항생제의 초음파 나노구조화

초음파를 이용한 항생제 생산은 약물 내성 세균에 대해서도 항생제의 효과를 높일 수 있습니다. 항생제 내성 세균 균주의 증가는 여전히 해결되지 않은 문제로, 지난 수십 년간 항생제로 성공적으로 치료해 온 세균 감염을 다시 전 세계적인 건강 위협으로 만들고 있습니다. 항생제의 초음파 나노구조화는 약물 내성 세균에 대한 테트라사이클린 등의 항생제 효과를 높일 수 있는 유망한 기술입니다.

항생제와 항생제 내성 세균

항생제 내성은 세균이나 진균과 같은 미생물이 자신을 죽이도록 개발된 약물에 대항하는 능력을 갖게 될 때 발생합니다. 이는 미생물이 죽지 않고 계속 증식한다는 뜻입니다. 항생제 내성 미생물에 의한 감염은 치료하기 어려우며, 때로는 치료가 불가능합니다.
세균의 항생제 내성은 항생제의 남용과 오용에 기인합니다. 남용과 오용은 주로 부적절한 처방과 농업 분야에서의 광범위한 사용을 의미합니다.
페니실린, 테트라사이클린, 메티실린, 에리트로마이신, 겐타마이신, 반코마이신, 이미페넴, 세프타지딤, 레보플록사신, 리네졸리드, 답토마이신, 세프타롤린 등 일반적인 항생제에 대해 일부 세균 균주가 돌연변이를 일으켜 항생제 내성을 획득했습니다.
항생제 내성 세균 발생의 주된 원인은 항생제의 남용과 오용에 있습니다. 환자에게 항생제를 투여할 때마다 감수성 세균은 죽습니다. 그러나 약물 치료로 제거되지 않는 내성 세균이 있으면 이들은 성장하고 증식합니다. 따라서 반복적이고 부적절한 항생제 사용은 약물 내성 세균의 증가를 초래합니다.
다제내성(MDR) 세균은 미생물을 죽이기 위한 일반적인 항생제 치료에 반응하지 않으므로 심각한 건강 위협입니다.
그람양성 병원체 중에서는 내성 황색포도상구균(S. aureus)(예: 메티실린 내성 황색포도상구균(Staphylococcus aureus); MRSA)과 장구균속(Enterococcus) 균종의 전 세계적 대유행이 현재 가장 큰 위협입니다. 장내세균과(Enterobacteriaceae)(예: 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae)), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 아시네토박터속(Acinetobacter) 등의 그람음성 병원체는 현재 이용 가능한 거의 모든 항생제에 내성을 갖게 되고 있습니다.

초음파로 나노 크기화한 항생제

나노 크기의 의약품은 흔히 증가된 흡수율, 더 높은 생체이용률, 더 우수한 효과로 인해 마이크로미터 크기의 약물 분자보다 뛰어난 성능을 보이는 것으로 알려져 있습니다. 항생제는 세균 감염 치료에 널리 사용됩니다. 그러나 약물 내성 세균 균주가 점점 더 많이, 빠르게 발생하면서 새로운 항생제를 개발하거나 기존 항생제를 변형할 필요가 생겼습니다. 초음파 처리를 통해 테트라사이클린 등의 항생제 입자 크기를 줄이는 것은 비내성 및 내성 세균 균주에 대한 항생제 효과를 높이는 쉽고 빠르며 유망한 전략 중 하나입니다.
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초음파로 나노구조화한 테트라사이클린

Kassirov 등(2018)은 병원체에 대한 약물의 효과를 높이기 위해 테트라사이클린을 초음파로 처리했습니다. 이 연구에서는 항생제 내성이 있는 균주인 Escherichia coli Nova Blue TcR과 E. coli 292–116(약물 내성 없음)을 사용했습니다. 일반적인 광범위 항생제인 테트라사이클린은 산업용 초음파 처리기 UIP1000hdT (Hielscher, 독일; 왼쪽 사진 참조)를 사용하여 변형했습니다. 연구팀은 UIP1000hdT를 이용한 초음파 화학적 처리가 내성 균주에 대해서는 항균 효과를 최대 25%, 감수성 균주에 대해서는 최대 100% 높인다는 사실을 확인했습니다. 나노구조화된 테트라사이클린을 +4ºC에서 장기간 보관해도 항균 특성이 감소하지 않습니다.
진폭, 에너지 투입량, 초음파 처리 시간 등의 초음파 공정 매개변수는 감수성 세포와 내성 세포 모두에 대한 항균 특성의 변화에 영향을 미치는 핵심 요인으로 확인되었습니다.
초음파 처리는 나노 크기 약물 입자의 입도 분포를 더욱 균일하게 하며, 이는 테트라사이클린 분자의 생체이용률과 생체접근성을 높여 효과를 향상시킬 수 있습니다.
확보된 데이터는 항생제의 초음파 화학적 변형이 약물 내성 균주에 대한 항생제 치료에 효과적인 신약을 개발하는 데 새롭고 유망하며 비용이 적게 드는 접근법이 될 수 있음을 보여줍니다.

