http://dx.doi.org/10.7841/ksbbj.2020.35.2.169 ISSN 1225-7117 / eISSN 2288-8268

http://dx.doi.org/10.7841/ksbbj.2020.35.2.169 ISSN 1225-7117 / eISSN 2288-8268

사포글리레이트 염산염을 함유하는 초다공성 상호침투 고분자 네트워크 하이드로겔의 개발

이계원*, 부소정, 이수환, 조영호*

Development of Superporous Interpenetrating Polymer Network Hydrogel Containing Sapogrelate Hydrochloride

Gye Won Lee*, So Jeong Boo, Soo Hwan Lee, and Young Ho Cho*

Received: 2 February 2020 / Revised: 8 April 2020 / Accepted: 20 April 2020

© 2020 The Korean Society for Biotechnology and Bioengineering

Abstract: In this study, superporous interpenetrating chi- tosan network hydrogel containing sapogrelate hydrochloride were prepared by changing the content of second polymer (polyvinyl alcohol, L-PVA) and crosslinking agent (formalde- hyde, FA) and gas blowing agent (sodium bicarbonate, NaH- CO

) using freezing (–80

C, 3 hr)-thawing (25

C, 4 hr)/gas blowing technique. The purpose of this study is to evaluate swelling and dissolution behavior for application as a gastro- retensive drug delivery and optimize the formulation of super- porus interpenetrating polymer network hydrogel (SPH-IPN) based on the design of experiment (DoE) using central com- posite design. Swelling ratio was highly dependent on the extent of cross-linking. Apparent density was dependent on the volume of the SPH-IPN and decreased with increasing crosslinking density. By the results we could confirm that the mechanism of drug release from hydrogel is Highchi and Korsmeyer-Peppas model by non-fickian diffusion. Optimized SPH-IPN (L-PVA 131.17%, FA 148.41%, NaHCO

11.70%) showed satisfactory results for dependent variables. These studies showed the application of quality by design (QbD) in formulation development of chitosan-based SPH-IPN con-

taining sapogrelate hydrochloride, which can be used as a sus- tain released gastroretentive drug delivery system in view of their swelling characteristics in acidic pH.

Keywords: superporus interpenetrating polymer network hydrogel, quality by design (QbD), freezing-thawing/gas blow- ing method, sapogrelate hydrochloride, central composite design

1. INTRODUCTION

하이드로겔은 물에 녹지 않고 팽윤되어 구조 내에 많은 양의 수분을 함유할 수 있는 3차원 망상 구조를 갖는 친수성 고분 자의 물질이며 수용액에서 팽윤된 이후 열역학적으로 안정 하고, 특유의 친유성과 유연성으로 인해 의약학적 분야에 다 양하게 이용되고 있다 [1-3]. 이 중 초다공성 하이드로겔 (superporous hydrogel, SPH)은 수백 µm 크기의 다공성을 가 지는 친수성 고분자의 3차원적 네트워크 구조이다 [4]. SPH 는 짧은 시간에 많은 양의 물을 흡수하여 팽윤될 수 있으므 로 위에 오랜 시간 동안 머무를 수 있어 최근 위체류 전달체 로 많이 연구되고 있다 [5-7]. 그러나 이러한 하이드로겔은 기계적 성질이 약한 단점 [8]이 있어 SPH composite (SPHC) 와 SPH hybrid (SPHH) 등이 개발되기 시작하여 최근에는 소 듐 알지네이트, 소듐 카르복시메칠 셀룰로오스, 펙틴 및 키 토산에 가교결합 시켜주는 hybrid agent를 혼합하여 탄성과 기계적 강도를 보완해 줄 수 있는 다양한 3세대 SPHH가 많 이 개발되어 사용되고 있다 [9-12].

상호침투 고분자 네트워크 (interpenetrating polymer network,

Department of Pharmaceutics & Biotechnology, Konyang University, Daejeon 35365, Korea

Tel: +82-42-600-8503, Fax: +82-42-600-8503 e-mail: [email protected]

Tel: +82-42-600-8502, Fax: +82-42-600-8502 e-mail: [email protected]

Research Paper

IPN)는 두 가지 이상의 고분자가 상호침투하는 고분자 구조 로 화학결합이 아닌 물리적으로 얽혀 있는 것을 말하며, 상 대적으로 촘촘하게 하이드로겔 매트릭스를 형성할 수 있어 하이드로겔의 기계적 강도를 높여주면서 방출 제어를 할 수 있을 뿐만 아니라 많은 약물을 네트워크 안에 포집할 수 있 는 장점 때문에 3세대 SPHH에 많이 응용되고 있다 [13-16].

