KR102255227B1 - 종횡비 조절이 가능한 총알형 실리카 콜로이드의 제조방법 및 이에 따라 제조한 총알형 실리카 콜로이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알코올에 폴리비닐피롤리돈을 첨가하고 용해시키는 제1단계; 무수 알콜, 초순수 및 염을 첨가하여 유탁액을 얻고 암모니아를 첨가하는 제2단계; 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)를 첨가한 후 교반하며 반응을 진행하여 총알형 실리카 입자를 얻는 제3단계; 및 원심분리를 통해 반응액과 실리카 입자를 분리하고, 현탁시켜 총알형 실리카 입자 농축 현탁액을 얻는 제4단계를 포함하는 총알형 실리카 콜로이드 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 총알형 실리카는 약으로 코팅되어 암 조직으로 전달될 수 있으며, 치료를 위한 단백질과 유전자를 전달할 수 있어 암치료를 위한 약물 전달체로 유망하다. 본 발명에 따른 총알형 실리카는 골 조직 공학 분야에 응용되어 다공질 세라믹(scaffold)으로서 다공질 세라믹의 강도를 향상시킬 수 있다.

Description

종횡비 조절이 가능한 총알형 실리카 콜로이드의 제조방법 및 이에 따라 제조한 총알형 실리카 콜로이드{Method for preparing an aspect ratio-controllable bullet-like silica colloid, and bullet-like silica colloid therefrom}

본 발명은 종횡비 조절이 가능한 총알형 실리카 콜로이드 제조방법 및 이에 따라 제조한 총알형 실리카 콜로이드에 관한 것이다.

실리카(SiO₂)는 장기간 순환이 가능한 친수성 표면, 표면개질을 위한 다양한 실란 화학, 우수한 생체 적합성, 대량 생산의 용이성 및 낮은 제조비용과 같은 특성 때문에 많은 분야에서 사용되고 있다. 기존 연구를 통해 나노-마이크로 크기의 실리카 구형입자 제조에 대한 기술은 다양하게 존재하고 있다. 이와 같은 실리카 구형 입자는 폐수처리, 공기정화, 약물전달, 생물의학 분야의 이미징, 센서 및 촉매 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 하지만 적용 분야에 따라 입자 모양의 차이는 연구결과에 영향을 줄 수 있다. 구체적으로, 막대기 모양 입자는 구형 모양 입자보다 빠르게 종양 조직에 침투할 수 있고, 자가조직화가 가능하며, 에너지 저장을 위한 복합 재료의 강도를 증가시킬 수 있다고 보고된 바 있다.

기존에 금, 산화철, 티타니아, 폴리스티렌, 탄소 나노 튜브, 및 기타 무기 물질 등의 막대형 나노입자가 약물 전달 물질 개발, 향상된 장치 개발을 위한 자가 조립 기능 개발, 다공성 매질 내 거동, 콜로이드 과학, 에너지 저장 또는 필터링을 위한 다공성 세라믹 강화 등을 위해 연구/제조되고 있다. 실리카 구형 나노입자 또한 약물 부하 향상, 약물방출조절, 약물의 표적화, 대량 생산, 나노입자의 거동, 환경적 영향 및 독성에 대한 연구가 진행되어 왔고, 막대형 입자의 생체투과성, 자가조직화 등의 장점으로 막대형 실리카 나노입자로 연구가 확대되고 있다. 그러나 위 연구에 적용될 수 있는 순수한 막대형 실리카 나노입자 제조에 대한 기술은 부족한 실정이다.

본 발명은 총알형 실리카 입자의 제조방법 및 총알형 실리카 입자를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 양태는 알코올에 전체 혼합 용액 중량 대비 5~15 wt%의 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)을 첨가하고 용해시키는 제1단계; 무수 알콜, 초순수 및 염을 첨가하여 유탁액을 얻고 0.1~1.0 wt%의 암모니아를 첨가하는 제2단계; 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS) 0.3~1.0 wt%를 첨가한 후 17~23℃에서 10~20 시간 동안 반응을 진행하여 총알형 실리카 입자를 얻는 제3단계; 및 원심분리를 통해 반응액과 실리카 입자를 분리하고, 현탁시켜 총알형 실리카 입자 농축 현탁액을 얻는 제4단계를 포함하는 총알형 실리카 콜로이드 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 총알형 실리카 콜로이드를 제공한다.

본 발명에 따르면 단순분산된 순수한 Bullet-like(총알형) 실리카 입자를 제조할 수 있으며 실리카의 전구체 시약인 TEOS의 양을 조절함으로써 총알형 실리카의 길이를 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 총알형 실리카 입자는 약으로 코팅되어 암 조직으로 전달될 수 있으며, 치료를 위한 단백질과 유전자를 전달할 수 있어 암치료를 위한 약물 전달체로 유망하다.

본 발명에 따른 총알형 실리카는 골 조직 공학 분야에 응용되어 다공질 세라믹(scaffold)으로서 다공질 세라믹의 강도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예 1에서 제조한 총알형 실리카 입자의 SEM 사진이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에서 TEOS의 양을 조절하여 제조한 총알형 실리카 입자의 SEM 사진이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 발명자들은 종횡비가 조절된 총알형 실리카 입자를 얻기 위해 노력하던 중, 실리카 졸겔 합성에 사용되는 PVP, 암모니아, 실리카 전구체의 사용량, 및 반응온도 및 시간을 조절함으로써 종횡비가 조절된 총알형 실리카 입자를 제조할 수 있음을 알게 되었다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.

본 발명에서, 총알형 실리카는 종횡비가 2.5~7인 실리카 입자를 의미하는 것으로 한다. 종횡비(aspect ratio)는 폭(두께)에 대한 길이의 비를 말한다.

