Epinephrine 파우더 부착형 마이크로니들을 이용한 속방 경피전달 제형 설계 및 통증완화를 위한 광투과성 마이크로니들 결합형 의료용 적외선 열자극기의 개발

국문 초록 (Abstract)

마이크로니들은 피부의 각질층을 비침습적으로 관통하여 약물을 전달할 수 있는 경피 약물 전달 시스템이지만 기존 용해형 및 코팅형 마이크로니들은 고분자 첨가제의 재수화 및 용해 지연으로 인해 초기 약물 방출 속도에 한계가 있다. 이는 아나필락시스와 같이 분 단위의 약물 효과가 요구되는 응급 상황에서 큰 제약으로 작용한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 고형 파우더 형태의 약물을 PDMS 기반 접착층을 이용하여 마이크로니들 표면에 부착하는 속방형 파우더 부착형 마이크로니들 제형을 설계하였다. 에피네프린 파우더는 동결건조 후 분쇄 공정을 통해 제조되었으며, 첨가제 조성에 따른 용출 특성, 접촉각 기반 계면장력 분석, 삼투압 특성 분석 등을 통해 속방형 전달에 적합하도록 제형을 최적화하였다. Ex-vivo 돼지 피부 모델에서 수행한 약물 전달 실험 결과, 투여 1분 시점에 전체 탑재량의 약 60%가 전달되었으며, 10분 시점에는 약 86%까지 증가하여 본 제형이 매우 빠른 방출 특성을 나타냄을 확인하였다. 또한 형광 모델 약물(Rhodamine B)을 이용한 공초점 형광 분석에서도 초기 형광 분포면적이 시간 경과에 따라 급격히 감소하는 패턴을 보여, 파우더 제형의 빠른 용해 및 확산 거동을 확인하였다. 본 제형은 기존 고분자 기반 마이크로니들의 초기 lag time 한계를 제거하고, 응급상황에서 요구되는 즉각적인 피부 내 약물 전달을 구현함으로써 새로운 속방형 경피 약물 전달 플랫폼으로서의 가능성을 제시한다. 광치료는 파장대별로 다양한 생물학적 효과를 유도하여 조직 재생, 염증 완화, 통증 완화 등 여러 의료 분야에서 활용되고 있다. 그러나 IR을 이용한 기존 광치료는 각질층에 의한 빛의 산란 및 반사로 인해 피부 내 광에너지 전달 효율이 저하되고, 국소적으로 에너지를 집중시키기 어렵다는 한계를 가진다. 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하기 위해 피부 장벽을 직접 관통하는 광투과성 마이크로니들, 출력 제어가 가능한 소형 IR 온열장비, 그리고 두 장비를 결합하는 IR joint 장비로 구성된 새로운 형태의 의료용 IR 열자극 시스템을 개발하였다. 광투과성 마이크로니들은 광가이드 역할을 수행하여 IR 에너지를 심부 조직으로 유도하였으며, 돼지 피부 모델을 이용한 성능 평가과 안전성 평가를 통해 마이크로니들 적용 시 IR 전달 효율의 향상과 장비의 안전성을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 시스템은 IR 광손실을 최소화하고 국소 부위에 에너지를 정밀하게 전달함으로써, 기존 IR 광치료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 형태의 IR 광치료 플랫폼으로서의 실용 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Microneedles are transdermal drug delivery systems that can penetrate the stratum corneum in a minimally invasive manner. However, conventional dissolving and coated MNs show limited initial drug release due to delayed rehydration and dissolution of polymer additives, which restricts their use in emergencies such as anaphylaxis, where rapid drug action is critical. In this study, a rapid-release powder-coated MN formulation was developed by attaching solid powder-type drugs to the MN surface using a PDMS-based adhesive layer. Epinephrine powder was fabricated through freeze-drying and milling, and the formulation was optimized by analyzing dissolution behavior, interfacial tension and osmotic pressure according to excipient composition. In an ex-vivo porcine skin model, approximately 60% of the drug was released within 1 minute and 86% within 10 minutes, confirming its fast-release performance. Confocal fluorescence analysis using Rhodamine B also showed a rapid decrease in fluorescence area over time, verifying fast dissolution and diffusion of the powder. This formulation effectively eliminates the initial lag time of polymer-based MNs and enables immediate intradermal drug delivery suitable for emergency applications, demonstrating its potential as a rapid-release transdermal platform.