UIP1000hdT를 이용한 테트라사이클린의 초음파 처리.
A – “유리 상태” 테트라사이클린의 FTIR 스펙트럼; B – 5 min 초음파 처리 후 SN 테트라사이클린의 FTIR 스펙트럼; C – “유리 상태” 테트라사이클린의 입도 분포 히스토그램; D – 5 min 초음파 처리 후 SN 테트라사이클린의 입도 분포 히스토그램.
연구 및 그림: Kassirov 외, 2018.

초음파로 나노구조화한 약물의 장점

초음파 처리는 광범위한 나노구조 재료의 합성에 막대한 가능성을 제공하며 여러 산업에서 사용됩니다. 항생제, 항바이러스제 및 기타 의약품과 같은 나노 크기 의약품을 초음파로 생산하는 것은 매우 유망합니다. 이러한 나노 크기 약물은 흔히 훨씬 더 높은 흡수율, 생체이용률 및 효과를 나타내기 때문입니다. 따라서 많은 개선된 약물 제형에서는 약물 분자를 나노구조화하고 약물을 나노에멀젼, 나노리포솜, 니오솜, 고체 지질 나노입자(SLNs), 나노구조 지질 운반체(NLCs) 및 기타 나노 크기의 포접 복합체에 봉입하기 위해 초음파 처리를 사용합니다.

항균 특성을 지닌 나노재료의 초음파 처리는 나노구조 재료(예: 나노 은, 나노 ZnO)를 합성하고 이를 섬유에 적용하여 항균 의료용 섬유 및 기타 기능성 직물을 제조하는 데에도 사용됩니다. 예를 들어, 단일 단계 초음파 공정을 사용하여 항균 ZnO 나노입자로 면직물에 내구성 있는 코팅을 형성합니다.

초음파를 이용한 나노구조 재료 합성은 어떻게 이루어질까요?

초음파 처리와 고출력 초음파를 화학 시스템에 적용하는 초음파화학은 고품질 나노 크기 소재(예: 나노입자, 나노에멀젼)를 생산하는 데 널리 사용됩니다. 초음파 처리와 초음파화학은 고성능 나노 크기 소재의 생산을 가능하게 하거나 촉진합니다. 초음파를 이용한 나노입자 합성의 장점은 단순성과 효과입니다. 나노구조 소재의 다른 생산 방법에는 높은 벌크 온도, 높은 압력 및 / 또는 긴 반응 시간이 필요하지만, 초음파 합성은 흔히 나노소재를 간편하고 빠르며 효율적으로 생산할 수 있게 합니다. 고강도 초음파가 발생시키는 초음파화학적 효과와 초음파기계적 효과는 모두 나노 크기 입자의 합성 또는 기능화/개질을 유도합니다. 고출력 초음파를 액체에 전달하면 기포의 형성, 성장 및 내파적 붕괴로 이루어지는 음향 캐비테이션이 발생하며, 그 효과는 일차 초음파화학(붕괴하는 기포 내부에서 일어나는 기상 화학 반응), 이차 초음파화학(기포 외부에서 일어나는 용액상 화학 반응), 초음파기계적 / 물리적 변형(고속 액체 제트, 충격파 및/또는 슬러리 내 입자 간 충돌로 발생)으로 분류할 수 있습니다. (Hinman and Suslick, 2017 참조) 캐비테이션이 입자에 가하는 충격은 크기 감소, 나노구조화(나노분산, 나노유화)뿐만 아니라 입자의 기능화와 개질도 유도합니다.
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나노구조 의약품 합성을 위한 초음파 프로브

