KR101068873B1 - Hydrogel entrapping biomarker-immobilized silica nanoparticles and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면이 개질된 실리카 나노입자에 바이오마커를 고정하고, 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤로 캡슐화함으로써 환경적 요인에 따른 바이오마커의 변성 및 누출을 방지하여 바이오마커의 활성을 지속적으로 유지하고 기질과의 반응을 안정적으로 진행할 수 있는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogel containing silica nanoparticles to which the biomarker is immobilized, and to a method of manufacturing the same. More specifically, the biomarker is fixed to the surface-modified silica nanoparticles and encapsulated into a hydrogel having excellent biocompatibility. Hydrogels containing silica nanoparticles immobilized with biomarkers that can maintain biomarker activity and stably react with substrates by preventing biomarker denaturation and leakage due to environmental factors, and their preparation It is about a method.

하이드로젤, 실리카 나노입자, 바이오마커 Hydrogels, Silica Nanoparticles, Biomarkers

Description

바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법{Hydrogel entrapping biomarker-immobilized silica nanoparticles and method for preparing the same}Hydrogel containing silica nanoparticles immobilized with biomarker and method for preparing the same {Hydrogel entrapping biomarker-immobilized silica nanoparticles and method for preparing the same}

본 발명은 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면이 개질된 실리카 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 실리카 나노입자를 함유하는 하이드로젤 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogel containing silica nanoparticles to which the biomarker is immobilized, and to a method of manufacturing the same. More specifically, the biomarker is fixed to the surface-modified silica nanoparticles and encapsulated into a hydrogel having excellent biocompatibility. Hydrogels containing silica nanoparticles immobilized with biomarkers, which can maintain biomarker activity and stably react with substrates by preventing biomarker denaturation and biomarker leakage due to environmental factors. It relates to a manufacturing method.

종래의 단백질 바이오센서는 바이오마커를 유리판, 플라스틱에 고정시키거나 2차원적 평면을 이용하여 마이크로어레이 방법을 사용하였다(Analytical Biochemistry 368 (2007) 205-213). 마이크로어레이 제작은 화학 변형으로 인해 다양하며 복잡성을 가지고 있으며(Chem Bio Chem 2001, 2, 686-694), 이러한 방법은 고정된 단백질이 변성될 우려가 있고 2차원 표면에 단백질을 고정화 시킬 때 가교반응이 까다롭다는 단점이 있다(J. Immunol. Methods 2001, 255, 1-13). 이를 보완하기 위해 PEG 하이드로젤을 사용하였다. Conventional protein biosensors use microarrays to fix biomarkers on glass plates, plastics or by using two-dimensional planes ( Analytical Biochemistry 368 (2007) 205-213). Microarray fabrication is diverse and complex due to chemical modifications ( Chem Bio Chem 2001, 2, 686-694), and this method may lead to denaturation of immobilized proteins and crosslinking reactions when immobilizing proteins on two-dimensional surfaces. This has the disadvantage of being tricky ( J. Immunol. Methods 2001, 255, 1-13). To supplement this, PEG hydrogel was used.

PEG 하이드로젤은 높은 수분함량과 생체적합성으로 인해 생물학적으로 응용되고 있다(Adv. Mater. 2006, 18, 1345-1360). 이러한 3차원적 방법은 바이오마커의 고정화 수율을 높일 수 있으며 화학결합으로 인해 주변환경으로부터 바이오마커를 보호할 수 있으며 안정하다는 점을 가지고 있다(Langmuir 2004, 20. 270-272). PEG 하이드로젤은 수분 함량이 높으며 생체적합성이 뛰어나다는 점에서 바이오마커나 세포 등의 바이오 물질들을 고정하는데 널리 사용되고 있다. 하이드로젤 내부에 세포를 고정할 경우, 실제 몸에서와 비슷하게 3차원 배양이 가능하여 세포로부터 보다 정확한 정보를 얻을 수 있으며, 바이오마커를 고정할 경우 환경적인 요인으로부터 바이오마커의 변성을 방지하고 기질과의 반응을 증가시켜 강한 시그널을 측정할 수 있다는 장점들을 가지고 있다. PEG hydrogels have been applied biologically due to their high water content and biocompatibility ( Adv. Mater . 2006, 18, 1345-1360). This three-dimensional method can increase the immobilization yield of biomarkers and can protect biomarkers from the surrounding environment due to chemical bonding and are stable ( Langmuir 2004, 20. 270-272). PEG hydrogels are widely used to fix biomaterials such as biomarkers and cells in terms of high water content and excellent biocompatibility. When the cells are fixed inside the hydrogel, three-dimensional culture can be obtained similarly to the actual body to obtain more accurate information from the cells. When the biomarkers are fixed, biomarkers are prevented from being denatured from environmental factors and It has the advantage of being able to measure strong signals by increasing the response of.

마찬가지로 실리카 나노입자의 경우도 제조 및 표면 개질이 용이하여 바이오 물질들을 고정화시켜 활성을 측정하거나 약물전달시스템에 사용되는 등 여러 분야의 소재로 사용되고 있다. 원하는 사이즈를 합성할 수 있으며 실리카 나노입자 표면에 작은 구멍을 만들어 표면적을 증가시켜 바이오 물질들의 고정화 방법들도 널리 연구되고 있으며 실리카 나노입자의 3차 입체구조를 이용하면 보다 많은 바이오 물질들을 부착할 수 있는 장점을 가지고 있다.Likewise, in the case of silica nanoparticles, it is easy to manufacture and surface modification, and is used as a material for various fields such as immobilization of biomaterials to measure activity or use in drug delivery systems. The desired size can be synthesized, and methods of immobilizing biomaterials by increasing the surface area by making small pores on the surface of silica nanoparticles are also widely studied. By using tertiary structure of silica nanoparticles, more biomaterials can be attached. Has the advantage.

그러나, 하이드로젤만을 지지체로 이용하여 바이오마커를 하이드로젤 안에 캡슐화를 시킬 경우 바이오마커가 쉽게 누출되는 현상이 발생하며, 바이오마커를 실리카 나노입자만을 이용하여 고정시킬 경우 바이오마커가 주변 환경에 의해 쉽게 변성될 수 있는 문제점들을 가지고 있다.However, if the biomarker is encapsulated in the hydrogel using only the hydrogel as a support, the biomarker easily leaks. If the biomarker is fixed using only silica nanoparticles, the biomarker is easily changed by the surrounding environment. There are problems that can be denatured.

본 발명의 목적은 바이오센서에 있어서 바이오마커의 누출을 방지하고, 바이오마커의 활성을 지속적으로 유지하기 위한 방안으로서 바이오마커를 실리카 나노입자에 고정하고 바이오마커가 고정된 나노입자를 생체적합성 하이드로젤로 캡슐화하는, 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to prevent the leakage of the biomarker in the biosensor, and to maintain the activity of the biomarker continuously to fix the biomarker to the silica nanoparticles and biomarker-fixed nanoparticles biocompatible hydrogel It is to provide a hydrogel containing silica nanoparticles fixed with a biomarker, and encapsulating the biomarker.

