KR102136001B1 - 도그 본 금나노로드, 그래핀 옥사이드 또는 챠콜을 함유하는 패치 조성물 - Google Patents

도그 본 금나노로드, 그래핀 옥사이드 또는 챠콜을 함유하는 패치 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도그 본 금나노로드 또는 가시광선 흡수율이 높은 물질인 그래핀 옥사이드, 챠콜 등이 포함된 패치 조성물에 관한 것으로서, 상기 도그 본 금나노로드, 그래핀 옥사이드, 챠콜 등이 일으키는 발열반응 작용을 이용하여 목표 광열효과 온도인 41 ~ 45℃를 구현하여 피부 내로의 약물 전달효율을 증가시키는 효과가 있는 것이 특징이면서 마스크팩으로의 사용이 가능한 패치 조성물을 제공한다. 상기 패치 조성물은 700~1,200nm 근적외선 영역 파장의 LED 광원에 의해 발열 현상을 일으키는 기능이 우수하여 피부 내로의 약물 전달성이 우수한 패치제, 겔마스크, 마스크팩으로서 이용가능하다.

Description

도그 본 금나노로드, 그래핀 옥사이드 또는 챠콜을 함유하는 패치 조성물 {Patch composition comprising dog bone gold nano rod, graphene oxide or charcoal}
본 발명은 도그 본 금나노로드(Dog bone Gold Nano Rod; DGNR)를 함유하는 패치 조성물에 관한 것이다. 더 바람직하게는 본 발명은 도그 본 금나노로드와 함께 가시광선 흡수율이 높은 물질로서 그래핀 옥사이드(Graphene oxide), 챠콜(Charcoal), 활성탄(Activated carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소섬유(Carbon fiber), 그래핀(Graphene), 그래파이트(graphite), 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 및 실리콘 분말(silicon powder)로 이루어진 군 중에서 선택되는 물질이 1종 이상 포함된 패치 조성물에 관한 것이다. 상기 도그 본 금나노로드나 그래핀 옥사이드, 챠콜 등의 성분들은 패치 조성물에 발열반응을 일으켜 목표 광열효과 온도인 41 ~ 45℃를 구현하여 피부 내로의 약물 전달효율을 증가시키는 효과가 있는 것이 특징이다.
근래 LED 광원을 이용한 마스크 제품들이 각광받고 있는데 광원 파장에 따라 피부치료 효과가 다르다는 것을 근거로 하여 다양한 LED 마스크들이 개발되어 있다. 그러나 기존의 LED 마스크들은 일반인들이 구매하기에는 가격이 고가이기 때문에 주로 피부과 병원 혹은 피부 미용숍에서 시술이 이루어지며 비용 대비 그 효과가 미흡하고 치유 속도도 느린 것으로 보고되고 있다. 국내외에 판매되고 있는 대표적인 LED 마스크들은 대부분 빛의 파장별 피부 개선효과를 바탕으로 UV 파장과 근적외선 파장 영역의 빛을 혼합하여 사용하고 있다. 적외선은 700nm ~ 1mm의 파장을 갖으며 파장에 따라 IR-A(Near IR, λ = 750 ~ 1,400nm), IR-B(Mid IR, λ = 1,400 ~ 3,000nm), IR-C(Far IR, λ = 3,000nm ~ 1mm)로 나뉠 수 있는데 IR-B나 IR-C의 경우 표피층까지 투과되지만 근적외선인 IR-A의 약 65%가 우리 몸의 근적외선 창을 통해 진피층과 그 아래의 피하지방층까지 투과되는 것으로 알려져 있다. 이처럼 우리 생체 내에는 근적외선(Near infrared, NIR) 영역의 빛을 흡수하는 물질이 거의 없기 때문에 인체 투과력이 가장 높으며 따라서 근적외선 파장 영역을 우리 몸의 근적외선 창 또는 광학적 창이라고 부르며 의학적 치료용도로 널리 사용되고 있다.
금과 같은 메탈 나노입자는 표면에 존재하는 자유전자(Free electron)들이 외부 빛의 전자기파와 상호간섭을 통하여 자유전자 구름들이 진동함으로써 표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 형성하게 된다. 예를 들면, 약 10nm의 입자크기를 갖는 금 나노입자는 Mie theory에 따라 약 520nm 파장의 빛에서 SPR 조건을 만족시키게 되고 강한 Extinction(Scattering + Absorption)을 일으키게 된다(Phys. Chem. Chem. Phys., 2005, 7, 3258-3268; Solid State Physics, 1976, Brooks Cole). 구형 금 나노입자는 모든 방향에서 SPR 현상이 동일한 반면 금 나노막대(Gold nanorod)는 외부 전자기파에 의하여 종축 방향과 횡축방향으로 전자구름들이 진동하는 경로가 다르게 되고 종축 방향에서 발생하는 SPR 조건은 횡축 방향의 SPR 조건 보다 더 장파장의 빛에 의하여 발생하게 된다. 즉 종횡비(aspect ratio)가 커질수록 즉, 금 나노막대의 길이가 길어질수록 장파장에서의 흡수 피크가 적색편이(Red-shift)를 일으키면서 일반적으로 종횡비에 따라 약 700~1,200nm 근적외선 영역의 파장에서 강한 흡수를 일으킨다. 이 때 강한 근적외선 영역의 빛을 금 나노막대에 조사하면 금 나노막대의 종축방향을 따라 자유전자들이 빠르게 진동하면서 금 원자와 충돌을 일으키면서 열로 전환되는데 이와 같이 광자 에너지가 열에너지로 변환되는 과정을 광열효과(Photothermal effect)라고 한다. 한편, 금 나노로드는 그 제조방법에 따라 매끈한 형태의 막대 모양(도 2 참조)에서 그 양끝단이 불규칙적이면서도 마치 개뼈의 모양을 갖는 도그 본(dog-bone) 금 나노로드(도 3 참조)의 형태로도 제조될 수 있는데, 도그 본 금나노로드는 일반적인 형태의 금 나노로드와 달리 대량제조가 보다 더 용이해 근래에는 일반적인 형태의 금 나노로드보다 도그 본 금 나노르드의 사용이 증가하고 있다.
