KR102530206B1 - 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법 - Google Patents

고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102530206B1
KR102530206B1 KR1020200138410A KR20200138410A KR102530206B1 KR 102530206 B1 KR102530206 B1 KR 102530206B1 KR 1020200138410 A KR1020200138410 A KR 1020200138410A KR 20200138410 A KR20200138410 A KR 20200138410A KR 102530206 B1 KR102530206 B1 KR 102530206B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer
polyalkylene oxide
nanoparticles
block
copolymer
Prior art date
Application number
KR1020200138410A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220053998A (ko
Inventor
장종대
한영수
김태환
Original Assignee
한국원자력연구원
전북대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원, 전북대학교산학협력단 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to KR1020200138410A priority Critical patent/KR102530206B1/ko
Publication of KR20220053998A publication Critical patent/KR20220053998A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102530206B1 publication Critical patent/KR102530206B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/12—Powdering or granulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G65/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule
    • C08G65/02—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring
    • C08G65/04—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring from cyclic ethers only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20—Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28—Treatment by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04—Ingredients treated with organic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L71/00—Compositions of polyethers obtained by reactions forming an ether link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L71/02—Polyalkylene oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
  • Manufacturing Of Micro-Capsules (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)

Abstract

본 발명은 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 쉘부를 포함하는 고분자 베시클; 및 상기 고분자 베시클의 쉘부에 매립되어 있는 나노 입자;를 포함하는 고분자-나노 입자 복합체로서, 상기 나노 입자는 상기 쉘부의 내부에서 2차원의 격자 구조로 배치되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체, 및 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 쉘부를 포함하는 고분자 베시클을 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액과 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;를 포함하고, 상기 고분자 베시클의 쉘부의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해서 형성된 소수성 영역의 평균 두께와 상기 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 3 ㎚ 이하인 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법{Polymer-Nanoparticle Composite and Method for Preparing Polymer-Nanoparticle Composite}
본 발명은 고분자 템플릿 내부에서 나노 입자가 자가 정렬되어 초격자 구조를 이루면서 2차원적 구조체가 형성된 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
나노 입자를 이용하여 초격자 구조를 형성하는 것은 해당 나노 입자의 새로운 기능적인 활용과 물리적 성질의 개질을 유도할 수 있는 새로운 방법으로 제시되고 있다. 일반적으로 벌크의 개념에서 형성되는 초격자 구조에 대한 연구는 많이 존재하지만, 제한된 영역 내에 초격자 구조를 형성하는 것은 아직까지 한계점이 많은 것으로 알려져 있다. 한편 차세대 기술에 적합한 구조를 형성하기 위해 초격자 구조가 존재할 수 있도록 그 영역을 제한하는 템플릿을 제공해 주는 것이 중요한데, 이러한 템플릿을 형성하는 데에는 다양한 분야에 응용이 가능할 수 있는 고분자 물질을 활용하는 것이 산업적으로 유리하며, 생체적합성이 뛰어난 고분자를 활용함으로써 나노구조체는 약물 전달 운송체 및 나노 반응기로의 응용 또한 가능하여 많은 연구 분야에서 연구 소재로 주목받고 있다.
위와 같은 고분자 구조체는 일반적으로 구 (sphere), 봉 (cylinder), 베시클 (vesicle) 등의 다양한 물리적 형태로 형성될 수가 있는데, 그 중에서도 베시클 형태의 경우에는 코어가 비어있는 형태를 가지고 있어, 다양한 응용분야에서 담체로서의 효율이 가장 높다고 평가받고있는 물리적 형태이다. 베시클 구조는 비어있는 코어 영역에 다른 물질을 담지한 상태로 이동이 가능하며, 이는 높은 밀도의 수준으로 고분자가 결속되어 담지된 물질의 누출을 막아줌으로써, 담지된 물질의 체류시간을 늘려주기도 한다. 이러한 구조적 특성은 나노 반응기로의 활용 가능성도 기대할 수 있게 해주며, 물리화학적 특성에 따라 나노입자들이 한정된 구조적 영역 내에서 특정 규칙에 의해 배열되어 초격자 구조를 형성할 수도 있다. 이는 주어지는 외부조건에 따라 정렬 구조와 비정렬 구조를 가역적으로 조절이 가능하며, 이러한 현상을 응용함으로써, 초소형 반응기가 요구되는 차세대 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 예상되는 바이다.
종래의 연구성과물들에 따르면, 생체 적합성이 뛰어난 폴리에틸렌글리콜을 기반으로 한 고분자를 이용하여 바이오 센서로의 적용을 위해 나노 입자를 도입한 경우들이 있으나, 고분자 템플릿에 나노 입자를 도입하기 위해서는, 고분자 및/또는 나노 입자를 기능화(기능기 도입)하는 것이 필수 요건으로 수행되어 왔다. 또한, 베시클 구조의 고분자 복합체에 나노 입자를 적용하기 위해서도 다양한 노력이 시도되어 왔으나, 여전히 기능기에 의한 공유결합에 따른 도입 방법 외에는 고분자-나노 입자 복합체를 형성하는 것이 불가능한 것으로 알려져 있다. 하지만, 이러한 기능기의 도입은 구조체를 형성하기 위해 사용된 고분자 혹은 나노 입자가 본래 가지고 있는 물성이 변화될 수 있는 가능성을 가지고 있고, 기능기에 의한 결속력의 강화로 구조의 생분해 가능성이 떨어지는 결과를 초래할 수 있다.
따라서 고분자 및 나노 입자의 물성을 유지할 수 있는 대안으로, 한정된 영역 내에 초격자 구조의 나노 입자를 자발적으로 도입하기 위한 연구가 지속적으로 수행되고 있으며, 이 기술 연구에서는 비기능화에 의해 형성되어 구조체를 이루고, 구조체 내부에서 나노 입자들이 자가 정렬될 수 있는 조건을 제시한다.
고분자-나노 입자 복합체를 형성하기 위해서는 기능기의 도입이 필수적인 요건으로 제시되어 왔다. 특히, 고분자-나노 입자 복합체가 (중공형 코어부와 쉘부를 포함하는) 베시클 구조로 형성되는 것은 특히 어려운 것이기에 베시클 형태의 복합체를 형성하기 위해서는 기능기의 도입이 없이는 실현이 불가능하였다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하고자, 고분자(폴리알킬렌옥사이드계 공중합체)가의 자발적으로 베시클 구조체를 형성할 수 있는 조건을 제공하고자 하며, 고분자-나노 입자 복합체의 나노 반응기로의 역할을 기대할 수 있도록 제조된 고분자 베시클의 소수성 영역에 나노 입자가 2차원의 격자 구조의 형태로 도입된 고분자-나노 입자 복합체를 제공하고자 한다.
고분자-나노 입자 복합체가 자발적으로 형성될 시, 나노 입자가 불규칙하게 정렬이 되는 것이 일반적인 현상이다. 하지만, 본 발명의 고분자-나노 입자 복합체는, 고분자 베시클의 구조를 미세하게 조절해 줌으로써 나노 입자가 고분자 베시클의 쉘부의 내부에 규칙적으로 배열될 수 있도록 유도하는 것이 가능하다. 규칙적으로 배열된 나노 입자들은 고분자 베시클의 중공형의 코어에 담지된 물질과의 상호작용이 가능한 나노 반응기로의 가능성을 기대할 수 있다. 이에, 고분자 베시클의 쉘부의 내부에 나노 입자들이 자가 정렬되어서 초격자 구조를 형성하는 특정 조건 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 쉘부를 포함하는 고분자 베시클; 및 상기 고분자 베시클의 쉘부에 매립되어 있는 나노 입자;를 포함하는 고분자-나노 입자 복합체로서, 상기 나노 입자는 상기 쉘부의 내부에서 2차원의 격자 구조로 배치되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 쉘부를 포함하는 고분자 베시클을 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액과 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;를 포함하고, 상기 고분자 베시클의 쉘부의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해서 형성된 소수성 영역의 평균 두께와 상기 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 3 ㎚ 이하인 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 고분자 및/또는 나노 입자의 표면에 기능기를 도입하지 않고서도 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 이용한 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 쉘부의 내부에 나노 입자가 자발적으로 수용, 배치될 수 있어서, 기존의 기능기를 통해 도입된 고분자-나노 입자 복합체에 비해 상호 간의 결합력이 약해서 고분자 구조체 내에서 나노 입자 상호 간의 (또는, 정렬된 나노 입자와 복합체의 코어 부분에 담지된 임의의 물질과의) 위치 교환, 전자 교환, 혹은 에너지 교환이 가능하여 다양한 응용 분야에서의 활용 가능성이 높고, 고분자-나노 입자 복합체의 쉘부의 외벽이 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 영역으로 이루어져 있어 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체가 가지는 생체 적합성을 유지할 수 있으며, 궁극적으로 나노 입자가 도입되더라도 고분자 베시클의 형태, 물성 변화가 최소화된 고분자-나노 입자 복합체를 제공할 수 있는 효과가 있다.
