KR101559202B1 - 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물 및 양친매성 고분자의 혼합물과 수성 용매 및 공액 고분자의 혼합물을 접촉시키는 것을 포함하는 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 간단한 공정으로 입자 사이즈가 작고 균일하며, 콜로이드 안정성이 좋은 수용성 공액 고분자 나노입자를 제공할 수 있다.

Description

수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법{Method of preparing for water soluble conductive polymer nanoparticle}
본 발명은 공액 고분자 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.
최초 폴리아세틸렌에 기체 상태의 염소, 브롬, 요오드 등을 처리하면 전기가 통할 수 있다는 사실을 발견한 후에 전도성 고분자는 많이 연구되었고 실제로 대전 방지, 전자파 차폐, 전극재료 등에 널리 이용되어왔다. 현재는 폴리아세틸렌 이외에도 다양한 공액 고분자들이 개발되어 이용되고 있다.
공액 고분자를 제조하는 방법은 잘 알려져 있다. 예를 들어, 대한미국 특허 출원 제2012-0107686호에 따르면 화학적 산화중합을 통해 공액 고분자를 제조할 수 있다. 공액 고분자를 이용하여 센서, 바이오프로브 등에 이용하기 위해서는 양친매성 화합물이 공액 고분자를 둘러싼 형태의 수용성 공액 고분자 나노입자를 제조하는 것이 필요하다. 이러한 공액 고분자 나노입자를 제조하는 방법에는 용매 증발법이 널리 사용되었다. 용매 증발법은 클로로포름, 헥산 등의 유기 용매에 공액 고분자를 용해시키고 이를 유화한 후, 유기 용매를 증발시켜 제조하는 방법이다. 그러나, 용매 증발법에 의하면 물에 잘 용해되지 않는 용매를 사용함으로써 생체 적합성에 문제가 있을 수 있으며, 유화시키기 위해서 추가적인 에너지가 필요하게 되고, 제조되는 나노입자의 크기가 상대적으로 크며, 대량 생산이 어려운 문제점이 있다.
KR 2008-0039724
이에, 본 발명의 목적은 생체 적합성이 향상되고, 비용 경제적으로 대량 생산에 적합한 공액 고분자 나노입자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 물 및 양친매성 고분자의 혼합물과 수성 용매 및 공액 고분자의 혼합물을 접촉시키는 것을 포함하는 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 간단한 방법으로 수용성 공액 고분자 나노입자를 제조할 수 있다. 구체적으로, 공액 고분자를 수성 용매에 용해시키고, 고분자가 함유된 상기 혼합물과 양친매성 고분자 수용액을 혼합한다. 공액 고분자 및 양친매성 고분자를 함유하는 혼합물을 교반 및 정제함으로써 수용성 공액 고분자 나노입자를 얻을 수 있다 (실시예 1). 수성 용매는 자발적으로 물에 유화되기 때문에, 추가의 에너지 도입 없이도 공액 고분자 나노입자를 제조할 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서, 물 및 양친매성 고분자의 혼합물과 수성 용매 및 공액 고분자의 혼합물의 접촉은 물 및 양친매성 고분자의 혼합물에 수성 용매 및 공액 고분자의 혼합물을 적가함으로써 이루어질 수 있다. 수성 용매에 공액 고분자를 분산시키고, 수성 용매에 분산되어 있는 공액 고분자를 양친매성 고분자가 분산된 수상에 주입한다. 주입 후 교반하면, 용매상은 수상에 드랍릿(droplet) 형태로 평형을 이루게 되고, 이때 양친매성 고분자는 계면의 드랍릿(deoplet)에 흡착하게 되어 수용성 공액 고분자 나노입자를 얻을 수 있다.
