WO2022154645A1 - 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 포함하는 생체적합성 하이드로겔 - Google Patents

히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 포함하는 생체적합성 하이드로겔 Download PDF

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polyethylene glycol
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유정수
김완욱
조성환
이웅희
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Definitions

  • the present invention relates to a biocompatible hydrogel comprising hyaluronic acid, polyethylene glycol, and a silicone-containing component, and more particularly, to the intermolecular of hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components by irradiation only without the addition of a reactive group or chemical cross-linking agent. and/or to a biocompatible hydrogel prepared by inducing intramolecular crosslinking, a method for preparing the same, and a use thereof.
  • hydrogels have received a lot of attention in the medical field, and are expected to be widely used, such as a release system of a physiologically active material from a medical filler, and organ/tissue regeneration using a three-dimensional structure.
  • hydrogels have been generally prepared by adding chemical substances such as a crosslinking agent and/or a curing agent to a polymer material for crosslinking.
  • a crosslinking agent and/or a curing agent itself used in the cross-linking reaction is harmful to the living body, there is a problem that may cause harmful effects when a hydrogel prepared using such a cross-linking agent and/or curing agent is used in a living body.
  • such hydrogels are unsuitable for use as medical and pharmaceutical materials, such as wound dressings, drug delivery carriers, contact lenses, cartilage, intestinal anti-adhesion agents, and the like.
  • the residual crosslinking agent and / or curing agent in the hydrogel must be removed after the production of the hydrogel, so that the manufacturing process is complicated as well as the manufacturing cost is increased.
  • the synthetic polymer-derived hydrogel is not suitable for pharmaceutical use in terms of biocompatibility and biodegradability, it is not suitable for biocompatibility without the use of a crosslinking agent, a curing agent, an organic solvent, etc.
  • a crosslinking agent e.g., ethylene glycol dimethacrylate
  • a curing agent e.g., ethylene glycol dimethacrylate
  • an organic solvent e.g., ethylene glycol dimethacrylate
  • hyaluronic acid is a type of polysaccharide in which repeating units composed of N-acetyl-glucosamine and D-glucuronic acid are linearly connected, and is a biopolymer material. It is known to be abundantly present in the placenta, joint synovial fluid, pleural fluid, skin, and rooster's crown, and is also produced in Streptococcus genus microorganisms Streptococcus equi, Streptococcus zooepidemecus, etc.
  • hyaluronic acid Because of its excellent biocompatibility and high viscoelasticity in solution, hyaluronic acid is widely used not only for cosmetic applications such as cosmetic additives, but also for various pharmaceutical uses such as ophthalmic surgical aids, joint function improving agents, drug delivery materials, and eye drops.
  • hyaluronic acid itself is easily decomposed in vivo or under conditions such as acid and alkali, and its use is very limited, a chemical crosslinking agent is generally added to the production of hyaluronic acid-based hydrogels (WO2013/055832) ).
  • biocompatible polymers such as carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and carboxymethyl starch can form a gel by irradiation with radiation
  • biocompatible polymers such as carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and carboxymethyl starch
  • the molecular weight is reduced by irradiation with radiation. Since the degradation reaction occurs easily such as small, viscosity is reduced (Korean Patent Publication No.
  • a hyaluronic acid-based hydrogel prepared through irradiation that is, a chemical crosslinking agent, organic
  • a hyaluronic acid-based hydrogel prepared only by irradiation without adding chemicals has not yet been provided.
  • Korean Patent Registration No. 10-2070878 discloses that by irradiating an electron-beam to a 10-20 w/v% aqueous solution of hyaluronic acid at a dose of 0.5-5 kGy for 30 seconds to 5 minutes to cross-link hyaluronic acid.
  • the manufacturing method of Merck Gel for filler treatment including the step of manufacturing a bulk hydrogel is presented, 10-20 w/ It is actually very difficult to prepare v% of an aqueous solution of hyaluronic acid in a conventional manufacturing facility, and there is a limitation in that it is impossible to prepare a hydrogel having various physical properties.
  • silicone is a biocompatible polymer material that is stable to heat, has excellent oxygen permeability, and is transparent and non-toxic. Due to these characteristics, silicone-containing compounds have been used as biomaterials such as catheters, drainage tubes, pacemakers, membrane oxygenators, and ear and nose implants. They are also used as dressings in medical products for wound healing and scar improvement, and contact lenses. It is used for a variety of purposes, from medical devices such as implants to elastomers. In particular, in cosmetics, silicone-containing ingredients are often used to improve the spreadability of cosmetics, and also act as a skin lubricant to add shine without stickiness. It also forms a thin layer after application on the skin to prevent moisture evaporation.
  • hydrogel containing both hyaluronic acid and silicone-containing components which exhibits high biocompatibility and various advantages, can be manufactured without the use of chemical crosslinking agents or organic solvents, pharmaceuticals, medical devices, quasi-drugs, cosmetics, skin care products, etc. It is expected to be very useful for development.
  • the present inventors repeated intensive research to provide a biocompatible hydrogel based on hyaluronic acid and silicone prepared only by irradiation without using chemical cross-linking agents, organic chemicals, etc., and as a result, polyethylene glycol, another biocompatible polymer When used together, it was found that hydrogels of hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components exhibiting various physical properties under specific manufacturing conditions can be prepared and the present invention has been completed.
  • an object of the present invention is to perform inter-molecular cross-linking of hyaluronic acid, polyethylene glycol (PEG) and silicone-containing components, intra-molecular cross-linking, or To provide a hydrogel formed only by intermolecular and intramolecular crosslinking.
  • PEG polyethylene glycol
  • Another object of the present invention is to include the following steps, inter-molecular cross-linking of hyaluronic acid, polyethylene glycol (PEG) and silicone-containing components, intra-molecular cross-linking (intra-molecular cross) -linking), or to provide a method for producing a hydrogel formed only by intermolecular and intramolecular crosslinking: (a) preparing a solution by adding hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components to water; (b) irradiating the solution produced in step (a) with radiation to induce crosslinking of the material.
  • Another object of the present invention is to provide a cell carrier, drug carrier, anti-adhesion agent, cell support, dental filler, orthopedic filler, wound dressing or skin filler comprising the hydrogel.
  • Another object of the present invention is to provide a composition for skin application on a wound site comprising the hydrogel as an active ingredient.
  • composition for skin application of the wound site consisting essentially of the hydrogel.
  • Another object of the present invention is to provide a use of the hydrogel for preparing a formulation for application to the skin of a wound site.
  • Another object of the present invention is to provide a method for treating a wound by applying an effective amount of a composition comprising the hydrogel as an active ingredient to the skin of an individual in need thereof.
  • the present invention provides inter-molecular cross-linking and intra-molecular cross-linking of hyaluronic acid, polyethylene glycol (PEG) and silicone-containing components. It provides a hydrogel formed only by cross-linking), or intermolecular and intramolecular cross-linking.
  • the present invention includes the following steps, inter-molecular cross-linking of hyaluronic acid, polyethylene glycol (PEG) and silicone-containing components, intramolecular cross-linking
  • a method for preparing a hydrogel formed only by intra-molecular cross-linking, or intermolecular and intramolecular cross-linking (a) preparing a solution by adding hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components to water step; (b) irradiating the solution produced in step (a) with radiation to induce crosslinking of the material.
  • the present invention provides a cell carrier, drug carrier, anti-adhesion agent, cell support, dental filler, orthopedic filler, wound dressing or skin filler comprising the hydrogel.
  • the present invention provides a composition for skin application of a wound site comprising the hydrogel as an active ingredient.
  • the present invention provides a composition for skin application of the wound site consisting of the hydrogel.
  • the present invention provides a composition for skin application of the wound site consisting essentially of the hydrogel.
  • the present invention provides the use of the hydrogel for preparing a preparation for skin application of a wound site.
  • the present invention provides a method of treating a wound by applying an effective amount of a composition comprising the hydrogel as an active ingredient to the skin of an individual in need thereof.
  • the present invention relates to inter-molecular cross-linking of hyaluronic acid, polyethylene glycol (PEG) and silicone-containing components, intra-molecular cross-linking, or intermolecular and molecular It provides a hydrogel formed only by anti-crosslinking.
  • PEG polyethylene glycol
  • a crosslinking agent is generally used to induce crosslinking of the polymer.
  • the cross-linking agent may be incorporated in the hydrogel because the cross-linking agent mediates the bonding between polymers or within the polymer, and the concentration of the cross-linking agent is high and remains in the reactant in an active state.
  • the crosslinking agent remaining in the hydrogel may cause various side effects after administration into the body.
  • the present inventors induced intermolecular or intramolecular crosslinking of hyaluronic acid, polyethylene glycol and/or silicone-containing components by irradiating an electron beam to a mixed aqueous solution of hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components under specific conditions to form a hydrogel confirmed to be.
  • a hydrogel formed only by the combination of hyaluronic acid, polyethylene glycol, and/or silicone-containing components itself without containing external substances such as crosslinking agents or metal cations added for physical crosslinking inside the molecule has not been reported previously. It is the first disclosed by the present inventors through the present invention.
  • biocompatibility in a broad sense refers to both the desired function and safety to the living body
  • biocompatibility in a narrow sense means biosafety to the living body, that is, non-toxic and sterilizable.
  • the biocompatible hydrogel of the present invention is formed only by intermolecular or intramolecular crosslinking of hyaluronic acid, polyethylene glycol and/or silicone-containing components
  • the hyaluronic acid-based hydrogel prepared according to the conventional method has There are no above-mentioned problems and there is an advantage that the above-mentioned biocompatibility is very excellent.
  • it is possible to manufacture by irradiating radiation in an aqueous solution without using any organic solvent in the process of manufacturing the hydrogel of the present invention contamination or complicated processes that may occur in the manufacturing process are not required, so it is industrially It is also very useful.
  • the hydrogel provided in the present invention does not bind any functional group additionally introduced to the hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing component, and any cross-linking agent other than hyaluronic acid and polyethylene glycol is used for cross-linking. It is characterized by not directly participating or mediating.
  • hyaluronic acid which is a raw material of the biocompatible hydrogel, has a very high utility value as a carrier for drugs, etc. due to the multifunctional functional group present in its chemical structure, as well as biocompatibility and biodegradability ( Due to physicochemical properties such as biodegradability), it has better applicability than synthetic polymers in the pharmaceutical field.
  • the hyaluronic acid is meant to include all of hyaluronic acid, a hyaluronic acid salt, or a mixture of hyaluronic acid and a hyaluronic acid salt.