사포그릴레이트 염산염 (sarpogrelate hydrochloride)은 BCS (biopharmaceutical classification system) class I에 속하는 약 물로 혈소판 및 혈관이 세로토닌 (5-hydroxytryptamine, 5- HT) 수용체를 선택적으로 길항하여 항혈소판 작용 및 혈관수 축 억제작용을 나타내어 만성 동맥 폐색증에 의한 궤양, 동통 및 냉감 등의 허혈성 제증상 개선에 사용되고 있다 [17,18]. 이 약물은 경구 투여시 위장관에서 빠르게 흡수되어 0.6~0.8시 간의 짧은 반감기를 가지고 있어 환자들의 복약순응도를 높 이기 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다 [19,20].

기존의 의약품 개발은 전반적으로 경험적 근거에 의하여 주로 한 개의 변수에 대한 연구 개발이었으나 최근에는 ICH 가이드라인 Q8, Q9, Q10에 따라 설계기반품질고도화 (quality by design, QbD)에 의한 체계적 설계와 전주기적 관리를 통 하여 개발되어지고 있다 [21,22].

따라서 본 연구에서는 모델약물로 사포그릴레이트 염산염 을 함유하는 초다공성 상호침투 고분자 네트워크 하이드로 겔 (superporous interpenetrating polymer network hydrogel, SPH-IPN)을 반응표면법의 실험설계법 [23]에 따라 제2차 고 분자 서방화제, 가교결합제 및 가스발생제의 양을 달리하여 동결-융해/가스발생 방법으로 제조하여 swelling ratio와 용 출에 미치는 영향을 평가한 후, 최적 처방이 함유된 디자인 스페이스를 제시하여 QbD를 이용한 서방형 위체류 약물전 달시스템으로 개발 가능성을 제시하고자 하였다.

2. MATERIALS AND METHODS

2.1. 시약 및 재료

시약으로서 사포그릴레이트 염산염은 국전사 (Korea)에서, 저분자 폴리비닐알코올 (L-PVA, MW 31,000~50,000) 과 고분 자 폴리비닐알코올 (H-PVA, MW 89,000~98,000) 및 키토산 은 Aldrich사 (USA)에서, 포름알데히드 (FA) 및 초산 (AA)은 대정사 (Korea)에서, 글루타르알데히드 (GA), 중탄산나트륨 (NaHCO

)은 삼천사 (Korea)에서 각각 구입하여 사용하였다.

분석에 사용된 HPLC용 아세토니트릴은 J.T Baker사 (Korea) 에서 구입하여 사용하였으며, 그 외 기타 시약과 용매는 특 급 또는 일급을 사용하였다.

2.2. 기기

기기로서 HPLC 1260 system (Agilent, USA)를, 진탕배양기 는 IST-3075R (Jeiotech, Korea)를, 자외선/가시선 분광광광 도계는 Genesys 10S (Thermo, USA), FT-IR은 FT/IR-4100 (Jasco, Japan)을 그리고 시차열량주사기 (differential scanning

calolimeter)는 DSC N-650 (Scinco, Korea)을 각각 사용하였다.

2.3. 상호 호환성 (Compatibility)

SPH-IPN 의 제조에 사용된 고분자량과 저분자량의 PVA, 키 토산과 사포그릴레이트 염산염의 compatibility를 DSC와 FT-IR로 측정하였다. 즉, 약 6 mg을 취하여 알루미늄 팬에 넣 고 DSC로 측정하였다. 이때 고분자 시료의 분해를 막기 위 하여 질소 기류 하에서 25

C에서 150

C까지 10

C/min의 속 도로 승온시키면서 열량의 변화 및 융점을 비교 측정하였다.

또한, 제조한 SPH-IPN의 표면을 SEM으로 측정하여 결합된 표면 상태를 관찰하였다. 이때 측정 전류는 60 mA이었으며, 시료는 측정하기 전 2주 동안 데시케이터에 넣어 건조시켜 수분을 제거하여 이온증착기로 백금 코팅하여 사용하였다.

FT-IR 스펙트럼은 브롬화칼륨 디스크 정제법을 사용하여 400~4000 cm

에서 측정하여 얻었다.

