본 총설에서는 나노에멀젼을 제조하기 위한 다양한 유화방법과 나노에멀젼의 화장품 응용에 대해 논의하고자 한다. 나노에멀젼은 입경이 일반적으로 20 ~ 200 nm의 범위에 있으며 입자 분포도 좁은 영역을 보인다. 많은 논문에서 O/W 또는 W/O 나노에멀젼 제조에 있어서 고압을 이용한 분산 방법을 보고하고 있지만 유화과정 중에 일어나는 상전이에 기초한, 응축 또는 저 에너지 유화 방법에 관심이 증가하고 있다. 상 거동 연구 결과에 의하면 나노에멀젼의 입자 크기는 온도나 구성 성분에 의해 유도되는 전상점에서의 계면활성제 상 구조(이중 연속상 마이크로에멀젼 또는 라멜라 액정)에 의해서 지배된다. PIT 방법에 의해서 제조된 나노에멀젼 연구에서 초기 상평형 상태가 단일상인지 다중상인지 관계없이 유화입자의 크기는 마이크로 에멀젼 이중 연속상에 오일이 완전히 가용화됨에 따른다는 것을 보여준다. 나노에멀젼의 안정성은 나노에멀젼의 입자 크기가 작 기 때문에 크리밍, 침전 또는 합일 현상보다 오스트왈드 라이퍼닝에 의해 지배된다. 나노에멀젼은 나노에멀젼 입자를 마이크로 리엑터로 활용하고 모노머를 이용하여 나노 입자를 제조하거나 화장품 등의 유효성분 전달 등에 이용되고 있다. 본 총설에서는 화장품에의 응용에 초점을 맞췄다.
디지탈 윤전 등사기 또는 디지털복사 인쇄기(digital duplicator)라고 불리우는 사무용 소형 단색 윤전 인쇄기는 컴퓨터 스캐닝 기술과 스텐실 열천공 기술의 발달로 손쉽게 인쇄기상에서 자동복사 제판이 가능해 짐에 따라 우리나라에 1990년대부터 학교, 관공서, 군 및 교회등의 시험지와 홍보전단지 인쇄용으로 널리 보급되었다. 여기에 사용되는 잉크는 카트리지에 장착식으로 공급되는데, 에멀젼 잉크로서 천공으로 이루어진 스텐실 화상 뒷면으로부터 가압 통과되어 인쇄용지에 윤전식으로 인쇄된다. W/O형 에멀젼 잉크가 그 기본 전형이 된 것은 스텐실의 미세구멍을 통과하도록 큰 로라압력을 받아야 하는 잉크는 우선적으로 높은 점도이어야 하나 수십 마이크론의 미세구멍을 쉽게 빠져 나가도록 침투성이 빨라야 하는 이중적 레올로지 특성이 요구되기 때문이다. 그러나 에멀젼의 원천적인 불안정성과 물과 기름의 상호 대립적인 물리 \ulcorner화학적 특성을 주목하고 번짐, 얼룩, 배면침투, 광택문제, 건조성 지연 등의 인쇄품질을 향상시키고져 그동안 많은 연구개발이 노력이 있어 왔다. 이에 대하여 세계 시장을 크게 장악하고 있는 일본의 특허를 주로 검토하여 디지털 인쇄기용 W/O 에멀젼 잉크 기술 및 현황에 대해서 연구 조사하였다.