  • the hyaluronic acid salt may be at least one selected from the group consisting of sodium hyaluronate, potassium hyaluronate, calcium hyaluronate, magnesium hyaluronate, zinc hyaluronate, cobalt hyaluronate, and tetrabutyl ammonium hyaluronate, but is not limited thereto. .
  • the polyethylene glycol has many advantages in the field of drug delivery and tissue engineering, and typically has high solubility in organic solvents, is non-toxic and has no rejection reaction to immune action, so it exhibits excellent biocompatibility and can easily be used as a drug carrier. It can be encapsulated and released, and it is used in the pharmaceutical formulation industry as a material approved for use by the US Food and Drug Administration for use in the human body.
  • polyethylene glycol has many applications as a biomaterial because it improves the biocompatibility of a polymer used for blood contact among hydrophilic polymers and has the greatest effect of inhibiting protein adsorption.
  • the silicone-containing component is a component containing at least one [-Si-O-] unit in a monomer, macromer or prepolymer.
  • the total Si and bound O are present in the silicone-containing component in an amount greater than 20% by weight, preferably greater than 30% by weight of the total molecular weight of the silicone-containing component.
  • the silicone-containing component may contain polymerizable functional groups such as acrylate, methacrylate, acrylamide, methacrylamide, vinyl, N-vinyl lactam, N-vinylamide and styryl functional groups, but for the purposes of the present invention, It is preferred that the above functional group is excluded from the silicone-containing component.
  • silicone-containing components useful in the present invention can be found in US Pat. Nos. 3,808,178, 4,120,570, 4,136,250, 4,153,641, 4,740,533, 5,034,461 and 5,070,215 and EP080539, which references include Many examples of silicone containing ingredients are described.
  • Non-limiting examples of the silicone-containing component in the present invention may include polydimethylsiloxane, caprylylmethyl trisiloxane, octamethylcyclotetrasiloxane, decamethylcyclopentasiloxane, dimethicone and cyclosiloxane, preferably polydimethylsiloxane, most preferably trimethylsilyl-terminated polydimethylsiloxane having the structure of the following formula (1).
  • step (b) irradiating the solution produced in step (a) with radiation to induce crosslinking of the material.
  • the present inventors established hydrogel manufacturing conditions consisting only of intermolecular crosslinking and/or intramolecular crosslinking of hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components through irradiation through various examples.
  • the hydrogel is not formed even when irradiated with an electron beam to an aqueous solution containing hyaluronic acid and a silicone-containing component.
  • polyethylene glycol was added to hyaluronic acid and silicone-containing components and irradiated with an electron beam under certain conditions, hydrogels exhibiting various physical properties were formed.
  • a combination of various conditions is very important in order to induce intermolecular crosslinking and/or intramolecular crosslinking of hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components using radiation to generate a hydrogel.
  • the hydrogel is not formed when the molecular weight / concentration of hyaluronic acid, the molecular weight / concentration of polyethylene glycol, the molecular weight / concentration of the silicone-containing compound and the energy irradiation amount do not satisfy certain conditions.
  • the preparation of hydrogels exhibiting various physical properties is possible through appropriate control of these conditions.
  • step (a) of the present invention polyethylene glycol having a molecular weight of 15 to 50 kDa may be used, preferably polyethylene glycol having a molecular weight of 15 to 40 kDa may be used, and most preferably polyethylene glycol having a molecular weight of 20 to 35 kDa may be used. .
  • polyethylene glycol having a molecular weight of less than 15 kDa is used, a problem may occur that hydrogel is not formed by electron beam irradiation. Excessive generation of air bubbles or cracking may occur.
  • PEG with a molecular weight of 40 kDa or more is injected into the body, the biodegradability is lowered and it is difficult to be discharged outside the body, which may cause problems by staying in the body for a very long time.
  • polyethylene glycol may be added to water at a concentration of 0.1 to 3% (w/v), preferably in water at a concentration of 0.1 to 2% (w/v). It may be added, more preferably it may be added to water at a concentration of 0.5 to 1.5% (w/v), and most preferably it may be added to water at a concentration of 0.5 to 1.0% (w/v). .
  • step (a) of the present invention hyaluronic acid having a molecular weight of 50 to 3000 kDa of hyaluronic acid may be used, preferably hyaluronic acid having a molecular weight of 70 to 2700 kDa may be used, and most preferably hyaluronic acid having a molecular weight of 100 to 2500 kDa may be used. have.
  • hyaluronic acid may be added to water at a concentration of 0.05 to 3% (w/v), preferably in water at a concentration of 0.1 to 2% (w/v). It may be added, more preferably it may be added to water at a concentration of 0.5 to 1.5% (w/v), and most preferably it may be added to water at a concentration of 0.5 to 1.0% (w/v). .
  • the concentration of hyaluronic acid is too high, it is difficult to form a hydrogel by electron beam irradiation, and the hydrogel may not be formed.
  • the solubility of hyaluronic acid decreases, making it difficult to prepare a sample, which may cause problems in the manufacturing process.
  • the concentration of hyaluronic acid is too low, there is a limitation that the properties as a hydrogel are not well exhibited in the subsequent use of the hydrogel.
  • the concentration of hyaluronic acid in the aqueous solution used for preparing the hydrogel is higher than the concentration of polyethylene glycol, it was confirmed that the viscosity of the resulting hydrogel is lowered and the adhesion is improved. Conversely, when the concentration of hyaluronic acid in the aqueous solution used for preparing the hydrogel is lower than the concentration of polyethylene glycol, it was confirmed that the viscosity of the resulting hydrogel is high and the adhesive force is low.
  • step (a) by adjusting the concentration of hyaluronic acid and polyethylene glycol in the aqueous solution in step (a), it may be possible to prepare a hydrogel exhibiting the desired viscosity and adhesion.
  • a silicone-containing component having a molecular weight of 100 to 10000 Da may be used, preferably a silicone-containing component having a molecular weight of 200 to 10000 Da may be used, and most preferably 200 to 9000 Da A silicone-containing component that is Da may be used.
  • the molecular weight of the silicone-containing component is less than 100 Da, a problem may occur that a hydrogel is not formed by electron beam irradiation, and if the molecular weight is more than 10000 Da, a problem of lowering the transparency of the generated hydrogel may occur.
  • the silicone-containing component may be added to water at a concentration of 0.1 to 3% (w/v), preferably water at a concentration of 0.1 to 2% (w/v). It may be added to, more preferably it may be added to water at a concentration of 0.5 to 1.5% (w/v), and most preferably it may be added to water at a concentration of 0.5 to 1.0% (w/v). have.
  • step (a) of the present invention can be adjusted by those skilled in the art so as to exhibit desirable physical properties depending on the purpose for which the hydrogel is used.
  • the hydrogel when the hydrogel is intended to be used as a wound dressing, the hydrogel is transparent, has high viscoelasticity, and preferably has physical properties showing excellent adhesion.
  • step (a) 0.01 to 0.5% (w /v) hyaluronic acid at a concentration of 2000 to 3000 kDa, polyethylene glycol at a concentration of 0.5 to 1% (w/v), polyethylene glycol at a concentration of 25 to 40 kDa and silicone at a concentration of 0.1 to 0.5% (w/v) of 100 to 1000 Da It may be preferable to use an aqueous solution comprising the components.
  • step (b) of the present invention the solution generated in step (a) is irradiated with radiation to induce crosslinking of the material.
  • the hydrogel molded by the irradiation has the advantage that there is no problem of residual toxicity present in the hydrogel prepared by the chemical method, and the sterilization effect can be obtained at the same time as crosslinking.
  • the radiation used may be at least one selected from the group consisting of gamma rays, ultraviolet rays, X-rays and electron beams, and preferably electron beams.
  • the irradiation dose and / or energy intensity of the radiation irradiated to form the hydrogel in step (b) is hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing component used in step (a). It was confirmed that it may vary depending on the molecular weight/concentration of In addition, even under the conditions in which the hydrogel is formed, the physical properties of the hydrogel may vary depending on the irradiation dose and/or energy intensity of the irradiated radiation.
  • the range of the radiation dose irradiated in step (b) of the present invention is not particularly limited, it may be preferably 0.5 to 300 kGy, more preferably 2 to 300 kGy, and most preferably 5 to 150 kGy. If the radiation dose is less than 0.5 kGy, sufficient crosslinking may not appear, so hydrogel formation may be incomplete, and if it exceeds 300 kGy, a problem of generating bubbles inside the hydrogel may occur.
  • the energy intensity of the radiation irradiated in step (b) may be 0.5 to 20 MeV, preferably 1 to 10 MeV, even more preferably 1 to 5 MeV, most preferably 1 to It may be 2.5 MeV.
  • a hydrogel may not be formed, and on the contrary, if the energy intensity of radiation is too high, the shape of the formed hydrogel is not intact and bubbles may be formed or cracked inside the hydrogel.
  • the present invention also provides inter-molecular cross-linking of hyaluronic acid, polyethylene glycol (PEG) and silicone-containing components, intra-molecular cross-linking comprising the steps of: ), or a method for preparing a hydrogel formed only by intermolecular and intramolecular crosslinking:
  • step (b) irradiating the solution produced in step (a) with radiation to induce crosslinking of the material.
  • the present invention also provides a cell carrier, drug carrier, anti-adhesion agent, cell support, dental filler, orthopedic filler, wound dressing (sheet type, gel type, spray type, cream type, etc.) or skin filler comprising the hydrogel do.
  • the wound dressing prepared with the hydrogel according to the present invention has excellent adhesion to the wound site as compared to commercial wound dressings, as well as significantly reducing the formation of scars in the wound healing process. Confirmed. This is because of the excellent water properties of the hyaluronic acid contained in the hydrogel, various endogenous wound repair factors secreted from the wound are absorbed/maintained, thereby exhibiting a self-healing effect, as well as the excellent oxygen permeability of the silicone-containing component during the wound healing process. It means that the supply of oxygen required in the
  • the 'wound' of the present invention means a state in which the continuity of the tissue is destroyed by external pressure. Cuts include abrasions, bruises, lacerations, and cuts caused by knives.
  • the present invention it is possible to provide a hydrogel satisfying various physical properties such as viscoelasticity and adhesiveness by changing the manufacturing conditions within the above-described range according to the intended use.
  • any chemical crosslinking agent and organic chemical are not used during the manufacturing process, the biocompatibility is very excellent, and thus it can be used for various purposes.
  • Biocompatible hydrogels are widely used as cell carriers, drug carriers, anti-adhesion agents, cell supports, dental fillers, orthopedic fillers, wound dressings (sheet-type, gel-type, spray-type, cream-type, etc.) or skin fillers. It is becoming, and it is obvious to those skilled in the art that the hydrogel provided in the present invention can also be utilized for the above purpose because research on it is actively conducted in the art.