그래핀은 과학과 공학적인 부분에서 많은 주목을 받고 있는 물질이다. 이는 그래핀의 전기적, 광학적, 열적, 기계적 특징과 그와 관련된 탄소 나노 구조체 덕분이다. 이러한 그래핀은 생산에 어려움이 있어 왔지만, 기계적 박리, 산화 환원 방법, 에피택시적 성장 및 증기상 증착 등을 통해 합성되고 있다. 이러한 방법들은 그래핀에 기반한 물질의 실현을 나노 기술의 응용을 통해 가능하게 하고 있으며, 이러한 방법 관련하여 대한민국 특허출원 제2010-0117206호 등 그래핀 제조방법이 다양화 되고 있다. 흑연은 상기 그래핀 층들이 z축 방향으로 쌓여있는 층상구조를 가지고 있고 그래파이트 옥사이드 역시 층상구조를 가지고 있다. 하지만 강력한 산화 반응 중 sp2 네트워크가 부분적으로 깨지면서 sp3 결합으로 바뀌고 다양한 산소 작용기들이 나노 그래핀의 윗면(basalplane)과 끝(edge) 부분에 공유 결합을 통해 결합된다. 150년이 넘는 역사에도 불구하고 그래파이트 옥사이드의 정확한 화학 구조가 규명되지 못하고 여러 가지 모델들이 제안되어 왔었지만 최근 들어서는 Lerf's model이 일반적으로 받아들여지고 있다. 일반적으로 윗면에는 히드록시기(hydroxyl group)와 에폭시기(epoxy group)가 존재하고 끝부분에는 카르복실기(carboxyl group)와 케톤기(ketone group)가 존재한다고 알려져 있다. 상기와 같은 여러 작용기들은 그래핀 옥사이드를 물에 잘 분산시키며 화학적 변형을 가능하게 만들어주는 역할을 한다. 이러한 예로 많은 작용기와 넓은 면적으로 인해 그래핀 옥사이드는 나노 물질의 지지체로 많이 사용되고 있다. 한편, 그래핀 옥사이드는 금나노로드나 도그 본 금나노로드에 비해서는 제조비용이 낮은 편이긴 하지만 당 업계에서는 아직도 고가의 원료인 편에 속한다. 이에 그래핀 옥사이드를 대신할 수 있는 것으로서 근래에 챠콜(charcoal) 등의 물질들이 각광을 받고 있다.
본 발명자들은 이러한 도그 본 금나노로드, 그래핀 옥사이드, 챠콜 등이 갖는 다양한 특징을 연구하던 중, 이들 물질이 포함된 조성물이 700~1,200nm 근적외선 영역 파장의 LED 광원에 의해 발열 현상을 일으켜 약물전달성이 높은 패치 조성물을 제조할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 제10-1333962호 (발명의 명칭 : 금 나노로드 제조 방법, 출원인 : 금오공과대학교 산학협력단, 등록일 : 2013년11월21일) 대한민국 등록특허 제10-1516116호 (발명의 명칭 : 광열효과가 우수한 그래핀 옥사이드 나노복합체 및 그 제조방법, 출원인 : 금오공과대학교 산학협력단, 등록일 : 2015년04월22일) 대한민국 공개특허 제10-2015-0122869호 (발명의 명칭 : 근적외선 차단용 화장료 조성물 및 근적외선 차단제, 출원인 : 금오공과대학교 산학협력단, 공개일 : 2015년11월03일)
C. Vericat, M. E. Vela, and R. C. Salvarezza, Phys. Chem. Chem. Phys., 2005, 7, 3258-3268. N. W. Ashcroft, and N. D. Mermin, Solid State Physics, 1976, Brooks Cole.
본 발명의 목적은 도그 본 금나노로드(Dog bone Gold Nano Rod; DGNR)를 함유하는 패치 조성물을 제공하는 데에 있다. 더 바람직하게는 본 발명의 목적은 도그 본 금나노로드와 함께 가시광선 흡수율이 높은 물질로서 그래핀 옥사이드(Graphene oxide), 챠콜(Charcoal), 활성탄(Activated carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소섬유(Carbon fiber), 그래핀(Graphene), 그래파이트(graphite), 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 및 실리콘 분말(silicon powder)로 이루어진 군 중에서 선택되는 물질이 1종 이상 포함된 패치 조성물을 제공하는 데에 있다. 상기 도그 본 금나노로드나 그래핀 옥사이드, 챠콜 등의 성분들은 패치 조성물에 발열반응을 일으켜 목표 광열효과 온도인 41 ~ 45℃를 구현하여 피부 내로의 약물 전달효율을 증가시키는 효과가 있는 것이 특징이다.
본 발명은 도그 본 금나노로드(Dog bone gold nanoload)를 함유하는 패치 조성물에 관한 것이다.
상기 패치 조성물에는 가시광선 흡수율이 높은 물질이 포함될 수 있다.
상기 가시광선 흡수율이 높은 물질로는 그래핀 옥사이드(Graphene oxide), 챠콜(Charcoal), 활성탄(Activated carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소섬유(Carbon fiber), 그래핀(Graphene), 그래파이트(graphite), 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 및 실리콘 분말(silicon powder)로 이루어진 군 중에서 선택되는 물질이 1종 이상 포함될 수 있다.
상기 패치 조성물에는 약물이 담지될 수 있다.
상기 약물은 주름개선제, 미백제, 항산화제, 항염제, 발모제, 피부암 치료제, 알레르기 억제제 및 아토피 억제제로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 패치 조성물은 점증제를 함유할 수 있다.
상기 패치 조성물은 보습제가 첨가될 수 있다.
상기 점증제로는 히알루론산, 카라기난검, 아가로스, 아가로펙틴, 셀룰로오즈검, 잔탄검, 젤란검, 아가, 타마린드검, 구아검 및 아라비아검으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 선택될 수 있다.
