WO2009142430A2 - 습식 화학 합성 방법을 이용한 칼슘 함유 나노입자의 생산방법 - Google Patents

습식 화학 합성 방법을 이용한 칼슘 함유 나노입자의 생산방법 Download PDF

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WO2009142430A2
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이혜승
전진성
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주식회사 나라엔텍
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    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51—Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5107—Excipients; Inactive ingredients
    • A61K9/5115—Inorganic compounds

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing calcium-containing nanoparticles (hereinafter also referred to as 'nanocalcium') using a wet chemical synthesis method, and more specifically, to a calcium source material having calcium ions in a solvent. It relates to a method for producing high purity calcium-containing nanoparticles using a wet chemical synthesis method, characterized in that the reaction with.
  • Calcium is one of the most abundant minerals in the body and is a must. About 2% of the total weight is made of calcium, and 99% of the body's calcium is in the bones. Calcium plays an important role in many parts of human enzyme activity as well as in the formation and maintenance of bones and teeth. It is also involved in the contraction of muscles and the release of neurotransmitters, regulation of the heart rate, blood clotting.
  • Osteoporosis in particular, literally means ⁇ a hole in the bone, '' and in the United States more than 20 million people have osteoporosis. Osteoporosis is generally experienced by both men and women over 40 years of bone mass loss, but women are at greater risk of developing osteoporosis. Excessive bone loss, which causes osteoporosis, is caused by many factors and varies in form, of which postmenopausal osteoporosis is the most common form of women.
  • hip fractures Since the bones in the human body carry large weights, they are sensitive to pain and malformations or fracture breakage. As a direct result of osteoporosis, at least 15 million fractures occur each year, about 2% of which are hip fractures, a very serious injury for most patients. 12-20% of hip fractures are very fatal, with half of survivors undergoing long-term inpatient treatment, with one third of women and one-sixth of men experiencing hip fractures.
  • Calcium supplements that are currently taken and sold most are calcium carbonate.
  • the degree of ionization by interacting with gastric juice was about 20%, and about 4% when the patient had little secretion of gastric juice.
  • the cause of this phenomenon is that calcium carbonate must be easily dissolved and then reacted with gastric fluid to increase its ionization.
  • the calcium carbonate has a high melting point (825 °C) and is not soluble in water at room temperature.
  • the present invention evenly controls the size of the calcium-containing particles, for example to the nanometer level of less than 1 ⁇ m, more preferably in the range of 1 nm to 900 nm to increase the human absorption rate, mass production It is a technical task to provide an economical method for producing calcium-containing nanoparticles, the process of which is simplified for easy application.
  • the present invention provides a method for producing calcium-containing nanoparticles using a wet chemical synthesis method comprising the step of reacting a calcium source material with an ionic compound for surfactant activity in a solvent.
  • nanocalcium is manufactured using the wet chemical synthesis method of the present invention, mass production is possible at a simple process and at a low price.
  • nano calcium prepared by the method of the present invention can greatly improve the absorption rate in the body. That is, the nano-calcium of the present invention is easily dissolved and ionized in the body because the surface area is relatively large compared to the conventional micro-size calcium, and the absorption rate is also very high.
  • the nano calcium prepared by the method of the present invention is synthesized by a chemical method, it is possible to obtain particles having a constant size, shape can also be controlled, and minimize the impurities to obtain nano calcium particles that can be used for food and medical purposes. It can manufacture. Therefore, the nanocalcium produced according to the present invention can be suitably used not only for food but also for medicine.
  • Figure 2 is a 20,000-fold magnification FE-SEM photograph of the nano calcium nutritional supplement sold in the country, showing that the nutritional supplement has a particle size of several hundred nanometers to several micrometers.
  • Figure 3 is a 1000-fold enlarged FE-SEM photograph of calcium nutritional supplements sold in Korea, showing that the nutritional supplement has a particle size of several micrometers.
  • Figure 8 is a picture comparing the state after the actual dissolution of nano-calcium supplements and calcium-containing nanoparticles produced using salt (NaCl) in the embodiment of the present invention in water in the same amount in the actual domestic market.
  • the upper two photographs are photographs of nano calcium supplements for sale in Korea, and the lower two photographs are photographs of calcium-containing nanoparticles prepared using salt (NaCl) in an embodiment of the present invention.
  • Salt (NaCl) in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the weight change results of the toxicity test results for the calcium-containing nanoparticles of the present invention.
  • Figure 10 is a graph showing the liver function test results of the toxicity test results for the calcium-containing nanoparticles of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the renal function test results of the toxicity test results for the calcium-containing nanoparticles of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the electrolyte test results of the toxicity test results for the calcium-containing nanoparticles of the present invention.
  • the calcium source material is not particularly limited, and preferably a suitable calcium compound is used as the functional food or medical raw material.
  • a suitable calcium compound is used as the functional food or medical raw material.
