층박막의 이미지이다.
상기 도 3에 나타난 바와 같이, 가교 전에는 치밀한 박막 구조를 가지나, 가교 후에 다공성 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다.
(3) 다층박막의 물성 측정
실시예 1. (2)에서 제조된 다층박막(가교전 다층박막) 및 (3)에서 제조된 가교된 다층박막의 거칠기(Roughess), 전체 기공 부피(Total pore volume) 및 기공 직경(Mean pore diameter)을 측정하였다.
상기 거칠기, 기공 부피 및 기공 직경은 AFM 및 BET 장비를 이용하여 측정하였다.
상기 측정 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
Roughness (nm) Total pore volume (cm3g-1) Mean pore diameter (nm)
CMC/CHI films 8.073 0.18×10-3 3.320
Crosslinked CMC/CHI film 13.535 0.49×10-3 16.591
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 가교된 다층박막(Crosslinked CMC/CHI film)은 가교를 통해 다당류 사슬간의 새로운 결합이 형성되고, reassembly로 인해 기공의 부피 및 직경이 증가하여 다층박막 전체의 거칠기가 증가된 것을 확인할 수 있다.
실험예 2. 다층박막의 생리적 안정성 측정
실시예 1. (2)에서 제조된 다층박막(가교전 다층박막) 및 (3)에서 제조된 가교된 다층박막의 생리적 안정성을 측정하였다.
상기 생리적 안정성은 다층박막을 간접적으로 생리적 환경에 노출시키기 위해 Phosphate-buffered saline(PBS)용액에 담지하고, 36.5 ℃ 의 생체 온도를 유지한 후 일정시간마다 꺼내어 두께를 측정하였다.
상기 두께 측정 결과를 도 4에 그래프로 나타내었다.
상기 도 4에 나타난 바와 같이, 가교전 다층박막은 처음에 비해 7일차에 두께가 감소된 반면, 가교된 다층박막은 시간이 지나도 처음과 거의 비슷한 두께를 유지하였다.
실험예 3. 다층박막의 항균성 확립
실시예 1. (2)에서 제조된 다층박막(가교전 다층박막) 및 (3)에서 제조된 가교된 다층박막의 항균성을 측정하였다.
다층박막의 젖음성 변화를 조사하였으며, 다층박막 위에 각각 3 종류의 세균을 24시간 배양시킨 후 접착되어있는 세균의 개수를 측정하였다.
본 발명에서 도 6은 가교 전 후 다층박막의 물 접촉각을 측정한 그래프이다.
상기 도 6에 나타난 바와 같이, 다층박막은 친수성을 띠며, 가교에 의해 초친수성이 부여되어 물 접촉각이 변한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7은 3 종류의 균을 사용하여 항균실험을 한 결과를 나타낸다. 이때, 그림의 왼쪽 이미지(SEM 이미지)는 다층박막을 형성하지 않은 대조군(control)이고 오른쪽 이미지는 가교된 다층박막을 사용한 경우(Film)를 나타낸다.
상기 도 7에 나타난 바와 같이, 균의 SEM 이미지를 통해 다층박막이 존재할 때 뚜렷한 항균 효과를 가지는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2. 다층박막에 약물의 담지 및 방출
저분자 약물 모델로서 FITC(Fluorescein isothiocyanate)를, 고분자 약물 모델로서 Ovalbumin을 사용하였다.
실시예 1. (2)에서 제조된 다층박막 (CMC/CHI films)을 0.5 mg/ml FITC 용액과 1 mg/ml ovalbumin 용액에 각각 1시간 동안 넣어두었다.
또한, 실시예 1. (3)에서 제조된 가교된 다층박막 (Crosslinked CMC/CHI film)을 0.5 mg/ml FITC 용액과 1 mg/ml ovalbumin 용액에 각각 1시간 동안 넣어두었다.
각 샘플을 꺼내어 자연 건조 후, PBS 용액에 넣고 약물 방출 거동을 분석하였다.
실험예 4. 약물 방출 거동 측정
본 발명에서 도 5는 실시예 2의 각 샘플에 대한 약물 담지/방출(loading/release) 프로파일을 나타내는 도면 및 그래프이다.
상기 도 5에서는 형광 이미지 및 detecting을 통해 분자량에 따른 가교 전, 후의 다층박막의 약물 담지 및 방출 거동을 보여준다.
