‘IFSCC 2023’ 리뷰 〈1〉 Rethinking Beauty - Revolutionizing Cosmetic Formulations
연구 동향
뷰티의 콘셉트는 끊임없이 변화하고 진화하고 있다. 다양성, 사랑, 창의성, 개성, 지속가능성, 이너뷰티, 감성뷰티 등 여러 가지 요인들이 작용하는 가운데 최근 이슈가 되고 있는 가상현실, 증강현실 또한 뷰티에 적용이 가능하다.
최근 현대인들이 가장 많이 겪고 있는 질병 중 하나는 바로 스트레스로 인한 우울, 불안 등 정서적인 문제로 인한 질병이다. 이를 해결하기 위해 웰빙 센터들이 생겨나고 이곳에서 가상현실(VR)을 통한 가상 휴양지 체험을 통한 휴식, 바디 마사지 및 트리트먼트 등을 통해 휴식하고 스트레스를 감소시키는 활동을 하고 있다. 또, 가상현실(VR) 체험을 통해 명상, 최면요법, 긍정적인 시각화, 아로마테라피, 편안한 환경 등을 경험할 수 있다.
이러한 VR체험은 뷰티 산업에서도 적용 가능하다. 소비자들은 가상 체험을 통해 더 흥미롭고 유익하며 지속가능한 경험을 할 수 있다. 가상의 쇼, 브랜드 쇼룸 체험, 가상 뷰티 트레이닝, 가상의 매장을 통한 3D 제품 디스플레이, 이를 통한 광고 및 마케팅 활용, 제품 개발, 피부 및 모발 진단까지 폭넓은 적용이 가능하다. 그중에서 가상 매장은 소비자들에게 재미있는 방식으로 제품을 선보여 쇼핑 욕구를 향상시키고, 더 높은 수준의 개인 맞춤화와 심지어 VR 가상 매장에서 친구들과 소셜기능을 통해 함께 쇼핑이 가능하다. 가상으로 위험성 없이 제품 테스트 또한 가능하고 구매에 대한 신뢰도가 높아진다. 반면, 현실 왜곡, 제품에 대한 허위 진술, 비현실적인 아름다움의 기준과 필터에 대한 의존성, 개인정보 문제 등의 단점이 존재한다.
정서적인 건강 측면에서 가상현실은 스트레스와 불안감 해소, 외상 후 스트레스, 공포증 치료 등에 많이 활용되고 있다. 가상현실을 통해 내면 성찰, 긍정적인 마인드, 몸 건강 등 세 가지 요인의 실현으로 뷰티 밸런스를 이루는 것을 가능하게 한다.
1) Novel transdermal delivery system of taurine crystal microneedles
for skincare cosmetics
Tomohiro Murayama, CosMED Pharmaceutical Co., Ltd.
마이크로니들 패치는 피부 침투력이 높아 전달 효과가 뛰어나지만, 얼굴 전체를 케어할 수 없고 국소적인 부분만 사용이 가능하다는 단점이 있다. 이번 연구에서는 액상의 스킨케어 제형에 적용이 가능한 새로운 용해성 마이크로니들을 개발했다. 일반적으로 마이크로니들은 몰딩기법과 액적분사를 통해 미세바늘이 분포된 시트 형태의 구조를 얻지만, 이번 연구에서는 개별적으로 분산된 마이크로니들을 얻기 위해 용매에서 재결정화 기술을 이용하여 용해성 마이크로 니들을 제조하는 새로운 기술을 활용했다.
연구진은 세포의 수분 함량 조절 등 체내에서 다양한 기능을 갖는 아미노산인 타우린을 유효성분으로 선택했다. 타우린은 각질세포의 중요한 삼투 역할을 하고, 항산화 효과 및 UV로부터 세포를 보호하여 세포증식, 염증 및 콜라겐 생성 등의 효과가 있어 타우린과 여러 유도체들은 피부관리, 미용 및 피부 질환 치료에 널리 이용되고 있다. 경피 전달체인 타우린이 함유된 용해성 마이크로니들(Taurine Crystal Microneedle, TCMN)을 제조하고, 다양한 활성 성분을 캡슐화할 수 있는 활성 마이크로니들(active-in-TCMN)을 개발했다. 마이크로니들의 두께와 길이는 피부 침투와 사용성에 있어 매우 중요하다. 온도와 혼합 조건을 조절하면서 에탄올, 프로판디올, 디프로필렌글리콜 등의 용매를 이용하여 니들 크기를 조절했다. 제조한 마이크로니들은 액상상태에서 뭉침 없이 100~300㎛의 바늘모양의 타우린 결정을 관찰했다.