본 발명의 패치 조성물에 포함된 도그 본 금 나노로드의 농도는 바람직하게는 10~150ppm 인 것이 좋다.
상기 패치 조성물에 포함된 가시광선 흡수율이 높은 물질의 농도는 200~300ppm 인 것이 바람직하다.
상기 보습제로는 글리세린, 글리세롤, 우레아, 아미노산, 락테이트 및 피로글루탐산으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 패치 조성물을 물리적으로 가교시킨 성형체를 포함하는 경피 전달용 겔 패치에 관한 것이다. 상기 겔 패치는 두께가 0.5 ~ 3 mm 인 것을 특징으로 한다. 상기 경피 전달용 겔 패치는 바람직하게는 화장료 제형의 일종인 마스크팩일 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 도그 본 금나노로드(Dog bone gold nanoload)를 함유하는 패치 조성물에 관한 것으로서, 바람직하게는 상기 패치 조성물에 가시광선 흡수율이 높은 물질로서 그래핀 옥사이드(Graphene oxide), 챠콜(Charcoal), 활성탄(Activated carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소섬유(Carbon fiber), 그래핀(Graphene), 그래파이트(graphite), 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 및 실리콘 분말(silicon powder)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상이 포함되는 것이 더 좋다.
상기 도그 본 금나노로드는 개 뼈(Dog bone)의 형태를 지닌 금나노로드의 일종으로서, 바람직하게는 종횡비가 3 내지 6인 것을 특징으로 한다. 도그 본 금나노로드의 종횡비가 3 미만이거나 6을 초과하게 되면 패치 조성물이 갖는 열전달 효율이 줄어들 수 있다. 상기 도그 본 금나노로드의 길이는 30~1000nm일 수 있으며, 바람직하게는 30~500nm인 것이 더 좋고, 가장 바람직하게는 40~45nm인 것이 좋다.
본 발명의 패치 조성물에 포함된 도그 본 금 나노로드의 농도는 바람직하게는 10~150ppm 인 것이 좋으며, 더 바람직하게는 20~150ppm 인 것이 좋다. 이 때 도그 본 금 나노로드가 10ppm 미만으로 포함되면 발열 현상이 잘 일어나지 않을 수 있으며, 150ppm을 초과하는 것은 겔 패치의 형성이나 발열 현상을 억제하지는 않지만 사용 농도를 높여도 그 이상의 효과가 나타나지 않을 수 있어 제조비용 면에서 바람직하지 않다.
상기 패치 조성물에 포함된 가시광선 흡수율이 높은 물질의 농도는 200~300ppm 인 것이 바람직한데, 200ppm 미만일 경우에는 겔 패치의 발열 현상이 잘 나타나지 않을 수 있고, 300ppm 초과하는 것은 겔 패치의 형성이나 발열 현상을 억제하지는 않지만 사용 농도를 높여도 그 이상의 효과가 나타나지 않을 수 있어 제조비용 면에서 바람직하지 않으며, 또한, 겔 패치의 형성이 잘 되지 않아 피부밀착력이 떨어져 마스크팩으로 사용하기에 적절하지 않을 수도 있다.
본 발명의 패치 조성물 100 중량% 기준으로 점증제는 1~5 중량%, 보습제는 2.5~25 중량%가 포함될 수 있다. 점증제가 패치 조성물 내에 1 중량% 미만이 되면 패치 형태를 형성하기 어려우며, 5 중량%를 초과하면 패치로서 적합하지 않은 강도를 가져 피부의 밀착력 등이 낮아질 수 있다. 보습제가 패치 조성물 내에 2.5 중량% 미만으로 포함되면 패치 조성물이 갖는 고유의 보습 효과를 부여하기 어려우며, 25 중량%를 초과하게 되는 것은 보습효과의 농도의존적 증강효과가 그 이상부터는 미미하기 때문에 제조 비용면에서 바람직하지 않다.
이 때, 점증제와 보습제도 각 함량 범위를 벗어나게 되면 마스크팩 형태의 패치가 그 형태를 유지하기 힘들거나 피부에 잘 밀착되기 힘든 경도를 가질 수 있으며, 적절한 보습력이 유지되지 않을 수 있다.
본 발명의 패치 조성물에는 타겟물질이 담지될 수 있으며, 상기 타겟물질은 피부 전달이 가능한 약물이라면 어느 것이든지 사용가능하다. 상기 타겟물질로서 바람직하게는 주름개선제, 미백제, 항산화제, 항염제, 발모제, 피부암 치료제, 알레르기 억제제 및 아토피 억제제로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 약물일 수 있다. 상기 약물은 천연 화합물, 천연 추출물, 천연물의 분말, 합성 화합물, 천연 펩타이드, 재조합 펩타이드, 미생물 또는 이의 배양액, 광물 등일 수도 있다. 이 때 특히 주름개선제로서는 세포외 기질(Extracellular matrix, ECM) 단백질 분해 효소인 MMP-1을 저해하는 물질로서, 규산(Silicic acid), N-메틸-L-세린(N-Methyl-L-serine), 이소플라보노이드(Isoflavonoids), 디히드로에피엔드로스테론(Dehydroepiendrosteron), 파오니플로린(Paoniflorin) 등이 선택될 수 있으며, ECM의 붕괴를 촉진하는 활성산소를 제거하여 피부의 노화 방지하는 물질로서 벤자스타틴(Benzastatins), 코엔자임 큐10(Coenzyme Q10) 등이 사용될 수 있고, 이 외에도 각종 주름개선 효과가 알려진 아데노신(adenosine), 아스코르빌글루코사이드(ascorbyl glucoside), 키네틴(kinetin), 옥신(auxin), 펩타이드(peptide), 레티놀(retinol), 레티닐팔미테이트(retinyl palmitate), 폴리에톡실레이티드레틴아마이드(Polyethoxylated Retinamide), 알파-하이드록시산(alpha hydroxyl acid) 등이 이용가능하다. 상기 미백제로는 미백제는 알부틴(arbutin), 나이아신아마이드(niacinamide), 아스코르빈산(ascorbic acid), 마그네슘 아스코빌 포스페이트(magnesium ascorbyl phosphate), 아스코빌 애시드-2-글루코사이드(ascorbyl acid-2-glucoside), 닥나무 추출물, 에틸아스코빌에티르(Ethyl ascorbyl ether, 유용성 감초 추출물 등이 사용 가능하다. 이 외에도 상기 약물로서 콜라겐, 각종 비타민 등이 첨가될 수 있으며, 표피세포 증식을 촉진시키고 보습효과를 가진 하이드록시 프롤린 등이 포함될 수 있다.