먼저, 도 5의 윗 도면(a) - h))은 CMC/CHI film 구조에 따른 약물 담지/방출 프로파일이다. 실제 사용하는 저분자(small molecule) 약물은 플루메트론과 마이토마이신C이지만 형광 이미지를 얻기 위해 이들과 비슷한 FITC(Fluorescein isothiocyanate)를 모델 약물로 사용하였다. 또한 고분자(macro molecule) 약물로는 형광 컨쥬게이션된 Ovalbumin을 사용하여 형광이미지를 얻었다.
FITC는 가교전 다층박막에서 106.95 μg/ml, 가교 후 다층박막에서는 32.82 μg/ml 정도 방출되어, 가교하지 않은 경우에 더 많은 양이 담지 및 방출이 일어났음을 확인할 수 있다. 반면 Ovalbumin은 가교전 다층박막에서 100.24 μg/ml, 가교후 다층박막에서는 280.96 μg/ml 정도 방출되어 가교한 경우에 더 많은 양의 담지 및 방출이 일어났음을 확인할 수 있다.
이러한 결과는 가교 전 후의 박막 작용기의 활성 정도와 약물이 담지되는 면적의 변화로 인한 것이다. 가교로 인해 기공 구조가 도입되어 표면적이 넓어진 가교된 다층박막은 분자량이 큰 물질(Ovalbumin)을 쉽게 담지 할 수 있다. 반면 가교하지 않은 가교전 다층박막은 dense 구조이기 때문에 큰 분자량의 물질의 세밀한 담지가 어렵다.
한편, FITC는 저분자량의 물질이기 때문에 표면적에 큰 상관없이 세밀한 담지가 가능할 것으로 예상되나, 본 발명에 따른 가교된 다층박막에서는 가교로 인한 그들 각각의 작용기끼리의 결합으로 FITC와의 결합 활성이 낮아지게 된다. 따라서, 가교전 다층박막에 비해 FITC의 로딩 양이 적게 측정된다.
이처럼 본 발명에서는 담지하고자 하는 약물의 분자량을 고려하여, 다층박막의 구조 및 작용기 활성을 쉽게 변화시킴으로써 약물 담지 및 방출 양을 조절할 수 있다.
실시예 6. 다양한 소재에 다층박막(항균성 코팅)의 응용
본 발명에서 도 8은 안과용 재료로 사용되는 실리콘 튜브에 코팅된 가교된 카르복시메틸셀룰로오스/키토산 다층박막 표면의 FE-SEM 이미지(왼쪽) 및 치과용 교정 유지 장치 재료로 사용되는 PETG 시트에 코팅된 가교된 카르복시메틸셀룰로오스/키토산 다층박막 표면의 FE-SEM이미지(오른쪽)를 나타낸다.
상기 도 8에 나타난 바와 같이, 다층박막은 실리콘 웨이퍼뿐만 아니라 안과용 재료로 사용되는 매우 얇고 유연한 실리콘 튜브 및 치과용 교정 유지 장치 소재인 Glycol-modified polyethylene terephthalate(PETG)시트 등의 다양한 표면을 가지는 물품에 적용 될 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막이 가교된 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층의 내부는 기공이 형성되어 있고, 상기 기공 내부에 약물이 담지되어 있으며,
    상기 양전하 고분자층을 형성하는 양전하를 가지는 고분자는 키토산이고,
    상기 음전하 고분자층을 형성하는 음전하를 가지는 고분자는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히알루론산, 알지네이트 또는 콘드로이틴 설페이트인 가교된 다층박막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다층박막은 정전기적 인력이 작용하는 양전하를 가지는 고분자 및 음전하를 가지는 고분자의 결합을 통해 10 내지 20층의 다층으로 형성되는 가교된 다층박막.
  3. 제 1 항에 있어서,
    약물은 분자량이 10k 내지 50k Da인 가교된 다층박막.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다층박막이 가교된 코팅층은 의료용 기기 상에 형성되는 가교된 다층박막.
  5. 기판 위에 양전하 고분자층 및 음전하 고분자층을 포함하는 다층박막을 형성하는 단계;
    상기 다층박막을 가교하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 코팅층의 기공에 약물을 담지시키는 단계를 포함하며,
    상기 양전하 고분자층을 형성하는 양전하를 가지는 고분자는 키토산이고,
    상기 음전하 고분자층을 형성하는 음전하를 가지는 고분자는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히알루론산, 알지네이트 또는 콘드로이틴 설페이트인 가교된 다층박막의 제조 방법.
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