이렇게 생성된 수용성 공액 고분자 나노입자는 공액 고분자 코어와 친수성 쉘로 이루어진 구조를 가질 수 있다. 양친매성 고분자의 친수성 기에 의해 공액 고분자를 둘러싸는 친수성 쉘이 형성될 수 있다. 상기 친수성 쉘은 상기 고분자 코어의 외부에 위치하여 높은 수용성을 나타내어 본 발명의 수용성 공액 고분자 나노입자의 분산성을 높일 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서, 양친매성 고분자는 친수성기와 소수성기를 가지는 물질이면 제한 없이 포함하며, 화학 합성에 의한 물질일 수도 있고 천연에 존재하는 물질일 수도 있다. 또한, 양친매성 고분자는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 양친매성 고분자는 소듐 콜레이트 하이드레이트, n-옥틸글루코시드, 옥틸티오글루코시드, N-옥타노일-N-메틸글루카민, N-노나노일-N-메틸글루카민, 퀼라야 껍질(quillaja bark) 유래 사포닌, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트, 도데실 황산 나트륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 용액, 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB), 디도데실디메틸암모늄 브로마이드(DMAB), N,N-비스(3-D-글루콘아미도프로필)데옥시콜아미드(deoxy-BIGCHAP), N,N-비스(3-D-글루콘아미도프로필)콜아미드(BIGCHAP), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 글리콜 도데실 에테르, 플루로닉 F-68, 트리톤 X-100, 트리톤 X-114, 트윈 40, 이게팔(Igepal) CA-630, 이게팔 CO-210, 이게팔 CO-520, 이게팔 CO-630, 이게팔 CO-720, 이게팔 CO-890, 이게팔 DM-970, 이게팔 CA-210, 이게팔 CA-520, 이게팔 CA-630, N-데카노일-N-메틸글루카민, 노닐페닐-폴리에틸렌 글리콜, 브리지 76(Brij 76), 브리지 58, 브리지 35P, 브리지 30, 폴리소르베이트 80, 사이클로헥실메틸-β-D-말토시드　(Cymal-1), 2-사이클로헥실에틸-β-D-말토시드　(Cymal-2), 5-사이클로헥실펜틸-β-D-말토시드(Cymal-5), 6-사이클로헥실헥실-β-D-말토시드(Cymal-6), 디기토닌, 데실-β-D-말토피라노시드, 라우릴-β-D-말토시드(DDM), n-헥사데실-β-D-말토시드, 운데실-β-D-말토시드, 데실-β-D-1-티오말코피라노시드, 데실-β-D-1-티오글루코피라노시드, 디메틸데실포스핀 옥사이드, 도데실디메틸포스핀 옥사이드 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 수성 용매는 물에 용해되는 용매이면 제한 없이 이용할 수 있다. 예를 들어, 수성 용매는 아세톤, 아세토니트릴, 사염화탄소, 클로로포름, 사이클로헥산, 1,2-디클로로에탄, 디클로로메탄, 디에틸에테르, 디메틸 포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 1,4-디옥산, 에탄올, 에틸 아세테이트, 헵탄, 헥산, 메탄올, 메틸 3급 부틸 에테르(methyl-tert-buryl ether), 펜탄, 1-프로판올, 2-프로판올, 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 2,2,4-트리메틸펜탄, 물 또는 이들의 혼합물 일 수 있다.
본 발명에서, 공액 고분자란 도펀트에 의해 도핑됨으로써 전기 전도성을 갖는 고분자를 의미한다. 이러한 공액 고분자의 종류는 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(1,4-페닐렌비닐렌)(poly(1,4-phenylenevinylene)), 폴리(1,4-페닐렌 설파이드)(poly(1,4-phenylene sulfide)), 폴리(플루오레닐렌에티닐렌)(poly(fluorenyleneethynylene)) 또는 이들의 유도체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 한 구체예에서, 수용성 공액 고분자 나노입자는 폴리아닐린 나노입자일 수 있다. 폴리아닐린은 생체적합하고, 세포 증식을 연구하기 위한 전기활성소재로서 주로 사용된다. 폴리아닐린의 주요 장점은 전자 이동을 유도하고, 여기-에너지 수준을 감소시키는 원자가 밴드 및 전도성 밴드 간의 밴드 간 갭 상태를 발생하는 양자화를 위한 도펀트(예를 들어, 강산, 루이스산, 전이금속, 알칼리 이온)라는 것이다. 따라서, 폴리아닐린의 광학-흡광 피크는 도핑 과정 동안 에머랄딘 염기(emeralidine base, EB)가 에머랄딘 염(emeralidine salt, ES)으로 전이되면서 근적외선 영역으로 적색 이동한다.
본 발명의 한 구체예에서, 수용성 공액 고분자 나노입자는 1nm 내지 500nm의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서 나노입자는 1nm 내지 100nm의 직경을 가질 수 있다. 공액 고분자 나노입자의 직경이 100nm를 초과하게 되는 경우 큰 입자 사이즈에 의해 용해도가 낮아지고 수용액 상에서 콜로이드 안정성이 떨어진다.
본 발명에 따른 수용성 공액 고분자 나노입자가 산화제에 의해 도핑되면 나노입자의 산화 정도에 따라 흡광도에 변화가 나타난다 (실시예 2). 이러한 흡광도 변화에 따라 육안으로 색의 변화를 감지할 수 있고, 따라서 본 발명의 공액 고분자 나노입자를 산화도 측정에 사용할 수 있다. 여기에서, 공액 고분자 나노입자를 도핑시킬 수 있는 산화물질의 종류는 제한되지 않는다. 예를 들어, 활성산소종, 활성질소종, 과산화 수소, 생체 이온 및 프리 라디칼로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물질, 또는, 산화환원력을 갖는 생체 분자일 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서, 산화환원력을 갖는 생체 분자는 피루브산 또는 젖산일 수 있다. 피르부산 또는 젖산은 대표적인 생물학적 도펀트로 수용성 공액 고분자 나노 입자에 젖산 또는 피루브산을 처리함에 의해서, 공액 고분자가 도핑되고, 이에 따라 공액 고분자의 도핑 상태의 색이 나타난다.