  • Calcium source materials selected from calcium, calcium propionate, calcium sulfate, calcium phosphophosphate, calcium oxide, calcium ascorbate, calcium alginate, calcium acetate, calcium sorbate and mixtures thereof are preferably used.
  • the surface-active ionic compound that reacts with the calcium source material one selected from soda (NaHCO 3 ), salt (NaCl), and mixtures thereof is preferably used.
  • the mixing ratio of the calcium source material and the surface active ionic compound is preferably in the molar fraction of calcium source material: interactive ionic compound in the range of 1: 0.9 to 0.001.
  • the ionic compound for surfactant activity is added more than the above ratio, the reactivity with calcium ions increases in the solution, that is, the ionic compound for surfactant activity reacts with many calcium ions, so that the particle size of calcium produced later is greater than or equal to As a result, it is difficult to control the particle size at the nano level, and may appear differently or may react with other components as well as calcium ions, and impurities may be precipitated, thereby lowering purity.
  • the ionic compound for surfactant activity is smaller than the above ratio, the amount of nanocalcium that is not reacted with all calcium ions is reduced, and in the case of unreacted calcium ions, it is reduced again as raw material particle size and shape, and thus as nanocalcium. May not be characterized. That is, there is difficulty in uniform size control.
  • the calcium source material NaCl is mixed at 1: 0.9 to 0.005 mole fraction, and when NaHCO 3 is used as an ionic compound for surfactant activity.
  • Calcium source material: NaHCO 3 is preferably mixed in a 1: 0.1 to 0.01 mole fraction, but is not necessarily limited thereto.
  • any solvent can be used as long as it can dissolve the calcium source material as described above at room temperature or by heating.
  • a solvent suitable for the production of functional foods or medical raw materials is used. use. Specifically, those selected from water (distilled water, purified water, drinking water, etc.), lower alcohols (for example, alcohols having 1 to 6 carbon atoms, preferably ethanol) such as methanol, ethanol, propanol, and the like, and mixtures thereof are preferably used.
  • the preferred reaction temperature of the calcium source material and the ionic compound for surfactant activity is 15 to 300 ° C., and the reaction time is approximately 30 minutes to 5 hours, depending on the amount or temperature of the reactants. If the reaction temperature is lower than 15 ° C, the reaction may not occur smoothly, when it exceeds 300 ° C the reaction is too fast to control the desired composition, size and shape becomes difficult.
  • One embodiment of the wet production method of calcium-containing nanoparticles according to the present invention comprises the following steps .
  • Step 1 Calcium source material (containing low-melting, high-soluble calcium, licensed by the Food and Drug Administration) and the ionic compound for surfactant activity are introduced into the reactor according to the mole fraction described above and dissolved in the solvent.
  • Step 2 The resultant solution of step 1 is stirred for 30 minutes to 5 hours at 15 ⁇ 300 °C.
  • Step 3 The reaction product obtained as a result of step 2 is preferably filtered and then dried (50-100 ° C.).
  • Formulation 1 Calcium-containing nanoparticle powder prepared in Example 1 (using NaCl) (about 500 mg as elemental Ca)
  • Formulation 2 Tablet containing calcium carbonate (CaCO 3 ) at micrometer level (Korea United Pharmaceutical Products) (about 500 mg in elemental Ca)
  • Formulation 3 Calcium Supplement Supplement containing 99% of calcium carbonate (CaCO 3 ) at 30-1,000 nm level prepared by dry method (Ingenano Health Co., Ltd.) (about 500 mg as elemental Ca)
  • Subjects were not allowed to drink, smoke, or take drugs, including healthy foods, until the test was completed. They were asked to eat low-calcium meals that limit their intake of milk, dairy products, and bone-fed fish. Each test was performed in the same manner for 3 weeks with different types of calcium preparation. Subjects who completed blood tests and urine tests before taking calcium products had the same breakfast (bread and orange juice) and calcium products provided. Blood collection was done at 30 minutes, 2 hours, 4 hours, and 8 hours after taking calcium preparations, and urine was sampled 4 hours and 8 hours after taking calcium preparations. Subjects were not allowed to consume anything except food and drugs provided until the end of blood and urine tests at 8 hours of calcium preparation and water was freely consumed. Five blood tests and three urine tests were performed for three calcium preparations over time in the same subject, and the results were expressed as mean and standard deviation.
  • Intact parathyroid hormone is a hormone composed of 84 amino acids and is the most important hormone controlling calcium metabolism. It also plays a role in increasing the absorption of calcium in the intestine by increasing the production of activated vitamin D (1,25 (OH) 2 Vitamin D).
  • Vitamin D 1,25 (OH) 2 Vitamin D
  • parathyroid hormone increases secretion in the parathyroid gland, thereby increasing bone resorption in bone and promoting calcium resorption in renal tubules, thereby increasing the concentration of calcium ions.
  • the secretion of parathyroid hormone decreases.
  • the change of the parathyroid hormone concentration may be used as an indicator of the bioavailability of calcium.
