실험계획법을 이용한 전기접속단자 스프링의 최적설계

김덕중 연세대학교 공학대학원 2007 국내석사

Today, The products and technology life are getting shorter because the releasing term of new products that are applied high quality and low cost and revolutionary technology shortens. To correspond with, we need to develop and operate the products in short time efficiently.It is a robust design method using design experiment that has been widely being used as design optimization to correspond this situation. This method can save time and cost for development by getting optimal value using objective function''s variance mount.In this study, I have done electric terminal contact spring structure optimization that is used vehicle Airbag system, which have necessary to high electric contact performance by using Taguchi method and Response surface method. As a result of this study, I could make structure design optimization by obtaining objective functions of spring, and improve its stiffness and electrical contact reliability compared to initial model. 현대사회는 고품질, 저가격, 신기술적용의 제품이 빠른 시간 내에 만들어지고 있기에 제품 및 기술의 수명 사이클이 짧아진다. 이에 대응하기 위해서는 빠른 시간내 효율적인 제품의 개발, 운영이 필요하다.이에 최근에 최적설계 기법으로서 널리 이용되고 있는 것이 실험계획법을 이용한 강건설계 기법이다. 이는 목적함수의 변동량을 구하여 최적값을 구하는 방식으로 적절한 실험계획을 통하여 시간 및 비용의 단축을 가능케 한다.이러한 설계기법 중 다구찌기법 및 반응표면법을 이용하여 실제 차량의 에어백 환경에서 높은 전기적 접촉신뢰성을 유지해야 하는 전기접속단자의 스프링구조의 최적설계에 적용하였다. 이 결과, 대상의 목적함수를 도출하여 구조최적화를 실시하여 초기의 모델과 비교하여 구조의 강성증가 및 접촉신뢰성을 향상시킬 수 있었다.

DoE based formulation and process optimization for targeted drug delivery system - gastroretentive floating tablet and dry powder inhalation system