일반적으로 타우린 원료는 피부에 구멍을 내기에는 너무 큰 길이의 수 밀리미터의 결정성을 가지고 있다. 미용색소가 탑재된 마이크로니들을 적용한 세럼을 피부에 바른 후, 현미경 관찰 결과 피부에 침투됨을 확인했다.
10% TCMN을 함유한 세럼과 10% 타우린 현탁액을 함유한 세럼의 피부 침투를 비교했을 때, 타우린 현탁액 세럼에 비해 TCMN 세럼의 타우린 침투가 더 빠르고 침투율이 높았다. 각질층으로 침투된 타우린의 양은 현탁액보다 2.4배 높았고, TCMN 세럼의 경우 표피·진피까지 타우린 침투를 확인했지만, 현탁액 세럼에서는 침투된 타우린을 확인하지 못했다.
타우린은 세포 내부와 외부의 수분을 조절하는 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 타우린이 적용된 마이크로니들 TCMN와 현탁액의 피부장벽 기능을 비교 평가하기 위해 건선피부 모델을 이용하여 세럼 적용 전·후 5분 간격으로 TEWL을 측정했다. 그 결과, 건선피부에 TCMN 세럼을 적용하고 40분 후 건강한 피부에 가까운 수준의 빠른 회복 효과를 보였고, 타우린 현탁액 세럼에 비해 높은 회복능을 확인했다. 또, 이를 통해 마이크로니들의 미세바늘은 피부에 침투되어도 피부장벽 기능에 영향을 미치지 않았음을 알 수 있다.
타우린 성분과 함께 마이크로니들에 다양한 성분들의 동시 탑재가 가능했다. GK2(Dipotassium glycyrrhizinate), 나이아신아마이드와 같은 친수성 물질 뿐만 아니라 토코페릴아세테이드, 아스코빌테트라헥실테카노에이트 등 소수성 물질까지 마이크로니들에 캡슐화했다. 캡슐화된 성분들의 함량은 대략 0.1~0.85%였다.
마찬가지로 GK2가 탑재된 TCMN 적용 세럼과 같은 농도로 GK2를 정제수에 솔루션시킨 용액의 피부 침투를 비교했을 때, GK2-in-TCMN 세럼의 GK2 침투량이 각질층과 표피·진피에서 모두 솔루션 용액보다 훨씬 침투량이 높았다. 또, Franz diffusion cells 측정을 통해 투과량을 확인한 결과, GK2-in-TCMN 세럼은 투과량이 관찰되었지만, 솔루션 용액에서는 투과량을 관찰할 수 없었다.
탑재된 물질의 분자량을 크기별로 비교해 보았을 때, 피부에 전달하고자 하는 유효성분의 분자량이 커질수록 마이크로니들과 솔루션 용액의 피부 침투율 차이가 커짐을 확인했다. 분자량이 큰 물질일수록 마이크로니들을 통한 피부 침투가 높았고, 분자량이 약 10만 달톤인 성분의 솔루션 용액은 침투율을 거의 확인할 수 없었다.
Sodium Hyaluroate가 탑재된 TCMN 세럼을 9명의 지원자의 볼과 눈가에 4주 동안 도포한 결과 사용하기 전에 비해 수분 함량이 유의하게 증가함을 확인했다. 주름 면적과 주름 볼륨 또한 12.5%, 14.1%로 크게 감소했고, 피부탄력은 17% 증가했다.
이번 연구에서 제조한 마이크로니들은 액상 제형으로 분산되어 얼굴 전체, 목, 바디 전체에도 쉽게 사용할 수 있어 로션, 에멀젼, 크림, 에센스, 마스크 등 여러 제형에 광범위하게 사용할 수 있다.