본 발명에서는 계면활성제, 알코올, 암모니아 및 염 등이 혼합된 혼합용액에서 졸겔반응을 통해 총알형태의 실리카 입자를 제조한다.

본 발명은 총알형 실리카 입자를 제조하기 위해 상기 제조방법에 있어서 반응물인 PVP, 암모니아, TEOS의 사용량, 및 반응 온도를 조절한 것에 특징이 있다.

폴리비닐피롤리돈은 계면활성제로서, 막대 형태의 무기 및 금속산화물을 형성하는데 자주 이용된다.

본 발명에서, 폴리비닐피롤리돈의 첨가량은 5~15 wt%인 것이 바람직하다.

상기 알코올은 프로판올, 부탄올, 펜탄올 및 이들의 이성질체로 구성되는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하나, 1-펜탄올 등의 펜탄올인 것이 보다 바람직하다.

염은 구연산 나트륨 2수화물인 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다.

본 발명에서, 암모니아의 첨가량은 0.1~1.0 wt%인 것이 바람직하다.

테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)는 실리카 전구체로서 혼합용액에 첨가되어 실리카 핵을 형성하며, 교반하는 과정에서 실리카 핵을 중심으로 일정한 방향으로 실리카 미세입자가 성장하면서 총알형 실리카 입자를 형성하게 된다.

본 발명에서, TEOS의 첨가량은 전체 혼합 용액 중량 대비 0.3~1.0 wt%의 양으로 조절된다. TEOS의 첨가량이 0.3 wt% 미만이면 종횡비가 감소하여 구형에 가까운 모양이 형성될 수 있으며, 1.0 wt% 초과인 경우 종횡비가 증가하여 침상형에 가까운 모양이 형성될 수 있다.

상기 제3단계는 17~23℃에서 10~20시간 동안 진행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 총알형 실리카 콜로이드를 제공한다.

본 발명의 제조방법을 통해 얻어진 실리카 콜로이드는 총알형 실리카 입자가 균일하게 분산된 단일입자-상태이며, 약 100% SiO₂의 순도를 가지는 총알형 실리카 입자를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명에 따른 총알형 실리카 콜로이드 제조방법에 대하여 살펴보기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 1: 총알형 실리카 콜로이드의 제조

500ml 닫힌 유리병에서 300ml의 1-펜탄올(1-pentanol)에 평균 분자량 40,000 몰의 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 30g을 첨가하고 2시간 초음파 처리를 하여 완전히 용해시켰다. 다음에, 30ml의 무수 에탄올(absolute ethanol), 8.4ml의 초순수 및 구연산 나트륨 2수화물(sodium citrate dihydrate)(2ml, 0.18M)을 첨가하여 유탁액을 얻고 6.7ml의 암모니아(25 wt%)를 첨가하였다. 그 후, 테트라에틸 오르토실리케이트(tetra-ethyl orthosilicate, TEOS)를 손으로 흔들며 천천히 1.5ml를 첨가하였다. 병을 항온수조에 넣고, 손으로 흔들며 20℃에서 17시간 동안 혼합물 반응을 진행시켰다. 다음에, 혼합물을 3500G에서 700G로 단계적으로 속도를 줄여가며 원심분리하여 불순물을 최대한 제거하였고, 최종적으로 얻어진 입자를 35~40ml의 초순수에 분산하여 총알형 실리카 입자 농축 현탁액을 얻었다.

실험예 1: 실리카의 형태 및 조성 분석

실시예 1에서 제조한 실리카 입자에 대한 SEM 분석을 수행하였다.

도 1에 나타난 바와 같이, 실리카 입자는 길이 1.12±0.1㎛ 및 직경 0.26±0.04㎛로 총알 모양을 가짐을 확인하였다.

또한, EDS 분석을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.

총알형 실리카 입자의 화학 조성(%)	Si	O	총합
	50.40	49.60	100.00

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 얻어진 총알형 실리카 입자는 Si와 O이외의 다른 성분을 포함하지 않았다.

실험예 2: TEOS양의 조절에 의한 실리카 입자의 종횡비 조절

TEOS의 양을 0.3 wt%, 0.45 wt%, 1 wt%로 조절하여 제조한 실리카 입자의 종횡비를 비교하였다.

도 2 내지 4는 TEOS의 양을 조절하여 제조한 총알형 실리카 입자의 SEM 사진이다.

	TEOS의 양	종횡비
1	0.3 wt%	2.55
2	0.45 wt%	4.31
3	1.0 wt%	6.67

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (3)

1. 알코올에 전체 혼합용액 중량 대비 5~15 wt%의 폴리비닐피롤리돈을 첨가하고 용해시키는 제1단계;
   무수 알콜, 초순수 및 염을 첨가하여 유탁액을 얻고 0.1~1.0 wt%의 암모니아를 첨가하는 제2단계;
   테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS) 0.3 wt%, 0.45 wt% 또는 1 wt%를 첨가한 후 17~23℃에서 교반하며 반응을 진행하여 총알형 실리카 입자를 얻는 제3단계; 및
   원심분리를 통해 반응액과 실리카 입자를 분리하고, 현탁시켜 총알형 실리카 입자 농축 현탁액을 얻는 제4단계를 포함하고,
   상기 테트라에틸 오르토실리케이트 0.3 wt%, 0.45 wt%, 1 wt% 첨가에 따라 상기 얻어진 총알형 실리카 입자의 종횡비가 각각 2.55, 4.31, 6.67이며,
   상기 얻어진 총알형 실리카 입자는 Si 및 O 이외의 다른 성분을 포함하지 않는 것인 총알형 실리카 콜로이드 제조방법.
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