  • the cell carrier, drug carrier, anti-adhesion agent, cell support, dental filler, orthopedic filler, wound dressing (sheet type, gel type, spray type, cream type, etc.) or skin filler provided in the present invention are various in addition to the hydrogel. It may further include conventional additives. Although the type of these additives is not particularly limited, for example, dyes, colored pigments, vegetable oils, thickeners, pH adjusters, osmotic pressure adjusters, vitamins, antioxidants, inorganic salts, preservatives, solubilizers, isotonic agents, suspending agents, emulsifiers , stabilizers, anesthetics, disinfectants, wound healing agents, and the like.
  • the present invention also provides a composition for skin application on a wound site comprising the hydrogel as an active ingredient.
  • composition for skin application on the wound site may additionally contain known drugs, disinfectants, etc. that can help the healing of wounds, and is formulated as a wound dressing and can be used as a sheet, gel, spray or cream type wound dressing. have.
  • the present invention provides a use of the hydrogel for preparing a preparation for skin application on a wound site.
  • the present invention provides a method of treating a wound by applying an effective amount of a composition comprising the hydrogel as an active ingredient to the skin of an individual in need thereof.
  • the 'effective amount' of the present invention refers to an amount that exhibits the effect of improving, treating, detecting, diagnosing, or inhibiting or reducing wound progression when administered to an individual, and the 'individual' refers to an animal, preferably a mammal, In particular, it may be an animal including a human, and may be an animal-derived cell, tissue, organ, or the like. The subject may be a patient in need of the effect.
  • the 'treatment' of the present invention refers generically to ameliorating a wound site or symptoms caused by a wound, which may include healing, substantially preventing, or ameliorating the condition of the wound, and including, but not limited to, alleviating, curing or preventing one or most of the symptoms resulting from
  • the term “comprising” is used synonymously with “including” or “characterized by”, and in a composition or method according to the present invention, specifically referring to Additional components or method steps that have not been excluded are not excluded. Also, the term “consisting of” means excluding additional elements, steps, or components not otherwise described. The term “essentially consisting of” means that, in the scope of a composition or method, it may include substances or steps that do not materially affect its basic properties in addition to the substances or steps described.
  • the hydrogel of the present invention is prepared by inducing intermolecular and/or intramolecular crosslinking of hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components through an electron beam, there is a risk of toxicity problems in the human body due to the incorporation of organic solvents or crosslinking agents It is very excellent in terms of productivity as it is possible to mass-produce only with electron beam irradiation in a short time because there is no need for a separate purification process during the manufacturing process. In addition, since the hydrogel of the present invention has very good biocompatibility, it will be very usefully used in the development of cell carriers, drug carriers, anti-adhesion agents, cell supports, dental fillers, orthopedic fillers, wound dressings or skin fillers. can
  • 1 is a result of visually observing whether a hydrogel is generated after irradiating an electron beam with 1% 100 kDa hyaluronic acid, 1% PEG of various molecular weights, and 1% silicone aqueous solution of various molecular weights.
  • hydrogel 2 is a result of visually observing whether hydrogel is generated after irradiating an electron beam with 1% 1200 kDa hyaluronic acid, 1% PEG of various molecular weights, and 1% silicone aqueous solution of various molecular weights.
  • 3 is a result of visually observing whether a hydrogel is generated after irradiating an electron beam with 1% 100 kDa hyaluronic acid, 1% 35 kDa PEG, and 1% silicone aqueous solution of various molecular weights.
  • FIG. 8 is a view showing the experimental process in the wound animal model.
  • Figure 9 shows the wound area over time after treatment with no treatment (Control), positive control group (Medifoam) and the hydrogel (HA-PEG-Si gel) according to the present invention to the wound site of the wound animal model; is the result of observation.
  • a hydrogel is generated by irradiating an electron beam after putting 1% 2500 kDa hyaluronic acid, 1% 35 kDa PEG, and 0.5% 237Da silicone aqueous solution into a large-capacity container.
  • 11 is a result of evaluating the moisture content of the lyophilized hydrogel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a comparison photograph before and after the function of the freeze-dried hydrogel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing the results of spectroscopic structure analysis through the UV-Vis spectrum of the hydrogel according to an embodiment of the present invention (EB: electron beam irradiation).
  • FIG. 14 is a view showing the structural analysis results by FT-IR spectroscopy of the hydrogel according to an embodiment of the present invention (Before EB: before electron beam irradiation, After EB: after electron beam irradiation).
  • FIG. 15 is a view showing the results of visual observation using an electron microscope (SEM) of a hydrogel according to an embodiment of the present invention.
  • SEM electron microscope
  • Example 1 Preparation of hyaluronic acid (HA)-polyethylene glycol (PEG)-silicone hydrogel through electron beam irradiation
  • HA has three molecular weights of 100 kDa, 1200 kDa, and 2500 kDa,
  • PEG is 1 kDa, 3 kDa, 10 kDa, 20 kDa, 35 kDa 5 kinds of molecular weight
  • silicone trimethylsiloxy terminated polydimethylsiloxane
  • four molecular weights of 237 kDa, 1250 kDa, 4000 kDa, and 9000 kDa were used.
  • the electron beam irradiation dose used at this time was fixed at 2.5 MeV 10 kGy, and each material was prepared as an aqueous solution having a concentration of 1% (w/v) and the electron beam was irradiated.
  • Electron beam irradiation conditions 2.5 MeV, 10 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 200 kGy
  • the hydrogel was formed from the electron beam irradiation dose of 10 kGy.
  • the hydrogel containing the silicone of 9000 Da which increased the molecular weight of the silicone, became more opaque when compared with the silicone molecular weight of 237 Da.
  • the number of bubbles in the generated hydrogel was remarkably increased.
  • the concentration of each aqueous solution of HA, PEG, and Silicone was adjusted to 0.5% or 1 in order to examine the difference in the formation and characteristics of the hydrogel according to the concentration by conducting the experiment with different concentrations of each of HA, PEG, and Silicone.
  • the experiment was carried out by changing the %.
  • hydrogels were formed under all manufacturing conditions. Specifically, the hydrogel made when the HA concentration was higher than the PEG concentration had low viscoelasticity (or shape retention) instead of high adhesion, and on the contrary, the hydrogel made when the HA concentration was lower than PEG had viscoelasticity (or shape retention). It was confirmed to show a low adhesive force instead of a strong one.
  • the prepared hydrogel was further subjected to a lyophilization process to be used as a wound dressing, and the shape of the disk was maintained even after lyophilization, and the hydrogel easily fell from the electron beam irradiation reactor after lyophilization (Fig. .
  • An animal model was prepared using BALB/c mice to evaluate the efficacy of wound dressing.
  • a 50 ml tube was cut into 2 cm in length, and the dressing was additionally covered, and the lyophilized hydrogel was replaced every 3 days to monitor the size of the wound. (Fig. 8).
  • the wound area could be protected, but due to the characteristics of the Medifoam product, it was not easily adhered to the wound area, and it was confirmed that the wound area was in contact with each other, leaving a deep scar.
  • freeze-dried hydrogel (HA-PEG-Silicone) group prepared in the present invention it is possible to protect the wound site and, thanks to the property of easily adhering to the wound site, side effects in the Mediform group that occur when the wound sites are in contact with each other will also be significantly reduced. It was confirmed that the smallest scar remained in the 27-day monitoring result.
  • Example 1 In order to confirm whether the hydrogel prepared in a small amount in Example 1 can be prepared even under large-capacity production conditions, an additional experiment was conducted by increasing the capacity and area of the sample of the electron beam irradiation reactor.
  • the moisture content was calculated by the following formula.
  • Ws weight of hydrogel with water
  • Wd weight of dry hydrogel
  • the moisture content according to the HA molecular weight was higher at HA 100 kDa than in HA 2500 kDa and HA 1200 kDa,
  • Example 5 Structural analysis of HA + PEG + silicone hydrogel
  • UV-B As a result of spectroscopic structural analysis through UV-Vis spectrum, as shown in FIG. 13, UV-B, A region in the hydrogel #6, 7, 8, and 9 samples containing hyaluronic acid except for the hydrogel composed only of PEG. An increase in absorbance was observed until up to 400 nm, but absorption in the visible band after 400 nm was not observed. In the case of the hydrogel composed only of PEG, it was confirmed that the difference in absorbance before and after electron beam irradiation was insignificant.
  • hydrogels were partially synthesized in both compositions. Unlike the hydrogel to which hyaluronic acid is added, the hydrogel is not made in the entire area of the container, but in a form that is contracted only in the center, making a small circular gel and the solution remaining around it. For this reason, it was confirmed that 100% hydrogel was not made when only polyethylene glycol and silicone were used, and hyaluronic acid was essential to prepare a hydrogel of uniform composition.
  • the hydrogel of the present invention is prepared by inducing intermolecular and/or intramolecular crosslinking of hyaluronic acid, polyethylene glycol and silicone-containing components through an electron beam, there is a risk of toxicity problems in the human body due to the incorporation of organic solvents or crosslinking agents It is very excellent in terms of productivity as it is possible to mass-produce only with electron beam irradiation in a short time because there is no need for a separate purification process during the manufacturing process.
  • the hydrogel of the present invention since the hydrogel of the present invention has very good biocompatibility, it will be very usefully used in the development of cell carriers, drug carriers, anti-adhesion agents, cell supports, dental fillers, orthopedic fillers, wound dressings or skin fillers. Therefore, it has very high industrial applicability.

Abstract

본 발명은 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 포함하는 생체적합성 하이드로겔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기, 화학 가교제 등의 첨가 없이 방사선 조사만으로 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 및/또는 분자 내 가교결합을 유도하여 제조된 생체적합성 하이드로겔, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.

Description

히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 포함하는 생체적합성 하이드로겔
본 출원은 2021년 1월 18일에 출원된 대한민국 특허출원 제10-2021-0006872호를 우선권으로 주장하고, 상기 명세서 전체는 본 출원의 참고문헌이다.
본 발명은 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 포함하는 생체적합성 하이드로겔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기, 화학 가교제 등의 첨가 없이 방사선 조사만으로 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 및/또는 분자 내 가교결합을 유도하여 제조된 생체적합성 하이드로겔, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.
