화장품의 가치 더 높여주는 새로운 기술
화장품의 가치 더 높여주는 새로운 기술
  • H&A파마켐 ( office@thekbs.co.kr)
  • 승인 2019.10.24 19:08
  • 매거진 : 2019년 09월호
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-최근 화장품 신소재 캡슐레이션 연구동향 중심으로

서론

화장품 연구자들은 기능이 우수한 화장품을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.특히, 기능성화장품은 사용한 소재의 안정화를 위한 연구가 중심이 되고 있으며, 기능성 생리활성성분을 안정화하고 피부 투과율을 높이고 선택적으로 피부에 전달하는 복합 소재 개발을 연구하고자 한다. 또한 최근의 연구는 소비자에게 자사의 화장품을 돋보이게 하여 소비자의 선택을 받는데도 중점을 두고 있다.

화장품을 돋보이게 하기 위해 ㈜에이치엔에이파마켐은 △바이오인캡슐레이션(Bioencapsulation) △비지블 바이오인캡슐레이션(Visible Bioencapsulation) △건조 화장품(Drying Cosmetics) △그래픽 화장품(Graphic Cosmetics) △층상 이중 수산화물(LDH) △금속-유기골격체(MOF, Poly-MOF) 기술을 이용하여 화장품 소재를 안정화하고 피부에 선택적으로 전달하는 기술을 개발하고 있다.

본론

Ⅰ 바이오인캡슐레이션(Bioencapsulation)

바이오인캡슐레이션(Bioencapsulation)은 기능성화장품 시장이 확대되면서 그 중요성이 증대되고 있다. 기능성 화장품 소재들은 산소, 물, 공기, 빛, 열 등에 매우 불안정하기 때문에 이를 안정화시킬 필요성이 있으며, 피부에 작용하여 좋은 효능&효과를 보이기 위해서 약물전달시스템을 필요로하고 있다. 이러한 바이오인캡슐레이션은 코어-쉘, 매트릭스, 샌드위치 등으로 나눌 수 있으며, 약물전달시스템은 Microsphere(MIS), Microcapsules(MIC), Nano emulsion 그리고 Liposome(LIP) 등으로 나눌 수 있다. 이 기술은 화장품, 화학, 생명과학, 생화학, 의학, 약학, 식품, 농학 등 여러 분야에서 사용되고 있다. (그림1)

그림1. 바이오인캡슐레이션 기술의 응용분야 (출처: H&A파마켐)
그림1. 바이오인캡슐레이션 기술의 응용분야 (출처: H&A파마켐)

MIS는 입자 사이즈가 20nm에서 2000㎛로 1개 또는 여러 개의 고분자로 구성된다. 이러한 예에는 포러스한 실리카를 예를 들수 있다. 화장품에서는 포러스한 실리카에 포러스한 부분에 미용성분을 넣은 후에 실리콘으로 코팅해서 기능성 파우더로 응용되고 있다. MIC는 넓게는 MIS와 유사하다. 그러나, 코어물질과 고분자 매트릭스 또는 Shell(Carrier, Protective Component or Excipient)로 구성되어 있다. 예를 들면, 화장품 중에 우리가 흔히 알알이 에센스를 볼 수 있을 것이다. 이러한 알알이 에센스는 미용성분을 O/W, W/O로 에멀젼한 후에 젤라틴이나 소듐 카라기난 등으로 외부 물질로 쌓여져 있는 것이다. LIP는 폐쇄 소포체(Phospholipid)로 사이즈는 50~10000nm로 1개 또는 2개 이상의 멤브레인으로(Unilamellar 또는 Multilamellar) 멤브레인 사이 또는 안에 수상 또는 유상의 미용성분을 넣을 수 있다. 다양한 바이오인캡슐레이션 방법을 그림2에 소개해 보았다.

그림2. 다양한 방법의 바이오인캡슐레이션 (출처: H&A파마켐)
그림2. 다양한 방법의 바이오인캡슐레이션 (출처: H&A파마켐)

Ⅱ 비지블 바이오인캡슐레이션(Visible Bioencapsulation)

비지블 바이오인캡슐레이션(Visible Bioencapsulation)은 화장품의 효능성분을 직접 눈으로 확인할 수 있는 방법으로 크리스탈 비드(Crystal Bead), 더블 비드(Double Bead), 제너럴 스페어(General Sphere) 그리고 라지 비드(Large Bead)등으로 구분하고 있다.