본 발명의 다른 목적은 우수한 물성을 갖는 하이드로젤을 포함하는 바이오센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a biosensor comprising a hydrogel having excellent physical properties.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112008082350550-pat00001
Figure 112008082350550-pat00001

상기 식에서,Where

X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel,

Y는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 12의 알킬렌, 알케닐렌 또는 알키닐 렌이며,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

실리카 나노입자의 표면을 개질하는 단계;Modifying the surface of the silica nanoparticles;

표면이 개질된 실리카 나노입자에 바이오마커를 고정하는 단계; 및Fixing the biomarker to the surface-modified silica nanoparticles; And

바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 고분자 전구체 용액에 첨가하여 하이드로젤을 제조하는 단계를 포함하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법을 제공한다.It provides a method of producing a biomarker-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel comprising the step of adding a biomarker-fixed silica nanoparticles to the polymer precursor solution to produce a hydrogel.

본 발명은 또한 상기 하이드로젤을 포함하는 단백질 바이오센서를 제공한다.The present invention also provides a protein biosensor comprising the hydrogel.

본 발명은 실리카 나노입자에 바이오마커를 고정함으로써 하이드로젤로부터 바이오마커의 누출현상을 방지할 수 있고, 생체적합성 하이드로젤을 이용함으로써 환경적 요인으로 인한 바이오마커의 변성 문제를 해소하여 바이오마커 활성을 지속적으로 유지할 수 있으며, 바이오마커의 구조를 유지시킬 수 있어 기질과의 반응이 보다 안정적으로 진행될 수 있고, 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 원하는 양만큼 하이드로젤 안에 캡슐화할 수 있고, 다양한 모양 및 크기를 갖는 하이드로젤을 제조할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 본 발명은 바이오마커, 세포, 항체 등의 바이오 물질의 연구에 유용하게 이용될 수 있다. The present invention can prevent the biomarker leakage from the hydrogel by fixing the biomarker on the silica nanoparticles, and by using the biocompatible hydrogel to solve the biomarker activity by solving the biomarker degeneration due to environmental factors It can maintain the structure of the biomarker continuously, and the reaction with the substrate can be more stable, and the silica nanoparticles with the biomarker immobilized can be encapsulated in the hydrogel in the desired amount, and various shapes and It has the advantage of producing a hydrogel having a size. Therefore, the present invention can be usefully used for the study of biomaterials such as biomarkers, cells, antibodies and the like.

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 실리카 나노입자를 포함하는 하이드로젤에 관한 것이다:Represented by Chemical Formula 1, the present invention relates to a hydrogel comprising silica nanoparticles having a biomarker immobilized thereon:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112008082350550-pat00002
Figure 112008082350550-pat00002

상기 식에서,Where

X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel,

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 실리카 나노입자에 고정하고 이를 부드러운 탄성체 로서 수분함량이 높고 친수성의 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤로 캡슐화하여 바이오마커의 누출과 환경적 요인으로 인한 바이오마커의 변성을 방지하는 특징을 갖는다.The present invention is to fix the biomarker on the silica nanoparticles and to encapsulate the biomarker into a hydrogel having a high moisture content and hydrophilic biocompatibility as a soft elastomer 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; 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; 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.

상기 실리카 나노입자는 실리카 나노입자의 표면에 아미노기를 도입하여 활성화하는 과정을 거친 것으로, 하기 화학식 2의 실리카겔 또는 복합 실리카겔 담체에 하기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 반응시켜 담체의 표면에 존재하는 실란올기와 아미노알킬실란 유도체간의 실란커플링반응을 통해 하기 화학식 4의 아미노기가 도입된 화합물인 것이 바람직하다. The silica nanoparticles are a process of activating by introducing an amino group on the surface of the silica nanoparticles, by reacting an aminoalkylsilane derivative of the formula (3) to a silica gel or a composite silica gel carrier of the formula (2) to the silane present on the surface of the carrier It is preferable that the compound introduce | transduces the amino group of following formula (4) through the silane coupling reaction between an oligo group and an aminoalkylsilane derivative.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112008082350550-pat00003
Figure 112008082350550-pat00003

[화학식 3](3)

Figure 112008082350550-pat00004
Figure 112008082350550-pat00004

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112008082350550-pat00005
Figure 112008082350550-pat00005

상기 식에서,Where

X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel,

R은 메틸기 또는 에틸기이며,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 실리카 나노입자는 실리카겔 나노입자에 하이드록실기가 도입된 상태이다. 실리카 나노입자에 하이드록실기를 도입하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 하기 실시예에서는 이를 위해, 피라나 용액으로 처리하였다.In the silica nanoparticles of Formula 2, a hydroxyl group is introduced into the silica gel nanoparticles. Methods of introducing hydroxyl groups into silica nanoparticles are well known to those skilled in the art, and for this purpose in the following examples, were treated with pyrana solutions.

상기 아미노알킬실란 유도체는 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디The aminoalkylsilane derivatives include β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane and aminopropylmethyldi

에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, 또는 γ-아미노프로필트리에톡시실란 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. 아미노알킬실란 유도체는 위 예시된 화합물에 제한되지 아니하며, 실리카 나노입자에 결합하면서 아미노기를 제공할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 가능하다.Ethoxysilane, (gamma) -aminopropyl trimethoxysilane, (gamma) -aminopropyl triethoxysilane, etc. can be used individually or in combination of 2 or more types. The aminoalkylsilane derivatives are not limited to the compounds exemplified above, and may be any one that can provide amino groups while binding to the silica nanoparticles.

또한, 활성화된 실리카 나노입자와 가교제를 반응시켜 바이오마커를 고정할 수 있으며, 바람직하게는 상기 화학식 4의 아미노기가 도입된 실리카 나노입자에 알데히드기를 갖는 가교제를 반응시키고, 말단에 알데히드기를 갖게 된 실리카 나노입자를 아미노기를 가지는 바이오마커와 반응시켜 실리카 나노입자에 바이오마커를 고정함으로써 상기 화학식 1의 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 얻을 수 있다.In addition, the biomarker may be fixed by reacting the activated silica nanoparticles with a crosslinking agent. Preferably, the crosslinking agent having an aldehyde group is reacted with the silica nanoparticles having the amino group of Formula 4 introduced therein, and the silica having an aldehyde group at the end thereof. By reacting the nanoparticles with a biomarker having an amino group to fix the biomarker to the silica nanoparticles, the silica nanoparticles to which the biomarker of Chemical Formula 1 is fixed can be obtained.

상기 가교제로는 일 말단에 알데히드기를 갖는 화합물이라면 어떠한 것이든 사용가능하다. 예를 들어, 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, polyaldehydes, such as glutaraldehyde, dialdehyde starch, succinate aldehyde, can be used, and it is preferable to use glutaraldehyde.

