KR20060021536A - 다작용기 리간드로 안정화된 수용성 나노입자 - Google Patents

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KR20060021536A
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Abstract

본 발명은 수용성 나노입자에 관한 것으로 보다 자세하게는 나노입자가 부착영역, 교차연결영역 및 활성성분 결합영역을 포함하는 다작용기 리간드에 의해 둘러싸여 있으되, 상기 다작용기 리간드의 교차연결영역은 근접한 다른 다작용기 리간드의 교차연결영역과 교차연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자에 관한 것이다.
나노입자, 수불용성 나노입자, 수용성 나노입자, 다작용기 리간드, 교차연결

Description

다작용기 리간드로 안정화된 수용성 나노입자{Water-Soluble Nanoparticles Stabilized with Multi-Functional Group Ligands}
도 1은 본 발명에 따라 수불용성 나노입자로부터 수용성 나노입자가 제조되는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 수용성 나노입자의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 해당하는 디메르캅토숙신산으로 둘러싸인 수용성 산화철 나노입자의 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 유기성 표면 안정제로 둘러싸인 산화철 나노입자의 유기 용매에 대한 용해도와 수용성 다작용기 리간드로 둘러싸인 수용성 산화철 나노입자의 수용액에 대한 용해도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 수용성 산화철 나노입자의 전기영동 결과를 나타낸 것이다.
도 6a 내지 6d는 각각 본 발명에 따라 제조된 수용성 산화철 나노입자(4, 6, 9, 12nm)를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 수용성 코어-셸 (FePt@Fe3O4) 나노입자의 전기영동 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따라 제조된 수용성 코어-셸 (FePt@Fe3O4) 나노입자를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 수용성 산화철 나노입자가 활성성분과 결합될 수 있다는 것을 보여주는 전기영동 결과이다.
본 발명은 수용성 나노입자에 관한 것으로 보다 자세하게는 나노입자가 부착영역, 교차연결영역 및 활성성분 결합영역을 포함하는 다작용기 리간드에 의해 둘러싸여 있으되, 상기 다작용기 리간드의 교차연결영역은 근접한 다른 다작용기 리간드의 교차연결영역과 교차연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자에 관한 것이다.
나노기술은 원자 또는 분자들을 적절히 결합시킴으로써 기존 물질의 특성 개선은 물론 신물질, 신소자 창출에 더욱 적합하여 그 응용분야가 전자, 재료, 통신, 기계, 의약, 농업, 에너지, 환경 등 매우 다양하다.
이상과 같이 나노기술은 다양하게 발전하고 있으며 크게 세 가지 분야로 분류되어 있다. 첫째, 나노 소재로 극미세한 크기의 새로운 물질과 재료를 합성하는 기술에 관한 것이다. 둘째, 나노소자인데 나노 크기의 재료들을 조합하거나 배열하여 일정한 기능을 발휘하는 장치를 제조하는 기술에 관한 것이다. 셋째, 나노- 바이오라 불리는 나노기술을 생명공학에 응용하는 기술에 관한 것이다.
특히, 나노-바이오 분야에서 나노입자들은 암세포 특이적 살상, 면역반응의 부스팅(boosting), 세포 융합, 유전자 또는 약물 전달, 진단 등에 이용되고 있다. 나노입자들이 전술한 용도에 이용되기 위해서는 상응하는 활성성분을 부착할 수 있는 부분을 구비해야할 뿐만 아니라 생체내 즉, 수용성 환경에서 운반 및 분산되어야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위하여 현재까지 다양한 기술들이 개발되어져 왔다.
미국특허공보 US 6,274,121호는 산화철과 같은 금속을 포함한 상자기성 나노입자에 관한 것으로 상기 나노입자의 표면에 조직 특이적인 결합 물질, 진단 또는 약제학적으로 활성인 물질이 커플링(coupling)될 수 있는 결합 자리를 포함하는 무기 물질을 부착한 나노입자를 개시하고 있다.
미국특허공보 US 6,638,494호는 산화철과 같은 금속을 포함한 상자기성 나노입자에 관한 것으로 상기 나노입자의 표면에 특정한 카르복실산을 부착하여 중력 또는 자기장에서 나노입자가 응집 및 침전되는 것을 방지하는 방법을 개시하고 있다. 상기 특정한 카르복실산으로는 말레산, 타르타르산, 글루카르산과 같은 지방족 디카르복실산 또는 시트르산, 시클로헥산,트리카르복실산과 같은 지방족 폴리디카르복실산이 이용되었다.
미국특허공보 US 6,649,138호는 반도체 또는 금속 물질을 포함하는 소수성 나노입자의 표면에 다중 양친성 분산제 층을 형성하여 상기 나노입자의 수용성을 개선한 방법이 개시되어 있다. 상기 양친성 분산제로는 (1) 친수성 측쇄를 갖는 소수성 백본(backbone), (2) 소수성 가지를 갖는 친수성 백본 또는 (3) 친수성 및 소수성 측쇄를 동시에 갖는 소수성 또는 친수성 백본이 이용되었다.
미국특허공개공보 US2004/0033345호는 금속 또는 반도체를 포함하고 소수성 리간드로 둘러싸인 나노입자를 수용액에 용해시키기 위하여 상기 나노입자를 미셸로 캡슐화한 방법을 개시한 것으로, 상기 미셸은 친수성의 셸과 소수성 코어로 이루어져 있다.
미국특허공개공보 US2004/0058457호는 단층(monolayer)으로 둘러싸인 기능성 나노입자에 관한 것으로 상기 단층에는 이기능성(bifunctional) 펩타이드가 부착되는데 상기 펩타이드에는 DNA 및 RNA를 포함한 다양한 생폴리머(biopolymer)가 결합될 수 있다.
그러나 상기 방법들로 제조된 수용성 나노입자는 다음과 같은 단점을 갖고 있다. 미국특허공보 US 6,274,121호, US 6,638,494호 및 US 2004/0058457호는 나노입자를 수용액에서 합성하는데 이러한 경우 나노입자의 크기 조절이 어렵고 합성된 나노입자는 불균일한 크기 분포도를 나타낸다. 또한, 저온에서 합성되기 때문에 나노입자의 결정성이 낮으며, 비화학양론적 화합물(non-stoichiometric compound)이 형성되는 경향이 있다. 아울러, 상기 나노입자의 표면은 단분자 계면 안정제로 코팅되어 있는데 나노입자와의 결합력이 크지 않아 수용액에서 안정성이 떨어진다는 단점을 갖고 있다. 미국특허공보 US 6,649,138호 및 US 2004/0033345호에서 언급된 수용성 나노입자는 양친성 폴리머에 의해 둘러싸여 있어서 무기 나노입자에 비해 직경이 크게 증가하며, 성공적인 적용 사례는 반도체 나노입자에 한 정된다는 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 수용액에서 안정성이 높고 생체 독성이 적어서 생체의 진단 및 치료에 광범위하게 응용할 수 있는 수용성 나노입자를 제공하고자 한다.
이를 위하여 본 발명자들은 유기 용매에서 얻어진 나노입자에 (a) 이와 강하게 결합하는 부착영역, (b) 수용액에서 나노입자를 안정화시켜주는 교차연결영역 및 (c) 활성성분과 결합할 수 있는 활성성분 결합영역으로 이루어진 다작용기 리간드를 도입함으로써 수용액에서 안정하고 동시에 다양한 활성성분과의 결합이 가능한 나노입자를 제조할 수 있게 되었다.
본 발명은 나노입자가 부착영역, 교차연결영역 및 활성성분 결합영역을 포함하는 다작용기 리간드에 의해 둘러싸여 있으되, 상기 다작용기 리간드의 교차연결영역은 근접한 다른 다작용기 리간드의 교차연결영역과 교차연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자를 제공한다.
본 발명의 명세서에서 "나노입자(nanoparticles)"는 금속 물질(metal material), 금속 칼코게나이드(metal chalcogenide), 자성 물질(magnetic material), 자성 합금(magnetic alloy), 반도체(semiconductor) 물질 또는 다성분 혼성 구조체를 포함하는 직경이 1nm 내지 1000nm, 바람직하게는 2nm 내지 100nm인 입자를 의미한다.
본 발명의 명세서에서 "수불용성(water-insoluble) 나노입자"는 소수성 (hydrophobic) 표면 안정제로 둘러싸여 있는 나노입자를 의미하는 것으로 이들의 통상적인 표면 안정제를 포함한 유기 용매 중에서 나노입자 선구물질의 화학반응을 통하여 양질의 결정성, 목적한 크기, 형상 및 조성을 구비한 형태로 제조할 수 있다. 상기 "표면 안정제(surface stabilizer)"는 나노입자의 상태와 크기를 안정화시킬 수 있는 유기 기능성 분자를 의미하는 것으로 대표적인 예로는 계면활성제가 포함된다.
본 발명에 따른 "수용성 나노입자"는 상기 수불용성 나노입자 표면의 소수성 표면 안정제 대신에 수용성 다작용기 리간드(multi-functional group ligand)층이 형성되고 다작용기 리간드들이 교차연결되어 수용액에서 안정적으로 용해 및 분산될 수 있다.
본 발명에 따른 수용성 나노입자는 다양한 양태로 제공될 수 있는데 어떠한 종류의 금속(metal), 금속 칼코게나이드(metal chalcogenide), 자성 물질(magnetic material), 자성 합금(magnetic alloy), 반도체(semiconductor) 물질 또는 다성분 혼성 구조체와 다작용기 리간드를 선택하느냐에 따라 결정될 것이다.
금속으로는 Pt, Pd, Ag, Cu, Au 등이 포함되며, 금속 칼코게나이드로는 MxEY (M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Mo, Ru, Rh, Ag, W, Re, Ta, Zn ; E= O, S, Se, 0<x≤3, 0<y≤5), BaSrxTi1-xO3, PbZrxTi1-x O3 (0≤x≤1), SiO2등이 포함된다. 자성 물질의 예로는 Co, Mn, Fe, Ni, Gd, MM'2O4, MxOy (M 또는 M'=Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, Cr, 0<x≤3, 0<y≤5) 등이 포함되며, 자성 합금의 예에는 CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, NiFeCo 등이 포함된다.
또한 반도체 물질로는 예를 들면 2족(Zn, Cd, Hg) 및 6족(O, S, Se)에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체, 3족(B, Al, Ga, In) 및 5족(P, As, Sb)에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체, 4족(Si, Ge, Pb, Sn) 원소로 이루어진 반도체, 4족(Si, Ge) 및 6족(O, S, Se)에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체 또는 5족(P, As, Sb, Bi) 및 6족(O, S, Se)에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체 물질이 이용될 수 있다.
"다성분 혼성 구조체"는 전술한 금속, 금속 칼코게나이드, 자성 물질, 자성 합금 및 반도체 물질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2가지 이상의 성분을 포함하는 입자로서, 이들의 대표적인 형태의 예로는 코어-셸 또는 바코드가 있다.
본 발명의 명세서에서 "다작용기 리간드(LI-LII-LIII)"는 (a) 부착영역(LI, adhesive region), (b) 교차연결영역(LII, cross-linking region) 및 (c) 활성성분 결합영역(LIII, reactive region)을 포함하는 물질을 의미한다. 이하에서 다작용기 리간드를 보다 구체적으로 설명한다.
상기 "부착영역(LI)"은 나노입자와 부착할 수 있는 작용기(functional group)를 포함하는 다작용기 리간드의 일부분, 바람직하게는 말단을 의미한다. 따라서 부착영역은 나노입자를 이루는 물질과 친화성이 높은 작용기를 포함하는 것이 바람직하며, 나노입자를 이루는 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 부착영역은 예 를 들면 -COOH, -NH2, -SH, -CONH2, -PO3H, -PO4H, -SO3 H, -SO4H 또는 -OH를 포함할 수 있다.
상기 "교차연결영역(LII)"은 근접한 다작용기 리간드와 교차연결할 수 있는 작용기를 포함하는 다작용기 리간드의 일부분, 바람직하게는 중심부를 의미한다. "교차연결"이란 한 다작용기 리간드가 근접하여 위치한 다른 다작용기 리간드와 분자간 인력(intermolecular interaction)으로 결합되는 것을 의미한다. 상기 분자간 인력의 종류[예, 소수성 인력, 수소 결합, 공유 결합(예, 디설파이드 결합), 반데르 발스 결합, 이온 결합 등]는 특별히 제한적이지 않기 때문에 교차연결할 수 있는 작용기는 목적한 분자간 인력의 종류에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 교차연결영역은 예를 들면 -SH, -NH2, -COOH, -OH, -에폭시(epoxy), -에틸렌(ethylene) 또는 -아세틸렌(acetylene)을 작용기로서 포함할 수 있다.
상기 "활성성분 결합영역(LIII)"은 활성성분과 부착할 수 있는 작용기를 포함하는 다작용기 리간드의 일부분, 바람직하게는 상기 부착영역과 반대편에 위치한 말단을 의미한다. 상기 활성성분 결합영역의 작용기는 활성성분의 종류 및 이의 화학식에 따라 달라질 수 있다(표 1 참조). 본 발명에서 활성성분 결합영역은 -SH, -COOH, -NH2, -OH, -NR4 +X-, -술포네이트(sulfonate), -니트레이트(nitrate) 또는 포스포네이트(phosphonate)를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
다작용기 리간드에 포함될 수 있는 활성성분 결합영역의 작용기의 예
I II III
R-NH2 R'-COOH R-NHCO-R'
R-SH R'-SH R-SS-R
R-OH R'-(에폭시기) R-OCH2C(OH)CH2-R'
RH-NH2 R'-(에폭시기) R-NHCH2C(OH)CH2-R'
R-SH R'-(에폭시기) R-SCH2C(OH)CH2-R'
R-NH2 R'-COH R-N=CH-R'
R-NH2 R'-NCO R-NHCONH-R'
R-NH2 R'-NCS R-NHCSNH-R'
R-SH R'-COCH2 R'-COCH2S-R
R-SH R'-O(C=O)X R-OCH2(C=O)O-R'
R-(아지리딘기) R'-SH R-CH2CH(NH2)CH2S-R'
R-CH=CH2 R'-SH R-CH2CHS-R'
R-OH R'-NCO R'-NHCOO-R
R-SH R'-COCH2X R-SCH2CO-R'
R-NH2 R'-CON3 R-NHCO-R'
R-COOH R'-COOH R-(C=O)O(C=O)-R' + H2O
R-SH R'-X R-S-R'
R-NH2 R'CH2C(NH2+)OCH3 R-NHC(NH2+)CH2-R'
R-OP(O2-)OH R'-NH2 R-OP(O2-)-NH-R'
R-CONHNH2 R'-COH R-CONHN=CH-R'
R-NH2 R'-SH R-NHCO(CH2)2SS-R'
(I: 다작용기 리간드의 활성성분 결합영역의 작용기, II: 활성성분,
III: I과 II의 반응에 따른 결합예)
본 발명에서는 상기된 바와 같은 작용기를 본래 보유한 화합물을 다작용기 리간드로서 이용할 수도 있지만, 당업계에 공지된 화학반응을 통하여 상기된 바와 같은 작용기를 구비하도록 변형 또는 제조된 화합물을 다작용기 리간드로서 이용할 수도 있다.
본 발명에 따른 수용성 나노입자에 있어서 바람직한 다작용기 리간드는 한 가지 예는 디메르캅토숙신산이다. 디메르캅토숙신산은 본래 부착영역, 교차연결영역 및 활성성분 결합영역을 포함하고 있기 때문이다. 디메르캅토숙신산의 한 -COOH는 무기 나노입자에 부착하는 역할을 하고 다른 -COOH는 활성성분과 결합하는 역할을 하며 중심에 위치하는 -SH는 이웃한 디메르캅토숙신산과 디설파이드 결합으로 연결되는 역할을 한다. 상기 디메르캅토숙신산 외에도 부착영역(LI)의 작용기로 -COOH를, 교차연결영역(LII)의 작용기로 -SH를, 활성성분 결합영역(LIII)의 작용기로 -COOH 또는 -SH를 포함하는 화합물은 바람직한 다작용기 리간드로서 이용될 수 있다. 그러한 화합물의 예에는 디메르캅토말레인산, 디메르캅토펜타다이오닉산 등이 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 수용성 나노입자에 있어서 바람직한 다작용기 리간드의 다른 양태는 펩타이드(peptide)이다. 펩타이드는 수개의 아미노산으로 이루어진 올리고머/폴리머로서, 아미노산은 양 말단에 -COOH와 -NH 작용기를 보유하고 있기 때문에 펩타이드는 자연적으로 부착영역 및 활성성분 결합영역을 구비하게 된다. 또한, 일부 아미노산은 -SH 또는 -OH를 곁사슬로 갖고 있기 때문에 이러한 아미노산이 교차연결영역에 포함되도록 제조된 펩타이드는 본 발명에서 다작용기 리간드로 이용될 수 있다.
본 발명에서 이용되는 다작용기 리간드는 생분해성 고분자와 결합된 형태일 수 있다. 상기 생분해성 고분자의 예에는 폴리포스파젠, 폴리락타이드, 폴리락티드-코-글리콜라이드, 폴리카프로락톤, 폴리안하이드라이드, 폴리말릭산 및 이의 유 도체, 폴리알킬시아노아크릴레이트, 폴리하이드로옥시부틸레이트, 폴리카르보네이트, 폴리오르소에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리-L-라이신, 폴리글리콜라이드, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈 등이 포함된다.
한편, 본 발명에 따른 다작용기 리간드의 활성성분 결합영역과 결합하는 "활성성분"은 본 발명에 따른 수용성 나노입자의 용도에 따라 다양하게 선택될 수 있으며, 예를 들면 생체 활성성분, 고분자 또는 무기 지지체를 포함할 수 있다.
상기 생체 활성성분의 예에는 항원, 항체, RNA, DNA, 합텐(hapten), 아비딘(avidin), 스트렙타비딘(streptavidin), 프로테인 A, 프로테인 G, 렉틴(lectin), 셀렉틴(selectin)과 같은 조직 특이적 결합 성분들(tissue-specific binding substances); 항암제, 항생제, 호르몬, 호르몬 길항제, 인터루킨(interleukin), 인터페론(interferon), 성장 인자(growth factor), 종양 괴사 인자(tumor necrosis factor), 엔도톡신(endotoxin), 림포톡신(lymphotoxin), 유로키나제(urokinase), 스트렙토키나제(streptokinase), 조직 플라스미노겐 활성제(tissue plasminogen activator), 프로테아제 저해제(protease inhibitor), 알킬 포스포콜린(alkyl phosphocholine), 계면활성제, 심혈관계 약물(cardiovascular pharmaceuticals), 위장관계 약물(gastrointestinal pharmaceuticals), 신경계 약물(neuro pharmaceuticals)과 같은 약제학적 활성성분 등이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고분자의 예로는 폴리포스파젠, 폴리락타이드, 폴리락티드-코-글리콜라이드, 폴리카프로락톤, 폴리안하이드라이드, 폴리말릭산 및 이의 유도체, 폴리알킬 시아노아크릴레이트, 폴리하이드로옥시부틸레이트, 폴리카르보네이트, 폴리오르소에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리-L-라이신, 폴리글리콜라이드, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈 등이 포함된다.
상기 무기 지지체로는 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 인듐틴옥사이드(ITO), 탄소 물질 (나노튜브, 흑연, 플러렌 등), 반도체 기판 (Si, GaAs, AlAs 등), 금속 기판 (Au, Pt, Ag, Cu 등)이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 수용성 나노입자는 한 양태로 (1) 수불용성 나노입자를 유기 용매에서 합성하는 단계, (2) 상기 수불용성 나노입자를 제 1 용매에 용해하고 수용성 다작용기 리간드를 제 2 용매에 용해하는 단계, (3) 상기 단계 (2)에 따른 두 용액을 혼합하여 수불용성 나노입자의 표면을 다작용기 리간드로 치환시키고 수용액에 용해하여 분리하는 단계 및 (4) 치환된 다작용기 리간드를 교차연결시키는 단계를 포함하는 수용성 나노입자의 제조방법을 거쳐서 제조할 수 있다.
상술한 제조방법의 단계 (1)은 수불용성 나노입자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 한 양태로서 표면 안정제를 포함하는 10 내지 600℃의 유기 용매에 나노입자 선구물질을 투입하고 목적한 수불용성 나노입자를 제조하기에 적합한 온도 및 시간을 유지해서 상기 나노입자 선구물질을 화학반응하여 나노입자를 성장시킨 다음 이렇게 형성된 나노입자를 분리 및 정제하는 단계를 거쳐서 수불용성의 나노입자를 제조할 수 있다.
상기 유기 용매로는 벤젠계 용매 (예를 들면 벤젠, 톨루엔, 할로벤젠 등), 탄화수소 용매 (예를 들면 옥탄, 노난, 데칸 등), 에테르계 용매 (예를 들면 벤질 에테르, 페닐 에테르, 탄화수소 에테르 등), 폴리머 용매가 이용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제조방법의 단계 (2)에서는 앞서 제조된 나노입자를 제 1 용매에 용해하는 한편 다작용기 리간드를 제 2 용매에 용해한다. 상기 제 1 용매로는 벤젠계 용매 (예를 들면 벤젠, 톨루엔, 할로벤젠 등), 탄화수소 용매 (예를 들면 펜탄, 헥산, 노난, 데칸 등), 에테르계 용매 (예를 들면 벤질 에테르, 페닐 에테르, 탄화수소 에테르 등), 할로 탄화수소 (예를 들면 염화메틸렌, 브롬화 메탄 등), 알코올류 (예를 들면 메탄올, 에탄올 등), 술폭사이드계 용매 (예, 디메틸술폭사이드 등), 아마이드계 용매 (예, 디메틸포름아마이드 등) 등이 이용될 수 있다. 상기 제 2 용매로는 전술한 제 1용매로서 이용될 수 있는 용매 외에도 물이 이용될 수 있다.
상기 제조방법의 단계 (3)에서는 상기 두 용액을 혼합하는데 이 때에 수불용성 나노입자의 유기성 표면 안정제가 수용성 다작용기 리간드로 치환된다(도 1 참조). 이와 같이 수용성 다작용기 리간드로 치환된 나노입자는 당업계에 공지된 방법을 이용하여 분리할 수 있는데 수용성이므로 수용액에 용해함으로써 용이하게 분리할 수 있다. 또한 통상적으로 수용성 나노입자는 침전물로서 생성되기 때문에 원심분리 또는 여과를 이용하여 추가로 정제하는 것이 바람직하다. 상기 분리 및 정제 후에는 보다 안정하게 분산되어 있는 수용성 나노입자를 수득하기 위해서 적정(titration)하는 단계를 거쳐 pH를 5 내지 10으로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 제조방법의 단계 (4)는 다작용기 리간드간의 교차연결이 형성되도록 하 는 것으로 여러 가지 화학반응을 이용하여 다작용기 리간드를 교차연결해서 수용성 나노입자를 안정화시킬 수 있다. 이러한 교차연결 반응은 산화(예, 디설피드 결합) 및 환원 반응, 분자 연결자에 의한 교차연결 반응, 수소 결합 등이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이렇게 교차연결에 의해 안정화된 나노입자는 pH 5 내지 10 및 약 1M 이하의 염농도 조건에서도 뭉침(aggregation) 없이 잘 분산될 수 있다.
이하, 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
<실시예 1>
다양한 크기를 갖는 산화철 나노입자의 제조
4nm 산화철 나노입자는 라우릴산(0.3M) 및 라우릴 아민(0.3M)을 포함하는 260℃의 페닐에테르 용매에서 철 트리아세틸아세토네이트(Aldrich)를 열분해 화학반응(thermal decomposition)하여 (1시간) 합성하였다. 6nm 산화철 나노입자의 경우 용매로서 벤질에테르를 사용하였고 반응온도를 290℃로 하여 상기 4nm 산화철 나노입자의 합성과정과 동일한 절차에 따라 합성하였다. 9nm 산화철 나노입자는 라우릴산(0.1 M), 라우릴 아민(0.1 M), 상기 6nm 산화철 나노입자(8 mg/ml) 및 철 트리에세틸아세토네이트를 포함하는 벤질에테르 용액을 290℃에서 1시간 동안 가열하여 제조하였다. 12nm 산화철 나노입자는 상기 9nm 산화철 나노입자(8mg/ml)를 용액에 넣고 9nm 산화철 나노입자의 합성과정과 동일한 절차에 따라 제조하였다.
<실시예 2>
수용성 산화철 나노입자의 제조
실시예 1로부터 수득한 산화철 나노입자(5 mg)를 1㎖의 톨루엔에 용해한 다음 상기 톨루엔 용액에 20㎎의 2,3-메르캅토숙신산이 용해된 0.5㎖의 메탄올을 첨가하였다(도 3 참조). 약 24시간이 경과하면 흑갈색의 침전물이 형성되는데 이 침전물을 원심분리(2000 rpm, 실온, 5 분)로 분리한 다음 1㎖ 탈이온수에 재분산하였다. 공기 버블링을 5분간 진행하여 2,3-메르캅토숙신산의 디설파이드 결합을 완료하였다.
<실시예 3>
수용성 산화철 나노입자의 수용액 중 안정성 확인
a. 수용성 산화철 나노입자의 용해도 분석
상기 실시예 1로부터 제조된 유기성 산화철 나노입자를 클로로메탄에 용해한 후 물을 부가하는 한편, 실시예 2로부터 제조된 수용성 산화철 나노입자를 물에 용해한 후 클로로메탄을 부가하여 나노입자의 표면 치환반응에 의한 용해도 변화를 분석하였다.
도 4에 나타낸 바와 같이 유기성 표면 안정제를 다작용기 리간드 (2,3-디메르캅토숙신산)로 치환시켜서 유기성 나노입자가 수용성 나노입자로 변화된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 육안으로 관찰하였을 때 침전 또는 엉김이 발생되지 않았으므로 상기 수용성 산화철 나노입자가 수용액에서 잘 분산된다는 것을 알 수 있었다.
b. 전기영동에 의한 분석
1% 아가로스 젤에 수용성 산화철 나노입자를 함유하는 용액(약 1mg/ml) 10㎕를 로딩한 후 1X TBE (tris-borate-edta) 완충용액에서 30분 동안 전압(5V/cm)을 걸어주어 전기영동하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이 수용성 산화철 나노입자가 아가로스 젤에 형성된 동공의 크기보다 작아서 젤 상에서 이동한다는 것을 알 수 있다. 또한, 젤 상의 밴드가 좁게 형성된 것으로부터 수용성 산화철 나노입자가 응집되지 않고 균일한 크기를 갖고 있다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 나노입자의 크기가 증가함에 따라 운동성(mobility)이 감소하는데 이러한 결과 또한 수용성 산화철 나노입자가 응집되지 않고 균일한 크기를 갖고 있다는 의미한다. 이상의 결과로부터 수용성 산화철 나노입자는 수용액에서 뭉침 없이 균일한 크기를 유지하면서 분산되는 것을 확인할 수 있었다.
c. 투과전자현미경(TEM)에 의한 분석
수용성 산화철 나노입자를 함유하는 용액 20㎕를 탄소막이 코팅된 TEM grid (Ted pella inc.)에 떨어뜨리고 약 30분 건조시킨 후 전자 현미경 (EF-TEM, Zeiss, acceleration voltage 100kV)에서 관찰하였다.
도 6에 나타낸 바와 같이 균일한 크기의 수용성 산화철 나노입자가 형성되었음을 확인할 수 있었다.
<실시예 4>
코어-셸(FePt@Fe3O4) 나노입자의 제조
Pt(acetylacetonate)2 (0.5mmol)을 벤질에테르(10ml)에 용해하고 100℃ 까지 가열한 다음 올레인산(4mmol), Fe(CO)5(1.5mmol) 및 올레일아민(4mmol)을 첨가하고 240℃로 가열하여 1시간 동안 반응을 진행시켰다. 이 단계에서 Fe(CO)5 의 분해가 이루어지며 이 과정 후에 용액을 300℃ 까지 가열한 다음 1시간 동안 상기 온도를 유지하였다. 상기 반응이 종료된 후 5분 동안 공기를 주입하여 FePt@Fe3O4를 제조하였다.
<실시예 5>
수용성 코어-셸 나노입자의 제조
실시예 4로부터 제조된 코어-셸 나노입자를 실시예 2와 동일한 절차에 따라 수용성 코어-셸 나노입자를 제조하였다.
<실시예 6>
수용성 코어-셸 나노입자의 수용액 중 안정성 확인
실시예 5로부터 제조된 수용성 코어-셸 나노입자를 실시예 3과 동일한 절차에 따라 수용액에서의 안정성을 확인하였다(도 7 및 8 참조).
<실시예 7>
다작용기 리간드로서 펩타이드를 이용한 수용성 산화철 나노입자의 제조
실시예 2에 제시된 수용성 산화철 나노입자의 제조과정과 동일한 절차에 따라 제조하되, 디메르캅토숙신산 대신 하기 펩타이드를 이용하였다.
(1) GSE SGG SG(Cha) CC(Cha) CDD - 서열번호: 1
(2) GRR SHG (Cha)CC (Cha)CD D - 서열번호 : 2
(3) GKK HGH Y(Cha)C C(Cha)D CD - 서열번호 : 3
* Cha = 사이클로헥실알라닌
나노입자의 표면을 펩타이드로 치환함으로써 수용액에서 안정한 나노입자를 제조할 수 있었다. 상기 펩타이드에서 -COOH를 포함하는 CDD 또는 DCD 부분은 부 착영역으로 작용하고 -SH를 포함하는 CC 부분은 교차연결영역으로 작용하며, 나머지 영역은 활성성분 결합영역으로 작용한다.
<실시예 8>
활성성분으로서 신생혈관 추적 항체(Tie2 receptor antibody)가 결합된 수용성 산화철 나노입자의 제조
0.2mg 신생혈관 추적 항체를 10mM PBS(phosphate buffered saline, pH 7.2) 100㎕에 용해시키고 20㎍의 sulfo-SMCC(Purchased from Pierce Inc.)와 30분 동안 반응시킨 다음 겔 여과(Sephadex G-25) 과정을 통해 sulfo-SMCC와 결합된 항체를 분리하였다. 실시예 2에서 제조된 수용성 산화철 나노입자(0.2mg)와 12시간 동안 반응시킨 다음 겔 여과 컬럼(Sephacryl S200, S400)을 이용하여 신생혈관 추적 항체가 결합된 수용성 산화철 나노입자를 분리하였다.
<실시예 9>
수용성 산화철 나노입자와 신생혈관 추적 항체의 결합 여부 확인
실시예 8에서 수득한 생산물을 실시예 3에 제시된 바에 따라 전기영동을 실시하였고 그 결과는 도 9에 나타내었다.
도 9는 수용성 나노입자의 활성성분 결합영역에 생체 활성성분(Tie 2 수용체 항체)이 결합될 수 있다는 것을 보여주는 결과이다. 전기영동 분석결과 항체와 결합된 수용성 산화철 나노입자는 전기영동시에 낮은 이동을 보여주었으며, 이는 단 백질 염색 결과와 일치하였다. 따라서 산화철 나노입자와 항체가 결합된 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 수용성 나노입자는 균일한 크기를 갖고 있으며 수용액에서 특히 안정하여 다양한 활성성분의 도입을 통해 복합소재, 전자재료 및 생체 진단 및 생체 치료에 응용할 수 있다.
