Effect of polyethylene glycol chain length of surfactants on structural characteristics and release behavior of spray-dried solid lipid nanoparticles = 유화제의 폴리에틸렌 글리콜 사슬 길이에 따른 분무건조 고체지질나노입자의 구조 특성 및 방출 거동

국문 초록 (Abstract)

다양한 지용성 물질 전달 시스템 중 고형지질나노입자(SLNs)는 지용성 생리활성물질의 우수한 보호능을 가져 식품 및 의약 분야에서 중요한 전달체로 활용되고 있다. 특히 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 기반 유화제의 농도 및 PEG 사슬 길이는 SLNs의 계면 구조와 방출 특성을 조절하는 데 널리 사용되는 변수이지만, 분무건조 환경에서도 조절 효과가 유지되는지는 명확히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 PEG 사슬 길이가 서로 다른 Brij S10과 Brij S100을 다양한 농도로 사용하여 SLNs을 제조 및 분무건조하고, 공정 전후의 계면 특성, 결정 구조 및 레스베라트롤의 방출 거동 변화를 종합적으로 분석하였다.
모든 SLNs는 90% 이상의 높은 레스베라트롤 포집효율을 나타냈으며, 유화제 농도가 증가함에 따라 물리적 안정성은 향상되고, 확산 장벽이 강화되면서 레스베라트롤 방출속도가 감소하였다. 분무 건조 후에도 유화제 농도가 증가함에 따라 방출 속도는 감소하였으나, SLNs의 결정 다형성은 PEG 사슬 길이에 따라 다르게 나타났다. 특히 Brij S100의 긴 PEG 사슬은 탈수 후에도 높은 계면 피복 효과를 유지하여 고체지질나노입자의 레스베라트롤 방출 속도를 지연시켰다. 반면, Brij S10의 짧은 PEG 사슬을 이용한 고체지질나노입자는 분무 건조 과정에서 유화제 피복이 증가함에 따라 β형 패킹이 촉진되어 내부 확산 저항이 지배적으로 작용하는 경향을 보였다. 종합적으로, 본 연구는 PEG화된 계면활성제의 탈수 거동이 고체지질나노입자의 구조적 재배열 및 방출 특성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였으며, 이는 다양한 건조 및 가공 조건에서 고체지질나노입자의 구조적 및 기능적 안정성을 확보하기 위한 제형 설계에 필요한 기초적인 자료를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Solid lipid nanoparticles (SLNs) are important lipid-based nanocarrier systems in the food and pharmaceutical industries, offering enhanced bioavailability and strong protective effects for lipophilic bioactive compounds. In particular, the polyethylene glycol (PEG) chain length of PEGylated surfactants is a key determinant of the interfacial structure and release behavior of SLNs. However, it has not been fully elucidated whether these interfacial modulation effects are retained under spray drying conditions, which impose rapid dehydration and structural stress. In this study, SLNs were fabricated and spray-dried using Brij S10 and Brij S100 at various concentrations, and their interfacial properties, crystal structures, and resveratrol release behaviors were comprehensively analyzed both before and after spray drying.
All SLNs exhibited high resveratrol encapsulation efficiencies of over 90%. As the emulsifier concentration increased, the physical stability improved, and the diffusion barrier was strengthened, resulting in a decrease in the resveratrol release rate. Even after spray drying, the release rate decreased with increasing emulsifier concentration, but the crystal polymorphism of the SLNs varied depending on the PEG chain length. In particular, the long PEG chains of Brij S100 maintained a high interfacial covering effect even after the spray drying process and acted as the interfacial diffusion barrier, thereby decreasing the resveratrol release rate. In contrast, the short PEG chain of Brij S10 promoted β-type packing as the surface load increased, suggesting a release-retardation mechanism dominated by internal diffusion resistance. In summary, this study systematically elucidates the effect of the dehydration behavior of PEGylated surfactants on the structural characteristics and release behavior of solid lipid nanoparticles, and provides fundamental data for formulation design to enhance the structural and functional stability of solid lipid nanoparticles under various drying and processing conditions.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT I
• CONTENTS III
• LIST OF FIGURES V
• LIST OF TABLES VII
• Ⅰ. INTRODUCTION 1
• Ⅱ. MATERIALS AND METHODS 5
• 2.1. Materials 5
• 2.2. Preparation of solid lipid nanoparticles 5
• 2.3. Spray drying of the solid lipid nanoparticles 8
• 2.4. Characterization of the solid lipid nanoparticles 8
• 2.4.1. Quantification of non-aggregated particles (yield %) 8
• 2.4.2. Measuring the ζ-potential and particle size 9
• 2.4.3. Determining the emulsifier surface load (Γs) 10
• 2.4.4. Transmission electron microscopy (TEM) 11
• 2.4.5. Encapsulation efficiency 11
• 2.5. Characterization of the spray-dried solid lipid nanoparticles 12
• 2.5.1. Moisture content (MC%) and water activity (Aw) 12
• 2.5.2. Scanning electron microscopy (SEM) 13
• 2.5.3. Cumulative release 13
• 2.5.4. Differential scanning calorimetry (DSC) measurements 14
• 2.6. Statistical analysis 14
• Ⅲ. RESULTS AND DISCUSSION 16
• 3.1. Characterization of solid lipid nanoparticles 16
• 3.1.1. Yield (%) 16
• 3.1.2. Particle size, zeta potential, polydispersity index 18
• 3.1.3. Appearance 23
• 3.1.4. Surface load 26
• 3.1.5. Encapsulation efficiency 28
• 3.2. Physicochemical properties of spray-dried SLNs 30
• 3.3. Thermal behavior and crystallization properties of SLNs 36
• 3.4. Release properties of resveratrol 44
• Ⅳ. CONCLUSION 52
• Ⅴ. REFERENCES 54
• 국문초록 66