본 발명은 또한 상기의 제조 방법에 따라 제조된 수용성 공액 고분자 나노입자를 제공한다. 본 발명에 따라 제조된 수용성 공액 고분자 나노입자는 부드러운 표면과 구형을 나타내고, 물에 잘 용해된다. 또한, 본 발명의 공액 고분자 나노입자는 종래의 공액 고분자 나노입자에 비하여 더 작고 균일한 입자 크기를 가지며, 더 높은 콜로이드 안정성을 나타낸다 (실시예 1 및 비교예 1).
본 발명은 또한 암세포 판별용 수용성 공액 고분자 나노입자를 제공한다. 대부분의 암 세포는 끊임없이 성장 및 증식하는 특성이 있고, 이러한 성장에 필요한 에너지를 해당과정을 통해 얻게 된다. 따라서, 암 세포에서는 정상 세포에 비하여 해당과정이 높게 일어나고, 피루베이트와 젖산과 같은 해당 과정 산물이 많이 생성된다. 즉, 암세포와 같이, 피루베이트 및 젖산이 존재하는 환경에 공액 고분자 나노입자가 존재하는 경우, 상기 피루베이트 및 젖산이 도펀트로 작용하여 공액 고분자가 도핑된다. 공액 고분자의 도핑에 따라 공액 고분자의 흡광도가 변하게 되고, 색의 변화가 나타나게 된다. 따라서, 이러한 색의 변화를 이용하여, 본 발명에 따라 제조된 공액 고분자 나노입자를 암세포를 감지하기 위한 센서, 키트로 사용할 수 있다 (실시예 3).
본 발명의 수용성 공액 고분자를 이용하여 판별 가능한 암세포의 종류는 제한되지 않는다. 예를 들어, 암세포는 직장암, 담낭암, 난소암, 대장암, 임파종, 뇌암, 전립선암, 악성흑색종, 유방암, 위암, 폐암, 난소암, 간암, 기관지암, 비인두암, 후두암, 췌장암, 방광암, 결장암, 육종암 또는 자궁암일 수 있다.
본 발명에 따르면 간단한 공정으로 입자 사이즈가 작고 균일하며, 콜로이드 안정성이 좋은 수용성 공액 고분자 나노입자를 제공할 수 있다.
도 1은 젤 투과 크로마토그래피에 의한 합성 에멀랄딘 염기 상태의 폴리아닐린 나노입자의 분자량 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 용매 교환법에 따른 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법의 모식도이다.
도 3은 용매 교환법에 따른 수용성 공액 고분자 나노입자의 특성을 분석한 결과이다. a)는 폴리아닐린 함량에 따른 나노입자의 크기 변화, b)는 10mg의 폴리아닐린이 함유된 나노입자의 TEM 이미지(스케일 바: 100nm), c)는 폴리아닐린 분말(bare PAni), 트윈 80 및 TPAni의 FT-IR 스펙트럼을 보여준다.
도 4는 양친매성 화합물의 함량(트윈 80으로서 0mg, 10mg, 50mg, 100mg, 200mg, 400mg 및 500mg) 에 따른 10mg의 폴리아닐린이 함유된 공액 고분자 나노입자의 크기 변화를 보여준다.
도 5는 공액 고분자 자체와 용매 교환법으로 제조된 수용성 공액 고분자 나노입자의 다양한 용매에 대한 용해도 실험 결과이다. a)는 폴리아닐린 분말의 NMP(N-methyl pyrrolidone), CF(chloroform) 및 DW(deionized water)에 대한 용해도, b)는 수용성 폴리아닐린 나노입자(0.05mg/㎖)의 물 및 CF에 대한 용해도, c)는 수용성 폴리아닐린 나노입자(0.05mg/㎖)의 물 및 NMP에 대한 용해도를 보여준다.
도 6은 용매 증발법에 의해 제조된 수용성 공액 고분자 나노입자의 특성을 실험한 결과이다. a)는 클로로포름(하부층) 및 물(상부층)에서 폴리아닐린 나노입자(Emeraldine Base Polyaniline nanoparticle, EBPANP)(왼쪽) 및 폴리아닐린 분말(에머랄딘 염기; EB)(오른쪽)의 분산성 실험, b)는 폴리아닐린 나노입자의 SEM 이미지(스케일 바: 200 nm), c)는 폴리아닐린 나노입자의 크기 분포를 보여준다.
도 7은 용매 증발법에 따라 제조된 수용성 공액 고분자 나노입자의 공액 고분자 함량에 따른 크기 변화를 나타낸다.