2.4. 약물 봉입

사포그릴레이트 염산염은 soaking or equilibration method를 이용하여 SPH-IPN에 봉입하였다 [7]. SPH-IPN의 swelling 에 필요한 미디움 (medium)의 양을 미리 결정하여 사포그릴 레이트 포화용액 (5% W/V in distilled water)을 제조하였다.

즉, SPH-IPN (100 mg)을 약물 포화용액에 넣고 평형에 도달 할 때까지 방치한 후, 50

C에서 24시간 건조하였다.

따로 포화용액을 제조하기 위하여 4종의 용매 (증류수, 에 탄올, 인공위액 (pH 1.2) 및 인공장액 (pH 6.8)) 1 mL를 에펜 돌프 튜브에 넣고 사포글리레이트 염산염 과량을 넣어 혼합 한 후, 실온에서 72시간 동안 진탕배양기로 진탕하여 평형 상태에 도달시켰다. 15,000 rpm으로 원심분리하여 상층액 0.1 mL을 취하여 적당히 희석한 후, HPLC에 직접 주입하여 사포그릴레이트 염산염의 용해도를 3회 반복하여 측정하였 다. 이때 이동상은 아세토니트릴과 물을 35:65 (V/V%, 0.5%

인산 함유), 컬럼은 Shimpak GIS 5 µm ODS (4.6 mm × 15 cm, particle size 5 µm), 컬럼 온도는 40

C, 파장은 271 nm, 유속은 1.0 mL/min 그리고 주입량은 20 µl로 하였다. HPLC 분석법 의 일간 및 일내 정밀성과 정확성은 98~102%이었으며, 상대 표준편차는 0.2% 이하였다.

2.5. 사포그릴레이트 염산염 함유 초다공성 상호침투 고분 자 네트워크 하이드로겔 (SPH-IPN)의 제조

FMEA로 평가하여 높은 RPN 값을 나타내어 영향을 미친다

고 평가되어진 제2 폴리머, 가스발생제 및 가교결합제에 영

향을 받지 않는 제조조건을 확립하기 위하여 1차 폴리머로

키토산을 2wt%로 고정하고 2종의 제2차 고분자 서방화제

(H-PVA, LPVA), 2종의 가교결합제 (FA, GA)를 사용하여 동

결-융해/가스발생 방법으로 SPH-IPN을 제조한 후, swelling

ratio로 평가하였다. 즉 키토산 용액 (5 g)을 시험관에 넣고 10

wt% L-PVA 용액 (0.5, 1, 2, 3, 4 및 5 g)과 FA (0.1, 0.2 및 0.3 g)

을 넣고 잘 혼합한 후, 중탄산나트륨을 30 mg을 넣어 반응이

일어날 때까지 교반하였다. 형성된 SPH-IPN을 3시간 실온에

서 방치한 후 동결 (–80

C)-융해 (25

C)을 3회 반복한 다음 물 로 충분히 세척하여 50

C에서 15시간 건조하였다 [24, 25].

L-PVA (X

)은 키토산에 대해 100~200, FA (X

) 와 NaHCO

(X

) 은 각각 전체 폴리머에 대해 100~150과 5~10 (wt%)로 함 유하도록 총 20개의 런을 Minitab ver. 18 software (Minitab Inc., Pennsylvania, USA)을 사용해서 도출하여 확립된 방법 에 따라 사포그릴레이트를 함유하는 SPH-IPN을 제조하였다 [26,27]. 종속변수는 swelling ratio (Y

), 약물 봉입효율 (Y

), dissolution rate (Y

) 으로 하였다.

이들의 상관관계에 대한 모델 적합성은 회귀분산분석 (ANOVA analysis, p < 0.05) 및 다중상관계수 (R

) 통해 검증 하였으며 swelling ratio 4,500~10,000 (%), 약물 봉입효율 80~ 120 (%), 용출률 (95% 이상)을 가지지는 최적의 L-PVA, FA 및 NaHCO

의 함량을 제시하였다

2.6. 사포그릴레이트 염산염 함유 초다공성 상호침투 고분 자 네트워크 하이드로겔 (SPH-IPN)의 평가

2.6.1. 주사현미경 관찰 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 제조된 SPH-IPN의 표면을 SEM으로 측정하여 관찰하였다.

이때 측정 전류는 60 mA이었으며 시료는 측정하기 전 건조 시켜 이온증착기로 백금 코팅하여 사용하였다.

