KR20180036959A - 광개시제로서의 하이브리드 나노입자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 및 금속 영역으로 구성된 하이브리드 나노입자 형태의 신규한 광개시제, 및 이의 용도를 제공한다.

Description

광개시제로서의 하이브리드 나노입자

본원에 개시된 발명은 일반적으로 하이브리드 나노입자(hybrid nanoparticle) 형태의 광 개시제(photo-initiator) 및 이의 용도에 관한 것이다.

반도체-금속 하이브리드 나노입자(HNP)는 효율적인 광-유도된 전하 분리를 나타낸다[1-10]. 광 여기(light excitation)시, 반도체 소자는 반도체-금속 나노연결의 에너지 밴드 정렬로 인하여, 전자 정공 쌍(electron-hole pair; exciton)을 생성한 다음 금속 도메인에 전자 전하 전달을 수행한다. 이는 금속 나노결정의 공지된 촉매 특성과 결합하여, 에너지 및 환경 적용을 위한 광촉매로서 HNP 선도 후보물을 만들었다. 특히, HNP는 태양 에너지를 연료 속에 저장된 화학 에너지로 직접 전환시키는 수단으로서, 광 조사(light irradiation) 하에 수소 생성을 위해 물 분열 반응에서 광촉매로서 시험되었다. 이들 실험에서, HNP는 효율적인 수소 생성을 나타낸 반면, 반도체 나노결정은 무시할 정도의 활성을 나타내었다.

다른 광촉매 적용은 메탄 및 다른 탄화수소 연료의 생산을 위한 지속가능한 대체 수단과 함께 온실 가스 함량 감축을 촉진하기 위해 태양 에너지를 사용하는 이산화탄소의 광-환원에 있다.

반도체 나노결정은 또한 다양한 바이오이미징(bioimaging) 및 감지 적용에 있어서 이들의 용도에 대해 시험되어 왔으며, 여기서 이들은 유기 염료 및 형광성 단백질보다 주로 파장 가변성, 광 민감성, 및 광화학적 안정성의 측면에서, 상당한 장점을 나타내었다. 더욱이, 이들은 소 분자 광스위치(small molecule photoswitch), 광 방출을 가능하게 하는 케이지화된 분자(caged molecule) 및 광유전학기술 도구(opto-genetics tool)를 이용하는 다른 시도에 대한 대안으로서 제공되는, 광역학적 치료요법을 위해서 및 뉴우런 자극 적용에 있어서 생물학적 작용의 광 활성화된 조절인자로서 제안되어 왔다.

앞서의 보고들은 산소의 존재하에서, 반도체 나노결정의 광 여기가 반응성 산소 종(reactive oxygen species: ROS)의 형성을 생성할 수 있음을 입증하였다[11, 12]. ROS의 양 및 유형은 조성물 및 나노결정의 표면 코팅에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 생산된 ROS를 사용하여 서양고추냉이 퍼옥시다제(HRP)와 같은 효소를 활성화시킬 수 있음이 제안되었다[13, 14]. 이는 반도체 나노결정의 전도대(conduction band)로부터 전달된 2개의 양성자 및 2개의 전자를 지닌 분자 산소의 환원에 의존할 수 있다.

참조

본원에서, 본 발명자들은 광에 의한 다양한 화학적 및/또는 생물학적 반응을 조절하는데 있어서 이들의 작용을 확립하는 것에 대한 주요 단계인, 퍼옥사이드 및 라디칼 형태의 반응성 종을 생성하기 위한 광-촉매로서 가시적인 밴드-갭 반도체-금속 하이브리드 나노입자(HNP)의 사용을 최초로 도입한다.

본 발명자들은 HNP가 아니고 라디칼 및 퍼옥사이드의 생산을 위해 비교적 제한된 효능을 나타내는 시스템과는 달리, 본 발명에 따라 이용된 HNP가 이러한 반응성 종의 생산에 매우 효율적임을 입증하였다. 이론에 얽메이지 않고, 비-HNP와 관련된 저 효능은 반도체 나노결정 표면의 산화 및 에칭(etching)과 함께, 전자-정공 재조합과 같은, 강력하게 경쟁하는 감쇠 경로(decay pathway)로 인하여 이들의 고유하게 낮은 전하 이동 효율로부터 생성되는 것으로 여겨지고 있다.

따라서, 제1 국면에서, 본 발명은 다수의 HNP 형태의 도구인, 용액 속에서 라디칼 및 퍼옥사이드와 같은 반응성 종을 생성하기 위한 도구를 제공한다. 따라서, 합성 도구는 광에 대한 노출에 의한 다수의 화학적 및 생물학적 반응의 라디칼- 및/또는 퍼옥사이드-관련된 전환에 이용될 수 있다. HNP의 반응성은 어떠한 방식으로도 조건의 하나의 특수한 세트에 한정되는 것이 아니라, 특히, 온도, 압력, 농도, 광 강도, 노출 기간, 매트릭스 등과 같은, 다양하고 상이한 조건을 사용하는 다양한 적용에 있어서의 용도 및 유용성을 찾는다.

HNP의 존재, 및 조명 조건 하에서 형성된 반응성 좋은 하나 이상의 쌍을 이루지 않는 전자를 갖는 원자 또는 원자들의 그룹 형태인, 전형적으로 라디칼 종이다. 라디칼은 산소, 황, 탄소 및 수소 원자와 같은 어떠한 원자, 또는 적어도 하나의 이러한 원자를 함유하는 원자의 어떠한 그룹으로부터도 기원할 수 있다. 다른 원자 라디칼도 유사하게 적합할 수 있다.

라디칼이 산소 원자로부터 기원하는 경우, 반응성 산소 종(ROS)이 수득된다. ROS 종은 다양한 형태, 또는 이러한 형태, 예를 들면, 슈퍼옥사이드 음이온의 형태, 퍼옥사이드, 하이드록실 라디칼 및 이의 혼합물의 형태로 존재할 수 있다.

반응성 좋은 HNP 및 라디칼을 형성할 수 있는 적어도 하나의 물질을 포함하는, 액체 또는 고체인 매질을 조사함으로써 형성될 수 있다. 매질은 상기 인용된 성분을 포함하는 고체 또는 액체 제형, 액체 현탁액, 액체 분산액 또는 어떠한 고체 물질일 수 있다. 라디칼을 형성할 수 있는 물질은 HNP로부터 또는 어떠한 다른 형성된 반응성 종으로부터 적어도 하나의 쌍을 이루지 않은 전하를 수용할 수 있거나, HNP의 존재하에서 및 광에 의한 적합한 조사시 반응성 종으로 해리되는 어떠한 물질일 수 있다. 따라서, 원자, 이온 및 분자(화합물)와 같은 어떠한 물질 중에서 적어도 하나의 물질이 선택될 수 있다. 적합한 예시적인 분자는 물, 하이드록사이드-함유 분자, 산소, 퍼옥사이드, 아조 화합물, 디설파이드, 퍼설페이트, 이산화탄소, 카보네이트, 아지드, 암모니아, 하이드록실아민, 이산화질소, 삼산화질소(예를 들면, 니트레이트 및 질산), 포스파이트, 포스페이트, 이산화황, 설파이트, 설페이트, 퍼옥소모노설페이트, 셀레나이트, 디티오시아네이트, 디할로겐, 이산화염소, 이산화브롬, 적어도 하나의 이러한 그룹을 지닌 화합물 또는 분자, 및 기타일 수 있다.

일단 반응성 종이 비교적 불안정한 종으로서 형성되면, 이를 이의 부근에서 추가의 물질과 반응시켜 물질의 구조, 기능 또는 반응성의 조절을 유도하거나 생성시킬 수 있다. 조절은 어떠한 목적, 예를 들면, 진단학적, 생리학적, 화학적 또는 생물학적으로 검출하고, 분석하며, 정량화하여 이용할 수 있다.

일부 구현예에서, 라디칼을 형성할 수 있는 물질은 조절에 민감한 추가의 물질보다 동일하거나 상이하다.

따라서, 다른 국면에서, 본 발명은 본원에 정의한 바와 같은 하이브리드 나노입자(HNP) 형태의 신규한 광-개시제를 고려한다.

본 발명은 또한 HNP 및 (촉매적으로) 변형될 수 있는; 즉 HNP의 존재하에서 및 적합한 광 조사 하에서 출발물질과는 상이하고(구조적으로 및/또는 기능적으로) 제형 속에 존재하는 추가의 물질의 변형(구조적으로 및/또는 기능적으로)을 임의로 유발할 수 있는 물질로 변형(구조적으로 및/또는 기능적으로)될 수 있는 적어도 하나의 물질을 포함하는 제형을 제공한다. 변형될 수 있는 물질은 라디칼 형성에 민감한 물질 또는 형성된 반응성 종과 상호작용하는 물질일 수 있다.

본원에 사용된 것으로서, 본 발명에 따라 사용된 HNP는 각각 적어도 하나의 금속/금속 합금 영역 및 적어도 하나의 반도체 영역을 포함하는 나노입자이다. 나노입자는 적합한 파장에서 가시 및/또는 근 IR 범위 및/또는 UV 범위 광에 의한 광 조사 시 매질 속에서 반응성 종을 형성할 수 있도록 선택된다.

나노입자는 어떠한 형태 및 크기일 수 있으며 어떠한 수의 금속/금속 합금 영역 및 어떠한 수의 반도체 영역을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 나노입자는 적어도 하나의 반도체 영역으로 분리된, 적어도 하나 또는 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역을 포함하며, 여기서 상기 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역 각각은 상이하거나 동일한 금속/금속 합금 물질이다.

상이한 금속/금속 합금 영역 및 상이한 반도체 영역은 본원에 선택된 것으로서, 동일하거나 상이한 물질(동일하거나 상이한 금속 또는 금속 합금; 동일하거나 상이한 반도체 물질)일 수 있다.

일부 구현예에서, 특정의 반응 또는 적용에서 이용된 HNP 집단의 적어도 일부, 또는 상기 집단의 HNP 모두는 나노덤벨(nanodumbell)의 형태이다. 일부 구현예에서, 특정의 반응 또는 적용에 이용된 HNP 집단의 적어도 일부는 나노덤벨의 형태이다. 일부 구현예에서, 특정의 반응 또는 적용에 이용된 모든 HNP는 나노덤벨의 형태이다. 일부 구현예에서, 나노델벨은 본원에 참고로 포함된, WO 05/075339 또는 이로부터 기원한 어떠한 출원에 개시되어 있다.

HNP 집단(동일하거나 상이한 형태 및/또는 물질의 하나 이상의 나노입자 다수로 형성됨)은 물질의 특이적이거나 광범위한 광학적 특성과 일치하도록 조율(tuning)된 나노입자의 배합물을 포함할 수 있다. 나노입자 집단의 이러한 배합은 에너지 수준의 조율을 허용하고 따라서 나노구조의 산화환원 전위(redox potential)를 허용한다.

일부 구현예에서, HNP는 이의 적어도 하나의 말단 부위에, 금속 및 금속 합금으로부터 선택된 제2의 물질을 지니고 있는 제1의 물질을 포함하는 적어도 하나의 연장된 구조 성분을 갖는다. 제1 및 제2의 물질은 이들의 전기 전도율 및/또는 화학 반응성 및/또는 조성에 있어서 상이하다. 일부 구현예에서, 연장된 구조 소자는 반도체 물질(들)을 구성한다.

일부 구현예에서, HNP는 이의 적어도 하나의 말단 부위에, 금속 및 금속 합금으로부터 선택된 물질을 지닌, 씨딩(seeding)되어 연장된 소자(예를 들면, 씨딩된 로드) 중에서 선택된다. 일부 구현예에서, 씨딩되어 연장된 소자는 적어도 하나의 반도체 물질을 포함한다.

본원에 정의되고 예시된 바와 같이 구성된 HNP는 어떠한 금속, 금속 합금 또는 반도체 고형 물질로 제조될 수 있다. 제1 물질은 반도체 물질, 절연 물질, 금속 및 이의 혼합물로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 제1의 물질은 당해 분야에 공지된 이러한 물질로부터 선택된 반도체 물질이다. 일부 구현예에서, 반도체 물질은 II 내지 VI족 반도체, III 내지 V족 반도체, IV 내지 VI족 반도체, IV족 반도체, III 내지 VI족 반도체, I 내지 VI족 반도체, 삼원화합물 반도체, 및 상기 반도체 중 어느 것의 합금으로부터 선택되거나; 또는 복합체 구조 및 코어/쉘(core/shell) 구조인 반도체의 조합으로서 선택된다.

일부 구현예에서, HNP는 II 내지 VI족 반도체, 이로부터 제조된 합금 및 이로부터 제조된 코어/쉘 구조로부터 제조된다. II 내지 VI족 반도체의 구체적인 예는 CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe 및 이의 합금, 예를 들면, CdZnSe, 이의 조합 및 이의 코어/쉘 적층된 구조를 포함한다.

III 내지 V족 반도체의 구체적인 예는 InAs, InP, GaAs, GaP, InN, GaN, InSb, GaSb, AlP, AlAs, AlSb 및 이의 합금, 예를 들면, InAsP, CdSeTe, ZnCdSe, InGaAs 등을 포함한다.

IV 내지 VI족 반도체는 PbSe, PbTe 및 PbS 및 이의 합금으로부터 선택될 수 있고; IV족 반도체는 Si 및 Ge 및 이의 합금으로부터 선택될 수 있다.

