Effective stabilization of bioactive ingredients for long term storage using W/O/W encapsulation and buffering layer

Abstract

최근 천연물질에 대한 관심의 고조로 인해 수용성 물질 또는 친수성 물질에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 천연물질은 외부환경으로부터 영향을 크게 받아 특히 공정과정에서 파괴되기 쉽고 저장에 대한 안정성을 유지하기가 어려운 단점이 있다. 이로 인해 천연물 안정화 연구에서는 공정상의 안정성과 저장 안정성이 동시에 추구되어야 한다. 본 연구에서는 활용도가 높으나 자체의 불안정성이나 공정상의 불안정성으로 인하여 그 사용이 제한적인 수용성 천연물의 안정화 방법을 소개하였다. 본 연구에서는 수용성 천연물의 안정성을 높이기 위해 폴리올(polyol)에 의한 완충 효과를 고분자 마이크로캡슐 내부에 유도하였다. 폴리올의 종류로는 PEG, PPG, PEG-co-PPG-co-PEG(Tri-block) 등이 있으며 생체적합성 물질로 알려져 있다. 또한, 효소에 대해서는 장기간 안정성이 유지되는 것으로 확인된 물질이다. 본 연구에서는 위에 언급된 3가지의 폴리올을 이용하여 마이크로캡슐 제조 시 내부 약물을 코팅해주는 원리를 이용하여 캡슐화 하였고, 생리 활성 안정도를 측정하였다. Model drug로는 피부 산업 중 유용한 항산화물질로 수용성 비타민인 VB2인 리보플라빈이 사용되었다. 이 물질은 피부 비타민이라고 불릴 정도로 피부 재생에 탁월한 효능이 있다고 알려져 있으나 빛에 대해 매우 민감하며 빛에 의해 쉽게 활성을 잃는 특성을 가지고 있다. 이의 안정화를 위하여 벽제 고분자로는 PMMA를 이용하였으며, 벽제 고분자와 model drug의 계면에 위치하게 되는 폴리올류의 HLB value를 변화시켜 이에 따른 약물의 생리 활성 안정도 변화를 측정하고자 하였다. 약물 안정화 고분자 마이크로캡슐은 용매증발법을 이용하여 제조하였다. 본 접근법을 이용하여 제조한 리보플라빈 마이크로캡슐은 PPG와 같이 소수성을 가지는 폴리올을 사용하게 될 경우 높은 담지율 뿐만 아니라 장기간 빛에 대한 안정성을 보였다. 이는 폴리올류가 소수성을 가질 때 마이크로캡슐 내부에 완충효과를 성공적으로 유도함을 의미한다. 특히, 폴리올의 역할을 증명하기 위하여 실시된 CLSM 분석에서, riboflavin이 마이크로캡슐 내부에 위치하고 폴리올은 약물과 고분자 계면에 위치하고 있음을 확인하였다. 또 빛에 대한 안정성을 측정하기 위해 빛 상에 흩트려놓은 입자 내부의 약물 생리 활성도 측정을 하였다. 이상의 측정 결과는 폴리올의 종류에 따라 약물의 안정화에 영향을 미치며, 또한 PPG의 경우 내부 약물을 두텁게 감싸주어 외부의 빛으로부터 안정화에 결정적인 역할을 하였음을 직접적으로 보여준다. 본 연구에서 제안하는 폴리올 완충효과에 의한 생리 활성 특성을 갖는 천연물의 안정화 방법은 향후 피부생리학적인 접근법을 활용하여 다양한 제품에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.; Beneficial materials for the human body such as an antioxidant have a drawback, which is too weak from the environmental factors to preserve their bioactivities for a long-term storage. For instance, one of the antioxidants, riboflavin (Vitamin B2) is unstable in the water phase especially in the sun light. To overcome these problems, various stabilization methods, containing W/O/W emulsion method, encapsulation and suspension polymerization, have been widely reported. However, complete solutions are not suggested yet. In addition, water-soluble biomaterials are generally stabilized by W/O/W evaporation method, but the initial drug loading ratio is about 40% below. An efficient stabilization method for bioactive ingredients was proposed by introducing a buffering layer to the microcapsules. Riboflavin was chosen as model drugs; these were microencapsulated with poly methyl methacrylate (PMMA) using W/O/W emulsion method. Various types of polyols, such as polypropylene glycol (PPG), polyethylene glycol (PEG) and tri-block polyol (PEG-PPG-PEG), were applied to buffering layers. Because of the nature of polyols, it might be existed between the drug and polymer, isolating the drug from the surrounding. The bioactivity of the capsules was measured as a function of storage time, and the results were compared to the HLB values of polyols. The existence of drugs in the capsules was confirmed using a confocal laser scanning microscope (CLSM). For a clear analysis, the drugs and polyols labeled with fluorescein isothiocyanate (FITC), and rhodamin B isothiocyanate (RBITC), respectively. Optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM) were used to observe the morphology of the microcapsules. The initial drug loading efficiency and the preservation of drugs in the buffering layer incorporated microcapsules were determined by UV-vis spectroscopy.