KR101890588B1 - 바이오 이미징용 물질이 담지된 나노금속유기골격구조체 및 그것의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 유기 발광성 물질을 바이오 이미징을 위해 효과적으로 수용 및 보호시킬 수 있는 나노금속유기골격구조체에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은, 복수 개의 기공을 갖는 나노금속유기골격구조체(Nanocrystalline Metal-Organic Frameworks, MOFs)에 있어서, 상기 복수 개의 기공에 바이오 이미징용 물질(Imaging-agent)이 수용되되, 상기 바이오 이미징용 물질이 상기 기공에 유출입이 불가능하도록 상기 기공의 크기가 상기 바이오 이미징용 물질의 크기에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 나노금속유기골격구조체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 바이오 이미징용 물질을 보호 수용하기 위한 금속유기골격구조체 및 그것의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바이오 이미징용 물질의 크기와 대응되는 크기의 기공을 구비하는 금속유기골격구조체 및 그 금속유기골격구조체를 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.
선행기술문헌 특허문헌 국제공개공보 제2016-166258호
금속유기골격구조체(Metal-organic frameworks, MOFs)는 금속 클러스터와 유기 링커(organic linker, 또는 유기 다리 리간드(organic bridging ligands))가 배위결합에 의해 연결되어 3차원적인 구조를 형성하는 다공성 물질이다. 기본적으로 MOF는 매우 표면적이 넓을 뿐만 아니라 열려 있는 기공 구조를 가지고 있기 때문에 기존에 알려진 다른 다공성 물질에 비해 대량의 분자 또는 용매 등의 이동이 가능하다. 또한, 넓은 표면적을 가지는 물질로 대표되는 MOF가 가지는 뛰어난 가치 중 하나는 형성된 중심금속-유기리간드의 틀이나 성분을 바꿀 수 있을 뿐 아니라, 기공의 크기 (부피)를 조절할 수 있다는 점이다. 이것은 촉매나 가스 저장체로 사용될 경우 활성자리(active site)가 많아 효율의 극대화를 가져 올 수 있다는 장점이 있다. 따라서 MOF는 기체저장 및 촉매응용 분야에서 매우 중요시되고 있으며 특히 이산화탄소, 수소, 메탄 등의 가스 저장에서 뛰어난 촉매특성을 보인다고 보고되고 있다. 이러한 특성은 중심금속의 종류나 개질된 리간드의 종류, 중심금속과 리간드의 상호작용, 입자의 크기 등 다양한 인자에 의해 특성이 달라지고 있으며 최근에도 활성, 선택성, 안정성 등에 있어 뛰어난 다양한 반응의 불균일 촉매로써의 MOF대한 연구결과들이 활발히 보고되고 있다.
금속유기골격구조체(Metal-organic frameworks, MOFs)는 금속 클러스터와 유기 링커(organic linker, 또는 유기 다리 리간드(organic bridging ligands))가 배위결합에 의해 연결되어 3차원적인 구조를 형성하는 다공성 물질이다. 기본적으로 MOF는 매우 표면적이 넓을 뿐만 아니라 열려 있는 기공 구조를 가지고 있기 때문에 기존에 알려진 다른 다공성 물질에 비해 대량의 분자 또는 용매 등의 이동이 가능하다. 또한, 넓은 표면적을 가지는 물질로 대표되는 MOF가 가지는 뛰어난 가치 중 하나는 형성된 중심금속-유기리간드의 틀이나 성분을 바꿀 수 있을 뿐 아니라, 기공의 크기 (부피)를 조절할 수 있다는 점이다. 이것은 촉매나 가스 저장체로 사용될 경우 활성자리(active site)가 많아 효율의 극대화를 가져 올 수 있다는 장점이 있다. 따라서 MOF는 기체저장 및 촉매응용 분야에서 매우 중요시되고 있으며 특히 이산화탄소, 수소, 메탄 등의 가스 저장에서 뛰어난 촉매특성을 보인다고 보고되고 있다. 이러한 특성은 중심금속의 종류나 개질된 리간드의 종류, 중심금속과 리간드의 상호작용, 입자의 크기 등 다양한 인자에 의해 특성이 달라지고 있으며 최근에도 활성, 선택성, 안정성 등에 있어 뛰어난 다양한 반응의 불균일 촉매로써의 MOF대한 연구결과들이 활발히 보고되고 있다.
세포나 몸속의 표적 기관을 이미징하기 위해서는, 나노 파티클 등의 크기가 작은 염료 입자를 이용하여 해당 세포 또는 표적기관을 염색하는데, 이러한 염료는 대부분 무기물(즉, 무기 염료)로 이루어지는 것이 일반적이다. 무기 염료 외에 빛을 내는 분자체(유기 염료, 발광 다이)를 이용하는 방법이 존재하는데, 이러한 빛을 내는 분자체는 피나 물에 접하게 되면 쉽게 용해되어버리기 때문에, 이미징을 위한 염색에 사용하기 어려움이 존재한다.
염료에 대한 연구는 오랜 기간 동안 유기 염료(organic dye) 쪽으로 집중되어 있으나, 이러한 유기 염료는 피나 물에 용해되는 안정성 문제가 존재한다. 그리고 이러한 유기 염료가 표적 기관이나 세포에 흡착되기 위해서는 기능기를 붙어야 하는데, 유기 염료에 기능기를 붙일 경우 그 성질을 잃어버리는 문제가 존재한다.
이러한 문제들 때문에 유기 염료를 대체(무기 염료 등으로)하려는 연구가 존재하나, 이러한 유기 염료만큼 활용도가 높은 염료를 찾는 것에 어려움이 존재하는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 표적기관까지 유기 염료 등의 바이오 이미징용 물질을 안전하게 운반할 수 있는 금속유기골격구조체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 나노 크기의 금속유기골격구조체 내에 염료 분자를 캡슐화(Dye ⊂ nMOFs)하여 그 크기가 유효 크기와 일치하는지 확인한 후(Dye ⊂ nMOFs)가 인간 세포의 형광 이미징하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 금속유기골격구조체를 이용하여 골격구조를 만들고(골격구조상 기공의 크기는 조절 가능), 유기 염료 등의 바이오 이미징용 물질 사이즈에 딱 맞는 기공을 갖는 골격구조를 설계하고 이를 이용하여 바이오 이미징용 물질을 기공 내에 가두어, 다양한 유기 염료의 장점을 그대로 살리되 바이오 이미징용 물질의 안정성을 극대화시키는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 기공을 갖는 나노금속유기골격구조체(Nanocrystalline Metal-Organic Frameworks, MOFs)에 있어서, 상기 복수 개의 기공에 바이오 이미징용 물질(Theranostic-agent)이 수용되되, 상기 바이오 이미징용 물질이 상기 기공에 유출입이 불가능하도록 상기 기공의 크기가 상기 바이오 이미징용 물질의 크기에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 나노금속유기골격구조체를 제공한다.