일부 구현예에서, 반도체는 Sn₂S₆, Sn₂Se₆, In₂Se₄, In₂Te₃, Ga₂Se₃, CuInSe₂, Cu₇S₄, Sb₂Te₃, ZnS, ZnSe, ZnTe, AgS, AgSe, AgTe, Cu₂S, Cu₂Se, CuInS₂, ZnS, ZnSe 및 ZnTe로부터 선택될 수 있다.

일부 구현예에서, 반도체는 ZnO, ZnS, ZnSe 또는 ZnTe이다.

일부 구현예에서, 반도체는 ZnO이다. 일부 구현예에서, ZnO 나노입자는 다중 금속 아일랜드(multiple metal island), ZnSe-Au 나노-프레임(nano-frame), 및 기타로 장식된다.

또한, 구획(section)과 상이한 반도체 물질, 예를 들면, CdSe/CdS 또는 어떠한 다른 조합으로 구성된 복합체 구조, 및/또는 예를 들면, CdSe/ZnS 코어/쉘 나노로드(nanorod)와 같은 상이한 반도체의 코어/쉘 구조의 상기 조합이 또한 본 발명의 영역 내에 있다.

일부 구현예에서, HNP는 Cd를 포함하지 않는다.

일부 구현예에서, HNP는 무-독성 반도체 물질을 포함하도록 선택된다.

일부 구현예에서 반도체인, 제1의 물질은 전기 전도성, 화학 반응성 및 조성으로부터 선택된 적어도 하나의 특성에 있어서 제2의 물질과 상이하다. 따라서, 제1의 물질이 반도체 물질인 경우에, 제2의 물질은 금속, 금속 합금, 또는 절연 물질일 수 있다.

일부 구현예에서, 제2의 물질은 적어도 하나의 금속 또는 금속 합금이다. 금속의 예는 Cu, Ag, Au, Pt, Co, Pd, Ni, Ru, Rh, Mn, Cr, Fe, Ti와 같은 전이 금속 및 이러한 금속의 합금을 포함한다.

HNP는 어떠한 형태도 가능하다. 특정의 적용을 위해, 연장된 형태, 예를 들면, 로드, 와이어, 또는 튜브 형태를 갖는 HNP가 더 적합하다. 다른 적용을 위해서는, 측쇄 형태가 더 적합하다.

일부 구현예에서, HNP는 직경이 약 1 nm 내지 약 100 nm의 범위인 나노로드, 나노덤벨의 형태이며, 여기서 가장 긴 나노입자 축을 따르는 치수는 약 수 나노미터 내지 약 1 마이크로미터의 범위일 수 있다.

일부 구현예에서, HNP의 적어도 하나의 치수(길이 또는 직경 또는 두께)는 1 nm 내지 500 nm의 범위이다. 일부 구현예에서, 금속 영역은 0.3 nm 내지 50 nm의 크기이다. 일부 구현예에서, HNP는 CdS-Au 하이브리드 로드이며, 여기서 CdS 로드는 직경이 1 내지 20 nm이고, 길이가 7 내지 500 nm이며, 직경이 약 2 nm인 이들의 정점 중 하나에서 단일의 Au 팁을 함유한다.

일부 구현예에서, HNP는 본원에 인용된 바와 같은 다양한 반도체 물질로부터 선택된다.

일부 구현예에서, 반도체 물질은 II 내지 VI족 반도체, 예를 들면, CdSe, CdS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnS 및 이의 합금; InP, GaP, InA 및 이의 합금과 같은 III 내지 V족 반도체; Cu₂S, Cu₂Se와 같은 구리 칼코게나이드(copper chalcogenide) 및Cu₂O, ZnO와 같은 산화물; 점, 로드, 혈소판, 테트라포드(tetrapod), 프레임과 같은 형태를 점유하거나 이러한 형태이거나 이러한 형태를 취하는 반도체 물질, 및 금속 물질, 예를 들면, Au, Ag, Pt, Ni 및 다른 금속 또는 금속 산화물인 적어도 하나의 금속 영역으로부터 선택된다.

HNP는 추가로 또는 대안적으로는 예를 들면, 조성물 크기, 형태 및 구조의 적절한 조율을 통해 가시 범위를 포함하도록 또한 조절될 수 있는, 바람직한 스펙트럼 체제(spectral regime), 예를 들면, UV-청색 영역으로 조율가능한 고 흡수 여기 계수를 나타내기 위해 선택될 수 있다. 예를 들면, 본원에 입증된 바와 같은 CdS-Au 로드는 각각 385 nm, 405 nm 및 450 nm에서 1.17x10⁷　M^-1cm^-1, 1.08x10⁷　M^-1cm^-1 및 9.66 x10⁶　M^-1cm^-1의 고 흡수 여기 계수 값, 엡실론(epsilon)을 갖는다. 따라서, 구체적으로 300 내지 700 nm의 근 UV-가시 범위에서, 또는 385 내지 450 nm 범위에서의 고 성능 광-중합이 또한 본 발명에 따른 광-개시제를 사용하여 가능하다.

HPN는 200 내지 400 nm의 UV 광, 300 내지 400 nm의 근 UV 광, 및/또는 400 내지 700 nm의 가시 광, 및/또는 0.7 및 1.4μm의 근 적외(NIR)광에 의해 조사될 때 하이브리드 나노입자로 광 활성화된다. 일부 구현예에서, HPN는 200 내지 400 nm 및/또는 300 내지 400 nm 및/또는 400 내지 700 nm 및/또는 0.7 내지 1μm 및/또는 0.7 내지 1.4μm의 근 적외(NIR)광의 스펙트럼 체제에서 광 활성화된다.

HNP는 중합 반응 동안 소비되지 않으므로 촉매로서 작용하며 또한 조사시 필수적으로 분해되지 않으므로, 유해한 부산물을 도입하지 않는다.

본 발명은 또한:

- 다수의 HNP;

- 적어도 하나의 물질의 존재 또는 부재를 측정하기 위한 진단학적 분석을 수행하거나; 적어도 하나의 물질의 합성적 변환을 수행하기 위한 매질, 및

광에 대한 노출 하에서 상기 분석 및/또는 합성적 변환을 수행하는 설명서를 포함하는 키트(kit)를 제공한다.

본 발명은 또한 생물학적 물질의 존재 또는 활성(예를 들면, 효소 활성)을 검출하기 위한 진단 방법을 제공하며, 당해 방법은 HNP, 임의로 라디칼을 형성할 수 있는 적어도 하나의 물질, 및 (광촉매적) 전환에 민감한 적어도 하나의 생물학적 물질을 포함하는 매질을 조사하는 단계, 및 수득되는 생성물을 분석하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 생성물의 존재 및/또는 실체 및/또는 양은 진단을 허용한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 광-개시제, 임의로 라디칼을 형성할 수 있는 적어도 하나의 물질, 및 (광촉매적) 전환에 민감한 적어도 하나의 생물학적 물질을 포함하는 생물학적 검정을 제공한다.

본 발명은 또한 매질 속에서 적어도 하나의 물질의 전환을 직접적으로 또는 간접적으로 촉매하기 위한, 예를 들면, 광-촉매하기 위한 방법에서 다수의 HNP의 용도를 제공한다.

본 발명은 또한 HNP 및 전환(예를 들면, 광촉매적 전환)에 민감한 적어도 하나의 물질을 포함하는 매질을 조사하는 단계를 포함하여, 매질 속에서 라디칼 또는 퍼옥사이드 형태의 반응성 종을 생성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한 조명을 통해 생물학적 공정을 조절하거나, 조절하거나 일반적으로 영향을 미치는 방법에서 활성 물질로서 HNP의 용도를 추가로 제공한다.

본 발명은 또한 라디칼 및/또는 퍼옥사이드 형성을 통해 효소 특성 및/또는 활성을 조절하고 생물학적 경로에 영향을 미치는 방법에서 HNP의 용도를 제공한다. 본원에 사용된 것으로서, 용어 "효소 특성을 조절하는"은 효소를 반응성 종, 예를 들면, 라디칼 또는 퍼옥사이드에 노출시킴으로써 효소의 특성, 구조, 기능 또는 활성을 변화시키는 능력을 말한다. 상기 조절은 진단 목적 또는 이러한 라디칼- 또는 퍼옥사이드-매개된 공정을 통해 새로운 또는 개질된 생성물을 달성할 목적을 위한 것일 수 있다.

본 발명은 또한 효소 및 다수의 HNP를 포함하는 매질 또는 제형 또는 용액을 제공한다.

당해 분야에 공지된 바와 같이, 라디칼 및 퍼옥사이드는 흔히 유의적인 손상을 유도할 수 있고 심지어 세포 사멸을 초래할 수 있는 독성 실체로서 고려된다. 그러나, 이들의 조절된 생산은 다수의 검정 및 생물학적 기능에서 요구된다. 예를 들면, HRP는 기질로서 H₂O₂를 사용하여 효소-연결된 면역흡착 검정, 면역 조직화학, 겔 전기영동 후 정량화에서와 같이, 단백질의 검출 및 정량화를 위한 표준 검정에서 및 다양한 센서에서 시그날 증폭기로서 광범위하에 사용된다. 또한, 물질대사 및 면역 반응을 포함하는, 다양한 생물학적 경로는 H₂O₂를 포함하며 이에 의존한다.

갑상샘 퍼옥시다제(TPO)는 티록신(T4) 및 트리요오도티로닌(T3)을 포함하는 갑상샘 호르몬의 생산을 위해 H₂O₂에 의존한다. TPO 활성을 사용한 간섭은 피로, 관절 및 근육 통증, 우울증, 및 기타 증상을 초래하는, 자가면역 질환인 하시모토 갑상선염(Hashimoto's thyroiditis)을 초래할 수 있다.

또한, 마이엘로퍼옥시다제, 호산구 퍼옥시다제, 및 락토-퍼옥시다제를 포함하는 면역계의 강력한 항기생충 효소는 병원체에 대한 이들의 투쟁시 H₂O₂를 사용한다. 광학적 조절에 의한 요구시 이러한 활성을 유도하는 능력은 생물학적 연구 및 생의학적 적용을 위한 강력한 가치를 갖는다.

금속-팁화된(tipped) 반도체 나노로드 HNP(예를 들면, 본원에 참고로 포함된, WO 05/075339 또는 이로부터 기원한 어떠한 출원에 개시된 것들)를 모델 시스템으로서 사용하여, 광-유도된 ROS 형성을 관찰하고 분광 분석, 폴라로그래피(polarography) 및 전자 상자성 공명(EPR)의 조합을 통해 관찰하고 특성화하였다. 과산화수소, 슈퍼-옥사이드, 및 하이드록실 라디칼이 검출되었으며 하이브리드 나노입자의 광촉매 활성은 반도체 나노결정의 것보다 두드러지게 개선된 것으로 밝혀졌다. 이러한 광촉매 기능성은 모델 시스템으로서 서양고추냉이 퍼옥시다제 효소 활성의 조절에 사용되었으며, 조명을 통한 생물학적 공정을 조절하기 위한 활성제로서 하이브리드 나노입자의 잠재적인 용도를 입증하였다.

모델의 경우에, HNP 모델 시스템은 금속-팁화되고 씨딩된 CdSe/CdS-Au 나노로드로 이루어졌다. HNP의 합성은 본원에 참고로 포함된, 예를 들면, WO 05/075339 또는 이로부터 기원한 어떠한 출원에 개시된 바와 같은, 연속 단계로 수행되었다. 첫째로, CdSe/CdS 씨딩된 나노로드(NR)를 합성하였다. 구체적으로, 쿼시 형-II 밴드 정렬(quasi type-II band alignment)을 생성하는 작은 CdSe 씨드(2.3nm)를 지닌CdSe/CdS 씨딩된 NR가 제조되었는데, 그 이유는 이들이 제I형 시스템과 비교하여 개선된 전하 분리를 제공하기 때문이다. 다음에, 반도체 나노로드 정점에서 선택적인 금속 성장을 암실 및 실온 하에서 수행하였다. 폴리에틸렌이민(PEI)을 사용한 상 이동을 사용하여 원래의 소수성 리간드를 대체하고 수용액 속에서 잘 분산된 HNP를 달성하였다.

도 1a(삽도)는 정점에서 단일의 금 팁(gold tip)을 갖는 52±4 nm x 4.4±0.4 nm CdSe/CdS NR(더 강한 콘트라스트, 직경이 전형적으로 1.6nm)의 성냥개비형 구조를 나타내는 HNP의 투과 전자 현미경(TEM)을 나타낸다(이들의 크기 분포 막대그래프에 대해 도 2 참고). NP의 유형 둘 다의 스펙트럼은 480nm에서 급격한 증가를 나타내며, CdS 로드 흡수 설정에 기여하였다(도 1a). 씨딩된 로드의 밴드 갭은 560 nm에서 있었음에 주목한다(도 3). 작은 Au 팁의 성장시, 적색을 향한 증가된 흡수 테일(tail)이 관찰되었다.

HNP에 의한 퍼옥시다제 활성의 광유도된 조절을 H₂O₂, 4-아미노안티피린(4-AAP) 및 페놀의 존재하에서 퀴논이민 염료의 생산을 촉매하는 검정을 사용하여 HRP로 시험하였다(도 4a). 405 nm 20 mW/cm²　 레이저를 사용한 HNP의 여기는 495 nm에서 새로운 흡수 피크의 형성을 생성하였으며, 이는 조사 시간을 유의적으로 증가시킨 HRP 생성물의 형성의 신호였다(도 1b, 삽도). 또한, 조명원 켬 및 끔(도 1b에서 각각 회색 및 검정색 화살표)은 계단형 거동을 초래하였으며, 여기서 흡수는 광이 켜져 있는 동안에만 증가하였고, HNP의 여기에 의한 HRP 활성의 광-스위칭(photo-switching)을 입증한다. 더욱이, 산소, 광 또는 HNP의 부재하에서 조절 실험은 유의적인 흡수 변화를 유발하지 않았으며, 이는 생성물 형성에 있어서 이들 3개의 소자의 상호관련된 중추적인 역활을 입증하였다. HRP의 부재하에서, 일부 생성물 형성이 또한 검출되었다(도 4). 따라서, 효과적인 효소 작용에 대한 HNP의 전체적인 기여를 나타내기 위하여, 당해 시그날을 분석되어 나타낸 동력학적 데이타로부터 감하였다.