김병석 고려대학교 대학원 2022 국내박사

본 연구의 목적은 실험계획법 (design of experiments, DoE)을 적용하여 효율적인 실험계획을 세우고, 실행한 결과를 통계적으로 해석하여, 제형 및 공정에 영향을 주는 중요한 요인을 찾고, 이를 바탕으로 제제 및 공정을 최적화 하는 것이다. 또한, 공동 분무건조 방법을 통해, 약물 및 부형제에 원하는 물리화학적 특성을 부여하여 약제학적 성능을 개선시키는 것이다. 파트 1에서는, 제2형 당뇨병의 혈당강화제인 메트포르민 염산염 (metformin hydrochloride, Met HCl)의 생체 이용률을 개선하기 위한 위 체류 약물 전달 시스템인 비발포성 부유 정제 (non-effervescent floating tablet, non-EFT)를 개발한 연구에 대해 설명한다. 파트 2에서는, 천식과 폐쇄성폐질환 치료 약물인 플루티카손 프로피오네이트 (fluticasone propionate, FP)의 폐 약물 전달 효과를 높이기 위해, 매끄러운 표면을 가진 구형의 비정질 유당 고체분산체 (amorphous lactose solid dispersion, ALSD)를 개발하고, 이를 활용하여 건조분말 흡입제의 공기역학적 성능을 증진시킨 연구에 대해 설명한다. 파트 1에서는, Met HCl 및 세틸 알코올을 공동 분무 건조한 과립과 히드록시프로필 메틸셀룰로스 (hydroxypropyl methylcellulose, HPMC K15M)을 직접 압축하여 서방형 non-EFT를 제조했다. DoE는 최적의 제형을 탐색하기 위해 사용됐다. 제조된 정제로 글루코파지 엑스알 (Glucophage XR)과의 용출 프로파일에 대한 동등성 평가를 진행했다. 부트스트랩 분석을 사용하여 용출 프로파일의 유사성 계수(f2)를 비교하고 잠재적으로 동등하지 않은 제형을 제거했다. DoE 결과, 150mg의 세틸 알코올과 17% HPMC K15M으로 구성된 정제가 최적의 제형으로 선정되었으며, 이의 f2는 52.41로 유사성 기준 (f2 > 50)을 만족했다. 이 정제는 완충 용매 (0.1 M HCl buffer, pH 1.2)에서 3초 미만의 부유 지연 시간과 24시간 동안 부유 상태를 유지했다. 또한, 정제 중량은 글루코파지 엑스알 보다 약 20% 감소했다. 이 연구는 고용량 약물일 경우에도 비발포성 위 체류 방출 정제를 사용하는 것이 가능함을 보여주었으며, 글루코파지 엑스알에 대한 대체 치료법이 가능함을 보여주었다. 또한, 최적의 제형 및 용출 프로파일 동등성 평가에 대한 체계적인 접근방법이 중요함을 강조하였다. 파트 2에서는, 건조분말 흡입제 제형의 공기역학적 성능에 영향을 미치는 전달체의 크기, 모양과 표면에 대해 연구하였다. 이를 위해, 전달체는 유당 일수화물과 스테아르산 마그네슘 (magnesium stearate, Mgst)을 공동 분무 건조하여 제조되었고, 매끄러운 표면을 가진 구형의 ALSD 전달체가 생성되었다. DoE는 공기역학적 성능 지표인 미세 입자 분율 (fine particle fraction, FPF)에 영향을 미치는 Mgst의 양 및 ALSD와 FP의 혼합시간을 탐색하는 데 사용되었다. FPF 측정을 위해 차세대 임팩터(next generation impactor)가 사용되었고, FPF는 DPI로부터 방출된 용량과 공기역학적 직경 5 μm 미만 FP의 침적 용량의 비로 산출되었다. DoE를 활용하여 설계된 실험에서, Mgst의 양은 0.0-0.2% 범위로 설정되었고, 혼합시간은 30-60분으로 설정되었다. FPF 값은 Mgst를 첨가하지 않은 경우 혼합시간이 증가할수록 증가했으나, Mgst를 첨가한 경우에는 혼합시간이 감소할수록 FPF 값이 증가했다. DoE에서 도출된 산식에 의해 실험한 결과, 최적의 공기역학적 성능을 보이는 Mgst의 양은 0.2% 이며, 혼합시간의 설계공간은 5-30분인 것으로 판명되었다. 설계공간에서, 0.2% Mgst를 함유하는 ALSD (FPF 59.52-59.62%)는 시판 중인 대조군, Lactohale®200 (FPF 32.95-34.64%) 및 SuperTab®SD11 (FPF 16.48-24.25%)보다 약 25-27% 및 35-43% 더 높은 FPF 값을 보여줬다. 전자현미경 영상에 따르면, 크기가 작고, 표면이 매끄러운 ALSD에 비해, Lactohale®200의 경우 크기가 큰 토마호크 모양이 관찰되었으며, SuperTab®SD11의 경우 모양은 구형이나 표면이 거칠은 것으로 관찰되었다. 이 연구를 통해서, 공기역학적 성능을 결정하는 데 유당 담체의 크기와 모양, 표면 특성이 중요한 역할을 하는 것으로 결론지을 수 있었으며, Mgst를 포함하는 ALSD는 DPI 시스템의 유망한 전달체로 사용될 수 있음을 확인했다. The purpose of this study is to use design of experiments (DoE) to optimize process and formulation for desired pharmaceutical performance. Physicochemical properties of either active pharmaceutical ingredient (API) or excipients were manipulated by using a spray-drying technology. Critical factors during formulation and process development were identified using DoE and modified accordingly for the best performance. The thesis consisted of two parts – Part 1. DoE-based design of a simple but efficient preparation method for a non-effervescent gastro-retentive floating tablet containing metformin (Met) HCl and Part 2. DoE-based process optimization for dry powder inhalation performance via carrier morphology modification. In part 1, a non-effervescent gastro-retentive floating tablet containing Met HCl was developed. Co-spray dried solid dispersion of Met HCl and cetyl alcohol were prepared via a spray-drying method and formulation optimization process was conducted based on DoE. We successfully developed a non-effervescent gastro-retentive floating tablet which showed a dissolution profile comparable with that of a commercially available reference, Glucophage XR, exhibited a floating lag time of less than 3s, remained floating for 24 h, and reduced the tablet weight by about 20% compared to that of the reference. In part 2, the lactose carrier for dry powder inhaler (DPI) was prepared using a spray-drying technique and the process optimization was conducted based on DoE. A spherical shape lactose with a smooth surface was obtained using a spray-drying technique. The amounts of a lubricant added during a spray-drying process and the blending time between API and a carrier varied to achieve the desired aerodynamic performance. On the basis of DoE, the process optimization was conducted and the amounts of a lubricant and the blending time were determined. The critical factors affecting the aerodynamic process were further investigated by using different types of carriers, such as a commercially available DPI carriers, the tomahawk-shaped Lactohale®200 and the spherical SuperTab®SD11.

Extended DoE-IVIVC model for the development of liraglutide sustained release injectable formulations

