물질의 핵생성을 유도하는 방법 document_id A220623108302

당해 기술 분야에서, 냉동 건조(freeze-drying)를 완결하는데 필요한 처리 시간을 줄이고, 최종 제품에서 바이알 사이의 제품 균일성을 증가시키기 위해서, 동결 건조(lyophilization) 또는 냉동 건조 방법의 냉동 단계에서 일반적으로는 랜덤한 핵생성 과정을 제어하는 것이 매우 바람직하다. 전형적인 의약의 냉동 건조 방법에서는, 공통된 수용액을 함유하는 여러 개의 바이알들을, 일반적으로 제어된 속도하에 저온으로 냉각되는 선반상에 배치한다. 각 바이알내의 수용액은 당해 용액의 열역학적 빙점 미만으로 냉각되며, 핵생성이 일어날 때까지 과냉각된(sub-cooled) 준안정 액체 상태로 유지된다. 바이알 사이의 핵생성 온도 범위는 열역학적 빙점 부근의 온도에서 열역학적 빙점보다 현저하게(예를 들면, 약 30℃에 이르는 온도만큼) 더 낮은 값 사이에 무작위 분포된다. 이러한 핵생성 온도의 분포는 얼음 결정 구조면에서 바이알 사이의 변화를 유발하고 결국에는 동결 건조된 제품의 물리적 특성 사이의 변화를 유발한다. 더욱이, 냉동 건조 방법의 건조 단계는 자연적인 확률적 핵생성 현상에 의해 생성된 얼음 결정 크기 및 구조의 범위를 수용할 정도로 극히 길어야 한다. 과냉각된 용액의 핵생성 온도를 증가시키기 위해서 첨가제를 사용한 바 있다. 이러한 첨가제들은 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 특정의 박테리아(예: 슈도모나스 시린게(Pseudomonas syringae)는 과냉각된 수용액에서 핵생성 얼음 형성을 보조하는 단백질을 합성하는 것으로 알려져 있다. 상기 박테리아 또는 이들의 단리된 단백질을 용액에 첨가하여 핵생성 온도를 상승시킬 수 있다. 또한, 몇 가지 무기 첨가제들도 핵생성 효과를 갖는 것으로 입증되었으며; 이러한 첨가제중 가장 흔하게 사용되는 것은 요오드화은, 즉, AgI이다. 일반적으로, 어떠한 첨가제 또는 오염물질이라도 핵생성제로서 작용할 가능성을 갖는다. 고농도의 입자들을 함유하는 환경에서 제조된 동결건조 바이알들은 저농도의 입자 환경에서 제조된 바이알들보다 낮은 과냉각도에서 핵을 생성하고 냉동될 것이다. 전술한 바와 같은 모든 핵생성제들은 "첨가제"로서 표기되는데, 그 이유는 이러한 핵생성제들이 상 전이에서 핵생성을 하는 매체의 조성을 변화시키기 때문이다. 이러한 첨가제들은 FDA에 의해 규제 및 승인되는 냉동 건조 의약품에는 허용되지 않는다. 또한, 이러한 첨가제들은 바이알이 핵을 생성하고 냉동할 때 시간 및 온도에 대한 제어 수단을 제공하지 않는다. 오히려, 상기 첨가제들은 바이알의 평균 핵생성 온도를 증가시키는 작용을 할 뿐이다. 얼음 결정 자체는 과냉각된 수용액에서 얼음 형성을 위한 핵생성제로서 작용할 수 있다. "얼음 안개(ice fog)" 방법에서, 습한 냉동 건조기에 저온의 기체를 충전하여 얼음 소립자의 증기 현탁물을 생성한다. 얼음 입자들을 바이알로 옮겨서 그 입자들이 유체 계면과 접촉될 때 핵생성을 개시한다. "얼음 안개" 방법은 제어된 시간 및 온도하에 동시에 여러 개의 바이알들의 핵생성을 제어하지는 못한다. 다시 말하면, 냉동 건조기내로 저온의 증기를 주입할 때 모든 바이알 내부에서 동시에 또는 즉각적으로 핵생성이 일어나지 않는다. 얼음 결정들은 그 자체가 각각의 바이알에 작용하여 핵 형성을 개시하기 위해서는 얼마간의 시간을 소요할 것이며, 냉동 건조기 내부의 위치에 따라서 바이알들에 대한 이동 시간이 상이할 것으로 보인다. 대규모의 공업용 냉동 건조기의 경우에, "얼음 안개" 방법을 실시하기 위해서는 냉동 건조기 전반에 걸쳐 "얼음 안개"의 균일한 분포를 도모하기 위해서 내부 대류 장치가 필요할 수 있기 때문에 시스템 설계의 변경이 필요할 것이다. 냉동 건조기 선반이 연속적으로 냉각될 경우에, 제 1 바이알이 냉동할 때와 최종 바이알이 냉동할 때 사이의 시간 차이가 바이알들간의 온도 차이를 유발하여, 냉동 건조된 제품에서 바이알간의 비균일성을 증가시킬 것이다. 핵생성에 필요한 과냉각 정도를 낮추기 위해 바이알에 선을 긋거나, 스크래치를 만들거나 표면을 거칠게 함으로써 전처리하는 방법을 사용한 바 있다. 다른 종래 기술의 방법들과 마찬가지로, 바이알의 전처리 방법도 각각의 바이알이 핵을 생성하여 냉동할 때 시간 및 온도에 대한 제어를 전혀 제공하지 않으며, 그 대신에 모든 바이알의 평균 핵생성 온도를 증가시킬 뿐이다. 준안정 물질에서 상전이의 핵생성을 유도하기 위해 진동법을 사용한 바 있다. 핵생성을 유도하는데 충분한 진동은 10 kHz를 넘는 주파수에서 일어나며, 다양한 장치를 사용하여 진동을 발생시킬 수 있다. 일반적으로는 10 kHz 내지 20 kHz 범위내의 주파수가 사람의 가청 범위내에 존재하지만, 상기 주파수 범위내의 진동은 "초음파"로 명명되는 경우가 많다. 초음파 진동은 과냉각된 용액중에 캐비테이션(cavitation) 또는 작은 기포 형성을 일으키는 경우가 많다. 일시적이거나 관성적인 캐비테이션 상황에서, 기포는 빠르게 성장하고 충돌함으로써 매우 높은 국소 압력 및 온도 변동을 유발한다. 초음파 진동이 준안정 물질에서 핵생성을 유도하는 능력은 흔히 일시적인 캐비테이션에 의해 유발되는 교란에 기인한다. 안정하거나 비관성적인 것으로 일컬어지는 다른 캐비테이션 상황은 기포들이 충돌없이 안정한 용적 또는 형태의 진동을 나타낸다는 것을 특징으로 한다. 미국 특허 출원 제 20020031577 A1호는 초음파 진동이 안정한 캐비테이션 상황에서도 핵생성을 유도할 수 있다고 개시하고 있지만, 이러한 현상에 대한 설명은 제공되어 있지 않다. 또한, 영국 특허 출원 제 2400901A호는 10 kHz를 넘는 주파수에서의 진동을 사용하여 용액중에서 캐비테이션, 따라서 핵생성을 일으킬 수 있는 가능성이 상기 용액 주위의 압력을 감소시키거나, 상기 용액에 휘발성 유체를 용해시킴으로써 증가될 수 있다고 개시하고 있다. 종래 전자냉동(electrofreezing) 방법을 사용하여 과냉각된 액체에서 핵생성을 유도한 바 있다. 전자냉동 방법은 일반적으로 비교적 높은 전기장(~ 1 V/nm)을 과냉각된 액체 또는 용액중에 좁은 간격으로 침지된 전극들 사이에 연속적으로 또는 펄스식으로 전달함으로써 수행된다. 전형적인 동결건조 용도에서 전자냉동 방법과 관련된 단점으로는, 특히 여러 개의 바이알 또는 용기를 사용하는 동결건조 용도에서 실시 및 유지하기가 비교적 복잡하고 비용이 많이 든다는 점을 들 수 있다. 또한, 전자냉동 방법은 이온성 화학종(예: NaCl)을 함유하는 용액에는 직접 적용할 수 없다. 최근에, '진공 유도 표면 냉동(vacuum-induced surface freezing)"의 개념을 조사한 연구가 발표되었다(미국 특허 제 6,684,524호 참조). 이와 같은 '진공 유도 표면 냉동" 방법에서, 수용액을 함유한 바이알들을 냉동 건조기내의 온도 제어된 선반상에 배치하고 초기에는 섭씨 약 10도로 유지시킨다. 이어서, 냉동 건조 챔버를 진공 압력 부근으로(예: 1 mbar) 배기시켜서, 수용액의 표면을 수 밀리미터 깊이까지 냉동시킨다. 이어서 진공을 해제하고 선반 온도를 용액의 빙점 미만으로 감소시키면, 용액의 나머지 부분을 통해서 미리 냉동된 표면층으로부터 얼음 결정들이 성장할 수 있다. 전형적인 동결건조 용도에서 상기 '진공 유도 표면 냉동' 방법을 실시함에 있어서 주요 단점은, 전술한 조건하에서 용액이 돌비하거나 기체를 방출할 위험이 높다는 것이다. 핵생성 방법의 개선된 제어 방법이 있다면, 보다 좁은 온도 및 시간 범위내에서 냉동 건조기내의 모든 냉동되지 않은 의약 용액 바이알들의 냉동이 일어날 수 있도록 함으로써, 바이알 사이의 균일성이 보다 큰 동결건조 제품을 제조할 수 있을 것이다. 최저 핵생성 온도를 제어하면 바이알 내부에서 형성된 얼음 결정 구조에 영향을 미칠 수 있으며, 냉동 건조 방법을 더욱 촉진할 수 있다. 그러므로, 냉동 건조를 완결하는데 필요한 처리 시간을 줄이고 최종 제품에서 바이알 사이의 제품 균일성을 향상시키기 위해서, 냉동 건조 또는 동결건조 방법의 냉동 단계를 비롯한 다양한 냉동 방법에서 핵생성의 랜덤한 과정을 제어할 필요성이 있다. 따라서, 전술한 바와 같은 특징들을 어느 정도, 바람직하게는 전부 갖는 방법을 제공하는 것이 바람직하다.