나노입자의 구조적 효과를 우선 시험하고 CdSe 양자점(QD), CdSe/CdS 씨딩된 NR, 및 405 nm의 여기 파장에서 유사한 광학 밀도를 갖는 CdSe/CdS-Au HNP의 용액을 사용하여 생성물 형성의 효능에 있어서 비교하였다. 이러한 방식으로, 총 겉보기 효능 비교를 상이한 유형의 나노시스템 사이에서 수행하였다. HRP 활성을 모의시험하기 위한 NP의 각각의 유형의 능력을 정공 수용체(hole acceptor) 및 SOD를 첨가하여 및 첨가하지 않고 시험하였다. 도 5a는 정공 수용체 및 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD)의 존재하에서의 HNP 여기가 순수한(bare) NR의 여기와 비교하여 3배 더 빠른 동력학 및 최종 생성물 농도를 생성하며, H₂O₂를 필요로 하는 적용에 대한 HNP의 사용에 대해 명백한 우수성을 나타낸다. 비교시, CdSe 양자점은 소 용적 QD에서 효과적인 전자-정공 전하 분리(electron-hole charge separation)의 부재하에서 대안적인 전하 재조합 공정으로 인하여, H₂O₂를 생산하기 위한 오히려 제한된 능력을 나타내었다. 더욱이, 실험시 사용된 동일한 광학 밀도 및 NR 및 HNP에 대한 CdSe QD의 보다 작은 몰 흡광 계수(extinction coefficient)의 제공으로, QD의 실제 농도는 유의적으로 더 높았으며 여전히 NHP는 보다 높은 효율을 나타내었다.

중요하게도, 5 nm 금 나노입자의 광 여기는 어떠한 생성물 형성도 나타내지 않았으며, 보다 높은 생성물 형성이 반도체-금속 나노연결에 거친 상승적인 광-유도된 전하 분리 현상으로부터 생성되었다는 가설을 뒷받침한다. CdS NR 및 CdS-Au HNP를 비교하는 경우 유사한 거동이 또한 관찰되었다(도 2 및 도 6). 이는 또한 CdS QD보다 NHP의 사용의 장점을 입증하였다. 정공 수용체 및 SOD의 부재하에서 H₂O₂를 생산하기 위한 나노입자의 고유의 작은 능력은 유사한 경향, HNP > NR > CdSe QD를 나타내었다(도 5b 및 도 6). 세포에 의해 슈퍼옥사이드 라디칼을 H₂O₂로 전환시키는데 사용된, SOD의 첨가는 네가티브 능력과 비교하여 생성물 형성에 있어서 약 7배 증가를 생성하였다(도 5b). SOD에 의한 시그날(signal)의 향상은 HNP에 의한 슈퍼옥사이드 라디칼의 형성에 대한 직접적인 증거를 제공하며, 이는 이후에 전체적인 H₂O₂ 생성에 기여한다. 이는 또한 NHP를 사용하는 광-유도된 ROS 형성에 의한 효소 활성의 활성화를 위한 다른 예를 제공한다.

에탄올은, 비록 생물학적으로 관련되지 않고 우수한 희생적 정공 수용체가 아니지만, 사용된 특성화 검정에 대한 최소의 방해로 인하여, 본 연구에 선택되었다. 에탄올의 첨가는 HNP 및 NR 시스템 둘 다에 대한 보다 신속한 동력학을 생성하였다(도 5c). 주목하게도, 정공 수용체의 첨가가 시스템 둘 다에 영향을 미쳤지만, NHP 효능에 있어서 이의 효과가 훨씬 더 두드러진 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 에탄올의 부재하에서의 실험에서 활성은 안정기(plateau)가 관찰될 때까지 조사 시간과 함께 감소되었지만(도 4), 에탄올의 첨가는 보다 긴 지속적인 활성 및 안정성을 수득하였다. 이들 관찰은 희생적 정공 수용체가 이들의 반도체 소자의 전자-정공 재조합 및 광-산화에 대한 가능성을 최소화시킴으로써 광촉매 성능을 향상시키고 HNP의 안정성을 연장시킨다는 개념에 부합된다.

NHP에 의한 ROS 형성의 메카니즘을 시험하기 위하여, 조명 하에서 가용성 분자 산소 소비의 동력학을 또한 연구하였다. 도 7a는 등온 조건에서 폴라로그래피(polarography)에 의해 측정된 것으로서 폐쇄된 셀 속에서 산소 소비의 표준화된 동력학적 측정을 나타낸다. HNP-PEI는 순수한 NR-PEI, 0.8 μmolL^{- 1}sec^-1과 비교하여, 고려할만하게 보다 높은 비율의 산소 소비, 1.7 μmolL^{- 1}sec^-1을 나타내었다. 당해 비는 HRP 생성물 형성율(0.6 μmolL^-1sec^-1)과 일치하고 유사하며, 이는 H₂O₂ 및 슈퍼옥사이드의 형성이 우세한 공정임을 나타낸다.

추가의 가능한 라디칼의 형성은 형광성 검정을 통해 또는 전자 상자성 공명 분광광법(EPR)에 의해 직접 측정하였다. 도 7b는 형광성 검정에 의한 HNP 및 NR의 하이드록실 라디칼 생산의 동력학적 측정을 나타낸다. 나노입자는 하이드록실 라디칼 개시인자, 테레프탈산(TPA)의 존재하에서 여기되었으며, 이는 반응하여 2-하이드록시테레프탈산(HTA)을 생산하였다. 후자는 310 nm 여기 시 425 nm에서 명백한 방출 피크를 가졌다(삽도). 순수한 NR과 비교하여 HNP를 자극시키는 경우 우수한 하이드록실 라디칼 형성이 관찰되었다(도 7b). 하이드록실 라디칼의 관찰된 보다 높은 형성은 반도체 균형 밴드에 있어서 여기된 정공 또는 H₂O₂의 분해에 의해 기원할 수 있었다. 이는 HNP에 있어서 보다 효율적인 전하 분리와 일치하였으며 하이브리드가 하이드록실 라디칼의 효율적이고 조절된 생산에 적용될 수 있음을 추가로 입증하였다. 시스템 둘 다의 경우에, 에탄올의 첨가는 HTA 생산을 억제하였다. 이는 정공 수용체로서 및 하이드록실 라디칼 스캐빈저(scavenger)로서 둘 다, 에탄올의 이중 작용화로부터 생성될 수 있다.

하이드록실 라디칼은 생물학적 시스템에 있어서 구체적이지 않은 효과에 기여할 수 있으며 또한 슈퍼옥사이드 라디칼을 급속하게 공격할 수 있다. 이것이 HRP 활성화의 경우에 첨가된 SOD의 효과를 어느 정도 제한할 수 있다는 것이 추정되었으며, 희생적인 정공 수용체의 첨가가 시스템의 효능 및 특이성 둘 다를 증가시킬 수 있다는 가설을 세웠다. 라디칼 트래핑제(radical trapping agent)로서 5,5-디메틸-피롤린 N-옥사이드(DMPO)를 사용한, 인산염 완충된 염수 속에서 HNP 및 NR 둘 다의 EPR 측정 및 후속되는 이론적 모의 시험은 도 7c에 나타낸다(추가의 실험 및 모델 세부사항은 표 1 및 표 2에 요약한다).

표 1. 에탄올의 존재 및 부재하에서, PEI로 코팅된 NP의 가시광 여기 후 상이한 ROS의 형성에 대한 면적 정량화 결과(퍼센트). 모든 샘플은 3%의 비-특이적인 시그날을 나타내었다.

표 2. 관련된 문헌 매개변수와 비교하여 EPR 측정에 사용된 모의시험 매개변수(DMPO 라디칼 트래핑제)

시스템 둘 다는 광 여기에 의해 개시된 유의적인 슈퍼옥사이드 생산의 관찰을 뒷받침하는 aN=14.1G, aH=11.3G, 및 aH=1.25G의 초미세 커플링을 갖는 DMPO-OOH의 강력한 시그날을 나타내었다. 그러나, NR 시스템에서 이러한 시그날은 총 시그날의 90% 이상을 차지한 반면, HNP의 경우에 이의 기여는 단지 50%이었다. 하이브리드 시스템에서, DMPO-OH의 두번째 강력한 시그날은 aN=aH=15G의 초미세 커플링으로 발견되었으며, 이는 HNP가 또한 유의적인 양의 하이드록실 라디칼을 생산함을 나타낸다. 이러한 관찰은 하이드록실 라디칼 형성을 위한 형광성 검정의 관찰과 필적하며 상기 나타낸 바와 같이 하이드록실 라디칼을 트랩핑할 수 있는, 에탄올의 첨가에 의해 입증되었다. 에탄올 첨가는 aN=15.8G 및 aH=22.8G의 초미세 커플링을 지닌 제3의 라디칼 종을 생성하였으며, 이는 에탄올-기원한 라디칼 부가물인, CH₃C*HOH의 존재를 나타내었다(표 1 및 도 8). 흥미롭게도, HNP 시스템에 있어서 aN=14.4G 및 aH=15.9G의 초미세 커플링을 가진 약한 시그날이 또한 관찰되었다. 이는 아황산염 라디칼 음이온으로 지정될 수 있으며, 이는 전형적으로 CdS 로드 표면의 광산화에 의해 형성될 수 있는 아황산염(SO₃ ^2-)을 가진 과산화수소의 반응에 의해 생성된다.

도 7d는 3448G의 정적 자기장에서 슈퍼옥사이드 시그날 이후, 시간-분할된(time-resolved) ERR 측정을 나타낸다(도 7c에서 별 표시). 시그날의 신속한 생성(build-up)은 광 조명 동안에 나타났으며 이후 추가의 반응을 통해 소비된 라디칼과 평형에 도달하는 경우 안정기에 이른다. 시그날의 붕괴는 여기 광이 꺼지면서 관찰되었다. NR 경우에 있어서 안정기는 HNP의 것보다 더 높은 시그날 값을 나타내었으며, 이는 NR과의 증가된 슈퍼옥사이드 형성을 나타낸다. 이러한 관찰이 HNP에 의한 분자 산소의 보다 신속한 소비와 대조적인 것으로 나타났지만(도 7a), 이러한 명확한 차이는 산소가 또한 SOD의 부재하에서 HNP에 대해 도 5b에서 관찰된 바와 같이 H₂O₂를 직접 형성하는 경쟁적 경로에 의해 소비될 수 있음을 고려하여 해결할 수 있었다. 또한, 슈퍼옥사이드는 하이드록실 라디칼과 반응할 수도 있으며, 이는 도 7b에서 알 수 있는 바와 같이, 실제로 NR과 비교하여 HNP에 의해 보다 효율적으로 형성된다(도 7b). 이와 함께, 다양한 ROS 검출 검정, 폴라로그래피 연구, 및 EPR은 도 9에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 라디칼 형성의 이후의 복잡한 도식을 암시한다.

반도체 로드의 광 여기는 로드에 남아있는 정공과 금속 팁으로 이동하는 전자와의 전하 분리를 생성하였다. 전자는 분자 산소를 환원시켜 H₂O₂를 직접 생산하거나 SOD에 의해 H₂O₂로 변환될 수 있는 슈퍼옥사이드를 생산할 수 있다. 다른 한편, 정공은 물과 하이드록사이드를 산화시켜 하이드록실 라디칼을 생산할 수 있다. 정공 수용체의 첨가는 정공의 스캐빈징(scavenging)에 의해 하이드록실 라디칼의 직접적인 형성과 효과적으로 경쟁한다. 수용체는 또한 제2 반응에 의해 하이드록실 라디칼을 중화시킬 수 있다. 특히, 이들은 경쟁하는 정공-전자 역-재조합을 감소시키는데 있어 주요 효과를 가지므로 환원 경로를 유의적으로 증가시켜 직접적인 또는 SOD 촉매된 H₂O₂ 형성을 가져온다.

HNP에 의한 ROS 형성 메카니즘에 대한 이러한 통찰력을 얻은 후, 이들의 광촉매 활성에 영향을 미치는 추가의 매개변수: 이들의 표면 코팅을 다루었다. 반도체 나노결정에 의한 ROS 형성에 있어서 표면 코팅 효과가 보고되었고 HNP에 대해서는 수소 생성에 있어서 광촉매 활성과 관련하여 연구되었다. 이러한 목적을 위해, 나노입자를 글루타티온(GSH) 및 3-머캅토프로피온산(MPA)을 사용한 리간드 교환을 포함하는, 추가의 상 이동 기술에 의해, 또는 원래의 소수성 리간드를 코팅하는 양친매성 중합체인, 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)(PSMA)에 의해 물로 이동시켰다. 모든 이러한 표면 코팅을 지닌 HNP는 ROS 형성 및 HRP 활성화를 나타낸다. 흥미롭게도, 표면 코팅은 HRP 활성화에 비하여 유의적인 효과를 발휘하는 것으로 밝혀졌다(도 10a). 최저 생산은 PSMA로 코팅된 HNP에 대해 관찰되었다. 비교시, PEI로 코팅된 HNP는 GSH 및 MPA와 같은 티올레이트 리간드보다 5배 더 높은 생성물 형성과 함께 최대의 생산 효율을 나타내었다. 유사하게, 산소 농도에 있어서 속도 및 전체적인 감소는 GSH로 코팅된 나노입자의 경우 유의적으로 더 낮았다(도 11a). 여전히, GSH-코팅된 시스템은 산소 소비, HRP 활성화, 및 하이드록실 라디칼 형성과 관련하여 NR에 대해 HNP의 증가된 기능성의 유사한 경향성을 나타내었다(도 11b,c). 표면 코팅 효과는 수소 생산을 위한 광촉매 활성에 있어서 이의 효과로부터 연상되지만 별개의 것이다.

