KR101087262B1 - 중공형 메조다공성 실리카 캡슐 및 그 제조방법 - Google Patents

중공형 메조다공성 실리카 캡슐 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중공형 메조다공성 실리카 캡슐 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 메조다공성 (mesoporous) 실리카 기벽; 및 상기 실리카 기벽에 형성된 하나 이상의 매크로기공을 포함하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐에 관한 것이다.
본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐은 매크로다공성 및 높은 표면적 특성을 가지며, 크기가 비교적 큰 효소, 단백질, 다양한 약물 및 기타 생체물질을 중공 내에 용이하게 담지할 수 있어 효소 및 촉매의 담지체, 또는 약물전달 시스템으로서 최적의 성능을 발휘할 수 있고, 메조다공성 기벽에 다양한 단백질 및 비타민류 화합물 등을 도입하기가 용이하여 표적인지 약물전달 시스템이나 바이오센서 분야에서의 활용도를 크게 향상시켰다. 또한, 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법에 의하면 별도의 전처리 과정이 없이도 세포내 침투가 가능한 다양한 크기의 생체물질을 캡슐 내에 담지할 수 있고, 기존 캡슐 형태의 나노입자 합성에서 요구되던 까다로운 조건들을 간편화하여 합성시간 단축을 통한 대량생산이 가능하다.
메조다공성, 실리카 캡슐

Description

중공형 메조다공성 실리카 캡슐 및 그 제조방법 {Hollow mesoporous silica capsule and method for preparing the same}
본 발명은 중공형 메조다공성 실리카 캡슐 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매크로다공성 및 높은 표면적 특성을 가지며, 크기가 비교적 큰 효소, 단백질, 다양한 약물 및 기타 생체물질을 중공 내에 용이하게 담지할 수 있어 효소 및 촉매의 담지체, 또는 약물전달 시스템으로서 최적의 성능을 발휘할 수 있고, 메조다공성 기벽에 다양한 단백질 및 비타민류 화합물 등을 도입하기가 용이하여 표적인지 약물전달 시스템이나 바이오센서 분야에서의 활용도를 크게 향상시켰다. 또한, 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법에 의하면 별도의 전처리 과정이 없이도 세포내 침투가 가능한 다양한 크기의 생체물질을 캡슐 내에 담지할 수 있고, 기존 캡슐 형태의 나노입자 합성에서 요구되던 까다로운 조건들을 간편화하여 합성시간 단축을 통한 대량생산이 가능하다.
메조다공성 (mesoporous) 물질은 제올라이트를 능가하는 높은 비표면적과 메조 영역의 기공 크기로 인하여 오래전부터 지속적으로 촉매, 흡착제 또는 담체 물질로 응용되어 왔으며, 최근에는 다양한 분야에 적용되어 그 중요성과 관심이 증가 되고 있는 물질이다. 구체적으로, 메조다공성 물질은 약물전달 시스템이나 생화학 반응검출 등의 바이오 센서분야, 특정 물질의 선택적 분리 및 흡착반응, 연료전지 및 에너지 관련 사업 등 메조다공성의 높은 비표면적이 최대로 요구되는 분야들에서 그 필요성이 더욱 부각되고 있다.
메조다공성 물질들 중에서도 중앙이 비어있는 구형 또는 중공형 구조의 매크로다공성을 갖는 캡슐형 입자는 중심 부분에 특정하게 큰 표면적을 형성하고 낮은 밀도를 갖는 등의 특별한 성질을 지니고 있다. 특히, 이러한 중공형 메조다공성 캡슐은 높은 비표면적을 캡슐 형태로 유지함과 동시에, 크기에 관대한 매크로다공을 갖기 때문에 뛰어난 흡착력을 지니고, 캡슐형이기 때문에 약물전달 시스템에 채용되는 경우에 담지 내용물질을 보호하는 등의 실용적인 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 캡슐을 형성하는 껍질에 금속, 금속산화물, 양자점, 자성체 등의 다양한 입자들을 담지시키게 되면, 기존의 단순 메조다공성 물질들보다도 더욱 폭 넓은 분야에 응용할 수도 있게 된다. 따라서, 캡슐형 메조다공성 물질은 이러한 이점들 때문에 기존의 물질들 보다 더욱더 많은 관심이 대두되고 있다.