  • Parathyroid hormone concentrations were measured by chemiluminescent immunoassay and reference values were 15.0-68.3 pg / mL. Table 1 below shows the change in blood parathyroid hormone concentration after taking the test calcium preparation. As can be seen in Table 1 below, the nanocalcium preparation prepared in Examples of the present invention had a greater reduction in blood parathyroid hormone concentration than the commercially available calcium preparation.
  • Urine NTx is the N-telopeptide cross-linking domain of Type-1 collagen and is often used as a marker of bone resorption.
  • the ratio of NTx / Creatinine (Cr) concentration in urine is used as a marker of bone replacement rate.
  • N-telopeptide of type I collagen was measured by enzyme-linked immunoabsorbant assay (ELISA) using osteomark-NTx ELISA kit.
  • the reference value for urine N-telopeptide was 5.0-65.0 nm bone collagen equivalents (BCE) / mL Creatinine. Table 2 below shows the change in the ratio of N-telopeptide (NTx) / Cr concentration in urine after taking the test calcium preparation.
  • Urine calcium excretion is generally measured by urine calcium / creatinine excretion rate (urine Ca / Cr, (mg / dL) / (mg / dL)) 3-4 hours after oral administration of the calcium preparation.
  • Table 3 shows the change in urine calcium / creatinine (Cr) excretion rate after taking the test calcium preparation.
  • Toxicity test was performed on the calcium-containing nanoparticles prepared in Example 1 (using NaCl) as follows.
  • Test animals Balb / c mice (female, 8 weeks old), 7 per group
  • Control 500 ⁇ L saline / mouse (oral administration)
  • Weight change measured every 8 days at 1 day intervals
  • FIGS. 9 to 12 Changes in body weight, liver function, kidney function, and electrolyte concentration in blood according to continuous administration of the nanocalcium preparation are shown in FIGS. 9 to 12, respectively.

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Abstract

본 발명은 습식 화학 합성 방법을 이용한 칼슘 함유 나노입자의 생산방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 칼슘 이온을 가진 칼슘 공급원 물질을 용매 중에서 계면 활성용 이온성 화합물과 반응시키는 것을 특징으로 하는, 습식 화학 합성 방법을 이용한 고순도의 칼슘 함유 나노입자의 생산방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 고순도와 균일한 형태를 가진 나노크기 수준의 칼슘 함유 입자를 대량 생산할 수 있고, 이렇게 생산된 칼슘 함유 나노입자는 기존의 칼슘 영양제보다 흡수율이 높기 때문에, 식품 및 의약품으로 적합하게 활용될 수 있다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 13.08.2009]　습식 화학 합성 방법을 이용한 칼슘 함유 나노입자의 생산방법
본 발명은 습식 화학 합성 방법을 이용한 칼슘 함유 나노입자(이하, '나노칼슘'이라고도 한다)의 생산방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 칼슘 이온을 가진 칼슘 공급원 물질을 용매 중에서 계면 활성용 이온성 화합물과 반응시키는 것을 특징으로 하는, 습식 화학 합성 방법을 이용한 고순도의 칼슘 함유 나노입자의 생산방법에 관한 것이다.
칼슘은 인체 내에서 가장 풍부한 무기질 중의 하나이며 꼭 필요한 요소이다. 총 몸무게의 약 2%는 칼슘으로 되어 있는데, 인체 칼슘 량의 99%는 뼈에 들어 있다. 칼슘은 뼈와 치아를 구성하고 유지시키는 중요한 역할뿐만 아니라 인체 효소 활동의 많은 부분에서도 중요한 역할을 한다. 또한 근육의 수축과 신경 전달 물질의 방출, 심장 박동의 조절, 혈액 응고 작용에 관여한다.
칼슘이 인체에 부족하게 되면 어린이들의 경우, 구루병을 유발시킬 수 있다. 상기 구루병은 뼈의 기형과 성장 발달의 저하를 초래할 수 있기 때문에 청소년기에 일정량의 칼슘 섭취는 매우 중요하다. 또한 성인들의 경우, 칼슘 결핍은 골연화증을 유발할 수 있고 낮은 혈중 칼슘 수치는 근육 경직과 다리의 경련을 유발할 수 있으며, 또한 고혈압과 골다공증, 결장암의 원인이 될 수도 있다.
특히 골다골증은 문자대로 '뼈에 구멍이 생기는 것'을 의미하며, 미국에서는 2000 만명 이상의 사람들이 골다공증에 걸려 있다. 골다공증은 일반적으로 남성과 여성 모두 40세가 넘으면 뼈의 질량 감소를 경험하게 되나, 골다공증에 걸릴 위험성은 여성들이 훨씬 더 많다. 상기 골다공증을 일으키는 과도한 뼈의 소실은 많은 요인들로 인해 일어나며, 그 형태도 다양하며, 그 중 여성의 폐경기 이후의 골다공증이 가장 흔한 형태이다. 알려진 바로는, 폐경기 이후 여성의 약 1/4이 골다공증에 걸리게 되며, 대개 척추와 엉덩이, 갈비뼈의 소실이 가장 크나, 심한 경우 골격 전체가 폐경기 이후의 골다공증에 영향을 받을 수 있다.