2.6.2. 팽윤도 (Swelling ratio)

제조된 SPH-IPN 일정량을 인공 위액 (pH 1.2)에 담가 37

C 에서 최대로 팽윤시킨 후, 50.0 ± 0.5

C에서 48시간 동안 건 조하여 각각의 무게를 측정하여 다음과 같은 식에 의해 팽윤 도를 측정하였다.

여기에서 W

는 팽윤된 SPH-IPN의 무게, W

는 건조된 SPH- IPN의 무게이다 [28,29].

2.6.3. 약물 봉입효율 (Drug entrapment efficiency, DEE) 사포그릴레이트 염산염으로서 10 mg에 해당하는 SPH-IPN 을 정밀하게 취해 30분 동안 소니케이션하고 5시간 이상 충 분히 교반하여 용해시킨 후, 0.45 µm 멤브레인 필터로 여과 하고 HPLC에 주입하여 분석하였다.

2.6.4. 약물 방출

사포그릴레이트 염산염으로서 33.33 mg에 해당하는 사포그릴 레이트 염산염 함유 SPH-IPN을 취하여 인공위액 (pH 1.2) 100 mL, 37 ± 0.5

C, 50 rpm의 조건으로 약물방출을 평가하 였다. 정해진 시간 (0, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 18 및 24시 간)에 따라 미디움으로부터 검액 0.2 mL씩 채취한 뒤 즉시 동온동량을 보충해주었으며 HPLC에 주입하여 분석하여 방 출율 (%)을 구하였다.

용출시험으로부터 얻어진 각각의 데이터는 약물용출 메카

니즘에 많이 이용되는 4가지 모델 (Zero order kinetic, Higuchi model, Korsmeyer-Peppas model 및 First order kinetic)을 이용 하여 용출속도와의 상관계수를 구하였다. 이때 모델의 용출 속도의 상관계수는 다음 식에 의해서 구하였으며, Kormeyer- Peppas model의 경우 약물이 10~60% 사이에 용출된 데이터 만 사용하여 평가하였다 [30].

Zero order kinetic : M

= K

× t Higuchi model : M

= k

× t

Kormeyer-Peppas model : M

/M

= K × t

First order kinetic : Log M

= Log M

– k/2.303 × t Hixon-Crowell cube root law : M

– M

= K

× t 이들 식에서 M

는 시간 t에서 방출된 약물의 양, M∞은 하 이드로겔에 함유된 약물의 양, K는 속도상수, n은 방출 메카 니즘과 관련된 지수이다. Kormeyer-Peppas model은 제형의 기하학적 형태에 따라서 조금씩 차이가 있지만, n ≤ 0.45인 경우 Fickian diffusion release, 0.45 < n < 0.89인 경우 non- Fickian release (anomalous release), n = 0.89 인 경우 case II (relaxational) transport, n > 0.89인 경우 super case II transport 를 따른다고 정의하고 있다 [31, 32].

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. 상호 호환성

사포그릴레이트 염산염과 다른 첨가제와의 compatibility를 DSC와 FT-IR을 이용하여 측정한 결과를 Fig. 1과 Fig. 2에 각 각 나타내었다.

DSC 스펙트럼에서 152.31

C의 사포그릴레이트 염산염 흡 열 피크를 가리지 않고 키토산은 104.05

C 부근에서, L-PVA 에서는 피크가 나타나지 않아 양호한 compatibility를 나타내

( )

W_d

---×100

Fig. 1. DSC thermograms of pure sapogrelate hydrochloride (A),

chitosan (B), L-PVA (C) physical mixture (D), blank SPH-IPN

(E) and SPH-IPN containing sapogrelate hydrochloride (F). L-

PVA means low molecular weight-polyvinyl alcohol and SPH-IPN

means superporous interpenetrating polymer network hydrogel.

었다. 약물이 로딩된 SPH-IPN에서는 낮은 피크 강도로 broad 한 양상을 나타내었는데 이는 Cheda 등 [33]에서와 같이 약물 이 soaking method에 의해 로딩될 때 결정질 상태가 무정형 상태로 전환된 것으로 사료된다 (Fig. 1).

