KR101102984B1 - 완충용액 상에서 생물모방분자 자기조립 구조체 및 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 완충용액 상에서 생물모방분자 자기조립 구조체 및 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상온에서 별도의 열처리 과정없이 완충용액 하에서 생물모방분자의 가지조립에 의해 제조된 템플릿 상에 금속자성입자가 생물모방분자의 말단에 위치한 기능기의 금속친화성에 의해 결합되어 나노 복합구조체를 형성할 수 있는 완충용액 상에서 생물모방분자 자기조립 구조체 및 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법에 관한 것이다.
나노 복합구조체, 금속자성입자, 자기조립, 생물모방분자, 히스타민, 니켈

Description

완충용액 상에서 생물모방분자 자기조립 구조체 및 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법{Mineralization of metal magnetite particle on self-assembled bio-mimicked molecule in buffer solution}
본 발명은 완충용액 상에서 생물모방분자 자기조립 구조체 및 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상온에서 별도의 열처리 과정없이 완충용액 하에서 생물모방분자의 자기조립에 의해 제조된 템플릿 상에 금속자성입자가 생물모방분자의 말단에 위치한 기능기의 금속친화성에 의해 결합되어 나노 복합구조체를 형성할 수 있는 완충용액 상에서 생물모방분자 자기조립 구조체 및 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법에 관한 것이다.
자성과 전도성을 띠는 나노 복합구조체는 세포 이미징 등의 의료기술, 진단 및 병원균 검출을 위한 바이오 센서 기술, 전기회로 등에 이용되는 기능성 나노입자이다.
나노 복합구조체의 제작을 위한 선행 연구로는 양친매성 화합물 및 조직 특이적 결합 성분을 이용하여 제작한 것이 있으며, 여기서는 유기성 표면 안정제와 반응물을 열분해하여 제작하였다(대한민국 공개특허 제2007-0088391호).
또한, 입도가 균일한 친수성 무기물 나노입자와 생체고분자를 이용하여 나노 복합구조체를 제작한 사례도 있었으며, 여기서는 계면활성제를 이용하여 친수성 나노입자를 제작하고 초음파 중탕 처리하여 나노입자를 분산시켰으며 유기용매를 사용하여 제작하였다(대한민국 공개특허 제2008-0017149호).
상기 기술된 방법들과는 달리 생물모방분자를 이용한 나노 복합구조체 제조법은 여타 물질을 이용하는 것에 비해 여러 장점을 가지고 있다. 우선, 환경 친화적이며, 단백질 결합 혹은 DNA 이중나선 구조 등에서 발견되는 자기 조립 특성, 효소나 단백질 등에서 관찰되는 특정 물질에 대한 반응 활성, 생물 분자의 변형 및 개질, 그리고 에너지 소모가 적은 상온 혹은 저온반응 등이 있다. 특히 에너지 소모 면에 대해서 구체적으로 설명하자면, 기존의 다른 나노 복합구조체 제조방법에는 양친매성 화합물 또는 템플릿 등이 쓰이는데, 이때 일반적으로 두 가지나 그 이상의 공정 단계가 필요하며, 또한 열처리 과정이 요구되었기 때문에 매우 복잡하고 시간이 많이 걸리는 작업이다. 그러므로 간단하고 단순한 상온에서 수행이 가능한 방법으로 나노 복합구조체를 만드는 제조법 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 간단한 공정을 통해 상온의 수용액 하에서 생물모방분자 자기조립 구조체에 자성과 전도성을 띠는 나노 입자가 쉽게 고정될 수 있는 나노 복합구조체, 그 제조방법 및 상기 나노 복합구조체의 용도를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
금속친화성 기능기 말단을 함유한 하기 화학식 1로 표시되는 생물모방분자의 자기조립 구조체; 및
상기 구조체에 고정된 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체를 제공한다:
[화학식 1]
Cn+10H2n+10N4O8
상기 식에서,
n은 5 내지 11의 정수를 나타낸다.
본 발명은 또한
수용액 하에서 금속친화성 유기물과 하기 화학식 1로 표시되는 생물모방분자 를 반응시키는 제1단계;
상기 생물모방분자의 자기조립 구조체를 형성하는 제2단계; 및
상기 구조체에 금속자성입자를 고정하는 제3단계를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
Cn+10H2n+10N4O8
상기 식에서,
n은 5 내지 11의 정수를 나타낸다.
본 발명은 또한 본 발명의 나노 복합구조체를 포함하는 전기회로 또는 바이오센서를 제공한다.