2) A Scale-Up Method Applied to the Cosmetic Industry via Computational Fluid Dynamics
Bruna Conrado, L’Oréal R&I
화장품의 품질 관리에는 많은 분석법이 적용되며, 가장 중요한 품질 평가 중 하나는 제형의 점도이다. 포뮬러의 유변학적 거동은 모발 퍼짐성, 피부 침투성과 같은 요인에 영향을 미칠 수 있으므로 소비자가 제품 사용 시 직접적인 영향이 있다. 따라서 제조하는 배치마다 또는 장비에 관계없이 제형의 동일한 유변학적 거동을 확보해야 한다. 제형의 전단응력(share stress)과 입자크기(particle size)는 점도에 영향을 미치는 요인이다.
최근 몇 년간 Computational Fluid Dynamics (CFD) 전산유체역학을 이용한 산업이 증가하고 있지만 아직 화장품 분야에서는 접목되지 않았다. 이 연구에서는 CFD를 통해 화장품 산업에서 자주 사용되는 교반 탱크에서 벌크의 유동성을 이해하고 품질을 향상시키는데 초점을 두고 있다. CFD를 사용하여 실험적으로 평가하기 어려운 물성 내부의 전단응력을 결정하고 스케일업 절차를 도입하여 방법론을 제시하고자 한다.
스케일업 과정을 통해 동일한 제형을 얻기 위해서는 실험 스케일과 제형에 가해지는 평균 전단응력이 동일해야 하고 이 과정에서 회전 터빈 속도(rpm) 간의 상관관계를 파악해야 한다.
실험실 샘플을 가지고 rpm 속도에 따른 점도와 전단응력값으로 레오미터 그래프를 작성하고 곡선을 방정식에 적용하여 속도에 대한 K와 n값을 결정한다.
동일한 터빈 속도에 대해 각 실험실 교반 반응기(a)와 파일럿 교반 반응기의 유체에 부과되는 전단응력이 얼마나 다른지 관찰 할 수 있다. 파일럿 탱크의 전단응력은 실험실 보다 훨씬 강하고, 서로 다른 회전 속도에 대해 내부의 평균 전단응력의 변화를 보여준다. 실험실 스케일에서 얻은 평균 전단응력에 도달하기 위해 예측되는 rpm 속도로 파일럿 제조를 가능하게 한다.
따라서, 이번 연구에서 제안하는 스케일업 방식은 3단계로 구성된다. ①실험실 용기의 전단응력 대 터빈 속도 곡선을 사용하여 실험 스케일 제조에 사용된 특정 속도에 대해 예상되는 전단응력을 파악한다. ②파일럿 탱크 곡선에서 동일한 전단응력과 실험실 전단응력 곡선을 모두 연결하는 수평선을 그린다. ③파일럿 탱크 곡선에서 실험실에서 얻은 전단응력과 동일한 값의 rpm 속도 값을 결정한다.
3) Anti-aging skin care formulation development guided by knowledge graph and
artificial intelligence
Lun Yu, Metanovas Biotech
이 논문에서는 스킨케어 제품을 개발하기 위한 성분을 선택하는 방법으로 생체의학 지식 그래프 구축의 자동화 프로세스를 제시했다.
스킨케어 제품개발은 성분 선정, 제형 설계, 안정성, 유효성 평가, 관능 분석 등 여러 단계로 구성된다. 이 과정은 몇 달 또는 몇 년이라는 오랜 시간이 필요하고, 또 제형에 사용할 수 있는 성분들이 너무 많아 효과적이고 안전한 새로운 성분을 탐색하기가 매우 어렵다. 또, 동물성, 동물실험 금지와 같은 규제 제약이 증가하여 대체 원료 및 대체 실험 방법 등의 개발이 필요하고 과정이 매우 복잡하다. 이러한 부분을 고려할 때, 제형 개발 과정을 보다 간소화하고 제품의 성능을 높여주는 보다 효과적인 제품 개발 방식이 필요하다.
지식 그래프는 적합한 성분을 조합하고 잠재적인 상호작용을 예측하여 개인 맞춤화된 제품 개발이 가능하다. 또, 지식 그래프를 통해 성분, 성분의 특성, 미치는 영향 등을 파악 할 수 있다. 이번 연구에서는 성분의 바이오메티컬 활성에 초점을 맞춰 유전자 표적 및 생물학적 과정을 포함하는 생물 의학 지식 그래프를 구축했다.