Oh, Hyeonseok Sungkyunkwan University 2022 국내석사

Liraglutide, a potent glucagon-like peptide 1 (GLP-1) analogue, is one of the most common treatments for type 2 diabetes mellitus (T2DM) patients. Liraglutide selectively binds to GLP-1 receptor and enhances the secretion of insulin, which is a hormone to maintain an appropriate level of sugar in the human body. This study aimed to develop an extended design of experiment (DoE)-in vitro in vivo correlation (IVIVC) model that defines the relationship between the formulation composition, in vitro release, and in vivo pharmacokinetics of liraglutide. The sustained-release (SR) liraglutide injectable formulations were designed by applying DoE with the factors of lecithin, span 80, and benzyl alcohol. The in vitro release profile was determined by the test tube method. The maximum rate of drug release based on Michaelis-Menten kinetics (Vmax) was obtained to describe the effects of the sustained-release injectable formulations. DoE model was validated by comparing observed and predicted 1/Vmax, and the prediction error (PE%) was 1.40%. In vivo pharmacokinetics of three types of liraglutide SR injectable formulations (1 mg per injection) with different release rates were determined in SD rats. To estimate the in vivo release of liraglutide, a population pharmacokinetics (POP PK) model was developed, and level A IVIVC was established for liraglutide SR injectable formulations. Finally, by connecting the DoE model and IVIVC model, the extended DoE-IVIVC model has been established. Utilizing the extended DoE-IVIVC model, prediction of the in vivo pharmacokinetic parameters from the formulation composition could be performed. The extended IVIVC model was validated by comparing the observed and predicted maximum concentration of liraglutide in the plasma (Cmax) and the area under the plasma concentration vs. time profile (AUC), which were derived from internal validation. PE% was 0.77% to 4.44% for Cmax and 1.03% to 8.14% for AUC, satisfying the FDA criteria for the predictability of IVIVC. Applying the extended DoE-IVIVC model, the development of SR injectable formulations to acquire an optimal pharmacokinetic profile would be performed efficiently. 리라글루티드는 글루카곤 양 펩타이드-1 의 일종으로, 제 2 형 당뇨병의 치료제로서 주로 사용되는 약물이다. 리라글루티드는 체내 글루카곤 양 펩타이드-1 수용체에 선택적으로 결합하여 체내 혈당을 조절하는 호르몬인 인슐린의 분비를 증가시켜 혈당을 적절하게 유지시킨다. 본 연구의 목적은 실험계획법 (Design of Experiment, DoE) 과 IVIVC (in vitro-in vivo correlation) 모델이 결합된 확장된 IVIVC 모델 (extended IVIVC model)을 개발하는 것으로, 이를 통해 리라글루티드 서방형 주사제의 조성으로부터 생체 내 약물동태를 예측할 수 있을 뿐만 아니라, 목표하는 약동학적 특성을 보이는 최적의 제제 조성을 예측할 수 있다. 리라글루티드 서방형 주사제의 조성은 실험계획법을 활용하여 설계되었으며, 제형의 방출 특성을 조절하기 위한 레시틴 (포스파티딜콜린), 스판 80 (소르비탄 모노올레이트), 벤질 알코올의 조성을 변경하였다. 서방형 주사제의 방출 특성은 일정한 온도에서 제형을 0.5% sodium lauryl sulfate 가 포함된 인산염완충식염수와 교반하며 평가하였다. 서방화 제제 방출특성은 Michaelis-Menten 속도식을 기초로 하여 산출된 최대 방출 속도(Vmax)를 파라미터로 나타내었으며, 각 파라미터와 제제조성 간의 상관관계는 양호한 상관성을 나타내었다 (r2 (adjust) > 99.91%). DoE 모델에서 예측된 Vmax 와 실측치 Vmax 와의 평균 예측오차 (prediction error, PE)는 1.40%로 나타났다. IVIVC 모델 개발을 위한 약물의 약동학적 특성을 파악하기 위해서 DoE 모델 개발에 사용된 제형 중 서로 다른 방출속도를 나타내는 3 가지의 리라글루티드 서방형 주사제를 선정한 후 이를 제조하였다. 제조된 3 종의 서방형 주사제를 랫드에 투여한 후 생체 내에서의 흡수와 약물동태를 확인하였다. 생체 내 리라글루티드의 방출을 예측하기 위하여 약물의 방출 특성을 반영한 POP PK 모델이 개발되었고, 리라글루티드 서방형 주사제에 대한 Level A IVIVC 가 확립되었다. 최종적으로 DoE 와 IVIVC 모델을 연결하여 서방형 주사제의 조성으로부터 생체 내에서의 약물동태를 예측할 수 있는 확장된 DoE-IVIVC 모델을 확립하였다. 최종 모델의 검증을 위해 internal validation 을 수행하였고, 검증을 통해 확인된 Cmax 와 AUC 에 대한 예측 오차 (PE%)는 각각 0.77%에서 4.44%, 1.03%에서 8.14%의 범위로 FDA 에서 제시하는 IVIVC 모델의 예측 오차 기준을 충족하였다. 본 연구를 통해 개발된 확장된 DoE-IVIVC 모델을 활용하여 서방형 주사제 개발 시 소모되는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있으며, 원하는 약물동태를 나타내는 제제를 보다 효율적으로 설계할 수 있을 것이다

