목차
젤라틴 캡슐의 열 중량 분석(TGA): 기본 사항 및 중요성
열 중량 분석(TGA)은 실제 보관 조건에서 젤라틴 캡슐과 같은 재료의 수분 거동과 안정성을 정량적으로 모니터링하기 위한 제약 및 의료 분석의 핵심 방법입니다. 특히 젤라틴과 같은 흡습성 재료의 경우 수분 함량이 보관 및 운송 중 캡슐 강도, 방출 특성 및 전반적인 안정성에 큰 영향을 미치기 때문에 수분 함량에 대한 지식이 매우 중요합니다(1). TGA는 제어된 온도 상승에서 시료의 질량 변화를 지속적으로 측정하므로 제약 재료의 열적 특성을 정밀하게 특성화할 수 있습니다. 젤라틴 캡슐의 경우, 다양한 유형의 결합에 포함된 수분의 양과 가열 또는 장기 보관 시 이 수분이 어떻게 증발하는지 정확히 파악할 수 있습니다. 이 방법은 순수한 수분 함량뿐만 아니라 물과 캡슐 매트릭스 간의 상호 작용과 유리 전이 및 융점과 같은 관련 전이의 역학에 대한 자세한 정보도 제공합니다(2).
TGA 애플리케이션의 핵심 측면:
- 온도 상승 제어를 통한 지속적인 대량 모니터링
- 젤라틴 매트릭스에서 자유 수분과 결합 수분의 구별
- 40-150°C 범위에서 수분 증발 공정의 정량화
- 열 전이 및 구조적 변화 감지
- 시료의 질량 손실과 수분 손실 간의 상관관계
- 다양한 환경 조건에서 스토리지 안정성 검증
흡착-탈착 수분 이동으로 알려진 모델은 보관 중 캡슐 벽과 캡슐 충전물 사이의 수분 이동을 설명합니다. 이 모델을 TG 분석 데이터와 함께 사용하면 시스템의 평형 수분 함량을 예측할 수 있으며 캡슐이 부서지거나 서로 달라붙지 않도록 보관 조건을 선택하는 데 도움이 됩니다(3).
장기간 보관 시 중요한 안정성 요인으로 작용하는 잔류 수분
젤라틴 캡슐의 일반적인 초기 잔류 수분 함량은 약 13%로, 생산 후 비교적 안정적이지만 온도 및 습도와 같은 외부 영향으로 인해 상당한 변동을 겪을 수 있는 것이 특징입니다. 젤라틴 캡슐의 최적 잔류 수분은 12~16% 사이로, 이 수치는 젤라틴 캡슐에 필요한 유연성과 탄력을 부여하고 젤라틴 매트릭스에 천연 가소제 역할을 합니다(4). 3개월의 보관 기간 동안 TGA를 사용하여 다양한 환경 조건에서 잔류 수분이 어떻게 손실되거나 흡수되는지 정량적으로 모니터링할 수 있습니다. 발표된 연구에 따르면 습도가 증가하면 젤라틴 캡슐의 잔류 수분이 24시간 만에 크게 증가하고 재료 특성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 보관 기간이 길어질수록 환경과의 수분 균등화가 완료되어 캡슐의 수분이 증가하거나 건조한 조건에서 점차 수분을 잃는 경향이 있습니다(5).
중요한 습기 영역과 그 영향
- 잔류 수분이 너무 낮음(<8~10%): 유연성 상실, 취성, 취급 중 파손 위험 증가
- 최적의 잔류 수분(12~16%): 균형 잡힌 기계적 특성, 안정적인 이형 특성
- 과도한 잔류 수분(>16%): 캡슐 형상의 가소성, 점착성, 변형 증가
- 극한 습도(>65% RH): 변형, 곰팡이 형성, 미생물 번식, 기능 상실
- 장기적인 효과: 환경과의 수분 균등화로 영구적인 특성 변화 유도
TGA 기반 수분 변화 평가:
- 40-150°C 온도 범위에서 정밀한 질량 측정을 통한 수분 손실의 정량적 측정
- 3개월 이상의 장기 보관 기간 동안 습도 변화를 원활하게 추적합니다.