상기 바이오마커는 실리카 나노입자에 충분히 고정되고 바이오마커 활성을 지속적으로 유지하기 위해 실리카 나노입자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. The biomarker is preferably contained in 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the silica nanoparticles in order to be sufficiently fixed to the silica nanoparticles and to maintain the biomarker activity continuously.

또한, 상기 바이오마커가 고정된 실리카 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 silica 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 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리하이드록시에틸 메타크릴레이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리(N,N-에틸아미노에틸 메타크릴레이트), 히알루론산(hyaluronic acid), 키토산, 덱스트란 등의 다당류 등이 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 component constituting the hydrogel is not particularly limited, but for example, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyhydroxyethyl methacrylate, polyethylene glycol, poly (N, N-ethylaminoethyl methacrylate), hyaluronic acid Polysaccharides such as hyaluronic acid, chitosan, and dextran 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 몰드의 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 mold at the time of manufacture, the lattice size is depending on the molecular weight of the biocompatible polymer for producing the hydrogel, for example polyethylene glycol It can be variously adjusted is not particularly limited. 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 실리카 나노입자를 함유함으로써 통상의 하이드로젤에 비해 강도가 향상되는 특징을 가지며, 바람직하게는 2배 이상의 강도 향상을 갖는다.In addition, the hydrogel of the present invention has a feature that the strength is improved compared to the conventional hydrogel by containing silica nanoparticles, preferably has a strength improvement of more than twice.

본 발명은 또한The invention also

실리카 나노입자의 표면을 개질하는 단계;Modifying the surface of the silica nanoparticles;

표면이 개질된 실리카 나노입자에 바이오마커를 고정하는 단계; 및Fixing the biomarker to the surface-modified silica nanoparticles; And

바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 고분자 전구체 용액에 첨가하여 하이드로젤을 제조하는 단계를 포함하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a method for producing a biomarker-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel comprising the step of adding a biomarker-fixed silica nanoparticles to the polymer precursor solution to produce a hydrogel.

상기 실리카 나노입자의 표면을 개질하는 단계는 실리카 나노입자의 표면에 바이오마커를 고정하기 위한 조건을 만들기 위해 표면을 개질하는 것으로, 하기 화학식 2의 실리카겔 또는 복합 실리카겔 담체에 하기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 반응시켜 담체의 표면에 존재하는 실란올기와 아미노알킬실란 유도체간의 실란커플링반응을 통해 하기 화학식 4의 아미노기가 도입된 실리카 나노입자를 얻을 수 있다. The step of modifying the surface of the silica nanoparticles is to modify the surface to create a condition for fixing the biomarker on the surface of the silica nanoparticles, the aminoalkylsilane of the formula (3) on the silica gel or a composite silica gel carrier By reacting a derivative, silica nanoparticles to which an amino group of the following Chemical Formula 4 is introduced may be obtained through a silane coupling reaction between a silanol group present on a surface of a carrier and an aminoalkylsilane derivative.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112008082350550-pat00006
Figure 112008082350550-pat00006

[화학식 3](3)

Figure 112008082350550-pat00007
Figure 112008082350550-pat00007

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112008082350550-pat00008
Figure 112008082350550-pat00008

상기 식에서,Where

X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel,

R은 메틸기 또는 에틸기이며,R is a methyl group or an ethyl group,

m, n 및 o는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수를 나타낸다.m, n and o each independently represent an integer of 0 to 3.

여기에서, 상기 아미노알킬실란 유도체는 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디Wherein the aminoalkylsilane derivative is β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, aminopropylmethyldi

에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, 또는 γ-아미노프로필트리에톡시실란 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. 아미노알킬실란 유도체는 위 예시된 화합물에 제한되지 아니하며, 실리카 나노입자에 결합하면서 아미노기를 제공할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 가능하다.Ethoxysilane, (gamma) -aminopropyl trimethoxysilane, (gamma) -aminopropyl triethoxysilane, etc. can be used individually or in combination of 2 or more types. The aminoalkylsilane derivatives are not limited to the compounds exemplified above, and may be any one that can provide amino groups while binding to the silica nanoparticles.

실리카 나노입자의 표면을 개질하는 단계를 구체적으로 설명하면, 상기 화학식 2의 실리카겔 또는 복합실리카겔을 유기용매 속에 넣고, 상기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 넣은 후, 바람직하게는 100 내지 110℃에서 환류시켜 실란 커 플링반응에 의하여 상기 화학식 4의 아미노기가 도입된 수불용성 실리카 나노입자를 만든다. 상기 아미노알킬실란 유도체의 양은 실리카 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 silica nanoparticles, the silica gel or the composite silica gel of the formula (2) is put in an organic solvent, the aminoalkylsilane derivative of the formula (3), and then refluxed at preferably 100 to 110 ℃ To obtain water-insoluble silica nanoparticles into which the amino group of Formula 4 is introduced by a silane coupling reaction. The amount of the aminoalkylsilane derivative is preferably 1 to 20 parts by weight, preferably 2 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the silica nanoparticles.

상기 바이오마커 고정 단계는 하기 화학식 4의 실리카 나노입자에 가교제를 반응시켜 하기 화학식 5의 화합물을 얻은 후, 바이오마커와 반응시켜 하기 화학식 1의 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 얻을 수 있다. In the biomarker fixing step, a crosslinking agent is reacted with silica nanoparticles of Formula 4 to obtain a compound of Formula 5, and then reacted with a biomarker to obtain silica nanoparticles to which the biomarker of Formula 1 is fixed.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112008082350550-pat00009
Figure 112008082350550-pat00009

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112008082350550-pat00010
Figure 112008082350550-pat00010

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112008082350550-pat00011
상기 식에서,
Figure 112008082350550-pat00011
Where

X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel,

R은 메틸기 또는 에틸기이며,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 실리카 나노입자에 알데히드기를 제공해 줄 수 있는 것이면 어떠한 화합물이든 이용가능하다. 예를 들어, 글루타알데히드, 디알데히드 전분, 숫신산 알데히드 등의 폴리알데히드류를 사용할 수 있다. 상기 가교제는 용액 상태로 존재하며, 완충용액 100 중량부에 대하여 가교제 10 내지 30 중량부를 첨가하여 제조한 용액인 것이 바람직하다.The crosslinking agent may be any compound as long as it can provide an aldehyde group to the silica nanoparticles modified to have the amino group. For example, polyaldehydes such as glutaraldehyde, dialdehyde starch, maleic acid aldehyde and the like can be used. 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 실리카 나노입자에 가교제를 반응시켜 상기 화학식 5의 화합물을 얻는다. 상기 가교제의 양은 실리카 나노입자 100 중량부에 대하 여 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 바이오마커를 반응시켜 바이오마커가 고정된 상기 화학식 1의 실리카 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 crosslinking agent is reacted with silica nanoparticles to which the amino group of Formula 4 is introduced to obtain a compound of Formula 5. The amount of the crosslinking agent is preferably 10 to 30 parts by weight relative to 100 parts by weight of the silica nanoparticles. The reaction is carried out by stirring at a temperature of 0 to 30 ° C. for about 0.5 to 4 hours. Thereafter, the biomarker is reacted with the compound of Formula 5 to obtain silica nanoparticles of Formula 1 having the biomarker fixed thereto. The reaction is carried out by stirring at a temperature of 10 to 30 ° C. for 0.5 to 15 hours, preferably 1 to 7 hours. PH and temperature of the reaction solution should be made in a range that does not reduce the activity of the biomarker.

