Application of Non-volatile Dimethyl Carbonate to Preparation of PLGA Microspheres via New Emulsion Microencapsulation Technique

Abstract

제약 산업에서는 서방출형 microparticulate depot 제형 개발에 많은 관심을 두고 있다. 현재, 단일 피하 또는 근육 내 주사를 통해 1 주일에서 6 개월까지 다양한 약물을 방출하는 여러 종류의 미립구 제품들이 있다. 미립구는 long-acting release로의 응용 외에도 화학색전술 용의 경우에는 암 조직을 둘러 싼 혈관을 막기 위해 개발되고 있다.1 얼굴 성형제로서 미립구도 존재한다.2 Poly-d,l-lactide-co-glycolide (PLGA)는 이런 미립구 제조에 보편적으로 사용되는 고분자 재료이다.3 지속적인 약물 방출의 기간은 lactideglycolide의 비율, 기능성 end group 및 PLGA 분자량을 변화시켜 조정할 수 있다. 예를 들어, lactide:glycolide의 비를 감소시키거나 또한 carboxylic end groups를 첨가게 되면, 미립구의 생분해 속도를 증가시켜 빠른 약물 방출이 이루어지게 한다. 반면에 PLGA 분자량을 증가시키면, 생분해 속도를 늦춰 약물 방출 속도가 감소하게 된다. PLGA 미립구는 다양한 기술을 통해 제조될 수 있지만, 대부분 유제 기반 용매 증발 또는 용매 추출의 원리를 사용한다. PLGA 미립구를 용매 증발 방법으로 만들 때, 가장 일반적으로 사용되는 유기 용매는 methylene chloride와 chloroform이다.4-7 두 용매 모두 The International Conference on Harmonization (ICH)에서 class 2로 분류되며, 의약품에서의 잔류량은 각각 600과 60 ppm 이하여야 한다. 특히, 40 ℃의 비등점을 갖는 methylene chloride는 PLGA의 가용화력, 수 불용성 및 높은 휘발성이 있어 종종 사용된다. 그러나 methylene chloride는 할로겐성 유기용매로, 발암 물질이다. 또한, 대기 중 오존층을 파괴하는 위험 물질이기도 하다. 실제로 2013년 ATSDR Substance Priority List에서 methylene chloride는 275개의 유해물질 중 88번째로 분류되었다. 따라서 환경 및 약물 규제 기관은 엄격하게 methylene chloride 사용을 규제하고 있다. Lupron Depot®는 대표적으로 methylene chloride를 사용해 제조된 미립구 제품이다. 이러한 문제로 인해 할로겐성 유기용매 대신 안전한 비할로겐성 유기용매를 사용하는 microencapsulation 방법 개발에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이런 경향을 반영하여 ethyl acetate를 분산용매로 사용한 microencapsulation 공정이 주목 받고 있다.8-11 Ethyl acetate는 ICH class 3에 해당하는 유기용매로, 의약품에서 ICH class 3 용매 잔류 허용 기준은 5000 ppm 또는 0.5% 이다. Risperdal Consta®는 ethyl acetate를 사용하여 용매 추출 공정으로 제조된 상업용 미립구 제품이다. Acetone, ethyl formate 및 methylethyl ketone과 같은 ICH class 3의 다른 용매들을 사용하기 위해 여러 시도가 이 루어지고 있다.12 본 연구는 친환경적인 비할로겐성 용매인 dimethyl carbonate를 사용하는 데 주안점을 두었다. 미국 EPA는 2009년에 휘발성 유기 화합물 (VOCs)에 대한 규제에서 dimethyl carbonate를 제외시켰다. Table 1 은 methylene chloride와 dimethyl carbonate의 물리화학적 특성과 대표적인 독성 자료를 나타낸다. Dimethyl carbonate를 사용하여 제조한 PLGA 미립구에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 현재까지 이 용매를 사용하여 PLGA를 제조하기 위해서 다른 곳에서 연구된 기술로는 electrohydrodynamic atomization과 microfluidic-based mixing가 있다.13,14 그러나 제조된 미립구는 건조 과정에서 응집되는 경향이 있으며, 품질 특성에 대한 자료는 거의 존재하지 않는다. 현재, dimethyl carbonate를 사용하여 oil-in-water (o/w) emulsion-template 기술로 대량의 PLGA 미립구를 제조하는 것에 대한 보고는 없다. 사실 dimethyl carbonate가 전형적인 o/w emulsion-template 용매 증발/추출 공정에서 활용될 수 없는 몇 가지 이유가 존재한다. 먼저 dimethyl carbonate의 물에 대한 용해도는 Table 1에 나타난 바와 같이 13.8 %이다. 이런 특성으로 인해 PLGA/dimethyl carbonate 분산상을 물에 유화시킬 때 분산상을 구성하는 dimethyl carbonate의 상당한 양이 즉시 수상에 용해되고, 이에 따라 o/w 유제를 만드는 데 한계가 생긴다. 또한, dimethyl carbonate는 비휘발성 용매 (비등점. 90.5 ℃)이기 때문에 용매 증발 방법으로 미립구를 제조하는 것은 실용적이지 않다. 마지막으로, 미립구 내 잔류하는 dimethyl carbonate는 건조 중에 응집되어 물에서 재구성되기 어렵다는 점이 있다. 본 연구는 microencapsulation 분야에서 이와 같은 일반적인 개념을 능가하여, 실용적이고, 응용할 수 있는 dimethyl carbonate 기반 emulsion microencapsulation 기술을 개발하는 것이 목표이다. 이를 달성하기 위해, 유제 방울을 미립구로 경화시키기 위한 화학적 전략을 취하였고 (Figure 1), 이 기술은 기존의 용매 제거 기술과는 완전히 대조된다. 새로운 microencapsulation 기술은 용매 제거, 미립구 경화 및 미립구 품질 특성을 제어할 수 있게 한다. 특히, 통상적인 microencapsulation 공정에서 발생하는 약물 결정화 현상을 최소화 할 수 있다. Nile red와 progesterone을 모델 약 물로 사용하여 연구 결과를 얻었다.;The purpose of the study is developing a solvent hydrolysis-based microencapsulation technique that could fabricate PLGA microspheres, while using dimethyl carbonate as a green dispersed solvent. Instead of existing physical solvent removal techniques, a strategy was derived to use a chemical reaction that could transform oil droplets into microspheres. An oil-in-water emulsion was first produced by emulsifying a PLGA/Nile red/progesterone/dimethyl carbonate dispersed phase in an aqueous phase. Adding a NaOH solution into the emulsion led to the decomposition of dimethyl carbonate that partitioned to the water phase. This chemical reaction allowed the continuous diffusion of dimethyl carbonate existing in emulsion droplets into the aqueous phase and its complete removal. The solvent hydrolysis rate was identified as the most important process parameter affecting the major quality attributes of PLGA microspheres. For instance, it was shown through a 3D analysis that Nile red was uniformly dispersed across the microsphere matrix at a fast solvent hydrolysis rate. In comparison, a slow solvent hydrolysis rate allowed the dye to disperse heterogeneously in the microsphere matrix. A drug crystallization phenomenon, being commonly observed in conventional emulsion-templated processes, was inhibited by increasing the hydrolysis rate of dimethyl carbonate. Furthermore, adjusting the solvent hydrolysis rate made it possible to improve drug encapsulation efficiency, to disperse drug homogeneously across microsphere matrix, and to reduce variations in size distribution. The green solvent hydrolysis-based microencapsulation technique could be a promising alternative to conventional microencapsulation methods using toxic halogenated organic solvents.