본 발명의 패치 조성물에 포함되는 점증제의 종류는 크게 제한되지 않으나, 히알루론산, 카라기난검, 아가로스, 아가로펙틴, 셀룰로오즈검, 잔탄검, 젤란검, 아가, 타마린드검, 구아검 및 아라비아검으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 패치 조성물은 700~1,200nm 근적외선 영역 파장의 광원에 의해 발열 현상을 일으키는 특징으로 한다. 상기 광원은 바람직하게는 LED(light emitting diode) 또는 레이저를 사용하는 것이 좋고, 가장 바람직하게는 LED를 사용하는 것이 더 좋다.
본 발명의 겔 패치의 제조방법에 있어서, 보다 세부적으로는 하기의 방법이 이용될 수 있다.
(제1단계) 0.1~0.2M 헥사데실세틸트리메틸암모늄 브로마이드(hexadecyltrimethylammonium bromide; CTAB) 수용액 10㎖ 기준으로 1~2mM 벤질디메틸헥사데실암모늄 클로라이드(benzyldimethylhexadecylammonium chloride; BDAC) 8~12㎖을 혼합한 혼합용액을 제조하고,
0.01 ~ 0.06M 수소화붕소나트륨 수용액(Sodium borohydride; NaBH4) 2~8㎖, 0.005~0.2M 헥사데실세틸트리메틸암모늄 브로마이드(hexadecyltrimethylammonium bromide; CTAB) 3~7㎖와 25~50mM 염화금산(HAuCl4) 수용액 10~50㎕를 넣어 금 씨드(gold seed)를 만들고 0.5~3 시간 동안 20~40℃에 보관하여 금 씨드를 숙성하는 단계;
(제2단계) 제1단계에서 제조한 혼합용액에 25~50mM 염화금산(HAuCl4) 100~500㎕, 25~50mM 질산은(AgNO3) 20~80㎕, 30~80mM 아스코르브산(Ascorbic acid) 수용액 100~500㎕ 및 제1단계에서 숙성제조한 금 씨드(gold Seed), 40~50mM 염화금산(HAuCl4) 10~70㎕를 혼합하여 18~48시간 동안 교반한 후, 원심분리하여 상층 용액을 제거한 뒤, 남은 용액을 증류수에 분산시켜 도그 본 금 나노로드(Dog bone gold nanoload)가 포함된 용액을 얻는 단계; 및,
(제3단계) 가시광선 흡수율이 높은 물질의 용액, 금 나노로드가 포함된 용액, 점증제 및 보습제를 혼합한 혼합액을 교반한 후 몰드(mold)에 부어 겔 패치를 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제2단계에서 얻은 도그 본 금 나노로드 용액의 금 농도는 400~700㎍ Au/㎖(400~700 ppm)일 수 있다. 도그 본 금 나노로드 용액 사용시, 400ppm 미만의 농도를 갖는 용액을 사용하게 되면 겔 패치의 발열현상이 잘 일어나지 않을 수 있다. 700ppm 초과된 농도를 갖는 용액을 사용하게 되어도 최종 제조된 겔 패치의 발열현상이 크게 증가하지 않기 때문에 제조비용면에서 바람직하지 않다.
상기 제2단계에서 도그 본 금 나노로드가 포함된 용액을 다시 원심분리하고 상층 용액을 제거하고, 남은 용액을 증류수에 분산시키는 세척 단계를 1~3회 추가할 수도 있으며 이를 통해 헥사데실세틸트리메틸암모늄 브로마이드가 제거되어 보다 정제된 도그 본 금 나노로드가 포함된 용액을 얻을 수 있다.
상기 제3단계에서 가시광선 흡수율이 높은 물질의 용액, 도그 본 금 나노로드가 포함된 용액, 점증제 및 글리세린을 혼합한 혼합액은 60~80℃에서 교반할 수 있다. 이 때, 가시광선 흡수율이 높은 물질의 용액 대비 도그 본 금 나노로드가 포함된 용액은 1:0.1 내지 1:1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 1:0.1 내지 1:0.3의 부피비로 혼합될 수 있다. 이 때 도그 본 금 나노로드 용액이 가시광선 흡수율이 높은 물질의 용액 1 기준, 1 이상의 부피비로 더 많이 포함될 수도 있으나, 도그 본 금 나노로드 용액이 더 많이 사용된다 하더라도 광열 효과가 더 크게 상승되지는 않기 때문에 비용 면에서 바람직하지는 않다.
이 때, 상기 제3단계에서 가시광선 흡수율이 높은 물질의 용액에 금 나노로드가 포함된 용액이 혼합된 용액의 총부피 2㎖ 기준으로, 점증제 0.02~0.2g 및 보습제 0.05~1.0g이 혼합될 수 있다.
본 발명에서 상기 가시광선 흡수율이 높은 물질의 용액은 챠콜 용액이나 그래핀 옥사이드 용액인 것이 바람직하다.
이 때 챠콜 용액은 증류수에 희석하여 제조가능하며, 400~700 ppm의 농도로 제조하여 사용할 수 있다. 챠콜 용액 사용시, 400ppm 미만의 농도를 갖는 용액을 사용하게 되면 겔 패치의 발열현상이 잘 일어나지 않을 수 있다. 700ppm 초과된 농도를 갖는 용액을 사용하게 되어도 최종 제조된 겔 패치의 발열현상이 크게 증가하지 않기 때문에 제조비용면에서 바람직하지 않다.