인체 내의 뼈들은 큰 무게를 지탱하기 때문에, 통증과 기형 또는 골절 파손에 민감하다. 골다공증의 직접적인 결과로, 매년 최소한 1천 5백만 건의 골절 파손이 발생하며, 이들 중 약 2%는 엉덩이뼈 파손인데, 이는 대부분의 환자들에게 아주 끔찍한 파손이다. 엉덩이 골절 파손의 12~20%는 아주 치명적인 것으로, 생존자들의 반은 장기 입원 치료를 받아야 하며, 여성들의 1/3과 남성들의 1/6이 엉덩이 골절 파손을 경험하게 될 것이다.
종래에는 골다공증 치료를 위해 주로 이온화 칼슘액, 굴 껍질을 이용하여 제조된 칼슘, 동물의 뼈, 우유, 멸치 등을 복용해 왔다. 그러나 골 밀도를 높이기 위해 이온화 칼슘을 복용할 시, 체내 중금속까지 함께 뼈에 흡착시키는 문제, 동물의 뼈는 체내결석을 발생시키는 문제를 야기할 수 있다. 또한 멸치는 현재 먹는 방법으로는 흡수력이 매우 저조하여 멸치가 함유하고 있는 칼슘 성분의 오직 1% 정도만 체내에 흡수될 뿐이므로 종래의 이러한 칼슘 보급은 근본적으로 골다공증 전개의 지연 효과만 있을 뿐 완치를 구현할 수 없었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구팀과 기업들이 고순도, 고흡수율과 이온화되기 쉬운 칼슘 보충제 개발에 박차를 가하고 있다. 현재 대부분 복용 및 판매되고 있는 칼슘 보충제는 주성분이 탄산칼슘이다. 상기 탄산칼슘이 주성분인 칼슘 보충제를 일반인이 복용하였을 경우 위액과 작용하여 이온화되는 정도가 20% 정도이고, 위액 분비가 적은 환자가 복용하였을 경우 4% 정도 인 것으로 밝혀졌다.　이와 같은 현상이 일어나는 원인은 탄산칼슘이 쉽게 이온화되기 위해서는 녹기 쉬운 상태가 된 다음 위액과 반응해야 이온화도가 커지는데, 탄산칼슘은 녹는점(825℃)이 높고，상온에서 물에 잘 녹지 않기 때문에 이온화하기 쉽지 않다. 그러나 그 크기를 나노 단위로 제조하게 되면 나노 물질의 특성상 표면적이 극대화되어 이온화도가 증가하기 때문에 인체 내의 흡수율을 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 이에 나노 수준의 입자 크기를 가지는 나노 칼슘을 제조하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
나노 과학 기술 분야에서 잘 알려진 대로 물질을 구성하고 있는 원자의 보어 반경보다 입자가 작아질 경우 급격한 물리-화학적 특성변화에 의해 예상치 못한 특성이 발견될 수 있다. 이론적으로 칼슘의 보어 반지름이 0.19 nm이기 때문에 수십-수백 나노미터 사이즈의 크기를 갖는 나노 칼슘의 경우에는 예상치 못한 독성의 발생 등의 문제점이 없으며 일반 벌크 사이즈의 칼슘에 비해 흡수율이 크게 증가하는 이점이 있다.
기존의 칼슘 보충제는 마이크로 크기의 입자로서 체내에 용해되어 이온화되는 칼슘의 양이 극미량이며 또한 흡수율도 매우 미미하다. 또한, 칼슘 이온을 이용한 건강식품이나 이온 음료는 많이 판매되고 있으나, 체내에서 흡수되는 정도가 매우 미약하며, 혈관을 통해 운반되기 때문에 뼈에 직접 흡수되는 정도가 극미량에 불과하여 칼슘 복용 효과를 얻기가 매우 어려운 문제점이 있다.
국내외 기업들이 나노 칼슘을 제조함에 있어서는 건식분쇄방법을 사용하고 있다. 이 방법은 자연 재료(예컨대 굴 껍질)를 주로 이용하는데, 분쇄하는 과정에서 불순물이 완전히 제거되지 않을 수 있으며, 일정한 크기를 가진 입자를 형성하는 것도 용이하지 않다.
상기한 종래 기술의 문제점들을 해결하고자, 본 발명은 칼슘 함유 입자의 크기를 예컨대 1㎛ 미만, 보다 바람직하게는 1 nm 내지 900 nm 범위의 나노미터 수준으로 고르게 제어하여 그 인체 흡수율을 높이고, 대량 생산에 용이하게 적용할 수 있도록 공정이 단순화된 경제적인 칼슘 함유 나노입자의 생산방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 목적을 달성하고자 본 발명은, 칼슘 공급원 물질을 용매 중에서 계면 활성용 이온성 화합물과 반응시키는 단계를 포함하는, 습식 화학 합성 방법을 이용한 칼슘 함유 나노입자의 생산방법을 제공한다.