종래에 중공형 메조다공성 캡슐을 합성하는 데에는 초음파를 이용하여 결정핵 생성을 촉진하는 음향 공동화 (acoustic cavitation) 방법, 초임계유체 내에서의 화학적 겔화 또는 에멀젼 템플레이팅 (emulsion templating) 등을 이용하는 초임계유체 (supercritical fluid) 방법, 그리고 연성 또는 경성 주형을 사용하는 방법 등이 개발되어 있다. 일반적으로, 주형사용법은 주형의 물질을 중심으로 무기물, 폴리머, 금속 등의 다양한 물질들을 층층 (layer-by-layer) 형태로 적층시킴으 로써 수행되며, 캡슐을 형성하는 껍질의 두께는 합성의 과정에서 코팅이 되는 물질의 농도나 층을 형성하는 합성 싸이클의 시간에 따라서 조절된다. 그러나, 적층에 많은 시간이 소요되고 공정이 복잡하다는 단점이 존재하며, 또한 무기물질을 껍질로 형성하는 캡슐 형태의 물질은 콜로이드 폴리머 주형에 의해 합성이 가능하지만 합성 조건이 매우 까다롭다는 문제점이 있다.
한편, 캡슐 내부가 비어있는 중공형의 캡슐을 유지하면서 그 기벽이 메조다공성 특성을 보유하도록 하는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 있는데, 통상적으로, 계면활성제를 용매에 응집시킨 주형을 이용한 방법이 사용되어 왔다. 최근에는 에멀젼 합성법도 사용되는데, 이 방법에서는 에멀젼화되는 작은 방울들이 중공형 캡슐의 주형으로, 기둥형의 마이셀들 (micelles)은 메조다공성 기벽의 주형으로 작용한다. 일반적으로 이러한 물질들은 주형으로 형성되는 에멀젼의 크기 변화가 다양하게 나타나기 때문에 결과물인 캡슐 형태의 물질도 다양한 크기로 합성된다. 또한, 제조된 중공형 캡슐을 약품 전달 물질로 활용하고자 하는 경우에, 기벽이 메조다공성을 갖기는 하지만 전달하고자 하는 약품을 기벽을 통하여 통과시키거나 또는 제조된 기벽을 제한적으로 제거하기가 어렵기 때문에, 캡슐 내부 공간에 전달 물질을 내포시키기가 어렵고, 또한 특정 환경 하에서 전달 물질 방출을 조절하기가 어렵다는 문제점이 있다. 더욱이, 주형 제조에 사용되는 물질로서 고독성의 계면활성제 및 고분자 폴리머들을 적정 비율로 조합하여 사용하기 때문에 바이오센서 분야나 약물전달 등과 같이 세포독성 (cytotoxicity)이 중요시되는 분야에 적용하기에 치명적인 한계점을 갖는다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 매크로다공성 및 높은 표면적 특성을 가지면서도, 중공내 물질 담지가 용이하며, 별도의 전처리 과정이 없이도 기존 캡슐 형태의 나노입자 합성에서 요구되던 까다로운 조건들을 간편화하여 합성시간 단축을 통한 대량생산이 가능한 중공형 메조다공성 실리카 캡슐 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위해서,
메조다공성 (mesoporous) 실리카 기벽; 및 상기 실리카 기벽에 형성된 하나 이상의 매크로기공을 포함하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 캡슐의 평균 직경은 20nm 내지 1㎛일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 매크로기공의 평균 직경은 1nm 내지 500nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 실리카 기벽의 외면에는 암세포 특이적 결합 펩티드 서열 또는 비타민류 화합물이 유기작용기를 통하여 부착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 암세포 특이적 결합 펩티드 서열은 Arg-Gly-Asp이고, 상기 비타민류 화합물은 엽산 (folic acid)일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위해서,
(a) 하기 화학식 1을 가지는 계면활성제를 친수성 용매에 용해시키는 단계;
R1R2R3R4NX
상기 식에서 R1, R2 및 R3는 서로 같거나 다르게 CH3- 또는 CH2CH3- 이고, R4는 12 내지 22의 탄소수를 갖는 알킬기이고, X는 음이온이다.
