1. 서 론
피부 구조 중 외부로부터 인체를 보호하는 피부장벽의 역할을 하는 각질층은 여러층의 각화세포와 그 사이를 채우는 불용성 섬유상 단백질, 각질세포 사이를 채우는 세라마이드, 지방산 등으로 구성된 세포간 지질의 구조적 특성을 가지고 있어 화장품의 수성이나 유성의 유효성분 모두 피부 흡수가 잘 이루어지지 않는다.1) 각질층을 통한 화장품 성분의 흡수는 세포 간 경로(intercellular route, 비교적 비극성 지질층을 통과하는 경로)와 직접 세포투과 경로(transcellular route)를 통해 이루어지는데,2) 미백, 주름, 항산화 등의 기능성 화장품을 개발하고 있는 화장품 업계에서는 이러한 기능성 성분이 피부에 적용되었을 때 실제 흡수율을 높이는 기술에 관심이 집중되고 있다. 즉, 유해하지 않고 우수한 효능을 갖는 성분이 피부에 자극을 주지 않으며 흡수되어 그 효과를 상승시키는지가 현 화장품 업계의 최대 과제라고 할 수 있다.3)
에멀젼의 입자 크기가 작아지기 위해서는 비표면적이 증가하기 때문에 많은 양의 계면활성제가 필요하다. 이렇게 다량의 계면활성제를 사용하여 만들어진 작은 입자의 에멀젼은 열역학적으로 안정하다. 에멀젼을 만드는 데 사용된 유상과 수상의 점도가 높은 경우 입자 간 충돌 시 용액점도에 의한 저항이 발생하기 때문에 충돌 확률이 낮아지고, 화장품 제조 유통기한 동안 만들어진 제형이 유지될 수 있다.
또 다른 에멀젼 입자크기를 작게 만드는 기술은 기계적 에너지를 가하여 안정된 에멀젼의 크기를 더 작게 만드는 공정이다. 이런 기계적 에너지는 고압 균질기, 마이크로플루다이저, 초음파 방법이 사용된다. 이런 기계적 에너지 사용에 의해 만들어지는 작아진 입자끼리 충돌하게 되면 합일로 입자크기가 증가할 수도 있으므로, 이런 입자들은 열역학적으로는 불안정하여 장기간 노출된 경우 기계적 처리 이전으로 돌아갈 수 있다. 하지만 기계적 처리로 작아진 입자들은 입자 간 충돌 기회가 적어지기 때문에 물리적 방법으로 만들어진 이런 에멀젼은 동역학적으로 안정된다. 화장품의 제조 유통기한동안 이런 동역학적 안정성이 유지되어야 한다.
나노에멀젼은 열역학적으로 안정하지는 않지만 에멀젼의 성분과 제조 방법에 따라 특성과 성질이 달라진다.4) 나노 에멀젼은 20-200 nm 정도의 입자크기이며 상대적으로 입도 분포도가 좁은 분포를 보인다.5) 나노에멀젼은 계면활성제, 저분자량 에멀젼 보조 안정화제를 사용하면 충돌과 분산에 의한 에멀젼의 파괴(Ostwald ripening)를 예방할 수 있다.6) 나노에멀젼 제조 공정에서 계면활성제의 종류와 계면활성제의 첨가량이 입자크기에 영향을 미치며 계면활성제의 함유량이 17.5%일 경우 입자크기가 가장 작게 형성되는 것으로 보고된 바 있다.7)
고체입자에 의하여 에멀젼이 안정화되는 Pickering 에멀젼은 계면활성제에 의하여 안정화되는 에멀젼보다 안정화된 시스템을 제공하기 때문에 다양한 분야에 응용될 수 있다.8) 카르복시메틸화 전처리된 셀룰로오스 나노섬유와 식물성오일은 혼합한 경우 셀룰로오스 나노섬유의 구조가 식물성 오일을 일정한 크기로 분산시키는 Pickering 에멀젼화를 유도하는 것으로 보고된 바 있다.9) Water-in-Oil(W/O) 제형과 Water-in-Oil-in-Water(W/O/W) 제형의 에멀젼에서 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하면 연속상의 점도가 증가하여 에멀젼 입자를 작게 만들고 이것 때문에 에멀젼의 효과와 안정화도를 증가시킨다.10) 셀룰로오스 나노섬유를 계면에 첨가하면 계면 장력을 감소시키고 점탄성이 높은 상의 인접면을 만드는데 이것으로 인하여 셀룰로오스 나노섬유에 의하여 안정화된 콜로이드 입자가 만들어진다.11)
