의약품용 나노입자의 초음파 처리

프로브형 초음파 처리기는 입자 크기 감소, 세포 파쇄 및 균질화를 위한 강력하고 제어 가능한 수단을 제공하여 의약품 연구 및 제조에서 중요한 역할을 합니다. 초음파 처리기는 초음파를 이용해 캐비테이션을 발생시키며, 이로 인해 미세한 기포가 생성되고 붕괴합니다. 이 현상은 강한 전단력과 충격파를 발생시켜 입자를 효과적으로 분쇄하거나 세포를 파쇄합니다.

의약품 분야에서 프로브형 초음파 처리기를 사용하는 주요 용도는 다음과 같습니다:

• 입자 크기 감소: 프로브형 초음파 처리기는 원료의약품(API)이나 기타 화합물의 입자 크기를 줄이는 데 사용됩니다. 작고 균일한 입자 크기는 의약품 제형의 생체이용률, 용출 속도 및 전반적인 효능을 높이는 데 매우 중요합니다.
• 세포 파쇄: 바이오의약품 연구에서는 세포 내 성분을 방출하기 위한 세포 파쇄에 프로브형 초음파 처리기를 사용합니다. 이는 미생물 세포나 배양된 포유류 세포에서 단백질, 효소 및 기타 생체분자를 추출하는 데 특히 중요합니다.
• 균질화: 의약품 제형의 균질화는 성분을 균일하게 분포시키는 데 필수적입니다. 프로브형 초음파 처리기는 응집체를 분쇄하고 성분을 고르게 분산시켜 균질성을 확보하는 데 도움을 줍니다.
• 나노에멀젼 및 리포솜 형성: 초음파 처리는 의약품 제형에서 안정적인 나노에멀젼과 리포솜을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 나노 크기의 전달 시스템은 용해도와 생체이용률을 높이기 위한 약물 전달에 사용됩니다.
• 품질 관리 및 공정 최적화: 초음파 처리는 의약품 제조의 품질 관리에 유용한 도구입니다. 일관된 입자 크기 분포와 균질성을 확보하여 공정 최적화에 도움을 주고, 배치 간 재현성 향상에 기여합니다.
• 약물 제형화 및 개발: 약물 제형화 및 개발 과정에서 프로브형 초음파 처리기는 안정적인 현탁액, 에멀젼 또는 분산액을 제조하는 데 사용됩니다. 이는 원하는 물리적 및 화학적 특성을 갖춘 의약품을 설계하는 데 매우 중요합니다.

의약품 분야의 나노소재

초음파 기술은 의약품 연구 및 제조에서 나노소재의 제조, 가공 및 기능화에 핵심적인 역할을 합니다. 음향 캐비테이션을 비롯한 고출력 초음파의 강력한 효과는 응집체 분쇄, 입자 분산 및 나노 액적 유화에 기여합니다. Hielscher 고성능 초음파 처리기는 의약품 기준을 충족하는 신뢰할 수 있고 효율적인 솔루션을 제공하여 안전한 생산을 보장하고 추가적인 최적화 작업 없이 규모를 확대할 수 있도록 합니다.

나노소재 가공

나노소재, 특히 나노입자는 활성 물질을 경구 또는 주사로 투여하는 검증된 방법을 제공하여 의약품의 약물 전달에 혁신을 가져왔습니다. 이 기술은 약물 투여와 전달의 효율을 높여 새로운 치료 방법의 길을 열어 줍니다. 약물, 열 또는 기타 활성 물질을 특정 세포, 특히 병든 세포에 직접 전달할 수 있다는 점은 중요한 발전입니다.

암 치료에서 나노 제형 약물은 나노 크기 입자의 이점을 활용하여 고용량의 약물을 종양 세포에 직접 전달함으로써 다른 장기에 미치는 부작용을 최소화하면서 치료 효과를 극대화하여 유망한 결과를 보여 주었습니다. 나노 크기 덕분에 이러한 입자는 세포벽과 세포막을 통과하여 표적 세포에서 활성 물질을 정확하게 방출할 수 있습니다.

크기가 100nm 미만인 입자로 정의되는 나노소재를 처리하는 데에는 더 많은 노력이 필요한 과제가 따릅니다. 초음파 캐비테이션은 나노소재의 응집 해체와 분산을 위한 확립된 기술로 자리 잡고 있습니다. 탄소나노튜브(CNTs), 특히 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)와 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)는 약물 분자를 캡슐화할 수 있는 넓은 내부 공간과 기능화를 위한 독특한 표면을 제공하는 고유한 특성을 지닙니다.
 