이때 상기 바이오 이미징용 물질은, 상기 나노금속유기골격구조체의 골격구조 형성 과정 중에 삽입될 수 있다.
그리고 상기 바이오 이미징용 물질은, 유기 염료(Organic dye)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노금속유기골격구조체는, 복수 개의 금속 클러스터와 복수 개의 유기 링커(Organic linker 또는 연결 리간드, multidentate linking legand)의 체결에 의해서 형성되는 골격구조로 형성되고, 상기 나노금속유기골격구조체의 기공의 크기는, 상기 유기 링커의 길이에 의해서 결정되며, 상기 유기 링커의 종류는, 상기 기공에 삽입되는 바이오 이미징용 물질에 따라서 결정될 수 있다.
여기서, 상기 복수 개의 금속 클러스터는, 금속 이온 또는 클러스터로 형성될 수 있다.
그리고 환자의 특정 표적기관에 부착되기 위한 표적기가 상기 골격구조상에 구비될 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 측면에 따르면, 나노금속유기골격구조체를 제조하는 방법에 있어서, 나노금속유기골격구조체의 골격구조를 형성하기 위하여 복수 개의 금속 클러스터와 복수 개의 유기 링커를 혼합하는 단계; 및 상기 골격구조를 형성하는 과정에서 바이오 이미징용 물질을 상기 골격구조의 기공에 삽입하는 단계를 포함하되, 상기 혼합하는 단계와 상기 삽입하는 단계를 제공할 수 있다.
이때, 상기 삽입하는 단계는, 상기 바이오 이미징용 물질을 상기 복수 개의 금속 클러스터와 복수 개의 유기 링커와 함께 혼합시킬 수 있다.
그리고 상기 기공의 크기가 상기 바이오 이미징용 물질의 크기에 대응되도록 형성될 수 있다.
마찬가지로, 상기 바이오 이미징용 물질은, 유기 염료(Organic dye)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 금속유기골격구조체의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 바이오 이미징용 물질을 표적기관까지 효과적으로 운반시킬 수 있는 금속유기골격구조체를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 유기 염료를 이용하여 표적기관을 효과적으로 염색시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라, 복수의 금속 클러스터와 복수의 유기 링커들에 의해서 구성되는 MOF 골격 구조를 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, 수용 물질(104)의 크기에 따라 유기 링커(102)의 길이를 달리하여 MOF를 형성하는 개념도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라, MOF 골격구조 형성 과정(단계)에서 상기 수용 물질(104)을 수용시키는 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Rs ⊂ nMOF-801 및 R6G ⊂ nUiO-67 샘플 각각에 대해 PXRD 패턴을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 MOF 표면의 TEM 사진을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 nMOF 입자에 염료 분자의 존재를 증명하기 위해 측정된 Resorufin, Rhodamine-6G, R6G×nUiO-67, Rs×nUiO-67, Rs⊂nMOF-801 및 R6G⊂nUiO-67의 PL 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 (a) Resorufin, (b) Rhodamine-6G, (c) Rs⊂nMOF-801, 및 (d) R6G⊂nUiO-67의 메탄올과 FBS에서의 PL 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 다양한 농도의 메탄올에 용해된 염료 분자(525nm에서 여기되는 resorufin 및 570nm에서 여기되는 rhodamine)의 PL 스펙트럼을 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 9는 [Rs⊂nMOF-801]-GS와 [R6G⊂nUiO-67]-GS의 세포 독성 시험 결과를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 MOF 표면상의 카복실 기능 그룹과 galactosamine의 amine 그룹 사이의 아미드 화 반응을 통해 [Rs⊂nMOF-801]-GS 및 [R6G⊂nUiO-67]-GS를 제공하는 개념도를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 유기 염료를 수용 물질로 활용하여 표적 셀을 염색한 결과를 촬영한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, 수용 물질(104)의 크기에 따라 유기 링커(102)의 길이를 달리하여 MOF를 형성하는 개념도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라, MOF 골격구조 형성 과정(단계)에서 상기 수용 물질(104)을 수용시키는 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Rs ⊂ nMOF-801 및 R6G ⊂ nUiO-67 샘플 각각에 대해 PXRD 패턴을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 MOF 표면의 TEM 사진을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 nMOF 입자에 염료 분자의 존재를 증명하기 위해 측정된 Resorufin, Rhodamine-6G, R6G×nUiO-67, Rs×nUiO-67, Rs⊂nMOF-801 및 R6G⊂nUiO-67의 PL 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 (a) Resorufin, (b) Rhodamine-6G, (c) Rs⊂nMOF-801, 및 (d) R6G⊂nUiO-67의 메탄올과 FBS에서의 PL 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 다양한 농도의 메탄올에 용해된 염료 분자(525nm에서 여기되는 resorufin 및 570nm에서 여기되는 rhodamine)의 PL 스펙트럼을 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 9는 [Rs⊂nMOF-801]-GS와 [R6G⊂nUiO-67]-GS의 세포 독성 시험 결과를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 MOF 표면상의 카복실 기능 그룹과 galactosamine의 amine 그룹 사이의 아미드 화 반응을 통해 [Rs⊂nMOF-801]-GS 및 [R6G⊂nUiO-67]-GS를 제공하는 개념도를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 유기 염료를 수용 물질로 활용하여 표적 셀을 염색한 결과를 촬영한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서는, 유기 염료(Organic dye)와 같은 바이오 이미징용 물질을 효과적으로 운반하기 위한 약물 전달용 금속유기골격구조체(이하, MOF 라고 함) 및 그것의 제조하기 위한 방법을 제안한다.
바이오 이미징용 물질(염료 분자)이 경구나 주사 등을 통하여 인체에 삽입되면, 피에 용해되거나 인체 내 다양한 물질들과 반응하게 되어 표적기관에 도달하기 어렵다. 특히, 바이오 이미징 시 표적기관을 염색하기 위해서는 염료 물질에 기능기를 부착해야 하는데, 유기 염료의 경우에는 기능기의 부착으로 자체 성질을 잃어버리게 된다.