본 발명의 나노 복합구조체는 상온에서 생물모방분자의 자기조립에 의해 제조된 구형 템플릿의 말단에 존재하는 특정 기능기의 금속친화성에 의해 금속 입자가 고정되도록 금속 입자를 환원시키는 간단한 일 단계 공정을 통해 제조되므로, 별도의 열처리 과정을 거치지 않아 자성과 전도성을 띠는 나노 복합구조체의 제조시간을 단축시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명은
금속친화성 기능기 말단을 함유한 하기 화학식 1로 표시되는 생물모방분자의 자기조립 구조체; 및
상기 구조체에 고정된 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체에 관한 것이다:
[화학식 1]
Cn+10H2n+10N4O8
상기 식에서,
n은 5 내지 11의 정수를 나타낸다.
본 발명의 나노 복합구조체는 상온의 수용액 하에서 별도의 열처리 없이 간단한 일 단계 공정을 통해 제조된 자성과 전도성을 띠는 구형 또는 원통형의 복잡구조를 갖는 나노입자임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 나노 복합구조체는 생물모방분자의 자기조립 구조체의 말단에 함유된 금속친화성 기능기의 이미다졸 링(imidazole ring) 친화력에 의해 금속자성입자가 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 금속친화성 기능기로 아민기, 또는 티올기 등을 예로 들 수 있으며, 상기 기능기는 생물모방분자의 말단의 일측 또는 양측에 결합될 수 있다.
상기 금속친화성 기능기는 아미노 커플링 반응을 통해 금속친화성 유기물이 생물모방분자의 말단에 결합함으로써 포함될 수 있다. 바람직하게는, 상기 아미노 커플링 반응은 상온의 수용액 하에서 EDC(1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride) 및 NHS(n-hydroxysuccinimide), 또는 HOBT (1-hydroxylbenzotriazole)에서 선택되는 커플링제를 이용하여 실시될 수 있다.
또한, 상기 생물모방분자는 자기조립이 가능한 상기 화학식 1의 화합물이 바람직하다.
상기 화학식 1의 화합물의 예로는 Bis(N-α-amido-glycylglycine)-1,7-heptane dicarboxylate 등을 들 수 있다.
또한, 상기 생물모방분자의 자기조립 구조체에 고정되는 금속자성입자는 철, 니켈, 또는 코발트 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다.
본 발명은 또한
수용액 하에서 금속친화성 유기물과 하기 화학식 1로 표시되는 생물모방분자를 반응시키는 제1단계;
상기 생물모방분자의 자기조립 구조체를 형성하는 제2단계; 및
상기 구조체에 금속자성입자를 고정하는 제3단계를 포함하는 나노 복합구조체의 제조방법에 관한 것이다:
[화학식 1]
Cn+10H2n+10N4O8
상기 식에서,
n은 5 내지 11의 정수를 나타낸다.
본 발명의 나노 복합구조체의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제1단계는 상온의 수용액 하에서 아미노 커플링 반응을 통해 금속친화성 유기물이 생물모방분자의 말단에 결합하는 단계이다.
상기 수용액은 4.5 내지 5.0의 완충용액을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 아미노 커플링 반응은 EDC(1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride) 및 NHS(n-hydroxysuccinimide), 또는 HOBT (1-hydroxylbenzotriazole)에서 선택되는 커플링제를 이용하여 실시할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.
상기 금속친화성 유기물은 아민기, 또는 티올기 등의 금속친화성 기능기를 함유하는 히스타민, 히스티딘, 또는 시스테인 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.
또한, 상기 생물모방분자는 자기조립이 가능한 상기 화학식 1의 화합물이 바람직하다.
상기 화학식 1의 화합물의 예로는 Bis(N-α-amido-glycylglycine)-1,7-heptane dicarboxylate 등을 들 수 있다.
바람직하게는, 상기 생물모방분자는 구형 및 원통형의 자기조립체가 잘 형성될 수 있도록 수용액에서 0.1 내지 100mM, 보다 바람직하게는 0.8mM의 농도로 포함되는 것이 좋다.
본 발명의 나노 복합구조체의 제조방법에 있어서, 상기 제2단계는 생물모방분자의 자기조립을 통해 구형의 템플릿을 형성하는 단계이다.
상기 자기조립은 상온에서 pH 4.5 내지 5.0의 완충용액 하에서 실시하는 것이 바람직하나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 나노 복합구조체의 제조방법에 있어서, 상기 제3단계는 생물모방분자의 자기조립 구조체 및 금속 전구체를 함유하는 용액에서 금속이온을 환원시켜 상기 자기조립 구조체에 금속자성입자를 고정시키는 단계이다.
상기 금속이온의 환원은 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride), 보래인디메틸아민(DMAB), 또는 UV 하에서 실시될 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.
또한, 상기 금속이온은 철, 니켈, 또는 코발트 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 또한 본 발명의 나노 복합구조체를 포함하는 전기회로 또는 바이오센서에 관한 것이다.
본 발명의 나노 복합구조체는 자성과 전도성을 띠는 전기회로, 또는 바이오센서의 소재로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예1> 감응형 니켈(Ni)이 고정된 생물모방분자 나노 복합구조체
니켈(Ni)이 고정된 생물모방분자 나노 복합구조체의 제조공정은 도 1에 개략적으로 도시하였다.