또한, 그래핀 옥사이드 용액은, 인산 용액과 황산 용액을 1:8~10의 부피비로 혼합하고, 인산 용액 100 중량부 기준 흑연을 10~150 중량부 혼합하여 교반한 후, 과망간산 칼륨을 인산 용액 100 중량부 기준으로 100~1600 중량부로 첨가하여 다시 교반하고, 이 후 증류수를 인산 용액 100 중량부 기준 1000~2000 중량부와 과산화수소수 300~500 중량부를 더 넣은 후 필터하고 염산용액 및 에탄올로 세척하여 얻은 그래핀 옥사이드를 증류수에 분산하여 제조할 수 있다.
상기 그래핀 옥사이드 제조 시, 필터링 후 침전되는 그래핀 옥사이드 입자는 염산 용액(29~33%)과 에탄올을 이용하여 순차적으로 세척할 수 있다. 세척을 마친 그래핀 옥사이드 입자는 증류수에 분산하기 전에 보존 또는 정확한 중량 계산을 위해 건조할 수 있다. 최종 증류수에 분산된 그래핀 옥사이드 용액은 400~700ppm인 것이 좋다. 그래핀 옥사이드 용액 사용시, 400ppm 미만의 농도를 갖는 용액을 사용하게 되면 겔 패치의 발열현상이 잘 일어나지 않을 수 있다. 700ppm 초과된 농도를 갖는 용액을 사용하게 되어도 최종 제조된 겔 패치의 발열현상이 크게 증가하지 않기 때문에 제조비용면에서 바람직하지 않다.
본 발명의 겔 패치 제조의 각 단계에서 각 교반시간 또는 혼합시간은 1분~48시간일 수 있으며 원심분리는 200~2000rpm으로 하는 것이 좋다.
본 발명은 도그 본 금나노로드 또는 가시광선 흡수율이 높은 물질인 그래핀 옥사이드, 챠콜 등이 포함된 패치 조성물에 관한 것으로서, 도그 본 금나노로드, 그래핀 옥사이드, 챠콜 등이 일으키는 발열반응 작용을 이용하여 목표 광열효과 온도인 41 ~ 45℃를 구현하여 피부 내로의 약물 전달효율을 증가시키는 효과가 있는 것이 특징이면서 마스크팩으로의 사용이 가능한 패치 조성물을 제공한다. 상기 패치 조성물은 700~1,200nm 근적외선 영역 파장의 LED 광원에 의해 발열 현상을 일으키는 기능이 우수하여 피부 내로의 약물 전달성이 우수한 패치제, 겔마스크, 마스크팩으로서 이용가능하다.
피부온도가 상승하면 확장된 피부 모공을 통하여 약물 또는 기능성 화장료의 흡수력이 약 3배 이상 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 발명의 패치 조성물을 이용해 LED 광원을 이용하여 광열효과를 유도함으로써 피부온도를 상승시켜 피부 내로의 유용성 물질의 전달효율을 증가시키는 효과를 유도할 수 있다.
또한 이러한 광열효과의 유도를 통해 인체의 혈액 순환을 촉진하며 최적의 체온 상태를 유지시켜 주고 체내 중금속 배출, 피부 통증, 탈취, 정화, 해독에도 영향을 줄 수 있으며 인체에 유해한 세균이나 곰팡이 서식을 방지하는 효과를 유도할 수 있다. 선행문헌인 대한민국 등록특허 제10-1333962호와 대한민국 공개특허 제10-2015-0122869호에는 금 나노로드의 제조방법, 이를 이용한 근적외선 차단용 화장료 등에 관한 기술이 개시되어 있고, 대한민국 등록특허 제10-1516116호에는 그래핀 옥사이드와 금나노로드가 포함된 복합체가 광열효과가 있음이 개시되어 있다. 그러나 상기 선행문헌에는 LED의 조사를 통해 약물전달성이 높아진 패치 조성물에 관한 기술은 전혀 개시된 바 없다. 본 발명은 도그 본 금나노로드, 그래핀 옥사이드, 챠콜 등을 복합체로 제조하기 보다는 이들을 혼합 상태로 제조하여 사용하기에 상기 선행문헌과는 기술적 특징이 다르다고 할 수 있다.
한편, 본 발명자들은 상기 근적외선 영역 파장의 광원을 이용한 금 나노로드가 포함된 패치 조성물 관련 기술을 출원한 바 있으나(특허출원 제10-2017-0007174호), 상기 기술에서는 근적외선을 조사하기 위한 광원으로서 레이저를 사용한 바 있다. 레이저는 일반적인 패치 조성물 사용자가 다루거나 이용하기가 어려운 광원인데다가 숙련된 기술을 갖지 않은 사람이 다루지 않을 경우 피부세포 또는 망막에 손상을 줄 수 있는 광원인 것에 반해, LED는 가정에서도 쉽게 구할 수 있으며 피부 또는 망막에 안전한 광원이다. 게다가 본 발명에서는 상기 특허출원 제10-2017-0007174호와 비교하여 일반적인 형태의 금 나노로드 대신 도그 본 금 나노로드를 사용하며, 도그 본 금 나노로드와 같은 고가의 원료를 주로 사용하기보다 그래핀 옥사이드 또는 챠콜과 같은 상대적으로 저렴한 원료를 주로 사용한다. 이를 통해 본 발명에서는 패치 조성물의 제조비용을 줄이면서도 피부 발열효과는 상기 특허출원에 제시한 것과 거의 동등한 효과를 유도할 수 있음을 보여준다.
도 1은 본 발명의 겔 패치에 대한 광열효과를 측정한 IR-camera의 설치조건을 나타내는 모식도이다.