도 8은 다양한 농도의 HCl에 따른 수용성 공액 고분자 나노입자의 색 변화 효과를 실험한 결과이다. a)는 육안으로 색 변화를 관찰한 것이고, b)는 흡광도, c) 흡광도 비를 나타낸다.
도 9는 다양한 생물학적 도펀트(젖산, 피루브산, NaCl, FBS)에 의한 수용성 공액 고분자 나노입자의 색 변화 효과를 흡광도 및 흡광도 비를 통해서 실험한 결과를 보여준다.
도 10은 암 세포의 상태(살아있는 경우, 고정된 경우, 용해된 경우)에 따른 수용성 공액 고분자 나노입자의 색 변화 효과를 실험한 결과를 보여준다. a)는 육안 관찰 결과, b)는 흡광도, c)는 흡광도 비의 변화를 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
[ 제조예 1] 폴리아닐린의 합성( 에머랄딘 염기, EB )
폴리아닐린, 에머랄딘 염기(EB)는 과량의 HCl 하에서 화학적 산화 중합을 통해 합성하였다. 아닐린 단량체(0.2 mol)를 1M HCl 수용액(300 mL)에 첨가하였다. 계속해서, 산화제로 1M HCl 수용액(200 mL)에서 제조된 암모늄 퍼설페이트 용액(0.05 mol)을 방울씩 첨가하여 상온에서 6시간 동안 중합 과정을 수행하였다. 진녹색의 침전된 중합체 염(ES)은 여과하여 반응 용기로부터 얻고, 1M NaOH 용액(500 mL)에 재분산 시켰다. 그 후, 탈양자화된 EB를 여과하고, 아세톤(500 mL)에서 재분산시켰다. 마지막으로, 여과 및 진공 오븐에서 48시간 동안 건조 후 EB 미세 분말을 얻었다.
젤 투과 크로마토그래피(Acme 9200 GPC, Young Lin Instrument Co., Ltd.)를 이용하여 합성된 EB의 분자량을 측정한 결과, 5200 Da였다(분산도:1.1; 도 1).
[ 실시예 1] 용매 교환법에 의한 수용성 폴리아닐린 나노입자( TPAni )의 제조
제조예 1에 따른 폴리아닐린 10mg, 50mg, 100mg 및 300mg을 각각 1.5㎖의 N-메틸-2-피롤리돈에 용해시키고, 상기 혼합물을 200mg의 트윈 80이 함유된 수용액 20㎖에 가하였다. 혼합물을 실온에서 24시간 동안 강하게 교반하였다. 그 후, 1500rpm으로 30분 동안 세 차례 원심분리하여 트윈 80이 코팅된 폴리아닐린 나노입자(TPAni)를 정제하고, 수상에서 분산시켜 두었다 (도2).
[ 실험예 1] 용매 교환법에 의해 생성된 수용성 폴리아닐린 나노입자( TPAni )의 특성 평가
실시예 1에서 제조한 TPAni 나노입자의 입자 모양, 크기, 화학적 구조 및 용해도를 분석하였다.
입자 크기 분석
동적 레이저 스캐터링(dynamic laser scattering; ELS-Z, Otsuka, 일본)으로 실시예 1에서 얻은 폴리아닐린이 각각 10mg, 50mg, 100mg 및 300mg 함유된 TPAni 나노입자의 크기 분포를 측정하고(도 3a), 투과 전자 현미경(TEM; JEM-1011 JEOL, 일본)을 통해 확인하였다 (도 3b).
입자 크기 측정 결과, 폴리아닐린이 50mg 함유된 나노입자의 크기는 96.9±21.2nm, 폴리아닐린이 100mg 함유된 나노입자의 크기는 125.2±24.9nm, 폴리아닐린이 300mg 함유된 나노입자의 크기는 126.4±3.7nm, 폴리아닐린의 함량이 감소할수록 나노입자의 크기가 감소했다. 그러나, 이들 경우에는 상대적으로 큰 입자 크기 갖기 때문에 수용액 중에서 콜로이드 안정성이 좋지 못했다. 반면에, 44.6±10.6nm의 크기를 갖는 폴리아닐린이 10mg 함유된 나노입자는 콜로이드 안정성이 우수하였다.
TEM 측정 결과, TPAni 나노입자는 부드러운 표면과 구형을 나타내었다(도 3b).
폴리아닐린 함량 외에 트윈 80의 함량이 TPAni 나노입자의 크기에 미치는 영향을 알아 보기 위하여 동적 레이저 스캐터링(dynamic laser scattering; ELS-Z, Otsuka, 일본)으로 트윈 80의 양에 따른 TPAni 나노입자 크기를 분석하였다 (도 4). 트윈 80을 0mg, 10mg, 50mg, 100mg, 200mg, 400mg 및 500mg 부가하여 나노입자를 제조한 후 각각의 입자 크기를 분석하였다.