본 연구에서는 호모믹서를 사용하는 마이크로 에멀젼화 공정과 고압균질기슬 사용하는 나노 에멀젼화 공정으로 화장품을 제조하였다. 이 화장품 제조 공정에 셀룰로오스 나노 섬유를 첨가하여 셀룰로오스 나노 섬유 첨가가 에멀젼의 크기에 미치는 영향을 선행연구에서 검토하였다. 본 연구에서는 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 제조한 화장품 제형이 인체 피부에 전달되는 효과에 미치는 영향을 인체 시험을 통하여 분석하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 재료12)
충남 천안 W사에서 제조한 화장품용 에센스 제형을 기반으로 4가지 다른 처리를 실시하였다. 셀룰로오스 나노 섬유의 첨가 유무와 고압 균질기 작업 유무를 주요 변수로 사용하였다. 이때 만들어진 에멀젼의 입자 크기를 Table 1로 정리하였다.
Table 1.
Four different cosmetic essence with or without of adding cellulose nanofiber, using high-pressure homogenizer12)
| Product category | Adding cellulose nanofiber | Emulsion method | Average emulsion size (nm) |
|---|---|---|---|
| SA1 | no | homomixer | 421.5±39.3 |
| SA2 | no | HPH | 137.9±10.5 |
| SA3 | yes | homomixer | 114.7±17.5 |
| SA4 | yes | HPH | 15.9±1.5 |
2.2 임상시험
2.2.1 피부 임상 시험
2.2.1.1 피험자
피험자의 선정 및 제외기준에 해당하는 피험자를 선발하여, 피험자에게 시험의 목적과 방법을 명확하게 알려 준 후 피험자의 자유의사로 참여를 결정하고 참가 동의서에 서명한 후 시험에 참여하였다. 피험자의 선정과 관리는 서원대학교 글로벌피부임상센터의 규정에 따라 실시하였다.
2.2.1.2 시험 제품과 제품 사용방법
2.2.2 측정 및 평가
본 시험은 제품 4종의 2주 사용에 따른 보습 효과를 평가하는 것으로, 제품 사용 후 시간의 경과에 따른 피부수분함유도의 변화를 측정하는 시험이다. 피부 측정은 시험 제품 사용 전(0w), 사용 후 1주(1w), 2주(2w)에 진행하였다. 측정 부위는 피험자의 하박 내측 부위를 일정한 구획으로 나누고, 무작위로 순서를 정하여 제품을 배분하였다. 시험 시작과 동시에 시험 제품 사용을 시작하였으며, 2주간 1일 2회 사용하도록 하였다. 시험 제품 사용 1주, 2주 후 시험 기관을 방문하게 하여 제품 사용 전과 동일한 피부 부위에서의 측정을 진행하였다. 평가는 제품 사용 후 시간의 경과에 따른 평가와 각 제품 간의 피부 수분량의 변화를 비교 평가하였다. 제품 사용 후 1주, 2주차에 설문평가를 병행하였다. 측정 오차를 줄이기 위하여 각각의 측정은 동일한 시험자가 측정하였으며, 피부 측정은 공기의 이동과 직사광선이 없는 항온항습조건(23±1℃, 50±10% RH)에서 30분 이상 피부 안정을 취한 후 실시하였다.
피부수분함유도 측정은 Skin-O-Mat®(Cosmomed inc, Germany)를 이용하여 제품 사용 전(0w), 사용 후 1주(1w), 2주(2w)에 피험자의 하박 내측 부위의 피부 수분 함유도를 측정하였다. Skin-O-Mat®(Cosmomed inc, Germany)는 Corneometer CM 825와 동일한 작동방식으로 전기용량(capacitance)을 측정하여 피부수분함유도를 평가하는 기기이다. 피부 내 여러 가지 물질 중에서 수분의 전기 용량이 가장 높으므로 전기용량을 측정하여 피부수분함유도를 상대적으로 평가할 수 있다. 직경 약 10 mm 크기의 probe를 피부 표면에 접촉하고 일정한 압력으로 눌러 측정하며, 측정값은 0.0~125.0 사이의 값(AU: arbitrary unit)으로 표시된다.