유화제로 polyoxyethylene(20)sorbitan monostearate, sorbitan sesquioleate을 혼합 사용하고, 분산상으로 liquid paraffin, 연속상으로 deionized water를 원료로 사용하여 Direct유화법을 이용한 전상법과 Invert유화법을 3가지 단계의 제조방법으로 나누어서 O/W에멀젼을 제조하였고, 각 단계 전상유화법에서 첨가되는 물의 양에 따른 최종 O/W에멀젼의 입자크기변화를 관찰하였다. Direct유화법을 이용한 2단계 전상유화법을 사용하여 제조한 결과, 미세하고 균일한 입자를 갖는 O/W에멀젼은 W/O에서 (W/O)W 이중에멀젼으로의 전환 단계를 거쳐야만 생성됨을 알 수 있었다. Invert유화법을 사용한 3단계전상유화법은 W/O 에서 일종의 Pseudomicroemulsion gel상을 거쳐 미세하고 균일한 O/W유화 입자가 얻어졌다. 3단계 전상법이 2단계 전상법보다 더 미세하고 균일한 입자를 생성하였다. 실험에서 사용한 모든 유화법에서 혼합유화제의 HLB가 10.0 - 10.8 영역에서 가장 미세한 에멀젼입자가 형성되었다. 이 HLB영역에서 혼합유화제가 용해되어있는 오일상에 첨가되어 가용화되는 물의 양이 최대로 많았으며, 최대 가용화 물양을 갖는 유화제의 조성에서 가장 미세하고 균일한 입자가 얻어졌다.
화장품 분야에 있어서 마이크로 에멀젼은 잘 알려져 있는 처방이다. 액정형 에멀젼은 마이크로 에멀젼의 한 종류이며, 액정형 에멀젼은 기능성 성분을 포집하는데 사용되어 왔다. 액정은 이름이 의미하듯이 액체와 고체 결정의 중간의 성질을 가지는 물질 상태이다. 주로 계면활성제 이중층 또는 마이셀로 이루어지는데 종류도 다양하고 모양도 상당히 많다. 최근, 마이크로 에멀젼은 콜로이드 과학 분야에서 열역학적으로 안정성을 향상시키기 위해 연구되고 있다. 이번 연구에서는 PEG-8 Capryliccapric Glycerides 와 Polyglyceryl-3 Diisostearate 유화제를 사용하여 마이크로 에멀젼을 제조하였다. 오일과 유화제의 함량 및 2가지 유화제의 비율에 따라 제조된 마이크로 에멀젼을 연구하였다. 또한, 이러한 실험 결과를 바탕으로 기능성 성분을 함유한 액정형 에멀젼의 일종인 페이셜 오일과 클렌징 오일을 개발하는데 그 의의가 있다.
본 연구는 미세유체기술을 기반으로 매우 간단하고 효율적인 단분산성 하이드로젤 마이크로 입자 제조 방법을 제안하였다. 구체적으로, 유리모세관 미세유체장치 내에서 형성된 이중에멀젼은 자외선기반 자유라디칼 중합에 의해 빠르게 고형화가 이루어진다. 수용액에 분산됨과 동시에 계면활성제의 부족으로 인해 얇은 오일쉘은 자발적으로 분리되어, 단분산성 하이드로젤 입자를 형성하였다(C.V.=1%). 본 연구의 결과는 water-in-oil (w/o) 단일에멀젼 기반의 제조 방법과 달리 오일 부피를 최소한으로 사용하여 크기 및 조성 제어가 가능한 단분산성 하이드로젤 입자의 제조가 달성될 수 있음을 보여준다. 마지막으로, 상도표를 기반으로 미세유체장치 내 유동 패턴에 대한 심층 연구는 상대적인 부피 유속들 간의 중요한 상관관계를 나타내며 하이드로젤 마이크로 입자의 안정적인 제조를 위한 실험적 근거를 제시하였다.