FT-IR 스펙트럼에서 키토산은 카보닐 (C = O-NHR)과 아 민 (-NH

) 기의 특징적인 밴드가 각각 1653 cm

과 1560 cm

에서 관찰되었다. 아민과 –OH기에 신축 진동으로 인한 broad한 밴드가 3400-3500 cm

에서 키토산의 당구조가 1000-1200 cm

에서 각각 관찰되었다. 따라서 사포그릴레이 트 염산염을 함유하는 SPH-IPN은 약물 및 부형제의 특성 피 크를 모두 나타내기 때문에 물리적 및 화학적 상호작용 없이 compatibility가 양호한 것으로 사료된다 (Fig. 2).

3.2. 약물 봉입

약물을 폴리머와 같이 첨가하여 봉입하는 방법은 SPH-IPN 의 형성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 봉입률이 낮아 본 연구 에서는 equilibrium method를 이용하였다. 이 때 SPH-IPN에 많은 양의 약물을 봉입하기 위하여 미리 4종의 미디움에서 용해도를 측정하여 Table 1에 나타내었다. 즉, 인공위액 (pH 1.2)보다는 정제수와 인공장액 (pH 6.8)에서 50.53 ± 0.28과 58.49 ± 0.50 mg/mL 로 더 높은 용해도를 나타내므로 정제수 로 포화용액을 제조하여 사용하였다.

3.3. 사포그릴레이트 염산염 함유 초다공성 상호침투 고분 자 네트워크 하이드로겔 (SPH-IPN)의 제조

형성된 SPH-IPN을 –80

C에서 3시간 3회 반복하거나 12시간 동안 동결하여 제조한 SPH-IPN은 동결시간을 3회로 나누어 반복하는 경우에 더 높은 swelling ratio를 나타내었다 (Fig.

3). 이는 동결시간이 3시간 이상 길어지면 공극의 크기가 감 소하여 오히려 팽윤도가 감소한다는 기존의 실험과 동일한 결과라 할 수 있다 [34].

2종의 제2 폴리머는 PVA의 분자량에 상관없이 양호한 SPH-IPN을 형성하였으며 특히 FA를 0.1 g으로 고정하여 L- PVA 의 양을 달리하였을 때 제2 서방화제인 L-PVA의 양이 증가할수록 swelling ratio는 급격하게 감소하여 키토산 중량 의 300%에 해당하는 5:3의 비율부터는 감소된 양상을 나타 내므로 키토산에 대해서 양을 조절하여 방출과 swelling ratio 를 조절할 필요가 있을 것으로 사료된다 (Fig. 4).

크고 일정한 pore를 얻기 위해서 가스 발생제는 적당한 점 도를 가지고 있을 때 첨가해주는 것이 바람직하므로 [35] 본 연구에서는 키토산, 가교 결합제 및 가스발생제를 동시에 첨 가하여 주었으며 너무 많은 양을 첨가하면 pH가 맞지 않아 겔이 형성되지 않기 때문에 적절히 조절하여 제조하였다.

2 종의 가교 결합제 모두 안정적으로 SPH-IPN을 형성하여 양이 증가할수록 swelling ratio가 증가하였으나, GA에서는 사포그릴레이트 염산염이 50% 이하로 봉입되므로 가교 결 합제로는 FA를 사용하는 것이 바람직하였다. 그러나 가교 결합제는 양이 150% 이상에서는 오히려 crosslinking density 를 감소시킬 뿐만 아니라 네트워크 구조가 더 단단해져서 탄 Fig. 2. FT-IR spectra of pure sapogrelate hydrochloride (A),

chitosan (B), L-PVA (C) physical mixture (D) blank SPH-IPN (E) and SPH-IPN containing sapogrelate hydrochloride (F). L-PVA means low molecular weight-polyvinyl alcohol and SPH-IPN means superporous interpenetrating polymer network hydrogel.

Table 1. Saturated solubility of sarpogrelate hydrochloride in various solvent

Solvent Solubility (mg/mL)

25^oC 37^oC

Distilled water 17.01 ± 0.27 50.53 ± 0.26 Ethyl alcohol 8.50 ± 0.31 37.38 ± 0.14 SGF^* (pH 1.2) 4.13 ± 0.18 8.44 ± 0.35 SIF^** (pH 6.8) 30.16 ± 0.74 58.49 ± 0.50

Data are expressed as the mean ± SD (n = 3)

* SGF means simulated gastric fluid

** SIF means simulated intestinal fluid

Fig. 3. Swelling ratio of SPH-IPN according to freezing-thawing time (Method 1 : 3 hr - 3 times, Method 2 : 12 hr - 3 times) and FA amount (0.1, 0.2, 0.3 g) at chitosan : L-PVA (5:1 W/W%). (n = 3, Mean ± SD). SPH-IPN means superporous interpenetrating polymer network hydrogel, FA means formaldehyde, and L-PVA means low molecular weight-polyvinyl alcohol.