크리스탈 비드는 마이크로풀루딕스 기술을 이용하여 아주 작고 외관이 반짝이는 비드를 만드는 기술이며, 내상에는 식물성 오일, 아스타잔틴, 코엔자임큐텐 등 기능성 성분을 함유 시킬 수 있다. (그림3)

그림3. Crystal Bead 제조방법 (출처: H&A파마켐)
그림3. Crystal Bead 제조방법 (출처: H&A파마켐)

비드는 설계할 때 비중차나 소재에 따라 다양한 종류의 비드를 만들 수 있으며, 천연 오일의 색상 및 특징을 이용하여 다양한 색상의 비드를 만든다. (그림4)

그림4. 다양한 비드의 색상 및 종류 (출처: H&A파마켐)
그림4. 다양한 비드의 색상 및 종류 (출처: H&A파마켐)

더블 비드는 내상에 오일이 들어있고 외상에는 Sodium Alginate를 Calcium Chloride 용액에 적하시키면 Calcium Alginate가 만들어지며 Bead를 만드는 기술이다. 이때 내상에 들어가는 오일에 기능성 성분을 넣어 효능을 부여할 수 있다.

라지 비드는 Cream Bead라고도 하며, 에멀젼을 Agar와 가온 하여 용해한 후 냉각된 실리콘 오일에 떨어뜨려 만드는 비드이다. 크림 성분을 사용하기 때문에 크림으로 사용할 수 있다.

제너럴 스페어는 우선 고압유화기를 이용하여 리포좀을 만든 후 이 리포좀을 Na Alginate와 혼합한 후 Calcium Chloride 용액에 떨어뜨려 만드는 비드이다. 에센스나 에멀젼에 혼합하여 사용할 수 있다.

Ⅲ 건조 화장품(Drying Cosmetics)

건조 화장품(Drying Cosmetics)을 만드는 방법은 △진공동결건조(Freeze Drying) △열풍건조(Hot Air-Drying) △진공열풍건조(Vacuum Hot Air-Drying)의 3가지 방법을 사용하고 있다.

진공동결건조(Freeze Drying) 방법은 먼저 리포좀 에멀젼을 만들고, 영하 120도 까지 온도를 낮춰 동결시킨 후 일정시간 수분이 날아갈 때 까지 동결건조를 시켜주면, 100% 리포좀 파우더를 만들 수 있으며, 동결건조 과정에서 유효성분의 파괴가 최소화되기 때문에 효과적인 안정화 방법이다. (그림7)

그림5. Large Bead 제조방법. (출처: H&A파마켐)
그림5. Large Bead 제조방법. (출처: H&A파마켐)
그림6. Large Bead 제조방법 (출처: H&A파마켐)
그림6. Large Bead 제조방법 (출처: H&A파마켐)
그림7. 동결건조 (Super Drysome) 제조방법 (출처: H&A파마켐)
그림7. 동결건조 (Super Drysome) 제조방법 (출처: H&A파마켐)

열풍건조(Hot Air-Drying)는 마스크시트를 건조 시킬 때 주로 사용하는 방법으로 유효성분을 시트에 붙이는 기술이며, 진공열풍건조(Vacuum Hot Air-Drying)는 Fiber를 만드는 기술로 대표적으로 콜라겐실(Collagen Fiber)을 만드는데 사용한다. (그림8)

그림8. Collagen Fiber(사진 위), 건조 마스크시트(사진 아래) (출처: H&A파마켐)
그림8. Collagen Fiber(사진 위), 건조 마스크시트(사진 아래) (출처: H&A파마켐)

Ⅳ 그래픽 화장품(Graphic Cosmetics)

그래픽 화장품(Graphic Cosmetics)은 3D 로봇을 이용하여 원하는 그림을 만들어 내는 화장품 충진기술이다. 우선 투명한 젤을 만들어 용기에 넣은 후, 로봇을 이용하여 원하는 그래픽을 그려 완성한다. 투명 젤은 기능성화장품에 줄기세포 등을 넣어 제조하고, 그래픽은 액정 등을 사용하여 충진 한다. (그림9)

그림9. Graphic Essence 적용 화장품 (출처: H&A파마켐)
그림9. Graphic Essence 적용 화장품 (출처: H&A파마켐)

Ⅴ 층상 이중 수산화물(Layered Double Hydroxide, LDH)

층상 이중 수산화물(Layered Double Hydroxide, LDH)은 화장품 유효성분을 안정화 시킬 수 있는 새로운 소재중 하나이다. Nano Sheet사이에 유효성분을 흡착시키고, 특정조건에서 방출시킬 수 있는 구조이기 때문에 최근 화장품 소재로 많이 검토되고 있다. LDH 구조는 금속층-유효성분-금속층으로 이루어져 있으며, 금속이온은 2가의 칼슘, 마그네슘 3가의 알루미늄, 철 등이 사용되며 유효성분으로는 아미노산, 비타민, 카로티노이드, 레티노이드 등을 사용할 수 있다. 유효성분을 나노시트에 넣거나, 아니면 유효성분을 먼저 Capsulation시키고, 1차: Nano Sheet에 유효성분이나 캡슐화 시킨 유효성분을 포집시켜 LDH를 만들고 2차: Liposome으로 2차 안정화하여 다양한 화장품 소재를 만들 수 있다. (그림10)

그림10. LDH의 안정화 및 나노 흡착제의 흡착물질 방출제어 모식도
그림10. LDH의 안정화 및 나노 흡착제의 흡착물질 방출제어 모식도

최근 연구를 통해 영여자추출물 및 층상이중수산화물을 포함하는 화장료 조성물(특허 10-1941035호), 나노에멀젼및 개질된 층상 이중 수산화물을 포함하는 경피 전달용 조성물(특허 10-1883719)을 연구하여 LDH를 이용한 화장품 소재의 안정화 기술을 확보하였다.