w/o 에멀젼 내에서 균일용액침전반응을 진행시켜 산화아연 미세 입자를 제조하는 실험적 연구를 수행하였다. 질산아연 수용액에 hexamethylene tetramine (HMTA)을 침전제로 첨가한 침전액은 유화제 Span 80에 의해 kerosine과 안정한 w/o 에멀젼을 형성하였다. 얻어진 w/o 에멀젼을 HMTA 분해온도 이상($85^{\circ}C$)으로 가열하여 w/o 에멀젼 내에서 균일용액 침전반응을 진행시키면 산화아연 입자들이 제조되는 것을 확인하였다. 이렇게 제조된 산화아연 입자들은 이중분산 (bi-modal distribution)을 갖는 영역이 존재하기도 하였으나, 균일용액침전법에 비하여 높은 초기 아연농도와 높은 수율에서도 입자가 작고 입도분포가 비교적 좁은 산화아연 입자들을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 poly(dimethylsiloxane)(PDMS) 기반의 미세유체 시스템을 이용하여 이중 에멀젼을 형성하는 방법을 구현하였다. 반응기 친수성 연속상과 표면 젖음성을 향상시키기 위해 우선 PDMS 표면과 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate(TPM)간의 졸-젤 반응을 통해 표면에 메타크릴레이트를 유도하였고, 선택적인 영역에 친수성 단량체인 아크릴산과 메타크릴레이트간의 공유결합을 유도하였다. 이를 확인하기 위해 아크릴산과 정전기적 인력 결합을 하는 염료를 통하여 선택적 표면 개질의 성공을 확인하였다. 사용된 유체로는 "spreading coefficient"를 도입하여 시스템 내에서 이중 에멀젼을 형성하는 조건을 예측하여 물과 0.5% w/w sodium dodecyl sulfate 혼합물, 헥사데칸 혼합물(hexadecane; 1% w/w Span80)을 선정하였다. 이를 통하여, 코어 및 쉘의 사이즈가 48.5 ${\mu}m$(CV:1.6%), 65.1 ${\mu}m$(CV:1.6%)인 단분산성 이중 에멀젼을 성공적으로 생성하였고, 유체의 유량 제어를 통하여 함입되는 코어의 개수 조절이 가능함을 보여주었다.
자동화된 반응 열량계를 이용하여 중합비율을 관찰하면서 blockiness가 다른 PVOH를 이용하여 VAE 에멀젼을 합성하였다. 입자 분포도를 관찰 결과 단량체와 물과 비율에 따른 일정한 그라프트율은 없었다. 초기 단량체-물의 비율이 낮은 곳에서 겔 효과가 관찰되었다. 또한 입자 분포는 넓고 이중 피크가 관찰되었다. 지속적으로 제한적으로 응징집되면서 입자성장이 이루어지는 것이 관찰되었다. 이것은 제한적인 응집현상과 사슬이 PVOH로 그라프팅되어 발생한 결과로 판단된다.
약물의 서방화에 있어서 독성이 특히 강하거나 유효 치료영역이 좁은 약물일수록 초기 버스트는 매우 중요하다. 이러한 약물의 전달을 위한 단일층으로 이루어진 나노미립구의 이용은 표면에 존재하는 약물 때문에 초기 버스트가 커서 서방화에 적절치 못하다. 따라서 본 연구에서는 생분해성 고분자인 덱스트란과 락타이드-글리콜라이드 공중합체(PLCA)를 이용한 이중층 나노미립구를 제조하여 서방성 방출 거동을 보이는 약물 전달체 제조에 대한 연구를 수행 하였다. 덱스트란과 PLCA의 나노미립구는 W/O/W법을 이용하여 이중 에멀젼 과정을 통해 제조하였고 계면활성제로는 폴리(비닐 알코올)(PVA)을 사용하였다. 덱스트란의 생체외 방출 거동을 확인하기 위해 동결 건조된 시료를 직경 $3{\times}1mm$ 몰드를 이용하여 웨이퍼를 제조하여 증류수에서 7일간 방출 거동을 확인하였다. 이중층 나노미립구는 각각의 단일고분자로 이루어진 나노미립구에 비해 다른 방출거동을 보였다. 특히 유화제인 PVA농도가 $0.2\%$인 것이 0차 방출에 가까운 결과를 보였다. 본 실험을 통해 대조군인 물리적인 혼합 모델, 덱스트란 또는 PLGA로만 이루어진 웨이퍼 및 단일층 미립구에 비해 이중층 나노미립구의 내부물질인 덱스트란의 방출 거동이 서방형을 보임을 확인할 수 있었으며 PVA의 함량에 따라 방출 거동을 조절할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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