성이 감소하고 단단해지는 현상이 관찰되었다.

3.4. 사포그릴레이트 염산염 함유 초다공성 상호침투 고분 자 네트워크 하이드로겔 (SPH-IPN)의 평가

SPH-IPN는 동결-해동과정을 거친 후에 점성 있는 액체나 겔 상태로 존재했던 처방 3, 5, 9 및 11에서 69~95%의 높은 회수 율로 제조되었으며, 가스발생제인 NaHCO

의 양에 의해서 형성되는 양상이 달라져서 겔이 깨지는 현상도 관찰되었다 (Table 2). 제조된 SPH-IPN의 표면에서는 다공성을 확인할 수 있었다 (Fig. 5).

용출속도는 L-PVA의 양이 증가하면 감소하였으나 FA와 NaHCO

의 양이 증가하면 증가하였다 (Fig. 6). 또한, L-PVA

의 양을 125 wt%로 고정할 경우 FA와 NaHCO

의 양에 의해 서 영향을 받는 것으로 보아 용출률은 세 가지 변수 모두에 의해서 영향을 받는 것으로 사료된다 (Fig. 7).

SPH-IPN 으로부터 사포그릴레이트 염산염의 방출 메카니 즘은 Shrisha 등 [6]의 연구와 동일하게 처방 7을 제외하고는 모두 Higuchi (R

: 0.9543~0.9996)와 Korsmeyer-Peppas (R

: 0.9543~0.9996) model을 따르는 것으로 평가되었으며, release exponent는 0.67~1.76으로서 확산 및 침식을 통한 anomalous (non-Fickian) diffusion mechanism 과 복잡한 supercase II transport를 나타내는 것으로 확인되었다 (Table 3). 이러한 결 과는 초기 60분 이내에 swelling이 빠르게 일어나면서 서서 히 평형 상태에 도달하는 swelling ratio와 일치하는 결과라 할 수 있다. 즉, 사포그릴레이트 염산염은 초기 2시간 이내에 약물이 빠르게 직선적으로 방출되다가 24시간까지 지속적

ratio at 0.1 g of FA (n = 3, Mean ± SD). SPH-IPN means superporous interpenetrating polymer network hydrogel, FA means formalde- hyde, and L-PVA means low molecular weight-polyvinyl alcohol.

Table 2. The experimental results of superporous interpenetrating polymer network hydrogel (SPH-IPN) containing sarpogrelate hydrochloride

1 50 50 5 820.1 ± 86.45 29.4 ± 4.33 Viscous liquid 87.6

2 200 50 5 152.1 ± 271.2 93.8 ± 14.36 Elastic gel 40.1

3 50 150 5 1216.8 ± 73.48 61.8 ± 1.75 Viscous gel 88.9

4 200 150 5 2078.9 ± 47.39 85.5 ± 0.76 Rigid solid 44.5

5 50 50 10 1379.5 ± 14.06 41.7 ± 2.63 Viscous liquid 68.9

6 200 50 10 1785.9 ± 181.25 75.2 ± 2.52 Elastic gel 36.5

7 50 150 10 3112.0 ± 388.93 93.7 ± 2.06 Elastic gel 68.9

8 200 150 10 5489.2 ± 89.43 91.1 ± 2.61 Liquid 30.5

9

−

10 251.13 100 7.5 2251.3 ± 55.28 78.9 ± 3.21 Elastic gel 32.3

11 125 15.91 7.5 740.6 ± 57.00 42.8 ± 3.26 Viscous liquid 71.1

12 125 184.09 7.5 2868.2 ± 47.14 94.4 ± 2.59 Liquid 40.9

13 125 100 3.30 740.4 ± 149.51 27.4 ± 6.42 Fluidic gel 68.3

14 125 100 11.70 3448.5 ± 306.17 100.0 ± 1.09 Elastic gel 39.8

15-20^* 125 100 7.5 2289.1 ± 354.76^** 81.0 ± 7.02^** Elastic gel 58.6

*

Formulation 15~20 were same composition.

**

Values were expressed as the mean ± SD of formulation 15~20.