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 용액에 실리카 전구체를 혼합하여 반응시키는 단계;
(c) 상기 반응 혼합물을 냉각시킨 후 여과하여 생성물을 회수하는 단계;
(d) 상기 생성물을 세척하고 건조시키는 단계; 및
(e) 상기 건조물을 소성시키는 단계를 포함하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서 스테로이드 화합물을 더 첨가해줄 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 유기작용기로 치환된 실리카 전구체를 더 첨가해줄 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 유기작용기로 치환된 실리카 전구체는 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-시아노프로필트리에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-[2-(2-아미노에틸아미노)에틸아미노]프로 필트리메톡시실란, 유레이도프로필트리메톡시실란 및 3-이소시아노에이토프로필트리에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계의 반응온도가 80℃ 내지 100℃일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 계면활성제와 상기 친수성 용매의 혼합 몰비가 1:100 내지 1:20,000일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 계면활성제와 상기 스테로이드 화합물의 혼합 몰비가 1:0.05 내지 1:0.50일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 친수성 용매는 증류수 또는 탄소수 1 내지 2인 알콜을 포함하는 수용액일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 (e) 단계의 소성 온도는 300℃ 내지 800℃일 수 있다.
본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐은 매크로다공성 및 높은 표면적 특성을 가지며, 크기가 비교적 큰 효소, 단백질, 다양한 약물 및 기타 생체물질을 중공 내에 용이하게 담지할 수 있어 효소 및 촉매의 담지체, 또는 약물전달 시스템으로서 최적의 성능을 발휘할 수 있고, 메조다공성 기벽에 다양한 단백질 및 비타민류 화합물 등을 도입하기가 용이하여 표적인지 약물전달 시스템이나 바이오센서 분야에서의 활용도를 크게 향상시켰다. 또한, 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법에 의하면 별도의 전처리 과정이 없이도 세포내 침투 가 가능한 다양한 크기의 생체물질을 캡슐 내에 담지할 수 있고, 기존 캡슐 형태의 나노입자 합성에서 요구되던 까다로운 조건들을 간편화하여 합성시간 단축을 통한 대량생산이 가능하다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 첫 번째 과제는 메조다공성 (mesoporous) 실리카 기벽; 및 상기 실리카 기벽에 형성된 하나 이상의 매크로기공을 포함하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐에 의해서 달성된다.
도 1에는 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐 입자 1개에 대한 투과전자현미경 사진을 도시하였으며, 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 캡슐은 실리카 기벽으로 둘러싸인 내부 공간을 포함하는 중공형 캡슐 형태를 지니고, 특히 구형의 모양을 유지하면서 그 기벽이 매우 잘 정돈된 메조다공성 기공들로 구성되어 있음을 알 수 있다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 복수 개의 중공형 메조다공성 실리카 입자들에 대한 주사전자현미경 사진 및 투과전자현미경 사진을 도시하였으며, 더불어 입자 1개에 대한 개략도를 도시하였다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐은 통상적인 메조다공성 캡슐과는 달리 일반적 메조다공성 기벽 이외에도 상기 메조다공성 기벽에 형성된 하나 이상의 매크로기공을 포함한다. 본 발명에 따른 캡슐에 있어서 이러한 매크로기공의 존재는 약물전달 분야에서의 종래 메조다공성 캡슐의 대표적 한계점인 전달 물 질의 기벽 통과 문제를 효과적으로 극복하기 위해서 채택된 구조로서, 본 발명에서는 이러한 매크로기공을 통해서 전달하고자 하는 약물을 효과적으로 캡슐 내부에 담지시킬 수 있으므로 종래기술에 따른 메조다공성 캡슐의 문제점을 해결할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 캡슐의 평균 직경은 전달하고자 하는 물질의 종류 및 함유량 등에 따라서 다양하게 변화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 20nm 내지 1㎛ 범위의 값을 가질 수 있다. 