최근 하이드로겔은 의료분야에서 많은 관심을 받고 있는데, 의료용 충전제로부터 생리활성 물질의 방출 시스템, 삼차원 구조를 이용한 기관/조직재생 등 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
이러한 하이드로겔은 일반적으로 고분자 물질에 가교제 및/또는 경화제 등의 화학물질을 첨가하여 가교하는 방법으로 제조되어 왔다. 그러나, 상기 가교반응에 사용되는 가교제 및/또는 경화제 자체가 생체에 유해하므로 이러한 가교제 및/또는 경화제를 사용하여 제조된 하이드로겔이 생체에 사용되는 경우에 유해한 작용을 일으킬 수 있는 문제가 있다. 특히, 이러한 하이드로겔은 의료 및 제약용 재료, 예를들어, 상처용 드레싱(wound dressings), 약물 전달 캐리어(drug delivery carrier), 콘택트 렌즈, 연골, 장 유착 방지제 등으로 사용하기 부적합하다. 또한, 가교제 및/또는 경화제가 사용되는 경우에는 하이드로겔 제조 후에 하이드로겔 내의 잔류 가교제 및/또는 경화제를 제거하여야 하므로 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라 제조 비용이 상승되는 문제가 있다.
이에, 가교제 및/또는 경화제를 사용하지 않고도 고분자 유래 하이드로겔을 제조하기 위한 노력이 계속되고 있으며, 이러한 노력의 성과로 합성 고분자(synthetic polymer)에 방사선을 조사함으로써 하이드로겔을 제조한 성과가 보고된 바 있다.
하지만, 합성 고분자(synthetic polymer) 유래의 하이드로겔은 생체적합성(biocompatibility) 및 생분해성(biodegradability) 측면에서 의약학적인 용도로 활용되기에는 적합하지 않기 때문에, 가교제, 경화제, 유기용매 등을 사용하지 않고도 생체적합성 분자의 분자 내(intra-molecular) 또는 분자 간(inter-molecular) 가교결합에 의해서만 형성된 하이드로겔의 개발이 요구되고 있다.
한편, 히알루론산은 N-아세틸-글루코사민과 D-글루쿠론산으로 구성된 반복단위가 선형으로 연결되어 있는 다당류의 일종으로서 생체고분자 물질이며, 동물의 안구를 채우고 있는 액체에서 처음으로 분리된 이래, 동물의 태반, 관절의 윤활액 (synovial fluid), 늑막액 (pleural fluid), 피부, 수탉의 벼슬 등에 많이 존재하는 것으로 알려져 있고, Streptococcus 속 미생물 Streptococcus equi, Streptococcus zooepidemecus 등에서도 생산된다.
히알루론산은 생체적합성이 우수하고 용액상태에서 높은 점탄성의 특성으로 화장품 첨가제 등의 화장품 용도뿐만 아니라 안과용 수술보조제, 관절기능 개선제, 약물전달 물질 및 점안제 등의 다양한 의약 용도에 대해서도 널리 사용되고 있다. 하지만, 히알루론산 자체만으로는 생체내 (in vivo) 또는 산, 알칼리 등의 조건에서 쉽게 분해되어 사용이 매우 제한적이기 때문에, 히알루론산 기반의 하이드로겔 제조에는 화학 가교제가 첨가되는 것이 일반적이다(WO2013/055832).
특히, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸스타치 등과 같은 생체적합성 고분자들은 방사선을 조사하여 겔을 형성할 수 있다는 것이 당업계에 잘 공지되어 있는 반면에(Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 208 (2003) 320-324, Carbohydrate Polymers 112 (2014) 412-415, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 211 (2003) 533-544 등), 히알루론산의 경우에는 방사선 조사에 의해 분자량이 작아지고, 점도가 감소되는 등 분해(degradation) 반응이 쉽게 일어나기 때문에(한국 공개특허 제10-2008-0086016호 등), 방사선 조사를 통해 제조된 히알루론산 기반의 하이드로겔, 즉, 화학 가교제, 유기화학물질 등이 첨가되지 않고 방사선 조사만으로 제조된 히알루론산 기반의 하이드로겔은 아직까지 제공이 되고 있지 않다.
한국 등록특허 제10-2070878호에는 10~20 w/v% 히알루론산(hyaluronic acid) 수용액에 전자선(electron-beam)을 30초 내지 5분간 0.5~5 kGy 선량이 되도록 조사하여 히알루론산을 가교시킴으로써 벌크(bulk) 하이드로겔(hydrogel)을 제조하는 단계가 포함된 필러 시술용 머크겔의 제조방법이 제시되어 있으나, 자체 중량의 수배에 달하는 수분을 흡수할 수 있는 히알루론산의 특성상 10~20 w/v%의 히알루론산 수용액을 통상적인 제조시설에서 제조하는 것은 사실상 매우 어렵고, 다양한 물성을 갖는 하이드로겔 제조가 불가능하다는 한계가 있다.
한편, 실리콘은 열에 안정적이며 산소 투과성이 매우 뛰어날 뿐 아니라 투명하고 독성이 없는 생체적합성 고분자 물질이다. 이러한 특징 때문에 실리콘 함유 화합물들은 카테터, 배출관, 페이스메이커, 막 산소 공급기 그리고 귀 및 코 보형물 등 생체 재료로 사용되어 왔으며, 또한 상처 치유와 흉터 개선 목적으로 의료용품 분야에서 드레싱 용도로 사용되기도 하며 콘택트 렌즈부터 보형물 같은 의료기기와 더불어 탄성중합체에 이르기까지 다양한 용도로 사용되고 있다. 특히 화장품에서 실리콘 함유 성분은 화장품의 발림성을 좋게 하기 위해 많이 사용될 뿐만 아니라 피부 윤활제 역할을 하여 끈적임 없이 윤기를 더하는 역할을 하기도 한다. 또한 피부에 발린 후 얇은 층을 형성해 수분의 증발을 막는 역할을 하기도 한다.
이와 같이, 높은 생체적합성과 다양한 장점을 나타내는 히알루론산과 실리콘 함유 성분을 모두 포함하는 하이드로겔을 화학 가교제나 유기용매의 사용 없이 제조할 수 있다면 의약품, 의료기기, 의약외품, 화장품, 피부미용제품 등의 개발에 매우 유용하게 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.
이에, 본 발명자는 화학 가교제, 유기화학물질 등을 사용하지 않고 방사선 조사만으로 제조된 히알루론산 및 실리콘 기반의 생체적합성 하이드로겔을 제공하고자 예의 연구를 거듭한 결과, 또 다른 생체적합성 고분자인 폴리에틸렌글리콜을 함께 이용할 경우 특정 제조 조건에서 다양한 물성을 나타내는 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 하이드로겔을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하기 단계를 포함하는, 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔의 제조방법을 제공하는 것이다: (a) 물에 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 첨가하여 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 용액에 방사선을 조사하여 상기 물질의 가교결합을 유도하는 단계.
본 발명의 다른 목적은 상기 하이드로겔을 포함하는 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 창상피복재 또는 피부 충전제를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 창상부위의 피부 도포용 조성물을 제공하는 것이다.
또한 상기 하이드로겔로 이루어지는 창상부위의 피부 도포용 조성물을 제공하는 것이다.
또한 상기 하이드로겔로 필수적으로 이루어지는 창상부위의 피부 도포용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 창상부위의 피부 도포용 제제를 제조하기 위한 상기 하이드로겔의 용도를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 조성물의 유효량을 이를 필요로 하는 개체의 피부에 도포하여 창상부위를 치료하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔을 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔의 제조방법을 제공한다: (a) 물에 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 첨가하여 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 용액에 방사선을 조사하여 상기 물질의 가교결합을 유도하는 단계.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 하이드로겔을 포함하는 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 창상피복재 또는 피부 충전제를 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 창상부위의 피부 도포용 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 하이드로겔로 이루어지는 창상부위의 피부 도포용 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 하이드로겔로 필수적으로 이루어지는 창상부위의 피부 도포용 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 창상부위의 피부 도포용 제제를 제조하기 위한 상기 하이드로겔의 용도를 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 조성물의 유효량을 이를 필요로 하는 개체의 피부에 도포하여 창상부위를 치료하는 방법을 제공한다.
이하 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔을 제공한다.
고분자를 이용하여 하이드로겔을 제조하는 방법에는 고분자의 가교결합을 유도하기 위하여 가교제가 이용이 되는 것이 일반적이다. 가교제를 이용하여 고분자의 가교결합을 유도하는 방법의 경우, 가교제가 고분자 간 또는 고분자 내의 결합을 매개하기 때문에 가교제가 하이드로겔 내부에 혼입되어 있을 수 있고, 가교제의 농도가 높아 활성상태로 반응물에 남아 있을 수 있거나, 또는 반응 후 남아 있는 미반응물이 존재하여 하이드로겔 제조공정 중 정제과정을 필수적으로 거쳐야 한다는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 하이드로겔 내에 잔존하는 가교제는 체내에 투여된 후 여러 가지 부작용을 야기할 수 있다. 그러나, 본 발명자는 특정한 조건에서 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 혼합 수용액에 전자빔을 조사함으로써 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및/또는 실리콘 함유 성분의 분자간 또는 분자 내 가교결합이 유도되어 하이드로겔이 형성되는 것을 확인하였다. 분자 내부에 가교제나 물리적 가교를 위해 추가적으로 넣어준 금속 양이온과 같은 외부물질이 포함이 되어 있지 않고 오로지 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및/또는 실리콘 함유 성분 자체의 결합에 의해서만 형성된 하이드로겔은 종래 보고된 바 없는 것으로 본 발명자가 본 발명을 통해 최초로 공개하는 것이다.
한편, 고분자 재료뿐만 아니라 모든 의료용 재료는 생체적합성을 반드시 필요로 하며, 이러한 생체적합성은 두 가지 면에서 의미를 구분할 수 있다. 넓은 의미의 생체적합성은 목적하는 기능과 생체에 대한 안전성을 겸비한 것을 말하며, 좁은 의미의 생체적합성은 생체에 대한 생물학적 안전성, 즉 독성이 없으며 멸균 가능한 것을 의미한다.
그런데, 본 발명의 상기 생체적합성 하이드로겔은 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및/또는 실리콘 함유 성분의 분자 간 또는 분자 내 가교결합에 의해서만 형성이 되기 때문에 종래 방법에 따라 제조된 히알루론산 기반의 하이드로겔이 갖고 있는 상기 문제점들이 없고 전술한 생체적합성이 매우 우수하다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 하이드로겔을 제조하는 과정에서 일체의 유기용매가 사용되지 않고 수용액 상태에서 방사선을 조사함으로써 제조가 가능하기 때문에, 제조과정에서 발생할 수 있는 오염이나 복잡한 공정이 요구되지 않아 산업적으로도 매우 활용도가 크다.