Hielscher Ultrasonic은 제약 및 식품 산업용 고성능 초음파 균질기의 설계, 제조, 유통 및 서비스 분야에서 오랜 경험을 보유하고 있습니다.
고품질 나노 크기 약물 입자, 리포솜, 고체 지질 나노입자, 고분자 나노입자, 사이클로덱스트린 복합체 및 백신의 제조는 Hielscher 초음파 시스템이 널리 사용되는 공정이며, 이 시스템은 높은 신뢰성과 우수한 품질의 결과물로 높이 평가받고 있습니다. Hielscher 초음파 장비는 진폭, 온도, 압력, 초음파 처리 에너지 등 모든 공정 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있게 합니다. 지능형 소프트웨어는 모든 초음파 처리 매개변수(시간, 날짜, 진폭, 순에너지, 총에너지, 온도, 압력)를 내장 SD 카드에 자동으로 기록합니다. 이는 공정 및 품질 관리를 크게 용이하게 하며 의약품 제조 및 품질관리 기준(GMP)을 충족하는 데 도움이 됩니다.

모든 생산 용량에 적합한 초음파 혼합기

Hielscher Ultrasonics의 제품군은 소형 실험실용 초음파 장비부터 벤치톱 및 파일럿 시스템, 시간당 트럭 여러 대 분량을 처리할 수 있는 완전 산업용 초음파 프로세서에 이르기까지 초음파 프로세서의 전체 범위를 아우릅니다. 이러한 전체 제품군을 통해 고객의 공정 처리 용량과 목표에 가장 적합한 초음파 전단 혼합기를 제공할 수 있습니다. 이를 통해 소규모 실험실 규모에서 응용 공정을 개발하고 시험한 후 생산 용량까지 선형적으로 확장할 수 있습니다. 초음파 혼합 공정은 이미 확립된 공정 매개변수를 바탕으로 완전히 선형적으로 확장할 수 있으므로, 소형 초음파 혼합기에서 더 높은 처리 용량으로 규모를 확대하는 것은 매우 간단합니다. 규모 확대는 더 강력한 초음파 혼합 장치를 설치하거나 여러 초음파 장비를 병렬로 구성하여 수행할 수 있습니다.
초음파 교반기는 액체–액체 및 고체–액체 현탁액의 무균 균질화에도 사용됩니다.

높은 효율로 입자를 나노구조화하기 위한 높은 진폭

Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 주 7일, 하루 24시간 연속 운전이 용이합니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 초음파 소노트로드(혼, 프로브)와 반응기는 고압증기멸균이 가능합니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함은 고부하 및 까다로운 환경에서도 주 7일, 하루 24시간 운전을 가능하게 합니다.

간편하고 위험 부담 없는 테스트

초음파 공정은 완전히 선형적으로 규모를 확장할 수 있습니다. 이는 실험실용 또는 탁상형 초음파 처리기로 얻은 모든 결과를 정확히 동일한 공정 매개변수를 사용하여 정확히 동일한 산출 결과를 얻도록 규모를 확장할 수 있다는 뜻입니다. 따라서 초음파 처리는 제품 개발과 이후 상업적 제조에 적용하기에 이상적입니다.

최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조

가족이 소유하고 경영하는 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서의 최고 품질 기준을 최우선으로 삼습니다. 모든 초음파 처리기는 독일 베를린 인근 텔토에 있는 본사에서 설계, 제조되고 철저한 테스트를 거칩니다. Hielscher 초음파 장비는 견고함과 신뢰성을 바탕으로 생산 현장에서 든든한 일꾼 역할을 합니다. 최대 부하와 까다로운 환경에서도 주 7일, 하루 24시간 운전하는 것은 Hielscher 고성능 초음파 처리기의 기본적인 특성입니다.

Hielscher 초음파 프로세서는 다양한 크기로 구매할 수 있으며, 공정 요구 사항에 정확히 맞게 구성할 수 있습니다. 소형 실험실 비커에서의 유체 처리부터 산업 규모의 슬러리 및 페이스트 연속 유통식 혼합까지, Hielscher Ultrasonics는 고객에게 적합한 고성능 균질기를 제공합니다! 문의해 주시면 이상적인 초음파 장비 구성을 기꺼이 추천해 드리겠습니다!

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다: