KR101344051B1 - 금나노입자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금나노입자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 염화금산(HAuCl4)을 증류수에 녹여 염화금산 용액을 제조하는 제 1단계; 제 1 파이토 화합물 용액에 제 2 파이토 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 2단계; 상기 혼합용액을 상기 제1단계의 염화금산 용액에 첨가한 후 교반하여 금나노입자를 형성하는 제 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 형성된 금나노입자를 고분자 용액에 첨가한 후 초음파 분해를 수행하여 고분자를 금나노입자에 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

Description

금나노입자의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING GOLD NANOPARTICLES}

본 발명은 금나노입자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 파이토 화합물 혼합용액을 환원법에 이용하여 금나노입자를 형성하는 금나노입자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적인 암세포의 경우 모세혈관이 보통의 정상세포에 비해 큰 80nm ~200nm 크기를 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 나노입자는 그 크기에 의하여 EPR(Enhanced Permeation and Retention) 효과를 일으켜서 암세포의 모세혈관을 통과하여 암세포에 보다 선택적으로 전달되는 특성을 가지고 있다. 따라서, 나노입자의 의학적인 활용은 매우 효과적이라고 할 수 있다. 특히, 일정크기 이상의 금 나노입자는 생물학 안정성 및 독성 연구결과를 통하여 그 안전성이 확인되었기 때문에 우수한 생물학적 적합성을 지닌다.

파이토화합물(phytochemicals)은 식물성 식품 속에 미량으로 존재하는 성분들로, 특별히 건강에 유익한 생리활성을 가지고 있는 물질들을 말한다. 이러한 파이토화합물 중 갈산은 밤 껍질, 도토리, 마름, 오미자와 오배자 같은 물질에 주로 함유되어 있으며, 폴리페놀 물질로 히드록시기를 3개 가진 구조로써 화학명은 3,4,5-트리히드록시 벤조산이다. 상기 갈산은 항산화 효과가 뛰어나며, 항염증, 항돌연변이, 항알러지 등과 같은 특성을 가지고 있다.

파이토화합물 중 프로토카테킨산은 작약, 오미자, 오가피 등의 식물에 주로 함유되어 있으며, 유기산으로 히드록시기를 2개 가진 구조이다. 화학명은 2,3-디히드록시 벤조산이며 역시 다양한 생리활성을 지닌다. 특히, 혈액의 항응고, 항염증, 항산화효과 등 특성을 가지고 있다.

또 다른 파이토화합물인 이소플라본(isoflavon)은 주로 대두에 함유되어 있으며, 대두 가운데에서도 배아에 주로 존재하고 있다. 이소플라본은 그 구조 및 활성이 에스트로겐(estrogen)과 유사하여 파이토에스트로겐(phytoestrogen)이라고도 한다. 이소플라본은 구조적으로 플라보노이드(flavonoid)에 속하며 당이 붙어있는 이소플라본은 배당체(glucoside)라고 하고 당이 없는 이소플라본은 비배당체(aglycone)이라 한다. 이 물질은 유방암, 전립선암, 자궁암, 대장암, 심혈관질환 및 골다공증을 예방한다는 연구 결과들이 보고되고 있다.

일반적으로 금나노입자를 제조하기 위해서는 환원법을 이용한다. 염화금산(HAuCl4)을 구연산 나트륨(sodium citrate)으로 환원시켜 금나노입자를 제조하는데, 상기 환원 반응은 구연산 나트륨을 이용하기 때문에 상온에서는 진행되지 않고 영하의 온도에서 진행된다. 또는, 용매의 온도를 끓는 점까지 올려 환원시켜 금 나노입자를 제조하는 방법도 보고되고 있다. 따라서, 나노입자를 제조하는데 온도 제약이 따르는 문제가 있다. 또한, 상기 환원법에 의하면 나노입자는 5 nm 정도의 작은 크기로 제조되는데, 약물전달체로 사용될 수 있는 크기의 나노입자를 제조하기 위해서는 금나노입자의 씨앗을 이용하여 다른 공정을 통해 입자의 크기를 키워야하는 단점이 있다.