고정화된 바이오마커의 양은 실리카 나노입자에 충분히 고정되고 바이오마커 활성을 지속적으로 유지하기 위해 실리카 나노입자 100 중량부에 대하여 0.1 에서 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 가교반응 후에는 적당한 완충액으로 바이오마커가 고정화된 실리카 나노입자를 충분하게 세정하여, 불충분한 결합을 하고 있는 이탈하기 쉬운 바이오마커 및 잉여의 가교제를 제거하는 것이 바람직하다.The amount of immobilized biomarker is preferably contained in an amount of 0.1 to 10 parts by weight relative to 100 parts by weight of the silica nanoparticles in order to be sufficiently fixed to the silica nanoparticles and to maintain the biomarker activity continuously. After the crosslinking reaction, it is preferable to sufficiently wash the silica nanoparticles in 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 실리카 나노입자를 하이드로젤로 캡슐화하는 단계로,The hydrogel manufacturing step is a step of encapsulating the silica nanoparticles in which the biomarker is fixed in a hydrogel 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 실리카 나노입자의 혼합용액을 UV 광원에 노출시켜 라디칼 중합을 유도하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. It is preferable to include a step of inducing radical polymerization by exposing the mixed solution of silica nanoparticles to which the polymer precursor solution and the biomarker are fixed to a UV light source.

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 이에 제한되는 것은 아니나, 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, but are not limited to, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA), 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (2-hydroxy- 2-methylpropipphenone, HOMPP), or Acuracure 2959 can be used alone or in combination of two or more.

상기 단계에서 제조된 전구체 용액을 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자와 혼합하고, 다양한 형태의 실리콘 재질의 몰드(mold)에 붓고 UV 광원에 노출시켜 라디칼 중합을 유도함으로써 망상구조의 하이드로젤을 제조할 수 있다.The precursor solution prepared in the above step is mixed with silica nanoparticles fixed with biomarkers, poured into molds of various types of silicon, and exposed to a UV light source to induce radical polymerization to prepare a hydrogel having a network structure. Can be.

즉, 양 말단에 비닐기를 가진 폴리에틸렌글리콜은 UV에 노출되면 광개시제로부터 생성된 라디칼이 비닐기의 탄소이중결합을 끊으면서 교차결합이 생성되어 망상구조를 형성하게 되며, 그 안에 바이오마커가 고정된 실리카 입자를 가둘 수 있 는 것이다.That is, when polyethylene glycol having vinyl groups at both ends is exposed to UV light, radicals generated from photoinitiators break carbon double bonds of vinyl groups and cross-links are formed to form a network structure. The particles can be trapped.

또한, 몰드의 종류에 따라 하이드로젤은 다양한 모양과 사이즈를 가질 수 있으며, 고분자의 분자량을 변화시킴으로써 격자 사이즈를 다양하게 조절할 수 있다.In addition, the hydrogel may have various shapes and sizes according to the type of the mold, and the lattice size may be variously controlled by changing the molecular weight of the polymer.

또한, 상기 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자는 하이드로젤 100 중량부에 대하여 5 에서 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량 범위 내일 경우 향상된 기계적 강도와 적정한 바이오마커 활성이 나타나기 때문이다In addition, the biomarker-fixed silica 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, 하이드로젤을 구성하는 고분자의 분자량에 의해 결정되므로 특별히 제한하지는 않는다.The radical polymerization may be performed for 1 to 10 seconds under UV of 100 W, and 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 바이오센서에 관한 것이다. The invention also relates to a biosensor comprising the hydrogel of the invention.

종래의 바이오센서의 경우, 물리화학적 요인에 의한 고정된 바이오마커의 변성, 누수, 까다로운 고정화 반응 등의 문제점이 있으나, 본 발명의 바이오센서는 실리카 나노입자에 바이오마커를 고정하여 바이오센서로부터 바이오마커의 누출을 방지하고, 바이오마커가 고정된 실리카 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.In the case of the conventional biosensor, there are problems such as denaturation of the fixed biomarker due to physicochemical factors, water leakage, and a difficult immobilization reaction. However, the biosensor of the present invention fixes the biomarker to silica nanoparticles to prevent biomarker from the biosensor. Hydrogel encapsulates silica nanoparticles to which biomarkers are immobilized and keeps biomarker activity long, protects against physical shocks 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.

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> 실리카 나노입자 상의 효소의 고정Example 1 Fixation of Enzyme on Silica Nanoparticles

사이즈가 400∼500nm인 실리카 나노입자 1.5g을 피라나(PIRANHA) 용액(황산 9mL 및 과산화수소 3mL)에 80℃, 600rpm 조건에서 30분 동안 반응시키고, 원심 분리한 후, 물과 에탄올로 번갈아 씻어준 후 APTES 용액을 처리하였다. APTES 용액은 99.9% 에탄올과 APTES 의 비율을 19:1로 혼합하여 제조하였으며, 공기를 차단하기 위해 실링 작업을 한 후 쉐이커(shaker) 위에서 상온에서 2시간 동안 반응시켰다. 에탄올로 3회 세척한 후 페트리디쉬에 붓고 115℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 열처리한 실리카 나노입자 1g, 1.25mL의 글루타알데하이드(glutaraldehyde 25%) 와 48.75mL의 PBS buffer(pH 7.4) 를 비이커에 넣고 셰이커(shaker) 위에서 오버나이트 동안 반응시키고, 물로 2회 세척하였다.1.5 g of silica nanoparticles having a size of 400 to 500 nm were reacted with a PIRANHA solution (9 mL of sulfuric acid and 3 mL of hydrogen peroxide) at 80 ° C. and 600 rpm for 30 minutes, centrifuged, and washed alternately with water and ethanol. The APTES solution was then treated. APTES solution was prepared by mixing the ratio of 99.9% ethanol and APTES in 19: 1, after sealing to block the air and reacted for 2 hours at room temperature on a shaker (shaker). After washing three times with ethanol and poured into Petri dishes and heat-treated at 115 ℃ for 2 hours. 1 g of heat-treated silica nanoparticles, 1.25 mL of glutaraldehyde (25%) and 48.75 mL of PBS buffer (pH 7.4) were added to a beaker, reacted for overnight on a shaker, and washed twice with water.

1mg/mL 농도의 글루코오스 옥시다아제 수용액을 실리카 나노입자 0.5g 당 30mL씩 첨가 후 쉐이커(shaker) 위에서 오버나이트 동안 반응시킨 후 실리카 나노입자에 고정되지 않은 효소들을 물로 씻어주었다. Aqueous glucose oxidase solution at a concentration of 1 mg / mL was added to 30 mL per 0.5 g of silica nanoparticles, and then reacted for overnight on a shaker, and the enzymes not immobilized on the silica nanoparticles were washed with water.