PSMA 코팅은 티올레이트 리간드와 비교하여 더 높은 수소 생산을 허용하는 것으로 보고되었지만, 이러한 코팅은 과산화수소의 생산에 덜 유리한 것으로 밝혀졌다. 이는 추가로 조사되어야 하며 HNP 표면 결함 패시베니션(passivation)에 대한 표면 코팅 효과, 밴드 정렬, HNP 표면으로부터 침투하여 이주하는 분자의 능력 및 표면 코팅과 형성된 라디칼 및 퍼옥사이드의 상호작용과 같은 상이한 인자에 기여할 수 있다.

많은 바이오분자가 상호작용하여 생산된 라디칼 및 과산화수소를 소비할 수 있는 생물학적 시스템에서 이러한 개념의 사용을 추가로 시험하였다. 포유동물 순환 상태를 최소화하기 위하여, 동일한 세트의 실험을 10% 태아 송아지 혈청을 함유하는 용액 속에서 재생시켰다(도 12a). 정공 수용체의 부재하에서, 당해 실험 세트는 혈청의 존재 또는 부재하에서 HNP를 자극시키기 위한 유사한 결과를 나타내었다. 흥미롭게도, 정공 수용체로서 에탄올의 존재시, 용액 속에서 HNP 자극을 사용하는 HRP 활성화의 동력학은 1분 내에 혈청과 유사하거나 또는 유사하지 않았다. 그러나, 더 긴 조사 시간에서, 혈청 속의 HNP는 완충액 속의 HNP보다 개선된 안정화된 거동을 나타내었고, 이는 약간의 동력학적 감소를 나타내었다. 당해 결과는 HNP를 보호하는 혈청 속에서 HNP 상의 단백질 코로나의 형성을 나타낼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 에탄올이 생물학적으로 관련이 없기 때문에, 다양한 생물학적 분자를 시험하여 생물학적 조건 하에서 HNP의 광촉매 능력을 증가시키는 이들의 능력에 대해 확인하였다(도 13). 당해 실험 세트는 위에서 논의한 바와 같이, ROS 생산의 정량화에 대한 고려를 뒷받침하여, 시험관 내(in vitro) 실험에 유효하며 생물학적 시스템에서 H₂O₂ 생산을 위한 HNP 자극의 향후 사용을 추가로 예측한다.

흥미롭게도, 광 조명 전 및 후에 혈청 속에서 콜린에스테라제 효소의 활성을 측정하는 것은 이들의 활성의 유의적인 억제를 초래하였다(도 12c). 재조합 아세틸콜린에스테라제(AChE) 및 부티릴콜린에스테라제(BChE)를 사용한 유사한 실험도 유사한 결과를 나타내었다. 이는 AChE와 H₂O₂의 항온처리 후에 관찰된 결과와 유사하게 활성 부위 언저리(gorge)에서 아미노산 잔기의 산화로부터 생성될 수 있다. HNP의 부재하에서 또는 H₂O₂를 가수분해하는 효소인, 과량의 카탈라제의 존재하에서 수행된 대조군 실험은 억제 효과를 최소화시켰으며; HNP에 의한 H₂O₂의 광-유도된 생산을 통한 제안된 억제 메카니즘을 입증하였다.

이는 광 유도된 ROS 생산에 의한 HNP를 가진 바이오분자의 기능을 수행하는 능력에 대한 또 다른 예를 제공한다. 또한, 콜린에스테라제 효소 활성의 손상은 다중증 근무력증, 제2형 당뇨병 및 알츠하이머병(Alzheimer's disease) 및 파킨슨병( Parkinson's disease), 심혈관 질환, 염증, 스트레스, 뇌졸중, 불안증, 소그렌 증후군(Sjoegren's syndrome) 등을 포함하는, 다수의 병리학에 관여하는 것으로 밝혀졌다. 이는 기초 연구 및 치료법 둘 다에 대해 높은 공간-시각적 방식으로 콜린에스테라제 효소의 활성에 영향을 미칠 아직 충족되지 않은 요구를 이끌어왔다. 알츠하이머병, 중증 근무력증 및 쇼그렌 증후군은 오늘날 항콜린에스테라제의 사용이 제안되고/되거나 이로 치료된 병리학의 몇가지 예일 뿐이다. 예를 들어, 하이드록시클로로퀴닌과 같은 콜린에스테라제 억제제를 함유하는 점안액은 소그렌 증후군에 대한 치료제로서 제안되었다[Dawson et al., Rheumatology (Oxford). 2005 44(4):449-55]. 단일 치료에 이어서 조절된 방식으로 콜린에스테라제 활성을 연속적으로 억제할 수 있는 광-화학적으로 안정한 HNP에 의해 반복된 치료를 유기 분자로 대체하는 것은 본원에 개시된 당해 기술로부터 유리할 수 있는 하나의 비-제한적인 예이다.

이러한 잠재성을 추가로 해결하기 위해, NHP의 생물독성을 처음으로 조사하였다. 당해 목적을 위해, HNP의 생체적합성을 배양된 K-562 사람 골수 세포를 GSH로 코팅된 상이한 농도의 HNP 또는 NR과 함께 암실 조건 하에서 24시간 동안 항온처리함으로써 시험하였다. 이들 세트의 실험에서, GSH 표면 코팅을 사용하여 PEI의 사용으로부터 생성되는 독성을 최소화하였다. 도 10b는 낮은 NP 농도로 항온처리 후 NP 유형에 대한 유의적인 효과, 및 HRP 자극을 위해 사용된 농도(최고 농도)와 유사한 농도의 HNP에 세포를 노출시키는 경우 제한된 독성을 나타내는, MTT 생존능 검정의 결과를 나타낸다. 이들 결과는 또한 살아있는 세포를 형광성의 녹색으로 장식하고 죽은 세포를 적색으로 장식하는 미토콘드리아성 ATPase로 염색하는 것을 기본으로 하여, "생 및 사(live and dead)" 생물검정에 의해 뒤받침되었다. 암실 조건 하에서. HNP는 최대의 시험한 농도를 사용하여 유의적인 독성을 나타내지 않았다(도 12b).

세포 생존능에 있어서 광 여기 후 ROS 형성의 효과를 또한 시험하였다. 도 10c는 2.5 nM(좌측) 및 0.5 nM(우측)의 HNP와 함께 1시간 동안 항온처리한 후 K-562 세포에서 405 nm 20 mW/cm LED를 사용한 짧은 조명 후 "생 및 사" 검정의 결과를 나타낸다. 보다 높은 HNP 농도의 경우, 태아 송아지 혈청의 존재하에서 측정된 것으로서, 향상된 산소 소비와 ROS 생산은 유의적인 세포 사멸을 가져왔다(도 10c 좌측). 당해 관찰은 광역학적 치료요법 적용에 있어서 이들 HNP의 가능한 용도를 제안한다. 다른 한편, 보다 낮은 HNP 농도는 제한된 ROS 형성과 일치하는, 살아있는 세포를 주로 나타낸다(도 10c 우측). 이러한 발견은 HNP에 의한 ROS의 광-조절된 생산이 유의적인 세포 손상없이 수행될 수 있으므로, 생물학적 활성의 광-매개된 조절에 이들을 이용하기 위한 문호를 개방하였음을 입증하였다. 특히, GSH 코팅을 사용한 이들 실험에서 PEG로 오버-코팅된 반도체 나노결정에 대해 나타낸 바와 같이 상이한 표면 코팅에 의해 최소화될 수 있는 일부 세포 흡수가 예측된다.

결론적으로, ROS 형성은 HNP의 광 조사을 통해 본원에서 입증되었으며, NR에 비해 유의적으로 개선된 수율을 나타내었고, 생리학적으로 관련된 조건에서 일어나는 다양한 산화/환원 공정을 연구하였다. 시스템 둘 다는 슈퍼옥사이드 라디칼을 생산하지만, HNP는 또한 순수한 나노로드와 비교하여 과산화수소 및 하이드록실 라디칼을 생산하는 향상된 능력을 나타내었다. 이는 효소 특성을 조절하고 라디칼 및/또는 과산화물 형성을 통해 생물학적 경로에 영향을 미치는 이러한 시스템을 적용하는 일반적인 시도에 대한 개념의 증명으로서 HNP를 사용하여 광으로 HRP를 활성화시키는 능력을 입증하였다.

더욱이, 에너지 밴드 정렬을 조율함으로써 나노입자의 특성을 조절하는 능력은 가시 광을 사용한 산화환원 반응을 포괄하는 특정의 생물학적 경로의 효율적인 조절에 대한 새로운 길을 추가로 열어줄 수 있다. 정공 수용체 및 SOD의 첨가는 H₂O₂ 생산 효율을 증가시키고 퍼옥시다제 이외의 생물분자에 대한 HNP 표면으로부터의 라디칼의 확산 및 원치않는 상호작용을 최소화함으로써 시스템의 특이성을 증가시키기 위해 제공될 수 있다. 생물독성 연구는 ROS 생산의 정도를 조율함으로써 생체의학 적용시 HNP의 다양한 활용을 입증한다. 공격적인 생산은 광역학적 치료요법에 사용될 수 있으며; 대조적으로, 세포 생존능은 ROS의 광-조절되고 제한된 형성 하에 합리적으로 유지되었다.

HRP는 검출 및 정량화 방법에서 광범위하게 사용되며 다른 퍼옥시다제는 물질대사 및 면역 경로에서 역활을 담당하여 생물학적 공정에 대한 이러한 시도의 관련성을 강조한다. 실제로, 일부 퍼옥시다제가 세포 외부에서 주로 발현되어 기능하며, 이는 또한 HNP의 내부화 및 세포내 ROS 생산에 기인한 독성 우려를 추가로 제한한다. 예를 들어, 갑상샘 퍼옥시다제는 과산화수소를 갑상선 난포 세포의 정단막(apical membrane) 상의 갑상선 호르몬에 혼입시킴으로써 이의 생물학적 역활을 담당한다.

또한, HNP는 고유한 생체의학적 적용시 이들의 사용 방법을 마련하여, 필요할 때에 부위 특이적인 ROS 생산을 제공하기 위해, 전달제에 및 이식가능한 기판을 포함하는 기판에 접합시킬 수 있다.

본 발명은 또한 중합 방법에서 다수의 HNP의 용도를 추가로 제공한다.

광 경화성(또는 광-중합가능한) 시스템의 중합은 진전된 코팅(목재/자동차), 접착제 및 2D 및 3D 인쇄(어떠한 물질, 패턴 또는 대상의)용 인쇄 잉크에 집중적으로 사용되어 왔다. 당해 공정에서, 광-개시제는 광을 흡수하여 반응성 종을 생성하는 화합물이다. 이는 수득되는 중합된 대상의 동력학 및 특성을 결정하는, 광-중합 공정에서 가장 중요한 단계인, 광-개시의 속도를 결정하는데 있어서 중요한 역활을 한다. 광-개시는 입사광 강도, 광 개시제의 농도 및 광 개시제의 고유한 특성에 직접적으로 비례한다. 이의 유용성에 영향을 미치는 광 개시제의 고유한 특성은 광학 밀도(O.D), 흡수된 광자당 발생하는 양자 수율 또는 분열 현상, 및 광-개시제 효율 또는 광 분해에 의해 생성된 라디칼에 대한 개시 현상의 비율이다. 효율적인 중합을 위해, 개시제는 큰 광학 밀도 및 광원의 방출 스펙트럼과의 우수한 오버랩핑 흡광 스펙트럼을 가져야 한다.

현재 이용가능한 광 개시제는 조사시 화학적 분해를 겪어 짧은 수명의 라디칼을 생성하며; 이는 공정 동안 소비된다. 따라서, 연장된 광-중합을 수행하기 위해서는, 고 농도의 광 개시제가 흔히 요구된다. 또한, 이들은 근 UV-가시 영역(300-700 nm)내의 파장을 갖는 광원을 사용한 조사시 낮은 효율 및 느린 중합 속도를 나타낸다. 또한, 이들 광 개시제의 불량한 수용성은 광 경화성 단량체를 사용하는 수성 시스템에서 이들의 사용을 제한한다. 따라서, 본원에 개시된 HNP는 고 성능 광-중합에 사용될 수 있고 이의 구조를 적절히 조절함으로써 다양한 파장에서 사용될 수 있는, 근 UV-가시 범위에서 높은 흡광도를 지닌, 매우 효율적인 광 개시제에 대한 충족되지 않았던 요구를 충족시킨다. 따라서, HNP는 수개의 기능적 및 경제적인 생산성 장점을 제공하는 효율적인 촉매 다기능성 광 개시제 시스템을 개발하기 위한 기회를 제공한다.