본 발명은 금나노입자의 제조 공정에서 저온/고온 유지를 위한 공정이 없어 에너지를 절감할 수 있으면서, 나노입자의 크기를 키워야하는 추가공정 없이도 약물전달체로 사용될 수 있는 크기의 나노입자를 제조할 수 있는, 경제적이면서 생체에 적합한 금나노입자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 금나노입자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 염화금산(HAuCl4)을 증류수에 녹여 염화금산 용액을 제조하는 제 1단계; 제 1 파이토 화합물 용액에 제 2 파이토 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 2단계; 상기 혼합용액을 상기 제1단계의 염화금산 용액에 첨가한 후 교반하여 금나노입자를 형성하는 제 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 형성된 금나노입자를 고분자 용액에 첨가한 후 초음파 처리를 수행하여 고분자를 금나노입자에 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 제 1 파이토 화합물은 특별히 그 종류가 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 갈산 또는 프로토카테킨산일 수 있으며, 상기 제 2 파이토 화합물 역시 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 이소플라본 일 수 있다. 하기 실시예에서는 갈산과 이소플라본 또는 프로토카테킨산과 이소플라본의 항산화력을 이용하여 염화금산(HAuCl4)의 환원을 유도함으로써, 상온에서도 금나노입자를 제조할 수 있어 종래 기술의 온도 제약에서 벗어날 수 있었다. 또한, 약물전달체로써 요구되는 크기인 30 nm 이상인 나노입자를 한 번에 제조할 수 있었다. 이 때, 위의 두 가지 물질은 환원을 유도할 뿐 아니라 나노입자를 둘러싸고 있기 때문에 그 자체로 입자 안정제 역할을 한다.

하지만 이렇게 제조된 나노입자는 용액의 pH에 영향을 받기 때문에 생체적합성을 갖는 고분자로 코팅을 하여 pH에 대한 안정성을 확보할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 생체에 적합한 고분자를 금나노입자에 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 고분자는 생체 적합성이 있는 고분자라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜(PEG)일 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제 1단계는 0.01 내지 0.05 mmol의 염화금산(HAuCl4)을 증류수에 녹여 염화금산 용액을 제조하는 것이 바람직하며, 상기 제 2단계는 0.01 내지 0.03 M의 제 1 파이토 화합물 용액에 제 2 파이토 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제 3단계는 혼합용액을 제1단계의 염화금산 용액에 0.3 ml 내지 3 ml 첨가한 후 25분 내지 40분 동안 교반하여 금나노 입자를 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 고분자를 금나노입자에 코팅하는 단계에 있어서, 상기 고분자 용액은 1 내지 4 ％ (w/v)의 고분자 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 금나노 입자를 고분자 용액에 첨가하는 부피비는 금나노입자 : 고분자 용액 = 1 : 2 내지 4 로 하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 의하면, 친환경적이고 저에너지를 사용하여 약물전달시스템으로 응용 가능한 금나노입자를 제조할 수 있다. 즉, 본 발명을 통해 금나노입자 제조 공정의 단순화를 이끌 수 있을 뿐만 아니라, 가열과 냉각 공정이 없기 때문에 에너지를 절감할 수 있어, 생산 단가 역시 낮출 수 있는 효과가 있다.