본 발명의 습식 화학합성방법을 이용하여 나노칼슘을 제조하면 간단한 공정과 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하다. 또한, 본 발명의 방법으로 제조된 나노 칼슘은 체내 흡수율을 크게 개선할 수 있다. 즉, 본 발명의 나노 칼슘은 기존의 마이크로 사이즈 칼슘에 비해 표면적이 상대적으로 매우 크기 때문에 체내에서 쉽게 용해되어 이온화되기 쉽고, 흡수율도 매우 높다. 또한 본 발명의 방법으로 제조된 나노 칼슘은 화학적인 방법으로 합성하기 때문에 일정한 크기를 가진 입자를 얻을 수 있으며, 형태 또한 제어가 가능하고, 불순물을 최소화하여 식품용 및 의료용으로 이용 가능한 나노 칼슘 입자를 제조할 수 있다. 따라서 본 발명에 따라 생산된 나노칼슘은 식품뿐만 아니라 의약품으로도 적합하게 활용될 수 있다.
도 1은 미국 편의점(CVS pharmacy)에서 판매되고 있는 "Oyster shell calcium" 영양 보충제의 1,000배 확대 FE-SEM 사진으로, 이 영양 보충제가 나노미터 수준이 아닌 수십 마이크로미터 수준의 입자 사이즈를 가짐을 보여주고 있다.
도 2는 국내에 판매되고 있는 나노 칼슘 영양 보충제의 20,000배 확대 FE-SEM 사진으로, 이 영양 보충제가 수백 나노미터 내지 수 마이크로미터 수준의 입자 사이즈를 가짐을 보여주고 있다.
도 3은 국내에 판매되고 있는 칼슘 영양 보충제의 1,000배 확대 FE-SEM 사진으로, 이 영양 보충제가 수 마이크로미터 수준의 입자 사이즈를 가짐을 보여주고 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 중 식소다(NaHCO3)를 이용해 제작된 칼슘 함유 나노입자의 10,000배 확대 FE-SEM 사진으로, 1~900㎚ 수준의 입자 사이즈를 가짐을 보여주고 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 중 소금(NaCl)을 이용해 제작된 칼슘 함유 나노입자의 10,000배 확대 FE-SEM 사진으로, 1~900㎚ 수준의 입자 사이즈를 가짐을 보여주고 있다.
도 6은 본 발명의 실시예 중 식소다(NaHCO3)를 이용해 제조된 칼슘 함유 나노입자의 EDX 분석 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 실시예 중 소금(NaCl)을 이용해 제조된 칼슘 함유 나노입자의 EDX 분석 스펙트럼이다.
도 8은 실제 국내에서 판매되고 있는 나노 칼슘 보충제와 본 발명의 실시예 중 소금(NaCl)을 이용해 제작된 칼슘 함유 나노입자를 동일한 양으로 물에 용해시킨 후 상태를 각각 비교한 사진이다. 윗쪽 두 개의 사진은 국내 판매 중인 나노 칼슘 보충제에 대한 사진이고, 아래쪽 두 개의 사진은 본 발명의 실시예 중 소금(NaCl)을 이용해 제작된 칼슘 함유 나노입자에 대한 사진으로, 내 판매 중인 나노 칼슘 보충제는 물에 완전히 용해되지 않고 분산되었던 반면 본 발명의 칼슘 함유 나노입자는 물에 완전히 용해되어 투명한 용액을 형성하였음을 보여주고 있다.
도 9는 본 발명의 칼슘 함유 나노입자에 대한 독성시험 결과 중 체중변화 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 칼슘 함유 나노입자에 대한 독성시험 결과 중 간기능 검사 결과를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 칼슘 함유 나노입자에 대한 독성시험 결과 중 신장기능 검사 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 칼슘 함유 나노입자에 대한 독성시험 결과 중 전해질 검사 결과를 보여주는 그래프이다.
본 발명에 있어서 상기 칼슘 공급원 물질에는 특별한 제한이 없으며, 바람직하게는 기능성 식품 또는 의료용 원료물질로서 적당한 칼슘 화합물을 사용한다. 구체적으로는 식품 의약품 안전청에서 허가된, 녹는점이 낮고 용해도가 높은 칼슘 공급원 물질인 구연산칼슘, 글루콘산칼슘, 수산화칼슘, 염화칼슘, 젖산칼슘, 제삼인산칼슘, 제이인산칼슘, 제일인산칼슘, 탄산칼슘, 판토텐산칼슘, 프로피온산칼슘, 황산칼슘, 글리세로인산칼슘, 산화칼슘, 아스코르빈산칼슘, 알긴산칼슘, 초산칼슘, 소르빈산칼슘 및 이들의 혼합물로부터 선택된 칼슘 공급원 물질이 바람직하게 사용가능하다.