염료 분자는 형광 물질로서 광범위하게 연구되어 왔고, 이들의 흡수 및 방출 범위, 강도, 형광 수명 및 방출비 등방성이 다양하기 때문에 설계할 수 있는 다양성 때문에 많은 이점을 제공해왔다. 비록 이러한 염료 분자가 MOF를 형성하는 구조체의 표면에 염료 분자를 공유 결합시킴으로써 생체 영상을 위한 형광 탐침으로 사용되었기는 하지만, 신뢰성 있고 재현성 있는 검출을 위해 염료 분자를 이용하는 전략은 여전히 해결해야 하는 과제이다. 이는 외부로 노출된 염료 분자의 화학적인 형태가 주변 환경의 영향을 크게 받기 때문에 심각한 생물 환경에서 발광 특성이 저하되거나 변화될 수 있기 때문이다.
본 발명의 발명가들은 생물 의학 응용을 위한 이질적인 나노 입자로 취급하면서 전달 매체 내부의 밀착 공간 내에 염료 분자를 선택적으로 캡슐화하는 방법을 개발하는 방대한 기회가 존재한다고 생각하였다. 본 발명에서 발명가들은 나노 크기의 금속유기골격구조체(MOF) 내에 염료 분자를 캡슐화(Dye ⊂ nMOFs)하여 그 크기가 유효 크기와 일치하는지 확인한 후, 이러한 (Dye ⊂ nMOFs)가 인간 세포의 형광 이미징에 성공적으로 사용될 수 있음을 실험 결과로 확인하였다. 이에 대해서 이하 실험 결과 도면과 함께 상세하게 후술한다.
MOF는 금속 이온과 유기 분자가 연결되어 형성된 골격 구조의 결정성 물질로서, 결정 내(골격 구조 내)에 다양한 크기의 기공을 가지고 있어서 수소 등의 분자를 저장하기에 적합한 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는, 수소 등의 분자를 저장하던 MOF 기공에 바이오 이미징용 물질을 저장함으로써 바이오 이미징용 물질의 안정성을 향상시키도록 제안한다.
일반적인 방법을 통하여 MOF 기공에 바이오 이미징용 물질을 저장한다고 하더라도, 인체에 주사되었을 때 바이오 이미징용 물질이 기공 내에 머무르지 못하고 튀어나와 안정성 향상에 큰 역할을 하지 못하게 된다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는, MOF의 기공의 크기를 바이오 이미징용 물질에 맞도록 조절하도록 제안한다. 즉, 기생성되어 있던 MOF 기공에 단순히 바이오 이미징용 물질을 삽입하는 수준에 그치는 것이 아니라, 바이오 이미징용 물질을 기공 내에 확실히 가둘 수 있는 제조 방법을 제안하는 것이다.
이하, MOF의 골격 구조에 대해서 좀 더 상세하게 살펴본다. MOF는 금속 클러스터들을 포함하는데, 그것들은 망 같은 구조를 제공하기 위해서 클러스터들 사이의 거리를 증가시키는 유기 링커(연결 리간드, 유기 다리 리간드)에 의해 주기적 방법으로 클러스터를 함께 연결시킨다.
본 발명에서 사용되는 유기 링커는 2개 이상의 금속들에 배위하는(중성 분자들과 이온들을 포함하는) 화학종을 의미하는데, 금속들 간의 간격을 형성하여 생성되는 구조물 내부에 빈 영역들 즉 기공을 형성시킬 수 있다. 유기 링커의 예로는, 4,4'-비피리딘들(bipyridins)(중성, 다중 N-제공 분자)과 벤젠-1,4-디카르복실레이트(benzene-1,4-dicarboxylate) (폴리카르복실레이트(polycarboxylate) 음이온)을 포함한다.
본 발명은 복수의 금속 클러스터 및 복수의 유기 링커들을 포함하는 금속-유기 구조물을 제공한다. 복수의 금속 클러스터들의 각각의 금속은 하나 이상의 금속 이온들을 포함할 수 있다. 복수의 유기 링커들 각각은 인접한 금속 클러스터들을 연결시킨다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라, 복수의 금속 클러스터와 복수의 유기 링커들에 의해서 구성되는 MOF 골격 구조를 도시하는 개념도이다.
도 1을 참조하면 복수의 금속 클러스터(101)와 복수의 유기 링커(102)가 결합되어 MOF(103)의 골격 구조를 형성할 수 있다. 유기 링커에 의해서 금속 클러스터와 금속 클러스터 사이에 기공이 생길 수 있으며, 이렇게 형성된 기공에 수용 물질(104)이 수용될 수 있을 것이다.
본 발명의 MOF들에서 사용된 금속 이온들은 원소들의 IUPAC 주기율표 (악티나이드(actinides) , 란타나이드들(lanthanides)을 포함)의 1족 내지 16족의 금속들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 이온들을 포함한다. 본 발명의 MOF들에서 사용된 금속 이온들의 특정한 예들은 다음의 이온들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 이온들을 포함한다: Li+, Na+, K+, Rb+, Be2 +, Mg2+, Ca2 +, Sr2+, Ba2 +, Sc3 +, Y3 +, Ti4 +, Zr4 +, Hf4 +, V4 +, V3 +, V2 +, NB3 +, Ta3 +, Cr3 +, Mo3 +, W3 +, Mn3+, Mn2 +, Re3 +, Re2 +, Fe3 +, Fe2 +, Ru3 +, Ru2 +, Os3 +, Os2 +, Co3 +, Co2 +, Rh2 +, Rh+, Ir2 +, Ir+, Ni2 +, Ni+, Pd2 +, Pd+, Pt2 +, Pt+, Cu2 +, Cu+, Ag+, Au+, Zn2 +, Cd2 +, Hg2+, Al3 +, Ga3 +, In3 +, Tl3 +, Si4 +, Si2 +, Ge4 +, Ge2 +, Sn4 +, Sn2 +, Pb4 +, Pb2 +, As5 +, As3 +, As+, Sb5 +, Sb3 +, Sb+, Bi5 +, Bi3 +, Bi+ 및 이들의 조합. 이들 이온들 중, Co2 +, Cu2 +, Zn2+ 및 Zr4 +는 합성 혼합물에서 기결정된 클러스터들을 형성하는 그들의 능력 때문에 선호된다.