향상된 CHO 세포 배양 성능을 위한 실험 계획법을 사용한 화학적 정의 배지 최적화

이주민 인하대학교 대학원 2024 국내석사

생명공학기술과 함께 많은 발전을 이루고 있는 바이오 의약품인 치료용 재조합 단백질 (therapeutic recombinant proteins)과 단클론항체 (monoclonal antibodies)의 생산에는 Chinese Hamster Ovary (CHO) 세포주가 널리 사용되고 있다. 생성물은이 당그룹이 연결되어 있는 복잡한 단백질이기 때문에 단백질 합성뿐만 아니라 번역 후 수정(post-translational modification)을 잘 수행할 수 있는 안전한 동물세포를 이용하는 것이 제품의 품질면에 있어서 중요하기 때문이다. 그리고 CHO 세포주에서 단백질의 높은 생산성을 위해서, 특정 세포주와 생산되는 재조합 단백질의 특성에 따라서 동물유래성분을 포함하지 않은, 화학적으로 성분이 명확한 화학 조성 배지 (Chemically Defined Medium, CDM)를 개발하는 것은 높은 생산성과 고품질의 생산 공정 설계에 있어 중요하다. 본 연구에서는 CDM 조성 및 농도를 최적화하기 위해서 Design of Experiment (DoE)을 사용하여 자체 화학 조성 배지 내 vitamins, lipids, polyamines, nucleoside, Pluronic F68, 아미노산에 대하여 세포 성장 및 생산성에 대한 영향을 평가하였다. screening DoE로 PBD (Plackett-Burman design)를 사용했으며, Characterization을 위해 Optimization 단계를 거쳐 Sequential DoE를 진행하였다. 유의미한 요인들의 농도를 재설정하는 단계를 거쳐 배지를 최적화하였다. 결과적으로, 기존의 자체화학조성 배지와 비교하여 세포 농도와 생산량을 1.5배 이상 향상 시키는 결과를 얻을 수 있었다. Recombinant therapeutic proteins produced in CHO cells represent a major class of biopharmaceuticals. The reason for this wide use of CHO cells is mainly their ability to perform post-translational modifications and correctly fold recombinant proteins, as well as their proven track record of being safe hosts. To produce high recombinant protein yields in CHO cells, media development is an integral step for this optimal growth environment for cells and a fundamental part in the design of upstream cell culture processes. Additionally, many industrial-scale production techniques now use Chemically Defined Media (CDM) to facilitate downstream processing and reduce the risk of adventitious infectious agents and contaminants. This study focuses on developing the CDM for recombinant CHO cells using Design of Experiments (DoE) regarding Peak Viable Cell Density (PVCD) and production (Titer). Identify the impact of vitamins and lipids, polyamines, nucleosides, Pluronic F68 were selected using Plackett-Burman Design (PBD). Subsequently, a Fractional Factorial Design (FFD) and Central Composite Design (CCD) were used to identify optimal levels and interaction among effective groups of medium components. In the optimal condition, the cells successfully reached PVCD and productivity was 1.5-fold improvement over the control culture. Our findings contribute to more efficient way for optimizing the effective fomulation and to attain higher growth and productivity to develop CDM in CHO cells.

재조합 단백질 생산 CHO 세포용 무혈청 배지 개발

홍나영 인하대학교 대학원 2022 국내석사

태아 소 혈청(FBS)는 동물세포 배양에서 필수적인 보충제로 사용되어 왔다. 그러나 혈청 함유 배지는 성분이 불분명하고 재현성이 떨어지며 오염에 대해 취약한 몇 가지 단점이 있다. 최근에는 균일한 성분과 뛰어난 안정성, 재현성 등으로 무혈청 배지가 각광받고 있다. 본 연구에서는 Design of experiments (DoE)를 사용하여 재조합Chinese hamster ovary (CHO) 세포를 위한 무 혈청 배지를 개발했다. Plackett-burman design 를 사용하여 유의한 요인을 선택하고 fractional factorial design 를 사용하여 유의한 요인들에 대한 교호작용을 확인 하였다. 세포가 peak viable cell density(PVCD)를 보이는 4일차에 세포농도를 확인 하였다. Fractional factorial design 결과, 29x〖10〗^5 cells/ml 가 나왔다. rCHO 세포의 성장을 더 촉진하기 위하여, 주요인자 3개를 선별 한 후, central composite design을 통하여 최적화를 진행하였다. 최종적으로 본 실험에서는 PBD 결과 값에 비하여 peak viable cell density 가 148% 향상된 결과를 얻으며 무 혈청 배지 개발을 하였다. Fetal bovine serum (FBS) has been used as an essential supplement in mammalian cell cultures. However, serum-containing media have some disadvantages such as unclear composition, poor reproducibility and high risk of microbial contaminations. Recently, serum-free media has gained attention due to its uniform ingredients, excellent stability, and reproducibility. In this study, we developed serum-free media for recombinant Chinese Hamster Ovary (CHO) cells using design of experiments (DoE). Significant factors were selected using plackett-burman design, and the fractional factorial design was used to examine interactive effects of adopted components. In the optimal condition, the rCHO cells successfully showed peak viable cell density up to 29x105 cells/mL on fourth day. To promote rCHO cell growth, three main factors were selected and optimized through central composite design. Finally, in this experiment, peak viable cell density was improved by 148% compared to PBD results, and serum-free medium was developed.