먼저, PubMed Central의 3200만 개의 PubMed 초록과 500만 개의 공개 논문을 통해 데이터를 이용하여 주로 화학물질, 식물 추출물, 유전자 및 유전자 산물 등에 중점을 두어 텍스트를 식별하고, 두 번째 단계에서는 개체와 연관된 생물학적 과정, 분자의 기능, 세포 구성요소 및 동의어를 식별한다. 마지막으로 물질의 과정에서 조절인자, 상관관계 등 영향을 미치는 개체 간의 관계를 파악한다.
사례 연구로 Alpha-ketoglutarate(AKG)를 적용한 스킨케어 제품을 개발했다. AKG 물질은 Krebs cycle 및 아미노산 대사 경로에서 매우 중요한 역할을 하는 화합물이다. 에너지 전달, 아미노산 생합성 전구체, 세포 신호 전달 등의 역할을 한다. 연구진은 AKG의 광범위한 유전자 네트워크를 구축하고 이를 피부 기능과 연관된 프로세스와 연결하여 지식 그래프를 탐색했다. 그 결과, AKG 관련 유전자는 하향 조절 유전자 3개, 상향 조절 유전자 15개를 포함하여 총 300개의 유전자를 확인했다.
그 중에서 피부발현 유전자와 노화 관련 유전자를 조사 했을 때, ADCY1, ADCY2, ADCY3, ADCY4, ADCY5, ADCY6, ADCY8, BMI1, MTOR, AR, NFE2L2 등 모두 12개의 유전자를 탐색했다. ADCY 유전자는 cAMP를 생성하여 다양한 세포 과정에 중요한 역할을 한다. BMI는 산화환원 균형을 유지하고 DNA 손상을 억제함으로써 피부 노화를 예방하는데 중요한 역할을 한다. MTOR 유전자 억제는 피부 색소침착과 표피분화를 개선했고, AR 유전자는 DNA 손상과 관련되어 노화를 가속하는데 관여하며, NFE2 유전자는 신호전달의 조절 장애가 피부 색소 침착에 관여한다고 밝혀져 있다.
지식 그래프의 노화 특징과 관련된 유전자 및 네트워크를 표시하고, 지식 그래프와 그래프 추론 모델을 활용하여 AKG가 포함된 피부 노화 방지 제품을 구성하는 방법을 보여준다. 노화 관련 유전자에 영향을 미치고 AKG를 포함하여 보완적인 효과를 갖는 성분을 기준으로 탐색한다. 이러한 과정을 통해 레스베라트롤, 바쿠치올, 제니스테인, 퀘세틴, 백금, 에르고스테롤, 폴릭애씨드 등 후보 성분들이 생성된다.
연구에 따르면 레스베라트롤은 MAPK, FOXO3 및 TGF와 같은 수많은 물질 및 경로와 상호 작용하고 피부 노화 과정의 주요 요인인 UVB의 유해한 영향으로부터 피부를 보호한다. 바쿠치올은 피부 외관 및 전체적인 노화 방지를 개선하는 것으로 밝혀져 있다. 제니스테인의 경우, UVB로 인한 주름과 광염증으로부터 피부를 보호하는 효능이 있고, 퀘세틴은 각질형성세포에서 UV에 의해 유발된 NF-κB 활성화를 감소시키고 인간 피부와 피부 섬유아세포에서 UV에 의해 유발된 COX-2, MMP-1 발현과 콜라겐 분해를 차단하는 것으로 밝혀져 있다. 백금은 항산화 효과가 있고, 에르고스테롤은 피부 탄력에 도움을 준다.
이번 연구에서는 바이오메티컬 지식 그래프와 딥 그래프 모델을 활용하여 안티에이징 스킨케어 제품을 개발하는 방법을 제시했다. 이를 통해 연구자들은 유효성분, 관련 유전자, 생물학적 경로, 피부 효능 및 상호 작용 등에 포괄적으로 접근하고 활용 할 수 있다. 또, 우선순위를 통해 관련 성분을 효율적으로 선택하고 제품개발을 위한 후보 목록을 구성하여 빠른 제품 개발이 가능하며 최적의 조합을 위한 성분들 간의 시너지 효과를 파악하는데 도움이 된다. 이러한 접근 방식은 스킨케어 제품 개발을 간소화할 뿐아니라 식이 보조제, 약물 개발까지 폭 넓게 적용될 수 있는 시스템으로 보여 진다.