도 2는 실시예 1-1에서 제조한 GNR(금나노로드)의 투과전자현미경 사진과 GNR(금나노로드)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 1-2에서 제조한 DGNR(도그 본 금나노로드)의 투과전자현미경 사진과 DGNR(도그 본 금나노로드)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 증류수를 이용하여 제조한 겔 패치(Control), GNR 또는 DGNR을 이용하여 제조한 겔 패치에 LED 조사하였을 때의 온도변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 증류수를 이용하여 제조한 겔 패치(Control), GO(그래핀 옥사이드) 포함된 겔 패치, DGNR(도그 본 금나노로드)가 포함된 겔 패치, 챠콜을 이용하여 제조한 겔 패치에 LED 조사하였을 때의 온도변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 증류수를 이용하여 제조한 겔 패치(Control), GO(그래핀 옥사이드) 포함된 겔 패치, GO(그래핀 옥사이드) 및 DGNR(도그 본 금나노로드)가 포함된 겔 패치에 LED 조사하였을 때의 온도변화를 나타내는 그래프로서, DGNR의 농도를 달리한 겔 패치의 결과를 비교한 것이다.
도 7은 증류수를 이용하여 제조한 겔 패치(Control), 챠콜이 포함된 겔 패치, 챠콜 및 DGNR(도그 본 금나노로드)가 포함된 겔 패치에 LED 조사하였을 때의 온도변화를 나타내는 그래프로서, DGNR의 농도를 달리한 겔 패치의 결과를 비교한 것이다.
도 8은 왼쪽부터 순서대로 DGNR 1ml(증류수 1ml + DGNR 600ppm 1ml), GNR 1ml(증류수 1ml + GNR 600ppm 1ml), GO 1ml(증류수 1ml + GO 600ppm 1ml), Charcoal 1ml(증류수 1ml + Charcoal 600ppm 1ml)을 넣어 만든 겔 패치를 나타내는 사진이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공한다.
<실시예 1. 금나노로드(Gold nanorod)와 도그 본 금나노로드(Dog bone gold nanoload, DGNR)의 제조>
실시예 1-1. 금 나노로드(Gold nanorod)의 제조
금 나노로드(Gold nanorod, GNR)를 합성하기 위해 먼저, Gold seed를 합성하였다. Gold seed는 0.5 mM의 hexadecylcetyltrimethylammonium bromide(CTAB) 수용액 5㎖와 0.5mM hydrogen tetrachloroaurate(III) tetrahydrate(HAuCl4·4H2O) 수용액 5㎖을 섞은 용액에 약 4℃로 냉각된 0.01 M NaBH4 수용액을 0.6 ㎖를 첨가한 후 3분간 Vortexing 하여 2 ~ 3nm 크기의 Gold seed가 포함된 용액을 제조하였다. 합성된 seed 용액은 사용 전 실온에서 2시간 30분 이상 숙성시켜 GNR 성장에 이용하였다.
Gold seed를 GNR로 제조하기 위한 GNR 성장 용액을 제조하였다. 먼저 1mM의 HAuCl4·4H2O 수용액 1,000 ㎖를 hexadecylcetyltrimethylammonium bromide(CTAB)와 Benzylhexadecylammonium chloride(BDAC)를 혼합한 수용액(CTAB 150 mM, Benzylhexadecylammonium chloride 50 mM로서 BDAC/CTAB가 약 1/3임) 1,000 ㎖와 혼합한 후 GNR 합성 촉매제인 AgNO3 4 mM(50 ㎖) 수용액을 넣고 환원제인 Ascorbic acid 수용액 79 mM(14 ㎖)을 교반 하에 첨가하였다. 이 때 용액의 색깔은 Au(III)가 Au(I)로 환원되면서 진한 노란색에서 무색으로 변하게 된다.
다음으로는 숙성된 Gold seed 용액 2.4㎖를 교반 하에 GNR 성장용액(2064㎖)에 첨가하면 약 1시간 이내에 용액의 색깔이 무색에서 와인 색깔로 변하게 되며 이로부터 24시간을 더 반응시켜 GNR(종횡비 약 3~7, 길이 : 약 30~60nm, 폭 : 약 10~15nm)가 포함된 용액을 얻었다.
다음으로는 이 용액 내에 과량으로 존재하는 CTAB을 제거하기 위해 15,000 rpm에서 20분간 원심분리한 후 상층 용액을 제거하고 남은 용액을 200㎖의 증류수에 분산시켰다. 이와 같은 세척 과정을 2회 반복하여 최종 GNR 용액을 준비하였다. 최종 생산된 GNR 용액의 농도는 AAS(Atomic absorption spectroscopy) 분석을 이용하여 측정한 결과 600 ppm이었다.
이렇게 제조된 GNR의 상태를 투과전자현미경(TEM)으로 찍어 도 2A에 나타내었다. 이 때, 합성된 GNR의 크기는 약 60nm로 확인된다. 또한, 이 GNR에 대한 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 확인하여 도 2B에 나타내었는데, GNR의 Longitudinal surface plasmon resonance(LSPR) Peak가 약 810nm에서 나타나고 있다.
실시예 1-2. 도그 본 금 나노로드(Dog bone gold nanoload)의 제조
도그 본 금 나노로드(Dog bone gold nanoload)를 합성하기 위해, 0.1M hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB;Sigma Aldrich) 10㎖와 1mM benzyldimethylhexadecylammonium chloride(BDAC;Sigma Aldrich) 10㎖을 혼합하여 Solution을 만들었다.
다른 용기에 0.058M NaBH₄ 5㎖ (JUNSEI), 0.1M CTAB 5㎖와 50mM HAuCl₄30㎕(Sigma Aldrich)를 혼합하여 Seed를 만들고 한 시간 동안 상온에 보관하였다.
그 후 Solution에 50mM HAuCl₄300㎕(Sigma Aldrich), 50mM AgNO₃ 44.8㎕(Sigma Aldrich), 80mM Ascorbic acid 300㎕(Sigma Aldrich)을 넣어주었다. 이어서 앞서 합성한 Seed와 50mM HAuCl₄40㎕를 넣어준 뒤 24시간 동안 교반시켜 합성하였다.
이렇게 제조된 도그 본 금나노로드(종횡비 약 3~5, 길이 : 약 40~45nm, 폭 : 약 10~15nm)를 원심분리하여 상층 용액을 제거한 뒤, 남은 용액을 증류수에 희석하여 600 ppm의 농도로 준비하였다.