L-PVA : low molecular weight-polyvinyl alcohol, FA : formaldehyde, DEE : drug entrapment efficiency

으로 방출되는 양상을 나타내었다 [36].

산성 환경에서 키토산은 암노늄 이온으로 이온화되어 폴 리머 분자 사이에 반발력이 작용하도록 하기 때문에 SPH- IPN 은 염기성 환경에서보다 더 높은 swelling ratio를 나타내 는 것으로 알려져 있다 [7].

3.5. 처방 (Formulation)의 최적화

독립변수로 L-PVA의 함량 (X

), FA의 함량 (X

) 및 NaHCO

의 함량(X

) 으로 설정하여 중심합성설계에 의한 종속변수의 결과, 모형 적합성을 위한 2차 항에 대한 회귀분산분석 (p <

0.05) 및 다중상관계수를 Table 4에 나타내었다.

Swelling ratio, 약물 봉입효율 및 용출률은 회귀분산분석결 과 회귀 모형에 적합한 것으로 나타났다 (R

> 0.804). Swelling

ratio와 약물봉입효율은 FA와 NaHCO

가 증가함에 따라 직 선적으로 증가하였으나 L-PVA는 2차식의 곡선 형태를 보이 며 교호작용을 나타내었다.

용출률은 NaHCO

가 증가함에 따라 직선적으로 증가하였 으나 L-PVA와 FA에서는 증가하다 100% 이상의 양에서는 오히려 낮아지는 이차식의 곡선 형태를 보이며 교호작용을 나타내었다.

사포그릴레이트 염산염 함유 SPH-IPN은 NaHCO

를 11.70%

로 고정하여 swelling ratio 4,500~10,000%, DEE 80~120% 및 용출 95~105%의 값을 가지도록 겹쳐지는 영역을 나타내었 을 때 L-PVA와 FA는 각각 48.8~218.8와 105.6~170.7%의 범 위에서 바람직한 특징을 나타내었고, 특히 세 요인을 모두

IPN containing sapogrelate hydrochloride at simulated gastric fluid (pH 1.2) according to NaHCO₃ wt% (n = 3, Mean ± SD). SPH-IPN means superporous interpenetrating polymer network hydrogel.

Fig. 7. Dissolution profile of sapogrelate hydrochloride from SPH- IPN containing sapogrelate hydrochloride in simulated gastric fluid (pH 1.2) according to NaHCO₃ and FA wt% (n = 3, Mean ± SD).

SPH-IPN means superporous interpenetrating polymer network hydrogel and FA means formaldehyde.

Table 3. Regression coefficient (R

) values of sapogrelate hydrochloride release data obtained from superporous interpenetrating polymer network hydrogel (SPH-IPN) containing sapogrelate hydrochloride

Formulation

No. Zero order Higuchi model Hixon-

Crowell First order Peppas model Mechanism of

release

k n R²

1 0.8105 0.8815 0.9825 0.9143 -^* - - -

2 0.9353 0.9751 0.7793 0.9710 0.0147 0.7705 0.9687 Non-fickinian

3 0.8396 0.9053 0.8900 0.9237 - - - -

4 0.9467 0.9595 0.8017 0.9546 0.0189 0.8111 0.9741 Non-fickinian

5 0.9079 0.9568 0.9376 0.9576 - - - -

6 0.9503 0.9815 0.8540 0.9817 0.0037 1.1318 0.9960 Super case II

7 0.9012 0.8772 0.9039 0.9083 0.0310 0.6659 0.8521 Non-fickinian

8 0.9821 0.9974 0.9015 0.9998 0.0006 1.5015 0.9913 Super case II

9 0.9843 0.9792 0.9240 0.9822 0.0085 0.9417 0.9824 Super case II

10 0.9853 0.9988 0.9726 0.9993 0.0113 0.8329 0.9948 Non-fickinian

11 0.9772 0.9943 0.9518 0.9945 0.0083 0.9038 0.9906 Super case II

12 0.9615 0.9886 0.9418 0.9910 0.0007 1.3825 0.9474 Super case II

13 0.9386 0.9764 0.8801 0.9667 - - - -

14 0.9045 0.9545 0.9115 0.9883 0.0003 1.7571 0.9580 Super case II

15 0.9759 0.9959 0.9508 0.9848 0.0138 0.6408 0.9994 Non-fickinian

*

could not calculate because > 60% was dissolved in 30 minutes.

만족하는 L-PVA와 FA의 범위는 각각 103.4~152.1와 138.95

~152.30%이었다 (Fig. 8).