유리된 라디칼 광 중합은 산소 억제에 의해 부정적으로 영향을 받는다는 것이 광범위하게 알려져 있다. 산소 억제는 산소가 중합체 라디칼의 개시 및/또는 성장을 억제(quench)시키는 공정이다. 본원에 개시된 바와 같이, HNP는 산소를 소비하여 반응성 산소 종을 생성하며, 이는 중합 공정에 관여한다. 따라서, 산소를 소비하여 중합 개시 라디칼을 생성하는, HNP의 "이중 성질(dual nature)"은 수성 중합 잉크에서 높은 중합 효율에 기여한다.

HNP는 본원에서 다양한 적용에 있어 중합 반응에서 광 개시제로서 추가로 사용된다. 일부 구현예에서, HNP는 잉크 성분과 함께, 인쇄 공정에서 광-개시제로서 사용된다.

일부 구현예에서, HNP는 가시 영역 또는 근 UV-가시 영역에서 조사 후 유리 라디칼을 효율적으로 생성하여 중합 공정을 유도하는데 필요한, 신속한 2D 또는 3D 인쇄시 고 성능 중합을 위한 광-개시제로서 사용된다.

따라서, 본 발명의 추가의 국면에 의해, 본 발명에 따른 광 개시제를 포함하는, 인쇄 제형, 예를 들면, 잉크가 제공된다.

인쇄 제형은 다수의 HNP 및 적어도 하나의 단량체, 적어도 하나의 올리고머, 적어도 하나의 예비 중합체 또는 이의 임의의 조합 형태의 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 광경화성 잉크의 형태일 수 있다. 일부 구현예에서, 다수의 HNP는 촉매량으로 존재한다.

일부 구현예에서, 잉크 조성물은 임의로 용매, 분산제, 반응성 희석제, 습윤제, 계면활성제, 레올로지제(rheological agent), 이온성 물질, 유기 용매, 염료, 안료, 안정화제, 가속화제, 억제제, 효소, 전자 및/또는 정공 수용체 및 습윤제로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 임의로 추가로 포함한다.

광경화성 잉크는 유기 용매 및 수계 용매 또는 혼합물로부터 선택된, 이들을 다양한 적용, 예를 들면 생물분자, 영양소 또는 살아있는 세포를 사용한 2D 및 3D 인쇄와 같은 생물의학적 적용, 및 어떠한 수계 중합가능한 잉크 내에서 적합하도록 하는, 어떠한 용매 또는 액체 매질 속에서도 제형화될 수 있다. 이러한 조절은 본 발명의 광 개시제에 독특하게 이용가능하며, 여기서 이들의 용매 양립성은 적합한 표면 화학 개질에 의해 개질될 수 있다.

본 발명은 또한 광경화성 잉크를 제조하는 방법에서 사용하기 위한 상기 HNP의 수성 분산액에 관한 것이며, 여기서 당해 방법은 수성 분산액을 중합될 물질과 혼합하는 단계를 임의로 포함한다.

본 발명은 또한 물 속에서 분산시키기 위한, HNP를 포함하는 분말에 관한 것이다. 상기 분말 또는 물은 적어도 하나의 분산제, 전자 및/또는 정공 수용체, 효소 및 기타와 같은 접합되거나 유리된 적어도 하나의 추가의 첨가제를 임의로 추가로 포함할 수 있다. 비-제한적인 예는 중합체(예를 들면, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리 스티렌-공 말레산 무수물(PSMA)), 펩타이드(예를 들면, 글루타티온), DNA 및 RNA 분자, 티올레이트 리간드(예를 들면, 머캅토운데카노산(MUA), 머캅토헥사노산(MHA), 머캅토프로피온산(MPA), 머캅토설폰산(MSA), 디하이드로리포산(DHLA)), 알코올(예를 들면, 에탄올 및 메탄올), 설파이드, 트리에탄올아민, 산(예를 들면, 피루베이트, 아스코르베이트, 락테이트, 석시네이트, EDTA), 아미노산, 탄수화물(예를 들면, 글루코즈, 슈크로즈), 유비퀴놀, NADH, NADPH, FAD, 양이온 및/또는 음이온 및/또는 이들의 염, 산화환원 염료, C₆₀, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 및 시토크롬이 있다.

분말형으로서, HNP는 고체 나노입자로서 존재하거나 중합체 또는 매트릭스 물질 또는 다른 고체 물질과 같은 적어도 하나의 고체 담체와 함께 조합되어 분말 용적 속에서 나노입자 밀도를 안정화시키거나, 보호하거나 감소시킬 수 있다. 일부 구현예에서, HNP는 미립자 형태로 사용된다. 예를 들면, 분말은 물에 분산시키는 경우, 나노입자 농도가 6x10^-7M이고, 입자 크기가 100nm 미만이 수득되도록 제조된다.

용어 "광 개시제"는 광 노출 시 유리 라디칼을 형성함으로써 중합 공정을 개시할 수 있는 HNP를 말한다. 이러한 공정은 2개 양성자 흡수(TPA) 인쇄 공정, 및 다른 광 개시된 2D, 또는 3D 및 다른 인쇄 공정과 같은 광 활성화된 중합 반응을 포함하는 어떠한 인쇄 기술일 수 있다.

어떠한 중합 반응, 예를 들면, 2D 또는 3D UV 경화된 인쇄 공정에 이용된 단량체, 올리고머 및 예비 중합체와 같은 중합가능한 물질은 중합 반응을 겪을 수 있는 어떠한 이러한 물질로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 중합가능한 물질은 산 함유 단량체, 아크릴성 단량체, 아민 함유 단량체, 가교결합성 아크릴성 단량체, 개질된 젤라틴 아크릴레이트, 개질된 수용성/수분산성 우레탄 올리고머 및 단량체, 개질된 수용성/수분산성 아크릴레이트, 이중 반응성 아크릴성 단량체, 에폭사이드/무수물/이미드, 형광성 아크릴성 단량체, 플루오르화 아크릴성 단량체, 고 또는 저 굴절율 단량체, 하이드록시 함유 단량체, 일작용성 및 이작용성 글리콜 올리고머 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴아미드 단량체, 비닐 및 에테닐 단량체, 및 상응하는 올리고머 및 예비-중합체로부터 선택될 수 있다.

본 발명은 또한 예를 들면, 1D, 2D 또는 3D 인쇄용 잉크의 제조시 사용하기 위한, HNP의 분산액을 제공하는 방법에 관한 것이며, 당해 방법은 액체 매질 속에 다수의 상기 HNP를 분산시킴을 포함하고, 상기 매질은 본원에 인용된 바와 같은, 하나 이상의 잉크 성분을 포함한다. 일부 구현예에서, 분산액은 HNP를 포함하는 수성 분산액이다.

본 발명은 또한 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 잉크 제형을 기판 표면에 패턴화하는 단계, 및 상기 HNP를 포함하는 상기 패턴을 조사하여 패턴 속에 존재하는 상기 중합가능한 물질의 중합을 유발시키는 단계를 포함하는 인쇄 공정, 잉크 제형 및 형성된 패턴을 추가로 제공한다.

본 발명은 또한 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 페턴을 기판 표면에 형성시키는 단계, 및 상기 HNP를 포함하는 패턴을 조사하여 패턴 속에 존재하는 상기 중합가능한 물질의 중합을 유도하는 단계를 포함하는, 인쇄 공정을 추가로 제공한다.

상기 방법은 디지탈 프로세싱 인쇄(digital processing printing), 및 잉크젯 인쇄에 이은 중합에 의해 스테레오리쏘그래피(stereolithography)와 같은, 중합, 예를 들면, 광 중합을 사용하도록 하는 어떠한 인쇄 기술에 의해서도 2D 패턴을 제작하는데 사용될 수 있다.

상기 패턴은 어떠한 형태 또는 구조의 패턴일 수 있다. 상기 패턴(예를 들면, 라인)의 특징은 어떠한 크기, 두께 및 길이일 수 있다. 예를 들면, 상기 패턴은 마이크로미터 또는 나노미터 체제로 존재할 수 있다. 다른 경우에, 상기 패턴은 가시성 패턴일 수 있다. 상기 패턴은 당해 분야에 공지된 어떠한 하나의 인쇄 방법에 의해 또는 이러한 방법의 임의의 조합에 의해서도 형성될 수 있다.

본 발명은 또한 3D 물체를 제작하는 방법을 고려하며, 당해 방법은 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 제형 또는 조성물의 형태인 물질을 표면 또는 이미 형성된(적층되거나 침착된) 층 위에 침착시키는 단계, 및 상기 패턴을 조사하여 상기 물질의 중합을 유발하는 단계를 포함한다. 조사는 각각의 층이 침착되거나, 수개의 층이 침착되거나, 완전한 대상이 형성된 후에, 이루어질 수 있다.

상기 방법은 직접적인 인쇄뿐만 아니라 상향식 방식(bottom-up method)에 의해, 다양한 물체의 건조를 허용한다. 일부 구현예에서, 침착은 인쇄, 예를 들면, 잉크 젯 인쇄에 의한다. 다른 구현예에서, 침착은 당해 분야에 공지된 어떠한 다른 침착 기술에 의한다.

본원에 사용된 것으로서, 패턴의 "인쇄"는 예를 들면, 차등적인 롤 인쇄(differential roll printing), 접촉 인쇄(contact printing), 인크젯 인쇄, 레이저 인쇄, 스크린 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄(flexographic printing), 디지탈 광 공정 인쇄(digital light processing printing), 코팅, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 잉크 플레이싱(ink placing), 침착 또는 이의 임의의 조합을 포함하는, 당해 분야에 공지된 어떠한 인쇄 기술에 의해서도 달성될 수 있으여, 단 잉크 제형의 어느 하나의 성분도 본 발명에 따른 HNP를 포함한다. 일부 구현예에서, 인쇄는 차등적인 롤 인쇄, 접촉 인쇄 또는 잉크젯 인쇄이다. 일부 구현예에서, 상기 인쇄는 잉크젠 인쇄이다.

일부 구현예에서, 2D 인쇄의 경우 인쇄 기술은 잉크젯 인쇄, 레이저 인쇄, 스크린 인쇄 또는 플렉소그래픽 인쇄이다.

일부 구현예에서, 3D 인쇄의 경우 인쇄 기술은 잉크젯 인쇄 또는 디지탈 광 프로세싱 인쇄(digital light processing printing)이다.

따라서 형성된 물체는 어떠한 크기 및 형태일 수 있으며, 특히 사용된 광 개시제를 기준으로 하여, 조절될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 물체는 의학적 이식물용의 스캐폴드(scaffold), 및 생물공학적 공정과 같은 어떠한 적용에도 적합한 광경화성 수-계 매트릭스, 예를 들면, 하이드로겔과 같은 매트릭스 형태로 존재한다. 특정의 적용을 위해, 잉크 제형은 인쇄된 중합체 구조에 기능성을 제공하도록 의도된 하나 이상의 기능적 물질을 추가로 포함할 수 있다. 이들 중에서는, 전도성 물질 또는 전도성 물질의 전구체(예를 들면, 금속성 나노입자 및 금속 전구체, 탄소 나노튜브, 그라펜 및 이들의 유도체, 전도성 중합체), 생물학적 물질(예를 들면, 세포 및 미생물, 단백질 및 펩타이드, 다당류), 특수 효과 착색제(예를 들면, 형광성, 반응성 물질) 및 감각 물질이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

HNP는 광-중합 반응에 의해 소비되지 않으며 광 조사에 의해 추가의 사용을 위해 개시될 수 있으므로, 본 발명의 방법에 따라 인쇄되거나 달리 형성된 물체 속에 존재하는 HNP는 상기 물체를 구성하여 물체 속에 다양한 구조적, 기계적, 물리적 또는 화학적 변화를 부여한 후 활성화시킬 수 있다. 예를 들면, HNP는 상이한 파장에 의한 조사에 의해 활성화될 수 있는, HNP의 다수(2개 이상)의 상이한 집단을 포함하는 배합물의 형태일 수 있으므로, 하나의 파장에 의한 조사는 물체의 단일 영역의 중합을 유발할 수 있지만, 상이한 파장의 광 하에서 후속적인 조사는 물체의 다른 영역의 중합을 유발할 수 있다. 이는 단계별(step-wise) 또는 요구형(on-demand) 중합을 가능하도록 한다.

따라서, 본 발명은 패턴 또는 물체 물질 속에 분산된 다수의 HNP를 포함하는 경화되거나 부분 경화된 패턴을 추가로 제공한다. 일부 구현예에서, 상기 패턴 또는 물체는 미리 광 경화되며, 광 개시제는 HNP이다. 다른 구현에에서, 상기 패턴 또는 물체는 미리 광 경화되며, 광 개시제는 HNP가 아니다. 일부 구현예에서, 상기 패턴 또는 물체는 광 개시제와는 상이한 개시제로 미리 경화된다.

따라서, 본 발명은 또한 다수의 HNP를 포함하는 경화가능한 패턴 또는 물체를 고려한다.

광경화성 물질 또는 수지를 포함하는 치과용 복합재는 또한 본원에 개시된 바와 같이, HNP를 이용하여 조작할 수 있다.

따라서, 본 발명은 본원에 정의된 바와 같은 다수의 HNP, 적어도 하나의 광경화가능한 수지, 예를 들면, 단량체, 올리고머, 예비 중합체 등; 및 적어도 하나의 충전제, 임의로 무기 충전제를 포함하는 치과용 조성물을 또한 고려한다. 일단 조성물이 위치하여 성형되면, 이는 조사됨으로써 HNP를 활성화시켜 적어도 하나의 중합가능한 수지의 중합을 유발시킨다.