본 발명의 MOF들은 또한 유기 링커(102)를 포함한다. 일반적으로, 유기 링커(102)는 대전된 유기 링커(102)일 수 있다. 그러한 대전된 유기 링커(102)들은 카르복실레이트(CO2-), 설페이트(SO3 -) 등과 같은 음이온성 작용기들을 포함한다. 그리고 일반적으로, 각각의 유기 링커(102)들은 2개 이상의 대전된 작용기들을 포함할 것이다. 상기 유기 링커(102)는 bidentate 리간드 또는 tridentate 리간드(3개를 초과하는 더 많은 수의 작용기들 또한 본 발명의 범주 내임) 일 수 있다. 따라서, 유용한 유기 링커(102)의 예는 2, 3 또는 그 이상의 카르복실레이트 그룹들을 함유할 수 있다.
상술한 바와 같이, 유기 링커(102)는 금속 클러스터(101) 간의 간격을 형성하는 역할을 하기 때문에, 유기 링커(102)의 길이에 따라 기공의 크기가 제어 가능할 것이다.
본 발명에서는, 수용 물질(104)의 크기에 따라 유기 링커(102)의 종류를 선택하는 방법을 통하여 기공의 크기를 제어함으로써, 기공에 수용된 물질이 빠져나오지 못하는 MOF 및 그 MOF의 제조 방법에 대해서 제안한다.
좀 더 구체적으로 본 발명의 일실시예에서는, MOF 골격 구조 복수 개의 기공에 수용 물질(104)이 수용되되, 상기 수용 물질(104)이 상기 기공에 유출입이 불가능하도록(수용 후 빠져나오지 못하도록) 상기 기공의 크기가 상기 수용 물질(104)의 크기에 대응되도록 형성될 수 있다. 이때, 수용 물질(104)로는, 바이오 이미징용 물질(Theranostic-agent)일 수 있으며, 바이오 이미징용 물질은 유기 염료를 포함할 수 있다.
세포나 몸속의 표적 기관을 이미징하기 위해서는, 나노 파티클 등의 크기가 작은 염료 입자를 이용하여 해당 세포 또는 표적기관을 염색하는데, 이러한 염료는 대부분 무기물(즉, 무기 염료)로 이루어지는 것이 일반적이다. 무기 염료 외에 빛을 내는 분자체(유기 염료, 발광 다이)를 이용하는 방법이 존재하는데, 이러한 빛을 내는 분자체는 피나 물에 접하게 되면 쉽게 용해되어버리기 때문에, 이미징을 위한 염색에 사용하기 어려움이 존재한다.
염료에 대한 연구는 오랜 기간 동안 유기 염료(organic dye) 쪽으로 집중되어 있으나, 이러한 유리 염료는 피나 물에 용해되는 안정성 문제가 존재한다. 그리고 이러한 유기 염료가 표적 기관이나 세포에 흡착되기 위해서는 기능기를 붙어야 하는데, 유기 염료에 기능기를 붙일 경우 그 성질을 잃어버리는 문제가 존재한다.
이러한 유기 염료를 MOF 구조 내에 수용시킬 경우 안정성이 극도로 높아지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 의해서 제조된 유기 염료를 수용하는 MOF를 바이오 이미징을 위한 염료로써 활용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, 수용 물질(104)의 크기에 따라 유기 링커(102)의 길이를 달리하여 MOF를 형성하는 개념도를 도시한다.
구체적으로 본 발명의 일실시예에서는 일반적인 염료 분자이지만 생물학적 환경에서는 거의 사용되지 않는 Resorufin(104-1)과 Rhodamine-6G(104-2)를 바이오 이미징용 물질로서 선택하였다. 그리고 nMOF-801(103-1) 및 nUiO-67(103-2) 각각의 결정 성장 중에 Resorufin(104-1)과 Rhodamine-6G(104-2)를 기공 내에 결박하여, Resorufin-in-nMOF-801 (105-1, Rs⊂nMOF-801)와 Rhodamine-6G-in-nUiO-67 (105-2, R6G⊂nUiO-67)을 형성하였다.
제 1 수용 물질(104-1)은, Resolufin이라는 유기 염료로서 상대적인 크기가 작다. 이에 대응하는 제 1 유기 링커(102-1)를 상대적으로 길이가 짧은 
를 선택하여 제 1 MOF(103-1)를 형성할 수 있다. 제 1 MOF(103-1)의 기공에 삽입되어 있는 제 1 수용 물질(104-1)은 기공에 끼어있는 형태로 삽입되어, 빠져나올 수 없을 것이다.
제 2 수용 물질(104-2)은, Rhodamine-6G이라는 유기 염료로서 상대적인 크기가 크다. 이에 대응하는 제 2 유기 링커(102-2)를 상대적으로 길이가 긴 " 
"를 선택하여 제 2 MOF(103-2)를 형성할 수 있다. 마찬가지로, 제 2 MOF(103-2)의 기공에 삽입되어 있는 제 2 수용 물질(104-2)은 기공에 끼어있는 형태로 삽입되어, 빠져나올 수 없을 것이다.
기존 염료 분자는 배양액에서 시간이 지남에 따라 특성을 잃는 반면, 이와 같이 형성된 nMOF 내 염료 분자는 9일 후에도 형광 특성을 유지하는 것을 확인했다. 그리고 두 염색 된 MOF 입자의 표면은 기능화되어 세포 독성이 없는 FL83B (인간 간세포 세포)와 HepG2 (사람 간세포 암종)의 신뢰성 있고 재현 가능한 형광 이미징에 성공적으로 사용하였다.
수용 물질(104)이 기공에서 빠져나오기 힘들다는 것은, 수용 물질(104)이 기공에 들어가는 것도 어렵다는 뜻이다. 그렇기 때문에, 수용 물질(104)이 기공에 수용되는 시점이 MOF 골격 구조를 형성한 이후일 경우, 기공에 수용되지 않을 것이다. 따라서, 본 발명에서는, MOF 골격구조 형성 과정(단계)에서 상기 수용 물질(104)을 수용하도록 제안한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라, MOF 골격구조 형성 과정(단계)에서 상기 수용 물질(104)을 수용시키는 제조 방법을 도시하는 도면이다.
MOFs의 발광 특성을 포함하는 많은 연구는 유기 링커 자체가 발광하도록 하거나, 금속 산화 착물을 이용하여 구조체를 형성하거나, MOFs의 전처리 과정 중에 염료 분자 또는 퀀텀 닷(quantum dots)을 삽입시키거나 하는 방식들이었다.