상기 평균 직경이 20nm 미만인 경우에는 본 발명에 따른 캡슐이 전달하고자 하는 다양한 전달 물질, 즉 크기가 비교적 큰 효소, 단백질, 다양한 약물 및 기타 생체물질 등을 담지하기에 적합하지 않다는 문제점이 있고, 1㎛를 초과하는 경우에도 캡슐의 크기가 너무 커져서 세포내 물질 전달 등과 같은 다양한 생물학적 응용에 제한이 가해진다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 중공형 메조다공성 캡슐에 형성된 매크로기공의 평균 직경은 나노입자의 담지 및 전달물질의 통과를 위해서 적당한 크기를 가질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 1nm 내지 500nm일 수 있다. 매크로기공의 평균직경이 1nm 미만인 경우에는 캡슐 외부로부터 캡슐 내부로의 매크로기공을 통한 물질 통과가 용이하지 않다는 문제점이 있고, 50nm를 초과하는 경우에는 캡슐 내에 담지된 물질이 쉽게 매크로기공을 통하여 다시 캡슐 외부로 방출되는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
한편, 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 캡슐을 형성하는 실리카 기벽의 외 면, 즉 캡슐 외부를 향하는 면에는 특정 암세포 등과 특이적으로 결합하는 펩티드 서열 또는 비타민류 화합물 등을 부착시키기 위한 유기작용기를 실란 화학반응을 사용하여 부착시킬 수도 있다. 상기 펩티드 서열로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 특정 암세포에서 과발현되는ανβ3 integrin 등과 매우 강하게 결합하는 Arg-Gly-Asp 펩티드 서열을 예로 들 수 있고, 상기 비타민류 화합물은 특정 암세포를 인지할 수 있는 엽산 (folic acid) 등을 예로 들 수 있다.
본 발명의 두 번째 과제는,
(a) 하기 화학식 1을 가지는 계면활성제를 친수성 용매에 용해시키는 단계;
[화학식 1]
R1R2R3R4NX
상기 식에서 R1, R2 및 R3는 서로 같거나 다르게 CH3- 또는 CH2CH3- 이고, R4는 12 내지 22의 탄소수를 갖는 알킬기이고, X는 음이온이다.
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 용액에 실리카 전구체를 혼합하여 반응시키는 단계;
(c) 상기 반응 혼합물을 냉각시킨 후 여과하여 생성물을 회수하는 단계;
(d) 상기 생성물을 세척하고 건조시키는 단계; 및
(e) 상기 건조물을 소성시키는 단계를 포함하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조 방법에 의해서 달성된다.
본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조 방법은 양이온성 계 면활성제를 친수성 용매에 용해시킨 다음, 소정 온도 조건 하에서 실리카 전구체를 첨가함으로써 합성된다. 일정 시간 열을 가하여 졸-겔 반응을 진행한 다음에는, 용액 중에 침전된 고체물질을 여과하여 증류수 등으로 충분히 세척한 후 건조시키고, 상기 건조생성물을 공기 중에서 가열하여 포함된 유기물을 제거하면 최종 생성물인 중공형 메조다공성 실리카 캡슐을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐에서 사용되는 계면활성제는 양이온성 계면활성제로서 하기 화학식 1의 형태로 표시되는데;
[화학식 1]
R1R2R3R4NX
상기 식에서 R1, R2 및 R3는 서로 같거나 다르게 CH3- 또는 CH2CH3- 이고, R4는 12 내지 22의 탄소수를 갖는 알킬기이고, X는 음이온이다.
상기 양이온성 계면활성제의 구체적인 예로는 수산화도데실트리메틸암모늄 (dodecyltrimethylammonium hydroxide), 수산화테트라데실트리메틸암모늄 (tetradecyltrimethylammonium hydroxide), 수산화헥사데실트리메틸암모늄 (hexadecyltrimethyl ammonium hydroxide), 수산화옥타데실트리메틸암모늄 (octadecyltrimethylammonium hydroxide), 수산화도코실트리메틸암모늄(docosyltrimethylammonium hydroxide), 수산화아이코실트리메틸암모늄 (eicosyltrimethylammonium hydroxide) 또는 수산화헥사데실트리에틸암모늄 (hexadecyltrimethylammonium hydroxide) 등을 들 수 있다. 또한, X는 계면활성제 의 짝이온으로서 Cl-, Br-, OH- 등과 같은 다양한 음이온일 수 있다. 한편, 상기 계면활성제와 상기 친수성 용매의 혼합 몰비는 1:100 내지 1:20,000일 수 있는데, 상기 몰비 범위를 벗어나서 계면활성제가 지나치게 소량으로 첨가되는 경우에는 캡슐 기벽에 메조다공들이 형성되기 어렵다는 문제점이 있고, 과량으로 첨가되는 경우에는 실리카 물질의 기벽이 너무 얇게 형성된다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 계면활성제는 친수성 용매에 용해되어 사용되며, 상기 친수성 용매로는 증류수, 또는 에탄올, 메탄올 등과 같은 탄소수 1 내지 2인 알콜을 포함하는 수용액을 예로 들 수 있다.