상기 복합재는 크라운(crown), 브릿지(bridge), 의치, 인레이(inlay), 온-레이(on-lay), 임플란트 치근, 베니어(veneer), 임플란트, 임플란트 악세서리, 임플란트 포스트(implant post), 필러(filler) 또는 치과용 밀 블랭크(dental mill blank)와 같은 적어도 하나의 치과용 제품을 구성하는데 있어서 생체내(in vivo) 또는 생체외(ex vivo)로 사용될 수 있다.

HNP는 순차적인 또는 요구형 광 중합을 위한 기회를 제공하므로, 치과용 복합재는 당해 복합재를 제1 파장의 광에 첫번째로 노출시키고, 이의 위치설정 후 복합체를 추가의 파장의 광에 생체내 노출시켜 상기 복합재가 필요한 기계적 및 물리적 특성을 지니도록 함으로써, 특정 질감의 복합재로 생체외에서 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명은 광 중합 방법에서 사용하기 위한 광 개시제를 제공하며, 당해 광 개시제는 예를 들면, 광 경화성 물질의 중합을 위한, 하이브리드 나노입자(HNP)로 이루어진다. 일부 구현예에서, 광 중합 방법은 인쇄이다. 일부 구현예에서, HNP는 가시성 체제, 근 IR 체제 또는 UV 체제의 광에 의한 조사 시, 라디칼 또는 반응성 산소 종인 반응성 종을 형성하기 위해 선택된다.

따라서, HNP 형태의 광 개시제를 포함하는 인쇄 제형이 추가로 제공된다. 당해 제형은 적어도 하나의 단량체, 적어도 하나의 올리고머, 적어도 하나의 예비중합체 및 이의 임의의 조합으로부터 선택된, 적어도 하나의 중합가능한 물질을 추가로 포함할 수 있다.

상기 제형은 용매, 분산제, 반응성 희석제, 습윤제, 계면활성제, 레올로지제, 이온성 물질, 유기 용매, 염료, 안료, 안정화제, 가속화제, 억제제, 효소, 전자 및/또는 정공 가속화제 및 습윤제로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

제형은 유기 용매 및 수계 용매로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제형은 분말 형태, 예를 들면, 액체 담체 속에 용해, 현탁 또는 분산시키기 위해 준비된 형태일 수 있으며, 여기서 상기 액체 담체는 유기 용매 및 수계 용매로부터 선택된다. 이러한 고체 제형은 적어도 하나의 분산제, 적어도 하나의 전자 수용체 물질 및 적어도 하나의 정공 수용체 물질로부터 선택된 다양한 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 제형은 펩타이드, 뉴클레오타이드 분자, 티올레이트 리간드, 머캅토운데카노산(MUA), 머캅토헥사노산(MHA), 머캅토프로피온산(MPA), 머캅토설폰산(MSA), 디하이드로리포익산(DHLA), 알코올, 설파이드, 트리에탄올아민, 유기산, 아미노산, 탄수화물, 유비퀴놀, NADH, NADPH, FAD, 양이온성 물질, 음이온성 물질, 유기 염, 무기 염, 산화환원 염료, C₆₀, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 및 시토크롬으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 추가로 포함할 수 있다.

적어도 하나의 중합가능한 물질은 산 함유 단량체, 아크릴성 단량체, 아민 함유 단량체, 가교결합 아크릴성 단량체, 개질된 젤라틴 아크릴레이트, 개질된 수용성/수분산헝 우레탄 올리고머 및 단량체, 개질된 수용성/수분산성 아크릴레이트, 이중 반응성 아크릴성 단량체, 에폭사이드/무수물/이미드, 형광성 아크릴성 단량체, 플루오르화 아크릴성 단량체, 고 또는 저 굴절율 단량체, 하이드록시 함유 단량체, 일작용성 및 이작용성 글리콜 올리고머성 단량체, 스티렌성 단량체, 아크릴아미드 단량체, 비닐 및 에테닐 단량체, 및 상응하는 올리고머 및 예비-중합체로부터 전형적으로 선택된다.

본 발명은 또한 표면 영역에서 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 잉크 제형을 패턴화하는 단계, 및 상기 패턴을 조사하여 상기 중합가능한 물질의 중합을 유발시키는 단계를 포함하는 인쇄 공정을 제공한다.

또한, 표면 영역에서 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 패턴을 형성시키는 단계, 및 당해 패턴을 조사하여 상기 중합가능한 물질의 중합을 유발시키는 단계를 포함하는 인쇄 공정이 제공된다.

본원에 설명된 바와 같이, 조사는 라디칼 및 반응성 산소 종으로부터 선택된 적어도 하나의 반응성 종의 형성을 유도하며, 이는 중합가능한 물질의 중합을 유발한다.

본 발명의 공정을 1D, 2D 또는 3D 물체를 인쇄하기 위해 수행하는 경우, 물체 구성의 패턴화는 인쇄, 예를 들면, 잉크젯에 의해 달성할 수 있다. 3D 물체에 관한 것인 경우, 인쇄 또는 패턴화는 표면 영역 또는 상기 표면 영역에 형성된 패턴 위에서 잉크 제형을 패턴화하는 단계, 및 임의로 상기 패턴화를 하나 이상의 추가의 회수로 반복하여 2개 이상의 층을 포함하는 다층 물체를 수득하는 단계, 및 조사하여 상기 잉크 제형 속에 중합가능한 물질의 중합을 유발하는 단계에 의해 달성할 수 있다. 조사는 패턴화 단계 후, 동안, 또는 이와 동시에 또는 수개의 층이 침착되거나 완전한 물체가 형성된 후 수행될 수 있다. 이러한 공정은 이들이 구성된 원래의 표면으로부터 탈착가능한, 자립형 물체(self-standing object)의 구성시 사용될 수 있다. 이러한 물체는 물체에서 추가의 개질을 유도하기 위해 추가로 이용될 수 있는 다수의 HNP를 포함한다. HNP의 요구형 활성화를 달성하기 위해, 일부 구현예에서 나노입자의 적어도 2개의 집단을 이용하는 것이 바람직하며, 각각의 집단은 상이한 파장의 광 하에서 반응성이다. 예를 들면, 상기 적어도 2개의 집단 중 하나는 상기 패턴 또는 물체를 형성하기 위한 제1 파장의 광에 의해 활성화될 수 있으며, 상기 적어도 2개의 집단 중 적어도 하나의 다른 집단은 제1 파장의 상기 광 하에 조사되는 경우 비반응성일 수 있다.

본 발명의 공정에 따라 형성된 물체는 당해 물체의 생산시 소비되지 않는 HNP의 집단을 포함하므로, 매우 바람직하다. 상기 물체는 어떠한 크기, 형태, 물질 및 구성일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 물체는 물질 매트릭스, 또는 하이드로겔이며, 이는 전형적으로 생적합성이므로, 본원에 개시된 바와 같이 의약 또는 다양한 생물학적 적용에 이용될 수 있다.

본 발명은 또한 적어도 하나의 중합가능한 물질 및 적어도 2개의 HNP 집단을 포함하는 중합체성 물체를 제공하며, 각각의 집단은 상이한 파장의 광 하에 활성화될 수 있어서 적어도 하나의 중합가능한 물질의 중합을 유발한다.

또한 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 광-반응성 물체가 제공되며, 상기 HNP는 광 조사시 적어도 하나의 중합가능한 물질의 중합을 유발할 수 있다.

다수의 HNP, 단량체, 올리고머 및 예비-중합체로부터 선택된 형태의 적어도 하나의 중합가능한 수지, 및 임의로 적어도 하나의 충전제를 포함하는, 적어도 하나의 광경화성 물질 및 다수의 HNP를 포함하는 치과용 복합재가 또한 제공된다.

HNP는 다양한 상이한 적용에서 사용될 수 있으므로 다수의 HNP 외에, 적어도 하나의 물질의 존재 또는 부재를 측정하거나; 키트의 용도에 의존하여, 적어도 하나의 물질의 합성적 변환을 수행하기 위한 진단 분석을 수행하기 위한 매질, 및 광 노출 하에서 상기 분석 및/또는 합성적 변환을 구행하기 위한 설명서를 포함하는 시판되는 패키지(package) 또는 키트로 제조된다.

HNP 및 라디칼 또는 퍼옥사이드-매개된 전환에 민감한 적어도 하나의 물질을 포함하는 매질을 조사하는 단계를 포함하여, 매질 속에서 라디칼 또는 퍼옥사이드 형태의 반응성 종을 생성시키는 방법이 또한 제공된다.

유사하게, HNP 및, 적어도 하나의 생물학적 물질과 관련된 생물학적 공정을 조절하기 위한, 라디칼 또는 퍼옥사이드 매개된 전환에 민감한 적어도 하나의 생물학적 물질을 포함하는 생물학적 매질을 조명을 통해 조사하는 단계를 포함하여, 생물학적 매질 속에서 라디칼 또는 퍼옥사이드 형태의 반응성 종을 생성하는 방법이 제공된다. 상기 적어도 하나의 생물학적 물질은 효소일 수 있다. 상기 방법은 라디칼 또는 퍼옥사이드 형성을 통해 생물학적 경로에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 또한 효소 및 다수의 HNP를 포함하는 생물학적 매질을 고려한다.

퍼옥사이드 및 라디칼로부터 선택된, 반응성 종을 생성하기 위한 도구는 본원에 정의된 바와 같은, 다수의 하이브리드 나노입자(HNP)의 형태이다. 당해 도구는 용액, 광중합 반응물 속에서 반응성 산소 종을 생성하는 방법에 사용될 수 있으며, 광 개시제로서 및 다양한 다른 목적을 위한, 인쇄시 사용될 수 있다. 반응성 좋은 HNP 및 라디칼을 형성할 수 있는 적어도 하나의 물질을 포함하는 제형, 현탁액 또는 분산액을 조사함으로써 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 라디칼을 형성할 수 있는 물질은 HNP로부터 적어도 하나의 쌍을 이루지 않은 전하를 수용할 수 있거나, HNP의 존재하에서 광에 의한 조사시 반응성 종으로 해리되는 적어도 하나의 물질이며, 여기서 적어도 하나의 물질은 원자, 분자, 및 이온으로부터 선택된다. 적어도 하나의 물질은 물, 하이드록사이드, 산소, 퍼옥사이드, 아조 화합물, 디설파이드, 퍼설페이트, 이산화탄소, 카보네이트, 아지드, 암모니아, 하이드록실아민, 이산화질소, 삼산화질소, 포스파이트, 포스페이트, 이산화황, 설파이트, 설페이트, 퍼옥소모노설페이트, 셀레나이트, 디티오시아네이트, 디할로겐, 염소 및 이산화브롬으로부터 선택될 수 있다.

본 발명은 또한 하이브리드 나노입자(HNP) 형태의 광-개시제, 또는 하이브리드 나노입자(HNP)로 이루어진 적어도 하나의 광 개시인자 물질을 포함하는 제형, 또는 다수의 HNP 및 라디칼 및 퍼옥사이드로부터 선택된 반응성 종에 의해 촉매적으로 변환될 수 있는 적어도 하나의 물질을 포함하는 제형을 고려한다.