본 발명은 염료 분자의 약물 전달 시스템(drug delivery system)에서 생물 의학 응용을 위한 방대한 라이브러리를 활용하고자 한다. 이에 따라, 나노 결정 MOF 입자의 결정 성장 동안 염료 분자의 영구 캡슐화 방식을 이용한다.
Rhodamine-6G는 이전의 연구에서는 벌크 MOF에서 캡슐화된 바 있지만, 현재까지 나노 결정 형태의 바이오 이미징 응용에는 사용된 바는 없다.
본 발명에서는, 도 2와 함께 상술한 바와 같이, 수용 물질(401)의 크기에 따라 적합한 유기 링커(102)를 선택하게 된다(S301 단계).
S302 단계에서는, 선택된 유기 링커(102)와 금속 클러스터(101)를 함께 혼합함으로써, MOF를 제조한다.
본 발명에서는 MOF의 제조 시에 수용 물질(401)을 함께 넣도록 제안한다. 즉, S303에서는 MOF 골격구조의 기공에 수용 물질(401)을 넣는데, S303 단계와 S302 단계를 함께 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발명자는 상기와 같은 제조 방법을 구체적으로 아래와 같이 수행하였다.
MOF 제조 시에 수용 물질을 함께 넣을 수 있는 제조 방법의 예시
준비물 : biphenyl-4,4'dicarboxylic acid (97 %, Aldrich), 염화 지르코늄(Zirconium (IV) chloride) (≥99.5 % 미량 금속, Aldrich), N,N-Dimethyl formamide (99 Aldrich), 아세트산(acetic acid)(≥99.7%, Aldrich), 메탄올, rhodamine 6G (염료 99 %, Aldrich), resorufin (염료 함량 95 %, Sigma-Aldrich)
Zr (Ⅳ) 기반의 nMOF는 수성 및 이온 조건에서 열적 및 화학적으로 안정하기 때문에 선택되었으며, 두 가지 실험 라인이 수행되었다. 아래에서 논의되는 바와 같이 염료 분자와 기공 사이의 크기 정합의 결정적인 역할이 밝혀졌다.
MOFs (도 2) :
(1) 유효 크기가 7 
인 Resorufin의 경우, 8 
의 가장 큰 기공 크기를 갖는 MOF-801 내에 성공적으로 캡슐화되어 Rs⊂nMOF-801을 얻었다 (도 2 (a)).
(2) 유효 크기가 10 
인 Rhodamine-6G의 경우는, UiO-67 내에 캡슐화되어 R6G⊂nUiO-67 (도 2 (b))을 얻었다.
전형적인 합성에서는, ZrCl4, 각각의 유기 링커, 트리메틸 아민 (TEA) 및 아세트산을 함유하는 N, N- 디메틸 포름 아미드 (DMF) 용액 혼합물에 염료 분자를 공급하였다. TEA는 유기 링커의 양 말단에서 카르복실기를 탈양성자화(deprotonate)시키고 핵 결정 반응을 지배하여 나노 결정 입자를 생성시켰다. 이 혼합물을 혼탁 용액(cloudy and colored solution)을 만들기 위해 하루 동안 100℃에 두었다. 이것을 원심 분리하고 상등액 DMF에서 발광이 검출되지 않을 때까지 생성물을 수집하고 세척 한 다음 3일 동안 메탄올을 사용하여 추가로 용매를 교환하고 진공하에 건조시켰다(see Supporting Information for synthesis details).
nMOF
-801의 합성
리간드 부분(유기 링커 부분)과 금속 부분(클러스터 부분)을 별도로 준비한다. ZrCl (33.4 mg, 0.14 mmol)을 아세트산 (0.69 mL)과 함께 N, N'- 디메틸 포름 아미드 (DMF, 5 mL)에 20 mL 유리병(glass vial)에 용해시켰다. 리간드 부분을 푸마르산 (18 mg, 0.15 mmol), 트리메틸 아민 (TEA, 0.03 mL) 및 DMF (5 mL)의 용액그로서 제조하였다. 잘 분산된 리간드 용액을 금속 부분에 넣고 밀폐된 약병을 85℃ 오븐에 12 시간 두었다. 그런 다음 상온으로 냉각시키고 원심 분리기 (10 분 동안 8000 rpm)로 고체 부분을 분리한다. 이를 DMF로 1회 및 메탄올로 3회 세척하였다. 세척 후에, 생성물을 진공 오븐에서 건조시켰다.
nUiO
-67의 합성
ZrCl (18.6 mg, 0.08 mmol)을 아세트산 (1.38 mL)을 함유하는 N, N'-dimethylformamide (DMF, 5 mL)에 20 mL 유리병(glass vial)에 용해시켰다. 리간드 부분을 biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid (18 mg, 0.15 mmol), 트리메틸 아민 (TEA, 0.03 mL) 및 DMF (5 mL)의 용액으로서 제조하였다. 잘 분산된 리간드 용액을 금속 부분에 넣고 밀폐된 약병을 85℃ 오븐에 12 시간 두었다. 그런 다음 상온으로 냉각시키고 원심 분리기 (10 분 동안 8000 rpm)로 고체 부분을 분리한다. 이를 DMF로 1회 및 메탄올로 3회 세척하였다. 세척 후에, 생성물을 진공 오븐에서 건조시켰다.
Rs
⊂
nMOF
-801 and
Rs
×
nUiO
-67의 합성
ZrCl을 20mL 유리병(glass vial)에 아세토 아세트산을 함유한 resorufin-DMF 용액 (0.48mg / ml, 5ml)에 용해시켰다. 리간드 부분은 푸마르산 또는 biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 트리메틸 아민 (TEA, 0.03 mL) 및 resorufin-DMF 용액 (0.48 mg / ml, 5 mL)의 용액으로서 제조된다. 잘 분산된 리간드 용액을 금속 부분에 넣고 밀폐된 약병을 85℃ 오븐에 12 시간 두었다. 그런 다음 상온으로 냉각시키고 원심 분리기 (10 분 동안 8000 rpm)로 고체 부분을 분리한다. 여분의 염료가 사라지면 DMF와 메탄올로 한번 씻어 주었다. 세척 후에, 생성물을 진공 오븐에서 건조시켰다.
