Preparation of PLGA microspheres using ethyl chloroacetate as a dispersed solvent

Abstract

본 연구에서는 새로운 약물 전달 시스템으로 관심 받고 있는 microsphere를 제조하는 방법을 개선하는 데 초점을 맞췄다. 일반적으로 microsphere를 만드는 방법은 용매를 제거하는 방법에 따라 크게 두 가지로 나뉘는 데 한 가지는 용매 증발법이고 다른 한 가지는 용매 추출법이다. 공통점은 고분자를 녹일 때 사용한 용매를 제거한다는 것이고 차이점은 용매를 제거하는 방법에 있다. 용매 증발법은 교반을 통해 용매를 휘발시켜 제거하고 용매 추출법은 continuous phase로 용매를 추출하여 제거하는 것이다. 두 가지 방법은 시간과 물, 돈이 많이 소요된다는 단점이 있었다. 그래서 단점의 개선을 위해 효과적인 용매 제거법으로 화학적 반응을 이용해 용매를 분해시켜 제거하는 방법을 제안하였고 그 중 ammonolysis를 도입하게 되었다. Ethyl acetate (EA)와 같은 에스터는 암모니아 수용액에 의해 분해되어 water-miscible한 분해산물을 만들고 그 분해산물은 수상으로 녹아 들어감으로써 제거될 수 있기 때문에 ammonolysis가 microsphere 제조 과정에 이용될 수 있다고 생각되었다. 실험에서는 EA와 그 유도체인 ethyl chloroacetate (ECA), ethyl fluoroacetate (EFA)의 ammonolysis 반응 속도를 비교하였고 세 가지 용매 중 중간의 반응성을 가진 ECA를 이용해 microsphere를 만들어 그 특성을 분석하였다. Ammonolysis 반응 속도는 EFA, ECA 그리고 EA의 순서로 나타났으며 가해준 암모니아 수용액의 용량에 따라 암모니아 수용액 9 mL을 사용한 조건이 3 mL을 사용한 조건보다 빠른 반응 속도로 많은 양의 에탄올을 회수하였다. 더 개선된 조건인 암모니아 수용액 9 mL을 사용한 방법으로 만든 microsphere는 암모니아 수용액 3 mL을 사용한 것보다 구형의 매끄러운 표면을 가진 입자가 만들어졌다. 봉입율은 암모니아 수용액 3 mL을 사용한 조건에서 54.4 ± 5.0 (mean ± S.D.) ~ 93.4 ± 1.3%를 나타내었고 암모니아 수용액 9 mL을 사용한 조건에서는 97.5 ± 1.1 ~ 102.7 ± 1.3%로 봉입되었다. 입자 크기는 프로게스테론을 38.05% 포함한 microsphere로 측정되었고 158.2 ± 4.5 μm였다. Thermogravimetric analysis (TGA)를 이용해서 microsphere에는 소량의 잔류용매만이 존재함을 확인하였다. Differential scanning calorimetry (DSC) 분석으로 측정한 유리전이온도와 녹는점은 각각 30 ~ 60 ℃와 120 ~ 130 ℃에서 확인되었고 powder x-ray diffraction (PXRD) 분석을 통해 microsphere에 봉입된 프로게스테론과 순수한 프로게스테론이 동일한 결정형을 나타냄을 알 수 있었다. Ammonolysis를 이용한 microsphere의 제조 방법은 용매 증발법과 용매 추출법과는 다른 흥미로운 결과를 나타내었다. 앞으로 이 방법을 이용해서 다양한 종류의 약물, 단백질 의약품 등을 전달하는 기술이 연구될 수 있을 것으로 기대된다.;The objective of this study was to develop novel method for preparing microspheres as a carrier in drug delivery system. To fabricate microspheres, solvent evaporation and extraction methods were most widely used. Microspheres preparations by evaporation and extraction techniques were composed of three major steps of emulsification, solvent removal and microspheres harvesting. In the evaporation method, solvent is volatilized by stirring. On the other hand, in the extraction technique, a dispersed phase is extracted to a continuous phase using water. But, these two methods needed lots of time and large quantity of water which could be serious drawback in industrial manufacturing. Ammonolysis-based encapsulation process is effective solvent removal technique for preparing biodegradable microspheres. Theoretically, water-immiscible ester compound can be converted to the water-miscible amide and ethanol by adding ammonia solution. These two water-soluble compounds which were produced by ammonolysis could be removed to the aqueous phase. Before preparing microspheres, reaction rate of EA and its derivatives (ECA and EFA) were compared. The results of reaction rate were in the order of EFA, ECA and EA, according to their electronegativity. The quantity of ammonia solution was also highly affected on the reaction rate. When there is more ammonia solution, reaction rate was also increased. Preparation of PLGA microspheres was performed using ECA as a dispersed solvent. ECA contained 75:25 PLGA and progesterone was emulsified in aqueous phase. Forming microspheres was started by adding ammonia solution. ECA emulsion droplets transformed into solid microspheres involved progesterone. Incorporation efficiencies of progesterone ranged from 54.37 ± 5.0 to 102.66 ± 1.29%, depending on progesterone amount and quantity of ammonia solution. Particle size was 158.18 ± 4.46 μm in the case of 38.05% progesterone. Thermogravimetric analysis (TGA) showed that the microspheres contained only small amounts of residual solvent. Powder x-ray diffraction (PXRD) analysis proved that no polymorphic transition of progesterone occurred during microencapsulation. Differential scanning calorimetry (DSC) analysis described that glass transition temperatures of 75:25 PLGA were changed from 50 ~ 60 ℃ to 30 ~ 50 ℃ during microencapsulation and there were α- and β-form progesterone. The novel ammonolysis-based microencapsulation process provided interesting results which were distinct from the evaporation and extraction methods. The microencapsulation process reported in this study might be applicable for various polymeric microspheres.