전역탐색알고리즘 기반 이산설계변수 근사최적화를 이용한 FPU계류 장치 하부구조의 다목적 최적화

홍성기 국립목포대학교 대학원 2023 국내박사

본 논문에서 고려한 계류장치 하부구조는 80,000ton급 FPU 선미부의 계류 시스템에 설치하기 위해 개념설계(Concept design)되었다. 계류장치 하부구조의 강도성능을 검토하기 위한 하중조건은 BV 선급 규정과 IACS UR 규정을 토대로 운송(Maneuvering 및 escort)과 계류 상태에 대한 설계하중을 산정하였다. 강도 성능은 유한요소해석을 이용하여 하중조건별 최대 조합응력을 평가하였으며, 선급 규정 최대허용응력의 만족 여부를 검토하였다. 계류장치 하부구조의 다목적 근사최적화는 다음과 같은 순서로 수행하였다. 우선 계류 장치 하부구조의 부재 두께를 설계변수로 정의하였고, 하중조건별 중량 최소화, 최대응력 전체 하부구조의 중량을 응답함수로 설정하였다. 설계변수의 변동범위는 개념설계의 초기 두께를 기준으로 약 20%의 하한과 상한 변동을 고려하여 실제 제조가능한 두께로 설정하였다. 직교배열 실험계획법을 이용하여 설계변수 변동에 따른 계류장치 하부구조의 민감도 해석, 최소중량, 최대응력 및 내부 성능 검증에 대해서 분석하였다. 본 연구에서 고려한 계류장치 하부구조의 근사 최적 설계에 적합한 근수모델을 결정하기 위해 Response surface model, Kriging model, 체비쇼프 직교 다항식 모델, 그리고 RBF Neural network model의 3가지 근사모델을 생성하여 정확도를 비교하였다. 이산설계변수 근사 다목적 최적화를 위한 정식화는 하중조건별 최대응력이 선급 규정 최대허용응력 이하인 제한조건과 Winch 및 Sheave 하부구조의 내구성능을 만족하면서 목적함수인 Chain stopper 하부구조의 중량최소화, 최대응력 및 내구성능 검증될 수 있는 이산변수로 정의된 부재 두께의 설계변수를 결정할 수 있도록 정의하였다. 최적화 알고리즘은 이산설계변수 탐색이 가능한 다양한 전역탐색알고리즘을 적용하였다. 본 연구에서 사용한 전역탐색알고리즘은 Simulated Annealing, Particle Swarm Optimization, 그리고 NSGA-II이다. 다목적 근사최적화 결과는 수치 계산 비용과 정확도를 전역탐색알고리즘별로 비교하여 가장 적합한 최적 설계 방법을 검토하였다. In this paper, the considered mooring substructure was concept designed to be installed in the mooring system at the aft part of the 80,000 ton class FPU. The load conditions for reviewing the strength performance of the mooring substructure were calculated based on the BV Classification Regulations and the IACS UR Regulations for the design loads for transportation (manoeuvring and escort) and mooring conditions. For strength performance, finite element analysis was used evaluate the maximum combined stress for each load condition, the satisfaction of the maximum permissible stress in the classification rules was reviewed. Multipurpose approximate optimization of the mooring substructure was performed in the following order. First, the member thickness of the mooring device substructure was defined as a design variable, the weight minimization and maximum stress for each load condition the weight of the entire substructure was set as the response function. The variation range of the design variable was set to the actual manufacturable thickness by considering the variation of the lower limit and the upper limit of about 20% based on the initial thickness of the conceptual design. Sensitivity analysis of mooring substructure according to design variable variation, minimum weight, maximum stress, and internal performance verification were analyzed using the orthogonal array experimental design method. In order to determine a logistical model suitable for the approximate optimal design of the mooring substructure considered in this study, three approximate models, Response surface model, Kriging model, Chebyshev orthogonal polynomial model, and RBF neural network model, were created and their accuracy was compared. The formalization for discrete design variable approximation multi-purpose optimization satisfies the limiting condition that the maximum stress for each load condition is less than the maximum allowable stress specified by the classification society and the durability performance of the winch and sheave substructures, while minimizing the weight of the chain stopper substructure, the maximum stress and it was defined to be able to determine the design veriable of member thickness defined as a discrete variable that can be verified for durability performance. The optimization algorithm applied various global search algorithms capable of searching for discrete design variables. The global search algorithms used in this study are Simulated Annealing, Particle Swarm Optimization and NSGA-II. As for the results of multipurpose approximate optimization, the most appropriate optimal design method was reviewed by comparing the numerical calculation cost and accuracy for each global search algorithm.