즉, 본 발명에서 제공하는 상기 하이드로겔은 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분에 추가로 도입한 어떠한 기능기(functional group)도 결합되어 있지 않으며, 히알루론산과 폴리에틸렌글리콜 외에 어떠한 가교제도 가교결합에 직접 참여하거나 매개하고 있지 않은 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 생체적합성 하이드로겔의 원료가 되는 히알루론산은 이의 화학구조 내에 존재하는 다 기능성 기능기로 인해 약물 등의 담체(carrier)로서 활용가치가 매우 높을 뿐만 아니라, 생체적합성(biocompatibility) 및 생분해성(biodegradability) 등과 같은 물리화학적 특성으로 인해 의약학분야에서 합성 고분자보다 활용가능성이 더 우수하다.
본 발명에서 상기 히알루론산은 히알루론산, 히알루론산 염, 또는 히알루론산과 히알루론산 염의 혼합물을 모두 포함하는 의미이다. 상기 히알루론산 염은 히알루론산 나트륨, 히알루론산 칼륨, 히알루론산 칼슘, 히알루론산 마그네슘, 히알루론산 아연, 히알루론산 코발트 및 히알루론산 테트라부틸 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 폴리에틸렌글리콜은 약물 전달 분야 및 조직공학에서 많은 장점을 가지고 있으며, 대표적으로 유기 용매에 높은 용해도를 가지며 비독성이고 면역 작용에 거부반응이 없어 뛰어난 생체적합성을 나타내며 약물 전달체로서 약물을 쉽게 포접, 방출할 수 있으며, 인체 내 사용에 있어서 미국 식품 의약 안전청에서 사용이 승인된 재료로서 제약 제제 산업에서 사용되고 있다. 또한, 폴리에틸렌글리콜은 친수성 고분자들 중에서 혈액 접촉에 사용되는 고분자의 생체적합성을 향상시키고 단백질 흡착 억제 효과가 가장 크기 때문에 생체 재료로서 많은 응용이 이루어지고 있다.
본 발명에서 상기 실리콘 함유 성분은 단량체, 매크로머 또는 예비중합체 중에 하나 이상의 [-Si-O-] 단위를 함유하는 성분이다. 바람직하게는, 전체 Si 및 결합된 O는 실리콘 함유 성분의 총 분자량의 20 중량%를 초과하는 양, 바람직하게는 30 중량%를 초과하는 양으로 실리콘 함유 성분 중에 존재한다. 상기 실리콘 함유 성분은 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 비닐, N-비닐 락탐, N-비닐아미드 및 스티릴 작용 그룹와 같은 중합성 작용 그룹을 포함할 수도 있으나, 본 발명의 목적상 상기 작용 그룹이 제외된 실리콘 함유 성분인 것이 바람직하다.
본 발명에 유용한 실리콘 함유 성분의 예는 미국 특허 제3,808,178호, 제4,120,570호, 제4,136,250호, 제4,153,641호, 제4,740,533호, 제5,034,461호 및 제5,070,215호 및 EP080539에서 확인할 수 있으며, 이들 참고문헌은 실리콘 함유 성분의 많은 예를 기술하고 있다.
본 발명에서 상기 실리콘 함유 성분의 비제한적인 예시로, 폴리디메틸실록산, 카프릴릴메틸 트리실록산, 옥타메틸시클로테트라실록산, 데카메틸시클로펜타실록산, 디메치콘 및 시클로실록산이 포함될 수 있으며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산, 가장 바람직하게는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 트리메틸실릴-말단된 폴리디메틸실록산일 수 있다.
[화학식 1]
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본 발명이 제공하는 상기 하이드로겔은 특히 하기 단계를 포함하는 방법에 의해서 제조된 것이 특징일 수 있다:
(a) 물에 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 첨가하여 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 생성된 용액에 방사선을 조사하여 상기 물질의 가교결합을 유도하는 단계.
본 발명자는 다양한 실시예를 통해서 방사선 조사를 통해 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합 및/또는 분자 내 가교결합만으로 이루어진 하이드로겔 제조조건을 확립하였다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 히알루론산과 실리콘 함유 성분을 포함하는 수용액에 전자빔을 조사하더라도 하이드로겔이 형성이 되지 않는 것으로 확인된 바 있다. 그런데, 히알루론산과 실리콘 함유 성분에 폴리에틸렌글리콜을 추가하고 일정한 조건하에서 전자빔을 조사할 경우 다양한 물성을 나타내는 하이드로겔이 형성이 되는 것으로 확인되었다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 폴리에틸렌글리콜과 실리콘 함유 성분만을 포함하는 수용액에 전자빔을 조사할 경우 충분한 가교결합이 유도되지 않아 불완전한 하이드로겔이 형성이 되는 것으로 확인되었다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 방사선 조사를 이용해 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합 및/또는 분자 내 가교결합을 유도하여 하이드로겔을 생성하기 위해서는 다양한 조건들의 조합이 매우 중요하다는 것이 확인되었다. 구체적으로, 히알루론산의 분자량/농도, 폴리에틸렌글리콜의 분자량/농도, 실리콘 함유 화합물의 분자량/농도 및 에너지 조사량이 특정 조건을 만족하지 않을 경우 하이드로겔이 형성이 되지 않는다는 것이 확인되었다. 또한, 이들 조건들의 적절한 조절을 통하여 다양한 물성을 나타내는 하이드로겔의 제조도 가능하다는 것이 확인되었다.
본 발명의 상기 (a) 단계에서는 분자량이 15 내지 50kDa인 폴리에틸렌글리콜이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 15 내지 40kDa인 폴리에틸렌글리콜이 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 20 내지 35kDa인 폴리에틸렌글리콜이 사용될 수 있다.
분자량이 15kDa 미만인 폴리에틸렌글리콜을 사용할 경우 전자빔 조사로 하이드로겔이 형성이 되지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 40kDa을 초과하는 폴리에틸렌글리콜을 사용할 경우 낮은 방사선량에서 하이드로겔이 형성되었을 때 온전한 모양이 아니라 하이드로겔 내부에 기포가 과하게 생성하거나 갈라지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 분자량이 40kDa 이상으로 너무 큰 PEG가 체내에 주입되었을 때 생분해성이 떨어지며 체외로 배출되기 어려워져 체내에 매우 오랜 기간동안 머물러 문제를 유발할 가능성도 있다.
또한, 본 발명의 상기 (a) 단계에서는 폴리에틸렌글리콜은 0.1 내지 3%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 2%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 더 바람직하게는 0.5 내지 1.5%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.0%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있다.
폴리에틸렌글리콜의 농도가 낮을 경우 가교 반응이 잘 유도되지 않아 하이드로겔이 형성되지 않고 너무 높으면 폴리에틸렌글리콜 가닥간의 가교 반응만이 우세하여 하이드로겔과 잔류 용액이 공존하는, 즉 3성분이 균일하게 가교되어 젤이 형성되지 못하고, 일부 성분간만의 가교 반응이 진행되는 한계가 있다.
본 발명의 상기 (a) 단계에서 히알루론산 분자량 50 내지 3000kDa인 히알루론산이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 2700kDa인 히알루론산이 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 100 내지 2500kDa인 히알루론산이 사용될 수 있다.
히알루론산의 분자량이 범위를 벗어나 분자량이 너무 작으면 균일한 젤이 만들어 지지 않고 지나치게 분자량이 크면 젤이 만들어 지지 않는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 (a) 단계에서는 히알루론산은 0.05 내지 3%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 2%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 더 바람직하게는 0.5 내지 1.5%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.0%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있다.
히알루론산의 농도가 너무 높으면 전자빔 조사로 하이드로겔이 형성되기 어려우며, 하이드로겔이 형성되지 않을 수도 있다. 또한 농도가 높아질수록 히알루론산의 용해성이 떨어져 샘플을 준비하는 과정도 어려워 제조 공정상의 문제점이 발생할 수 있다. 히알루론산의 농도가 지나치게 낮으면 이후 하이드로겔의 활용에 있어서 하이드로겔로서의 특성이 잘 발휘되지 않는다는 한계가 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 하이드로겔 제조에 사용되는 수용액 내 히알루론산의 농도가 폴리에틸렌글리콜의 농도보다 높을 경우, 생성된 하이드로겔의 점도는 낮아지고 접착력은 향상되는 것으로 확인되었다. 반대로, 하이드로겔 제조에 사용되는 수용액 내 히알루론산의 농도가 폴리에틸렌글리콜의 농도보다 낮을 경우, 생성된 하이드로겔의 점도는 높아지고 접착력은 낮아지는 것으로 확인되었다.
따라서, 상기 (a) 단계에서 수용액 내 히알루론산과 폴리에틸렌글리콜의 농도를 조절함으로써 목적하는 점도와 접착력을 나타내는 하이드로겔을 제조하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명의 상기 (a) 단계에서 실리콘 함유 성분은 분자량 100 내지 10000 Da인 실리콘 함유 성분이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 200 내지 10000 Da인 실리콘 함유 성분이 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 200 내지 9000 Da인 실리콘 함유 성분이 사용될 수 있다.
상기 실리콘 함유 성분의 분자량이 100 Da 미만일 경우 전자빔 조사에 의해 하이드로겔이 형성이 되지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 분자량이 10000 Da 초과일 경우 생성된 하이드로겔의 투명도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
전자빔 조사 전 수용액을 만들 때 실리콘의 분자량이 상기 범위를 초과할 경우 히알루론산 및 폴리에틸렌글리콜과 잘 혼합되지 않으며 전자빔을 조사한 이후에도 함께 하이드로겔이 형성되지 않고 따로 분리되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 (a) 단계에서는 실리콘 함유 성분은 0.1 내지 3%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 2%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 더 바람직하게는 0.5 내지 1.5%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.0%(w/v)의 농도로 물에 첨가될 수 있다.
전자빔 조사 전 수용액을 만들 때 실리콘의 농도가 상기 범위를 초과할 경우 히알루론산 및 폴리에틸렌글리콜과 잘 섞이지 않으며 전자빔을 조사한 이후에도 함께 하이드로겔이 형성되지 않고 따로 분리되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 상기 (a) 단계에서 사용되는 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자량/농도 조건은 하이드로겔이 사용될 목적에 따라 바람직한 물성을 나타내도록 당업자가 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 하이드로겔을 창상피복재로 사용하고자 하는 경우 상기 하이드로겔은 투명하고, 점탄성이 높으며, 우수한 접착력을 나타내는 물성인 것이 바람직한데, 이를 위해 상기 (a) 단계에서는 0.01 내지 0.5% (w/v) 농도의 2000 내지 3000 kDa의 히알루론산, 0.5 내지 1% (w/v) 농도의 25 내지 40 kDa의 폴리에틸렌글리콜 및 0.1 내지 0.5% (w/v) 농도의 100 내지 1000 Da의 실리콘 함유 성분을 포함하는 수용액을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 (b) 단계에서는 상기 (a) 단계에서 생성된 용액에 방사선을 조사하여 상기 물질의 가교결합을 유도하는 단계이다.