실리카 나노입자에 효소를 고정하는 과정은 도 1에 도시하였다. Fixing the enzyme to the silica nanoparticles is shown in FIG.

<실험예 1> 실리카 나노입자에 고정된 효소의 활성 측정Experimental Example 1 Determination of Activity of Enzyme Immobilized on Silica Nanoparticles

실리카 나노입자에 고정된효소의 활성은 오-다이아니시딘 용액을 이용하여 측정하였다. 즉, 글루코오스가 산소와 물, 글루코오스 옥시다아제와 반응하면 산화되면서 글루콘산(gluconic acid)과 과산화수소(peroxide)가 만들어진다. 과산화수소는 오-다이아니시딘과 페록시다아제를 만나게 되면 물과 산화된 오-다이아니시딘으로 변화되는데 이는 무색의 용액을 붉은색으로 변하게 하여 눈으로 효소의 활성을 확인할 수 있다. The activity of the enzyme immobilized on the silica nanoparticles was measured by using an o-dianisidine solution. In other words, when glucose reacts with oxygen, water, and glucose oxidase, gluconic acid and hydrogen peroxide are produced. When hydrogen peroxide encounters O-Dianisidine and peroxidase, it changes to water and oxidized O-Dianisidine, which turns the colorless solution into a red color, and the eye can confirm the activity of the enzyme.

오-다이아니시딘 용액은 50mM 글루코오스(glucose) 3mL와 1mg/mL의 페록시다아제(peroxidase) 600㎕, 마지막으로 0.21mM 오-다이아니시딘 수용액 14.4mL을 넣어 준비하였다. 상기 실시예 1에서 제조한 실리카 나노입자의 농도를 200mg/mL로 고정한 후 글루코오스 옥시다아제의 농도를 변화시키면서(0, 0.1, 0.5, 1.0, 2.0mg/mL) 30분 동안 반응시켰다. 또한, 상기와 동일한 농도 범위의 글루코오스 옥시다아제 수용액을 준비하여 대조군으로 사용하였다. 반응 후, 2mL의 투명한 큐벳 안에 넣고, 2mM 염산 100㎕를 첨가하여 반응을 종료하였다. 효소 활성은 UV-vis spectroscopy를 사용하여 400nm에서의 흡광도를 통해 측정하였다 O-Dianisidine solution was prepared by adding 3 mL of 50 mM glucose, 600 μl of 1 mg / mL peroxidase, and finally 14.4 mL of 0.21 mM O-Dianisidine aqueous solution. After fixing the concentration of the silica nanoparticles prepared in Example 1 to 200mg / mL and reacted for 30 minutes while changing the concentration of glucose oxidase (0, 0.1, 0.5, 1.0, 2.0mg / mL). In addition, an aqueous solution of glucose oxidase in the same concentration range was prepared and used as a control. After the reaction, the mixture was placed in a 2 mL transparent cuvette, and 100 µl of 2 mM hydrochloric acid was added to terminate the reaction. Enzyme activity was measured by absorbance at 400 nm using UV-vis spectroscopy

도 4는 수용액상의 자유 효소의 활성을 나타낸 것이고, 도 5는 효소가 고정된 실리카의 효소 활성을 나타낸 것으로, 실리카 나노입자에 효소가 고정됨을 확인하였고, 고정된 효소의 활성은 자유 효소의 활성과 유사한 정도로 농도 의존적으로 증가하였다. Figure 4 shows the activity of the free enzyme in the aqueous solution, Figure 5 shows the enzyme activity of the enzyme immobilized silica, it was confirmed that the enzyme is fixed on the silica nanoparticles, the activity of the immobilized enzyme and the activity of the free enzyme The concentration increased similarly.

<실시예 2> 효소가 고정된 실리카 나노입자 함유 PEG 하이드로젤의 제조Example 2 Preparation of PEG Hydrogel Containing Enzyme-immobilized Silica Nanoparticles

효소가 고정된 실리카 나노입자를 하이드로젤로 캡슐화하기 위해, 상기 실시예 1에서 제조한 효소가 고정된 실리카 용액 1mL, PEG-DA 1mL, 및 2,2-다이메틸옥시-2-페닐-아세트페논(2-2-dimethoxy-2-phenyl-acetophenone) 20㎕를 첨가하여 PEG 전구체 용액을 제조하였다. 전구체 용액을 지름 1cm의 실리콘 재질의 원형 몰드(mold)에 붓고 100W 자외선에 노광시켰다(도 3 참조). In order to encapsulate the enzyme-immobilized silica nanoparticles with a hydrogel, 1 mL of the enzyme-immobilized silica solution prepared in Example 1, 1 mL of PEG-DA, and 2,2-dimethyloxy-2-phenyl-acetphenone PEG precursor solution was prepared by adding 20 µl of (2-2-dimethoxy-2-phenyl-acetophenone). The precursor solution was poured into a circular mold made of silicon 1 cm in diameter and exposed to 100 W ultraviolet (see FIG. 3).

<실시예 3> 실리카 나노입자의 농도 및 PEG 하이드로젤 분자량에 따른 효소 활성 변화Example 3 Changes of Enzyme Activity According to Silica Nanoparticle Concentration and PEG Hydrogel Molecular Weight

실리카 나노입자의 농도는 0, 10, 50, 100, 200mg/mL로 하고, PEG 분자량 575 를 이용하는 경우, 실시예 2의 방법으로 100W 자외선을 2초간 노광시켜 하이드로젤을 만들었다. PEG 분자량 8000을 이용하는 경우, 실시예 2의 방법으로 100W 자외선에서 5초간 노광시켜 하이드로젤을 제조하였다. When the concentration of silica nanoparticles was 0, 10, 50, 100, 200 mg / mL, and PEG molecular weight 575 was used, the hydrogel was prepared by exposing 100W ultraviolet rays for 2 seconds by the method of Example 2. When PEG molecular weight 8000 was used, hydrogel was prepared by exposing at 100W ultraviolet light for 5 seconds by the method of Example 2.

하이드로젤을 제조한 후 실험예 1의 방법에 따라 실리카에 고정된 글루코오스 옥시다아제의 활성을 측정하였다. After preparing the hydrogel, the activity of glucose oxidase immobilized on silica was measured according to the method of Experimental Example 1.

도 6에 나타난 바와 같이, 실리카 나노입자의 농도가 증가함에 따라 효소 활성은 증가하였고, PEG 분자량 575보다 8000의 효소 활성이 높았다. 이는 575보다는 8000의 메쉬사이즈가 커서 기질인 글루코오스의 확산저항이 감소하여 글루코오스 옥시다아제와의 반응이 빠르게 진행되고 이로 인해 반응속도가 증가함에 따른 것으로 사료된다.As shown in FIG. 6, as the concentration of silica nanoparticles increased, the enzyme activity increased, and the enzyme activity of 8000 was higher than the PEG molecular weight of 575. This suggests that the larger the mesh size of 8000 than 575 is, the diffusion resistance of glucose, the substrate, decreases, which leads to a rapid reaction with glucose oxidase, thereby increasing the reaction rate.