재조합 항체 생산용 CHO 배양 배지에서 dipeptide가 미치는 영향

김수민 인하대학교 대학원 2026 국내석사

Chinese Hamster Ovary (CHO) cells are widely utilized in the production of recombinant biopharmaceuticals due to their suitability for large-scale commercial manufacturing. Because the composition of the culture medium critically influences cell growth and productivity, it is essential to develop medium formulations optimized for specific cell lines. Recently, the development of chemically defined media (CDM), in which all components are clearly specified, has gained increasing importance. CDM provides a consistent culture environment, eliminates the use of animal-derived materials, and thereby minimizes the risk of viral contamination, making it advantageous for quality control and regulatory compliance. In this study, a Design of Experiment (DoE) approach was employed to efficiently optimize the component concentrations of a CDM formulation for CHO-DG44 cells. To accelerate the optimization of numerous medium components, both basal and feed media were divided into five groups according to the physicochemical characteristics of their components, and DoE was conducted on these five grouped factors. For basal medium optimization, a Fractional Factorial Design (FFD) was applied directly without a preceding Plackett–Burman Design (PBD), since the number of factors was significantly reduced through grouping. Subsequently, a Central Composite Design (CCD) was implemented for further optimization, resulting in a 158% increase in Peak Viable Cell Density (PVCD) compared with the initial medium formulation. For feed medium optimization, an FFD was also conducted for the five grouped factors, yielding a 146% improvement in PVCD and a 400% increase in antibody titer compared with batch culture. Collectively, these results demonstrate the successful development of basal and feed media capable of supporting enhanced cell growth and productivity in fed-batch CHO cell cultures. Basal medium for CHO‑DG44 cultivation often contains poorly soluble amino acids such as tyrosine, requiring acidic or additive-assisted dissolution, and cystine, which remains nearly insoluble at neutral pH and can precipitate feed media, reduce cysteine bioavailability, and compromise formulation stability. To address these challenges, a Design of Experiments (DoE) approach was used to develop basal and feed media whereby highly soluble dipeptides replaced or supplemented L‑tyrosine and L‑cystine in this study. Media performance was assessed through viable cell density (VCD), viability, and recombinant protein titer, while critical quality attributes of charge variant distribution and aggregation were monitored to ensure product integrity. In this study, replacement experiments were conducted by gradually increasing the proportion of dipeptides in place of free amino acid forms of tyrosine and cystine in the basal medium. When L-tyrosine was replaced with GY and AY dipeptides, viable cell density (VCD) comparable to or higher than that of the control was observed, indicating that these dipeptides can support early cell growth. This effect is considered to be related to the uptake and utilization characteristics of GY and AY dipeptides. In contrast, replacement of L-cystine with AC and KC dipeptides resulted in similar or lower VCD compared to the control, suggesting limitations in supporting early cell growth. Based on these observations, L-tyrosine dipeptides can be considered effective alternatives in the basal medium, whereas partial replacement of L-cystine is more appropriate than complete substitution. Subsequently, experiments were conducted in the feed medium to replace free amino acids with dipeptide forms or to eliminate problematic amino acids. To address limitations associated with high-concentration fed-batch culture media, the total amount of amino acids supplied through the feed medium during the culture period was calculated and supplemented in advance into the basal medium in the form of dipeptides, while the corresponding amino acids were excluded from the feed medium. The results showed that tyrosine dipeptides supported cell growth, whereas cystine dipeptides contributed to improvements in cell-specific productivity. These findings indicate that differences in dipeptide transport and enzymatic cleavage characteristics can influence cellular responses. Overall, the use of dipeptides represents a feasible approach to mitigating solubility and stability issues in high-concentration fed-batch culture media and provides an effective strategy for improving biopharmaceutical production. Chinese Hamster Ovary (CHO) cell은 대규모 상업적 생산에 적합하여, 현재 재조합 바이오의약품 분야에서 널리 사용되고 있다. 세포 배양에 이용되는 배양 배지의 경우 세포 성장과 생산에 중요한 영향을 미치기 때문에 세포주마다 적합한 배지를 개발하는 것이 필요하다. 최근에는 모든 조성이 정의되어 있는 Chemically Defined Media (CDM) 개발이 중요해지고 있다. CDM 배지는 성분 인자가 명확하기 때문에 일관된 세포 배양 환경 제공이 가능하고, 동물 유래 성분을 사용하지 않아 바이러스 오염 위험이 낮아 품질 관리 및 규제에 적합하다. 본 연구에서는 Design of Experiment (DoE)를 사용하여 효율적으로 CHO-DG44에 대한 CDM 성분 인자 농도 최적화를 진행하였다. 더 빠르게 많은 성분 인자를 최적화하기 위해, Basal media와 feed media 모두 수십 가지의 배지 성분을 각 성분 인자의 특성에 맞게 5개로 그룹화하여 5개의 인자에 대해 DoE를 진행하였다. 먼저 basal media의 경우, 그룹화를 통해 인자 수를 크게 줄였기 때문에 Screening 단계에서 Placket-Burman Design (PBD)를 진행하지 않고, Fractional Factorial Design (FFD)를 진행하였다. 이어서 optimization을 위해 Central Composite Design (CCD)를 진행하여 초기 배지 대비 최종적으로 158% 증가한 Peak Viable Cell Density (PVCD)를 얻어 성공적으로 배지 개발을 진행하였다. Feed media 또한 5개의 인자에 대해 Fractional Factorial Design (FFD)를 진행하였고, batch culture와 비교하여 146% 증가한 PVCD와 400% 증가한 antibody titer를 얻어 fed-batch culture에서 성장 및 생산 지원 가능한 feed media를 개발하였다. CHO-DG44 세포 배양에 사용되는 media에는 잘 녹지 않는 아미노산이 포함 되어 있다. tyrosine은 알칼리성 조건이나 첨가제를 이용해야 용해할 수 있으 며, cystine은 중성 pH에서 거의 녹지 않아 feed 배지에서 침전이 생길 수 있 고, 이에 따라 시스테인의 이용률을 떨어뜨리며 제형 안정성에도 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 연구에서는 앞서 개발한 basal 배지와 feed 배지에 포함된 L- tyrosine과 cystine을 용해도가 높은 dipeptides로 대체하 거나 보완하였다. 배지 성능은 생존 세포 밀도(VCD), 세포 생존율, 그리고 재 조합 단백질 생산량으로 평가되었으며, product의 quality를 보장하기 위해 charge variant와 aggregation과 같은 critical quality attributes(CQA)도 함 께 모니터링하였다. basal medium에서 free amino acid 형태의 tyrosine과 cystine를 각각의 dipeptides로 비율을 점차 높여 대체 실험을 진행하였다. L-tyrosine을 GY (Glycyl-L-tyrosine)및 AY (Alanyl-L-tyrosine) dipeptides로 대체한 조 건에서는 control과 유사하거나 높은 VCD를 나타내어 초기 세포 성장 지원이 가능함을 확인하였다. 이는 GY 및 AY dipeptides의 빠른 흡수 및 이용 특성과 관련된 것으로 판단된다. 반면 L-cystine을 AC (Alanyl-L-cystine) 및 KC (Lysyl-L-cystine) dipeptides로 대체한 경우에는 흡수 속도가 느려 control 대비 유사하거나 낮은 VCD를 보였으며, 초기 세포 성장 측면에서는 한계를 나 타냈다. 이러한 결과를 종합하면, L-tyrosine dipeptides는 basal medium에 서 효과적인 대체원이 될 수 있는 반면, L-cystine의 경우 완전 대체보다는 부 분 대체 전략이 적합할 것으로 판단된다. 다음으로는 feed medium에서 free amino acid 형태를 dipeptides 형태로 대 체하는 실험을 진행하였고, 다른 하나는 feed medium에서 문제가 되는 아미노 산을 제거하고자 하였다. 이를 위해 배양 기간 동안 첨가되는 feed medium 내 해당 아미노산 농도를 계산하여 dipeptides 형태로 미리 basal medium에 첨가 하고, feed medium에서는 해당 아미노산을 제거하는 조건을 진행하여 고농축 배양 배지에서의 한계를 해결하고자 하였다. 실험 결과 tyrosine dipeptides는 세포 성장률을, cystine dipeptides는 세포 특이적 생산성을 상대적으로 향상시 키는 경향을 보였다. 이는 dipeptides 수송 및 효소적 절단 특성 차이에 따른 결과로, 동일 아미노산 유래 dipeptides라 하더라도 적용 목적에 따라 선택적 사용이 필요함을 시사한다. 전반적으로 본 연구에서는 dipeptides 사용이 high concentration fed-batch 배양 배지에서 발생하는 용해도와 안정성 문제를 해결할 수 있는 발전 가능성 있는 전략임을 보여주며, 효율적인 바이오의약품 생산을 위한 새로운 접근을 제 시하였다.