R6G
×
nMOF
-801 and
R6G
⊂
nUiO
-67
ZrCl를 20 mL 유리병(glass vial)에 아세트산을 넣은 rhodamine-6G-DMF 용액 (0.21 mg / ml, 5 mL)에 용해시켰다. 리간드 부분은 푸마르산(fumaric acid) 또는 biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 트리메틸 아민 (TEA, 0.03 mL) 및 rhodamine-6G-DMF 용액 (0.21 mg / ml, 5 mL)의 용액으로 제조한다. 잘 분산된 리간드 용액을 금속 부분에 넣고 밀폐된 약병을 85℃ 오븐에 12 시간 두었다. 그런 다음 상온으로 냉각시키고 원심 분리기(10 분 동안 8000 rpm)로 고체 부분을 분리한다. 여분의 염료가 사라지면 DMF와 메탄올로 한번 씻어 주었다. 세척 후에, 생성물을 진공 오븐에서 건조시켰다.
모든 재료는 분말 X 선 회절 (PXRD), 질소 가스 흡착, 주사 전자 현미경 (SEM), 투과 전자 현미경 (TEM) 및 photoluminescence (PL) 분광 분석으로 특성화되었다. 이 기술은 Dye⊂nMOF의 결정성, 영구 다공성, 형태학, 발광 특성 및 안정성을 특성화하는 데 사용되었다.
분말 X 선 회절 스펙트럼은 1200W (40kV, 30mA)에서 RIGACU XRD (D / MAX-2500, Cu-Kα 방사)에 의해 얻어졌다. 스캐닝 조건은 실리콘 홀더로 3 °에서 40 °까지 4 ° / min 스캔 속도로 설정되었다. MOFs의 형태와 표면은 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM, JEM-7600F, JEOL)에 의해 검증되었다. 분말 시료를 메탄올에 용해시키고 홀더에 직접 떨어트렸다. 투과 전자 현미경 (TEM) 관찰을 위해, 샘플을 먼저 초음파 처리에 의해 메탄올에 분산시키고 TEM 그리드 상에 떨어트렸다. TEM은 JEOL JEM-2100F를 사용하여 200 kV에서 수행되었다. 광 발광 스펙트럼은 고해상도 마이크로 저온 PL 시스템 (LabRAM HR UV/Vis/NIR PL)에 의해 얻어졌다. 샘플은 분말 상태로 검출되었다. 모든 스캔 범위는 525-800 nm이고 여기 파장은 514 nm이다. 가스 흡착 분석은 BELSORP-max 자동 부피 가스 흡착 분석기에서 수행되었다. 샘플은 100℃에서 12 시간 동안 비워진 후에 준비되고 측정되었다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Rs ⊂ nMOF-801 and R6G ⊂ nUiO-67 샘플 각각에 대해 PXRD 패턴을 도시하는 도면이다.
Rs ⊂ nMOF-801 and R6G ⊂ nUiO-67 샘플 각각에 대해 PXRD 패턴의 선명한 회절 선에서 높은 결정성이 나타나고, 시뮬레이션 된 패턴의 것과 회절 선의 일치는 나노 결정 형태로 염료 분자를 도입하더라도 벌크 MOF-801 및 UiO-67 구조 배열의 변형되지 않고 보존되었다는 것을 확인할 수 있다. Rs ⊂ nMOF-801 and R6G ⊂ nUiO-67은 모두 친화도, 선택성 및 생물학적 시스템에 대한 접근성에 영향을 미치는 단일 및 단결정 나노 입자로 합성되었다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 MOF 표면의 TEM 사진을 도시하는 도면이다.
도 5의 대표적인 SEM 이미지는 (a) Rs ⊂ nMOF-801 (약 100 nm) 및 (b) R6G ⊂ nUiO-67 (약 400 nm)과 입자의 동일한 8 면체 형상의 큰 균일성을 보여준다. 각 입자의 크기와 모양은 도 5에 도시된 바와 같이 TEM으로 확인되었다.
도 5 (a)는 상술한 제 1 유기 링커(102-1)로 생성된 제 1 MOF(103-1)의 표면이고, 도 5 (b)는 상술한 제 2 유기 링커(102-2)로 생성된 제 2 MOF(103-2)의 표면이다. 도시된 도면에 따르면 유기 링커(104)의 선택에 따라서 기공의 크기가 달라진 것 역시 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 nMOF 입자에 염료 분자의 존재를 증명하기 위해 측정된 Resorufin, Rhodamine-6G, R6G×nUiO-67, Rs×nUiO-67, Rs⊂nMOF-801 and R6G⊂nUiO-67의 PL 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
PL 스펙트럼은 nMOF 입자에 염료 분자의 존재를 증명하기 위해 측정되었다. Rs⊂nMOF-801 및 R6G⊂nUiO-67의 건조 샘플을 각각 570 nm 및 525 nm 여기 파장에서 PL 스펙트럼으로 측정한다. PL 스펙트럼은 두 샘플 모두 염료 분자가 작동하는 파장 범위에서 luminescence를 제공함을 보여 주며 (도 6 참조), 염료 분자는 MOF 내의 캡슐화시 해당 발광 특성을 보존하는 것으로 해석된다. 염료가 없는 각 MOF 샘플은 동일한 파장 영역에서 발광을 나타내지 않는다는 것은 자명할 것이다(마찬가지로 도 6 참조).
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 (a) Resorufin, (b) Rhodamine-6G, (c) Rs⊂nMOF-801, (d) R6G⊂nUiO-67의 메탄올과 FBS에서의 PL 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
염료 분자 및 (Dye ⊂ nMOF)의 안정성은 FBS에서 테스트 되었다. 샘플을 실온에서 9일 동안 1 mg/mL의 농도로 FBS에 분산시키고, PL 강도(intensity)를 같은 조건에서 매일 측정 하였다.
FBS에 함유된 염료 분자의 PL 스펙트럼 : 용매를 메탄올에서 FBS로 바꾼 경우, Resorufin의 PL 피크는 ca. 20 nm 정도 적색 이동(메탄올에서 582 nm 및 FBS에서 605 nm)되었으며, Rhodamine-6G의 PL 피크는 ca. 40 nm 정도 적색 이동(메탄올에서 543 nm 및 FBS에서 582 nm) 됐다(도 7 (a), (b)). PL 스펙트럼의 적색 이동이 전자 기증, π-π 스태킹 및 화학 결합의 형성을 통해 염료의 에너지 구조에 영향을 줄 수 있는 FBS의 단백질, 폴리 펩타이드 및 미네랄에 기인한다고 예측된다.