나아가 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 두께를 조절함에 따라 도입된 나노 입자는 자발적으로 거동하여 고분자 베시클 구조체 내에서 초격자 구조를 형성할 수 있어서, 제조된 고분자-나노 입자 복합체를 나노 반응기 또는 나노 디바이스로 활용하는데 매우 적합하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고분자-금 나노 입자 복합체의 개략적인 형태를 나타낸 도시이다.
도 2는 본 발명의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 합성 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 금 나노 입자의 TEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 금 나노 입자의 UV-vis 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 베시클 용액을 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체 용액을 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실험예 1에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 UV-vis 흡광 파장 영역의 변화를 측정한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예 1에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 유체역학적 직경을 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 10은 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 베시클의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 11은 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 cryo-TEM 이미지를 나타낸 결과이다.
도 12는 본 발명의 실험예 4에 따라 실시예 1에서 제조된 고분자 베시클에 대한 SANS 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 13은 본 발명의 실험예 4에 따라 실시예 1에서 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체에 대한 SANS 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 14는 본 발명의 실험예 5에 따라 제조된 고분자 베시클의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 15 내지 도 20은 본 발명의 실험예 5에 따라 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 21 내지 도 26은 본 발명의 실험예 6에 따라 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 27은 본 발명의 실험예 7에 따라 제조된 고분자 베시클의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 28 내지 도 33은 본 발명의 실험예 7에 따라 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 34는 본 발명의 비교 실험예 1에 따라 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 35는 본 발명의 비교 실험예 2에 따라 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 SAXS를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 고분자-나노 입자 복합체
본 발명은 고분자-나노 입자 복합체를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고분자-나노 입자 복합체는 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 쉘부를 포함하는 고분자 베시클; 및 상기 고분자 베시클의 쉘부에 매립되어 있는 나노 입자;를 포함하는 고분자-나노 입자 복합체로서, 상기 나노 입자는 상기 쉘부의 내부에서 2차원의 격자 구조로 배치되어 있는 것일 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록을 모두 포함하는 양친매성 공중합체로서, 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 알킬렌옥사이드 유래의 친수성 블록과 글리시딜에테르계 모노머 유래의 소수성 블록을 포함하는 블록 공중합체일 수 있다.
상기 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 쉘은 친수성 영역과 소수성 영역을 포함할 수 있다. 구체적으로는 친수성 영역이 소수성 영역을 둘러싸는 구조일 수 있다. 상기 고분자 베시클의 쉘부의 친수성 영역은 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록에 의해서 형성되는 것일 수 있고, 소수성 영역은 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해서 형성되는 것일 수 있다.
상기 알킬렌옥사이드는 친수성 블록을 형성하기 위해 에틸렌옥사이드(EO)를 포함할 수 있으며, 상기와 같이 에틸렌옥사이드 유래의 친수성 블록을 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 생체 적합성이 뛰어나다.
상기 글리시딜에테르계 모노머는 소수성 블록을 형성하기 위해 이소프로필글리시딜에테르(IPGE) 또는 알릴글리시딜에테르(AGE) 등을 포함할 수 있다. 소수성 블록으로 글리시딜에테르계 모노머를 이용하는 경우에는, 폴리알킬렌옥사이드계의 고분자와 공중합체를 형성할 시, 폴리알킬렌옥사이드계와 체인의 구조가 유사하게 변화하면서, 페그화(PEGylated) 현상에 의해 생체적합성이 높아질 수 있기 때문에 의학적 용도로의 활용이 용이하다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 폴리알킬렌옥사이드-폴리글리시딜에테르계 공중합체를 포함할 수 있고, 구체적으로는 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 폴리에틸렌옥사이드(PEG)-폴리이소프로필글리시딜에테르(PiPGE)의 블록 공중합체 또는 폴리에틸렌옥사이드(PEG)-폴리알릴글리시딜에테르(PAGE)의 블록 공중합체 등을 포함할 수 있다.
상기 고분자 베시클은 중공형 코어부와 쉘부를 가지는 중공형 코어-쉘 구조일 수 있는데, 이러한 중공형 코어-쉘 구조를 가지는 고분자 베시클 구조를 형성하기 위해서, 서로 다른 2종 이상의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클을 형성하기 위해 친수성 블록과 소수성 블록이 공존하는 형태의 폴리알킬렌옥사이드계 양친매성 공중합체를 활용하고, 상기 양친매성 공중합체의 친수성 블록(또는 소수성 블록)의 질량 분율을 조절하여 고분자 베시클을 형성할 수 있다.
상기 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클은, 중공형 코어-쉘 구조를 형성하기 위해서, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록의 질량 분율이 0.25 내지 0.45일 수 있다. 예를 들어, 상기 서로 다른 2종 이상의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체가 혼합되어 최종적으로 친수성 블록의 질량 분율이 0.25 내지 0.45인 것일 수 있다. 즉 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록의 질량 분율이 소수성 블록의 질량 분율보다 작은 것일 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율이란 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 총 질량 중 친수성 블록이 차지하는 질량 백분율을 의미하는 것일 수 있다. 즉 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율이 0.25인 경우에는 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록이 총 중량 중 25 wt% 포함되었다는 것을 의미하고, 또는 친수성 블록과 소수성 블록이 25:75의 중량비로 포함되었다는 것을 의미할 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록(또는 소수성 블록)의 질량 분율은 NMR 분석에 의해 수평균분자량을 계산하는 방법과 GPC 분석에 의해 중량평균분자량의 증가에 따른 평균분자량을 계산하는 방법으로 규정할 수 있으며, 일반적으로 계산된 질량 분율의 신뢰성을 높이기 위해 두 가지의 계산법을 동시에 수행하여 계산된 평균 값을 적용할 수 있다.
기존에는 고분자 베시클을 합성할 때, 고분자 베시클이 형성되는 온도 조건을 변화시켜줌으로써, 중공형 코어를 가지는 베시클 형태의 마이셀을 형성하는 방법을 이용하였으나, 본 발명에서는 보다 정밀하게 고분자 베시클의 쉘부의 두께를 더욱 미세하게 조절할 수 있는 방법을 도입하기 위해 고분자 베시클이 형성되는 온도 조건을 변화시켜주는 것 대신에 서로 다른 2종 이상의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 이용하되 혼합된 전체의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록의 질량 분율을 친수성 블록 질량 분율보다 높일 수 있는 방법으로, 소수성 블록의 길이가 상대적으로 더 긴 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 첨가하여 혼합하는 방법을 적용하였다.
예를 들어, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록의 질량 분율이 0.4 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.3인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.5 내지 0.6일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.1 내지 0.2일 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 1 내지 1 : 5의 중량비로 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로는 1 : 1 내지 1 : 3의 중량비 또는 1 : 2 내지 1 : 3의 중량비로 포함하는 것일 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우에 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체로부터 유래되는 고분자 베시클이 자발적으로 중공형 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 1 : 1 미만인 경우에는 나노 입자 용액을 안정화시키는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분이 충분하지 못하여서 고분자-나노 입자 복합체가 마이크로 에멀젼을 온전히 형성하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 1 : 5 초과인 경우에는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분의 과잉으로 구형 내지 중공형 구조는 붕괴되고 폴리알킬렌옥사이드 블록과 폴리알킬글리시딜에테르 블록이 적층된 형태의 라멜라 구조와 같은 구형 내지 중공형이 아닌 다른 형태의 구조체가 형성될 수 있다.