Development of Formulation and Manufacturing Process for Direct Compression of Donepezil Hydrochloride Tablet Using Design of Experiments

최진경 차의과학대학교 대학원 2019 국내석사

직접타정법은 정제를 생산하는 가장 경제적인 방법으로, 혼합물에서 최종 정제 형태를 얻는 가장 공정이 짧고 간단한 방법이다. 그러나 직접타정을 위한 혼합물은 정제의 품질을 보증하기 위해 일정한 흐름과 함량균일성을 가져야 힌다. 본 연구의 목적은 실험계획법 (DoE)을 이용하여 도네페질염산염 (DPZ)을 직접타정법으로 제제조성 및 제조공정을 개발하는 것이다. 혼합물의 매개 변수를 평가할 때 유동성 및 함량균일 성의 효과를 연구하기 위해 제제조성 최적화에 23 완전요인설계가 사용되었다. 타정공정의 압축력과 회전 속도가 정제의 붕해 및 용출 속도에 미치는 영향을 연구하기 위해 제조 공정 최적화에 22 중심합성법설계가 사용되었다. 9 개의 제제조성 중에서 F1 제제는 유동성 및 함량균일성이 가장 우수하였으며, 유동성은 20.6 %이었고 함량균일성은 1.7 %이었다. DPZ첨가제 혼합물들은40 ℃ RH 75 %에서 1 개월간 보관하였고, 그 결과 함량 및 유연물질의 변화는 없었으므로 첨가제와의 우수한 배합적합성을 나타내었다. 제조공정은 직접타정법에 의한 최적의 제제조성인 F1으로 3 ~ 15 kp 및 10 ~ 40 rpm으로 타정 하였다. 그 결과 정제 경도는 8 ~ 12kp, 타정속도는 10 ~ 40rpm으로 타정 시, 붕해 시간은 3 ~ 5 분 이며, 용출률 (0.1N HCl, 제 2법, 50rpm, 900mL)은 85 ~ 95 % 이었다. 결론적으로 DoE는 DPZ의 직접타정을 위한 제제 조성 및 제조공정 개발에 성공적으로 적용되었다. 핵심 되는 말: 도네페질염산염; 실험계획법; 요인설계 최적화; 용출시험; 직접타정법 Direct compression is the most economical way to produce tablets as it is the shortest and most direct way to get tablets from powder mixtures to final dosage forms without any granulation step involved. However, the powder mixture for direct compression should have consistent flow and uniformity to ensure tablet quality. The aim of the present study was to develop formulation and manufacturing process for direct compression of Donepezil Hydrochloride DPZ using design of experiments (DoE). A 23 full factorial design were used in the formulation optimization to study the effect of flowability and content uniformity in the evaluation of the parameters of mixture. A 22 central composite design were used in the manufacturing process optimization to study the effect of compaction pressure and rotation speed of the tablet press on disintegration and dissolution rates of tablets. Among nine different compositions, F1 formulation was the best in terms of flowability and contents uniformity, with flowability of 20.6% and contents uniformity of 1.7%. Mixtures of DPZ and various excipients stored at 40℃ RH 75% for 1 months did not show any changes in the DPZ contents and its impurity profile, indicating compatibility with selected excipients. The manufacturing process was set to 3 ~ 15 kp and 10 ~ 40 rpm using F1 optimization formulation by direct compression. Tablet press setting at 8~12kp for tablet hardness and 10 ~40 rpm for tableting speed resulted in tablets with acceptable disintegration time (3~5 minutes) and dissolution rate (85 ~95% in 0.1 N HCl, 50 rpm, 900mL, apparatus USP Type II). In conclusion DoE was successfully applied to develop formulation and manufacturing process for direct compression of DPZ.