가장 최적 처방인 L-PVA 131.37, FA 148.41 및 NaHCO

11.70%를 함유하도록 사포그릴레이트 염산염을 함유하는 SPH-IPN을 제조하여 평가한 결과는 0.9805의 중합만족도를 나타내면서 예측된 결과값과 일치하여 서방형 위체류약물

전달시스템으로서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다 (Table 5, Fig. 9).

4. CONCLUSION

사포그릴레이트 염산염을 함유하는 SPH-IPN을 반응표면법 (response surface methodology) 의 실험설계법에 따라 제2 고 분자 서방화제, 가교결합제 및 가스발생제의 양을 달리하여 동결-융해/가스발생 방법으로 제조하여 swelling ratio와 용 출에 미치는 영향을 평가한 후, 최적 처방이 함유된 디자인 스페이스를 제시하여 QbD를 이용한 서방형 위체류약물전 달시스템으로서 가능성을 제시하고자 하였다. 사포글릴레 Table 4. Results of polynomial equations derived for various responses

Variables Observed response

bo X₁ X₂ X₃ X₁² X₂² X₃² X₁₂ X₁₃ X₂₃

Y1

Coefficient 2278 468 730 782

−

−

P-Value 0.000 0.019 0.001 0.001 0.372 0.569 0.972 0.253 0.504 0.029

1945 – 0.2X₁– 20.2 X₂– 251 X₃– 0.0272 X₁²– 0.0386 X₂²+ 1.0 X₃²+ 0.0711 X₁*X₂+ 0.81 X₁*X₃+ 4.48 X₂*X₃ (R²=0.852, P=0.004)

Y₂

Coefficient 80.70 14.80 13.09 11.22

−

−

−

−

−

P-Value 0.000 0.002 0.004 0.011 0.063 0.547 0.289 0.068 0.159 0.270

−

+ 0.0438 X₂*X₃ (R²= 0.842, P = 0.005)

Y₃

Coefficient 80.80

−

−

−

P-Value 0.000 0.652 0.330 0.002 0.021 0.020 0.177 0.070 0.811 0.654

75.2 – 0.672 X1– 0.802 X2+ 17.34 X3+ 0.001528 X12 + 0.00350 X22 – 0.732 X32+ 0.00229 X1*X2+ 0.0055 X1*X3

+ 0.0156 X2*X3 (R²= 0.805, P=0.013)

X

: L-PVA X

: FA, X

: NaHCO

Y

: Swelling ratio, Y

: Drug entrapment efficiency, Y

: Dissolution rate

Fig. 8. Overlay plot that satisfied the target value for the response variables.

Table 5. The results of superporous interpenetrating polymer network hydrogel (SPH-IPN) containing sapogrelate hydrochloride prepared by optimized formulation

Item

Formulation Optimized

value

Actual value (n = 3, Mean ± SD) Swelling ratio (%) 5631.93 5495.78 ± 88.78

Drug entrapment

efficiency (%) 86.76 85.95 ± 1.56

Dissolution rate 100 103.8 ± 2.5

Fig. 9. Release profile for SPH-IPN containing sapogrelate hydrochloride prepared by optimized formulation. SPH-IPN means superporous interpenetrating polymer network hydrogel.

이트 염산염을 함유하는 SPH-IPN은 키토산, L-PVA, FA 및 NaHCO

의 영향을 받지 않고 동결-융해/가스발생 융합 방법 으로 안정하게 제조할 수 있었다. 제조된 SPH-IPN의 swelling ratio, 약물봉입효율 및 용출률은 L-PVA, FA 및 NaHCO

의 영향을 받아 직선적으로 증가하거나 2차식의 곡선 양상을 나타내었다. SPH-IPN에서 사포그릴레이트 염산염은 Higuchi model에 의해 non-fickian diffusion으로 방출되었으며 중심 합성설계법에 따라 L-PVA 131.37, FA 148.41 및 NaHCO

11.70% 을 함유하는 최적 처방의 SPH-IPN은 높은 중합도를 가지고 예측된 값과 일치하였다. 따라서 본 연구는 QbD를 적용하여 사포그릴레이트 염산염을 함유하는 서방형 위체 류약물전달시스템 개발 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

Acknowledgements

이 논문은 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단-현장맞춤형 이공계 인재양성 지원사업의 지 원을 받아 수행된 연구임 (No. 2019030267).

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