이렇게 제조된 DGNR의 상태를 투과전자현미경(TEM)으로 찍어 도 3A에 나타내었다. 이 때, 합성된 GNR의 크기는 약 40~45nm로 확인된다. 또한, 이 DGNR에 대한 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 확인하여 도 3B에 나타내었는데, DGNR의 Longitudinal surface plasmon resonance(LSPR) Peak가 약 765nm에서 나타나고 있다.
한편, 도 2의 사진과 같이 제조되던 금나노로드의 모양이 도 3과 같이 개뼈의 모양으로 변형되는 것에 대해서는, 금나노로드의 제조시의 HAuCl₄와 Ascorbic acid, AgNO₃가 혼합되는 비율 조건에 따라 바뀌는 것으로 파악되었다.
<실시예 2. Graphene oxide 용액 제조>
Graphene oxide(GO)를 합성하기 위하여 화학적 박리법 중 하나인 Hummers method를 사용하였다. H2SO4와 H2PO4를 9:1의 부피비로 혼합한 용액(총 10㎖)에 Graphite 1g과 혼합하였고, 상온에서 30분간 교반한 후 Ice bath에 넣어 식혀주었다. Grapite 층을 박리시키기 위해 용액에 산화제인 KMnO4 4g을 천천히 넣어주고 2시간 동안 교반하였다. 이 후 얼음수조에 옮겨 담고 온도가 8℃를 넘지 않도록 하여 증류수 800㎖를 천천히 넣어주었다. 2시간 동안 Stirring 후 색이 변할 때까지 H2O2 15㎖를 천천히 넣어주면 Graphene oxide가 형성된다. 작은 size의 particle을 얻기 위해 감압플라스크를 이용하여 필터링한 후, 30%(v/v) HCl 용액으로 세척한 후 다시 Ethanol로 세척하였다. 세척 과정을 끝낸 GO는 100℃에서 건조하고 증류수에 분산하여 600ppm의 GO 용액을 준비하였다.
<실시예 3. 챠콜 용액의 제조>
대나무 숯분말(Charcoal; BUBBLEBANK NATURAL COSMETICS)을 증류수에 혼합하여 600ppm의 조건으로 제조하였다.
<실시예 4. 겔 패치의 제조>
증류수를 함유하는 겔 패치(겔마스크)를 제조하였다. 먼저 증류수 2㎖와 점증제인 카라기난검 파우더 0.06g, 글리세린 0.22g을 넣고 75℃로 가열하면서 450 rpm에서 교반하였다. 5분 후 균일하게 섞인 용액을 몰드(mold)에 부어서 상온에서 2분 동안 굳혀 겔 패치를 제조하였다.
또한, 이와 동일하게 겔 패치를 제조하되 증류수 대신 실시예 1 내지 3의 GO, 챠콜, GNR, DNGR 용액 각각 0.5㎖, 1㎖ 또는 2㎖을 사용하여 겔 패치를 제조하였다. 또한 DGNR과 GO, DGNR과 챠콜의 혼합조건을 확인하기 위해 GO 또는 챠콜 용액을 1㎖로 고정하고 DGNR의 혼합조건을 0.1~1㎖로 조절하여 혼합한 겔 패치도 제조하였다.
이상의 각 겔 패치의 제조 조건은 하기 표 1과 같게 하였고, 제조된 겔 패치는 도 8과 같이 400~500mg의 무게를 갖는 조각으로 잘라내어 각 실험에 사용하였다.
No. 도 4 내지 도 7의
겔 패치 label
겔 패치 주요 성분
1 Control 증류수 2㎖ 함유
2 GNR 1㎖ 증류수 1㎖ 및 GNR 600ppm 1㎖ 함유
3 DGNR 0.1㎖ 증류수 1.9㎖ 및 DGNR 600ppm 0.1㎖ 함유
4 DGNR 0.3㎖ 증류수 1.7㎖ 및 DGNR 600ppm 0.3㎖ 함유
5 DGNR 0.5㎖ 증류수 1㎖ 및 DGNR 600ppm 1㎖ 함유
6 DGNR 1㎖ 증류수 1㎖ 및 DGNR 600ppm 1㎖ 함유
7 Charcoal 1㎖ 증류수 1㎖ 및 Charcoal 600ppm 1㎖ 함유
8 Charcoal 2㎖ Charcoal 600ppm 2㎖ 함유
9 GO 1㎖ 증류수 1㎖ 및 GO 600ppm 1㎖ 함유
10 GO 2㎖ GO 600ppm 2㎖ 함유
11 GO 1㎖ +
DGNR 0.1㎖
증류수 0.9㎖, GO 600ppm 1㎖ 및 DGNR 600ppm 0.1㎖ 함유
12 GO 1㎖ +
DGNR 0.3㎖
증류수 0.7㎖, GO 600ppm 1㎖ 및 DGNR 600ppm 0.3㎖ 함유
13 GO 1㎖ +
DGNR 0.5㎖
증류수 0.5㎖, GO 600ppm 1㎖ 및 DGNR 600ppm 0.5㎖ 함유
14 GO 1㎖ +
DGNR 1㎖
GO 600ppm 1㎖ 및 DGNR 600ppm 0.1㎖ 함유
15 Charcoal 1㎖ +
DGNR 0.1㎖
Charcoal 600ppm 1㎖, 증류수 0.9㎖ 및 DGNR 600ppm 0.1㎖ 함유
16 Charcoal 1㎖ +
DGNR 0.3㎖
Charcoal 600ppm 1㎖, 증류수 0.7㎖ 및 DGNR 600ppm 0.3㎖ 함유
17 Charcoal 1㎖ +
DGNR 0.5㎖
Charcoal 600ppm 1㎖, 증류수 0.5㎖ 및 DGNR 600ppm 0.5㎖ 함유
18 Charcoal 1㎖ +
DGNR 1㎖
Charcoal 600ppm 1㎖ 및 DGNR 600ppm 1㎖ 함유
<실험예 1. 겔 패치의 광열 효과 확인 a - GNR 및 DGNR의 효과 비교>
겔 패치의 광열 (Photothermal) 효과를 확인하기 위한 시작온도는 상온인 24~25℃로 하였다. 준비된 GEL Patch 표면에 2.3V, 1.1A 전류조건에서 근적외선 LED (Type No. EDC780D-1100, λ = 780nm)로부터 발생한 근적외선을 10분 동안 조사하면서 겔 패치로부터 발생한 광열효과를 IR-camera를 통하여 확인하였다.