상기 방사선 조사에 의해 성형되는 상기 하이드로겔은 화학적 방법에 의해 제조되는 하이드로겔에 존재하는 잔류 독성의 문제가 없고, 가교와 동시에 멸균효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이때, 사용되는 방사선은 감마선, 자외선, X-ray 및 전자선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 전자선일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 하이드로겔을 형성하기 위해 조사되는 방사선의 조사선량 및/또는 에너지 세기는 상기 (a) 단계에서 사용된 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자량/농도에 따라 달라질 수 있음이 확인되었다. 또한, 하이드로겔이 형성되는 조건이라고 하더라도 조사되는 방사선의 조사선량 및/또는 에너지 세기에 따라서 하이드로겔의 물성이 달라질 수 있다.
본 발명의 상기 (b) 단계에서 조사되는 방사선의 조사량은 그 범위가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 0.5 내지 300kGy 일 수 있으며, 더 바람직하게는 2 내지 300kGy일 수 있으며, 가장 바람직하게는 5 내지 150kGy일 수 있다. 방사선 조사량이 0.5kGy 미만일 경우 충분한 가교가 나타나지 않아 하이드로겔 형성이 불완전할 수 있으며, 300kGy를 초과할 경우 하이드로겔 내부에 기포가 생성되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에서 조사되는 방사선의 에너지 세기는 0.5 내지 20MeV일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10MeV일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 1 내지 5MeV일 수 있으며, 가장 바람직하게는 1 내지 2.5MeV일 수 있다.
방사선의 에너지 세기가 낮을 경우 하이드로겔이 형성되지 않을 수 있으며 반대로 방사선의 에너지 세기가 지나치게 높을 경우 형성된 하이드로겔의 모양이 온전하지 않고 하이드로겔 내부에 기포가 형성되거나 갈라질 수 있다.
본 발명에서 제공하는 하이드로겔을 제조하기 위한 구체적인 제조 조건의 실제적인 예시는 본원발명의 실시예에 구체적으로 제시되어 있다.
본 발명은 또한 하기 단계를 포함하는, 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔의 제조방법을 제공한다:
(a) 물에 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘을 첨가하여 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 생성된 용액에 방사선을 조사하여 상기 물질의 가교결합을 유도하는 단계.
상기 제조방법의 각 단계에 대한 구체적인 설명은 전술한 바가 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 하이드로겔을 포함하는 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 창상피복재(시트형, 겔형, 스프레이형, 크림형 등) 또는 피부 충전제를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 상기 하이드로겔로 제조된 창상피복재는 상용 창상피복재와 비교해 상처부위에의 접착성이 매우 뛰어날 뿐 아니라 상처 회복 과정에서 흉터의 생성을 현저히 감소시키는 것으로 확인되었다. 이는 하이드로겔에 포함된 히알루론산의 우수한 함수성으로 인해 상처에서 분비되는 다양한 내인성 창상 수복 인자들이 흡수/유지되어 자가 치유의 효과가 발휘되었을 뿐 아니라, 실리콘 함유 성분의 우수한 산소 투과성으로 인해 상처 치유과정에서 필요한 산소의 공급이 원활했음을 의미한다.
본 발명의 상기 '창상 (wound)'이란 외부의 압력에 의하여 조직의 연속성이 파괴되는 상태를 의미한다. 창상에는 찰과상, 타박상, 열상, 칼날에 의한 절창 등이 포함된다.
본 발명에서는 목적하는 용도에 따라 전술한 범위 내에서 제조조건을 변경함으로써 점탄성, 접착성 등 다양한 물성을 만족하는 하이드로겔을 제공할 수 있다. 또한, 제조과정 중 일체의 화학 가교제 및 유기화학물질이 사용되지 않기 때문에 생체적합성이 매우 우수하여 다양한 용도로 활용될 수 있다.
생체적합성 하이드로겔은 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 창상피복재(시트형, 겔형, 스프레이형, 크림형 등) 또는 피부 충전제 등의 용도로 다양하게 활용이 되고 있으며, 이에 대한 연구도 당업계에서 활발하게 진행이 되고 있기 때문에 본 발명에서 제공하는 하이드로겔도 상기 용도로 활용이 될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명한 것이다.
본 발명에서 제공하는 상기 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 창상피복재(시트형, 겔형, 스프레이형, 크림형 등) 또는 피부 충전제는 상기 하이드로겔 외에도 다양한 통상의 첨가물을 추가로 포함할 수 있다. 이들 첨가물은 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 염료, 착색 안료, 식물성 오일, 증점제, pH 조절제, 삼투압 조절제, 비타민, 항산화제, 무기염, 방부제, 용해제, 등장화제, 현탁화제, 유화제, 안정화제, 마취제, 소독제, 상처 치료제 등이 포함될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 창상부위의 피부 도포용 조성물을 제공한다.
상기 창상부위의 피부 도포용 조성물에는 상처의 치유를 도울 수 있는 공지된 약물, 소독제 등이 추가로 포함될 수 있고, 창상피복재로 제제화되어 시트형, 겔형, 스프레이형 또는 크림형 창상피복재로 활용이 될 수 있다.
본 발명은 창상부위의 피부 도포용 제제를 제조하기 위한 상기 하이드로겔의 용도를 제공한다.
본 발명은 상기 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 조성물의 유효량을 이를 필요로 하는 개체의 피부에 도포하여 창상부위를 치료하는 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 '유효량'이란 개체에게 투여하였을 때, 창상의 개선, 치료, 검출, 진단 또는 창상 진행의 억제 또는 감소 효과를 나타내는 양을 말하며, 상기 '개체'란 동물, 바람직하게는 포유동물, 특히 인간을 포함하는 동물일 수 있으며, 동물에서 유래한 세포, 조직, 기관 등일 수도 있다. 상기 개체는 상기 효과가 필요한 환자(patient) 일 수 있다.
본 발명의 상기 '치료'는 창상부위 또는 창상으로 인한 증상을 개선시키는 것을 포괄적으로 지칭하고, 이는 상기 창상을 치유하거나, 실질적으로 예방하거나, 또는 상태를 개선시키는 것을 포함할 수 있으며, 상기 질환으로부터 비롯된 한 가지 증상 또는 대부분의 증상을 완화시키거나, 치유하거나 예방하는 것을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 용어 "을 포함하는(comprising)"이란 "함유하는(including)" 또는 "특징으로 하는(characterized by)"과 동일한 의미로 사용되며, 본 발명에 따른 조성물 또는 방법에 있어서, 구체적으로 언급되지 않은 추가적인 구성 성분 또는 방법의 단계 등을 배제하지 않는다. 또한 용어 "로 이루어지는(consisting of)"이란 별도로 기재되지 않은 추가적인 요소, 단계 또는 성분 등을 제외하는 것을 의미한다. 용어 "필수적으로 이루어지는(essentially consisting of)"이란 조성물 또는 방법의 범위에 있어서, 기재된 물질 또는 단계와 더불어 이의 기본적인 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 물질 또는 단계 등을 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 하이드로겔은 전자빔을 통해 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 및/또는 분자 내 가교결합을 유도함으로써 제조되기 때문에, 유기용매 또는 가교제의 혼입에 따른 인체 내 독성문제가 발생할 염려가 전혀 없고, 그 제조과정 중 별도의 정제과정이 필요치 않아 짧은 시간의 전자빔 조사만으로 대량 생산이 가능하여 생산성 측면에서도 매우 우수하다. 또한, 본 발명의 하이드로겔은 생체적합성이 매우 우수하기 때문에 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 창상피복재 또는 피부 충전제 등의 개발에 매우 유용하게 활용될 수 있다.
도 1은 1% 100kDa 히알루론산, 다양한 분자량의 1% PEG 및 다양한 분자량의 1% 실리콘 수용액에 전자빔을 조사한 후 하이드로겔 생성 여부를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 2는 1% 1200kDa 히알루론산, 다양한 분자량의 1% PEG 및 다양한 분자량의 1% 실리콘 수용액에 전자빔을 조사한 후 하이드로겔 생성 여부를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 3은 1% 100kDa 히알루론산, 1% 35kDa PEG 및 다양한 분자량의 1% 실리콘 수용액에 전자빔을 조사한 후 하이드로겔 생성 여부를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 4는 1% 2500kDa 히알루론산, 다양한 분자량의 1% PEG 및 다양한 분자량의 1% 실리콘 수용액에 전자빔을 조사한 후 하이드로겔 생성 여부를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 5는 1% 100kDa 히알루론산, 1% 35kDa PEG 및 1% 9000Da 실리콘 수용액에 다양한 조사선량의 전자빔을 조사한 후 하이드로겔 생성 여부를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 6은 1% 2500kDa 히알루론산, 1% 또는 0.5% 35kDa PEG 및 1% 또는 0.5% 237Da 또는 9000Da 실리콘 수용액에 전자빔을 조사한 후 하이드로겔 생성 여부를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 7은 2500 kDa 0.5% 히알루론산, 35 kDa 1% PEG 및 237 Da 0.5% 실리콘 수용액 전자빔(EB)을 조사하고 동결건조까지 진행하는 과정을 육안으로 관찰한 결과이다.
도 8은 창상 동물모델에서의 실험 과정을 나타낸 도면이다.
도 9는 창상 동물모델의 창상 부위에 무처리(Control), 양성대조군(Medifoam) 및 본 발명에 따른 하이드로겔(HA-PEG-Si gel)을 처리한 후 시간의 경과에 따라 상처 부위를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 10은 1% 2500kDa 히알루론산, 1% 35kDa PEG 및 0.5% 237Da 실리콘 수용액을 대용량 용기에 넣은 후 전자빔을 조사하여 하이드로겔 생성 여부를 육안으로 관찰한 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 동결건조된 하이드로겔의 함수율을 평가한 결과이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 동결건조된 하이드로겔의 함수 전후 비교 사진을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 하이드로겔의 UV-Vis 스펙트럼을 통한 분광학적 구조 분석 결과를 나타낸 도면이다(EB: 전자빔 조사).
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 하이드로겔의 FT-IR 분광분석법에 의한 구조 분석 결과를 나타낸 도면이다(Before EB: 전자빔 조사 전, After EB: 전자빔 조사 후).
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 하이드로겔의 전자현미경(SEM)을 이용한 육안 관찰 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1: 전자선 조사를 통한 히알루론산(HA)-폴리에틸렌글리콜(PEG)-실리콘(silicone) 하이드로겔(hydrogel)의 제조
HA, PEG, Silicone의 분자량을 각기 다르게 하여 어떠한 조건에서 하이드로겔이 만들어지는지 스크리닝 실험을 진행하였다.