<실시예 4> 효소-기질의 반응시간 및 PEG 분자량에 따른 효소 활성 변화Example 4 Change of Enzyme Activity According to Enzyme-Substrate Reaction Time and PEG Molecular Weight

상기 실시예 1에서 제조한 1mg/mL 농도의 글루코오스 옥시다아제가 고정된 실리카 나노입자의 농도를 200mg/mL로 고정하고, PEG 분자량이 575 및 8000인 것을 사용하여 하이드로젤을 제조하고, 실험예 1의 방법에 따라 효소 활성을 시간대 별(10, 20, 30, 60분)로 측정하였다.Hydrogel was prepared by fixing the concentration of silica nanoparticles to which glucose oxidase of 1 mg / mL concentration prepared in Example 1 was fixed at 200 mg / mL, and having PEG molecular weights of 575 and 8000. According to the method, enzyme activity was measured by time period (10, 20, 30, 60 minutes).

도 7에 나타난 바와 같이, 반응시간에 증가함에 따라 효소 활성이 증가하였고, PEG-DA 8000의 분자량이 575보다 높은 활성을 나타내었다. As shown in FIG. 7, the enzyme activity increased with increasing reaction time, and the molecular weight of PEG-DA 8000 was higher than 575.

<실시예 5> 하이드로젤의 기계적 강도 측정Example 5 Mechanical Strength of Hydrogel

상기 실시예 1의 방법에 따라 제조한 200mg/mL의 효소가 고정된 실리카 나노입자와, 대조군으로 효소를 고정하지 않은 실리카 나노입자를 각각 PEG-DA 8000을 이용하여 실시예 2의 방법에 따라 세로 1cm, 가로 3cm, 평균두께 0.35mm의 하이드로젤을 제조하였다.200 mg / mL of the enzyme-immobilized silica nanoparticles prepared according to the method of Example 1 and silica nanoparticles without enzyme-fixed as a control, respectively, using PEG-DA 8000, were lengthwise according to the method of Example 2 A hydrogel of 1 cm, width 3 cm, and average thickness 0.35 mm was prepared.

UTM 기계를 이용하여 50mm/min의 일정한 속도로 당기면서 끊어지는 정도를 측정하여 각 하이드로젤의 강도를 측정하였다. The strength of each hydrogel was measured by measuring the degree of breaking while pulling at a constant speed of 50mm / min using a UTM machine.

도 8은 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 강도를 상기 나노입자의 농도 별로 나타낸 것이고, 도 9는 효소가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 강도를 상기 나노입자의 농도 별로 나타낸 것이다.8 shows the strength of the silica nanoparticle-containing hydrogel according to the concentration of the nanoparticles, and FIG. 9 shows the strength of the enzyme-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel by the concentration of the nanoparticles.

도 8 및 9에 나타난 바와 같이, 실리카 나노입자의 농도가 증가할수록 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 실리카 나노입자들끼리 뭉치며 마이크로 구조를 형성하여 하이드로젤의 강도를 증가시키는 것으로 생각된다. 또한 같은 농도의 실리카 나노입자라 할지라도 효소가 고정된 실리카 나노입자의 강도가 증가하는 것을 알 수 있었는데 이는 실리카 나노입자를 둘러싼 효소들끼리의 van der waals force로 인해 좀 더 높은 강도를 나타내는 것으로 생각된다. As shown in Figures 8 and 9, it was confirmed that the strength increases as the concentration of the silica nanoparticles increases. This is thought to increase the strength of the hydrogel by agglomeration of silica nanoparticles to form a microstructure. It was also found that even with the same concentration of silica nanoparticles, the strength of the enzyme-immobilized silica nanoparticles increased, which was thought to be higher due to the van der waals force between the enzymes surrounding the silica nanoparticles. do.

<실시예 6> 하이드로젤에 고정된 효소의 안정성 실험Example 6 Stability Test of Enzyme Immobilized on Hydrogel

하이드로젤에 고정된 효소의 안정성을 실험하기 위해 3 종류의 샘플을 준비하고, 시간대 별로(1,2,3,5,6,7일) 이들의 효소 활성을 측정하였다.In order to test the stability of the enzyme immobilized on the hydrogel, three types of samples were prepared and their enzyme activities were measured at different time periods (1, 2, 3, 5, 6, 7 days).

샘플 1: 상기 실시예 1에서 제조한 글루코오스 옥시다아제가 고정된 실리카 나노입자의 농도를 200mg/mL로 고정하고, PEG 분자량 8000을 이용하여 실시예 2의 방법에 따라 제조한 하이드로젤.Sample 1: Hydrogel prepared according to the method of Example 2 using a PEG molecular weight of 8000 fixed with a concentration of silica nanoparticles fixed in glucose oxidase prepared in Example 1 to 200mg / mL.

샘플 2: 수용액상의 1mg/mL의 글루코오스 옥시다아제를 PEG 분자량 8000을 이용하여 실시예 2의 방법에 따라 제조한 하이드로젤.Sample 2: Hydrogel prepared according to the method of Example 2 using 1 mg / mL glucose oxidase in aqueous solution using PEG molecular weight 8000.

샘플 3: 글루코오스 옥시다아제가 고정된 실리카 나노입자 수용액.Sample 3: Silica nanoparticles aqueous solution fixed with glucose oxidase.

도 10에 나타난 바와 같이, 샘플 3은 효소가 보호 없이 외부 환경에 노출되어 있어 쉽게 변성되어 가장 급격한 효소 활성 저하를 나타내며, 샘플 2는 효소가 쉽게 누출되는 현상이 나타나 효소 활성이 감소하였고, 샘플 1은 효소의 활성이 가장 오래도록 지속되었다.As shown in FIG. 10, Sample 3 is easily denatured because the enzyme is exposed to the external environment without protection, thereby showing the sharpest degradation of enzyme activity, and Sample 2 is easily leaked, resulting in a decrease in enzyme activity. Silver enzyme activity lasted the longest.

상기 결과로부터 효소가 고정된 실리카 나노입자의 하이드로젤을 이용한 캡슐화하는 방법은 외부의 환경으로부터 효소의 활성을 오래도록 지속시켜 주는 장점 을 가짐을 알 수 있었다. The results show that the encapsulation method using the hydrogel of the enzyme-fixed silica nanoparticles has the advantage of sustaining the activity of the enzyme for a long time from the external environment.

<실시예 7> 기질 농도에 따른 실리카 나노입자에 고정된 효소 활성 측정Example 7 Measurement of Enzyme Activity Fixed on Silica Nanoparticles According to Substrate Concentration

상기 실시예 1에서 제조한 효소가 고정된 실리카 나노입자의 농도를 200mg/mL로 고정하고, PEG-DA 분자량 575을 이용하여 실시예 2의 방법에 따라 하이드로젤을 제조하였다. The concentration of the enzyme-immobilized silica nanoparticles prepared in Example 1 was fixed at 200 mg / mL, and hydrogel was prepared according to the method of Example 2 using PEG-DA molecular weight 575.