피부에 수분 함량이 높을수록 측정값은 높아진다. 본 임상시험에서는 동일한 위치의 피부 표면을 각 측정 시기마다 3회 반복 측정하고 그 평균값을 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 피험자 정보 및 제품 정보
본 인체적용시험에 참가한 피험자에 대한 정보는 다음 Table 4과 같고 제품 정보는 Table 5와 같다.
3.2 인체 효력 측정
3.2.1 피부 수분 함유도 측정
피부수분함유도 측정 결과는 다음 Table 6와 같다. 피부수분함유도 정규성 검정 결과는 다음 Table 5와 같다. 0w은 본 시험에 사용하는 제품 사용 전, 1w, 2w은 각각 제품 사용 1주 후, 2주 후를 나타낸다.
Table 6.
Values on skin moisture content
(n=10, mean ± standard error)
| 0w | 1w | 2w | |
|---|---|---|---|
| SSRCRP82-SA1 | 25.1±5.73 | 31.0±4.81a | 32.8±5.30a |
| SSRCRP82-SA2 | 26.1±6.14 | 34.0±3.15ab | 33.1±4.52a |
| SSRCRP82-SA3 | 27.0±6.49 | 34.9±3.91ab | 36.1±3.93ae |
| SSRCRP82-SA4 | 26.7±6.78 | 37.6±2.98abcd | 39.2±4.29aef |
임상시험 결과, 제품 사용 전(0w)에 비하여 사용 1주(1w)와 2주(2w) 후의 피부수분함유도는 4가지 제품 모두 통계적으로 유의하게 높았다(ANOVA, p＜0.05). 제품을 사용하지 않은 것보다 어떤 제품이라도 사용하면 피부수분함유도가 증가함을 보였다.
사용 1주 후 측정한 값을 비교 평가했을 때, Table 7에서와 같이 호모믹서만 교반한 에멀젼(SA1)보다 다른 세 가지 제품에서 통계적으로 유의하게 피부 수분 함유도에 우위를 보였다(ANOVA, p＜0.05). 에멀젼의 입자크기 감소가 보습 성분을 효과적으로 전달했음을 보인다. 고압균질기 처리한 에멀젼(SA2)보다 셀룰로오스 나노섬유 첨가 후 고압균질기로 작업한 제품(SA4)에서 통계적으로 유의성이 검증되었다(ANOVA, p＜0.05). 고압균질기 처리한 제품(SA2)보다 셀룰로오스 나노섬유 첨가 후 고압균질기를 사용하지 않고 교반한 제품(SA3)이 피부 수분 함유도는 높았지만 통계적으로 유의하지는 않았다.
Table 7.
ANOVA analysis for before and after testing
(n=10)
| Sum of squares | DF | Mean square | F | Significance | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Total | 1152.355 | 29 | ||||
| Total | 1067.922 | 29 | ||||
| Total | 1249.395 | 29 | ||||
| Total | 1772.475 | 29 | ||||
나노 입도 분석기로 에멀젼의 입자크기를 분석한 결과, 평균 입자크기가 SA1은 473 nm, SA2는 305 nm, SA3는 198 nm, SA4는 58 nm이었다. 임상시험에서 피부 수분 함유도는 에멀젼의 입자 크기와 반비례함을 알 수 있다. 하지만, SA2와 SA3 사이에서는 입자크기의 차이가 뚜렷하지만 피부 수분 함유도는 유의한 차이를 보이지 않았다.
사용 2주 후 피부 수분함유도 측정값을 비교 평가 결과 SA1보다 SA3와 SA4서 피부 수분 함유도의 차이가 통게적으로 유의한 차이를 보였다(ANOVA, p＜0.05). SA2보다는 SA4가 통계적으로 유의하게 높은 피부 수분 함유도를 보였다(ANOVA, p＜0.05). SA2가 SA1보다, SA4가 SA3보다 피부 수분 함유도는 높았으나, 통계적 유의성은 없었다(ANOVA, no significant). 에멀젼의 입자크기가 작을수록 피부 수분 함유도가 상승한다.