FBS에서 염료 분자의 안정성 : Resorufin의 경우, PL 스펙트럼은 9일 동안 점차적으로 악화되었으며, 이는 Resorufin이 FBS에서 안정적이지 않음을 증명한다(도 7 (a)). Rhodamine-6G의 경우 9일까지 PL 스펙트럼을 보존하므로 원래 FBS에서 안정적이었음을 나타낸다(도 7 (b)).
FBS에서 (Dye⊂nMOF) 샘플의 안정성 : Rs⊂nMOF-801 샘플은 9일까지 메탄올과 FBS 모두에서 동일한 PL 스펙트럼을 나타냈다. R6G⊂nUiO-67의 FBS에서의 PL 스펙트럼은 처음에는 메탄올의 PL 스펙트럼과 동일하지만 시간이 지남에 따라 580 nm 부근의 새로운 피크가 점차적으로 발전했다(도 7 (d)). 이는 새로운 피크가 FBS의 Rhodamine-6G (도 7 (b))의 PL 스펙트럼에 해당하므로 R6G⊂nUiO-67에 포함되는 Rhodamine-6G가 FBS에 부분적으로 노출되었다고 추측된다. FBS에서 단독으로 안정한 Rhodamine-6G는 nUiO-67로 캡슐화하더라도 원래의 안정성을 잃지 않았다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 다양한 농도의 메탄올에 용해된 염료 분자(525nm에서 여기되는 resorufin 및 570nm에서 여기되는 rhodamine)의 PL 스펙트럼을 측정 결과를 도시하는 도면이다.
Rs⊂nMOF-801과 R6G⊂nUiO-67에서 염료 분자의 양을 결정하기 위해, 다양한 농도의 메탄올에 용해된 염료 분자의 PL 스펙트럼을 측정하였다. beer-lambert 법칙에 따르면, 용액의 농도가 아주 높지 않은 경우 염료 분자의 흡광도는 농도에 선형적으로 비례하게 된다. 따라서, PL 농도는 또한 용액 농도에 선형적으로 의존할 것으로 기대된다. 실험 결과 메탄올 속의 resorufin과 rhodamine의 PL 강도는 농도에 선형적으로 관련이 있음을 보여 주었다. PL 강도와 염료 분자 농도 간의 경험적 상관 관계는 다음 수학식 1과 같다.
여기서 I는 PL 강도, a1은 추세선의 기울기, a2는 추세선의 절편, C는 메탄올 용액의 염료 농도다.
염료가 없는 nMOF 입자의 비발광으로 인해 (Dye⊂nMOFs)가 염료의 추세선(trend line)을 따르는 것으로 가정하는 것이 타당하다. (Dye⊂nMOFs)의 염료 분자 농도는 다음 수학식 2에 의해 결정된다.
여기서 C'은 Dye⊂nMOFs 용액에 포함되는 염료의 농도이다.
표 1은 Dye⊂nMOFs 용액에 포함되는 염료의 농도를 계산하기 위한 추세선의 수치이다.
| Sample | slope | intercept | R-square |
| Resorufin | 4.820 x 103 | 65.137 | 0.99764 |
| Rhodamine | 4.604 x 103 | -5.217 | 0.99974 |
아래 표 2는, Dye⊂nMOFs 용액에 포함되는 염료의 농도를 계산한 결과이다.
| Sample | PL intensity of 1 mg/mL solution |
Dye concentration (mg/mL) | The number of dyes per weight of MOFs (#/mg) |
| Rs⊂nMOF-801 | 2956.65 | 6.76 x 10-4 | 0.068 |
| R6G⊂nUiO-67 | 1021.41 | 2.23 x 10-6 | 0.00022 |
[
Rs
⊂
nMOF
-801] -
GS
및 [
R6G
⊂
nUiO
-67] -
GS
의 세포 독성 시험
도 9는 [Rs⊂nMOF-801]-GS와 [R6G⊂nUiO-67]-GS의 세포 독성 시험 결과를 도시하는 도면이다.
[Rs⊂nMOF-801]-GS 및 [R6G⊂nUiO-67]-GS의 세포 독성을 MTT 분석으로 각각 평가하였다. FL83B 및 HepG2 세포를 96-웰 세포 배양 플레이트의 각 웰(well)에 104 cell/well의 밀도로 접종하고 37℃에서 24 시간 동안 가습 된 5% CO2 세포 배양 배양기에서 배양하였다. DMEM에는 10 부피%의 FBS 및 1 중량%의 항생제가 보충되었다. [Rs⊂nMOF-801]-GS 및 [R6G⊂nUiO-67]-GS 농도가 증가한 [Rs⊂nMOF-801]-GS 및 [R6G⊂nUiO-67]-GS를 함유하는 새로운 배지를 각 웰에 첨가하고, 24 시간 동안 각각 배양 하였다. DMEM에 0.5 mg / mL MTT 용액을 100 μL 씩 넣고 37℃에서 2 시간 동안 배양하였다. 각 웰의 배지를 흡인시키고 50 ㎕ DMSO로 처리하여 formazan 결정을 용해시켰다. 광학 밀도는 흡광도 마이크로 플레이트 판독기 (EMax 마이크로 플레이트 판독기, Bucher Biotec AG, 바젤, 스위스)로 540 nm에서 측정하였다.
그래프상에서 x축은 mg/ml의 농도이고, y축은 셀 생존능력(Cell viability)이다.
농도에 상관없이, FL83B 및 HepG2 세포는 높은 수치의 생존능력을 가지고 있다는 것을 확인할 수 있다.
galactosamine
을 이용한
Rs
⊂
nMOF
-801과
R6G
⊂
nUiO
-67의 표면 기능화
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 MOF 표면상의 카복실 기능 그룹과 galactosamine의 amine 그룹 사이의 아미드화 반응을 통해 [Rs⊂nMOF-801]-GS 및 [R6G⊂nUiO-67]-GS를 제공하는 개념도를 도시하는 도면이다.
이 galactosilyation은 표면 asialoglycoprotein (ASGP) 리셉터(receptors)에 바인딩하여 Rs⊂nMOF-801 및 R6G⊂nUiO-67가 간 세포를 타게팅하도록 도와준다.