기질의 농도를 달리하고(0, 2, 4, 6, 8, 10mM의 글루코오스), 암플렉스 레드 (amplex red)를 이용하여 효소 활성을 측정하였다. 즉, 0, 2, 4, 6, 8, 10mM 의 글루코오스 1mL와 1mg/mL 의 페록시다아제 500㎕, 0.1mM 암플렉스 레드 300㎕를 혼합한 후 30분 동안 반응시켰다. 이는 글루코오스가 산소와 물, 글루코오스 옥시다아제에 의해 산화되어 글루콘산과 과산화수소를 생성하고, 상기 과산화수소는 암플렉스 레드와 페록시다아제를 만남으로써 산화되며, 이 산화과정에서 암플렉스 레드는 레졸루핀(resorufin)이라는 물질로 변하는데 이는 무색의 암플렉스 레드가 형광을 띠는 레졸루핀으로 변함으로써 효소의 활성을 측정하는 원리를 이용한 것이다. The enzyme activity was measured using different concentrations of substrate (0, 2, 4, 6, 8, 10 mM glucose) and amplex red. That is, 1 mL of 0, 2, 4, 6, 8, 10 mM glucose, 500 μl of 1 mg / mL peroxidase, and 300 μl of 0.1 mM Amplex Red were mixed and reacted for 30 minutes. This is because glucose is oxidized by oxygen, water, and glucose oxidase to produce gluconic acid and hydrogen peroxide, and the hydrogen peroxide is oxidized by encountering amplex red and peroxidase, and in the oxidation process, amplex red is resolufin. ), Which uses the principle of measuring enzyme activity by turning colorless Amplex Red into fluorescent resolupin.

도 11에 나타난 바와 같이, 글루코오스의 농도가 증가함에 따라 효소 활성이 증가하는 것을 볼 수 있었다. As shown in FIG. 11, it could be seen that the enzyme activity increased as the concentration of glucose increased.

<실시예 8> 실리카 나노입자의 농도에 따른 SEM이미지<Example 8> SEM image according to the concentration of silica nanoparticles

실리카 나노입자의 농도를 0, 10, 50, 100, 200mg/mL로 하고, PEG-DA 8000을 이용하여 하이드로젤을 제조하였다. 제조된 하이드로젤의 중앙 부분을 절단한 후, 단면적 부분의 SEM(Scanning electron microscopy) 이미지를 얻었다. The concentration of silica nanoparticles was 0, 10, 50, 100, 200 mg / mL, and hydrogels were prepared using PEG-DA 8000. After cutting the central portion of the prepared hydrogel, a SEM (Scanning electron microscopy) image of the cross-sectional area was obtained.

도 12에 나타난 바와 같이, 실리카 나노입자의 농도가 증가함으로써 서로 응집현상이 일어나고 이를 통해 마이크로 구조를 형성함을 알 수 있었다. 이는 실시예 5의 실험결과를 뒷받침해주는 결과이다.As shown in FIG. 12, it can be seen that as the concentration of the silica nanoparticles increases, coagulation occurs with each other, thereby forming a microstructure. This is a result supporting the experimental results of Example 5.

도 1은 실리카 나노입자 상에 효소를 고정하는 과정을 예시적으로 도시한 것이다. 1 exemplarily illustrates a process of immobilizing an enzyme on silica nanoparticles.

도 2는 실리카 나노입자 표면의 화학적 개질 반응의 과정을 예시적으로 도시한 것이다. 2 exemplarily shows a process of chemical modification of the surface of silica nanoparticles.

도 3은 효소가 고정된 실리카 나노입자를 PEG 하이드로젤로 캡슐화 하는 과정을 예시적으로 도시한 것이다.3 exemplarily illustrates a process of encapsulating enzyme-immobilized silica nanoparticles with PEG hydrogel.

도 4는 자유 효소의 활성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.Figure 4 shows the results of measuring the activity of the free enzyme.

도 5는 효소가 고정된 실리카 나노입자의 효소 활성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. Figure 5 shows the results of measuring the enzyme activity of the enzyme-fixed silica nanoparticles.

도 6은 본 발명의 PEG 하이드로젤(분자량 575, 8000) 안의 효소가 고정된 실리카 나노입자의 농도에 따른 효소 활성의 측정 결과를 나타낸 것이다.Figure 6 shows the results of the enzyme activity according to the concentration of the enzyme-fixed silica nanoparticles in the PEG hydrogel (molecular weight 575, 8000) of the present invention.

도 7은 본 발명의 PEG 하이드로젤(분자량 575, 8000) 안의 효소가 고정된 실리카 나노입자의 효소-기질의 반응시간에 따른 바이오마커 활성의 측정 결과를 나타낸 것이다.Figure 7 shows the results of the measurement of biomarker activity according to the reaction time of the enzyme-substrate of the enzyme-fixed silica nanoparticles in PEG hydrogel (molecular weight 575, 8000) of the present invention.

도 8은 실리카 나노입자의 농도에 따른 하이드로젤의 강도 변화를 나타낸 것이다.8 shows the strength change of the hydrogel according to the concentration of silica nanoparticles.

도 9는 효소가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 강도 변화를 나타낸 것이다. Figure 9 shows the change in strength of the enzyme-fixed silica nanoparticles containing hydrogels.

도 10은 효소가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤, 자유 효소 및 효 소가 고정된 실리카 나노입자 내 효소 활성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. Figure 10 shows the result of measuring the enzyme activity in the enzyme-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel, free enzyme and enzyme-fixed silica nanoparticles.

도 11은 본 발명의 효소가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤에서 기질 농도에 따른 효소의 활성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.Figure 11 shows the results of measuring the activity of the enzyme according to the substrate concentration in the enzyme-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel of the present invention.

도 12는 본 발명의 효소가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤에서 실리카 나노입자의 농도에 따른 SEM 이미지를 도시한 것이다[(a): 200mg/ml, (b): 100 mg/ml, (c): mg/ml, (d): mg/ml, (e): mg/ml].12 is a SEM image of the concentration of silica nanoparticles in the hydrogel containing silica nanoparticles to which the enzyme of the present invention is immobilized [(a): 200 mg / ml, (b): 100 mg / ml, (c ): mg / ml, (d): mg / ml, (e): mg / ml].