화장품 분야에서도 나노화 기술이 적용되고 있다. 나노 에멀젼 기술은 데오도란트, 자외선 차단제, 샴푸, 로션, 네일 에나멜 등에 적용되고 있다.13) 나노에멀젼 기술중 50 nm 이하의 입자는 특징적인 성질을 갖으며 고가의 화장품 제형에 사용된다. 피부에 흡수가 빠르고 신선하고, 순수하며 단순한 느낌을 부여한다. 이런 나노기술은 화장품뿐만 아니라 식품에서도 적용되며 효과적으로 영양성분, 단백질, 항산화제등을 체내에 전달할 수 있다.14)
셀룰로오스 나노섬유의 농도가 0.1% 이상에서 셀룰로오스 나노섬유의 응집에 의한 Pickering 에멀젼화에 계면의 안정화가 일어나며15) 이것은 셀룰로오스 나노섬유의 겔화 메커니즘에서 기원하며16) 셀룰로오스 나노섬유뿐 만아니라 셀룰로오스 나노 결정 물질도 Pickering 에멀젼화를 유도하는데 이것은 결정 구조에 존재하는 정전기적 힘에 의하여 계면의 안정화를 유도한다.17) 자기 에멀젼화 지방 입자의 쥐 내장 전달에서 입자크기와 표면 전하가 전달 능력에 영향을 미치는 입자크기가 작을수록 효과적으로 전달되며18) 에멀젼화제로 hydroxypropyl-methylcellullse(HPMC)를 사용하는 경우 고압균질기 작업 후 입자의 크기와 입자 분자량에 미치는 영향 짧은길이의 HPMC 사용하면 보다 작은 입자의 에멀젼이 만들어지는 것으로 판단되었다.19)
에멀젼의 나노화 공정에 셀룰로오스 나노섬유가 첨가되었을 때, 에멀젼의 크기를 감소시켜 에멀젼의 피부 전달이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 기존의 마이크로 에멀젼화 공정에서도 셀룰로오스 나노섬유 첨가로 에멀젼의 크기가 작아지고 이로 인하여 피부 전달능력이 향상되었다. 따라서 마이크로 에멀젼화 공정이나 셀룰로오스 나노섬유의 첨가가 에멀젼의 크기를 감소시키고 작아진 에멀젼의 피부 전달 능력을 향상시킬 수 있었다.
4. 결 론
셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 에멀젼의 크기를 조절한 화장품 에센스 원액으로 피부 임상시험 결과 기존의 호모믹서를 사용하여 에멀젼으로 만들어진 제품(SA1)보다 고압균질기로 처리한 제품(SA2), 셀룰로오스 나노섬유를 첨가한 제품(SA3), 셀룰로오스 나노섬유 첨가 후 고압균질기 처리한 제품(SA4)에서 모두 피부수분량이 유의하게 효과가 있었다. 셀룰로오스 나노 섬유 첨가 후 고압균질기 처리한 제품(SA4)는 고압균질기 처리나 셀룰로오스 나노 섬유 혼합 후 호모믹서 처리 제품보다 피부 내 수분함유량에서 95% 신뢰 수준의 유의한 차이를 보였다. 고압 균질기 처리 제품(SA2)보다 기존 호모믹서에 셀룰로오스 나노섬유 첨가 제품(SA3)이 피부 수분함유량이 높았지만 통계적으로 유의하지는 않았다.
나노화 공정에 셀룰로오스 나노섬유의 첨가가 에멀젼의 크기를 조절하여 피부 전달이 가장 유리하였다. 기존의 마이크로 에멀젼화 공정에서도 셀룰로오스 나노섬유 첨가로 에멀젼의 크기가 작아지고 이로 인하여 피부 전달 능력이 향상되었다. 따라서 마이크로 에멀젼화 공정이나 셀룰로오스 나노섬유의 첨가가 에멀젼의 크기를 감소시킴에 따라 작아진 에멀젼의 피부 전달 능력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