트윈 80의 양이 증가할수록 입자 크기가 감소하였으나, 트윈 80이 500mg 함유된 경우 각 폴리아닐린 입자의 응집으로 인하여 TPAni 입자의 크기가 1㎛을 초과하였다. 이는 TPAni 나노입자의 크기는 트윈 80의 양 보다는 폴리아닐린의 함량에 크게 영향을 받음을 의미한다.
화학적 구조 분석
TPAni 나노입자의 화학적 구조를 푸리에 변환 적외 분광법(FT-IR; Bruker)으로 확인하였다 (도 3c). 모든 흡수 스펙트럼은 UV-Vis 분광기(2120UV Mecasys, 한국)로 얻었다 (도 3).
그 결과, 1738cm-1 (트윈 80의 에스터기의 C=O), 1330cm-1 (방향족 C-N 스트레칭), 1467cm-1 (벤제노이드 고리의 C=C 및 C=N 스트레칭) 및 1563cm-1 (퀴노이드 고리의 C=C 및 C=N 스트레칭)에서 피크가 나타났다. 이는 용매 교환법에 의해 입자 크기가 작고, 안정한 TPAni 나노입자가 형성되었음을 의미한다.
용해도 평가 (도 5)
또한, 다양한 용매에서의 폴리아닐린 분말의 용해도를 평가하였다. 폴리아닐린 분말을 탈이온수 및 클로로포름에 부가하였을 때 폴리아닐린 분말이 용해되지 않고 침전을 형성하였다 (도 5a). 반면에, 트윈 80이 코팅된 폴리아닐린 나노입자는 외부의 폴리옥시에틸렌 사슬로 인하여 폴리아닐린 분말에 비하여 우수한 용해성을 나타내었다 (도 5b 및 5c).
[ 비교예 1] 용매 증발법에 의한 수용성 폴리아닐린 나노입자의 제조 및 물성 평가
수용성 폴리아닐린 나노입자를 제조하기 위해, 상기 제조예 1에서 제조한 10mg의 EB 분말을 4mL의 클로로포름에서 용해시켰다. 이 유기 상을 20mL의 600mg의 폴리옥시에틸렌-스테아레이트를 함유하는 수용 상에 부가하였다. 유기 및 연속 상의 상호 포화 후, 상기 혼합물은 초음파기(Sae Han SH-2100, Korea)로 190 W에서 10분 동안 유화시켰다. 유기 용매를 증발시킨 후, 원심분리(15,000 rpm, 30분)하여 폴리아닐린 나노입자를 정제하고, 침전된 폴리아닐린 나노입자는 이후 이용할 때까지 수상에서 분산시켜 두었다.
제조된 폴리아닐린 나노입자의 흡광도는 흡광 스펙트로미터(Mecasys UV-2120, Korea)에서 얻었다. 크기 및 제타-포텐셜은 레이저 스캐터링(ELS-Z, Otsuka Electronics, Japan)에서 측정하였고, 폴리아닐린 나노입자의 특징적인 밴드는 푸리에-변환 적외 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy; FT-IR, Varian, Excalibur™, USA)으로 확인하였다.
제조된 폴리아닐린 나노입자는 외부의 폴리옥시에틸렌 사슬로 인해 수용성을 나타냈다 (도 6a). 주사전자현미경 측정 결과, 폴리아닐린 나노입자는 부드러운 표면과 구형을 나타냈고(도 6b), 10mg의 폴리아닐린을 공급한 경우, 크기가 115.6±16.3nm인 단분산성을 나타냈다(도 6c).
또한, 폴리아닐린 함량을 증가하면, PANP의 크기는 50mg의 폴리아닐린 경우 307.8±32.4nm에서 100mg의 폴리아닐린의 경우 412.7±36.2nm로 증가하였다(도 7).
실시예 1에 따라 용매 교환법에 의해 생성된 폴리아닐린 나노입자의 경우 10mg의 폴리아닐린을 공급한 경우 크기가 44.6±10.6nm 인데 비하여, 용매 증발법에 의한 경우 115.6±16.3nm로 나노입자의 크기가 상당히 컸다. 입자의 크기가 크면, 수용액 상에서 콜로이드 안정성이 좋지 못하다. 따라서, 용매 교환법에 의해 폴리아닐린 나노입자를 제조하는 경우에는 공정이 간단하여 단시간 내에 폴리아닐린 나노입자를 생산할 수 있어 대량생산에 적합하며, 더 작은 입자 크기를 가짐으로써 수용액 상에서 안정성이 뛰어난 폴리아닐린 나노입자를 제조할 수 있다.