바람직하게는, 상기 계면활성제 용액에는 스테로이드 화합물이 더 첨가될 수도 있는데, 첨가된 스테로이드 화합물은 반응에 있어서 캡슐 형태의 입자 모양 형성을 유도하는 역할을 수행하며, 그 첨가량은 상기 계면활성제와 상기 스테로이드 화합물의 혼합 몰비가 1:0.05 내지 1:0.50가 되도록 조절될 수 있다. 상기 몰비 범위를 벗어나서 스테로이드 화합물이 지나치게 소량으로 첨가되는 경우에는 내부가 채워진 비캡슐형의 입자, 즉 중공을 지니지 않는 일반적인 입자들이 형성된다는 문제점이 있고, 과량으로 첨가되는 경우에는 계면활성제의 기공 형성 작용을 방해한다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
다음으로, 계면활성제 용액에 실리카 전구체를 혼합하여 반응시키게 되는데, 상기 실리카 전구체로는 테트라에톡시실란 등과 같은 다양한 실리카 전구체가 사용될 수 있고, 이때 반응 온도는 80℃ 내지 100℃일 수 있다. 상기 반응 온도가 80℃ 미만인 경우에는 실리카 형성을 위한 축합 반응이 완결되지 않는다는 문제점이 있고, 100℃를 초과하는 경우에는 반응이 친수성 용매 내에서 수행되므로 용액의 실제 온도는 더 이상 상승하지 않으면서 과열 반응을 초래할 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 따라서, 100℃를 초과하는 온도에서의 반응을 수행하고자 하는 경우에는 고압반응기를 이용한 수열반응을 수행하여야 한다.
한편, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 상기 실리카 전구체 이외에도 유기작용기로 치환된 실리카 전구체를 더 첨가해줄 수도 있는데, 이러한 공정의 추가에 의해서 결과물로서 실리카 기벽의 외면에 암세포 특이적 결합 펩티드 서열 또는 비타민류 화합물을 부착시키기 위한 유기작용기를 형성할 수 있게 된다. 상기 유기작용기로 치환된 실리카 전구체로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-시아노프로필트리에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-[2-(2-아미노에틸아미노)에틸아미노]프로필트리메톡시실란, 유레이도프로필트리메톡시실란 및 3-이소시아노에이토프로필트리에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물이 사용될 수 있다.
이어서, 상기 반응 혼합물을 냉각시킨 후 여과하여 생성물을 회수하고, 얻어진 생성물을 세척 및 건조한 다음, 최종적으로 상기 건조물을 소성시킴으로써 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐을 제조하게 된다. 상기 최종 소성 단계에서의 소성 온도는 300℃ 내지 800℃인 것이 바람직한데, 소성 온도가 300℃ 미만인 경우에는 유기물 템플레이트 제거가 완전히 수행되지 않는다는 문제점이 있고, 800℃를 초과하는 경우에는 형성된 기공구조가 붕괴될 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해서 제한되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
실시예 1. 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조
세틸트리메틸암모늄브로마이드 1.0 g, 2.0 M의 NaOH 3.5 mL, 증류수 400 g, 콜레스테롤 0.25 g을 80℃에서 750 rpm의 일정한 속도로 40 분간 교반하여 잘 섞었다. 상기 교반 용액에 테트라에톡시실란 (TEOS) 5 mL을 교반 상태를 유지하면서 빠르게 주입한 후 80℃, 750rpm으로 2 시간 동안 더 교반하였다. 얻어진 고체상의 물질을 필터를 사용하여 감압여과한 후, 과량의 물로 세척하였다. 세척된 물질을 80℃ 오븐에서 24 시간 건조시키고, 얻어진 고체를 가열로에서 100℃/20 min의 일정한 속도로 550℃까지 가열한 다음, 이후 5 시간 동안 더 가열하여 유기물을 제거함으로써 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐을 제조하였다.
