KR101045567B1 - Hydrogel entrapping biomarker-immobilized magnetic nanoparticles and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법에 관한 것이다. 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤로 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 캡슐화함으로써, 나노입자에 고정된 바이오마커의 변성 및 누출이 방지되며, 하이드로젤을 구성하는 고분자의 분자량을 조절함으로써 기질과의 반응 속도를 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 자성 나노 입자 위에 화학적으로 고정시키는 바이오마커의 농도를 달리하거나 바이오마커가 고정된 자성 나노 입자의 농도를 조절함으로써 바이오 마커의 용량을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 본 발명의 하이드로젤은 포토마스크를 이용하여 다양한 크기와 모양으로 제작 가능하므로, 하나의 형광 물질을 이용하여 여러 가지 물질을 동시에 분석하는 것이 가능하며, 자기장을 이용하여 분리, 재사용하는 것이 가능하다. The present invention relates to a hydrogel containing a magnetic nanoparticle to which a biomarker is immobilized, and a method of manufacturing the same. By encapsulating magnetic nanoparticles in which biomarkers are immobilized with hydrogels with excellent biocompatibility, denaturation and leakage of biomarkers immobilized on nanoparticles are prevented, and reaction rates with substrates are controlled by controlling the molecular weight of polymers constituting hydrogels. In addition, the dose of the biomarker may be easily adjusted by changing the concentration of the biomarker chemically immobilized on the magnetic nanoparticles or by adjusting the concentration of the magnetic nanoparticles on which the biomarker is immobilized. In addition, since the hydrogel of the present invention can be manufactured in various sizes and shapes using a photomask, it is possible to analyze various materials at the same time using a single fluorescent material, and can be separated and reused using a magnetic field. Do.
하이드로젤, 자성 나노입자, 바이오마커 Hydrogels, Magnetic Nanoparticles, Biomarkers
Description
본 발명은 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면이 개질된 자성 나노입자에 바이오마커를 고정하고, 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤로 캡슐화함으로써 환경적 요인에 따른 바이오마커의 변성 및 바이오마커 누출을 방지하여 바이오마커의 활성을 지속적으로 유지하고 기질과의 반응을 안정적으로 진행할 수 있는 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogel containing magnetic nanoparticles having a biomarker immobilized thereto, and to a method for manufacturing the same. More specifically, the biomarker is fixed to magnetic nanoparticles whose surface is modified and encapsulated into a hydrogel having excellent biocompatibility. Hydrogel containing magnetic nanoparticles to which biomarkers are immobilized, thereby preventing biomarker degeneration and biomarker leakage according to environmental factors, thereby continuing to maintain biomarker activity and stably reacting with substrates. It relates to a manufacturing method.
자성 나노입자는 나노 사이즈 범위의 조절이 용이하고 생체 적합성이 뛰어날 뿐만 아니라, 표면 개질이 가능하며 외부 자기장을 이용해 거리에 따른 반응 조절이 가능하기 때문에 생물학적, 의학적으로 널리 응용되고 있다(J. Phys. D: Appl. Phys. 36(2003)). Magnetic nanoparticles have been widely applied biologically and medically because they can be easily controlled in the nano size range and have excellent biocompatibility, surface modification, and response control over distance using an external magnetic field (J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003).
특히, 나노-바이오 분야에서 자성 나노입자는 생체 물질의 분리, 자기공명 영상 진단 프로브, 거대자기저항센서를 포함한 바이오 센서, 마이크로 유체계 센서, 약물/유전자 전달 및 자성 고온치료 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다.In particular, in the nano-bio field, magnetic nanoparticles are used in various fields such as separation of biomaterials, magnetic resonance imaging diagnostic probes, biosensors including giant magnetoresistance sensors, microfluidic sensors, drug / gene transfer, and magnetic high temperature therapy. have.
구체적으로 자성 나노입자는 자기공명영상의 진단 프로브(조영제)로 사용될 수 있다. 자성 나노입자는 주변 물 분자에 포함되는 수소원자의 스핀-스핀 이완시간을 단축시켜 자기공명영상 신호를 증폭시키는 효과를 나타낸다.Specifically, the magnetic nanoparticles may be used as diagnostic probes (contrast agents) of magnetic resonance imaging. Magnetic nanoparticles have an effect of shortening the spin-spin relaxation time of hydrogen atoms included in surrounding water molecules, thereby amplifying the magnetic resonance imaging signals.
또한 자성 나노입자는 거대자기저항 바이오센서(Giant magnetic resistance (GMR) sensor)의 프로브 물질로 작용할 수 있다. 자성 나노입자가 거대자기저항 바이오 센서 표면에 패턴된 생체 분자를 감지하여 결합하면, 자성 입자에 의해 거대자기저항 센서의 전류 신호가 변하게 되고 이를 이용하면 생체분자를 선택적으로 검출할 수 있다(US 6,452,763 B1; US 6,940,277 B2; US 6,944,939 B2; US 2003/0133232 A1).In addition, the magnetic nanoparticles may act as a probe material of a giant magnetic resistance (GMR) sensor. When the magnetic nanoparticles detect and bind the patterned biomolecules on the surface of the giant magnetoresistive biosensor, the current signal of the giant magnetoresistive sensor is changed by the magnetic particles, and the biomolecules can be selectively detected using this (US 6,452,763). B1; US 6,940,277 B2; US 6,944,939 B2; US 2003/0133232 A1).
또한 자성 나노입자는 생체 물질의 분리에도 응용될 수 있다. 예를 들면, 특정한 생체 마커를 발현하는 세포와 다른 여러 가지 세포들이 섞여 있을 때, 자성 나노입자가 특정한 생체 마커와 선택적으로 결합하게 한 후, 외부에서 자기장을 걸어주면 자기장 방향으로 원하는 세포만 분리할 수 있다(US 4,554,088, US 5,665,582, US 5,508,164, US 2005/0215687 A1). 또한 세포의 분리뿐만 아니라, 단백질, 항원, 펩타이드, DNA, RNA 및 바이러스 등 다양한 생체 물질의 분리에 응용될 수 있다. 또한 자성 나노입자는 자성 마이크로 유체 센서에 응용되어 생체 분자를 분리 및 검출할 수 있다. 칩 위에 매우 작은 채널을 만들어 그 안에 자성 나노입자를 흘려줌으로써 마이크로 단위의 유체계에서 검출과 분리가 가능하다. Magnetic nanoparticles can also be applied to the separation of biological materials. For example, when a cell expressing a specific biomarker is mixed with various other cells, let the magnetic nanoparticles selectively bind to the specific biomarker, and then apply a magnetic field from outside to isolate only the desired cell in the direction of the magnetic field. US 4,554,088, US 5,665,582, US 5,508,164, US 2005/0215687 A1. In addition to the separation of cells, it can be applied to the separation of various biological materials such as proteins, antigens, peptides, DNA, RNA and viruses. Magnetic nanoparticles can also be applied to magnetic microfluidic sensors to separate and detect biomolecules. By creating tiny channels on the chip and flowing magnetic nanoparticles into them, they can be detected and separated in microfluidic systems.
한편, 자성 나노입자는 약물 또는 유전자의 전달을 통한 생체 치료에도 사용될 수 있다. 자성 나노입자에 화학적인 결합 또는 흡착을 통해 약물 또는 유전자를 싣고 외부 자기장을 이용하여 원하는 위치로 이동시켜 원하는 특정부위에 약물 및 유전자를 방출할 수 있게 하여 선택적인 치료효과를 가져올 수 있게 한다(US 6,855,749).On the other hand, magnetic nanoparticles can also be used for biological treatment through the delivery of drugs or genes. By chemically binding or adsorption to magnetic nanoparticles, drugs or genes are loaded and moved to a desired location using an external magnetic field, thereby releasing drugs and genes at specific sites, thereby bringing about selective therapeutic effects (US). 6,855,749).
자성 나노입자의 생체 치료로의 응용의 또 하나의 예로서, 자성 스핀 에너지를 이용한 고온 치료를 들 수 있다(US 6,530,944 B2, US 5,411,730). 자성 나노입자는 외부에서 라디오주파수의 교류전류를 흘려주면 스핀 플립핑(flipping) 과정을 통해 열을 방출하게 된다. 이 때 나노입자 주변의 온도가 40℃ 이상이 되면 세포가 높은 열에 의해 죽게 되어 질병 세포를 선택적으로 사멸 시킬 수 있다.Another example of the application of magnetic nanoparticles to biotherapy is high temperature treatment using magnetic spin energy (US 6,530,944 B2, US 5,411,730). Magnetic nanoparticles emit heat through a spin flipping process when an AC current of a radio frequency flows from the outside. At this time, if the temperature around the nanoparticles is more than 40 ℃ cells are killed by high heat can selectively kill the diseased cells.
이러한 자성 나노입자는 3차원 구조를 하고 있어 표면에 많은 양의 바이오마커를 고정시킬 수가 있다. 그러나 금속이나 무기물 등에 바이오마커를 고정시키는 경우에는 건조한 환경 때문에 바이오마커가 잘 고정되어 있어도 그 활성을 잃거나 또는 고정된 바이오마커가 온도나 pH와 같은 외부환경에 대한 변성이 일어날 수 있다. 다른 방법으로, 하이드로젤 내부에 효소와 같은 단백질을 고정하면 효소의 활성을 장기간 유지할 수 있다 (Nolan et al. Trends in biotechnology, 2002). 하이드로젤 내부에 효소가 고정되면 실제 몸에서와 비슷하게 3차원 배양이 가능하고, 기질과의 반응을 증가시켜 강한 시그널을 얻을 수 있어 바이오 센서에 널리 이용되고 있다. 그러나 하이드로젤만을 효소 지지체로 사용하는 경우 하이드로젤이 수분 에 의해 팽윤되면서 안에 있던 효소들이 확산되어 젤 밖으로 나가므로 시간이 지남에 따른 안정성이 급격히 떨어지는 한계가 있다. (J. Appl. Polym. Sci. 2001, 82, 1404-1409). 따라서 바이오마커를 수분이 있는 지지체인 하이드로젤에 고정시키면서 바이오마커의 활성을 장기간 유지하기 위한 기술이 필요하다.These magnetic nanoparticles have a three-dimensional structure and can fix a large amount of biomarkers on the surface. However, when the biomarker is fixed to a metal or an inorganic material, even if the biomarker is well fixed due to a dry environment, the biomarker may lose its activity or the fixed biomarker may denature to an external environment such as temperature or pH. Alternatively, immobilizing proteins such as enzymes inside the hydrogel can maintain the activity of the enzyme for a long time (Nolan et al. Trends in biotechnology, 2002). If the enzyme is fixed inside the hydrogel, three-dimensional culture is possible similar to the actual body, and the reaction with the substrate increases the strong signal and is widely used in biosensors. However, when only hydrogel is used as the enzyme support, the hydrogel swells by water, so the enzymes in the diffusion diffuse out of the gel, and thus there is a limit that the stability rapidly decreases over time. (J. Appl. Polym. Sci. 2001, 82, 1404-1409). Therefore, there is a need for a technique for maintaining the activity of the biomarker for a long time while fixing the biomarker to the hydrogel, which is a moisture support.
본 발명의 목적은 바이오마커 누출을 방지하고, 바이오마커 활성을 지속적으로 유지하기 위한 방안으로서 바이오마커를 자성 나노입자에 고정하고 바이오마커가 고정된 나노입자를 생체적합성 하이드로젤로 캡슐화하는, 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to prevent biomarker leakage, and to maintain biomarker activity continuously, to fix the biomarker to magnetic nanoparticles and to encapsulate the biomarker-fixed nanoparticles into biocompatible hydrogels. To provide a fixed magnetic nanoparticle-containing hydrogel and its preparation method.
본 발명의 다른 목적은 상기 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 바이오센서를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a biosensor comprising a hydrogel containing a fixed magnetic nanoparticles.
본 발명의 또다른 목적은 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 약물전달체를 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a drug carrier comprising a hydrogel having a biomarker immobilized thereon.
본 발명의 또다른 목적은 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 조영제를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a contrast agent comprising a hydrogel containing a fixed biomarker magnetic nanoparticles.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention
하기 화학식 1에 의해 표시되는, 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 포함하는 하이드로젤을 제공한다:It provides a hydrogel comprising a magnetic nanoparticle to which a biomarker is immobilized, represented by the following Chemical Formula 1:
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서,Where
X는 자성 나노입자이고,X is a magnetic nanoparticle,
Y는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 12의 알킬렌, 알케닐렌 또는 알키닐렌이며,Y is substituted or unsubstituted alkylene, alkenylene or alkynylene having 1 to 12 carbon atoms,
Z는 바이오마커이고,Z is a biomarker,
o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수를 나타낸다.o, p and q each independently represent an integer of 0 to 3.
본 발명은 또한The invention also
자성 나노입자의 표면을 개질하는 단계;Modifying the surface of the magnetic nanoparticles;
표면이 개질된 자성 나노입자에 바이오마커를 고정하는 단계; 및Fixing the biomarker to the surface-modified magnetic nanoparticles; And
바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 고분자 전구체 용액에 첨가하여 하이드로젤을 제조하는 단계를 포함하는 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a biomarker-fixed magnetic nanoparticle-containing hydrogel comprising the step of adding a biomarker-fixed magnetic nanoparticles to the polymer precursor solution to produce a hydrogel.
본 발명은 또한 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 바이오센서를 제공한다.The present invention also provides a biosensor comprising a hydrogel containing a magnetic nanoparticle to which a biomarker is immobilized.
또한 본 발명은 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 약물전달체를 제공한다. In another aspect, the present invention provides a drug delivery agent comprising a hydrogel containing a fixed magnetic nanoparticles.
본 발명은 또한 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 조영제를 제공한다.The present invention also provides a contrast agent comprising a hydrogel containing a magnetic nanoparticle to which a biomarker is immobilized.
본 발명에 따르면, 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤로 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 캡슐화함으로써, 나노입자에 고정된 바이오마커의 변성 및 누출을 방지하고, 하이드로젤을 구성하는 고분자의 분자량를 조절함으로써 기질과의 반응 속도를 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 바이오마커의 용량 조절이 용이하다. 또한, 본 발명의 하이드로젤은 포토마스크를 이용하여 다양한 크기와 모양으로 제작가능하므로, 하나의 형광 물질을 이용하여 여러가지 물질을 동시에 분석하는 것이 가능하며, 자기장을 이용하여 분리, 재사용하는 것이 가능하다. 이와 같이 안정성이 향상되고 반응 속도 조절이 가능한 자성 나노입자를 함유하는 하이드로젤 미세 입자는 단백질 마이크로 어레이, 다중 분석 바이오센서, 약물전달 시스템, 의료 진단 또는 치료용 조성물로 응용되거나 나노 기술 전반에 응용이 가능할 것으로 예상된다.According to the present invention, by encapsulating magnetic nanoparticles in which a biomarker is immobilized with a hydrogel having excellent biocompatibility, it is possible to prevent denaturation and leakage of the biomarker immobilized on the nanoparticles and to control the molecular weight of the polymer constituting the hydrogel. Not only can it change the reaction rate with, it is easy to adjust the capacity of the biomarker. In addition, since the hydrogel of the present invention can be manufactured in various sizes and shapes using a photomask, it is possible to analyze various materials at the same time using one fluorescent material, and can be separated and reused using a magnetic field. . Hydrogel microparticles containing magnetic nanoparticles with improved stability and control of reaction rate can be applied as protein microarrays, multiple analytical biosensors, drug delivery systems, medical diagnostics or therapeutic compositions, or throughout nanotechnology. It is expected to be possible.
이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the structure of this invention is demonstrated concretely.
본 발명은The present invention
하기 화학식 1에 의해 표시되는, 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 포함하는 하이드로젤에 관한 것이다:Represented by Chemical Formula 1, the present invention relates to a hydrogel including magnetic nanoparticles to which a biomarker is immobilized.
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서,Where
X는 자성 나노입자이고,X is a magnetic nanoparticle,
Y는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 12의 알킬렌, 알케닐렌 또는 알키닐렌이며,Y is substituted or unsubstituted alkylene, alkenylene or alkynylene having 1 to 12 carbon atoms,
Z는 바이오마커이고,Z is a biomarker,
o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수를 나타낸다.o, p and q each independently represent an integer of 0 to 3.
본 발명은 바이오마커를 자성 나노입자에 고정하고 이를 부드러운 탄성체로서 수분함량이 높고 친수성의 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤로 캡슐화하여 바이오마커의 누출과 환경적 요인으로 인한 바이오마커의 변성을 방지하는 특징을 갖는다.The present invention is characterized in that the biomarker is fixed to the magnetic nanoparticles and is a soft elastomer, which is encapsulated in a hydrogel having high water content and hydrophilic biocompatibility to prevent biomarker leakage and degeneration of the biomarker due to environmental factors. Have
본 발명에 있어서, 바이오마커는 효소, 항원, 항체 등과 같은 단백질 또는 펩타이드; DNA, RNA, siRNA, 앱타머 등과 같은 핵산 분자; 및 세포 등을 포함한 생체 내에서 특정 표지가 될 수 있는 물질을 의미한다. 본 발명의 하기 실시예에서는 이러한 바이오마커의 하나로서 효소를 이용하나, 본 발명의 바이오마커가 이에 제한되는 것은 아니다. 바이오마커와 기질과의 반응 확인을 용이하게 하기 위해, 상기 바이오마커는 기질과의 반응시 발광 또는 발색 반응을 나타내는 것이 바람직할 수 있으며, 이를 위해 상기 바이오마커는 발광 또는 발색 반응이 가능하도록 레이블링될 수 있다. In the present invention, the biomarker may be a protein or peptide such as an enzyme, an antigen, an antibody, or the like; Nucleic acid molecules such as DNA, RNA, siRNA, aptamers, and the like; And it means a substance that can be a specific label in vivo, including cells and the like. In the following examples of the present invention, one of such biomarkers uses an enzyme, but the biomarkers of the present invention are not limited thereto. In order to facilitate confirmation of the reaction between the biomarker and the substrate, it may be desirable for the biomarker to exhibit a luminescence or color reaction upon reaction with the substrate, for which the biomarker may be labeled to enable a luminescence or color reaction. Can be.
본 발명에 있어서, 자성 나노입자는 자성을 가지고, 직경이 1nm 내지 1,000nm, 바람직하게는 2nm 내지 100nm인 입자라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 금속 물질(metal material), 자성 물질(magnetic material), 또는 자성 합금(magnetic alloy)인 것이 바람직하다.In the present invention, the magnetic nanoparticles may be used without limitation as long as the magnetic nanoparticles are magnetic and have a diameter of 1 nm to 1,000 nm, preferably 2 nm to 100 nm, or a metal material, a magnetic material, or It is preferable that it is a magnetic alloy.
상기 금속은 특별히 제한되지는 않으나, Pt, Pd, Ag, Cu 및 Au로 구성된 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.The metal is not particularly limited, but is preferably selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Cu and Au.
상기 자성 물질 역시 특별히 제한되지는 않으나, Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM'2O4, 및 MxOy (M 및 M'는 각각 독립적으로 Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, 또는 Cr을 나타내고, 0 < x ≤3, 0 < y ≤5)로 구성된 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.The magnetic material is also not particularly limited, but Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM ' 2 O 4 , And M x O y (M and M ′ each independently represent Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, or Cr, and are selected from the group consisting of 0 <x ≦ 3, 0 <y ≦ 5). desirable.
또한 상기 자성 합금 역시 특별히 제한되지는 않으나 CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe 및 NiFeCo로 구성된 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.In addition, the magnetic alloy is not particularly limited, but is preferably selected from the group consisting of CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, and NiFeCo.
상기 자성 나노입자는 자성 나노입자의 표면에 아미노기를 도입하여 활성화하는 과정을 거친 것으로, 하기 화학식 2의 자성 나노입자 담체에 하기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 반응시켜 얻어진 하기 화학식 4의 아미노기가 도입된 화합물인 것이 바람직하다. The magnetic nanoparticles are a process of activating by introducing an amino group on the surface of the magnetic nanoparticles, the amino group of the formula (4) obtained by reacting the aminoalkylsilane derivative of the formula (3) to the magnetic nanoparticle carrier of the formula (2) It is preferable that it is a compound.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
상기 식에서,Where
X는 자성 나노입자이고,X is a magnetic nanoparticle,
R은 메틸기 또는 에틸기이고,R is a methyl group or an ethyl group,
o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수를 나타낸다.o, p and q each independently represent an integer of 0 to 3.
상기 화학식 2의 자성 나노입자는 자성 나노입자에 하이드록실기가 도입된 상태이다. 자성 나노입자에 하이드록실기를 도입하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 하기 실시예에서는 이를 위해, 피라나 용액으로 처리하였다. In the magnetic nanoparticles of
상기 아미노알킬실란 유도체는 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, 또는 γ-아미노프로필트리에톡시실란 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. The aminoalkylsilane derivatives include β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, or γ-aminopropyltriethoxysilane alone or two. More than one species can be used.
또한, 아미노기가 도입된 나노입자와 가교제를 반응시켜 바이오마커를 고정할 수 있으며, 바람직하게는 상기 화학식 4의 아미노기가 도입된 자성 나노입자에 알데히드기를 갖는 가교제를 반응시키고, 말단에 알데히드기를 갖게 된 자성 나노입자를 아미노기를 가지는 바이오마커와 반응시켜 자성 나노입자에 바이오마커를 고정함으로써 상기 화학식 1의 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 얻을 수 있다.In addition, the biomarker can be fixed by reacting the nanoparticles introduced with the amino group and the crosslinking agent. Preferably, the crosslinking agent having an aldehyde group is reacted with the magnetic nanoparticles having the amino group of
상기 가교제로는 일 말단에 알데히드기를 갖는 화합물이라면 어떠한 것이든 사용가능하다. 예를 들어, 상기 가교제로는 글루타알데히드, 디알데히드 전분, 숙신산알데히드 등의 폴리알데히드류를 사용할 수 있으며, 글루타알데히드를 사용하는 것이 바람직하다.As the crosslinking agent, any compound can be used as long as it has a compound having an aldehyde group at one terminal. For example, as the crosslinking agent, polyaldehydes such as glutaraldehyde, dialdehyde starch, succinate aldehyde, and the like can be used, and glutaaldehyde is preferably used.
상기 바이오마커는 자성 나노입자에 충분히 고정되고 바이오마커 활성을 지속적으로 유지하기 위해 자성 나노입자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. The biomarker is preferably contained in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the magnetic nanoparticles in order to be sufficiently fixed to the magnetic nanoparticles and to maintain the biomarker activity continuously.
또한, 상기 바이오마커가 고정된 자성 나노입자는 하이드로젤 100 중량부에 대하여 5 에서 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량 범위 내일 경우 향상된 기계적 강도와 적정한 바이오마커 활성이 나타나기 때문이다.In addition, the biomarker-fixed magnetic nanoparticles are preferably included in 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the hydrogel. This is because improved mechanical strength and proper biomarker activity appear within the content range.
본 발명의 하이드로젤은 수분 함량이 높고 생체적합성이 뛰어난 고분자의 중합에 의해 제조될 수 있다. The hydrogel of the present invention may be prepared by polymerization of a polymer having high moisture content and excellent biocompatibility.
상기 하이드로젤을 구성하는 성분은 친수성 고분자로, 천연에서 얻을 수 있는 천연 고분자인 콜라젠, 젤라틴, 피브린, 알긴산, 히알루론산, 키토산, 덱스트란 등이 있으며, 합성 고분자의 예로는 폴리에틸렌글리콜, 폴리2-하이드록시에틸메타아크릴레이트(PHEMA), 폴리(N,N-에틸아미노에틸 메타크릴레이트), 폴리아크릴산(PAAc), 폴리아크릴아마이드 계열의 고분자들이 포함될 수 있다. 본 발명의 하이드로젤의 제조시, 상기 고분자는 광 개시제에 의해 중합될 수 있도록 고분자의 양 말단에 광경화 부위를 갖는 고분자 전구체의 형태로서 사용된다. 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜은 광 개시제 의한 중합이 일어날 수 있도록 폴리에틸렌글리콜-디아크릴레이트의 형태로 하이드로젤의 제조에 사용된다. The components constituting the hydrogel are hydrophilic polymers, such as collagen, gelatin, fibrin, alginic acid, hyaluronic acid, chitosan, and dextran, which are natural polymers obtainable in nature, and examples of the synthetic polymer include polyethylene glycol and poly2-. Hydroxyethyl methacrylate (PHEMA), poly (N, N-ethylaminoethyl methacrylate), polyacrylic acid (PAAc), polyacrylamide-based polymers may be included. In the preparation of the hydrogel of the present invention, the polymer is used in the form of a polymer precursor having photocuring sites at both ends of the polymer so as to be polymerized by a photoinitiator. For example, polyethylene glycol is used for the preparation of hydrogel in the form of polyethylene glycol-diacrylate so that polymerization by a photoinitiator can occur.
본 발명의 하이드로젤의 모양 및 크기(직경)는 제조 시 포토 마스크의 종류에 따라 다양한 형태와 크기를 가질 수 있고, 격자 사이즈는 하이드로젤 제조를 위한 생체적합성 고분자, 예를 들어 폴리에틸렌글리콜의 분자량에 따라 다양하게 조절될 수 있어 특별히 제한하지는 않는다. 당업자는 하이드로젤의 격자 사이즈를 조절함으로써 바이오 마커와 기질과의 반응 속도를 쉽게 조절할 수 있다. The shape and size (diameter) of the hydrogel of the present invention may have a variety of shapes and sizes depending on the type of photo mask at the time of manufacture, the lattice size is based on the molecular weight of the biocompatible polymer for producing the hydrogel, for example polyethylene glycol It can be variously adjusted according to the particular limitation. One skilled in the art can easily control the rate of reaction of the biomarker with the substrate by adjusting the lattice size of the hydrogel.
또한, 본 발명의 하이드로젤은 자성 나노입자를 함유함으로써 통상의 하이드로젤에 비해 강도가 향상되는 특징을 가지며, 바람직하게는 2배 이상의 강도 향상 을 갖는다.In addition, the hydrogel of the present invention has a feature that the strength is improved compared to a conventional hydrogel by containing magnetic nanoparticles, preferably has a strength improvement of two times or more.
본 발명은 또한The invention also
자성 나노입자의 표면을 개질하는 단계;Modifying the surface of the magnetic nanoparticles;
표면이 개질된 자성 나노입자에 바이오마커를 고정하는 단계; 및Fixing the biomarker to the surface-modified magnetic nanoparticles; And
바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 고분자 전구체 용액에 첨가하여 하이드로젤을 제조하는 단계를 포함하는 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a biomarker-fixed magnetic nanoparticle-containing hydrogel, which comprises adding a biomarker-fixed magnetic nanoparticle to a polymer precursor solution to prepare a hydrogel.
상기 자성 나노입자의 표면을 개질하는 단계는 자성 나노입자의 표면에 바이오마커를 고정하기 위한 조건을 만들기 위해 표면을 개질하는 것으로, 하기 화학식 2의 자성 나노입자 담체에 하기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 반응시켜 담체의 표면에 존재하는 실란올기와 아미노알킬실란 유도체간의 실란커플링반응을 통해 하기 화학식 4의 아미노기가 도입된 자성 나노입자를 얻을 수 있다. The step of modifying the surface of the magnetic nanoparticles is to modify the surface to make the conditions for fixing the biomarker on the surface of the magnetic nanoparticles, the aminoalkylsilane derivative of the formula (3) to the magnetic nanoparticle carrier of the formula (2) By reacting with the silane coupling reaction between the silanol groups present on the surface of the carrier and the aminoalkylsilane derivatives, the magnetic nanoparticles to which the amino group of the following
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
상기 식에서,Where
X는 자성 나노입자이고,X is a magnetic nanoparticle,
R은 메틸기 또는 에틸기이고,R is a methyl group or an ethyl group,
o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수를 나타낸다.o, p and q each independently represent an integer of 0 to 3.
여기에서, 상기 아미노알킬실란 유도체는 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, 또는 γ-아미노프로필트리에톡시실란 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. 아미노알킬실란 유도체는 위 예시된 화합물에 제한되지 아니하며, 자성 나노입자에 결합하면서 아미노기를 제공할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 가능하다. Here, the aminoalkylsilane derivatives include β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, or γ-aminopropyltriethoxysilane. It may be used alone or in combination of two or more. The aminoalkylsilane derivatives are not limited to the compounds exemplified above, and may be any one that can provide amino groups while binding to magnetic nanoparticles.
자성 나노입자의 표면을 개질하는 단계를 구체적으로 설명하면, 상기 화학식 2의 자성 나노입자를 유기용매 속에 넣고, 상기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 넣은 후, 바람직하게는 100 내지 110℃에서 환류시켜 실란 커플링반응에 의하여 상기 화학식 4의 아미노기가 도입된 수불용성 자성 나노입자를 만든다. 상기 아미노알킬실란 유도체의 양은 자성 나노입자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 2 내지 15 중량부인 것이 바람직하다.In detail describing the step of modifying the surface of the magnetic nanoparticles, the magnetic nanoparticles of
상기 바이오마커 고정 단계는 하기 화학식 4의 자성 나노입자에 가교제를 반응시켜 하기 화학식 5의 화합물을 얻은 후, 바이오마커와 반응시켜 하기 화학식 1의 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 얻을 수 있다. In the biomarker fixing step, a crosslinking agent is reacted with the magnetic nanoparticles of
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Chemical Formula 5]
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서,Where
X는 자성 나노입자이고,X is a magnetic nanoparticle,
R은 메틸기 또는 에틸기이고,R is a methyl group or an ethyl group,
o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수를 나타낸다.o, p and q each independently represent an integer of 0 to 3.
상기 가교제는 상기 아미노기를 갖도록 개질된 자성 나노입자에 알데히드기를 제공해 줄 수 있는 것이면 어떠한 화합물이든 이용가능하다. 예를 들어, 글루타알데히드, 디알데히드 전분, 숫신산 알데히드 등의 폴리알데히드류를 사용할 수 있다. The crosslinking agent may be any compound as long as it can provide an aldehyde group to the magnetic nanoparticles modified to have the amino group. For example, polyaldehydes such as glutaraldehyde, dialdehyde starch, maleic acid aldehyde and the like can be used.
상기 가교제는 용액 상태로 존재하며, 완충용액 100 중량부에 대하여 가교제 10 내지 30 중량부를 첨가하여 제조한 용액인 것이 바람직하다.The crosslinking agent is present in a solution state, and is preferably a solution prepared by adding 10 to 30 parts by weight of the crosslinking agent with respect to 100 parts by weight of the buffer solution.
바이오마커의 고정화 과정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 상기 화학식 4의 아미노기가 도입된 자성 나노입자에 가교제를 반응시켜 상기 화학식 5의 화합물을 얻는다. 상기 가교제의 양은 자성 나노입자 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부인 것이 바람직하다. 상기 반응은 0 내지 30℃의 온도에서 0.5 내지 4시간 정도 교반함으로써 이루어진다. 그 후, 상기 화학식 5의 화합물에 바이오마 커를 반응시켜 바이오마커가 고정된 상기 화학식 1의 자성 나노입자를 얻을 수 있다. 상기 반응은 10 내지 30℃의 온도에서 0.5 내지 15시간, 바람직하게는 1 내지 7시간 정도 교반함으로써 이루어진다. 반응액의 pH 및 온도는 바이오마커의 활성이 저하되지 않는 범위에서 이루어져야 한다.The immobilization process of the biomarker will be described in more detail as follows. First, a compound of
고정화된 바이오마커의 양은 자성 나노입자에 충분히 고정되고 바이오마커 활성을 지속적으로 유지하기 위해 자성 나노입자 100 중량부에 대하여 0.1 에서 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 바이오마커는 특별히 제한하지는 않으며, 예를 들어 글루코오스 옥시다아제를 사용할 수 있다. 가교반응 후에는 적당한 완충액으로 바이오마커가 고정화된 자성 나노입자를 충분하게 세정하여, 불충분한 결합을 하고 있는 이탈하기 쉬운 바이오마커 및 잉여의 가교제를 제거하는 것이 바람직하다.The amount of the immobilized biomarker is preferably contained in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the magnetic nanoparticles in order to sufficiently fix the magnetic nanoparticles and to maintain the biomarker activity continuously. The biomarker is not particularly limited, and for example, glucose oxidase may be used. After the crosslinking reaction, it is preferable to sufficiently wash the magnetic nanoparticles to which the biomarker is immobilized with a suitable buffer to remove the easily detachable biomarker and excess crosslinking agent having insufficient binding.
상기 하이드로젤 제조단계는 환경적 요인에 따른 바이오마커 변성을 방지하기 위해 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 하이드로젤로 캡슐화하는 단계로,The hydrogel manufacturing step is to encapsulate the magnetic nanoparticles in which the biomarkers are immobilized with hydrogels in order to prevent biomarker denaturation according to environmental factors.
고분자 전구체 용액을 제조하는 단계; 및Preparing a polymer precursor solution; And
상기 고분자 전구체 용액 및 바이오마커가 고정된 자성 나노입자의 혼합용액을 기판과 포토마스크 사이에 넣은 후, UV 광원에 노출시켜 라디칼 중합을 유도하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. The polymer precursor solution and the biomarker-fixed mixed solution of magnetic nanoparticles is preferably placed between the substrate and the photomask, and then exposed to a UV light source to induce radical polymerization.
상기 고분자의 분자량은 500 에서 10000 범위의 것이 바람직한데, 상기 범위 내일 경우 담체로서의 안정적 기계적 특성을 가지며, 바이오마커 활성이 지속적으 로 유지될 수 있는 수분을 함유하고 있기 때문이다. 또한, 분자량이 클수록 바이오마커 활성은 더 증가하는 경향을 나타낼 수 있다.The molecular weight of the polymer is preferably in the range of 500 to 10000, since it has a stable mechanical properties as a carrier when it is in the above range, and contains moisture which can maintain the biomarker activity continuously. In addition, the higher the molecular weight may show a tendency to increase the biomarker activity.
상기 고분자 전구체 용액은 증류수 또는 완충용액 중 어느 하나의 용매에 고분자 전구체를 첨가하여 제조하는 것이 바람직하다. The polymer precursor solution is preferably prepared by adding the polymer precursor to any one solvent of distilled water or buffer solution.
상기 고분자 전구체는 적당한 수분 함량 및 격자사이즈를 갖는 하이드로젤을 제조하기 위해 용매 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. The polymer precursor is preferably included in an amount of 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent to prepare a hydrogel having a suitable moisture content and lattice size.
또한, 상기 고분자 전구체 용액은 고분자의 광중합을 유도하기 위해 고분자 전구체 1 중량부에 대하여 0.001 내지 0.02 중량부의 광개시제를 포함할 수 있다. In addition, the polymer precursor solution may include 0.001 to 0.02 parts by weight of photoinitiator based on 1 part by weight of the polymer precursor to induce photopolymerization of the polymer.
광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, DMPA), 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methylpropipphenone, HOMPP), 또는 어가큐어 2959(Irgacure 2959) 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. Photoinitiators include 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA), 2-hydroxy-2-methylpropipphenone (HOMPP) , Or Acuracure 2959 can be used alone or in combination of two or more thereof.
상기 단계에서 제조된 전구체 용액은 바이오마커가 고정된 자성 나노입자와 혼합하고, 상기 혼합액을 UV 광원에 노출시켜 라디칼 중합을 유도함으로써 망상 구조의 하이드로젤을 제조할 수 있다.The precursor solution prepared in the step may be mixed with the magnetic nanoparticles in which the biomarker is immobilized, and the mixed solution may be exposed to a UV light source to induce radical polymerization to prepare a hydrogel having a network structure.
즉, 양 말단에 비닐기를 가진 폴리에틸렌글리콜은 UV에 노출되면 광개시제로부터 생성된 라디칼이 비닐기의 탄소이중결합을 끊으면서 교차결합이 생성되어 망상구조를 형성하게 되며, 그 안에 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 가둘 수 있는 것이다.That is, when polyethylene glycol having vinyl groups at both ends is exposed to UV, radicals generated from photoinitiators break carbon double bonds of vinyl groups to form cross-links to form a network structure. It can trap nanoparticles.
바람직하게는 전구체 용액과 바이오마커가 고정된 자성 나노입자와의 혼합액을, 스핀코팅을 이용하여 표면에 소수성인 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 코팅한 기판과 포토마스크 사이에 넣은 후, UV 광원에 노출시켜 하이드로젤을 제조할 수 있다. Preferably, a mixed solution of the precursor solution and the magnetic nanoparticles to which the biomarker is fixed is placed between the substrate and the photomask coated with hydrophobic PDMS (Polydimethylsiloxane) on the surface by spin coating, and then exposed to a UV light source to hydro Gels can be prepared.