Phototherapy induces wavelength-dependent biological effects, including tissue regeneration, anti-inflammation, and pain relief. However, conventional IR-based therapy suffers from reduced transmission efficiency due to light scattering and reflection by the stratum corneum. To address this, a light-parent MN-integrated IR thermal stimulation system was developed, consisting of optical MNs, a compact IR device with adjustable output, and an IR joint connector. The transparent MNs acted as optical waveguides to deliver IR energy into deeper tissues. Ex-vivo evaluations confirmed enhanced IR transmission efficiency and safe operation. This integrated system minimizes IR energy loss and allows localized, precise energy delivery, presenting a promising platform that overcomes the limitations of conventional IR phototherapy.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 1
• 제1장 서 론 11
• Ⅰ.1 Epinephrine 파우더 부착형 마이크로니들을 이용한 속방 경피전달 제형 설계 11
• Ⅱ.1 광투과성 마이크로니들 결합형 의료용 적외선 열자극기의 개발 15
• 제2장 실험방법 18
• Ⅰ.2 Epinephrine 파우더 부착형 마이크로니들을 이용한 속방 경피전달 제형 설계 18
• Ⅰ.2.1 에피네프린 파우더의 제작 18
• Ⅰ.2.2 첨가제에 따른 제형 설계 21
• Ⅰ.2.3 에피네프린 파우더 부착형 마이크로니들 제작 25
• Ⅰ.2.4 Ex-vivo 파우더 부착형 마이크로니들의 피부 투과도 시험 26
• Ⅰ.2.5 Ex-Vivo 파우더 부착형 마이크로니들의 약물 전달률 시험 28
• Ⅰ.2.6 Ex-vivo 돼지 피부를 이용한 약물확산 형태 비교 29
• Ⅱ.2 광투과성 마이크로니들 결합형 의료용 적외선 열자극기의 개발 31
• Ⅱ.2.1 마이크로니들 결합형 IR 온열장비의 제작 31
• Ⅱ.2.2 장비 안전성 평가 36
• Ⅱ.2.3 장비 효능 평가 37
• 제3장 실험 결과 및 고찰 42
• Ⅰ.3 Epinephrine 파우더 부착형 마이크로니들을 이용한 속방 경피전달 제형 설계 42
• Ⅰ.3.1 에피네프린 파우더의 특성 평가 42
• Ⅰ.3.2 첨가제에 따른 제형 특성 분석 44
• Ⅰ.3.3 에피네프린 파우더 부착형 마이크로니들 특성 평가 51
• Ⅰ.3.4 Ex-vivo 파우더 부착형 마이크로니들의 피부 투과 특성평가 54
• Ⅰ.3.5 Ex-vivo 파우더 부착형 마이크로니들의 약물 전달 특성평가 56
• Ⅰ.3.6 Ex-vivo 돼지 피부를 이용한 약물확산 패턴 평가 57
• Ⅱ.3 광투과성 마이크로니들 결합형 의료용 적외선 열자극기의 개발 60
• Ⅱ.3.1 마이크로니들 결합형 IR 온열장비의 구성요소 및 특성 분석 60
• Ⅱ.3.2 마이크로니들 결합형 IR 온열장비의 안전성 평가 및 분석 64
• Ⅱ.3.3 마이크로니들 결합형 IR 온열장비의 성능 평가 65
• 제4장 결 론 72
• 제5장 참고문헌 74
• 제6장 Abstract 78