HA는 100 kDa, 1200 kDa, 2500 kDa 3 종류의 분자량,
PEG는 1 kDa, 3 kDa, 10 kDa, 20 kDa, 35 kDa 5 종류의 분자량,
Silicone (trimethylsiloxy terminated Polydimethylsiloxane)은 237 kDa, 1250 kDa, 4000 kDa, 9000 kDa 4 종류의 분자량을 사용하였다.
이 때 사용한 전자빔 조사선량은 2.5 MeV 10 kGy로 고정하였고, 상기 각 물질을 1%(w/v) 농도의 수용액으로 제조하여 전자빔을 조사하였다.
먼저 100 kDa HA가 사용된 조건들에 대한 결과들을 정리해보면 PEG의 분자량이 20 kDa 미만일 경우에는 실리콘의 분자량에 관계없이 하이드로겔이 형성되지 않음을 확인하였다. 또한 오히려 전자빔 조사 전에 비해 점탄성이 낮아지는 것도 확인할 수 있었다(표 1).
100 kDa HA 1 % + PEG 1 % + Silicone 1 % / 2.5 MeV, 10 kGy
HA 100 kDa PEG (kDa)
1 3 10 20 35
Silicone
(Da)		 237 X X X O O
1250 X X X O O
4000 X X X O O
9000 X X X O O
(O: 하이드로겔 형성, X: 하이드로겔 형성되지 않음)
PEG의 분자량이 20 kDa 이상일 경우에는 실리콘의 분자량과 관계없이 모두 하이드로겔이 형성되는 것을 확인할 수 있었으나, 실리콘의 분자량이 증가할수록 하이드로겔이 불투명해지는 경향성도 확인하였다. 또한 35 kDa PEG가 첨가된 하이드로겔의 경우, 쉽게 부서지지 않고 서로 뭉쳐서 탄성있는 덩어리를 형성함 역시 확인할 수 있었다.
모든 조건들에서 만들어진 하이드로겔은 코니칼 튜브 벽에 쉽게 부착하지만 쉽게 떨어지는 특성을 보였으며 이러한 특징은 실리콘 분자량의 영향을 받지 않음을 확인하였다(도 1).
다음으로 1200 kDa HA가 사용된 조건들에 대한 결과들을 정리해보면 100 kDa HA를 사용하여 얻은 결과들과 마찬가지로 PEG의 분자량이 20 kDa 미만일 경우에는 실리콘의 분자량에 관계없이 하이드로겔이 형성되지 않았으며 그 경향성 및 특성은 동일함을 확인할 수 있었다(표 2).
1200 kDa HA 1 % + PEG 1 % + Silicone 1 % / 2.5 MeV, 10 kGy
HA 120 kDa PEG (kDa)
1 3 10 20 35
Silicone
(Da)		 237 X X X O O
1250 X X X O O
4000 X X X O O
9000 X X X O O
(O: 하이드로겔 형성, X: 하이드로겔 형성되지 않음)
하지만 35 kDa PEG와 9000 Da Silicone이 첨가된 하이드로겔의 경우, 다른 분자량의 실리콘에서 만들어진 하이드로겔들과 달리 흐르는 성질이 더 컸으며 좀 더 액체에 가까운 물성을 보이는 특징을 나타냈다(도 2 및 도 3).
다음으로 2500 kDa HA가 사용된 조건들에 대한 결과들을 정리해보면 100 kDa과 1200 kDa HA를 사용하여 얻은 결과들과 동일하게 PEG의 분자량이 20 kDa 미만일 경우에는 실리콘의 분자량에 관계없이 하이드로겔이 형성되지 않으며 하이드로겔의 형성 유무는 동일함을 확인할 수 있었다(표 3 및 도 4).
2500 kDa HA 1 % + PEG 1 % + Silicone 1 % / 2.5 MeV, 10 kGy
HA 2500 kDa PEG (kDa)
1 3 10 20 35
Silicone
(Da)		 237 X X X O O
1250 X X X O O
4000 X X X O O
9000 X X X O O
상기 실험 결과를 통해 HA, PEG 및 실리콘 각각을 1%(w/v)로 포함하는 수용액에 전자빔을 조사하여 하이드로겔(하이드로겔)을 제조할 때에는 PEG의 분자량 범위가 하이드로겔 형성에 큰 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었다.
그 다음으로 높은 분자량을 지닌 3가지 성분을 사용하여 동일하게 여러 전자빔 조사선량에서 하이드로겔 생성여부를 확인해 보았다.
- 수용액 조건: 2500 kDa HA 1 % + 35 kDa PEG 1 % + 9000 Da Silicone 1 %
- 전자빔 조사 조건: 2.5 MeV, 10 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 200 kGy
그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이 전자빔 조사선량 10 kGy부터 하이드로겔이 형성되는 것을 확인하였다. 또한 실리콘 분자량 237 Da과 비교하였을 때, 실리콘의 분자량이 증가한 9000 Da의 실리콘이 포함된 하이드로겔은 더욱 불투명해짐을 확인하였다. 한편, 200 kGy 조건에서는 생성된 하이드로겔 내에 기포가 눈에 띄게 늘어나는 것으로 확인되었다.
그 다음으로는 HA, PEG, Silicone 각각의 농도를 달리하여 실험을 진행해보며 농도에 따른 하이드로겔의 형성 및 특성에 어떠한 차이를 나타내는지 확인해보고자 HA, PEG, Silicone 각각의 수용액 농도를 0.5% 또는 1%로 변경해가며 실험을 진행하였다.
이 때 2500 kDa HA와 35kDa PEG를 고정하여 사용하였고, 실리콘은 237 Da와 9000 Da 두 가지 분자량을 사용하였고, 2.5 MeV 10 kGy의 전자빔을 조사하여 실험을 진행하였다.
이에 대한 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 모든 제조 조건에서 하이드로겔이 형성되는 것으로 확인되었다. 구체적으로는, HA 농도가 PEG의 농도보다 높을 때 만들어진 하이드로겔은 접착력이 높은 대신 점탄성(또는 형태 유지력)이 낮았으며, 반대로 HA 농도가 PEG보다 낮을 때 만들어진 하이드로겔은 점탄성(또는 형태 유지력)이 강한 대신 낮은 접착력을 나타내는 것으로 확인되었다.
HA와 PEG의 농도가 같을 때는 접착력과 점탄성(또는 형태 유지력), 둘 다 어느 정도 유지되는 것으로 확인되었으나 디스크 형태를 온전히 유지하지는 못하는 것으로 확인되었다.
실리콘의 농도가 높을수록 만들어진 하이드로겔의 접착력이 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 실리콘의 분자량이 높을수록 만들어진 하이드로겔의 색깔이 탁한 것으로 확인되었다.
실시예 2: HA + PEG + 실리콘 하이드로겔 창상피복재의 효능 평가
전술한 실시예 1에서 디스크의 형태를 잘 유지하고 가장 단단한 물성을 보이며, 투명도가 높았던 2500 kDa HA 0.5% + 35 kDa PEG 1% + 237 Da Silicone 0.5%의 조건(2.5 MeV, 10 kGy)에서 제조된 하이드로겔의 창상피복의 효능을 평가하기 위한 실험을 진행하였다.
제조된 하이드로겔은 창상피복재로 활용하기 위해 동결건조 (lyophilization) 과정을 추가로 진행하였고, 동결건조 이후에도 디스크의 형태는 그대로 유지되었으며 동결건조 이후 하이드로겔은 전자빔 조사 반응기에서 쉽게 떨어졌다(도 7).
창상피복의 효능 평가를 위해 BALB/c mice를 활용하여 동물모델을 제작하였다.
가스 마취하에 BALB/c mice의 등 부분의 털을 깨끗하게 제모한 뒤 직경 10 mm의 biopsy punch를 이용하여 왼쪽과 오른쪽 각각 하나씩 상처를 만들었고, 왼쪽과 오른쪽 양쪽의 상처에 동결건조된 하이드로겔을 올린 후 의료용 종이 테이프를 이용하여 드레싱했다.
마우스가 테이프를 갉아먹는 행위를 방지하기 위해서 50 ml 튜브를 세로 길이 2 cm로 자른 뒤 드레싱한 부분을 추가로 덮어주었고, 3 일에 한 번씩 동결건조된 하이드로겔을 교체해주며 상처의 크기를 모니터링 했다(도 8).
이 때 시중에서 판매되고 있는 상용 창상피복재인 메디폼(medifoam)을 본 발명에서 제조한 하이드로겔과 동일한 크기로 3일에 한 번씩 교체해주는 그룹을 추가하였고, 또한 상처에 아무것도 처리하지 않은 control 그룹 역시 대조군으로 두며 총 세 그룹을 27일간 모니터링 하며 창상피복 효능을 비교 평가하였다.
이에 대한 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 세 그룹에서 상처치유나 피부재생 속도면에서는 큰 차이를 확인할 수 없었으나, Control 그룹의 경우 상처 부위에 깔짚 혹은 이물질들이 쉽게 들러붙는 것을 확인할 수 있었고, 이는 상처 부위를 보호할 수도 없을 뿐만 아니라 감염의 위험이 쉽게 발생할 수 있는 문제점을 지니고 있었다.
메디폼(medifoam) 그룹의 경우 control 그룹에 비해 상처 부위를 보호할 수는 있으나 메디폼 제품 특성상 상처 부위에 쉽게 접착되지 않았고, 상처 부위끼리 서로 접촉되면서 흉터가 깊게 남는 것으로 확인되었다.
본 발명에서 제조한 동결건조 하이드로겔 (HA-PEG-Silicone) 그룹의 경우 상처부위를 보호할 수 있으며 상처부위에 쉽게 접착하는 특성 덕분에 상처부위끼리 접촉되면서 일어나는 메디폼 군에서의 부작용 또한 상당히 저하될 수 있었고, 27일간의 모니터링 결과에서 흉터가 가장 작게 남는 것으로 확인되었다.
실시예 3: 대량생산을 위한 대용량 하이드로겔의 제조
상기 실시예 1에서 소량으로 제조했던 하이드로겔이 대용량 생산 조건에서도 제조가 가능한지 여부를 확인하기 위해 전자빔 조사 반응기의 샘플의 용량 및 면적을 늘려 추가적인 실험을 진행하였다.
기존에 전자빔 조사 실험에 사용하던 전자빔 조사 반응기(2.5 MeV 10 kGy)에 샘플의 용량을 2배로 늘려 실험을 진행하였을 때, 샘플의 용량이 2배로 늘어났음에도 불구하고 기존의 하이드로겔과 매우 유사한 물성의 하이드로겔이 만들어지는 것으로 확인되었다(도 10).