상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 2,000 내지 30,000 g/mol일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 150 내지 10,000 g/mol일 수 있다. 상기 중량평균분자량은 당업계에 알려진 통상의 방법에 의해 측정이 가능하며, 예를 들어 GPC (gel permeation chromatograph) 방법으로 측정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
(알킬렌옥사이드)n1(글리시딜에테르계 모노머)n2
[화학식 2]
(알킬렌옥사이드)m1(글리시딜에테르계 모노머)m2
상기 화학식 1 및 2에 있어서,
n1, n2, m1, m2는 괄호 내의 각 블록을 형성하는 모노머 사슬이 연결된 개수를 의미하는 것으로서, n1은 40 내지 120이고, n2는 10 내지 50이며, m1은 10 내지 30이고, m2는 20 내지 30이다.
구체적으로 n1은 40 내지 50일 수 있고, n2는 15 내지 20일 수 있으며, 또는 n1은 100 내지 120일 수 있고, n2는 40 내지 50일 수 있다. m1은 10 내지 20일 수 있고, m2는 20 내지 25일 수 있다.
상기와 같이 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록과 소수성 블록의 사슬 (chain) 길이를 조절함에 따라 자기조립에 의해 형성되는 고분자 베시클이 중공형 코어-쉘 구조를 가지는 것에 더하여 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께를 3 내지 5 ㎚로 조절할 수 있고, 구체적으로는 3.5 내지 5 ㎚, 3.5 내지 4 ㎚, 또는 3 내지 4 ㎚로 조절할 수 있다.
상기 고분자 베시클(polymer vesicle)은 폴리머솜(polymersome)이라고도 하는 속이 비어있는 중공형 코어부와 쉘부를 포함하는 중공형 코어-쉘 구조(hollow core-shell)일 수 있다. 상기 고분자 베시클은 일반적인 코어-쉘 미셀 구조와는 달리, 코어가 비어있는 중공형일 수 있고, 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체가 쉘부를 형성하는 구조일 수 있다.
본 발명의 고분자-나노 입자 복합체는 중공형 코어부와 쉘부를 가지는 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클을 형성할 수 있어서, 비어있는 코어부에 다른 생체 물질, 약물 등의 기타 물질을 수용함에 따라 약물 전달 운송체의 측면에서 활용성이 뛰어나고, 나아가 고분자와 나노 입자간에 결합에너지가 약한 비공유 결합을 응용함으로써, 복합체 구조의 해체가 비교적 수월하기 때문에 중공형-코어 쉘 구조체의 코어부에 담지한 생체 물질 등을 방출하는데 유리한 장점이 있다.
상기 고분자 베시클은 구형 또는 구에 가까운 형태를 가질 수 있다.
상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해서 형성된 소수성 영역 중에 분산되어 있는 것일 수 있다. 특히 상기 나노 입자는 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록과 별도의 기능기를 매개로 한 공유 결합이 아닌 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)의 비공유 결합에 의해 분산되어 있는 것일 수 있다.
상기 나노 입자가 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역 중에 분산되어 있다는 것은, 상기 나노 입자가 소수성 영역 중에 함몰되어 있거나, 고정되어 있거나, 임베드(embed)되어 있는 것을 의미할 수 있다.
상기 나노 입자가 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역에 매립되는 경우, 상기 나노 입자가 매립된 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 두께는 소정의 두께만큼 커질 수 있으나, 이는 본 발명의 고분자-나노 입자 복합체의 전체적인 형태 및 기능에 영향을 미치는 정도는 아니다.
상기 고분자 베시클의 쉘부의 내부 표면측 및 외부 표면측에는, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록이 노출되어 있는 것일 수 있다. 즉, 상기 고분자 베시클의 쉘부의 친수성 영역은 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록에 의해 형성되어서, 소수성 영역을 샌드위치 형태로 둘러싸고 쉘부의 내/외부 표면측에 형성되는 것일 수 있다. 이에 따라 상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역에 하나의 층으로 정렬되어 분산된 것일 수 있다. 따라서, 나노 입자가 고분자 베시클 구조 내에서 얇은 막의 형태로 존재할 수 있어서, 코어 부분이나 고분자 베시클 구조의 전체적인 형태에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
상기 나노 입자는 상기 쉘부의 내부에서 2차원의 격자 구조(또는 초격자 구조)로 배치될 수 있다. 구체적으로는 상기 나노 입자는 2차원의 중심 직사각형 격자 (centered rectangular lattice) 구조로 배치되는 것일 수 있다.
이 때 상기 나노 입자의 2차원 격자 구조는 도 9 및 도 11에 나타낸 바와 같이 중심 직사각형 격자의 가로(a)가 4 내지 7 ㎚일 수 있고, 세로(b)가 6 내지 10 ㎚ 일 수 있으며, 구체적으로는 중심 직사각형 격자의 가로(a)가 5 내지 6 ㎚이고, 세로(b)가 8 내지 9 ㎚일 수 있다.
상기 나노 입자는 금 나노 입자, 은 나노 입자, 자성 나노 입자, 퀀텀 나노 입자 (quantum dot) 및 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 입자는 금 나노 입자; 은 나노 입자; 산화철 (FeO, Fe2O3, Fe3O4 등), 또는 산화철을 포함하거나 합금 (FePt, CoPt 등)을 포함하는 자성 나노 입자; 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 또는 황화아연 (ZnS) 등의 퀀텀 나노 입자 (quantum dot); 및 다양한 원소의 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 나노 입자는 표면이 소수성을 가지도록 제조된 것이거나, 헥세인, 톨루엔, 에탄올 등의 유기용매에 분산이 될 수 있는 성질을 가질 수 있도록 제조된 것일 수 있다. 그에 따라 상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역에 매립될 수 있다.
상기 나노 입자의 평균 입경(D50)은 2 내지 5 ㎚인 것일 수 있고, 구체적으로는 3 내지 5 ㎚일 수 있고, 또는 3 내지 4 ㎚인 것일 수 있다. 상기 평균 입경(D50)은 입자의 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있으며, 상기 평균 입경(D50)은 당업계에서 사용되는 통상의 방법으로 측정될 수 있으며, 예를 들어 레이저 회절법을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께와 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 3 ㎚ 이하일 수 있고, 구체적으로는 2 ㎚ 이하, 0 ㎚ 내지 2 ㎚, 또는 0 ㎚ 내지 1 ㎚ 일 수 있다. 바람직하게는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께가 나노 입자의 평균 입경(D50)과 동일하거나 작은 것일 수 있다. 또는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께와 상기 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이는 약 10% 이하일 수 있다.
상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께와 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 상기 범위를 만족하는 경우에는 상기 나노 입자가 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역에 수용될 때 2차원의 격자 구조(또는 초격자 구조)를 가질 수 있다.
상기 고분자-나노 입자 복합체를 체내 약물 전달용 운송체의 목적으로 이용하려는 경우에는 상기 고분자-나노 입자 복합체의 평균 입경(D50)은 모세혈관과 같은 극미세혈관을 통과할 수 있는 크기인 30 내지 500 ㎚인 것일 수 있고, 구체적으로는 50 내지 300 ㎚인 것일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
상기 고분자-나노 입자 복합체를 나노 센서로 응용(적용)하려는 경우에는 그 평균 입경(D50)이 10 내지 1000 nm일 수도 있으며, 또는 마이크로 센서로 응용(적용)하려는 경우에는 그 평균 입경(D50)이 마이크로 영역 대의 크기일 수도 있다.
2. 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법
본 발명은 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법은 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 쉘부를 포함하는 고분자 베시클을 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액과 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;를 포함하고, 상기 고분자 베시클의 쉘부의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해서 형성된 소수성 영역의 평균 두께와 상기 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 3 ㎚ 이하인 것일 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록을 모두 포함하는 양친매성 공중합체로서, 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 알킬렌옥사이드 유래의 친수성 블록과 글리시딜에테르계 모노머 유래의 소수성 블록을 포함하는 블록 공중합체인 것일 수 있다.
상기 알킬렌옥사이드는 친수성 블록을 형성하기 위해 에틸렌옥사이드(EO)를 포함할 수 있으며, 상기와 같이 에틸렌옥사이드 유래의 친수성 블록을 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 생체 적합성이 뛰어나다.
상기 글리시딜에테르계 모노머는 소수성 블록을 형성하기 위해 이소프로필글리시딜에테르(IPGE) 또는 알릴글리시딜에테르(AGE) 등을 포함할 수 있다. 소수성 블록으로 글리시딜에테르계 모노머를 이용하는 경우에는, 폴리알킬렌옥사이드계의 고분자와 공중합체를 형성할 시, 폴리알킬렌옥사이드계와 체인의 구조가 유사하게 변화하면서, 페그화(PEGylated) 현상에 의해 생체적합성이 높아질 수 있기 때문에 의학적 용도로의 활용이 용이하다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 폴리알킬렌옥사이드-폴리글리시딜에테르계 공중합체를 포함할 수 있고, 구체적으로는 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 폴리에틸렌옥사이드(PEG)-폴리이소프로필글리시딜에테르(PiPGE)의 블록 공중합체 또는 폴리에틸렌옥사이드(PEG)-폴리알릴글리시딜에테르(PAGE)의 블록 공중합체 등을 포함할 수 있다.
또한 상기 고분자 용액은 고분자 베시클이 중공형 코어부와 쉘부를 가지는 중공형 코어-쉘 구조를 가지기 위하여, 서로 다른 2종 이상의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 것일 수 있다. 특히 상기 고분자 용액은 친수성 블록의 질량 분율이 0.25 내지 0.45인 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 고분자 용액은 서로 다른 2종 이상의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체가 혼합되어 최종적으로 친수성 블록의 질량 분율이 0.25 내지 0.45인 것일 수 있다.
구체적으로 상기 고분자 용액은 친수성 블록의 질량 분율이 0.4 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.3인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 혼합 용액을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.5 내지 0.6일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.1 내지 0.2일 수 있다.
상기와 같은 친수성 블록의 질량 분율을 가지는 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함함에 따라, 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체로부터 형성되는 고분자 베시클이 자발적으로 중공형 코어-쉘 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체가 상기 범위의 친수성 블록의 질량 분율을 벗어나는 경우에는 고분자 구조체가 중공형 코어-쉘 구조의 베시클 형상으로 형성되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
또한 상기 고분자 용액은 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 1 내지 1 : 5의 중량비로 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로는 1 : 1 내지 1 : 3의 중량비, 또는 1 : 2 내지 1 : 3의 중량비로 포함하는 것일 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우에 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체로부터 유래되는 고분자 베시클이 자발적으로 중공형 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 1 : 1 미만인 경우에는 나노 입자 용액을 안정화시키는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분이 충분하지 못하여서 고분자-나노 입자 복합체가 마이크로 에멀젼을 온전히 형성하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 1 : 5 초과인 경우에는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분의 과잉으로 중공형 구조는 붕괴되고 폴리알킬렌옥사이드 블록과 폴리알킬글리시딜에테르 블록이 적층된 형태의 라멜라 구조와 같은 구형 내지 중공형이 아닌 다른 형태의 구조체가 형성될 수 있다.
상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 2,000 내지 30,000 g/mol일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 150 내지 10,000 g/mol일 수 있다. 상기 중량평균분자량은 당업계에 알려진 통상의 방법에 의해 측정이 가능하며, 예를 들어 GPC (gel permeation chromatograph) 방법으로 측정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
(알킬렌옥사이드)n1(글리시딜에테르계 모노머)n2
[화학식 2]
(알킬렌옥사이드)m1(글리시딜에테르계 모노머)m2
상기 화학식 1 및 2에 있어서, n1, n2, m1, m2는 괄호 내의 각 블록을 형성하는 모노머 사슬이 연결된 개수를 의미하는 것으로서, n1은 40 내지 120고, n2는 10 내지 50이며, m1은 10 내지 30이고, m2는 20 내지 30으로 결정할 수 있으나, 합성에 사용되는 글리시딜에테르계 모노머의 분자량에 따라 변화할 수 있으므로, 이를 상기와 같이 한정할 수는 없다.
구체적으로 n1은 40 내지 50일 수 있고, n2는 15 내지 20일 수 있으며, 또는 n1은 100 내지 120일 수 있고, n2는 40 내지 50일 수 있다. m1은 10 내지 20일 수 있고, m2는 20 내지 25일 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 형성하는 각 블록의 질량 분율이 중공형 코어부 및 쉘부를 가지는 고분자 베시클을 형성할 수 있는 질량 분율을 가지도록, 하나의 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록의 질량 분율의 비율이 0.6 : 1 내지 9 : 1이 되도록, 또는 0.6 : 1 내지 1.5 : 1, 또는 1 : 1 내지 1.5 : 1이 되도록 모노머 사슬의 개수를 결정하고, 다른 하나의 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록의 질량 분율의 비율이 1 : 2 이상, 또는 1 : 2.3 내지 1 : 9, 또는 1 : 8 내지 1 : 9가 되도록(소수성 블록의 모노머 사슬 길이가 친수성 블록의 모노머 사슬의 길이보다 월등히 길도록 합성하여)하여, 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 혼합액 전체의 친수성 블록의 질량 분율이 0.25 내지 0.45가 되도록 조절할 수 있다.
상기와 같이 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 블록의 사슬 (chain) 길이를 조절함에 따라 자기조립에 의해 형성되는 고분자 베시클이 중공형 코어-쉘 구조를 가지는 것에 더하여 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께를 3 내지 4 ㎚로 조절할 수 있고, 구체적으로는 3.5 내지 5 ㎚, 3.5 내지 4 ㎚, 또는 3 내지 4 ㎚로 조절할 수 있다.
그에 따라 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께와 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 3 ㎚ 이하일 수 있고, 구체적으로는 2 ㎚ 이하, 0 ㎚ 내지 2 ㎚, 또는 0 ㎚ 내지 1 ㎚ 일 수 있다. 바람직하게는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께가 나노 입자의 평균 입경(D50)과 동일하거나 작은 것일 수 있다. 또는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역의 평균 두께와 상기 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이는 약 10% 이하일 수 있다.
상기 고분자 용액은 진공 상태에서 제조되는 것일 수 있고, 25 내지 65 ℃에서 제조되는 것일 수 있다.
구체적으로 진공 반응기에 폴리알킬렌옥사이드 용액과 개시제를 주입한 후 반응을 시작하고, 이어서 글리시딜에테르계 모노머 용액을 첨가하여 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 것일 수 있다. 구체적인 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 합성 메커니즘은 도 2에 나타내었다.
상기 개시제로는 포타슘 나프탈레나이드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 방법으로 제조된 고분자 용액에는 중공형 코어부 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 쉘부를 포함하는 중공형 코어-쉘(hollow core-shell) 구조의 고분자 베시클이 포함될 수 있다.
상기 나노 입자 용액은 표면이 소수성을 가지도록 합성된 나노 입자를 유기 용매에 혼합하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 표면이 소수성을 가지도록 합성된 나노 입자는 물, 중수 등에서는 잘 분산되지 않고, 유기 용매에는 잘 분산될 수 있다.
상기 나노 입자는 나노 입자 전구체를 아민계 화합물을 이용하여 환원시켜 얻어지는 것일 수 있다.
상기 나노 입자 전구체는 하이드로젠 테트라클로로아우레이트 하이드라이트(HAuCl4·3H2O), 또는 테트라클로로아우레이트하이드로젠 (HAuCl4) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아민계 화합물은 올레일아민(oleylamine), 테트라-n-부틸암모늄 브로마이드(TBAB), 또는 테트라옥틸암모늄 브로마이드(TOAB) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 용매는 탄화수소계 용매와 알코올계 용매를 포함할 수 있고, 구체적으로는 알케인(CnH2n+2), 알켄(CnH2n), 알카인(CnH2n-2), 다이엔(CnH2n-4), 트라이엔(CnH2n-6), 사이클로알케인, 사이클로알켄, 사이클로알카인, 아렌, 아눌렌, 알코올, 또는 수산기(-OH) 함유 용매 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 헥세인(hexane)일 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체와 나노 입자의 중량비가 3 : 1 내지 10 : 1을 만족하도록, 상기 고분자 용액에 나노 입자 용액을 혼합하는 것일 수 있다. 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체와 나노 입자의 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우에, 나노 입자와 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 상호 작용으로 인해, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역 중에 나노 입자가 고르게 분산되어 나노 입자가 2차원의 격자 구조로 배치될 수 있다.
상기 나노 입자는 금 나노 입자, 은 나노 입자, 자성 나노 입자, 퀀텀 나노 입자 (quantum dot) 및 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 입자는 금 나노 입자; 은 나노 입자; 산화철 (FeO, Fe2O3, Fe3O4 등), 또는 산화철을 포함하거나 합금 (FePt, CoPt 등)을 포함하는 자성 나노 입자; 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 또는 황화아연 (ZnS) 등의 퀀텀 나노 입자 (quantum dot); 및 다양한 원소의 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계는 20 kHz 이상의 소니케이션 (sonication)을 포함하는 것일 수 있다. 상기 소니케이션은 일반적으로 사용되는 소니케이터를 이용할 수 있으며, 상기 범위의 주파수를 만족하는 경우에는, 강한 에너지가 주입되어서 나노 입자가 혼합 용액 내에서 잘 분산되고, 나아가 상기 고분자 베시클의 쉘부의 소수성 영역에 매립될 수 있도록 해줄 수 있다.
상기 혼합 용액을 제조하는 단계 후, 상기 혼합 용액 중의 나노 입자 용액에 함유된 유기 용매를 탈용매시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 유기 용매를 탈용매시키는 단계는, 상기 유기 용매의 끓는점 이상이면서 물의 끓는점인 100℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 용매가 헥세인(hexane)인 경우에는, 상기 혼합 용액의 온도를 70 내지 80℃로 올려서, 나노 입자가 유기 용매로부터 벗어나도록 하여 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 쉘부의 소수성 영역에 잘 분산될 수 있다.
상기와 같은 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법에 따라 제조된 고분자-나노 입자 복합체는, 상기 고분자 베시클의 쉘부의 내부에서 2차원의 격자 구조로 배치되어 있는 것일 수 있다.
특히 상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해 형성된 소수성 영역에 하나의 층으로 정렬되어 분산된 것일 수 있다. 나아가, 방사선과 같은 특정 빛 입자에 대한 산란 대비에 있어, 낮은 산란 길이 밀도(scattering length)를 가진 고분자 혹은 올리고머 물질에 대해 산란 길이 밀도가 높은 나노 입자를 도입함으로써, 고분자 혹은 올리고머로 이루어진 구조체를 추적하는 데에 유리함을 목적으로 분산된 것일 수 있다. 또한, 나노 입자가 고분자 베시클의 쉘부의 내부에서 2차원의 얇은 막의 형태로 존재할 수 있으며, 코어 부분이나 고분자 베시클 구조의 전체적인 형태에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
상기 나노 입자가 상기 고분자 베시클의 쉘부의 내부의 소수성 영역에 2차원의 격자 구조로 배치되는 경우 상기 나노 입자는 2차원의 중심 직사각형 격자 (centered rectangular lattice) 구조를 가질 수 있다.
이 때 상기 나노 입자는 도 9 및 도 11에 나타낸 바와 같이 중심 직사각형 격자의 가로(a)가 4 내지 7 ㎚일 수 있고, 세로(b)가 6 내지 10 ㎚ 일 수 있으며, 구체적으로는 중심 직사각형 격자의 가로(a)가 5 내지 6 ㎚이고, 세로(b)가 8 내지 9 ㎚일 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> - 금 나노 입자의 합성
금 나노 입자는 Brust 방법으로 합성되었다. 1,2,3,4-테트라-하이드로나프탈렌 (1,2,3,4-tetra-hydronaphthalene, Sigma Aldrich) 40 ml, 올레일아민 (oleylamine, Sigma Aldrich) 40 ml, HAuCl4·3H2O (Sigma Aldrich) 0.4 g을 플라스크에 투입한 후, 25℃에서 마그네틱 교반기를 이용하여 500 rpm에서 10 분간 교반하여 전구체 용액을 제조하였다.
제조된 전구체 용액에 tert-부틸아민-보란 복합체 (TBAB, Sigma Aldrich) 86 mg, 1,2,3,4-테트라-하이드로나프탈렌 (1,2,3,4-tetra-hydronaphthalene, Sigma Aldrich) 1 ml, 올레일아민 (oleylamine, Sigma Aldrich) 1 ml을 혼합하여 45℃에서 반응시켰다.
1 시간 후 에탄올 (Sigma Aldrich) 60 ml를 첨가하여 환원제를 제거하였다. 원심 분리기 (3,000 rpm, 8분)를 이용하여 금 나노 입자를 회수하였고, 이를 헥세인 용매에 보관하였다. 제조된 금 나노 입자의 평균 직경(D50)은 4 ㎚(±0.2 ㎚)이었고, 제조한 금 나노 입자 용액은 붉은 색을 나타내었다. 제조된 금 나노 입자의 UV-vis 스펙트럼은 510 ㎚ 파장에서 넓은 피크를 나타내었다. 이는 금 나노 입자의 표면 플라즈몬 공명 (SPR)에 기인한 것이다.
제조된 금 나노 입자의 TEM 이미지를 도 3에 나타내었고, 평균 직경 분포 및 UV-vis 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.
<제조예 2-1> - 제1 블록 공중합체의 합성
이중 블록 공중합체는 음이온 개환 중합 (anionic ring-opening polymerization, AROP)의 방법으로 합성하였다. AROP 반응은 산소(O2) 및 수분(H2O)에 매우 민감하여 블록 공중합체의 합성은 진공의 조건에서 수행되었다.
수평균분자량(Mn)이 2,000 g/mol인 폴리에틸렌글리콜(PEG, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g을 45℃의 진공 반응기에서 정제하고 연속적으로 교반하였다. 진공 반응기에 개시제로서 0.4 M의 포타슘 나프탈레나이드 용액 (Sigma-Aldrich(USA)) 약 5 mL를 주입한 후, 정제된 테트로하이드로퓨란(THF, 준세이(일본)) 10 mL를 주입하였다. 개시제 주입 후에 PEG 용액의 색이 짙은 녹색으로 변하고, 개시 반응을 30 분 동안 수행하였다. 이어서 분자량이 116.16 g/mol인 이소프로필글리시딜에테르(iPGE, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g을 PEG 용액에 첨가하고, 중합반응을 20 시간 동안 수행한 후, 용액이 연갈색으로 변화된 상태에서 무수 메탄올(Alfa Aesar(USA))을 사용하여 반응을 종결시켰다. 최종 용액은 헥세인에 의해 침전시킨 후, 1일 이상 방치하여 잔류 헥세인을 진공에서 증발시켜 (PEG)46-(PiPGE)19의 블록 공중합체를 제조하였다.
<제조예 2-2> - 제2 블록 공중합체의 합성
상기 제조예 2-1에서, 수평균분자량(Mn)이 2,000 g/mol인 폴리에틸렌글리콜(PEG, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g 대신 수평균분자량이 750 g/mol인 폴리에틸렌글리콜(PEG, Sigma-Aldrich(USA)) 1 g을 이용하고, 분자량이 116.16 g/mol인 이소프로필글리시딜에테르(iPGE, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g 대신 분자량이 116.16 g/mol인 이소프로필글리시딜에테르(iPGE, Sigma-Aldrich(USA)) 20 g을 이용하는 것을 제외하고는, 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체를 제조하였다.
<제조예 2-3> - 제3 블록 공중합체의 합성
상기 제조예 2-1에서, 분자량이 116.16 g/mol인 이소프로필글리시딜에테르(iPGE, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g 대신 분자량이 114.144 g/mol인 알릴글리시딜에테르(AGE, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g을 이용하는 것을 제외하고는, 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 (PEG)46-(PAGE)17의 블록 공중합체를 제조하였다.
<제조예 2-4> - 제4 블록 공중합체의 합성
상기 제조예 2-1에서, 수평균분자량(Mn)이 2,000 g/mol인 폴리에틸렌글리콜(PEG, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g 대신 수평균분자량이 750 g/mol인 폴리에틸렌글리콜(PEG, Sigma-Aldrich(USA)) 1 g을 이용하고, 분자량이 116.16 g/mol인 이소프로필글리시딜에테르(iPGE, Sigma-Aldrich(USA)) 5 g 대신 분자량이 114.144 g/mol인 알릴글리시딜에테르(AGE, Sigma-Aldrich(USA)) 20 g을 이용하는 것을 제외하고는, 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 (PEG)16-(PAGE)23의 블록 공중합체를 제조하였다.
<실시예 1> - 고분자-금 나노 입자 복합체의 합성
4 mL의 H2O에 제조예 2-1의 (PEG)46-(PiPGE)19의 블록 공중합체를 0.1 wt% 및 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체를 0.1 wt%가 되도록 혼합하여 고분자 용액을 제조하였다.
상기 고분자 용액에 헥세인에 분산된 제조예 1의 금 나노 입자 5 g/L를 혼합한 후, 헥세인을 탈용매 시키고, 8 시간 동안 소니케이션하여 H2O에 분산시켜 최종적으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.
<실시예 2>
실시예 1에서, 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체를 0.1 wt% 대신 0.2 wt%가 되도록 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.
<실시예 3>
실시예 1에서, 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체를 0.1 wt% 대신 0.3 wt%가 되도록 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.
<실시예 4>
실시예 1에서, 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체를 0.1 wt% 대신 0.4 wt%가 되도록 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.
<실시예 5>
실시예 1에서, 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체를 0.1 wt% 대신 0.5 wt%가 되도록 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.
<비교예 1>
실시예 1에서, 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체를 0.1 wt% 대신 0 wt%가 되도록 첨가(즉, 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체는 첨가하지 않음)하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.
실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 고분자 용액을 도 5에 나타내었고, 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 고분자-금 나노 입자 복합체 용액을 도 6에 나타내었다.
<실험예 1>
실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 고분자-금 나노 입자 복합체를 UV-vis spectrometer (LAMBDA 950, Perkin Elmer Instruments Corporation)를 통해서 금 나노 입자의 흡광 파장 영역의 변화를 측정한 결과를 도 7에 나타내었고, 입자 크기 분석기 (λ=659 ㎚, ZetaPLUS, Brookhaven Instruments Corporation)를 사용하여 DLS 측정을 통해 고분자-금 나노 입자 복합체의 유체역학적 직경(hydrodynamic diameter)을 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.
도 7에 따르면 실시예 1 내지 실시예 5의 UV-vis 흡광도는 510 ㎚ 근처에서도 증가하였지만, 피크 위치가 변화하지는 않았다. 이는 금 나노 입자들만의 뭉침 현상없이 (PEG)16-(PiPGE)22의 블록 공중합체의 첨가에 의해 금 나노 입자와 블록 공중합체의 국소적인 공동-조립이 형성되어서 금 나노 입자의 표면 플라즈몬 공명 (SPR)을 향상시킨다는 것을 나타낸다.
또한 도 8에 따르면 실시예 1의 고분자-금 나노 입자 복합체의 유체역학적 직경이 74 ㎚로 증가하였는데, 이는 금 나노 입자가 (PEG)46-(PiPGE)19와 (PEG)16-(PiPGE)22의 고분자 혼합물에 개별적으로 배치되는 것임을 알 수 있다.
<실험예 2>
실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 고분자-금 나노 입자 복합체의 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 9에 나타내었고,
실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 고분자 베시클의 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 10에 나타내었다.
0.032 Å-1 내지 0.5 Å-1의 q-range (q=(4π/λ)sin(θ/2), q는 산란 벡터의 크기, θ는 산란 각도)를 커버하기 위해 검출기 거리 (SDD, 1 m), 수집된 데이터는 포항가속기연구소(대한민국)의 4C SAXS beam line에서 제공하는 소프트웨어를 사용하여 정규화시켰다.
도 10에 따르면 금 나노 입자가 없는 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 고분자 베시클의 SAXS 강도는 매우 평탄하며, 이는 희석 용액에서 블록 공중합체의 낮은 산란 대비에 기인한 것으로 보인다.
반면에 도 9에 따르면 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 고분자-금 나노 입자 복합체의 경우에는 SAXS 강도가 상당히 강하게 나타나며, 이는 금 나노 입자로부터의 산란에 기인한 것이다. 또한 SAXS 강도가 q=0.125 Å-1 부근에서 넓은 피크를 갖는 입자 간 간섭 (structure factor) 외에 금 나노 입자의 내부 간섭 (form factor)을 나타낸다.
SAXS 강도는 입자 내부 간섭 뿐만 아니라 0.032 Å-1 내지 0.5 Å-1의 q- range에서 여러 개의 날카로운 피크를 나타내며, 이 날카로운 피크 (q=0.1254 Å-1, 0.1435 Å-1, 0.2041 Å-1, 0.2403 Å-1, 0.2542 Å-1 및 0.3238 Å-1)의 위치(도면에서 (11), (02), (20), (13), (22), (31)로 표시됨)는 √3:√4:√8:√11:√12:√20의 비율에 해당된다. 이는, Bragg Peak index를 참고하여, 이들이 중심 직사각형 형태의 격자구조를 가지는 것으로 판단할 수 있고, 금 나노 입자들이 형성하는 2차원적 격자 파라미터는 a=6.1 ㎚, b=8.6 ㎚ 인 중심 직사각형 격자 구조라는 것을 확인할 수 있다.
상기 2차원 격자 파라미터(a, b)는 아래 식을 통해서 계산 및 측정될 수 있다.
Figure 112020112753656-pat00001
(여기서, h, k는 밀러지수로, q hk 는 밀러 지수(Miller Index)에 의해 결정되는 구조 인자를 의미한다.)
<실험예 3>
실시예 3 내지 5 및 비교예 1의 고분자-금 나노 입자 복합체의 구조를 확인하기 위해 Cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM)을 측정한 결과를 도 11에 나타내었다.
TEM 그리드(grid)는 사용 전에 글로우 방전으로 처리되었다. 핀셋에 의해 유지되는 홀리 카본 필름-커버된 TEM 그리드 상에 5 ㎕ 샘플을 놓았다. 여과지에 의해 현탁액을 제거하고, 이어서 시편을 액체 에탄에 신속하게 주입하고 -190 ℃로 냉각시켰다. 이 샘플을 한국과학기술연구원 (KIST, 대한민국)에서 cryo-holder (model 626, Gatan Inc.)를 사용하여 전계 방출 주사 투과 전자 현미경 시스템 (TECNAI F20 G2)으로 옮겼다.
도 11에 따르면 실시예 3 내지 5의 고분자 베시클은 코어 반경이 40~60 ㎚이고 쉘층의 두께가 ~5 ㎚인 단일층의 베시클을 나타내는 것을 확인할 수 있었다 (도 11의 (a) 내지 (c) 참조).
한편 비교예 1의 경우에는 (PEG)46-(PiPGE)19의 블록 공중합체의 매우 낮은 전자 콘트라스트 (electron contrast) 때문에 TEM 이미지를 얻을 수가 없었다.
또한 실시예 3 내지 5의 고분자-금 나노 입자 복합체의 TEM 이미지상 금 나노 입자는 중심 직사각형 격자 (a=5.9~6.1 ㎚, b=8.5~8.6 ㎚)를 가진 작은 구들의 집합체를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞선 실험예 2의 SAXS의 결과와도 일치하는 것이다.
<실험예 4>
실시예 1에서 제조된 고분자 베시클에 대한 중성자 소각 산란 (small angle neutron scattering (SANS)) 분석 결과를 도 12에 나타내었고, 실시예 1의 고분자-금 나노 입자 복합체에 대한 중성자 소각 산란 (small angle neutron scattering (SANS)) 분석 결과를 도 13에 나타내었다.
일반적으로 고분자 구조체의 형태가 달라지면, 중성자를 이용한 중성자 소각 산란 분석 결과 그래프 (도 12에서 보라색, 도 13에서 노란색)의 형태가 달라진다. 그러나 도 12 및 도 13에 따르면, 그래프의 기본적인 형태가 같게 나타남으로 인해서 중공형의 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 실시예 1의 고분자-금 나노 입자 복합체의 형태는 고분자 구조체 (고분자 베시클)의 쉘부의 내부에 존재하는 소수성 영역에 금 나노 입자를 도입하더라도 영향을 받지 않음(베시클의 형태를 유지)을 확인할 수 있었다.
<실험예 5>
제조예 2-1의 (PEG)46-(PiPGE)19 (2k-2k polymer)을 0.1 wt%의 함량으로 고정하고 제조예 2-2의 (PEG)16-(PiPGE)22 (0.75k-2.35k polymer)의 함량을 각각 0 wt%, 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.3 wt%, 0.4 wt%, 0.5 wt%로 첨가하여 고분자 용액을 제조하고, 각각의 고분자 용액의 제조 온도를 25℃, 35℃, 45℃, 55℃, 65℃로 달리하여 고분자 용액을 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하여, 고분자 베시클에 대해 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 14에 나타내었고, 고분자-금 나노 입자 복합체에 대해 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 15 내지 도 20에 나타내었다.
도 14에 따르면, 금 나노 입자가 도입되지 않은 고분자 베시클의 경우에는 X-ray에 대한 산란 대비(contrast)가 매우 낮아 산란 강도(scattering intensity)가 낮아서 구조 형성에 의해 나타나는 신호가 전혀 나타나지 않으나, 도 16 내지 도 20에 따르면 본 발명의 고분자-금 나노 입자 복합체의 경우에는 실험예 2에서 나타난 Bragg Peak와 동일/유사한 위치에서 신호가 나타나면서, 처음 나타난 최초 피크(first peak)와 후속으로 나타나는 각각의 피크들은 거의 동일/유사한 값의 q ratio를 보여준다. 이에 따라, 금 나노 입자들이 2차원의 중심 직사각형 격자 구조를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 도 15의 경우에는 고분자 베시클 구조가 형성되지 않아서 도 16 내지 도 20에 나타난 것과 같은 신호가 나타나지 않거나 매우 약한 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 6>
제조예 2-3의 (PEG)46-(PAGE)17 (2k-2k polymer)을 0.1 wt%의 함량으로 고정하고 제조예 2-4의 (PEG)16-(PAGE)23 (0.75k-2.7k polymer)의 함량을 각각 0 wt%, 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.3 wt%, 0.4 wt%, 0.5 wt%로 첨가하여 고분자 용액을 제조하고, 각각의 고분자 용액의 제조 온도를 25℃, 35℃, 45℃, 55℃, 65℃로 달리하여 고분자 용액을 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하여, 고분자-금 나노 입자 복합체에 대해 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 21 내지 도 26에 나타내었다.
도 22 내지 도 26에 따르면 본 발명의 고분자-금 나노 입자 복합체의 경우에는 실험예 2에서 나타난 Bragg Peak와 동일/유사한 위치에서 신호가 나타나므로, 금 나노 입자들이 2차원의 중심 직사각형 격자 구조임을 확인할 수 있다. 도 21의 경우에는 고분자 베시클 구조가 형성되지 않아서 도 22 내지 도 26에 나타난 것과 같은 신호가 나타나지 않거나 매우 약한 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 7>
(PEG)113-(PiPGE)43 (5k-5k polymer)을 0.1 wt%의 함량으로 고정하고 (PEG)16-(PiPGE)22 (0.75k-2.35k polymer)의 함량을 각각 0 wt%, 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.3 wt%, 0.4 wt%, 0.5 wt%로 첨가하여 고분자 용액을 제조하고, 각각의 고분자 용액의 제조 온도를 25℃, 35℃, 45℃, 55℃, 65℃로 달리하여 고분자 용액을 제조하며, 평균 직경(D50)이 4 ㎚(±0.2 ㎚)인 금 나노 입자를 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하여, 고분자 베시클에 대해 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 27에 나타내었고, 고분자-금 나노 입자 복합체에 대해 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 28 내지 도 33에 나타내었다.
도 27에 따르면, 금 나노 입자가 도입되지 않은 고분자 베시클의 경우에는 X-ray에 대한 산란 대비(contrast)가 매우 낮아 산란 강도(scattering intensity)가 낮아서 구조 형성에 의해 나타나는 신호가 전혀 나타나지 않으나, 도 29 내지 도 33에 따르면 고분자 사슬의 길이가 늘어나더라도 고분자 베시클을 형성했을 때 소수성 영역의 두께는 미세하게 커졌으나, 나노 입자가 2차원 격자 구조를 형성하는데 있어서 유의미한 차이가 없었다. 일부 조건에서 실험예 2에서 나타난 Bragg Peak와 동일/유사한 위치에서 신호가 나타나므로, 금 나노 입자들이 2차원의 중심 직사각형 격자 구조임을 확인할 수 있다.
<비교 실험예 1>
(PEG)113-(PiPGE)43 (5k-5k polymer)을 0.1 wt%의 함량으로 고정하고 (PEG)16-(PiPGE)22 (0.75k-2.35k polymer)의 함량을 각각 0 wt%, 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.3 wt%, 0.4 wt%, 0.5 wt%로 첨가하여 고분자 용액을 제조하고, 각각의 고분자 용액의 제조 온도를 25℃, 35℃, 45℃, 55℃, 65℃로 달리하여 고분자 용액을 제조하며, 평균 직경(D50)이 2 ㎚(±0.2 ㎚)인 금 나노 입자를 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하여, 고분자-금 나노 입자 복합체에 대해 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 34에 나타내었다.
도 34에 따르면, 금 나노 입자의 평균 입경이 작아지는 경우에는, 고분자 베시클의 쉘부 내에 도입된 금 나노 입자의 규칙성이 사라져서, 실험예 2에서 나타난 Bragg Peak와 동일/유사한 위치에서 신호가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.
<비교 실험예 2>
(PEG)113-(PiPGE)43 (5k-5k polymer)을 0.1 wt%의 함량으로 고정하고 (PEG)16-(PiPGE)22 (0.75k-2.35k polymer)의 함량을 각각 0 wt%, 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.3 wt%, 0.4 wt%, 0.5 wt%로 첨가하여 고분자 용액을 제조하고, 각각의 고분자 용액의 제조 온도를 25℃, 35℃, 45℃, 55℃, 65℃로 달리하여 고분자 용액을 제조하며, 평균 직경(D50)이 6 ㎚(±0.2 ㎚)인 금 나노 입자를 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하여, 고분자-금 나노 입자 복합체에 대해 SAXS (Small angle X-ray scattering)를 측정한 결과를 도 35에 나타내었다.
도 35에 따르면, 쉘부 내부에 약 4 ㎚의 두께의 소수성 영역을 가지는 고분자 베시클에 6 ㎚의 금 나노 입자를 도입하게 되면, (PEG)16-(PiPGE)22 (0.75k-2.35k polymer)의 함량이 저 농도(0.2 wt% 이하)일 때는 금 나노 입자가 고분자 베시클의 쉘부 내부로 도입되는 것 자체가 매우 어렵고, (PEG)16-(PiPGE)22 (0.75k-2.35k polymer)의 함량이 점차 증가하면서 소수성 영역의 두께가 미세하게 커지면서 금 나노 입자가 고분자 베시클의 쉘부 내부로 도입될 수 있으나, 여전히 금 나노 입자가 소수성 영역 내에 수용되기에는 부담스러운 크기이기 때문에 불규칙적으로 수용되는 것임을 확인할 수 있다.

Claims (20)

  1. 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 쉘부를 포함하는 고분자 베시클; 및
    상기 고분자 베시클의 쉘부에 매립되어 있는 나노 입자;
    를 포함하는 고분자-나노 입자 복합체로서,
    상기 나노 입자는 상기 쉘부의 내부에서 2차원의 격자 구조로 배치되어 있는 것이고,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 알킬렌옥사이드 유래의 친수성 블록과 글리시딜에테르계 모노머 유래의 소수성 블록을 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 베시클의 쉘부의 내부 표면측 및 외부 표면측에는, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록이 노출되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 친수성 블록의 질량 분율이 0.4 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.3인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 1 내지 1 : 5의 중량비로 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되고,
    상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 것인, 고분자-나노 입자 복합체:
    [화학식 1]
    (알킬렌옥사이드)n1(글리시딜에테르계 모노머)n2
    [화학식 2]
    (알킬렌옥사이드)m1(글리시딜에테르계 모노머)m2
    상기 화학식 1 및 2에 있어서,
    n1, n2, m1, m2는 괄호 내의 각 블록을 형성하는 모노머 사슬이 연결된 개수로서, n1은 40 내지 120이고, n2는 10 내지 50이며, m1은 10 내지 30이고, m2는 20 내지 30이다.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘부의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해서 형성된 소수성 영역에 분산되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 소수성 영역의 평균 두께와 상기 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 3 ㎚ 이하인 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 소수성 영역의 평균 두께는 3 내지 5 ㎚이고, 상기 나노 입자의 나노 입자의 평균 입경(D50)은 2 내지 5 ㎚인 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자는 금 나노 입자, 은 나노 입자, 자성 나노 입자, 퀀텀 나노 입자 및 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자는 표면이 소수성을 가지는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
  12. 중공형 코어부, 및 친수성 블록과 소수성 블록을 갖는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 쉘부를 포함하는 고분자 베시클을 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계;
    상기 고분자 용액과 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 고분자 베시클의 쉘부의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 의해서 형성된 소수성 영역의 평균 두께와 상기 나노 입자의 평균 입경(D50)의 차이가 3 ㎚ 이하인 것이며,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 알킬렌옥사이드 유래의 친수성 블록과 글리시딜에테르계 모노머 유래의 소수성 블록을 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체인 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 친수성 블록의 질량 분율이 0.4 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.3인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 1 내지 1 : 5의 중량비로 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되고,
    상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법:
    [화학식 1]
    (알킬렌옥사이드)n1(글리시딜에테르계 모노머)n2
    [화학식 2]
    (알킬렌옥사이드)m1(글리시딜에테르계 모노머)m2
    상기 화학식 1 및 2에 있어서,
    n1, n2, m1, m2는 괄호 내의 각 블록을 형성하는 모노머 사슬이 연결된 개수로서, n1은 40 내지 120이고, n2는 10 내지 50이며, m1은 10 내지 30이고, m2는 20 내지 30이다.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 나노 입자 용액은 표면이 소수성을 가지도록 합성된 나노 입자를 유기 용매에 혼합하여 제조되는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체와 나노 입자의 중량비가 3 : 1 내지 10 : 1이 되도록, 상기 고분자 용액에 나노 입자 용액을 혼합하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계는 20 kHz 이상의 소니케이션 (sonication)을 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 고분자-나노 입자 복합체 중의 나노 입자는 상기 쉘부의 내부에서 2차원의 격자 구조로 배치되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
KR1020200138410A 2020-10-23 2020-10-23 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법 KR102530206B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200138410A KR102530206B1 (ko) 2020-10-23 2020-10-23 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200138410A KR102530206B1 (ko) 2020-10-23 2020-10-23 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220053998A KR20220053998A (ko) 2022-05-02
KR102530206B1 true KR102530206B1 (ko) 2023-05-10

Family

ID=81593300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200138410A KR102530206B1 (ko) 2020-10-23 2020-10-23 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102530206B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115160593A (zh) * 2022-07-15 2022-10-11 华南理工大学 一种花状超巨型高分子囊泡及其制备方法与应用

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6360039B2 (ja) * 2012-05-03 2018-07-18 カラ ファーマシューティカルズ インコーポレイテッド 複数の被覆された粒子を含む組成物、医薬組成物、医薬製剤、及び当該粒子の形成方法
WO2014058079A1 (ja) * 2012-10-12 2014-04-17 帝人株式会社 金属微粒子を含む静電結合型ベシクル

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Le Hang Dang 외, 'Effect of Ultrasonication on Self-Assembled Nanostructures Formed by Amphiphilic Positive-Charged Copolymers and Negative-Charged Drug', ACS Omega 2019, vol.4, pp.4540-4552. 1부.*
Regina Bleul 외, 'Continuously manufactured magnetic polymersomes - a versatile tool (not only) for targeted cancer therapy', Nanoscale, 2013, vol.5, pp.11385-11393. 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220053998A (ko) 2022-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Su et al. Janus particles: design, preparation, and biomedical applications
Stolarczyk et al. Nanoparticle clusters: assembly and control over internal order, current capabilities, and future potential
Francis et al. Polymer grafted inorganic nanoparticles, preparation, properties, and applications: a review
Bronstein et al. Dendrimers as encapsulating, stabilizing, or directing agents for inorganic nanoparticles
Zhang et al. Self-assemblies of amphiphilic homopolymers: synthesis, morphology studies and biomedical applications
Behrens Preparation of functional magnetic nanocomposites and hybrid materials: recent progress and future directions
van Berkel et al. A simple route to multimodal composite nanoparticles
Mahajan et al. Preparation and in vitro evaluation of folate-receptor-targeted SPION–polymer micelle hybrids for MRI contrast enhancement in cancer imaging
Pimpha et al. Core/shell polymethyl methacrylate/polyethyleneimine particles incorporating large amounts of iron oxide nanoparticles prepared by emulsifier-free emulsion polymerization
He et al. Asymmetric organic/metal (oxide) hybrid nanoparticles: synthesis and applications
Xu et al. Entropy-driven assembly of nanoparticles within emulsion-evaporative block copolymer particles: Crusted, seeded, and alternate-layered onions
Gao et al. Improving the drug delivery characteristics of graphene oxide based polymer nanocomposites through the “one-pot” synthetic approach of single-electron-transfer living radical polymerization
Mao et al. Surface grafting of zwitterionic polymers onto dye doped AIE-active luminescent silica nanoparticles through surface-initiated ATRP for biological imaging applications
Xu et al. Effect of polymer ligand conformation on the self-assembly of block copolymers and polymer-grafted nanoparticles within an evaporative emulsion
KR102530206B1 (ko) 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법
Zhao et al. Fabrication of hybrid nanostructures based on Fe3O4 nanoclusters as theranostic agents for magnetic resonance imaging and drug delivery
Kumar et al. Biocompatible PLGA-oil hybrid nanoparticles for high loading and controlled delivery of resveratrol
Zhang et al. Preparation of superparamagnetic polyaniline hybrid hollow microspheres in oil/water emulsion with magnetic nanoparticles as cosurfactant
Froimowicz et al. Surface-functionalized particles: From their design and synthesis to materials science and bio-applications
Panja et al. Hyperbranched polyglycerol grafting on the surface of silica-coated nanoparticles for high colloidal stability and low nonspecific interaction
Huang et al. A facile FeBr3 based photoATRP for surface modification of mesoporous silica nanoparticles for controlled delivery cisplatin
Saikia et al. Solvent evaporation driven entrapment of magnetic nanoparticles in mesoporous frame for designing a highly efficient MRI contrast probe
Schmidtke et al. A general route towards well-defined magneto-or fluorescent-plasmonic nanohybrids
Wu et al. Thermosensitive Au-PNIPA yolk-shell particles as “nanoreactors” with tunable optical properties
Gao et al. A simple method for preparation of silver dendrites

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right