[ 실시예 2] 수용성 폴리아닐린 나노입자( TPAni )의 산화도에 따른 색 변화 효과
HCl 농도에 따른 TPAni 의 색 변화
실시예 1에서 제조된 수용성 폴리아닐린 나노입자의 산화도에 따른 색 변화 효과를 알아보기 위하여, TPAni 나노입자를 다양한 농도(10-1 M 내지 10-10 M)의 염화 수소(HCl)로 도핑하였다 (도 8). 색의 변화를 육안으로 관찰하고, 흡광도를 흡광 스펙트로미터(Mecasys UV-2120, 한국)로 분석하였다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 10-2 M 초과의 높은 농도의 HCl에서는 TPAni 나노입자는 에머랄딘 염(ES) 상태로 전이되어 녹색을 나타내었고, 10-3 M 미만의 낮은 농도의 HCl에서는 에머랄딘 염기(EB) 상태로 전이되어 청색을 나타내었다.
도 8b에 도시한 바와 같이, 10-1 M의 HCl로 도핑된 TPAni 나노입자는 벤젠 고리의 π-π* 전이 및 폴라론 밴드(polaron band) 전이가 2.95eV 및 1.20 내지 1.55eV에서 나타났다. HCl의 농도가 감소함에 따라, 폴라론 밴드가 감소하여 2.07eV에서 강한 흡광도가 나타났다. 2.07eV 에서의 흡광도는 세 개의 벤제노이드 고리의 최고준위 점유 분자 오비탈로부터 퀴노이드 고리의 최처준위 비점유 분자 오비탈로의 들뜸(excitation) 현상 및 EB 상태의 폴리아닐린 나노입자의 두 개의 이민의 질소에 기인한다.
폴리아닐린 나노 입자의 EB 및 ES 상태 사이의 도핑 상태를 구체적으로 분류하기 위하여, EB (E q) 및 ES (E p) 상태, 각각에 대한 대표적인 에너지 에서의 흡광도 비 (E p/E q, p: 폴라론 밴드, q: 퀴노이드 고리)를 계산하였다 (도 8c). HCl 농도가 10- 1 에서 10-7 M로 감소함에 따라, 흡광도 비 또한 감소하였고, 낮은 HCl 농도 (<10-7 M)에서는 변화가 없었다. 이는 TPAni 나노 입자의 흡광도의 변화를 이용하여 생체의 특정 산화 환원 상태를 탐지할 수 있음을 의미한다. 또한, 이는 TPAni 나노 입자가 H+ 이온 및 그의 반대 이온으로 도핑될 수 있음을 의미한다. 그 결과, ES 상태에서, 폴라론 전이 및 벤제노이드 고리의 π-π* 전이가 관찰되었다. 이들 전이는 흡광 스펙트럼에서 특이적인 피크를 갖는다. 폴라론 전이의 경우 1.20-1.55eV의 넓은 피크가 관찰되었고, 벤제노이드 고리의 π-π* 전이의 경우에는 2.95eV에서의 피크가 관찰되었다. 게다가, H+ 이온의 농도가 감소함에 따라, EB 상태 에서의 퀴노이드 고리 구조 및 두 이민 질소가 관찰되었다. 폴리아닐린의 구조의 변화에 기인하여, 2.07eV에서 강한 흡광 피크가 관찰되었다. 이러한 피크의 변화로부터, 도 8b에 도시한 바와 같은 흡광 스펙트럼의 골(valley)의 변화가 관찰되었다.
일반적으로, 물질의 색은 그 물질의 표면에 남아있는 빛의 색으로 말할 수 있는데, 인간의 눈은 물질로부터 반사되는 빛의 반사 파장을 받아 물질의 색을 감지할 수 있다. 따라서, 골(valley)에서의 파장이 폴리아닐린으로부터 반사된 파장과 관련이 있기 때문에 폴리아닐린의 각 상태에서의 흡광 스펙트럼의 골(valley)을 분석하였다. ES 상태에서, 골(valley)의 파장은 약 2.58eV, EB 상태에서는 약 2.95eV였다. 파장의 골(valley)의 변화에 따라, 폴리아닐린 용액의 색 또한 변하였다. 그 결과, ES 상태의 TPAni 나노 입자의 색은 녹색으로 나타나고, EB 상태에서는 청색으로 나타났다.
이러한 TPAni 나노 입자의 H+ 이온의 농도에 따른 민감한 색 변화 감지 능력으로부터, TPAni 나노 입자는 생체 시스템에서 산화 환원 상태를 감지하기 위한 센서로 사용될 수 있다.