SWCNTs의 초음파화학적 생산. 페로센–자일렌 혼합 용액에 들어 있는 실리카 분말을 실온 및 대기압에서 20 min. 동안 초음파 처리했습니다. 초음파 처리를 통해 실리카 분말 표면에 고순도 SWCNTS가 생성됩니다. (Jeong et al. 2004)

기능화된 탄소나노튜브(f-CNTs)는 용해도를 높이고 효율적인 종양 표적화를 가능하게 하며 세포독성을 피하는 데 중요한 역할을 합니다. 고순도 SWCNTs를 위한 초음파화학적 방법과 같은 초음파 기술은 이러한 탄소나노튜브의 생산과 기능화를 용이하게 합니다. 또한 f-CNTs는 항원을 탄소나노튜브에 연결하여 특정 항체 반응을 유도하는 백신 전달 시스템으로 사용될 수 있습니다.
실리카, 티타니아 또는 알루미나에서 유래한 세라믹 나노입자는 다공성 표면을 지니므로 이상적인 약물 운반체입니다. 초음파화학을 활용한 나노입자의 초음파 합성 및 침전은 나노 크기 화합물을 제조하는 상향식 접근법을 제공합니다. 이 공정은 물질 전달을 향상시켜 입자 크기를 줄이고 균일성을 높입니다

나노입자의 초음파 합성 및 침전

초음파 처리는 나노입자의 기능화에 중요한 역할을 합니다. 이 기술은 입자 주변의 경계층을 효율적으로 파괴하여 새로운 작용기가 입자 표면에 도달할 수 있게 합니다. 예를 들어, PL-PEG 단편을 이용한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)의 초음파 기능화는 비특이적 세포 흡수를 방해하는 동시에 표적 응용을 위한 특이적 세포 흡수를 촉진합니다.

특정한 특성과 기능을 지닌 나노입자를 얻으려면 입자 표면을 개질해야 합니다. 고분자 나노입자, 리포솜, 덴드리머, 탄소나노튜브, 양자점 등 다양한 나노시스템은 제약 분야에서 효율적으로 사용할 수 있도록 성공적으로 기능화할 수 있습니다.

초음파 입자 기능화의 실제 사례:

PL-PEG를 이용한 SWCNT의 초음파 기능화: Zeineldin et al. (2009)은 인지질-폴리에틸렌글리콜(PL-PEG)과 함께 초음파 처리를 통해 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 분산시키면 PL-PEG가 단편화되어 세포의 비특이적 흡수를 차단하는 능력이 저해됨을 입증했습니다. 그러나 단편화되지 않은 PL-PEG는 암세포에서 발현되는 서로 다른 두 종류의 수용체를 표적으로 하는 SWNT의 특이적 세포 흡수를 촉진합니다. PL-PEG가 존재하는 조건에서의 초음파 처리는 탄소나노튜브를 분산시키거나 기능화하는 데 흔히 사용되는 방법이며, PEG의 온전성은 리간드로 기능화된 나노튜브의 특이적 세포 흡수를 촉진하는 데 중요합니다. SWNT를 분산시키는 데 흔히 사용되는 기법인 초음파 처리는 단편화를 일으킬 가능성이 있으므로, 이는 약물 전달과 같은 특정 응용 분야에서 우려 사항이 될 수 있습니다.
 

PL-PEG를 이용한 SWCNT의 초음파 분산 (Zeineldin et al., 2009)

초음파를 이용한 리포솜 형성

초음파의 또 다른 성공적인 응용 사례는 리포솜과 나노리포솜의 제조입니다. 리포솜 기반 약물 및 유전자 전달 시스템은 다양한 치료뿐 아니라 화장품과 영양 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 수용성 활성 물질은 리포솜의 수성 중심부에, 지용성 활성 물질은 지질층에 넣을 수 있으므로 리포솜은 우수한 운반체입니다. 리포솜은 초음파를 이용하여 형성할 수 있습니다. 리포솜 제조의 기본 재료는 생체막 지질에서 유래하거나 이를 기반으로 하는 양친매성 분자입니다. 소형 단일막 소포(SUV)를 형성하려면 지질 분산액을 약하게 초음파 처리합니다. 예를 들어, 휴대용 초음파 처리기 UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter 또는 초음파 컵 혼을 사용합니다. 이러한 초음파 처리 시간은 약 5 – 15분입니다. 소형 단일막 소포를 제조하는 또 다른 방법은 다중막 소포 형태의 리포솜을 초음파 처리하는 것입니다.
Dinu-Pirvu et al. (2010)은 실온에서 MLV를 초음파 처리하여 트랜스퍼솜을 얻었다고 보고합니다.
Hielscher Ultrasonics는 모든 종류의 공정 요건을 충족하기 위해 다양한 초음파 장치, 소노트로드 및 액세서리를 제공합니다.
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초음파를 이용한 리포솜 내 물질 캡슐화

리포솜은 활성 물질의 운반체 역할을 합니다. 초음파는 활성 물질을 포집하기 위한 리포솜을 제조하고 형성하는 데 효과적인 도구입니다. 캡슐화 전에 리포솜은 인지질 극성 머리 부분의 표면 전하 간 상호작용으로 인해 군집을 형성하는 경향이 있으며(Míckova et al. 2008), 또한 리포솜을 열어야 합니다. 예를 들어, Zhu et al. (2003)은 초음파 처리를 통한 비오틴 분말의 리포솜 내 캡슐화를 설명합니다. 비오틴 분말을 소포 현탁액에 첨가하면서 용액을 약 1시간 동안 초음파 처리했습니다. 이 처리 후 비오틴은 리포솜 내부에 포집되었습니다.