- 안정성 문제를 조기에 방지하기 위한 중요 습기 영역 감지
- 환경 조건과 그에 따른 물질적 변화 사이의 상관관계
- 품질 관리 및 규정 준수를 위한 객관적이고 과학적인 근거 마련
젤라틴 캡슐이 수분을 흡수하거나 방출하는 능력은 젤라틴 자체의 분자 구조에서 비롯됩니다. 수분 함량으로 인해 폴리머 매트릭스가 가소화되거나 부서질 수 있으며, 잔류 수분이 감소함에 따라 유연성이 감소하고 캡슐이 부서질 수 있습니다.
제약용 젤라틴 캡슐의 열적 특성 및 장기 안정성
젤라틴 캡슐의 장기 안정성을 위한 주요 열 특성에는 유리 전이 온도, 융점, 습도 변동에 따른 거동, 열분해 및 비열 용량이 포함됩니다. 이러한 매개변수는 기본적으로 캡슐이 전체 보관 기간과 운송 중에 기계적 무결성, 유연성 및 보호 기능을 유지하는 방법을 결정합니다(6). 유리 전이 온도는 젤라틴이 유리처럼 부서지기 쉬운 상태에서 유연하고 고무 같은 상태로 변하는 임계 온도 범위를 나타냅니다. 보관 습도나 온도가 임계값 이하로 떨어지면 캡슐이 부서지기 쉽고 파손되기 쉽습니다. 습도가 너무 높거나 유리 전이 온도를 초과하면 캡슐의 내용물이 제어되지 않은 방식으로 변형되거나 달라붙거나 방출되는 경향이 있습니다. 녹는점은 고체에서 액체로 전환되는 온도를 나타내며, 30°C 이상의 온도는 장기간 노출 시 이미 문제가 될 수 있습니다.
중앙 열 매개변수와 그 중요성
- 유리 전이 온도(Tg): 취성에서 유연한 재료 거동으로의 임계 전환
- 녹는점(Tm): 치수 안정성을 위한 온도 제한(>30°C에서 영구적으로 문제 발생)
- 열분해 온도: 150°C 이상의 젤라틴 매트릭스의 구조적 분해
- 비열 용량: 열 반응성 및 에너지 요구량 측정
- 결정화 거동: 온도 변동에 따른 구조적 변화
- 상 전이: 캡슐 매트릭스의 가역적 및 비가역적 상태 변화
열 특성이 제품 안정성에 미치는 영향:
- 기계적 무결성: 보관 기간 동안 캡슐 모양과 강도 보존
- 방출 특성: 생리적 환경에서 활성 물질 방출 제어
- 화학적 안정성: 열로 인한 캡슐 매트릭스의 성능 저하 방지
- 용해도 거동: 위장관 내 용해 동역학에 미치는 영향
- 가교 저항성: 비가역적 가교 반응 방지
특정 온도 이상에서는 젤라틴의 열분해가 시작되므로 이 임계값은 실제 보관에서는 관련이 적지만 공정 단계나 분석 방법에서 고려해야 합니다. 빛과 열에 의한 산화는 기계적 강도와 무결성을 저하시킬 수 있으므로 사용되는 젤라틴의 순도와 열 안정성은 매우 중요합니다.
환경 요인이 화학적 안정성 및 재료 무결성에 미치는 영향
온도와 습도는 젤라틴 캡슐의 화학적 안정성에 큰 영향을 미치는 두 가지 주요 환경 요인이며 종종 시너지 효과를 발휘합니다. 온도가 높을수록 젤라틴 분자 사슬의 이동성이 증가하여 캡슐 매트릭스 내의 분자 간 결합이 약해집니다. 이로 인해 물과 기타 작은 분자가 젤라틴 구조에 더 쉽게 침투할 수 있어 가수분해, 산화 및 원치 않는 가교 결합과 같은 화학적 분해 과정에 대한 민감성이 크게 증가합니다(7).