두 면을 PDMS로 코팅하는 이유는 친수성인 하이드로젤은 소수성인 PDMS 표면과 만나면 높은 계면에너지 때문에 하이드로젤과 두 면이 쉽게 분리시키기 위함이다. 하이드로젤 미세입자는 포토마스크에 따라서 다양한 크기와 모양을 갖도록 제조가 가능하다. 하기 실시예에서, 하이드로젤 안에 고정된 효소는 기질과 형광물질과의 반응으로 형광을 내게 되는데, 이를 이용해 원하는 기질의 검출이 용이하다. 또한 각기 다른 모양의 포토 마스크를 이용하면 모양의 차이를 이용하여 여러 가지 물질을 하나의 형광물질을 이용하여 동시 분석이 가능하고, 또한 반응된 미세입자는 자기장을 이용하여 분리해 내어 재사용이 가능하도록 한다.The reason why the two sides are coated with PDMS is that the hydrogel, which is hydrophilic, is easily separated from the hydrogel and the two sides due to the high interfacial energy when it meets the hydrophobic PDMS surface. Hydrogel microparticles can be produced to have a variety of sizes and shapes depending on the photomask. In the following examples, the enzyme immobilized in the hydrogel is fluoresced by the reaction of the substrate with the fluorescent material, it is easy to detect the desired substrate. In addition, different types of photo masks can be used to simultaneously analyze different materials using a single fluorescent material by using different shapes, and reacted microparticles can be separated and reused using a magnetic field. do.
또한, 고분자의 분자량을 변화시킴으로써 격자 사이즈를 다양하게 조절할 수 있다.In addition, the lattice size can be variously controlled by changing the molecular weight of the polymer.
또한, 상기 바이오마커가 고정된 자성 나노입자는 하이드로젤 100 중량부에 대하여 5 에서 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량 범위 내일 경우 향상된 기계적 강도와 적정한 바이오마커 활성이 나타나기 때문이다.In addition, the biomarker-fixed magnetic nanoparticles are preferably included in 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the hydrogel. This is because improved mechanical strength and proper biomarker activity appear within the content range.
상기 라디칼 중합은 100W의 UV 하에서 1 내지 10 초간 이루어질 수 있으며, 이는 하이드로젤을 구성하는 고분자의 분자량에 의해 결정되므로 특별히 제한하지 는 않는다.The radical polymerization may be performed for 1 to 10 seconds under UV of 100W, which is not particularly limited because it is determined by the molecular weight of the polymer constituting the hydrogel.
본 발명은 또한 본 발명의 하이드로젤을 포함하는 바이오센서를 제공한다. The present invention also provides a biosensor comprising the hydrogel of the present invention.
종래의 바이오센서의 경우, 물리화학적 요인에 의한 고정된 바이오마커의 변성, 누출, 까다로운 고정화 반응 등의 문제점이 있으나, 본 발명의 바이오센서는 자성 나노입자에 바이오마커를 고정하여 바이오센서로부터 바이오마커의 누출을 방지하고, 바이오마커가 고정된 자성 나노입자를 하이드로젤이 캡슐화하고 있어 바이오마커 활성이 오래도록 유지되며 물리적인 충격, 화학적 반응으로부터 보호할 수 있고, 바이오마커의 3차원 입체구조를 유지시킬 수 있어 기질과의 반응이 보다 안정적으로 진행될 수 있는 특징을 갖는다.Conventional biosensors have problems such as denaturation, leakage, and difficult immobilization reactions of immobilized biomarkers due to physicochemical factors, but the biosensors of the present invention fix biomarkers to magnetic nanoparticles to prevent biomarkers from biosensors. Hydrogel encapsulates magnetic nanoparticles to which biomarkers are immobilized and keeps biomarker activity for a long time, protects against physical shock and chemical reactions, and maintains three-dimensional conformation of biomarkers. It can have a characteristic that the reaction with the substrate can proceed more stably.
또한 본 발명은 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 약물전달체를 제공한다. 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤에 약물을 추가로 포함하는 하이드로젤은 외부 자기장을 이용하여 원하는 위치로 이동시켜 원하는 특정부위에 약물 및 유전자를 방출할 수 있을 뿐만 아니라 바이오마커가 원하는 기질과 선택적으로 결합할 수 있도록 도와준다. 상기 약물전달체에 포함되는 약물은, 의약의 활성성분으로 사용될 수 있는 것이면 어떠한 것이든 제한되지 아니한다. 상기 약물전달체는 본 발명의 하이드로젤에 추가로 예를 들어, 화합물, 단백질, 핵산, 고분자 등의 약리학적 활성성분을 포함할 수 있다. In another aspect, the present invention provides a drug delivery agent comprising a hydrogel containing a fixed magnetic nanoparticles. Hydrogels containing drugs in addition to hydrogels containing magnetic nanoparticles having fixed biomarkers can be moved to a desired position by using an external magnetic field to release drugs and genes at specific sites as desired, as well as substrates desired by biomarkers. Helps to selectively combine with The drug included in the drug delivery carrier is not limited as long as it can be used as an active ingredient of a medicament. In addition to the hydrogel of the present invention, the drug carrier may include, for example, a pharmacologically active component such as a compound, a protein, a nucleic acid, a polymer, and the like.
본 발명은 또한 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤을 포함하는 조영제를 제공한다. 자성 나노입자는 자기공명영상의 진단 프로브(조영제)로 사용될 수 있으므로, 바이오마커가 고정된 자성 나노입자 함유 하이드로젤은 임의의 질환의 자기공명영상 진단을 위한 조영제로서 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 조영제는 기존의 조영제에 비해, 하이드로젤를 통해 바이오마커와 기질과의 반응이 보다 안정적으로 진행될 수 있도록 해 준다. 자성 나노입자는 조영제의 진단 프로브로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 자성 나노입자의 열 발생을 이용하여 타겟 세포의 사멸을 유도함으로써 암, 비만, 염증성 질환 등 특정 세포의 사멸이 요구되는 질환의 치료에 유용하게 이용될 수 있으므로, 본 발명의 조영제는 진단뿐만 아니라 열 치료법에 적용 가능한 것을 포함한다. 또한 상기 조영제는 바이오마커에 의해 특정 세포로 전달되는 치료 약물을 포함하는 조영제를 포함한다. The present invention also provides a contrast agent comprising a hydrogel containing a magnetic nanoparticle to which a biomarker is immobilized. Since magnetic nanoparticles can be used as diagnostic probes (contrast agents) of magnetic resonance imaging, magnetic nanoparticle-containing hydrogels with fixed biomarkers can be used as contrast agents for magnetic resonance imaging of any disease. The contrast agent according to the present invention allows the reaction between the biomarker and the substrate to be more stable through the hydrogel than the conventional contrast agent. Magnetic nanoparticles not only can be used as diagnostic probes for contrast media, but also induce the death of target cells using heat generation of magnetic nanoparticles, which is useful for the treatment of diseases requiring the death of specific cells such as cancer, obesity, and inflammatory diseases. As can be used, the contrast agents of the present invention include those applicable to thermal therapy as well as diagnostics. The contrast agent also includes a contrast agent comprising a therapeutic drug that is delivered to specific cells by a biomarker.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1: 자성 나노입자 상의 효소의 고정Example 1 Immobilization of Enzymes on Magnetic Nanoparticles
자성 나노입자 상에 효소를 고정하는 과정은 도 1에 예시적으로 도시되어 있으며, 자성 나노입자 표면의 화학적 개질 반응의 과정은 도 2에 예시적으로 도시되어 있다. The process of immobilizing the enzyme on the magnetic nanoparticles is exemplarily illustrated in FIG. 1, and the process of chemical modification of the surface of the magnetic nanoparticles is exemplarily illustrated in FIG. 2.