도 4를 참고하면, 동일 농도 조건으로 GNR이 포함한 겔 패치보다 DGNR이 포함된 겔 패치의 광열효과가 현저하게 우수함을 알 수 있다. 따라서 DGNR이 GNR보다 소량을 사용하여도 광열효과를 더 잘 유도할 것이라 판단되기에 이 후의 실험은 GNR 대신 DGNR만을 사용하였다.
<실험예 2. 겔 패치의 광열 효과 확인 b - DGNR, GO, 챠콜의 효과 비교>
DGNR, GO, 챠콜의 광열 효과를 비교하였다. 도 5A의 왼쪽 그래프를 참고하면, DGNR, GO, 챠콜 용액(600ppm)이 각각 1㎖씩 포함된 겔 패치 중에서, DGNR이 포함된 겔 패치는 41℃ 이상의 우수한 광열효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 반면 GO와 챠콜은 약간의 광열효과가 있는 것으로 나타나지만 DGNR만큼의 온도 상승 효과는 나타나지 않았다.
다음으로는, 각 용액을 동일농도로 2㎖씩 포함된 겔 패치를 제조하여 광열효과를 조사한 바, DGNR은 1㎖이나 2㎖ 포함된 겔 패치 모두 매우 비슷한 온도 상승이 나타나, 농도에 상관없이 높은 광열효과가 나타나는 것이 확인되었다(데이터 미첨부). 도 5B를 참고하면, DGNR의 경우 0.5㎖ 이상을 첨가하여도 높은 광열효과가 나타남을 알 수 있어, DGNR은 겔패치 제조시 0.5㎖ 이하로 첨가되어도 좋을 것으로 판단되었다.
이와 달리, GO와 챠콜 용액이 2㎖ 포함된 겔 패치에서는 도 5A의 1㎖ 첨가 겔 패치와 비교하여 온도 상승 효과가 크게 나타나지 않았다(데이터 미첨부). 이 외에도, 그래핀 옥사이드 또는 챠콜 용액의 농도를 600ppm을 초과하여 각 2㎖씩을 겔 패치 제조에 사용하는 것도 시도하였는데, 발열현상이 목적하고자 하는 온도까지는 증가하지 않은 것으로 확인되었다(데이터 미첨부). 따라서 다음 실험에서 겔 패치 제조시 GO와 챠콜 용액(600 ppm)이 1㎖ 첨가된 것을 사용하기로 하였다.
한편, 이상의 실험들을 통해 약물전달성을 높이기 위한 목적온도인 41 ~ 45℃에 도달하는 겔 패치를 제조하기 위해서는 도그 본 금나노로드 용액의 사용이 필수적인 것으로 판단되어, 다음 실험에서는 도그 본 금나노로드와 GO/챠콜의 혼합조건을 확인하기로 하였다.
<실험예 3. 겔 패치의 광열 효과 확인 c - DGNR에 GO 또는 챠콜이 혼합되었을 때의 효과 비교>
실험예 2의 결과를 토대로 하여, GO와 챠콜 용액을 1㎖로 고정하고 DGNR 용액의 첨가량을 0.1~1㎖로 변화를 주어 겔 패치를 제조하였고 광열효과를 확인하였다.
이에, 도 6 및 도 7에서와 같이, 겔 패치에 GO 또는 챠콜 용액 1㎖과 함께 DGNR 0.1~0.3㎖이 포함되면, DGNR을 단독으로 0.5㎖ 이상을 포함시켜야 도달할 수 있는 온도까지 광열효과가 나타남을 확인하였다.
이상의 실험결과들을 정리하면, DGNR을 단독 사용하여 본 발명의 겔 패치를 제조하여도 무방하지만, 제조비용이 비싼 DGNR만을 단독으로 사용하여 겔 패치를 제조하기 보다는, 실험예 3에서처럼 GO 또는 챠콜 용액을 기반으로 하여(비용을 가장 절약하기 위해서는 챠콜 용액을 사용하는 것이 더 적합함) 소량의 DGNR 용액을 첨가한 겔 패치를 제조하는 것이 겔패치의 목표 광열효과 온도인 41 ~ 45℃를 구현하기에 적합한 것으로 확인된다.

Claims (8)

  1. 도그 본 금나노로드(Dog bone gold nanoload) 10~150ppm; 및,
    가시광선 흡수율이 높은 물질로서, 그래핀 옥사이드(Graphene oxide), 챠콜(Charcoal), 활성탄(Activated carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소섬유(Carbon fiber), 그래핀(Graphene), 그래파이트(graphite), 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 및 실리콘 분말(silicon powder)로 이루어진 군 중에서 선택되는 물질 1종 이상 200~300ppm;
    을 함유하는 것을 특징으로 하는 경피 전달용 패치 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패치 조성물에는 약물이 담지되는 것을 특징으로 하는 경피 전달용 패치 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 약물은 주름개선제, 미백제, 항산화제, 항염제, 발모제, 피부암 치료제, 알레르기 억제제 및 아토피 억제제로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 경피 전달용 패치 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 점증제를 함유하는 것을 특징으로 하는 경피 전달용 패치 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 보습제를 함유하는 것을 특징으로 하는 경피 전달용 패치 조성물.
  8. 제1항, 4항 내지 제7항 중의 어느 한 항의 패치 조성물을 물리적으로 가교시킨 성형체를 포함하는 경피 전달용 겔 패치.
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