도 1은 파이토케미칼을 이용한 생체적합성 금나노입자의 합성 방법 을 나타낸 모식도이다.
도 2는 갈산과 이소플라본을 이용하여 합성된 생체적합성 금나노입자의 전자현미경 사진과 입자 분포도를 나타낸다.
도 3은 프로토카테킨산과 이소플라본을 이용하여 합성된 생체적합성 금나노입자의 전자현미경 사진과 입자 분포도를 나타낸다.
도 4는 합성된 생체적합성 금나노입자의 자외선/가시광선 흡수 스펙트라 (실선 : 갈산과 이소플라본을 이용하여 합성된 금나노입자의 스펙트럼, 점선 : 프로토카테킨산과 이소플라본을 이용하여 합성된 금나노입자의 스펙트럼)를 나타낸다.
도 5는 갈산과 이소플라본을 이용하여 합성된 생체적합성 금나노입자에 PEG 처리 한 뒤 측정한 pH 별 자외선 가시광선 흡수 스펙트라를 나타낸다.
도 6은 프로토카테킨산과 이소플라본을 이용하여 합성된 생체적합성 금나노입자에 PEG 처리 한 뒤 측정한 pH 별 자외선 가시광선 흡수 스펙트라를 나타낸다.
도 7은 파이토케미칼을 이용하여 합성 된 생체적합성 금나노입자의 제타포텐셜 스펙트라 (실선: 갈산과 이소플라본을 이용하여 합성된 금나노입자의 스펙트럼, 점선: 프로토카테킨산과 이소플라본을 이용하여 합성된 금나노입자의 스펙트럼)를 나타낸다.
도 8은 파이토케미칼을 이용하여 합성 된 생체적합성 금나노입자의 적외선 스펙트라 (실선: 갈산과 이소플라본을 이용하여 합성된 금나노입자의 스펙트럼, 점선: 프로토카테킨산과 이소플라본을 이용하여 합성된 금나노입자의 스펙트럼)를 나타낸다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하도록 한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

＜실시예＞

1-1. 갈산과 이소플라본이 표면처리 된 금나노입자의 제조

본 발명에 따른 금나노입자의 제조방법은 모두 상온에서 진행되기 때문에 다른 가열 장치나 냉각 장치 없이 단순히 교반 장치만 이용하여 금나노입자를 제조하였다. 또한, 다른 화학물질 없이 갈산과 이소플라본의 강력한 항산화 성질을 이용하여 염화금산(HAuCl4)의 환원을 유도해 금나노입자를 제조하였다.

먼저, 염화금산(HAuCl₄) (7.8mg, 0.02mmol)을 증류수 20ml에 녹여 염화금산(HAuCl₄) 용액을 제조하고, 다음으로 0.01 M의 갈산용액에 배당체 이소플라본 10mg을 녹인 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 상기 염화금산(HAuCl₄) 용액에 0.3 ml를 첨가한 후 30분 동안 교반하여 금나노입자를 제조하였다.

1-2. 프로토카테킨산과 이소플라본이 표면처리 된 금나노입자의 제조

먼저 염화금산(HAuCl₄)(7.8mg, 0.02mmol)을 증류수 20ml에 녹여 염화금산(HAuCl₄) 용액을 제조하고, 다음으로 0.01 M 프로토카테킨산용액에 이소플라본 10mg을 녹인 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 상기 염화금산(HAuCl₄) 용액에 3 ml를 첨가한 후 30분 교반하면 금나노입자를 제조하였다.

2. pH 안정성 확보 - 폴리에틸렌 글리콜 코팅

세포실험을 진행하기 위해서는 다양한 pH 용액에서 안정성이 확보되어야 하기 때문에 본 공정이 필요하다.

생체에 이용가능한 분자량이 8000인 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 2％ 용액(w/v)을 제조하여 상기 1-1 또는 1-2에서 제조된 금나노입자에 첨가하였다. 이 때 첨가량은 부피비로 금나노입자 : 2％ PEG 용액 = 1 : 2 정도 되도록 첨가하였다. 그 후 초음파 처리를 3분 가량 진행시켜 상기 금나노입자에 PEG를 코팅하여, pH 안정성을 확보한 금나노입자를 제조하였다.

3. 분석

상기 2.에서 제조된 금나노입자를 투과전자현미경을 이용하여 입자의 크기 및 모양을 확인하였으며, 그 결과는 도 2, 3에 나타난 바와 같다. 도 2, 3에 의하면, 자외선/가시광선 분광기에서 예상한 바대로 금나노입자의 크기는 30 nm이상인 것으로 측정되었다. 이는 기존의 구연산 나트륨을 이용한 환원법을 통해 합성된 금나노입자의 크기가 약 5 nm정도 되는 것에 반하여 본 발명에서 만들어진 금나노입자는 약 6 배 정도 더 큰 것을 확인하였다. 그 뿐만 아니라 입자 분포도를 통하여 입자의 크기를 분석한 결과 크기의 균일함도 매우 우수하였다. 또한 이소플라본과 갈산 또는 이소플라본과 프로토카테킨산이 금나노입자의 표면과 결합함으로써 안정제 역할을 하기 때문에 입자간 응집이 일어나지 않고 분산이 잘 되어있는 것을 확인할 수 있다.