피루브산 및 젖산에 의한 TPAni 나노 입자의 색 변화
TPAni 나노 입자의 색 변화에 의한 산화도 측정 효과를 알아 보기 위하여, 다양한 도펀트를 이용하여 도핑 능력을 평가하였다. 두 대표적인 생물학적 도펀트로 젖산 및 피루브산을 선정하고 이들의 도핑 퍼텐셜을 측정하였다. TPAni 나노 입자에 젖산을 처리함에 의해서, 젖산 농도 1 M 에서 도핑 상태의 색이 나타났다 (도 9a 및 b). 특히, 피루브산의 경우, 흡광 스펙트럼은 피루브산의 농도가 증가함에 따라 TPAni 나노 입자가 완전히 도핑 되었음을 보여주었다 (도 9c 및 9d). 그러나, 염화 나트륨 (NaCl) 및 우태아 혈청(FBS)은 고농도인 경우에도, TPAni 나노 입자의 흡광도 변화 (도 9e 및 9g) 및 흡광도 비의 변화가 나타나지 않았다 (도 9f 및 9h).
[ 실시예 3] 수용성 폴리아닐린 나노입자( TPAni )의 도핑에 의한 색 변화에 따른 암세포 판별
암 세포의 상태에 따른 TPAni 나노 입자의 색 변화
암 세포에서, 산화 환원 표지자로서의, TPAni 나노 입자의 색 변화에 의한 감지능을 평가하였다. TPAni 나노 입자의 EB 상태에서 ES 상태로의 색 변화를 측정하기 위하여, TPAni 나노 입자 (0.1 mg/mL, 50㎕)를 MDA-MB-231 세포 (5×106 세포/4.5mL)의 다양한 상태(살아있는 경우, 고정된 경우, 용해물의 경우)에서 48시간 동안 인큐베이트하였다. 살아있는 암세포란, 암세포가 활성 상태에 있어 증식, 전이 또는 재발의 예후를 나타내는 암세포를 의미한다. TPAni 나노 입자는 사용된 농도에서 세포 독성이 나타나지 않았다. 도 10에 도시한 바와 같이, 증식 중인 MDA-MB-231 세포에서 TPAni 나노 입자를 인큐베이트 한 경우, TPAni 나노 입자는 산화 환원 표지자로서 역할을 하였다. TPAni 나노 입자가 처리된 살아있는 MDA-MB-231 세포의 배양배지로부터 얻은 상청액은 녹색을 나타내었다. 그러나, 고정된 세포 및 용해된 세포의 경우에는 청색을 나타내었다 (도 10a). 도 10b에 도시한 바와 같이, TPAni 나노 입자가 처리된 살아있는 MDA-MB-231 세포는 약 1.20-1.55eV의 폴라론 밴드를 나타내었고 고정된 MDA-MB-231 세포 및 용해된 MDA-MB-231 세포는 2.07eV의 퀴노이드 고리 밴드를 나타내었다. 더욱이, 살아있는 MDA-MB-231 세포에서의 흡광도 비 (E p/E q)는 고정된 세포에서 보다 2 배, 용해된 세포에서보다 1.75 배 더 높게 나타났다 (도 10c).
TPAni 나노 입자에 대한 생물학적 도펀트를 더욱 상세하게 조사하기 위하여, TPAni 나노 입자를 처리한 세포의 색을 평가하였다 (도 10d). 도 10d에 도시한 바와 같이, TPAni 나노 입자는 MDA-MB-231 세포에 흡수되었고, 따라서, TPAni 나노 입자가 처리된 살아있는 MDA-MB-231 세포는 피루브산과 같은 세포 내 생물학적 도펀트에 의해 영향을 받았다. 도 10e에 도시한 바와 같이, 1.20-1.55eV에서의 높은 폴라론 밴드가 관찰되었다. 그러나, 고정된 MDA-MB-231 세포에서는 TPAni 나노 입자는 세포 내로 침투하지 못하였고, 세포의 색이 변하지 않았다. 또한, 용해된 MDA-MB-231 세포에서는, 세포가 깨졌기 때문에 TPAni 나노 입자의 EB 상태와 같은 청색이 관찰되었다.
또한, 각 상태에서의 세포의 흡광도 및 흡광도 비를 분석하였다. 용해된 MDA-MB-231 세포의 경우, 세포의 구조가 분해되어 흡광도가 TPAni 나노 입자의 EB 상태와 유사하게 나타났다 (도 10e). 살아있는 MDA-MB-231 세포는 도 10b에서의 TPAni 나노 입자가 처리된 살아있는 MDA-MB-231 세포의 스펙트럼과 유사한, 1.77-2.07eV에서의 약간 상승한 브로드 밴드가 관찰되었다. 이는 TPAni 나노 입자가 MDA-MB-231 세포에 의해 흡수되어 흡수 효율에 따른 세포 상태에 따라 TPAni 나노 입자를 구별할 수 있음을 의미한다. 각 상태를 구체적으로 분류하기 위하여, 각 상태에서의 흡광도 비를 계산하였다 (도 10f). 살아있는 MDA-MB-231 세포의 흡광도 비의 값이 가장 높았다. 암 세포가 대사되는 동안, 바르부르크 효과(Warburg effect)에 의해 유도되는 산화환원 스트레스가 생물학적 도펀트로 작용할 수 있는 피루브산, 젖산 및 조효소(co-enzymes)와 같은 대사체를 증가시킨다. 따라서, 살아있는 암 세포로부터의 활성 도핑 효과는 TPAni 나노 입자의 도핑에 대한 중요한 인자일 수 있다. TPAni 나노 입자의 EB 상태로부터 ES 상태로의 전이는 도펀트가 필요함이 알려져 있다. 따라서, 증식 중인 암 세포에서 생성된 생물학적 도펀트가 TPAni 나노 입자의 상태를 전이시킬 수 있음을 추론할 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 TPAni 나노 입자의 도펀트에 의한 색 변화 효과를 이용하여 증식 중인 암 세포를 검출할 수 있다.