Study of Performance Evaluation and Design Techniques for a Multiphase Pump

Joon Hyung KIM 한양대학교 2015 국내박사

The crude oil produced from well contains a mixture of oil, gas and water. When developing an oil well, the pump system for the pressure rising is applied to increase the production rate. The existing pump system that uses a single phase pump requires a separator to separate the crude oil. Changing from a single phase pump to a multiphase pump significantly reduces costs because a multiphase pump does not require a separator. Therefore, most wells currently being developed apply the multiphase pump system, and related studies are rapidly increasing. Studies related to the multiphase pumps must consider the characteristics of multiphase flow. Consequently, these studies are much more difficult compared to studies of general fluid machinery. This study presents the performance evaluation and the design techniques for a Multiphase Pump. To perform the study, the design specifications were selected considering the existing multiphase pump model, and a base model was designed using design theories for fluid machinery. The single phase and multiphase performances of the base model were evaluated through numerical analyses by applying a variety of numerical method. In addition, the performances of the base model were evaluated through experiments to verify the reliability of the numerical analysis, and each performance was compared and analyzed. Based on comparison results, the numerical analysis schemes suitable for the performance evaluation of a multiphase pump was established. To improve the performance of the base model, design optimization was carried out using techniques that combine design of experiment (DOE) with proven numerical analysis method. For design optimization, the design variables and variable ranges were selected for the impeller and the diffuser. 2k factorial experiment conducted to select final design variables that had major effects on the pump performance. Experiment sets for optimization were generated based on final design variables and performances of the generated sets were evaluated using the numerical analysis. The results of the performance evaluation were used to select an optimum model that could satisfy the objective function through the analysis of the regression equation of the response surface method (RSM). Improvement of the performance of the optimum model was confirmed through the numerical analysis and the experiment. The reasons for the performance improvement were analyzed through comparisons of the internal flow fields of the base model and the optimum model.

Rotigotine 의 장기 지속형 주사제 개발에 대한 연구

구본엽 조선대학교 대학원 2017 국내석사

로티고틴은 파킨슨병과 하지불안증후군에 사용되는 선택적 도파민 작용제이다. 현재 경피 투여 제제인 Neupro®만이 시판되고 있다. Neupro®는 많은 장점을 가지고 있지만 종종 홍반, 가려움증, 및 도포 부위의 피부염 등을 야기하고, 부착 부위에 따라 흡수 정도가 달라지는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하고 환자의 편의성을 향상시키기 위해 장기간 주입 할 수 있는 fluidal lipid matrix(FLM)을 설계했다. FLM은 castor oil, cottonseed oil, span 80 및 ethanol로 구성되어있다. 제형 설계 시 최적의 조성비를 기존의 경험적 방법이 아닌 보다 과학적이고 통계적으로 결정하기 위하여 실험 설계법 (Design of Experiment)을 활용하였다. 본 연구에서는 혼합물 설계법 (Mixture designs) 중에서 구성 성분이 정해진 상한치, 하한치를 지니거나 제약 조건이 존재할 때 사용하기 적합한 꼭지점 설계법 (Extreme vertices design)을 바탕으로 실험을 구성하였다. 제제의 조성을 최적화하기 위해 실험 설계법을 기반으로11 가지 제형을 제조하고, 그들의 점도 및 120 시간 동안의 누적 방출 백분율을 평가하였다. 120 시간 동안의 방출 프로파일 및 주사 가능한 점도를 고려하여 제형 조성 최적화를 진행하였다. 최적화된 제형에 대하여 광학 현며경 관찰, 점도 변화 측정 및 형태 변화 관찰 등의 특성 평가를 진행하였으며 제시된 결과들은 본 제형이 rotigotine을 장기간 방출하기에 적합한 주사제제로서의 가능성이 있음을 시사하였다. 시간적 제약으로 인해 미쳐 진행하지 못한 실험들에 대해 정리하였으며 추후 이 실험들을 수행해서 본 연구를 완성하기로 계획하였다. Rotigotine is a selective dopamine agonist that is used in Parkinson's disease and restless leg syndrome. Currently, only transdermal dosage form – Neupro® is available. Although Neupro® has many advantages, it frequently causes side effects such as erythema, pruritus, and dermatitis on the application site, and there is a problem that the absorption difference varies depending on the patch attachment sites. In order to defeat problems and enhance patient’s convenience, we designed the fluidal lipid matrix (FLM) for long-acting injection that can maintain the long efficacy of rotigotine that focused on minimizing initial burst and releasing rotigotine at constant rate for long period. The fluidal lipid matrix consists of castor oil, cottonseed oil, span 80 and ethanol. In order to find out the optimal composition for designing the formulations using these excipients, Design of Experiment (DoE) was conducted. In this study, we used Mixture designs among the various methods of experimental design method, and the optimization process is done through the Extreme vertices design which is suitable for use when the constituents have upper and lower limits. To optimize the compositon of the formulation, 11 formulations were prepared and their viscosity and in vitro release pattern for 120 h were evaluated. We evaluated the characteristics of optimized FLM and the results suggest that the developed formulation is potential as long-acting injection for rotigotine. Experiments that have not progressed due to time constraints have been summarized and planned to be completed later by carrying out these experiments.