본 발명에 있어서 상기 칼슘 공급원 물질과 반응하는 계면 활성용 이온성 화합물로는, 식소다(NaHCO3), 소금(NaCl) 및 이들의 혼합물로부터 선택된 것이 바람직하게 사용가능하다. 계면 활성용 이온성 화합물은 즉, 이온화되기 쉬운 칼슘 공급원 물질과 원자단위에서 화학반응함으로써 Ca2+끼리 결합하여 칼슘 함유 나노입자를 형성할 수 있도록 한다.
상기 칼슘 공급원 물질과 계면 활성용 이온성 화합물의 혼합 비율은 몰분율로 칼슘 공급원 물질:계면 활성용 이온성 화합물이 1:0.9~0.001 범위인 것이 바람직하다. 이때 계면 활성용 이온성 화합물을 상기 비율보다 많이 가하면 용액 안에 칼슘 이온과의 반응성이 커져, 즉 계면 활성용 이온성 화합물이 많은 칼슘 이온과 반응을 하게 되어 후에 생성되는 칼슘의 입자 사이즈가 ㎛ 이상으로 커지고, 이에 따라 나노 수준에서의 입자 사이즈의 조절이 힘들며, 형태가 다르게 나타나거나 칼슘 이온뿐만 아니라 다른 성분과 반응이 일어날 수 있고, 불순물이 석출될 수 있어 순도가 낮아질 수 있다.
반대로 계면 활성용 이온성 화합물이 상기 비율보다 적어지면 모든 칼슘 이온과 반응을 하지 못해 석출되는 나노칼슘의 양이 적어지고, 반응하지 못한 칼슘 이온의 경우 원료 입자 사이즈 및 형태 그대로 다시 환원되어 나노칼슘으로서의 특징을 나타내지 못할 수 있다. 즉, 균일한 사이즈 제어에 어려움이 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, NaCl을 계면 활성용 이온성 화합물로 사용하는 경우 칼슘 공급원 물질:NaCl은 1:0.9~0.005 몰분율로 혼합되며, NaHCO3를 계면 활성용 이온성 화합물로 사용하는 경우 칼슘 공급원 물질:NaHCO3은 1:0.1~0.01 몰분율로 혼합되는 것이 바람직하나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 습식 합성에 있어서 상기 용매로는 상기한 바와 같은 칼슘 공급원 물질을 상온에서 또는 가열하여 용해시킬 수 있는 것이라면 제한없이 사용가능하며, 바람직하게는 기능성 식품 또는 의료용 원료물질의 제조에 적합한 용매를 사용한다. 구체적으로는 물(증류수, 정제수, 식수 등), 저급 알코올(예컨대, 메탄올, 에탄올, 프로판올 등과 같은 탄소수 1 내지 6의 알코올, 바람직하게는 에탄올) 및 이들의 혼합물로부터 선택된 것이 바람직하게 사용가능하다.
본 발명의 습식 합성에 있어서 상기 칼슘 공급원 물질과 계면 활성용 이온성 화합물의 바람직한 반응 온도는 15~300℃이고, 반응 시간은 반응물의 양이나 온도에 따라 다르지만, 대략 30분 내지 5시간 소요된다. 반응 온도가 15℃보다 낮으면 반응이 원활히 일어나지 않을 수 있고, 300℃를 넘는 경우에는 반응이 지나치게 빨라져 원하는 조성, 크기 및 형태의 제어가 어려워진다.
본 발명에 따른 칼슘 함유 나노입자의 습식 생산방법의 일 구체예는 다음과 같은 단계들을 포함한다.
1단계 : 칼슘 공급원 물질(식품 의약품 안전청에서 허가된, 녹는점이 낮고 용해도가 높은 칼슘이 함유된 것)과 계면 활성용 이온성 화합물을 상기한 몰분율에 맞춰 반응기 내에 투입하고 용매에 용해시킨다.
2단계 : 상기 1단계의 결과 용액을 15~300℃에서 30분~5시간 동안 교반한다.
3단계 : 상기 2단계의 결과 얻어진 반응 결과물을, 바람직하게는 여과한 후, 건조(50~100℃)시킨다.
이하에서 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 좀더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래 실시예의 기재에만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
칼슘 공급원 물질로서 구연산 칼슘, 계면 활성용 이온성 화합물로서 NaCl을 용매인 정제수에 몰분율 1: 0.1 비율로 혼합 및 용해하고, 25℃로 조절된 핫 플레이트에서 세 시간 동안 교반하였다. 반응이 끝난 용액을 여과기(Aspirator)를 사용하여 여과한 후 석출된 나노칼슘을 건조기(50~100℃)에서 건조시켰다. 건조기에서 나노 칼슘을 회수하였다. 도 5 및 도 7에 FE-SEM 사진과 EDX(Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석 스펙트럼을 제시하였다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따라 제조된 나노 입자는 응집이 거의 발생하지 않았을 뿐만 아니라 입자 직경이 1 nm에서 900 nm 정도로 매우 작은 나노미터　수준의　크기를 가짐을 알 수 있다.