온도가 상승하면 화학 반응이 기하급수적으로 가속화되어 35~40°C에서 기계적 및 화학적 안정성이 크게 감소합니다. 극단적인 경우 젤라틴 매트릭스가 붕괴되어 캡슐이 달라붙거나 돌이킬 수 없는 변형 또는 부분적으로 녹을 수 있습니다. 극단적인 경우 젤라틴 매트릭스가 붕괴되어 캡슐이 달라붙거나 돌이킬 수 없는 변형 또는 부분적으로 녹아 투약 안전성과 유효 성분 보호가 손상될 수 있습니다. 또한 보관 온도가 높으면 젤라틴 캡슐의 잔류 수분이 변동하고 유리 전이 온도가 낮아져 캡슐이 더 부드러워지고 화학적으로 더 취약해집니다.
온도 관련 안정성 위험:
- 35°C에서 화학 반응(가수분해, 산화, 가교) 가속화
- 분자 이동성 증가 및 분자 간 결합 약화
- 잔류 수분에 영향을 미치고 유리 전이 온도를 낮추는 방법
- 매트릭스 붕괴, 변형 및 용융 과정의 위험성
- 투약 안전성 및 유효 성분 보호 저하
- 장기간 노출 시 돌이킬 수 없는 구조적 변화
습도 관련 성능 저하 메커니즘:
- 흡습성 동작으로 인해 제어되지 않는 수분 흡수가 >60% rH에서 발생합니다.
- 수분 함량 증가로 인한 유리 전이 온도 감소
- 매트릭스의 과도한 수분으로 인한 화학적 분해 과정 촉진
- 젤라틴 구조의 가수분해 및 미생물 분해 촉진
- 더 부드럽고 투과성이 높으며 불안정한 캡슐 벽으로 인한 누출 위험
- 극한 습도에서의 가교 공정은 용해도와 방출을 손상시킵니다.
젤라틴은 흡습성이 높고 습도가 높은 환경에서 수분을 흡수하기 때문에 캡슐의 수분 함량이 크게 증가합니다. 이로 인해 유리 전이 온도가 낮아지고 젤라틴 매트릭스가 더 유연해지지만 동시에 화학적으로 훨씬 더 불안정해집니다. 과도한 수분은 젤라틴의 가수분해와 미생물 분해를 촉진하고 유해한 가교 과정을 일으킬 수 있습니다.
시너지 효과와 최적의 보관 조건:
- 온도와 습도의 시너지 효과로 성능 저하가 기하급수적으로 증가합니다.
- 15-25°C, 30-60%의 상대 습도에서 보관하는 것이 최적입니다.
- 제품 품질 유지를 위한 열대성 환경 피하기
- 제약 물류에서 엄격한 환경 모니터링의 필요성
- 규정 준수를 위한 통제된 스토리지 조건의 중요성
제약용 젤라틴 캡슐의 최적 보관 조건은 15~25°C, 상대 습도 30~60%로 장기간 화학적 및 기계적 안정성을 보장하는 것입니다. 이러한 매개변수, 특히 온도와 습도가 높은 열대 조건에서 벗어날 경우 제품 품질이 현저하게 저하되고 돌이킬 수 없는 경우가 많습니다.
실제 적용, 산업 관련성 및 품질 관리
TGA는 제약 업계에 중요한 실제 질문에 대한 정확하고 과학적인 답변을 제공합니다: 특정 기후 조건에서 몇 달 동안 보관한 후 잔류 수분이 얼마나 남는가? 전체 공급망 동안 실제 운송 및 보관 조건에서 캡슐 구조가 얼마나 안정적인가? 일관된 품질을 보장하기 위해 보관 및 제조 공정을 어떻게 최적화할 수 있는가? 제약 산업의 연구 부서, 실험실 및 개발 팀에게 수분 측정 및 재료 특성화를 위한 TGA의 통합은 이제 최첨단 기술이며 포괄적인 품질 관리의 중요한 구성 요소입니다(8).
TGA 데이터는 장기간에 걸쳐 젤라틴 캡슐의 제품 안전성을 평가하기 위한 과학적으로 강력한 기반을 형성하고 다양한 환경 조건에서 재료의 거동을 예측할 수 있게 해줍니다. 불리한 보관 조건으로 인해 캡슐의 수분 함량이 감소하는 경우, 취성 및 취약성을 방지하기 위해 수분 함량이 임계값 이하로 떨어지지 않도록 주의해야 합니다. 반면에 캡슐이 너무 촉촉하게 유지되면 유리 전이 온도가 떨어지고 가소성이 증가하며 캡슐의 내용물이 통제되지 않은 방식으로 방출될 수 있습니다.