본원에 개시된 요지를 보다 잘 이해하고 이를 실제로 수행할 수 있는 방법을 예시하기 위하여, 구현예를 첨부되는 도면을 참고로, 비제한된 실시예 만으로, 이제 기술할 것이다.
도 1a-b는 이들의 HRP 광촉매적 활성화와 함께 HNP의 광학적 및 구조적 특성화를 나타낸다. 도 1a-유사한 특징을 나타내는 CdSe/CdS NR 및 CdSe/CdS-Au HNP의 흡수 스펙트럼. 작은 Au 팁의 기여는 적색을 향한 흡수 꼬리의 작은 증가에서 주로 나타난다. 삽화-TEM 영상은 이들의 정점(보다 큰 콘트라스트, 직경 1.6nm)에 작은 금 팁을 지닌 52 ± 4 nm x 4.4 ± 0.4 nm CdSe/CdS의 성냥개비-유사 구조를 나타낸다. 도 1b-여기 공급원을 켜고 끄는 동안 HRP 자극의 계단식 거동은 검정색 및 회색 화살표로 각각 나타내었다. (삽화) HNP 및 HRP 용액의 증가된 조사 시간과 함께 증가하는, 약 495nm에서 이의 특성 피크를 갖는 흡광도 측정에 의한 HRP 생성물의 검출.
도 2a-h는 하이브리드 나노로드 CdSe/CdS-Au(52nm x 4.4nm)(도 2a) 및 CdS-Au(49nm x 4.2nm)(도 2e)의 TEM 영상을 나타낸다. 로드 직경(도 2b,f), 길이(도 2c,g) 및 Au 금속 도메인 직경(도 2d,h)에 대한 크기별 막대그래프.
도 3은 CdSe QD 및 CdSe/CdS NR의 흡수 스펙트럼을 제공한다. 삽도는 씨딩된 로드 구조내에서 CdSe 씨드 특징을 나타낸다.
도 4a-b는 다음을 제공한다: 도 4a-HNP의 광 자극시 4-AAP 및 페놀의 존재하에서 HRP에 의해 촉매된 퀴논이민의 생산을 위한 반응 도식. 도 4b-HNP에 의한 HRP 활성의 광-유도된 조절의 대조군 측정은 다양한 조건, 효소 또는 산소의 부재, 조사 부재 및 HNP의 부재하에서 수행하였다. 모든 이들 매개변수를 포함하는 완전한 검정의 결과는 검정색 곡선으로 나타낸다.
도 5a-c는 상이한 조건에서 HNP, NR, 및 QD 씨드를 사용하는 HRP 활성화에 의한 생성물 형성의 비교 연구를 제공한다. 도 5a- SOD 및 에탄올의 존재하에서 하이브리드의 광 자극은 순수한 나노로드 또는 CdSe 씨드 각각으로 자극하는 경우보다 500s 후 3 및 15배 더 높은 생성물 형성을 생성한다. 도 5b-c- 500s 후 생성물 형성을 플로팅하는, 상이한 조건에서 HRP 활성에 대한 비교 바아 차트(도 5b-c에서 상이한 규모에 주목한다). 용액에 대한 SOD의 첨가는 시험한 나노입자 시스템 모두의 효율을 증가시키고 당해 효율은 정공 수용체(HS)의 첨가시 추가로 향상되며, 당해 정공 수용체는 이 경우 에탄올이다. 특히, HNP 시스템의 효율에 있어서 정공 수용체 및 SOD 효과는 NR 및 QD와 비교하여 훨씬 더 두드러진다.
도 6은 SOD 및 정공 스캐빈저(hole scavenger)(예를 들면, EtOH)의 존재하에서 및 이들 첨가제의 부재하에서 CdS-Au HNP와 CdS NR 사이의 광 조사시 HRP 활성의 비교를 나타낸다.
도 7a-d는 HNP 광촉매적 ROS 형성 메카니즘을 나타낸다. 도 7a- 폴라로그래피(polarography)를 사용한 광 조명시 PEI로 코팅된 HNP 및 NR에 의한 분자 산소 소비의 동력학적 측정. 도 7b- 형광성 TPA 검정을 사용한 하이드록실 라디칼 형성의 동력학적 측정(삽도). NR과 비교하여 HNP의 자극시 유의적으로 보다 신속하고 보다 효율적인 하이드록실 라디칼에 주목한다. 하이브리드 용액에 대한 정공 스캐빈저로서의 에탄올의 첨가는 당해 반응을 방지하여, 대조군 TPA 만의 시그날과 유사한 시그날을 수득하였다. 도 7c- HNP(상부 패널) 및 NR(하부 패널)의 여기 후 EPR 측정, 및 상응하는 핏(fit). 결과는 순수한 NR에 대한 거의 단독(90%)의 슈퍼옥사이드 생산을 나타내지만, HNP 시그날은 유의적인 하이드록실 라디칼 생산에 기여하는 추가의 피크를 나타낸다. 도 7d- 3448G(패널 c에서 별 표시)의 정적 자기장에서 슈퍼옥사이드 라디칼 시그날에 대한 시간-분할된 측정은 HNP보다 NR의 경우 더 높은 슈퍼옥사이드 시그날을 나타내며, 이어서 광이 비추는 경우 안정기가 이어져서(회색 화살표), 라디칼의 균형을 이룬 형성 및 파괴를 초래한다. 라디칼 시그날의 신속한 붕괴는 여기원을 끌때 관찰된다(검정색 화살표).
도 8은 에탄올의 존재하에서 HNP 또는 NR(각각 상부 및 하부 패널 각각)의 조명 동안 ERR 측정이 DMPO-OH의 감소된 시그날 및 에탄올 기원한 라디칼 첨가물인, CH3C*HOH의 존재를 나타내는 aN=15.8G 및 aH=22.8G의 초미세 커플링과 함께 시그날에 있어서의 증가를 초래하였다. 이는 용액 속에서 하이드록실 라디칼의 존재로부터 DMPO-OH 결과를 입증한다.
도 9는 HNP 광 활성화 후 ROS 형성에 대한 상이한 경로, 및 HRP 조절에 대한 이들의 용도를 나타내는 요약 도식을 제공한다. 반도체 로드의 여기는 전하 분리를 초래한 다음, 여기된 전자에 의한 분자 산소의 환원을 초래한다. 이는 HRP에 대한 기판으로서 사용될 수 있는 H₂O₂의 직접적인 형성 또는 SOD의 도움으로 H₂O₂로 전환될 수 있는 슈퍼옥사이드의 형성을 초래한다. 동시에, 정공은 하이드록실 라디칼을 생산하는데 사용될 수 있거나 정공 수용체에 의해 스캐빈징(scavenging)될 수 있다.
도 10a-c는 HNP 표면 효과 및 생적합성 특성을 나타낸다. 도 10a- SOD 및 에탄올의 존재하에서 상이한 표면 코팅을 사용한 HNP의 광 자극시 HRP 활성. PEI로 코팅된 HNP는 GSH 및 MPA와 같은 티올레이트 리간드와 비교하여 5배 더 높은 효율을 나타낸다. PSMA는 최저 효율을 나타내었다. 도 10b- 배양된 K-562 세포를 사용한 MTT 생존능 검정은 상이한 농도의 NR 및 HNP와 함께 24시간 동안 이들의 항온처리가 이들의 생존능에 유의적으로 영향을 미치지 않았음을 나타낸다. 도 10c- 2.5 및 0.5nM의 HNP(각각 좌측 및 우측)와 함께 항온처리한 세포에서 조명 후 24시간째에 생 및 사 검정. 보다 높은 HNP 농도는 광역학적 치료요법에 대한 강력한 용도를 나타내는 결과인, 유의적인 세포 사멸(도에서 밝지 않은 세포)를 나타낸다. 보다 낮은 HNP 농도는 광-조절된 ROS 생산 하에서 세포의 생존능을 나타내는, 대부분의 살아있는 세포(밝은 세포)를 나타내었다, 바아 규모는 100μm이다.
도 11a-c는 다음을 제공한다: 도 11a- 폴라로그래피로 측정된, 광 조명시 GSH로 코팅된 HNP 및 NR에 의한 분자 산소 소모의 동력학적 측정. 도 11b- SOD 및 정공 스캐빈저(예를 들면, EtOH)의 존재 및 이들 첨가제의 부재하에서 GSH로 코팅된 CdSe/CdS-Au HNP와 CdSe/CdS NR 사이의 HRP 활성 검정을 사용한 광 조사시 HRP 활성의 비교. 도 11c- 순수한 나노로드와 비교하여 하이브리드의 자극시 보다 신속한 하이드록실 라디칼 생산을 나타내는 TPA 검정을 사용한 하이드록실 라디칼 형성의 동력학적 측정. 하이브리드 용액에 대한 정공 스캐빈저로서 에탄올의 첨가는 당해 반응을 방지하여 대조군 TPA 만의 시그날과 유사한 시그날을 수득한다.
도 12a-c는 다음을 제공한다: 도 12a- 용액에 정공 수용체를 첨가하거나 첨가하지 않고 혈청 또는 완충액 속에서 HNP를 자극시킨 후 HRP 생성물의 생산. 결과는 또한 생물학적 시스템 속에서 과산화수소의 효율적이고 조절된 생산을 위한 정공 수용체의 존재 및 부재하에서 HNP 자극을 사용하는 능력을 입증한다. 도 12b- 생/사 검정은 암실 조건 하에서 24시간 동안 HNP와 함께 K-562 세포의 항온처리는 이들의 생존능에 영향을 미치지 않았음을 입증한다(대부분의 세포는 도에서 밝은 녹색으로 염색된다), 바아 규모는 100μm이다. 도 12c- 콜린에스테라제 효소의 활성은 HNP에 의한 ROS의 광-유도된 생산 후 억제되지만 조사 자체에 의해서는 억제되지 않는다.
도 13은 CdS-Au HNP(코팅된 PEI)의 존재하에서 정공 수용체 제제로서 상이한 생물학적 분자를 사용한 수소 생산의 동력학적 측정을 나타낸다.
도 14a-c는 중합 동력학을 나타낸다: 비닐 결합의 전환 퍼센트는 다양한 UV(385nm) 노출 기간에서, 초기 표준물로서 1654cm^-1에서 C=O 신장 피크(stretching peak)로 표준화된 988cm^-1(=C-H 단위의 면외 결합 방식(out-of-plane bending mode)으로 지정됨)에서 나노-광개시제 촉매(PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드, 6E-7 M)가 들어있는 아크릴아미드 수용액을 사용하여 계산하였다. 도 14a- CdS-Au는 순수한 CdS보다 더 높은 중합 효율을 나타낸다. 도 14b 및 도 14c는 다양한 CdS-Au HNP 농도 및 여기 파장을 사용한 광-유도된 중합을 나타낸다.
도 15a-b는 본 발명에 따른 나노-광개시제 촉매(PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드)를 사용하여 제조된, 벅키볼 구조(buckyball architecture)를 지닌 3D 인쇄된 하이드로겔을 나타낸다. 3D 인쇄된 하이드로겔은 형광성 구조를 생성하는 제형 속에서 CdSe/CdS NR를 사용하여 제조하였으며, 두번째 여기 파장에 의해 기능성으로 되는 3D 인쇄된 물질의 예를 제공한다.
도 16은 HNP-하이드로겔 시스템에 의한 메틸렌 블루(MB)의 광촉매적 환원을 입증한다. 조사 전 MB 흡수, 통기 및 불활성 조건 하에서 405nm 조명 10분 후 환원제 MB. 이는 광개시제 및 광촉매 둘 다로서 사용된 다-기능성 물질로서 HNP의 용도에 대한 예를 제공한다.
도 17a-c는 TEM 영상을 나타낸다. 도 17a는 광 유도 ROS 형성을 필요로 하는 적용에 사용될 수 있는 Cd 유리 시스템에 대한 예로서 ZnSe-Au HNP의 영상을 나타낸다. 도 17b-c는 UV 노출 전 및 후에, 아크릴아미드 단량체와 ZnSe-Au NP의 혼합물의 영상을 나타낸다. 조사시, 액체 점적은 겔 구조를 형성하면서 중합되었다.

본 발명은 생물학적 및 화학적 적용으로부터 산업적 적용에 이르는 다양한 적용에서 사용될 수 있는 하이브리드 나노입자(HNP)의 형태인 고성능 광 개시제를 개시한다.

HNP는 적어도 하나의 금속/금속 합금 영역 및 UV(200-400nm), 또는 가시광(400-700 nm) 또는 근적외선(NIR) 영역(0.7-3μm)에서 흡수 개시를 갖는 적어도 하나의 반도체 영역을 각각 포함하는 광-활성화된 하이브리드 나노입자이다. 일부 구현예에서, 적어도 하나의 반도체 영역은 350 nm 내지 3μm의 범위의 흡수 개시를 갖는다. 일부 다른 구현예에서, 적어도 하나의 반도체 영역은 450 nm 내지 3μm의 범위에서 흡수 개시를 갖는다. 추가의 구현예에서, 적어도 하나의 반도체 영역은 470 nm 내지 3μm의 범위의 흡수 개시를 갖는다. 여전히 다른 구현예에서, 적어도 하나의 반도체 영역은 500 nm 내지 3μm의 범위에서 흡수 개시를 갖는다.

일부 구현예에서, HNP는 적어도 하나의 금속/금속 합금 영역 및 UV(200-400nm, 일부 구현예에서 350nm 초과, 일부 구현예에서 380nm 초과), 또는 가시광(400-700 nm, 일부 구현예에서 420 초과, 또는 450 초과 또는 500 nm 초과) 내지 근적외선(NIR) 범위(0.7-3μm)에서 흡수 개시를 갖는 적어도 하나의 반도체 영역을 포함하며, 상기 나노입자는 가시광 및/또는 NIR 범위에서 방사선을 사용한 조사(조명)시 금속/반도체 계면에서 전자 정공쌍을 형성하고 후속적으로 전하 분리를 겪을 수 있다. 특정의 구현예에서, 나노입자가 연장된 형태를 갖는 경우, 이들은 본원에 참고로 포함된, WO 05/075339, 또는 이로부터 기원한 미국 출원에 개시된 바와 같이 제조될 수 있다. 그러나, 이와 같이 정의된 나노입자의 형태 및 크기는 변할 수 있으며 연장된 구조에 제한되지 않는다.

일부 구현예에서, HNP는 적어도 하나의 반도체 영역으로 분리된, 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역을 포함하고, 여기서 상기 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역 각각은 상이하거나 동일한 금속/금속 합금 물질이다. 일부 구현예에서, 상기 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역 각각은 상이한 금속/금속 합금 물질(상이한 페르미 전위(Fermi potentials)를 가짐)이다. 일부 구현예에서, 2개의 금속/금속 합금은 동일한 금속/금속 합금 물질이다.

다른 구현예에서, HNP는 적어도 2개의 반도체 영역에 의해 분리된 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역을 포함하며, 여기서 상기 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역 각각은 상이하거나 동일한 금속/금속 합금 물질이고, 상기 적어도 2개의 반도체 영역 각각은 상이한 에너지 갭 및/또는 상이한 에너지 밴드 위치를 갖는다.

일부 구현예에서, 적어도 2개의 반도체 영역은 적어도 하나의 금속/금속 합금 영역으로 분리된다. 다른 구현예에서, 상기 적어도 2개의 반도체 영역은 하나 이상의 금속/금속 합금 영역으로 분리되지 않으므로 본원에서 "소-영역(sub-region)"으로 언급된다. 2개 이상의 반도체 소-영역은 상이한 반도체 물질 각각이다.

본 발명의 내용 안에서, 용어 "물질"은 나노입자 또는 이의 어느 하나의 영역이 제조되는 고체 물질을 말한다. 물질은 단일 물질, 예를 들면, 원소, 합금, 산화된 형태 등, 또는 어떠한 비의 이들 물질의 혼합물로 구성될 수 있다.