먼저, 지름이 약 50nm인 자성 나노입자 (Fe3O4) 1g을 1:3 비율의 과산화 수소(H2O2)와 황산(H2SO4)의 혼합 용액(9ml 의 황산 + 3ml 의 과산화 수소)인 12ml의 피라나(PIRANHA) 용액 속에 넣고 잘 섞어준다. 이 용액을 80℃에서 30분간 반응시키고, 원심 분리한 후, 물과 에탄올로 번갈아 피라나 처리 된 자성 나노입자를 씻어준다. 그 결과 생성된 하이드록실 그룹이 코팅된 자성 나노입자를 99.9%의 에탄올(ethanol)과 APTES(aminopropyltriethoxysilane)이 19 : 1 비율로 혼합된 APTES 용액으로 처리하였다. 이때 APTES가 공기와 만나는 것을 차단하기 위해 파라핀 필름으로 잘 실링(sealing)하였다. 이 용액을 쉐이커(shaker) 위에서 약 130rpm 으로 두 시간 이상 반응시켰다. 반응이 끝난 용액을 에탄올로 씻으면서 원심분리기로 분리해 낸 후 에서 두 시간 가열하며 수분을 제거하였다. 이렇게 APTES 용액으로 처리된 500mg의 자성 나노입자를 글루타알데하이드 (glutaraldehyde 25%)와 PBS buffer solution(p H 7.4)을 1 : 39의 비율로 혼합한 용액에 넣어주고 8시간 쉐이커 위에서 반응시켰다. 반응이 끝나면 물로 씻어주고 원심 분리기로 분리해 낸 후 1mg/ml 농도의 HRP(Horseradish Peroxidase) 용액 속에 넣고 12시간 동안 반응시켰다. First, 1 g of magnetic nanoparticles (Fe 3 O 4 ) having a diameter of about 50 nm was mixed with a mixed solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) in a ratio of 1: 3 (9 ml of sulfuric acid + 3 ml of peroxide). In a 12 ml solution of PIRANHA, mix well. The solution is reacted at 80 ° C. for 30 minutes, centrifuged, and then washed with Pana or magnetic nanoparticles alternately with water and ethanol. The resulting hydroxyl group-coated magnetic nanoparticles were treated with an APTES solution in which 99.9% ethanol and APTES (aminopropyltriethoxysilane) were mixed in a 19: 1 ratio. At this time, it was well sealed with paraffin film to block APTES from meeting air. The solution was allowed to react for more than two hours at about 130 rpm on a shaker. The reaction solution was separated with a centrifuge while washing with ethanol and then heated for 2 hours to remove moisture. Thus, 500 mg of magnetic nanoparticles treated with APTES solution was added to a solution in which glutaaldehyde (glutaraldehyde 25%) and PBS buffer solution (pH 7.4) were mixed at a ratio of 1:39 and reacted on a shaker for 8 hours. After the reaction, the mixture was washed with water, separated by centrifugation, and placed in 1 mg / ml HRP (Horseradish Peroxidase) solution for 12 hours.
실험예 1: 자성 나노입자 표면에 고정된 효소의 활성 측정Experimental Example 1 Determination of Activity of Enzyme Immobilized on Magnetic Nanoparticle Surface
효소가 자성 나노입자 표면에 화학적으로 고정되었음을 확인하기 위하여 실시예 1에서 효소를 표면에 고정시킨 자성 나노입자와, 효소 용액(HRP 1mg/ml)속에 15시간 동안 넣어 물리적으로 효소를 부착시킨 자성 나노입자(대조군)의 농도에 따른 활성을 각각 측정해 보았다. 0.21mM의 오-다이아니시딘(o-dianicidine) 12ml와 퍼록시다아제(H2O2) 0.5ml를 섞은 용액 1ml와 각기 다른 농도로 자성 나노입자를 함유한 물 용액 1ml를 혼합시키고 한시간 동안 반응시킨 후 자외/적외선 분광 광도 관찰기(uv-vis spectroscope)를 이용해 405nm의 파장에서 흡수율을 비교하였다.In order to confirm that the enzyme was chemically immobilized on the surface of the magnetic nanoparticles, the magnetic nanoparticles immobilized on the surface in Example 1 and magnetic nanoparticles physically attached to the enzyme were placed in an enzyme solution (HRP 1mg / ml) for 15 hours. The activity according to the concentration of the particles (control) was measured. 1 ml of 0.21 mM o-dianicidine and 0.5 ml of peroxidase (H 2 O 2 ) are mixed with 1 ml of water solution containing magnetic nanoparticles at different concentrations and After the reaction, the absorption ratio was compared at a wavelength of 405 nm using an ultraviolet / infrared spectrophotometer (uv-vis spectroscope).
결과는 하기 표 1에 나타냈다.The results are shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
405nm의 파장에서의 흡수율Of magnetic nanoparticles of Example 1
Absorption at 405 nm
405nm의 파장에서의 흡수율Control
Absorption at 405 nm
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 효소를 화학적으로 고정시킨 자성 나노 입자의 흡수율은 물리적으로 효소를 고정시킨 자성 나노 입자의 흡수율에 비해 현저히 높은 것을 볼 수 있고, 또한 자성 나노 입자의 농도에 따라서 흡수율이 증가함을 보임으로 인해 효소가 자성 나노 입자 위에 화학적으로 고정되었고 효소가 제 기능을 하고 있음을 알 수 있다. As can be seen from Table 1, the absorption rate of the magnetic nanoparticles to which the enzyme is chemically immobilized can be seen to be significantly higher than the absorption rate of the magnetic nanoparticles to which the enzyme is physically immobilized, and also according to the concentration of the magnetic nanoparticles. This increase indicates that the enzyme is chemically immobilized on the magnetic nanoparticles and the enzyme is functioning.
실험예 2: 효소가 고정된 자성 나노입자의 FT-IR 측정Experimental Example 2: FT-IR Measurement of Magnetic Nanoparticles with Enzyme Immobilization
효소가 실시예 1과 같은 메커니즘으로 부착되었음을 알기 위해 아무 처리도 하지 않은 자성 나노입자와 APTES까지 반응이 진행된 자성 나노입자, 그리고 실시 예 1을 통해 효소를 고정시킨 자성 나노입자를 KBr에 섞어서 펠렛타이저(pelletizer)을 이용해 펠렛 형태로 만들어 시료들의 투과율을 FT-IR로 측정하였다.In order to know that the enzyme was attached by the same mechanism as in Example 1, the magnetic nanoparticles which had not been treated and the magnetic nanoparticles which had undergone the reaction up to APTES, and the magnetic nanoparticles in which the enzyme was immobilized in Example 1 were mixed with the pellet, The pellets were made into pellets and the transmittances of the samples were measured by FT-IR.
그 결과, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 아무 처리도 하지 않은 자성 나노 입자와 APTES까지 반응이 진행된 자성 나노 입자를 비교해 보면 Si-O 결합을 1047cm-1 에 있는 피크로 확인할 수 있고, 1653cm-1 에서는 N-H 결합이 있음을 알 수 있다. 또한 효소를 고정시킨 자성 나노 입자의 그래프에서는 1534cm-1 에서 단백질 내의 N 결합을 확인함으로써 예상했던 화학식과 같음을 알 수 있다.As a result, looking at, compare the magnetic nanoparticles reaction is conducted to the magnetic nanoparticles with APTES not perform any processing as can be seen in Figure 3, and to determine the Si-O bond to a peak in 1047cm -1, 1653cm - It can be seen from 1 that there is an NH bond. In addition, in the graph of the magnetic nanoparticles immobilized enzyme, it can be seen that the same as the expected chemical formula by confirming the N bond in the protein at 1534cm -1 .
실시예 2: 효소가 고정된 자성 나노입자를 함유하는 PEG 하이드로젤의 제조Example 2: Preparation of PEG Hydrogels Containing Enzyme-immobilized Magnetic Nanoparticles
효소가 고정된 자성 나노입자를 함유하는 PEG 하이드로젤은 두 가지 분자량(575, 3400)의 PEG-DA 전구체를 가지고 자외선(365nm) 노출을 통한 라디칼 중합반응으로 제조하였다. 도 4는 이러한 PEG 하이드로젤의 제조 과정을 예시적으로 나타낸 모식도이다. PEG hydrogels containing magnetic nanoparticles immobilized with enzyme were prepared by radical polymerization through UV (365 nm) exposure with PEG-DA precursors having two molecular weights (575, 3400). Figure 4 is a schematic diagram showing the manufacturing process of such a PEG hydrogel by way of example.
먼저, 약 40mg/ml의 효소가 고정된 자성 나노입자 용액과 폴리에틸렌글리콜 다이아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate)를 각각 1ml 씩 넣은 후 광개시제의 한 종류인 2-2-다이메틸옥시-2-페닐-아세트페논(2-2-dimethoxy-2-phenyl-acetophenone) 20ul를 첨가하여 PEG 전구체 용액을 제조하였다. First, about 40 mg / ml of the enzyme-fixed magnetic nanoparticle solution and polyethylene glycol diacrylate (poly (ethylene glycol) diacrylate) were put in 1 ml each, and then a kind of photoinitiator 2-2-dimethyloxy-2- PEG precursor solution was prepared by adding 20ul of phenyl-acetphenone (2-2-dimethoxy-2-phenyl-acetophenone).
PDMS(ploydimethylsiloxane)로 스핀 코팅한 후 80℃에서 경화시킨 포토 마스 크와 슬라이드 글래스 사이에 위의 PEG 전구체 용액을 떨어뜨리고 두 면을 부착시킨 후 100W 자외선에 약 2초간 노광시켰다. PDMS로 두 면을 코팅한 이유는 친수성인 PEG 하이드로젤과 소수성인 PDMS 사이에 계면에너지 차이 때문에 PEG 하이드로젤 입자를 표면에서 잘 분리하기 위함이다. 양 말단에 비닐기를 가진 PEG-DA 는 자외선에 노출되면 광개시제로부터 생성된 라디칼이 비닐기의 탄소이중결합을 끊으면서 교차결합이 생성되어 망상구조를 형성하게 되며 그 안에 효소가 고정된 자성 나노입자를 가둘 수 있게 된다. After spin-coating with PDMS (ploydimethylsiloxane), the PEG precursor solution was dropped between the photomask and the slide glass cured at 80 ° C, and the two surfaces were attached and then exposed to 100W ultraviolet light for about 2 seconds. The reason for coating the two sides with PDMS is to separate the PEG hydrogel particles from the surface due to the interfacial energy difference between the hydrophilic PEG hydrogel and the hydrophobic PDMS. When PEG-DA having vinyl groups at both ends is exposed to ultraviolet rays, radicals generated from photoinitiators break carbon double bonds of vinyl groups to form cross-links to form a network structure. It can be locked up.