실시예 2. 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조
세틸트리메틸암모늄브로마이드 1.0 g, 2.0 M의 NaOH 3.5 mL, 증류수 400 g, 콜레스테롤 0.25 g을 80℃에서 750 rpm의 일정한 속도로 40 분간 교반하여 잘 섞었다. 상기 교반 용액에 테트라에톡시실란 (TEOS) 5 mL와 아미노프로필트리메톡시실란 (3-aminopropyltrimethoxysilane, APTMS) 0.47 mL을 교반 상태를 유지하면서 빠르게 주입한 후 80℃, 750rpm으로 2 시간 동안 더 교반하였다. 얻어진 고체상의 물질을 필터를 사용하여 감압여과한 후, 과량의 물로 세척하였다. 세척된 물질을 80℃ 오븐에서 24 시간 건조시키고, 양이온성 템플레이트를 제거하기 위해서 얻어진 고체생성물 1.0 g, 진한 염산 1.0 mL 및 메탄올 100 mL의 혼합물을 60℃에서 6시간 동안 750rpm으로 교반하였다. 얻어진 고체생성물을 필터를 사용하여 다시 감압여과한 후, 과량의 물로 세척하였다. 세척된 물질을 80℃ 오븐에서 24 시간 건조시킴으로써 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐을 제조하였다.
실시예 3. 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조
세틸트리메틸암모늄브로마이드 1.0 g, 2.0 M의 NaOH 3.5 mL, 증류수 400 g, 콜레스테롤 0.25 g을 80℃에서 750 rpm의 일정한 속도로 40 분간 교반하여 잘 섞었다. 상기 교반 용액에 테트라에톡시실란 (TEOS) 5 mL와 시아노프로필트리에톡시실란 (3-cyanopropyltriethoxysilane, CPTES) 0.67 mL을 교반 상태를 유지하면서 빠르게 주입한 후 80℃, 750rpm으로 2 시간 동안 더 교반하였다. 얻어진 고체상의 물질을 필터를 사용하여 감압여과한 후, 과량의 물로 세척하였다. 세척된 물질을 80℃ 오븐에서 24 시간 건조시키고, 양이온성 템플레이트 제거 및 시아노 작용기의 카르복실산 작용기로의 변환을 위해서 고체생성물 1.0 g 및 진한 황산 120 mL의 혼합물을 95℃에서 24시간 동안 750rpm으로 교반하였다. 얻어진 고체생성물을 필터를 사용하여 다시 감압여과한 후, 과량의 물로 세척하였다. 세척된 물질을 80℃ 오븐에서 24 시간 건조시킴으로써 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐을 제조하였다.
실험예 1. 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 세포내 전달 실험
폴리아미노카르복실산의 일종으로서 하기 화학식 2를 가지며 세포내 칼슘에 결합하는 특성을 갖는 1mg의 Fura-2를 1.0 mL의 pH 7.4 PBS 완충용액에 용해시켰다. 상기 완충용액에 실시예 1로부터 제조한 중공형 메조다공성 실리카 캡슐 3 mg을 넣고, 교반 장치를 사용하여 30분 동안 교반하였다. 13,000 rpm으로 10분 동안 원심분리한 후에 상등액을 조심스럽게 따라 내고 얻어진 고체물질을 공기 중에서 건조하였다. HeLa 세포 안으로의 전달 실험은 상기와 같이 건조된 고체물질을 다시 0.5 mL의 pH 7.4 PBS 완충용액에 분산시켜 수행하였다.
실험예 2. 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 세포내 전달 실험
실시예 2로부터 제조된 메조다공성 실리카 캡슐을 사용하였다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법에 의해서 세포내 전달 실험을 수행하였다.
도 3에는 실시예 1 및 2에 의해서 제조된 중공형 메조다공성 실리카 캡슐에 Fura-2를 담지하여 세포 내로 전달하는 약물전달 시스템에 대한 모식도를 도시하였다. Fura-2는 세포 내 칼슘 이온의 농도에 따라서 형광이 달라지는 화합물로서 세포 내 칼슘 이온의 농도를 측정하는 센서 물질로 널리 사용되며, 음이온성 카르복실레이트기가 5개 존재하기 때문에 통상의 방법으로는 다수의 음전하가 포진된 세포막을 통과하기가 매우 어렵다고 알려져 있다. 따라서, Fura-2는 세포막 투과가 어려운 화합물의 대표적인 예로서 약물전달 시스템 연구에 널리 사용된다.
도 4에는 실시예 1에 의해서 제조된 중공형 메조다공성 실리카 캡슐에 Fura-2를 담지하고, 이를 HeLa 세포 내로 전달한 후 형광현미경을 통해 관찰한 형광이미지이다. 세포 내 핵은 Hoechst Dye로 염색하였다. 구체적으로, 도 4 중, 상단에 위치한 'None'으로 표기된 3개의 사진들은 메조다공성 실리카 캡슐을 사용하지 않고 Fura-2를 세포 시료에 공급해준 경우에 관찰된 사진들이며, 'Fura2-565C'로 표기된 중간에 위치한 6개의 사진들 및 하단에 위치한 6개의 사진들은 본 발명에 따른 메조다공성 실리카 캡슐을 사용하여 Fura-2를 담지시킨 다음 세포 시료에 공급해준 경우에 관찰된 사진들이다 (중간 6개의 사진들 및 하단 6개의 사진들은 동일한 시료의 다른 영역들을 관찰한 사진들이다). 또한, 'Fura2-565C'로 표기된 좌측 열에 위치한 5개의 사진들은 Fura-2 관측을 위한 파장 하에서 얻어진 사진들이고, 'Hoechst'로 표기된 중간 열에 위치한 5개의 사진들은 Hoechst 관측을 위한 파장 하에서 얻어진 사진들이며, 'Merged'로 표기된 우측 열에 위치한 5개의 사진들은 각각 좌측 열 및 중간 열의 사진들을 겹쳐서 함께 나타낸 사진들이다.
도 4로부터, 입자가 크게 뭉쳐진 상태의 실리카 캡슐 (도면 중 Aggregated particles로 표시)은 세포 내로 전혀 침투하지 못함을 확인할 수 있는데, 이러한 상태의 실리카 캡슐은 원심분리 방법으로 상등액만을 분리 사용하는 방법 등에 의해서 간단히 제거가능하다. 도 4에 도시된 Fura2-565C의 형광으로부터 본 발명에 따른 메조다공성 실리카 캡슐이 약물전달 물질로서 우수한 효능을 갖는다는 사실을 알 수 있다.
도 5에는 실시예 2에 따라서 기벽 표면이 아미노 작용기로 개질된 메조다공성 실리카 캡슐에 Fura-2를 담지하고, 이를 HeLa 세포 내로 전달한 후 형광현미경을 통해 관찰한 형광이미지이다. 이 경우 세포 내 핵에 대해서 별도의 염색과정을 수행하지는 않았다. 구체적으로, 좌측 열 2개의 사진들은 Fura-2 관측을 위한 파장 하에서 얻어진 사진들이고, 우측 열 2개의 사진들은 동일 시료의 동일 영역을 광학현미경으로 관찰하여 얻어진 사진들로서, 형광을 나타내는 부분이 세포들이라는 것을 확인해 주는 사진들이다. 또한, 상단 2개의 사진들은 메조다공성 실리카 캡슐을 사용하지 않고 Fura-2만을 세포 시료에 공급해준 경우에 관찰된 사진들이며, 'LSJ005B-Fura2'로 표기된 하단에 위치한 2개의 사진들은 본 발명에 따라서 기벽 표면이 아미노 작용기로 개질된 메조다공성 실리카 캡슐을 사용하여 Fura-2를 담지시킨 다음 세포 시료에 공급해준 경우에 관찰된 사진들이다
도 5로부터, Fura-2만을 세포 시료에 공급해준 경우에는 Fura-2가 세포 안으로 침투하지 못해 형광이미지가 전혀 나타나지 못함을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 2에 따라서 제조된 캡슐은 아미노 작용기에 의해 캡슐의 제타 전위가 변화하고 이는 세포막 통과를 더욱 용이하게 하며, 따라서 실시예 1에 따라서 제조된 캡슐보다도 더욱 우수한 약물전달 효능을 갖는다는 사실을 알 수 있다.