Claims (13)

  1. 물 및 양친매성 고분자의 혼합물과 수성 용매 및 공액 고분자의 혼합물을 접촉시키는 것을 포함하고,
    상기 양친매성 고분자는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 또는 이들의 혼합물이며,
    상기 공액 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(1,4-페닐렌비닐렌)(poly(1,4-phenylenevinylene)), 폴리(1,4-페닐렌설파이드)(poly(1,4-phenylenesulfide)), 폴리(플루오레닐렌에티닐렌)(poly(fluorenyleneethynylene)) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    접촉은 물 및 양친매성 고분자의 혼합물에 수성 용매 및 공액 고분자의 혼합물을 적가함으로써 이루어지는 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    양친매성 고분자는 소듐 콜레이트 하이드레이트, n-옥틸글루코시드, 옥틸티오글루코시드, N-옥타노일-N-메틸글루카민, N-노나노일-N-메틸글루카민, 퀼라야 껍질(quillaja bark) 유래 사포닌, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트, 도데실 황산 나트륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 용액, 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB), 디도데실디메틸암모늄 브로마이드(DMAB), N,N-비스(3-D-글루콘아미도프로필)데옥시콜아미드(deoxy-BIGCHAP), N,N-비스(3-D-글루콘아미도프로필)콜아미드(BIGCHAP), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 글리콜 도데실 에테르, 플루로닉 F-68, 트리톤 X-100, 트리톤 X-114, 트윈 40, 이게팔(Igepal) CA-630, 이게팔 CO-210, 이게팔 CO-520, 이게팔 CO-630, 이게팔 CO-720, 이게팔 CO-890, 이게팔 DM-970, 이게팔 CA-210, 이게팔 CA-520, 이게팔 CA-630, N-데카노일-N-메틸글루카민, 노닐페닐-폴리에틸렌 글리콜, 브리지 76(Brij 76), 브리지 58, 브리지 30, 폴리소르베이트 80, 사이클로헥실메틸-β-D-말토시드　(Cymal-1), 2-사이클로헥실에틸-β-D-말토시드　(Cymal-2), 5-사이클로헥실펜틸-β-D-말토시드(Cymal-5), 6-사이클로헥실헥실-β-D-말토시드(Cymal-6), 디기토닌, 데실-β-D-말토피라노시드, 라우릴-β-D-말토시드(DDM), n-헥사데실-β-D-말토시드, 운데실-β-D-말토시드, 데실-β-D-1-티오말코피라노시드, 데실-β-D-1-티오글루코피라노시드, 디메틸데실포스핀 옥사이드, 도데실디메틸포스핀 옥사이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    수성 용매는 아세톤, 아세토니트릴, 사염화탄소, 클로로포름, 사이클로헥산, 1,2-디클로로에탄, 디클로로메탄, 디에틸에테르, 디메틸 포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 1,4-디옥산, 에탄올, 에틸 아세테이트, 헵탄, 헥산, 메탄올, 메틸 3급 부틸 에테르(methyl-tert-buryl ether), 펜탄, 1-프로판올, 2-프로판올, 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 2,2,4-트리메틸펜탄, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    공액 고분자 나노입자는 1nm 내지 500nm의 직경을 갖는 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    공액 고분자 나노입자는 1nm 내지 100nm의 직경을 갖는 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    pH; 활성산소종, 활성질소종, 과산화 수소, 생체 이온 및 프리 라디칼로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물질; 또는, 산화환원력을 갖는 생체 분자 중 적어도 하나에 의한 고분자의 도핑에 의해 색의 변화를 나타내는 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    산화환원력을 갖는 생체 분자는 피루브산 또는 젖산인 수용성 공액 고분자 나노입자의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 및 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따라 제조된 암세포 판별용 수용성 공액 고분자 나노입자.
  13. 제12항에 있어서, 암세포는 직장암, 담낭암, 난소암, 대장암, 임파종, 뇌암, 전립선암, 악성흑색종, 유방암, 위암, 폐암, 난소암, 간암, 기관지암, 비인두암, 후두암, 췌장암, 방광암, 결장암, 육종암 또는 자궁암인 수용성 공액 고분자 나노입자.
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