Rs⊂nMOF-801을 5mg/mL의 농도로 증류수에 용해시키고 5배 중량 초과의 galactosamine과 혼합하였다. 용액의 pH는 0.1N HCl의 첨가에 의해 4.8로 조정된 다음 20배 몰 과량의 EDC와 혼합되었다. 반응 동안 용액의 pH는 4.8로 일정하게 유지되었고 교반되었다. 2 시간 후, 0.1N NaOH를 첨가하여 용액의 pH를 7.0으로 상승시켜 반응을 종결시켰다. 생성 된 용액을 100 mM NaCl 수용액에 대해 2일 동안, 25% EtOH를 하루 동안 그리고 증류수로 2일 동안 투석시켰다. [Rs⊂nMOF-801]-GS는 동결 건조에 의해 얻어졌다. 동일한 과정을 반복하여 [R6G⊂nUiO-67]-GS를 합성하였다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 유기 염료를 수용 물질로 활용하여 표적 셀을 염색한 결과를 촬영한 도면이다.
FL83B 및 HepG2 세포를 2x104 cells / well의 밀도로 8 개의 챔버 유리 슬라이드에 파종했다. 그리고, FL83B 및 HepG2 세포를 가습 된 5% CO2 세포 배양기에서 37 ℃, 24 시간 동안 FBS 10% 및 항생제 1%를 첨가한 DMEM 배지에서 배양하였다. 배양 배지를 FBS-free DMEM으로 교체하였다. 그런 다음 혈청이 없는 DMEM 300μL 에다가 [Rs⊂nMOF-801]-GSs와 [R6G⊂nUiO-67]-GSs 1mg / mL를 각각 배양 슬라이드의 웰에 넣었다.
세포를 2 시간 동안 배양하고, PBS로 세척하고, PBS내의 4 중량 % para-formaldehyde로 고정시키고, PBS로 다시 2회 세척하고, DAPI를 갖는 베타스틸(VECTASHIELD) 안티페이드 마운트 미디엄(VECTASHIELD antifade mounting medium)으로 마운트하였다. 샘플 처리 된 세포를 confocal laser scanning 현미경(Leica TCS SP5u MP SMD FLIM)으로 배율 250배로 관찰하였다. 세포질 내재화된 [Rs⊂nMOF-801] -GS 또는 [R6G⊂nUiO-67] -GS는 561 nm의 Ar 레이저로 여기(excited)되었다. 405 nm의 LD405 레이저를 사용하여 DAPI를 시각화했다.
도 11 (a) 및 (c)는, 상기 Resolufin를 이용하여 제 1 및 제 2 셀을 각각 염색시킨 후 촬영한 사진을 도시하는 도면이다. 도 11 (b) 및 (d)는, 상기 Rhodamine-6G를 이용하여 제 1 및 제 2 셀을 각각 염색시킨 후 촬영한 사진을 도시하는 도면이다.
도시된 결과에서와 같이, 유기 염료가 표적 셀을 정확하게 타겟팅하여 염색하고 있다는 것을 확인할 수 있는 실험 결과이며, 유기 염료가 표적 셀에 도달하고 염색 후에도 높은 안정성을 유지하였음을 입증할 수 있는 결과이다. 즉, MOF 구조의 기공 내에 끼어 있는 상태의 유기 염료는, 혈액에 의해 용해되지 않고 자체의 기능을 유지한다는 것으로 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는, 상기와 같이 표적 셀, 표적 기관에 붙기 위하여 기능기(표적기)가 MOF 구조에 형성될 수 있다. 일반 유기 염료 상에 기능기(표적기)가 형성될 경우, 그 유기 염료 자체의 성질이 없어질 수 있는데, MOF 구조상에 표적기가 형성될 경우 유기 염료 자체의 성질이 유지될 수 있다는 장점이 있다.
이상으로 본 발명에 따른 MOF 및 MOF의 제조 방법의 실시예를 설시하였으나 이는 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지는 아니하는 것으로, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 도면 또는 도면을 참조한 설명에 의해 한정／제한되지는 아니하는 것이다. 또한, 본 발명에서 제시된 발명의 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술되는 본 발명의 기술적 범위에 구속되는 것으로서, 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것이다.
Claims (13)
- 복수 개의 기공을 갖는 나노금속유기골격구조체(Nanocrystalline Metal-Organic Frameworks, MOFs)에 있어서,
상기 복수 개의 기공에 바이오 이미징용 물질(Imaging-agent)이 수용되되, 상기 바이오 이미징용 물질이 상기 기공에 유출입이 불가능하도록 상기 기공의 크기가 상기 바이오 이미징용 물질의 크기에 대응되도록 형성되고,
상기 바이오 이미징용 물질은, 상기 나노금속유기골격구조체의 골격구조 형성 과정 중에 삽입되며,
상기 나노금속유기골격구조체는, 복수 개의 금속 클러스터와 복수 개의 유기 링커(Organic linker 또는 연결 리간드, multidentate linking legand)의 체결에 의해서 형성되는 골격구조로 형성되고,
상기 나노금속유기골격구조체의 기공의 크기는, 상기 유기 링커의 길이에 의해서 결정되며,
상기 유기 링커의 종류는, 상기 기공에 삽입되는 바이오 이미징용 물질에 따라서 결정되는,
나노금속유기골격구조체.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오 이미징용 물질은, 유기 염료(Organic dye)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
나노금속유기골격구조체.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 금속 클러스터는, 다음의 이온들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 이온들을 포함하는, : [Li+, Na+, K+, Rb+, Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, V4+, V3+, V2+, NB3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+, Bi+ 및 이들의 조합]
나노금속유기골격구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 금속 클러스터는, 금속 이온으로 형성되는,
나노금속유기골격구조체.
- 제 1 항에 있어서,
환자의 특정 표적기관에 부착되기 위한 표적기가 상기 골격구조 상에 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는,
나노금속유기골격구조체.
- 나노금속유기골격구조체를 제조하는 방법에 있어서,
나노금속유기골격구조체의 골격구조를 형성하기 위하여 복수 개의 금속 클러스터와 복수 개의 유기 링커를 혼합하는 단계; 및
상기 골격구조를 형성하는 과정에서 바이오 이미징용 물질을 상기 골격구조의 기공에 삽입하는 단계를 포함하고,
상기 혼합하는 단계와 상기 삽입하는 단계는 함께 이루어지며,
상기 기공의 크기가 상기 바이오 이미징용 물질의 크기에 대응되도록 형성되는,
나노금속유기골격구조체의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 삽입하는 단계는,
상기 바이오 이미징용 물질을 상기 복수 개의 금속 클러스터와 복수 개의 유기 링커와 함께 혼합시키는,
나노금속유기골격구조체의 제조방법.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 바이오 이미징용 물질은, 유기 염료(Organic dye)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
나노금속유기골격구조체의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
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