하기 실험예 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, PEG-DA의 분자량 차이에 따라 다양한 메쉬사이즈를 조절할 수 있어 하이드로젤 속의 자성 나노입자에 고정된 효소의 반응 속도에 영향을 미치게 된다. 또한 포토마스크의 크기와 모양에 따라서 다양한 PEG 하이드로젤 마이크로 입자를 제작할 수도 있다. 도 5는 다양한 크기와 모양을 갖는 포토마스크와 분자량이 각각 575 및 3400인 PEG-DA를 이용하여 제작한 다양한 크기와 모양을 갖는 PEG 하이드로젤 마이크로 입자를 보여준다. 이처럼 각기 다른 모양의 포토 마스크를 이용하면 모양의 차이를 통해 여러가지 물질을 하나의 형광물질을 이용하여 동시 분석이 가능하다. As can be seen in Experimental Example 3, various mesh sizes can be adjusted according to the molecular weight difference of PEG-DA to affect the reaction rate of the enzyme immobilized on the magnetic nanoparticles in the hydrogel. In addition, various PEG hydrogel microparticles may be manufactured according to the size and shape of the photomask. 5 shows PEG hydrogel microparticles having various sizes and shapes made using photomasks having various sizes and shapes and PEG-DA having molecular weights of 575 and 3400, respectively. Like this, different types of photo masks can be used to simultaneously analyze various materials using a single fluorescent material through different shapes.
실험예 3: PEG-DA의 분자량에 따른 효소고정 자성 나노입자를 함유한 PEG 하이드로젤 입자의 형광세기 측정Experimental Example 3 Measurement of Fluorescence Intensity of PEG Hydrogel Particles Containing Enzymatic Magnetic Magnetic Nanoparticles According to the Molecular Weight of PEG-DA
PEG 하이드로젤 입자 속 자성 나노입자에 고정된 효소의 반응 속도가 PEG-DA의 분자량에 따른 차이가 있음을 알아 보기 위해 시간에 따른 형광 세기를 측정해 보았다. 약 40mg/ml 농도의 효소가 고정된 자성 나노입자 용액 1ml와 분자량 575의 PEG-DA 1ml, 같은 농도의 효소 고정 자성 나노입자 용액 1ml와 분자량 3400의 PEG-DA 1g을 섞은 용액에 각각 20ul의 광개시제 2-2- 다이메틸옥시-2-페닐-아세트페논을 넣어주었다. 이렇게 만들어진 전구체 용액을 실시예 2와 같은 방법으로 300um 크기의 포토 마스크를 이용하여 PEG 하이드로젤 입자를 제조한 후, 0.01mM의 암플렉스 레드(Amplex Red) 용액과 5mM의 과산화 수소를 1:1 비율로 섞은 용액과 반응시키면서 1분 간격으로 형광의 세기를 측정하였다. 과산화 수소가 암플렉스 레드가 퍼록시다아제와 반응하면 산화되고 그 결과 형광을 띄는 레조루핀(Resorufin)이라는 물질이 생성된다. 형광의 세기는 곧 레조루핀이 얼마나 생성되었는가를 가늠할 수 있게 되는 것이다. The fluorescence intensity over time was measured to determine the difference in the reaction rate of the enzyme immobilized on the magnetic nanoparticles in the PEG hydrogel particles according to the molecular weight of PEG-DA. 20ul of photoinitiator was added to 1ml of enzyme-fixed magnetic nanoparticle solution of about 40mg / ml concentration, 1ml of PEG-DA with molecular weight of 575, 1ml of enzyme-fixed magnetic nanoparticle solution of same concentration and 1g of PEG-DA with molecular weight of 3400 2-2-dimethyloxy-2-phenyl-acetphenone was added thereto. After preparing the PEG hydrogel particles using the 300 μm photomask in the same manner as in Example 2, the PEG solution was prepared in a 1: 1 ratio of 0.01 mM Amplex Red solution and 5 mM hydrogen peroxide. The intensity of fluorescence was measured at 1 minute intervals while reacting with the mixed solution. When hydrogen peroxide reacts with Amplex Red with peroxidase, it produces a substance called Resorufin that fluoresces. The intensity of the fluorescence soon determines how much resorphine was produced.
그 결과, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 분자량 575의 PEG-DA를 이용한 PEG 하이드로젤 입자에 비해서는 분자량 3400의 PEG-DA를 이용한 PEG 하이드로젤 입자에서의 효소 반응이 빠르게 진행된 것으로 확인되었다. 이는 분자량이 큰 PEG-DA를이용하여 제작된 하이드로젤 입자의 메쉬 사이즈가 커서, 기질과의 반응성이 높아졌기 때문으로 예상된다. As a result, as shown in Figure 6, it was confirmed that the enzyme reaction in the PEG hydrogel particles using PEG-DA having a molecular weight of 3400 proceeded faster than the PEG hydrogel particles using a PEG-DA having a molecular weight of 575. This is expected due to the large mesh size of the hydrogel particles produced using PEG-DA having a high molecular weight, thereby increasing the reactivity with the substrate.
비교실험예 1: 자유 효소 PEG 하이드로젤 입자의 형광세기 측정Comparative Example 1 Measurement of Fluorescence Intensity of Free Enzyme PEG Hydrogel Particles
자성 나노입자에 고정되지 않고 PEG 하이드로젤 안에 고정된 효소가 고분자의 분자량에 따라 반응 속도 차이를 보이기 위하여 PEG 하이드로젤을 효소 고정 지지체로 쓰고 시간에 따른 반응 속도를 알아보았다. In order to show the difference in the reaction rate according to the molecular weight of the enzyme, which is not immobilized on the magnetic nanoparticles and the molecular weight of the polymer, PEG hydrogel was used as the enzyme fixation support, and the reaction rate was examined over time.
1mg/ml의 HRP 용액 1ml과 분자량이 각각 575인 PEG-DA용액 1ml, 같은 농도의 HRP 용액 1ml와 분자량이 3400인 PEG-DA 1g을 섞고, 각각 혼합 용액에 20ul의 광개시제 2-2-다이메틸옥시-2-페닐-아세트페논을 넣어주었다. 이렇게 만들어진 전구체 용액을 실시예 2와 같은 방법으로 자외선 노출을 통한 라디칼 중합 반응을 이용해 300um 크기의 PEG 하이드로젤 입자를 제조하였다. 실리콘 몰드를 부착시킨 글래스 위에 이렇게 제조된 입자들을 모아두고 그 안에 0.01mM의 암플렉스 레드(Amplex Red) 용액과 과산화 수소를 1:1 비율로 섞은 용액을 떨어뜨리고 1분 간격으로 7분동안 형광 현미경으로 효소를 함유한 PEG 하이드로젤의 형광 세기를 측정하였다. 1 ml of 1 mg / ml HRP solution, 1 ml of PEG-DA solution with a molecular weight of 575, 1 ml of HRP solution with the same concentration, and 1 g of PEG-DA with a molecular weight of 3400 were mixed, and 20 ul of photoinitiator 2-2-dimethyl was added to the mixed solution, respectively. Oxy-2-phenyl-acetphenone was added. The precursor solution thus prepared was prepared in the same manner as in Example 2 using a radical polymerization reaction through UV exposure to prepare a 300 μm PEG hydrogel particles. The particles thus prepared were collected on a glass on which a silicon mold was attached, and a 0.01 mM Amplex Red solution and a solution containing hydrogen peroxide were dropped at a ratio of 1: 1, followed by a fluorescence microscope for 7 minutes at 1 minute intervals. Fluorescence intensity of PEG hydrogel containing enzyme was measured.
하이드로젤은 그물구조를 가지고 있기 때문에 물 속에서 팽윤되어 물을 머금을 수 있다. 그물의 메쉬사이즈는 분자량이 증가함에 따라 증가하게 되는데, 실험에서 사용한 분자량 575와 3400을 서로 비교해 보면 3400이 큰 메쉬사이즈를 갖고 있으며 이는 곧 하이드로젤 내부와 외부 용액의 물질전달 속도에 영향을 미친다. 그 결과, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 분자량 575와 3400의 반응 속도를 비교해 보면 시간에 따라 분자량 3400의 하이드로젤이 분자량 575의 하이드로젤보다 물질 전달 속도가 더 크기 때문에 반응속도가 상대적으로 빠른 것을 알 수 있다.Because hydrogels have a net structure, they can swell and contain water. The mesh size of the net increases as the molecular weight increases. When comparing the
실험예 4: 과산화 수소의 농도에 따른 효소 고정 자성 나노입자 함유 PEG 하이드로젤의 형광 측정Experimental Example 4: Fluorescence Measurement of PEG Hydrogel Containing Enzymatic Immobilized Magnetic Nanoparticles According to Concentration of Hydrogen Peroxide
HRP가 고정된 자성 나노입자를 함유한 PEG 3400 하이드로젤 입자가 과산화 수소의 농도에 따라 암플렉스 레드와 반응하여 나타나는 형광 변화를 측정하기 위 해 약 40mg/ml 농도의 자성 나노입자 용액을 0.01mM의 암플렉스 레드(Amplex Red) 용액과 다양한 농도의 과산화 수소를 1:1 비율로 섞은 용액을 실시예 2와 같은 방법으로 제조한 분자량 3400 PEG 하이드로젤 입자를 5분 동안 반응킨 후 형광을 관찰하였다.