실시예 2
칼슘 공급원 물질로서 초산 칼슘, 계면 활성용 이온성 화합물로서 NaHCO3를 용매인 에탄올에 몰분율 1: 0.1 비율로 혼합 및 용해하고 30℃로 조절된 핫 플레이트에서 두 시간 동안 교반하였다. 반응이 끝난 용액을 건조기(50~100℃)에서 건조시켰다. 건조기에서 나노칼슘을 회수하였다. 도 4 및 도 6에 FE-SEM 사진과 EDX 분석 스펙트럼을 제시하였다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따라 제조된 나노 입자는 응집이 거의 발생하지 않았을 뿐만 아니라 입자 직경이 1 nm에서 900 nm 정도로 매우 작은 나노미터　수준의　크기를 가짐을 알 수 있다.
칼슘제제 투여 실험
칼슘제제의 체내 흡수율 비교를 위해 만 20-39세(평균 24.7세)의 건강한 폐경 전 여성 20명을 대상으로 하기 3가지 칼슘제제를 복용하는 시험을 3주간 진행하였다.
제제 1: 실시예 1(NaCl 사용)에서 제조된 칼슘 함유 나노입자 파우더 (elemental Ca으로 약 500 mg)
제제 2: 마이크로미터 수준의 탄산칼슘 (CaCO3) 함유 정제(한국유나이티드 제약 제품)(elemental Ca으로 약 500 mg)
제제 3: 건식방법으로 제조된 30-1,000 nm 수준의 탄산칼슘 (CaCO3) 99% 함유 칼슘보충용 건강보조식품(인제나노헬스 사 제품)(elemental Ca으로 약 500 mg)
실험 대상자에게는 시험이 완료될 때까지 음주나 흡연, 건강식품을 포함한 약물복용은 일체 금하도록 하였으며, 시험 시작일부터 우유와 유제품, 뼈째 먹는 생선 등의 섭취를 제한한 저칼슘식사를 하게 하였다. 각 시험은 칼슘제제의 종류를 달리 하며 1주 단위로 3주간 동일하게 진행되었다. 칼슘제제 복용 전 혈액검사와 소변검사를 마친 대상자들은 동일한 아침식사(빵과 오렌지쥬스)와 제공된 칼슘제제를 섭취하였다. 채혈은 칼슘제제 복용 후 30분, 2시간, 4시간, 8시간째에 이루어졌으며, 소변은 칼슘제제 복용 후 4시간, 8시간째에 샘플링하였다. 대상자들이 칼슘제제 복용 8시간째의 채혈 및 소변검사가 끝날 때까지 제공된 음식 및 약물 외에는 아무것도 섭취하지 않도록 하였으며, 물은 자유롭게 섭취하도록 하였다. 3가지 칼슘제제에 대하여 동일인에서 시간에 따라 5회의 혈액검사와 3회의 소변검사를 실시하였으며, 측정값의 결과는 평균과 표준편차로 나타내었다.
1. 혈중 부갑상선 호르몬 농도 변화 비교
부갑상선 호르몬(intact parathyroid hormone)은 84개의 아미노산으로 구성된 호르몬으로 칼슘대사를 조절하는 가장 중요한 호르몬이다. 또한 활성화 비타민 D (1,25(OH)2 Vitamin D)의 생성을 증가시켜 장에서의 칼슘 흡수를 증가시키는 역할도 담당하고 있다. 칼슘 이온의 혈중농도가 낮으면 부갑상선 호르몬은 부갑상선에서 분비가 증가되어, 뼈에서 골흡수를 증가시키고, 신장 세뇨관에서 칼슘의 재흡수를 촉진하여 칼슘 이온의 농도를 증가시킨다. 반대로 칼슘 이온의 혈중 농도가 높아지게 되면 부갑상선 호르몬의 분비가 감소하게 되므로, 부갑상선 호르몬 농도의 변화는 복용한 칼슘의 생체 이용률을 나타내는 지표로 이용될 수 있다. 부갑상선 호르몬 농도는 화학발광면역법(chemiluminescent immunoassay)에 의해 측정하였으며, 참고값은 15.0-68.3 pg/mL 였다. 하기 표 1에 시험용 칼슘 제제 복용후 혈중 부갑상선 호르몬 농도변화를 나타내었다. 하기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에서 제조된 나노칼슘 제제의 경우 기존의 칼슘제제 시판품에 비하여 혈중 부갑상선 호르몬 농도의 감소폭이 더 컸다.