리포솜 에멀션

보습 또는 노화 방지 크림, 로션, 젤 및 기타 코스메슈티컬 제형의 영양 공급 효과를 높이기 위해 리포솜 분산액에 유화제를 첨가하여 더 많은 양의 지질을 안정화합니다. 그러나 연구 결과 리포솜의 수용 능력에는 일반적으로 한계가 있는 것으로 나타났습니다. 유화제를 첨가하면 이러한 한계가 더 일찍 나타나며, 추가된 유화제는 포스파티딜콜린의 장벽 친화성을 약화시킵니다. 포스파티딜콜린과 지질로 구성된 나노입자가 이 문제의 해결책입니다. 이러한 나노입자는 포스파티딜콜린 단분자층으로 덮인 기름방울로 형성됩니다. 나노입자를 사용하면 더 많은 지질을 흡수하면서 안정성을 유지할 수 있는 제형을 만들 수 있으므로 추가 유화제가 필요하지 않습니다.
초음파 처리는 나노에멀젼과 나노분산액을 제조하는 검증된 방법입니다. 고강도 초음파는 액상(분산상)을 작은 액적으로 다른 상(연속상)에 분산시키는 데 필요한 동력을 공급합니다. 분산 영역에서 내파하는 캐비테이션 기포는 주변 액체에 강한 충격파를 일으켜 유속이 높은 액체 제트를 형성합니다. 새로 형성된 분산상 액적을 합체에 대해 안정화하기 위해 에멀젼에 유화제(표면 활성 물질, 계면활성제)와 안정제를 첨가합니다. 액적 파쇄 후의 액적 합체가 최종 액적 크기 분포에 영향을 미치므로, 효과적으로 안정화하는 유화제를 사용하여 최종 액적 크기 분포를 초음파 분산 영역에서 액적이 파쇄된 직후의 분포와 동일한 수준으로 유지합니다.

리포솜 분산액

불포화 포스파티딜클로린을 기반으로 하는 리포솜 분산액은 산화에 대한 안정성이 부족합니다. 비타민 C와 E의 복합체와 같은 항산화제로 분산액을 안정화할 수 있습니다.
Ortan 등(2002)은 초음파를 이용하여 리포솜에 Anethum graveolens 에센셜 오일을 담는 연구에서 좋은 결과를 얻었습니다. 초음파 처리 후 리포솜의 크기는 70–150 nm였으며, MLV의 크기는 230–475 nm였습니다. 이 값은 2개월 후에도 거의 일정했으나 12개월 후에는 증가했으며, 특히 SUV 분산액에서 증가했습니다(아래 히스토그램 참조). 에센셜 오일 손실과 크기 분포에 관한 안정성 측정에서도 리포솜 분산액이 휘발성 오일 함량을 유지하는 것으로 나타났습니다. 이는 에센셜 오일을 리포솜에 포집하면 오일의 안정성이 높아진다는 것을 시사합니다.
 

1년 후 MLV 및 SUV 분산액의 안정성. 리포솜 제형은 4±1 ºC에서 보관했습니다.
(연구 및 그래픽: ©Ortan et al., 2009):

 
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제약 연구 및 제조용 고성능 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 의약품 연구 및 제조를 위한 고품질, 고성능 초음파 처리기의 최고 공급업체입니다. 50와트부터 최대 16,000와트까지의 장치로 모든 용량과 모든 공정에 적합한 초음파 프로세서를 찾을 수 있습니다. 높은 성능, 신뢰성, 견고함 및 간편한 조작성 덕분에 초음파 처리는 나노소재의 제조 및 가공에 필수적인 기술입니다. CIP(정치 세정) 및 SIP(정치 멸균)를 갖춘 Hielscher 초음파 처리기는 제약 표준에 따른 안전하고 효율적인 생산을 보장합니다. 모든 개별 초음파 공정은 실험실 또는 벤치톱 규모에서 쉽게 시험할 수 있습니다. 이러한 시험의 결과는 완전히 재현 가능하므로, 이후의 규모 확대는 선형적으로 이루어지며 공정 최적화를 위한 추가 노력 없이 쉽게 수행할 수 있습니다.

Hielscher 초음파 처리기: 설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질 및 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고함과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 가혹한 조건과 까다로운 환경에도 손쉽게 대응합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 두고 있습니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 기준을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구사항을 충족합니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

문헌/참고문헌

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초음파는 입자의 초음파 화학적 합성, 해응집, 분산, 유화, 기능화 및 활성화에 성공적으로 사용되는 혁신적인 기술입니다. 특히 나노기술에서 초음파 처리는 나노 크기 물질의 합성과 가공에 필수적인 기술입니다. 나노기술이 이처럼 큰 과학적 관심을 받으면서 나노 크기 입자는 매우 다양한 과학 및 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 제약 산업에서도 유연하고 가변적인 이 물질의 높은 잠재력을 발견했습니다. 이에 따라 나노입자는 제약 산업의 다양한 기능적 응용에 사용되며, 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 약물 전달(운반체)
• 진단 제품
• 제품 포장
• 바이오마커 발굴