업계를 위한 포괄적인 실용적인 권장 사항:
- 통제된 환경에서 15-25°C, 35-65%의 상대 습도에서 일정한 보관이 가능합니다.
- 알루미늄 복합 필름과 같은 고품질 방습 및 방광 포장재 사용
- 변색, 변형 또는 곰팡이 증식에 대한 정기적인 육안 검사 실시
- 지속적인 품질 모니터링을 위한 무작위 TGA 분석 수행
- 신고된 전체 유통기한에 대한 종합적인 안정성 검증
- 광화학적인 성능 저하를 방지하기 위해 빛 노출로부터 체계적으로 보호
- 품질 관리 시스템 및 규정 준수 프로그램과의 통합
전략적 산업 이점 및 애플리케이션
- 포괄적인 안정성 평가를 위한 객관적이고 과학적으로 이해할 수 있는 근거 제공
- 스토리지, 운송 및 제조 프로세스의 데이터 기반 최적화
- 규제 요건 및 국제 제품 사양에 대한 선제적 준수
- 개선된 포장 시스템 및 보호 개념의 개발 및 검증
- 전체 제약 공급망에 걸친 지속적인 품질 보증
- 예방적 안정성 분석 및 재료 특성화를 통한 위험 최소화
- 제품 손실 및 클레임 방지를 통한 비용 최적화
수분 값의 변화와 관련된 또 다른 중요한 위험은 특히 흡습성이 있는 경우 캡슐 충전물의 무결성과 관련이 있습니다. 균형 잡힌 수분 밸런스는 필요한 유연성과 안정성을 보장하며, 이는 전체 제품 수명 주기 동안 사양을 준수하고 국제 품질 표준을 충족하기 위한 규제 관점에서도 매우 중요합니다.
결론
열무게 분석은 제약 산업에서 수분 손실과 그에 따른 젤라틴 캡슐의 기계적 및 열적 안정성 변화를 과학적으로 기록, 정량화하고 종합적으로 문서화하는 데 필수적인 분석 도구로 입증되고 있습니다. 이러한 상세한 결과는 보관 및 생산 조건의 체계적인 최적화와 안전하고 신뢰할 수 있는 의약품 제형의 증거 기반 개발로 직접 연결됩니다.
TGA는 제약 젤라틴 캡슐의 복잡한 수분 프로파일을 일반적이고 중요한 보관 시간 내에 정확하게 측정하고 추적할 수 있을 뿐만 아니라 현대 제약 제조에서 포괄적인 안정성 평가, 목표 물질 최적화 및 안정적인 규정 준수를 위한 객관적이고 과학적으로 건전하며 규제가 허용하는 기반을 제공합니다. 제약 산업에서 TGA를 품질 관리 시스템에 통합하는 것은 제품 안전성, 규정 준수 및 경제적 효율성을 위한 중요한 성공 요소입니다.
출처 목록
(1) 새로운 캡슐 재료가 연질 캡슐의 안정성에 미치는 영향 조사, AIP Advances, 2025. https://pubs.aip.org/aip/adv/article/15/4/045209/3342879/Investigating-the-effect-of-novel-capsule
(2) 고습도에 노출된 젤라틴과 HPMC 흡입 캡슐 쉘의 비교 평가, PMC12299881, 2025. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12299881/
(3) Chang RK 외, 젤라틴 캡슐 취성에 관한 연구: 캡슐 껍질과 내용물 사이의 수분 이동, J Pharm Sci, 1998. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9572904/
(4) 품질 및 유통기한 보장: 최적의 보관. http://de.gdlcapsule.com/info/ensuring-quality-and-shelf-life-optimal-stora-17198404475266048.html
(5) 의약품 젤라틴 캡슐의 유통기한은 어떻게 되나요? https://de.gaohuacapsule.com/blog/what-is-the-shelf-life-of-medicine-gelatin-capsules-134787.html
(6) 시차 주사 열량 측정(DSC) 분석. https://torontech.com/de/differential-scanning-calorimetry-dsc-analysis/
(8) 부드러운 젤라틴 캡슐을 사용한 제형. https://www.saintyco.com/de/formulierung-mit-weichgelatinekapseln/