Figure PCTKR2009002638-appb-I000001
2. 소변내 N-telopeptide(NTx)/Cr 농도비의 변화 비교
소변 내 NTx는 Type-1 collagen의 N-telopeptide cross-linking domain으로 흔히 골흡수의 표지자로 사용되며, 소변 내 NTx/ Creatinine(Cr) 농도비는 골교체율을 나타내는 표지자로 사용된다. Type I collagen의 N-telopeptide는 osteomark-NTx ELISA kit를 이용하여 효소면역흡수법 (ELISA, enzyme-linked immunoabsorbant assay)에 의해 측정되었다. 소변 N-telopeptide의 참고값은 5.0-65.0 nm bone collagen equivalents(BCE)/mL Creatinine 이었다. 하기 표 2에 시험용 칼슘 제제 복용후 소변내 N-telopeptide(NTx)/Cr 농도비의 변화를 나타내었다. 하기 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에서 제조된 나노칼슘 제제의 경우 기존의 칼슘제제 시판품에 비하여 NTx/Cr의 감소폭이 현저히 더 컸던 바, 이로부터 본 발명의 실시예에서 제조된 나노칼슘 제제가 기존의 칼슘제제 시판품에 비하여 현저한 골흡수 억제효과를 보임을 알 수 있다.
Figure PCTKR2009002638-appb-I000002
3. 소변 칼슘/크레아티닌(Cr) 배설률의 변화 비교
다른 동물과는 달리 인간은 소변을 통해 많은 양의 칼슘을 배설하며, 칼슘 제제의 경구 투여후 소변 내 칼슘 배설량의 증가는 칼슘 흡수의 효율성을 나타내는 지표로 사용된다. 소변 칼슘 배설량은 칼슘 제제의 경구 투여후 3-4시간째 소변 칼슘/크레아티닌 배설률(urine Ca/Cr, (mg/dL)/(mg/dL))로 측정하는 것이 일반적이다. 하기 표 3에 시험용 칼슘 제제 복용후 소변 칼슘/크레아티닌(Cr) 배설률의 변화를 나타내었다. 하기 표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에서 제조된 나노칼슘 제제의 경우 기존의 칼슘제제 시판품에 비하여 칼슘 제제 복용후 4시간째에 칼슘/크레아티닌(Cr) 배설률의 증가폭이 현저히 더 컸던 바, 이로부터 본 발명의 실시예에서 제조된 나노칼슘 제제가 기존의 칼슘제제 시판품에 비하여 현저한 칼슘 흡수 효율성을 보임을 알 수 있다.
Figure PCTKR2009002638-appb-I000003
독성시험
실시예 1(NaCl 사용)에서 제조된 칼슘 함유 나노입자에 대하여 다음과 같이 독성시험을 실시하였다.
투여조건
- 시험동물: Balb/c 마우스 (암컷, 8주령), 군당 7마리 사용
- 투여량: 나노칼슘 5 mg/500μL 식염수/mouse (경구투여)
- 대조군: 500μL 식염수/mouse (경구투여)
- 투여회수: 1일1회, 7일간 연속투여
검사항목 및 검사시기
- 체중변화: 1일 간격으로 8일째까지 측정
- 혈액검사 및 검사시기: 마지막 투여 1일 후 측정
- 혈액검사 항목: GPT. GOT, BUN, CRE, Na, Cl, K
나노칼슘 제제의 연속투여에 따른 체중, 간기능, 신장기능 및 혈액중 전해질 농도의 변화를 도 9 내지 도 12에 각각 나타내었다.
본 독성시험 결과, 본 발명의 실시예에서 제조된 나노칼슘 제제의 연속투여가 체중, 간기능, 신장기능 및 혈액중 전해질 농도에 유의성 있는 영향을 전혀 미치지 않음이 확인되었다.

Claims (8)

  1. 칼슘 공급원 물질을 용매 중에서 계면 활성용 이온성 화합물과 반응시키는 단계를 포함하는, 습식 화학 합성 방법을 이용한 칼슘 함유 나노입자의 생산방법.
  2. 제1항에 있어서, 칼슘 공급원 물질이 구연산칼슘, 글루콘산칼슘, 수산화칼슘, 염화칼슘, 젖산칼슘, 제삼인산칼슘, 제이인산칼슘, 제일인산칼슘, 탄산칼슘, 판토텐산칼슘, 프로피온산칼슘, 황산칼슘, 글리세로인산칼슘, 산화칼슘, 아스코르빈산칼슘, 알긴산칼슘, 초산칼슘, 소르빈산칼슘 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 나노입자의 생산방법.
  3. 제1항에 있어서, 계면 활성용 이온성 화합물이 식소다(NaHCO3), 소금(NaCl) 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 나노입자의 생산방법.
  4. 제1항에 있어서, 칼슘 공급원 물질:계면 활성용 이온성 화합물의 혼합 비율이 몰분율로 1:0.9~0.001 범위인 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 나노입자의 생산방법.
  5. 제1항에 있어서, 용매가 물, 저급 알코올 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 나노입자의 생산방법.
  6. 제1항에 있어서, 칼슘 공급원 물질과 계면 활성용 이온성 화합물의 반응 온도가 15~300℃인 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 나노입자의 생산방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되며, 입자 크기가 1~900㎚인 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 나노입자.
  8. 제7항에 따른 칼슘 함유 나노입자를 포함하는 칼슘 보충용 기능성 식품.
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