또한, 자외선/가시광선 분광기를 통해 금나노입자가 합성되었음을 확인하였으며(도 4 참조), 특히, 도 5, 6은 PEG가 코팅된 금나노입자가 다양한 pH에서 안정하다는 것을 확인할 수 있다.

도 4에 의하면, 갈산-이소플라본 혼합물에 의해 합성된 금나노입자와 프로토카테킨산과 이소플라본의 혼합물에 의해 합성 된 금나노입자 모두 약 530 nm에서 흡수가 일어난 것을 분석할 수 있다. 이는 금나노입자의 표면플라즈마공명에 의한 흡수 스펙트럼이다. 일반적으로 5 nm 크기의 금나노입자는 약 520 nm 정도에서 흡수가 일어나지만 본 발명에서 제조된 금나노입자는 크기가 크기 때문에, 보다 긴 파장을 흡수한 것이다. 또한 도 5, 6에서는 PEG가 코팅된 금나노입자가 다양한 pH에서 안정성을 분석할 수 있다. pH가 약산에서 약염기까지 변하는 과정에서도 금나노입자의 스펙트라가 유지되는 것을 확인함으로써 입자의 안정성을 확인하였다. 특히 염증이 유발되는 pH인 pH 6에서의 입자 안정성 역시 좋은 것으로 확인되었다. 또한 항산화 효과와 세포 독성 등 in vitro 실험을 진행하기 위해서는 pH 변화에 의한 금나노입자끼리 응집현상을 최소화하여 매우 높은 분산안정성을 유지해야 한다는 조건을 맞추었다. 금나노입자의 흡광도는 그 농도에 비례하여 나타나기 때문에 각 pH별 버퍼 용액의 양에 따라 흡광도가 줄어드는 경향을 분석할 수 있다.

또한, 제타포텐셜을 이용하여 금나노입자의 분산성을 측정하였으며, 이는 도 7에 나타내었다. 도 2, 3의 투과전자현미경 사진을 통해서 금나노입자의 분산정도를 확인할 수 있지만, 보다 정량적인 분석을 위하여 제타포텐셜을 이용해 분산성을 측정하였다. 도 7에 의하면 나노입자의 제타 포텐셜이 갈산-이소플라본의 혼합물을 이용하여 합성 된 금나노입자는 약 -20 mV 정도, 프로토카테킨산-이소플라본의 혼합물을 이용하여 합성 된 금나노입자는 약 -35 mV 정도 되는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 포텐셜의 절대값이 20 mV 이상일 경우 분산된 입자가 안정한 것으로 판단하기 때문에 본 발명에서 제조된 금나노입자의 분산도가 좋음을 확인할 수 있다. 포텐셜 값이 음의 값을 갖는 것은 금나노입자 표면과 결합된 파이토케미칼들의 산소 음이온에 의한 것으로 분석할 수 있다.

마지막으로, 금나노입자에 표면처리 된 파이토화합물은 적외선 분광기를 통하여 분석하였으며, 그 결과는 도 8과 같다. 도 8에 의하면, 금나노입자의 표면에 붙어있는 화합물의 작용기를 확인할 수 있다. 갈산-이소플라본 조합과 프로토카테킨산-이소플라본 조합 모두 유사한 작용기를 가지고 있기 때문에 벤젠고리 부근을 제외하고는 적외선 스펙트라의 모양이 유사한 것을 알 수 있었다. 우선 1450 ~ 1580 cm^-1에서 밴드가 나타난 것을 확인하여 파이토케미칼에 있는 벤젠고리를 확인할 수 있는데, 이 부분에서 갈산은 벤젠의 4군데가 작용기로 치환되어 있고, 프로토카테킨산은 벤젠의 3군데가 작용기로 치환되어 있기 때문에 그 경향성이 조금 다른 것을 확인할 수 있었다. 약 1400 cm^-1과 1700 cm^-1 부근에서 밴드가 나타난 것을 통하여 카르복실기와 케톤기를 확인할 수 있다. 1080 cm^-1 부근에서 나온 밴드는 C-O 단일 결합에 의한 것이다. 또한, 2800과 3000 cm^{- 1}사이에서 알킬 사슬이 관측되었는데 이는 이소플라본의 사이클로헥산 부분의 sp³에 의한 것으로 확인되었다. 또한, 3200 cm^-1 부근에서 발생한 밴드는 벤젠고리의 sp² 때문에 발생하였다. 끝으로 3300 cm^-1 부근에서 발생한 밴드는 히드록시기에 의한 것으로 분석되었다.

이상에서 살펴보았듯이, 본 발명에 의하면 친환경적이면서도, 저에너지를 사용하여 약물전달시스템으로 응용 가능한 금나노입자를 제조할 수 있다. 파이토 화합물인 갈산과 이소플라본 또는 프로토카테킨산과 이소플라본을 이용할 경우 상온에서 반응이 일어나기 때문에 , 단지 교반만으로도 환원법을 이용하여 저온공정과 같은 별도의 추가 공정 없이 생체에 적합한 크기를 가지는 금나노입자를 제조할 수 있다. 나아가, PEG 코팅을 통해 pH에 안정한 금나노입자를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 금나노입자 제조공정을 보다 단순화할 수 있으며, 가열 및 냉각 공정이 별도로 필요하지 않기 때문에, 에너지를 절감할 수 있어, 궁극적으로 약물전달 시스템으로 응용 가능한 금나노 입자의 생산 단가를 낮출 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

산업상 이용가능성

본 발명을 통해 금나노입자 제조 공정의 단순화를 이끌 수 있을 뿐만 아니라, 가열과 냉각 공정이 없기 때문에 에너지를 절감할 수 있어, 생산 단가 역시 낮출 수 있다. 또한, 생물학적 안정성이 요구되는 금나노물질이 필요한 산업, 특히, 화장품, 의약학 산업등에 유용한 원천연료로 본 발명품이 사용될 수 있다.

Claims (11)

1. 염화금산(HAuCl4)을 증류수에 녹여 염화금산 용액을 제조하는 제 1단계; 제1 파이토 화합물 용액에 제 2 파이토 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 2단계; 상기 혼합용액을 상기 제1단계의 염화금산 용액에 첨가한 후 교반하여 금나노입자를 형성하는 제 3단계;를 포함하는 금나노입자의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 형성된 금나노입자를 고분자 용액에 첨가한 후 초음파 처리를 수행하여 고분자를 금나노입자에 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 금나노입자의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 파이토 화합물은 갈산 또는 프로토카테킨산인 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 파이토 화합물은 이소플라본인 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1단계는 0.01 내지 0.05 mmol의 염화금산(HAuCl4)을 증류수에 녹여 염화금산 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2단계는 0.01 내지 0.03 M의 제 1 파이토 화합물 용액에 제 2 파이토 화합물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제 3단계는 혼합용액을 제1단계의 염화금산 용액에 0.3 ml 내지 3 ml 첨가한 후 25분 내지 40분 동안 교반하여 금나노입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
8. 제 2항에 있어서,
   상기 고분자는 폴리에틸렌그리콜(PEG)인 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
9. 제 2항에 있어서,
   상기 고분자 용액은 1 내지 4%(w/v)의 고분자 용액인 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
10. 제 2항에 있어서,
    상기 금나노 입자를 고분자 용액에 첨가하는 부피비는 금나노입자 : 고분자 용액 = 1 : 2 내지 4 인 것을 특징으로 하는 금나노입자의 제조방법.
11. 제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 의하여 제조 된 pH 안정성을 가지는 금나노입자.

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