구체적으로, Bis(N-α-amido-glycylglycine)-1,7-heptane dicarboxylate 0.01g을 NaOH와 Citric acid로 pH 4.5~5.0 조절된 증류수 20mL상에 녹인 용액을 제조하였다. 상기 용액에 75mM EDC (1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride) 3mL와 15mM NHS (n-hydroxysuccinimide) 3mL를 넣은 후 4시간 동안 반응 시켰다. 4시간 후, 히스타민(Histamine) 0.04g을 10mL의 증류수에 녹인 용액을 제조하여 상기 용액에 넣은 후 24시간 반응시켰다. 24시간 후, 30mM NiCl2·6H2O을 증류수를 베이스로 제조한 뒤, 상기 용액에 6.5mL를 24시간 반응시켰다. 24시간 후, 0.43M 보래인디메틸아민(DMAB) 700㎕를 사용하여 환원시켜 니켈(Ni)이 고정된 생물모방분자 나노 복합구조체를 제조하였다.
상기에서 제조된 니켈이 고정된 생물모방분자 나노 복합구조체의 형상은 투과전자현미경하에서 확인하였다(도 2).
도 2 에 나타난 바와 같이, 제조된 나노 복합구조체는 구형 구조를 가지며 비교적 일정한 직경을 가지고 있음을 알 수 있다.
또한, 복합구조체 안에 관찰되는 밀도가 높은 입자들은 니켈 입자라는 사실을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 니켈 입자가 고정된 나노 복합구조체의 제조 공정의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 니켈이 고정된 나노 복합구조체의 형상을 나타낸 투과전자현미경 사진도이다.
도 3은 본 발명에 따른 생물모방분자의 말단에 히스타민기가 생성되는 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 니켈이 히스타민 기의 이미다졸 링(imidazole ring)의 친화력에 의해 고정되는 것을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 말단에 히스타민기가 있는 생물모방분자의 FT-IR의 피크를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 말단에 히스타민기가 있는 생물모방분자의 NMR 피크를 나타낸 것이다.

Claims (16)

  1. 양 말단에 이미다졸링이 결합된 비스-(엔-알파-아미도-글리실글리신)-1,7-헵탄 디카르복실레이트(bis(N-alpha-amido-glycylglycine)-1,7-heptane dicarboxylate)의 자기조립 구조체; 및
    상기 구조체의 이미다졸링에 의해 고정된 금속자성입자를 포함하는 나노 복합구조체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    금속자성입자는 철, 니켈 및 코발트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 나노입자인 나노 복합구조체.
  5. 상온의 수용액 하에서 이미다졸링 함유 유기물과 비스-(엔-알파-아미도-글리실글리신)-1,7-헵탄 디카르복실레이트(bis(N-alpha-amido-glycylglycine)-1,7-heptane dicarboxylate)를 반응시켜 양 말단에 이미다졸링이 결합된 비스-(엔-알파-아미도-글리실글리신)-1,7-헵탄 디카르복실레이트를 제조하는 제1단계;
    상기 양 말단에 이미다졸링이 결합된 비스-(엔-알파-아미도-글리실글리신)-1,7-헵탄 디카르복실레이트의 자기조립 구조체를 형성하는 제2단계; 및
    상기 구조체와 금속전구체의 혼합용액에서 금속이온을 환원시켜 금속자성입자를 상기 구조체에 고정하는 제3단계를 포함하는 제1항의 나노 복합구조체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    제1단계는 상온의 수용액 하에서 아미노 커플링 반응을 통해 이미다졸링이 비스-(엔-알파-아미도-글리실글리신)-1,7-헵탄 디카르복실레이트의 양 말단에 결합하는 것인 나노 복합구조체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    수용액이 pH 4.5 내지 5.0의 완충용액인 나노 복합구조체의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    아미노 커플링 반응은 EDC(1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride) 및 NHS(n-hydroxysuccinimide), 또는 HOBT (1-hydroxylbenzotriazole)에서 선택되는 커플링제를 이용하는 나노 복합구조체의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    이미다졸링 함유 유기물은 히스타민, 히스티딘 및 시스테인으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 나노 복합구조체의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제5항에 있어서,
    비스-(엔-알파-아미도-글리실글리신)-1,7-헵탄 디카르복실레이트는 수용액에서 0.1 내지 100 mM의 농도로 포함되는 나노 복합구조체의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제5항에 있어서,
    환원은 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride), 보래인디메틸아민(DMAB), 또는 UV 하에서 실시되는 나노 복합구조체의 제조방법.
  14. 제5항에 있어서,
    금속이온은 철, 니켈 및 코발트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 나노 복합구조체의 제조방법.
  15. 제1항에 따른 나노 복합구조체를 포함하는 전기회로.
  16. 제1항에 따른 나노 복합구조체를 포함하는 바이오센서.
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