<110> Yonsei University <120> Water-Soluble Nanoparticles Stabilized with Multi-Functional Group Ligands <160> 3 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 15 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> multi-functional group ligand: 9th and 12th Ala are cyclohexylalanine. <400> 1 Gly Ser Glu Ser Gly Gly Ser Gly Ala Cys Cys Ala Cys Asp Asp 1 5 10 15 <210> 2 <211> 13 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> multi-functional group ligand: 7th and 10th Ala are cyclohexylalanine. <400> 2 Gly Arg Arg Ser His Gly Ala Cys Cys Ala Cys Asp Asp 1 5 10 <210> 3 <211> 14 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> multi-functional group ligand: 8th and 11th Ala are cyclohexylalanine. <400> 3 Gly Lys Lys His Gly His Tyr Ala Cys Cys Ala Asp Cys Asp 1 5 10

Claims (21)

  1. 나노입자가 부착영역(LI), 교차연결영역(LII) 및 활성성분 결합영역 (LIII)을 포함하는 다작용기 리간드(LI-LII-LIII)에 의해 둘러싸여 있으되, 상기 다작용기 리간드의 교차연결영역은 근접한 다른 다작용기 리간드의 교차연결영역과 교차연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 나노입자는 금속, 금속 칼코게나이드, 자성 물질, 자성 합금, 반도체 물질 또는 다성분 혼성 구조체를 포함하는 직경이 1nm 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 금속은 Pt, Pd, Ag, Cu 및 Au로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 금속 칼코게나이드는 MxEY (M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Mo, Ru, Rh, Ag, W, Re, Ta, Zn; E= O, S, Se, 0<x≤3, 0<y≤5 ), BaSrxTi1-xO3, PbZrxTi1-xO3 (0≤x≤1), SiO2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 자성 물질은 Co, Mn, Fe, Ni, Gd, MM'2O4, Mx Oy, (M 또는 M'=Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, Cr, 0<x≤3, 0<y≤5)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 자성 합금은 CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe 및 NiFeCo로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 반도체 물질은 2족 및 6족에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체, 3족 및 5족에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체, 4족 원소로 이루어진 반도체, 4족 및 6족에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체 또는 5족 및 6족에서 각각 선택된 원소로 이루어진 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 다성분 혼성 구조체는 제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 금속, 금속 칼코게나이드, 자성 물질, 자성 합금 및 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2가지 이상의 물질을 포함하되, 코어-셸 또는 바코드 형태인 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 부착영역 (LI) 은 -COOH, -NH2, -SH, -CONH2, -PO 3H, -PO4H, -SO3H, -SO4H 및 -OH로 이루어진 그룹으로부터 선택된 기능기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 교차연결영역 (LII) 은 -SH, -NH2, -COOH, -OH, 에폭시, -에틸렌 및 -아세틸렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 기능기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 활성성분 결합영역 (LIII) 은 -SH, -COOH, -NH2, -OH, -NR4+X-, -술포네이트, -니트레이트 및 포스포네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 기능기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 활성성분은 생체 활성성분, 고분자 및 무기 지지체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 생체 활성성분은 항원, 항체, RNA, DNA, 합텐, 아비딘, 스트렙타비딘, 프로테인 A, 프로테인 G, 렉틴, 셀렉틴, 항암제, 항생제, 호르몬, 호르몬 길항제, 인터루킨, 인터페론, 성장 인자, 종양 괴사 인자, 엔도톡신, 림포톡시, 유로키나제, 스트렙토키나제, 조직 플라스미노겐 활성제, 프로테아제 저해제, 알킬 포스포콜린, 방사선 동위원소로 표지된 성분, 계면활성제, 심혈관계 약물, 위장관계 약물 및 신경계 약물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 고분자는 폴리포스파젠, 폴리락타이드, 폴리락티드-코-글리콜라이드, 폴리카프로락톤, 폴리안하이드라이드, 폴리말릭산 및 이의 유도체, 폴리알킬시아노아크릴레이트, 폴리하이드로옥시부틸레이트, 폴리카르보네이트 및 폴리오르소에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리-L-라이신, 폴리글리콜라이드, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트 및 폴리비닐 피롤리돈으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 무기 지지체로는 실리카(SiO2), 티타니아 (TiO2), 인듐틴옥사이드(ITO), 탄소 물질, 반도체 기판 및 금속 기판으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 다작용기 리간드는 -SH, -COOH, -NH2, 또는 -OH를 곁사슬로 갖는 아미노산을 적어도 하나 이상 포함하는 펩타이드인 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 펩타이드는 서열번호 1 내지 서열번호 3에 기재된 아미노산 서열 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 다작용기 리간드는 부착영역(LI)의 작용기로 -COOH를, 교차연결영역(LII)의 작용기로 -SH를, 활성성분 결합영역(LIII)의 작용기로 -COOH 또는 -SH를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 화합물은 디메르캅토숙신산, 디메르캅토말레인산 및 디메르캅토펜타다이오닉산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 다작용기 리간드는 생분해성 고분자와 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 폴리포스파젠, 폴리락타이드, 폴리락티드-코-글리콜라이드, 폴리카프로락톤, 폴리안하이드라이드, 폴리말릭산 및 이의 유도체, 폴리알킬시아노아크릴레이트, 폴리하이드로옥시부틸레이트, 폴리카르보네이트 및 폴리오르소에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리-L-라이신, 폴리글리콜 라이드, 폴리메틸메타아크릴레이트 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 나노입자.
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