Claims (18)

하기 화학식 1에 의해 표시되는, 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 포함하는 하이드로젤:Represented by Chemical Formula 1, a hydrogel comprising silica nanoparticles having a biomarker immobilized thereon: [화학식 1][Formula 1]
Figure 112008082350550-pat00012
Figure 112008082350550-pat00012
상기 식에서,Where X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel, 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.
제1항에 있어서, 상기 바이오마커는 단백질, 펩타이드, 핵산 및 세포로 구성되는 군으로부터 선택되는 생체 물질인 하이드로젤.The hydrogel of claim 1, wherein the biomarker is a biomaterial selected from the group consisting of proteins, peptides, nucleic acids, and cells. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 실리카 나노입자는 하기 화학식 2의 실리카겔 또는 복합 실리카겔 담체에 하기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 반응시켜 얻은 하기 화학식 4의 화합물인 것을 특징으로 하는 하이드로젤:The silica nanoparticles are hydrogels, characterized in that the compound of formula (4) obtained by reacting an aminoalkylsilane derivative of formula (3) to a silica gel or a composite silica gel carrier of formula (2): [화학식 2][Formula 2]
Figure 112008082350550-pat00013
Figure 112008082350550-pat00013
[화학식 3](3)
Figure 112008082350550-pat00014
Figure 112008082350550-pat00014
[화학식 4][Formula 4]
Figure 112008082350550-pat00015
Figure 112008082350550-pat00015
상기 식에서,Where X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel, 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.
제3항에 있어서,The method of claim 3, 아미노알킬실란 유도체가 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란 및 γ-아미노프로필트리에톡시실란 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 하이드로젤.Wherein the aminoalkylsilane derivative is at least one selected from β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane and γ-aminopropyltriethoxysilane Hydrogel. 실리카 나노입자의 표면을 개질하는 단계;Modifying the surface of the silica nanoparticles; 표면이 개질된 실리카 나노입자에 바이오마커를 고정하는 단계; 및Fixing the biomarker to the surface-modified silica nanoparticles; And 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자를 고분자 전구체 용액에 첨가하여 하이드로젤을 제조하는 단계를 포함하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.A method for producing a biomarker-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel, comprising adding a biomarker-fixed silica nanoparticle to a polymer precursor solution to prepare a hydrogel. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 실리카 나노입자의 표면을 개질하는 단계는 하기 화학식 2의 실리카겔 또는 복합 실리카겔 담체에 하기 화학식 3의 아미노알킬실란 유도체를 반응시켜 화학식 4의 화합물을 얻는 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법:The step of modifying the surface of the silica nanoparticles comprises silica nanoparticles having a biomarker-immobilized silica nanoparticles, characterized in that by reacting an aminoalkylsilane derivative of formula (3) to a silica gel or a composite silica gel carrier of formula (2) Hydrogel manufacturing method: [화학식 2][Formula 2]
Figure 112008082350550-pat00016
Figure 112008082350550-pat00016
[화학식 3](3)
Figure 112008082350550-pat00017
Figure 112008082350550-pat00017
[화학식 4][Formula 4]
Figure 112008082350550-pat00018
Figure 112008082350550-pat00018
상기 식에서,Where X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel, R은 메틸기 또는 에틸기이며,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.
제6항에 있어서,The method of claim 6, 아미노알킬실란 유도체가 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란 및 γ-아미노프로 필트리에톡시실란 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.The aminoalkylsilane derivative is at least one selected from β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane and γ-aminopropyltriethoxysilane Method for producing a hydrogel containing silica nanoparticles to which the biomarker is fixed. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 바이오마커 고정 단계는 하기 화학식 4의 화합물에 가교제를 반응시켜 하기 화학식 5의 화합물을 얻은 후, 바이오마커와 반응시켜 하기 화학식 1의 화합물을 얻는 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법:In the biomarker fixing step, a crosslinking agent is reacted with a compound represented by the following Chemical Formula 4 to obtain a compound represented by the following Chemical Formula 5, and then reacted with a biomarker to obtain a compound represented by the following Chemical Formula 1 Gel preparation method: [화학식 4][Formula 4]
Figure 112008082350550-pat00019
Figure 112008082350550-pat00019
[화학식 5][Chemical Formula 5]
Figure 112008082350550-pat00020
Figure 112008082350550-pat00020
[화학식 1][Formula 1]
Figure 112008082350550-pat00021
Figure 112008082350550-pat00021
상기 식에서,Where X는 실리카겔 또는 복합 실리카겔이고,X is silica gel or composite silica gel, 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, R은 메틸기 또는 에틸기이며,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.
제8항에 있어서,The method of claim 8, 가교제가 폴리알데히드류인 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.A method for producing a hydrogel-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel, wherein the crosslinking agent is polyaldehyde. 제5항에 있어서, 하이드로젤 제조단계는The method of claim 5, wherein the hydrogel manufacturing step 고분자 전구체 용액을 제조하는 단계; 및Preparing a polymer precursor solution; And 상기 전구체 용액 및 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자의 혼합용액을 UV 광원에 노출시켜 라디칼 중합을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.A method of producing a biomarker-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel, comprising the step of inducing radical polymerization by exposing the mixed solution of the silica nanoparticles to which the precursor solution and the biomarker are immobilized to a UV light source. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 고분자 전구체 용액은 증류수 또는 완충용액 중 어느 하나의 용매에 고분자 전구체를 첨가하여 제조함을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.The polymer precursor solution is prepared by adding a polymer precursor to any one of a solvent of distilled water or a buffer solution. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 고분자 전구체는 생체적합성 고분자에 광경화부위가 도입되어 있는 것인 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.The polymer precursor is a method for producing a hydrogel containing silica nanoparticles fixed with a biomarker is a photocured site is introduced into the biocompatible polymer. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 고분자 전구체는 폴리에틸렌글리콜-디아크릴레이트인 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법. The polymer precursor is a method for producing a hydrogel containing silica nanoparticles fixed with a biomarker of polyethylene glycol diacrylate. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 고분자의 분자량은 500 내지 10000인 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.A method for producing a hydrogel containing silica nanoparticles having a fixed biomarker, characterized in that the molecular weight of the polymer is 500 to 10,000. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 고분자 전구체 용액은 광개시제를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.The polymer precursor solution is a method for producing a biomarker-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel, characterized in that it comprises a photoinitiator. 제15항에 있어서, The method of claim 15, 상기 고분자 전구체 용액은 고분자 전구체 1 중량부에 대하여 0.001 내지 0.02 중량부의 광개시제를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.The polymer precursor solution comprises a 0.001 to 0.02 parts by weight of the photoinitiator with respect to 1 part by weight of the polymer precursor, the biomarker-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel manufacturing method. 제15항에 있어서, The method of claim 15, 광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(2,2-dimethoxy-2- phenylacetophenone, DMPA), 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methylpropipphenone, HOMPP) 및 어가큐어 2959(Irgacure 2959)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바이오마커가 고정된 실리카 나노입자 함유 하이드로젤의 제조방법.Photoinitiators include 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA), 2-hydroxy-2-methylpropipphenone (HOMPP) And agacure 2959 (Irgacure 2959), characterized in that at least one selected from the group consisting of biomarker-fixed silica nanoparticle-containing hydrogel manufacturing method. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 하이드로젤을 포함하는 바이오센서. Biosensor comprising a hydrogel according to any one of claims 1 to 4.
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