그 결과, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 과산화 수소의 농도가 증가함에 따라 형광 세기도 증가함을 알 수 있다.As a result, as can be seen in Figure 8, it can be seen that the fluorescence intensity also increases as the concentration of hydrogen peroxide increases.
실험예 5: 효소 고정 자성 나노입자를 함유한 PEG 하이드로젤에 함유된 효소Experimental Example 5: Enzyme contained in PEG hydrogel containing enzyme immobilized magnetic nanoparticles 고정 나노입자의 안정성Stability of Fixed Nanoparticles
PEG 하이드로젤을 효소 고정 지지체로 쓰는 것보다 자성 나노입자 위에 화학적으로 결합되어 있는 효소를 하이드로젤에 함유시켰을 때 효소의 활성이 더 안정하여 오래 지속됨을 알아보기 위해 8일간 형광의 변화를 측정해 보았다. The change in fluorescence was measured for 8 days to see if the enzyme activity was more stable and longer lasting when the hydrogel contained the enzyme that was chemically bound on the magnetic nanoparticles than the PEG hydrogel was used as the enzyme fixation support. .
지름이 약 1cm의 원형 실리콘 몰드를 이용해 노광을 통한 라디칼 중합으로 약 50mg/ml 농도의 효소 고정 자성 나노입자를 함유한 분자량 3400의 PEG 하이드로젤을 제조하였다. 이렇게 제조된 PEG 하이드로젤을 실시예 4와 같은 방법으로 0.21mM의 암플렉스 레드와 5mM의 과산화 수소를 1 : 1 비율로 혼합한 용액 3ml를 5분 동안 반응시킨 후 96-웰 플레이트에 넣고 형광 스펙트로스코피(Fluorescent spectroscopy)를 이용해 585nm의 파장에서 형광의 세기를 8일간 관찰하였다. Radical polymerization through exposure using a circular silicone mold having a diameter of about 1 cm to prepare a PEG hydrogel having a molecular weight of 3400 containing enzyme fixed magnetic nanoparticles of about 50 mg / ml concentration. The PEG hydrogel thus prepared was reacted for 3 minutes in a solution of 0.21 mM Amflex Red and 5 mM hydrogen peroxide in a ratio of 1: 1 in the same manner as in Example 4, and then placed in a 96-well plate, followed by fluorescent spectroscopy. Fluorescent spectroscopy was used to observe the intensity of fluorescence for 8 days at a wavelength of 585 nm.
그 결과, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 하이드로젤을 효소 고정 지지체로 사용했을 때는 4일 만에 하이드로젤 내부의 효소가 빠져나와 그 활성도가 영에 가 까이 떨어졌지만, 하이드로젤 속에 함유된 자성 나노 입자에 고정된 효소의 활성도는 8일이 지날 때까지 어느정도 그 활성을 유지하고 있음으로 보아 예상했던 것처럼 본 실험은 효소의 안정성이 좋다는 것을 알 수 있다.As a result, as shown in Figure 9, when the hydrogel was used as the enzyme fixation support, the enzyme inside the hydrogel escaped in 4 days and its activity was close to zero, but the magnetic content contained in the hydrogel The activity of the enzyme immobilized on the nanoparticles was maintained to some extent until 8 days, as expected, the experiment shows that the enzyme stability is good.
도 1은 자성 나노입자 상에 효소를 고정하는 과정을 예시적으로 도시한 것이다. 1 exemplarily illustrates a process of immobilizing an enzyme on magnetic nanoparticles.
도 2는 자성 나노입자 표면의 화학적 개질 반응의 과정을 예시적으로 도시한 것이다. 2 exemplarily shows a process of chemical modification of the surface of magnetic nanoparticles.
도 3은 효소가 고정된 자성 나노입자의 FT-IR 측정 결과를 보여준다.Figure 3 shows the results of the FT-IR measurement of the enzyme-fixed magnetic nanoparticles.
도 4는 PEG 하이드로젤의 제조 과정을 예시적으로 나타낸 모식도이다. Figure 4 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the PEG hydrogel by way of example.
도 5는 다양한 크기와 모양을 갖는 포토마스크와 분자량이 각각 575 및 3400인 PEG-DA를 이용하여 제작한 다양한 크기와 모양을 갖는 PEG 하이드로젤 마이크로 입자를 보여준다.5 shows PEG hydrogel microparticles having various sizes and shapes made using photomasks having various sizes and shapes and PEG-DA having molecular weights of 575 and 3400, respectively.
도 6은 하이드로젤을 구성하고 있는 고분자의 분자량 차이에 따른 자성 나노입자에 고정된 효소의 반응 속도를 보여주는 그래프이다. 6 is a graph showing the reaction rate of the enzyme immobilized on the magnetic nanoparticles according to the molecular weight difference of the polymer constituting the hydrogel.
도 7은 하이드로젤을 구성하고 있는 고분자의 분자량 차이에 따른 자유 효소의 반응 속도를 보여주는 그래프이다. 7 is a graph showing the reaction rate of the free enzyme according to the molecular weight difference of the polymer constituting the hydrogel.
도 8은 과산화수소의 농도에 따른 하이드로젤 형광 세기를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the hydrogel fluorescence intensity according to the concentration of hydrogen peroxide.
도 9는 효소 고정 자성 나노입자를 함유한 PEG 하이드로젤에 함유된 효소 고정 나노입자의 시간에 따른 안정성을 보여주는 그래프이다. 9 is a graph showing the stability over time of enzyme-fixed nanoparticles contained in PEG hydrogels containing enzyme-fixed magnetic nanoparticles.
도 10은 자석으로 분리된 자성 나노입자를 포함하는 하이드로젤의 사진이다.10 is a photograph of a hydrogel including magnetic nanoparticles separated by a magnet.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160049306A (en) * | 2014-10-27 | 2016-05-09 | 연세대학교 산학협력단 | Hydrogel composition containing organic-inorganic complex, micro arrays comprising the same, manufacturing method of micro arrays, and sensor comprising the same |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011122883A2 (en) | 2010-03-31 | 2011-10-06 | 서울대학교산학협력단 | Method for magnetically controlling a magnetic structure |
| KR101297363B1 (en) * | 2011-02-23 | 2013-08-14 | 사회복지법인 삼성생명공익재단 | Composition comprising local injection preparation for endoscopic mucosal resection |
| KR101255762B1 (en) * | 2011-04-19 | 2013-04-17 | 한양대학교 에리카산학협력단 | Preparation method for hydrogel assembly |
| KR101308509B1 (en) * | 2011-06-23 | 2013-09-17 | 주식회사 나노브릭 | Method for treating surface of magnetic particle, magnetic complex and magnetic complex for labeling taget molecule manufactured by the same |
| WO2012177088A1 (en) * | 2011-06-23 | 2012-12-27 | 주식회사 나노브릭 | Surface treatment method for magnetic particles, magnetic composite prepared thereby, and magnetic composite for labeling target materials |
| KR101414082B1 (en) * | 2011-06-23 | 2014-07-02 | 주식회사 나노브릭 | Treating method of particle surface and particle manufactured by the same |
| KR101367791B1 (en) * | 2013-08-12 | 2014-02-28 | 고센바이오비드 주식회사 | Magnetic nanoparticle surface treatment method |
| KR101718514B1 (en) * | 2015-05-06 | 2017-03-22 | 한국해양과학기술원 | Amphiphilic hydrogel particle for anti-fouling paint and method for manufacturing the same |
| KR102623418B1 (en) * | 2020-09-08 | 2024-01-10 | 성균관대학교산학협력단 | Nanoparticles-loaded hydrogel microbead and preparing method of the same |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030029501A (en) * | 2001-10-06 | 2003-04-14 | 종근당바이오 주식회사 | Method for enzyme immobilization using silicagel or composite silicagel carrier |
| US20030175824A1 (en) | 2002-01-22 | 2003-09-18 | The Penn State Research Foundation | Drug candidate screening systems based on micropatterned hydrogels and microfluidic systems |
-
2008
- 2008-12-17 KR KR1020080128692A patent/KR101045567B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030029501A (en) * | 2001-10-06 | 2003-04-14 | 종근당바이오 주식회사 | Method for enzyme immobilization using silicagel or composite silicagel carrier |
| US20030175824A1 (en) | 2002-01-22 | 2003-09-18 | The Penn State Research Foundation | Drug candidate screening systems based on micropatterned hydrogels and microfluidic systems |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Enzyme and Microbial Technology 39(2006) 1089-1095 |
| J. Phys. Chem. B 2006, 110, 1553-1558 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160049306A (en) * | 2014-10-27 | 2016-05-09 | 연세대학교 산학협력단 | Hydrogel composition containing organic-inorganic complex, micro arrays comprising the same, manufacturing method of micro arrays, and sensor comprising the same |
| KR101707717B1 (en) * | 2014-10-27 | 2017-02-27 | 연세대학교 산학협력단 | Hydrogel composition containing organic-inorganic complex, micro arrays comprising the same, manufacturing method of micro arrays, and sensor comprising the same |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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