당사는 2019년 In-cosmetics korea에서 Poly-LDH를 이용하여 Retinal을 안정화 시킨 Poly-LDH Retinal을 이노베이션존에서 소개하여 호평을 받았다. (그림11)

그림11. In-cosmetics Korea 이노베이션존 (출처: H&A파마켐)
그림11. In-cosmetics Korea 이노베이션존 (출처: H&A파마켐)

Ⅵ 금속-유기골격체(Metal Organic Frameworks, MOF, Poly-MOF)

금속-유기골격체(Metal Organic Frameworks, MOF, Poly-MOF)는 금속과 유기물의 구조체로서 Coordination Polymer, Coordination Networks라고 부르며 다양한 분야에서 활용되고 있다. (그림12) 최근에는 화장품 소재를 안정화 시킬 수 있는 기술로서 활발한 연구가 진행되고 있다.

그림12. 다양한 분야에서의 MOF의 활용 (출처: H&A파마켐)
그림12. 다양한 분야에서의 MOF의 활용 (출처: H&A파마켐)

본 연구진은 리간드와 금속을 혼합하여 구조체를 형성한 후 레티놀을 봉입하는 연구를 진행하였으며, MOFs를 activation시켜 빈 공간에 있던 용매를 제거해 준 후 레티놀을 첨가하여 혼합물을 만들었으며, 봉입 후 침전물을 필터로 여과하고 세척하여 MOF-Retinol을 얻었다. (그림13)

그림13. Retinol@MOF 제조과정 (출처: H&A파마켐)
그림13. Retinol@MOF 제조과정 (출처: H&A파마켐)

최근에는 MOF에 고분자를 결합하여 온도 민감성 및 pH 민감성을 통한 피부침투에 용이한 Poly-MOF에 대한 연구를 진행하고 있다. Zeolite imidazolate framework(ZIF-8)와 온도민감성 고분자 poly(ethyleneglycol)-block-poly(ɛ-caprolactone)-block–poly(ethyleneglycol)(PEO-b-PCL-b-PEO)/Pullulan-poly-(L)-lactic acid 합성, ZIF-8과 pH민감성 고분자 Succinylated chitosan을 합성하였다. ZIF-8과 PEO-b-PCL-b-PEO 확인을 위하여 주사전자현미경(Scanning electron microscope)으로 분석하였고 표면에 3중 고분자가 붙은 것을 확인하였다. (그림14)

그림14. (a)ZIF-8 원물, (b)ZIF-8과 PEO-b-PCL-b-PEO 25℃에서 합성, (c)ZIF-8과 PEO-b-PCL-b-PEO를 40℃에서 합성, (d)PEO-b-PCL-b-PEO (출처: H&A파마켐)
그림14. (a)ZIF-8 원물, (b)ZIF-8과 PEO-b-PCL-b-PEO 25℃에서 합성, (c)ZIF-8과 PEO-b-PCL-b-PEO를 40℃에서 합성, (d)PEO-b-PCL-b-PEO (출처: H&A파마켐)

합성한 Retinol이 담지된 ZIF-8의 시간과 pH에 따른 Retinol의 방출을 실험하여 pH4일 때 방출되는 것을 확인하는 연구를 진행하였다. Poly-MOF는 민감성 소재로서 피부 pH에 따라 흡수율을 높일 수 있음을 확인하였다.

결론

화장품의 가치를 높이기 위한 첫번째 방법은 기능성 성분의 안정화이며 이를 위해서는 바이오인캡슐레이션(Bioencapsulation), 동결건조(Drying Cosmetics), 층상 이중 수산화물(LDH) 그리고 금속-유기골격체MOF, Poly-MOF 기술을 이용하여 기능성 소재를 안정화시키는 기술을 개발하고 있으며, 두번째 방법은 화장품 성분을 눈으로 직접 확인할 수 있는 비지블 바이오인캡슐레이션(Visible Bioencapsulation) 기술을 이용하여, 성분을 가시적으로 보여주는 것이 필요하다. 세번째는 3D 로봇을 이용한 그래픽 충진 기술을 사용하여 화장품의 아름다움을 직접 눈으로 확인할 수 있게 하여 화장품을 가치를 높이고 있다.


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