추가로, 기존에 전자빔 조사 반응기로 사용하던 반응기(지름 2.5 cm)보다 면적이 넓은 반응기(지름 3.5 cm)를 이용하여 실험을 진행하였고, 전자빔 조사를 진행하였을 때, 면적이 넓어졌음에도 동일한 물성을 나타내는 하이드로겔이 만들어지는 것으로 확인되었다.
실시예 4: HA + PEG + 실리콘 하이드로겔의 함수율 평가
상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 아래 표 4에 나타낸 다양한 조성의 HA + PEG + 실리콘 하이드로겔을 제조한 후 이의 함수율을 평가해 보고자 하였다.
Figure PCTKR2022000933-appb-img-000002
함수율은 아래 공식에 의해서 계산하였다.
함수율(Swelling Index, %) = (Ws - Wd)/Wd*100
Ws: 물을 함유한 하이드로젤 무게, Wd: 건조된 하이드로젤 무게
상기 표 4의 조성으로 제조된 각 하이드로겔의 함수율 결과를 에 나타내고, 동결건조된 하이드로겔의 함수 전후 비교 사진을 도 12에 나타내었다.
도 11에 나타낸 바와 같이,
- PEG/실리콘의 분자량이 동일한 조건에서 HA 분자량에 따른 함수율은 HA 100 kDa 일 때 HA 2500 kDa, HA 1200 kDa인 경우보다 더 높았고,
- HA/실리콘의 분자량이 동일한 조건에서 PEG 분자량에 따른 함수율은 PEG 20 kDa일 때 PEG 35 kDa 보다 함수율이 높았고,
- PEG 20 kDa, PEG 35kDa 조성으로만 형성된 하이드로겔의 경우 함수율에 큰 차이가 없으나, HA와 섞였을 경우 PEG 분자량이 20 kDa일 때 35 kDa인 경우보다 함수율이 월등히 높았고,
- HA/PEG 분자량이 동일한 조건에서 실리콘 분자량에 따른 함수율은 실리콘 237 Da 에서 가장 높은 함수율을 보였고,
- 실리콘 1250 Da, 4000 Da으로 분자량이 증가함에 따라 함수율이 감소하는 형태를 보였으나, 실리콘 9000 Da 에서는 함수율이 다시 증가하는 것으로 확인되었다.
실시예 5: HA + PEG + 실리콘 하이드로겔의 구조 분석
상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 아래 표 5에 나타낸 다양한 조성의 하이드로겔을 제조한 후 이의 구조를 UV-Vis, FT-IR 및 SEM로 분석하였다.
Figure PCTKR2022000933-appb-img-000003
UV-Vis 스펙트럼을 통한 분광학적 구조 분석 결과, 도 13에 나타낸 바와 같이 PEG 만으로 구성된 하이드로겔을 제외하고 히알루론산이 포함된 하이드로겔 #6, 7, 8, 9번 샘플에서 UV-B, A 영역까지 absorbance의 증가가 관찰되었으나 400 nm 이후의 가시광역대에서의 흡수는 보이지 않았다. PEG 만으로 구성된 하이드로겔의 경우 전자빔 조사 전후의 흡광도 차이는 미미한 것으로 확인되었다.
FT-IR 분광분석법을 통한 구조 분석 결과, 도 14에 나타낸 바와 같이 전자빔 조사에 의해 하이드로겔 형성 후 모든 샘플에서 560 cm-1 피크의 증가가 관찰되었다. PEG 자체 가교에 따른 C-O 결합의 bending이 증가한 결과라 판단되었다.
반면 전자빔 조사 후 843 cm-1 근처의 피크는 크기가 감소하였다. 자체 가교에 따른 C-C 결합의 skeletal vibration이 감소한 것으로 판단되었다.
PEG의 경우 전자빔 조사에 의해 하이드로겔 형성 후 하이드로겔 기능 향상에 따른 3369 cm-1의 O-H stretching 피크가 새롭게 관찰되었다. 자체 가교 반응에 따라 1345cm-1의 C-H bending과 842, 947 cm-1 의 C-C skeletal vibration 밴드는 감소하였다. 전자빔 조사 전 PEG에서 1093cm-1에서 C-O stretching vibrational stretching에 기인한 전형적인 triplet splitting pattern 피크가 관찰되었다.
전자현미경(SEM)을 이용한 그물 구조 형성을 확인해 본 결과, 도 15에 나타낸 바와 같이 전체적으로 라멜라 층상 구조가 관측되었다. 실리콘이 들어간 #6, 7번 샘플의 경우 매우 얇은 판상구조가 관측되었으며 HA와 PEG만으로 구성된 #8, 9번 샘플의 경우 실리콘이 들어간 샘플보다 층간 간격이 넓었다. PEG 만으로 구성된 #10번 샘플의 경우 라멜라 구조보다는 벌집구조에 가까운 다공성 물질이 관측되었다.
비교예 1: 전자빔 조사에 의한 HA + 실리콘 하이드로겔의 제조
1% 2500 kDa 히알루론산 수용액에 237 Da 실리콘 또는 9000 Da 실리콘 1%의 농도로 추가한 뒤 2.5 MeV 10 kGy의 전자빔을 조사하였을 때, 두 조성 모두에서 하이드로겔이 합성되지 않았다. 이를 통해 히알루론산과 실리콘을 이용하여 하이드로겔을 합성하기 위해선 폴리에틸렌글리콜이 필수적으로 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 2: 전자빔 조사에 의한 PEG + 실리콘 하이드로겔의 제조
1% 35 kDa 폴리에틸렌글리콜 수용액에 237 Da 실리콘 또는 9000 Da 실리콘을 1 %의 농도로 추가한 뒤 2.5 MeV 10 kGy의 전자빔을 조사하였을 때, 두 조성 모두에서 부분적으로 하이드로겔이 합성되었다. 히알루론산이 첨가된 하이드로겔과는 달리 하이드로겔이 용기 전체 면적에서 만들어지지 않고 중심부에만 수축된 형태로 작은 원형의 젤이 만들어지고 주위에 용액이 남아 있는 형태로 만들어졌다. 이로 인해 폴리에틸렌글리콜과 실리콘만을 이용하였을 땐 100% 하이드로겔이 만들어지지 않았으며 이를 통해 균일한 조성의 하이드로겔을 제조하기 위해선 히알루론산이 필수적으로 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 3: 전자빔 조사에 의한 HA + PEG + 콜라겐 하이드로겔의 제조
1% 2500 kDa 히알루론산 + 1% 35 kDa PEG 수용액에 콜라겐을 1%의 농도로 추가한 후 전자빔을 조사하여 하이드로겔 제조를 시도해 보았다. 히알루론산 수용액에 콜라겐을 첨가하였을 때, 흰색의 침전물이 생기는 것을 확인하였으며 전자빔을 조사하여도 하이드로겔이 합성되지 않았으며 흰색의 침전물 또한 사라지지 않았다. 다른 제조법으로 콜라겐을 첨가하기 전 2500 kDa 히알루론산 수용액에 35 kDa 폴리에틸렌글리콜을 먼저 첨가하였음에도 콜라겐을 첨가하자 흰색 침전물이 생겼으며 마찬가지로 전자빔을 조사하여도 하이드로겔이 제조되지 않았다.
본 발명의 하이드로겔은 전자빔을 통해 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 및/또는 분자 내 가교결합을 유도함으로써 제조되기 때문에, 유기용매 또는 가교제의 혼입에 따른 인체 내 독성문제가 발생할 염려가 전혀 없고, 그 제조과정 중 별도의 정제과정이 필요치 않아 짧은 시간의 전자빔 조사만으로 대량 생산이 가능하여 생산성 측면에서도 매우 우수하다. 또한, 본 발명의 하이드로겔은 생체적합성이 매우 우수하기 때문에 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 창상피복재 또는 피부 충전제 등의 개발에 매우 유용하게 활용될 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (17)

  1. 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분자 간 가교결합 및 분자 내 가교결합은 방사선 조사에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  3. 제2항에 있어서, 상기 방사선은 감마선, 자외선, X-ray 및 전자선으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하이드로겔은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 하이드로겔:
    (a) 물에 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 첨가하여 용액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 용액에 방사선을 조사하여 상기 물질의 가교결합을 유도하는 단계.
  5. 제4항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜은 분자량이 15 내지 50 kDa이며, 0.1 내지 3%(w/v)의 농도로 물에 첨가되는 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  6. 제4항에 있어서, 상기 히알루론산은 분자량이 50 내지 3000 kDa이며, 0.05 내지 3%(w/v)의 농도로 물에 첨가되는 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  7. 제4항에 있어서, 상기 실리콘 함유 성분은 폴리디메틸실록산, 카프릴릴메틸 트리실록산, 옥타메틸시클로테트라실록산, 데카메틸시클로펜타실록산, 디메치콘 및 시클로실록산으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  8. 제4항에 있어서, 상기 실리콘 함유 성분은 분자량이 100 내지 10000 Da이며, 0.1 내지 3%(w/v)의 농도로 물에 첨가되는 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  9. 제4항에 있어서, 상기 방사선의 조사량은 0.5 내지 300kGy인 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  10. 제4항에 있어서, 상기 방사선의 에너지 세기는 0.5 내지 20MeV인 것을 특징으로 하는 하이드로겔.
  11. 하기 단계를 포함하는, 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 실리콘 함유 성분의 분자 간 가교결합(inter-molecular cross-linking), 분자 내 가교결합(intra-molecular cross-linking), 또는 분자 간 및 분자 내 가교결합만으로 형성된 하이드로겔의 제조방법:
    (a) 물에 히알루론산, 폴리에틸렌글리콜 및 실리콘 함유 성분을 첨가하여 용액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 용액에 방사선을 조사하여 상기 물질의 가교결합을 유도하는 단계.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 히알루론산과 폴리에틸렌글리콜의 농도비를 조절함으로써 하이드로겔의 점도를 조절하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이드로겔을 포함하는 세포전달체, 약물전달체, 유착방지제, 세포지지체, 치과용 충전제, 정형외과용 충전제, 피부 충전제 또는 창상피복재.
  14. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이드로겔을 포함하는 시트형, 크림형, 겔형 또는 스프레이형의 창상피복재.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 창상 부위의 피부 도포용 조성물.
  16. 창상 부위의 피부 도포용 제제를 제조하기 위한 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이드로겔의 용도.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이드로겔을 유효성분으로 포함하는 조성물의 유효량을 이를 필요로 하는 개체의 피부에 도포하여 창상 부위를 치료하는 방법.
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