도 6은 도 5에서와 동일한 조건의 실험에 대한 데이터를 Multiphoton 공초점 형광현미경을 통해 관찰한 형광이미지이다 (Z-stack: 1 ㎛). 공초점 형광현미경을 사용하면 세포의 외부에서 이미지를 얻은 후 일정한 거리에 위치한 절단면을 관찰할 수 있으며, 도 6은 세포 내부를 일정하게 높이 변화 (1 ㎛)를 주면서 측정한 일련의 이미지로서, 도 6으로부터 전달된 메조다공성 실리카 캡슐 물질이 세포 외부가 아닌 세포 내부에 존재한다는 사실을 명확히 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중공형 메조다공성 실리카 캡슐 입자 1개에 대한 투과전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 복수 개의 중공형 메조다공성 실리카 입자들에 대한 주사전자현미경 사진, 투과전자현미경 사진 및 입자 1개에 대한 개략도이다.
도 3은 실시예 1 및 2에 의해서 제조된 중공형 메조다공성 실리카 캡슐에 Fura-2를 담지하여 세포 내로 전달하는 약물전달 시스템에 대한 모식도이다.
도 4는 실시예 1에 의해서 제조된 중공형 메조다공성 실리카 캡슐에 Fura-2를 담지하고, 이를 HeLa 세포 내로 전달한 후 형광현미경을 통해 관찰한 형광이미지 사진이다.
도 5는 실시예 2에 따라서 기벽 표면이 아미노 작용기로 개질된 메조다공성 실리카 캡슐에 Fura-2를 담지하고, 이를 HeLa 세포 내로 전달한 후 형광현미경을 통해 관찰한 형광이미지 사진이다.
도 6은 도 5에서와 동일한 조건의 실험에 대한 데이터를 Multiphoton 공초점 형광현미경을 통해 관찰한 형광이미지 사진이다.

Claims (14)

  1. 메조다공성 (mesoporous) 실리카 기벽; 및 상기 실리카 기벽에 형성된 하나 이상의 매크로기공을 포함하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐로서,
    상기 실리카 기벽의 외면에는 암세포 특이적 결합 펩티드 서열 또는 비타민류 화합물이 유기작용기를 통하여 부착되고,
    상기 암세포 특이적 결합 펩티드 서열은 Arg-Gly-Asp이며, 상기 비타민류 화합물은 엽산 (folic acid)인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캡슐의 평균 직경은 20nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐.
  3. 제1항에 있어서, 매크로기공의 평균 직경은 1nm 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. (a) 하기 화학식 1을 가지는 계면활성제를 친수성 용매에 용해시키는 단계;
    [화학식 1]
    R1R2R3R4NX
    상기 식에서 R1, R2 및 R3는 서로 같거나 다르게 CH3- 또는 CH2CH3- 이고, R4는 12 내지 22의 탄소수를 갖는 알킬기이고, X는 음이온이다.
    (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 용액에 실리카 전구체를 혼합하여 반응시키는 단계;
    (c) 상기 반응 혼합물을 냉각시킨 후 여과하여 생성물을 회수하는 단계;
    (d) 상기 생성물을 세척하고 건조시키는 단계; 및
    (e) 상기 건조물을 소성시키는 단계를 포함하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 스테로이드 화합물을 더 첨가해주는 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 유기작용기로 치환된 실리카 전구체를 더 첨가해주는 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유기작용기로 치환된 실리카 전구체는 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-시아노프로필트리에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필 트리메톡시실란, 3-[2-(2-아미노에틸아미노)에틸아미노]프로필트리메톡시실란, 유레이도프로필트리메톡시실란 및 3-이소시아노에이토프로필트리에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 (b) 단계의 반응온도가 80℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 계면활성제와 상기 친수성 용매의 혼합 몰비가 1:100 내지 1:20,000인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 계면활성제와 상기 스테로이드 화합물의 혼합 몰비가 1:0.05 내지 1:0.50인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 친수성 용매는 증류수 또는 탄소수 1 내지 2인 알콜을 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 (e) 단계의 소성 온도는 300℃ 내지 800℃인 것을 특 징으로 하는 중공형 메조다공성 실리카 캡슐의 제조방법.
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