본 발명의 방법에 사용된 HNP는 이의 치수(예를 들면, 직경, 길이 등) 중의 적어도 하나가 1 내지 20 nm인 명백한 실체이다. 이들은 길이가 400 nm 이하, 바람직하게는 200 nm 이하인 로드-유사 구조일 수 있다.

상기한 사항에도 불구하고, HNP는 임의의 형태 및 대칭을 가질 수 있으며, 측쇄 및 그물 구조를 나타낼 수 있다. 이에 제한되지 않지만, HNP는 대칭 또는 비대칭일 수 있고, 로드-유사 형태, 환(구체), 타원, 피라미드, 디스크-유사, 골격 구조, 측쇄, 네트워크를 갖도록 연장될 수 있거나 어떠한 불규칙적인 형태를 가질 수 있다.

일부 구현예에서, HNP는 연장된 로드-유사 형태를 갖는 나노로드이다. 일부 다른 구현예에서, 나노로드는 한쪽 또는 양쪽 말단에서 금속 또는 금속 합금 영역을 갖는 반도체성 물질로 구성된다.

다수의 HNP는 반도체 물질의 표면에서 협소한 크기 분포, 형태 분포 및/또는 공간 정렬, 즉, 반도체 영역과 관련된 금속/금속 합금 영역 및/또는 금속/금속 합금 영역의 공간 분포를 임의로 갖는 나노입자의 집단을 말한다. 일부 구현예에서, HNP의 집단은 균질하지 않고 오히려 순차적인 공정, 예를 들면, 각각의 단계가 HNP의 상이한 집단을 이용하는 단계적인 공정으로 조절된다.

HNP는 복합재 구조 및 코어/쉘 구조에서 II족 내지 VI족의 원소, 예를 들면, CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe 및 CdZnSe와 같은 이의 합금; III족 내지 V족 원소, 예를 들면, InA, InP, GaA, GaP, InN, GaN, InSb, GaSb, AlP, AlA, AlSb 및 InAsP, CdSeTe, ZnCdSe, InGaA와 같은 합금; IV족 내지 VI족 원소, 예를 들면, PbSe, PbTe 및 PbS 및 이의 합금; III족 내지 VI족 원소, 예를 들면, InSe, InTe, InS, GaSe 및 InGaSe, InSeS와 같은 합금; 구리 칼코게나이드, 예를 들면, CuS, Cu₂S 및 Cu_{2 - x}S (여기서, x는 0 내지 1의 범위이다)에서와 같은 다른 화학량론; CuInS₂ 및 CuInxGa_{1 - x}Se₂와 같은 반도체; ZnO, TiO₂, In₂O₃, CuO, CU₂O, 및 기타와 같은 옥사이드; IV족 반도체, 예를 들면, 이의 Si 및 Ge 합금, 및 이의 조합으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, HNP는 II족 내지 VI족 반도체, 이의 합금 및 이로부터 제조된 코어/쉘 구조로부터 선택된 반도체 물질을 포함한다. 추가의 구현예에서, II족 내지 VI족 반도체는 CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, 이의 합금, 이의 조합 및 코어/쉘, 이의 코어 다중-쉘 적층 구조이다.

금속/금속 합금 물질은 전형적으로 전이 금속이다. 이의 비-제한적 예는 Cu, Ag, Au, Pt, Co, Pd, Ni, Ru, Rh, Mn, Cr, Fe, Ti, Zn, Ir, W, Mo, 및 이의 합금이다.

일부 구현예에서, 금속은 Au, Pd, 및 Pt 및 이의 합금이다.

추가의 구현예에서, 금속은 Au, Pd, 및 Pt 및 이의 합금이고 상기 적어도 하나의 반도체 물질은 CdS, CdSe 또는 CdTe이다.

위에서 기술한 바와 같이, HNP 집단은 비교적 협소한 크기 분포를 가질 수 있는데, 즉, 이들은 비교적 협소한 범위의 크기로 제작되거나 수집된다. 실제로, 단일 집단내 입자의 크기의 표준 편차(시그마)는 25% 미만일 수 있다. 일부 구현예에서, 입자 크기에 있어서의 편차는 15% 미만이다. 나노입자가 연장되는 경우(나노로드) 단일 집단의 길이의 시그마는 35% 미만일 수 있고 너비의 시그마는 15% 미만이다. 일부 구현예에서, 나노입자의 집단은 이들 집단이 비교적 동일한 크기 및/또는 형태의 나노입자를 포함한다는 점에서 균질하다.

특정 적용의 경우 집단을 구성하는 HNP의 크기 및 형태 뿐 아니라, 나노입자의 화학 조성 및/또는 나노입자와 함께 반도체 및 금속/금속 합금 영역의 정렬도 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, HNP의 집단은 나노입자의 다음의 유형/그룹 중 하나 이상의 배합물이다: 특정한 예비 결정된 크기 분포의 HNP; 특정한 예비 결정된 형태의 HNP; 하나의 금속/금속 합금 영역 및 하나의 반도체 영역을 갖는(상이한 반도체성 물질의 하나 이상의 소-영역을 임의로 갖는) HNP; 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역 및 단일의 반도체 영역을 갖는(상이한 반도체성 물질의 하나 이상의 소-영역을 임의로 갖는) HNP; 하나의 금속/금속 합금 영역 및 적어도 2개의 반도체 영역을 갖는(상이한 반도체성 물질의 하나 이상의 소영역 각각을 임의로 갖는) HNP; 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역 및 적어도 2개의 반도체 영역을 갖는(상이한 반도체 물질의 하나 이상의 소-영역을 임의로 갖는) HNP, 적어도 2개의 금속/금속 합금 영역 및 적어도 2개의 반도체 영역을 갖는(상이한 반도체성 물질의 하나 이상의 소-영역을 임의로 갖는) HNP(여기서, 나노구조를 따라 영역 또는 소-영역의 정렬(순서)은 집단마다 서로 상이하다); 특정한 파장에서만 또는 단지 예정된 파장 또는 파장 범위에서 광활성화될 수 있는 HNP; 본원에 기술된 바와 같은 광활성화를 겪지 않는 HNP.

HNP의 집단은 하나 이상의 상기 유형의 나노 입자를 함께 혼합함으로써 달성 될 수 있다. 또한, 예를 들어, 비-화학량론적 양의 출발 물질을 사용하여 이종 집단을 제조할 수 있다. 각 그룹의 HNP는 별도로 제조되어 향후 사용을 위해 저장 될 수 있다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 상기 HNP 군 각각은 실질적으로 균일하거나 균질한 방식으로 제조될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 제조 공정, 출발 물질의 순도 및 다른 인자들을 사용하여 수행해야 하는 무작위적 결함으로 인하여, 크기, 형태, 화학적 조성 및 다른 파라미터들에 결함을 갖는 특정한 정도의 HNP가 HNP의 이들 유형 각각에서 발견될 수 있다. 이러한 결함의 존재는 본원에 개시된 특성들 중의 어느 하나에 반드시 반영되는 것은 아니라는 점에 유의해야한다.

HNP의 집단은 나노 입자의 공지된 예정된 비율로 상기 유형 중 하나 이상의 HNP의 배합물을 포함할 수 있거나 이러한 HNP의 무작위 혼합물을 포함할 수 있다. 특정한 비-제한적인 예에서, HNP의 집단은 단일 금속/금속 합금 영역 및 (임의로 상이한 반도체성 물질의 하나 이상의 소-영역을 갖는) 두 개의 반도체 영역으로 구성된, 매우 다양한 크기 및 형태를 갖는 HNP를 포함한다. 또 다른 예에서, HNP의 집단은 상이한 형태 및 상이한 화학적 조성을 갖는 HNP를 포함할 수 있다. 여전히 또 다른 예에서, 집단은 연장된 구조의 일 단부 또는 양 단부에 적어도 하나의 금속/금속 합금 영역을 갖는 나노로드 및/또는 연장된 HNP의 중앙의 비-말단 부분 내의 적어도 하나의 금속/금속 합금 영역을 갖는 나노로드의 배합물을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 임의의 하나의 나노입자를 포함하거나 본 발명의 임의의 하나의 방법에 사용된 HNP 집단 및 본원의 범위를 벗어나는 적어도 하나의 유형의 입자가 또한 본원에 제공된다. 본원에 기술된 HNP의 이러한 혼합된 집단 및 당해 분야에 공지된 HNP는 본원에 개시된 임의의 하나의 응용에 적합한 유리한 효과를 가질 수 있다.

하기에 추가로 논의되는 바와 같이, 상이한 HNP 집단의 배합물을 제공하는 능력을 가지므로, 물질의 광학적 특성을 조율하여 전체 파장 범위를 효율적으로 활용할 수 있다. 금속 조성 및 크기의 변화는 페르미 수준 에너지 및 HNP의 산화환원 전위의 미세 조율을 허용한다. 상이한 형태를 사용하면 매우 다양한 장치를 보다 잘 조절하고 설계할 수 있다.

실험 설명

화학 물질: 트리옥틸포스핀(TOP, Sigma Aldrich, 90%)은 사용 전에 진공 증류하여 불활성 대기하에서 보관하였다. 다른 모든 화학 물질은 구입한 상태로 사용하였다: 산화카드뮴(> 99.99%), 트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO, 99%), 1-옥타 데센(ODE, 기술 등급, 90%), 올레산(95%), 옥타데실아민(ODA, ≥99 %), 디도데실디메틸암모늄 브로마이드(DDAB, 98%) 및 금(III) 클로라이드(99%), 금 나노입자(시트르산염 완충액 중의 5 nm 직경 안정화 현탁액), 환원된 L-글루타티온(GSH, ≥98.0%), 폴리(스티렌-코-말레산 무수물), 말단화된 큐멘(PSMA), 황화나트륨 9수화물(≥98.0%), 아황산나트륨(> 98 %), 폴리에틸렌이민(PEI, 분지 평균 분자량 ~25,000), 4-아미노 안티피린(4-AAP, ≥98.0 %), 소의 적혈구에서 추출한 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(BioUltra, 동결 건조된 분말, ≥4,500 단위/mg 단백질, ≥97%), 페놀(≥ 99.5 %), 테레프탈산(TPA, 98%), 5,5-디메틸-1-피롤린-N-옥사이드(DMPO)를 Sigma Aldrich에서 구입하였다. 올레일아민(기술 등급, 90%)은 Across에서 구입했다. 옥타데실포스폰산(ODPA) 및 헥실포시폰산(HPA)은 PCI Synthesis에서 구입했다. 황(> 99.0%)은 Merck에서 구입했다.

CdSe 씨드의 합성: CdO(0.12g), 트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO; 6.0g) 및 옥타데실포스폰산(ODPA; 0.56g)을 100mL 들이 3구 플라스크에서 혼합하였다. 혼합물을 100℃로 가열하고 1시간 동안 진공하에 둔 다음 아르곤 퍼징(argon purging)을 3회 실시하였다. 아르곤 대기 하에서, 용액을 300℃로 가열하여 CdO를 용해시켜 투명한 무색 용액을 형성시켰다. 이 온도에서, 1.8 mL의 TOP를 뜨거운 용액속으로 주입했다. 그 다음, 용액을 350℃로 추가로 가열하고, TOP(1.7mL) 중의 셀레늄(0.21g) 전구체 용액 0.87mL를 뜨거운 용액 속으로 신속하게 주입하였다. 반응 시간은 직경이 ~2.3nm인 CdSe 씨드의 경우 전형적으로 25초이었다. 가열 맨틀을 제거하고 팬으로 냉각시킴으로서 반응물을 퀀칭시켰다. 조(crude) 반응 혼합물을 톨루엔으로 희석시켰다. 나노 결정을 침전시키고 과량의 계면활성제를 제거하기 위해 메탄올을 첨가하였다.

씨딩된 CdSe / CdS 나노로드의 합성: CdO(0.065g), 트리옥틸포스핀 옥사이드 (TOPO; 3.0g), 옥타데실포스폰산(ODPA; 0.29g) 및 헥실포스폰산(HPA; 0.065g)을 100mL 들이 3구 플라스크에서 혼합하였다. 혼합물을 100℃로 가열하고 1시간 동안 진공하에 둔 다음 아르곤 퍼징을 3회 실시하였다. 아르곤 대기 하에서, 용액을 300℃로 가열하고, 이 온도에서 1.8mL의 TOP를 고온의 용액에 주입하였다. 그 다음, 용액을 360℃로 가열하여 TOP 용액(1.6 mL, 0.075 g/mL) 중의 황을 함유한 CdSe 씨드 (전형적으로 4 x 10^{- 8} mol)의 전구체 용액을 신속하게 주입하였다. 온도를 낮춘 다음 1 내지 2분 내에 회수하였다. 반응시간은 전형적으로 12분이었다. 반응물을 가열 맨틀을 제거하고 팬으로 냉각시켜 퀀칭시켰다. 조 반응 혼합물을 톨루엔으로 희석하였다. 메탄올을 가하여 나노 결정을 침전시키고 과량의 계면활성제를 제거하였다. CdSe 씨드와 CdSe/CdS 나노로드(NR) 둘 다의 흡광 스펙트럼은 씨딩된 로드 구조(삽도) 내의 CdSe 씨드 특징을 포함하여 보충 도 3에 나타낸다.

CdS 씨드의 합성: CdS 나노결정 씨드는 이전에 보고된 절차의 변형에 의해 합성하였다. 산화카드뮴(CdO; 0.106g), 올레산(OA; 2.26g) 및 1-옥타데센(ODE; 20g)을 100mL 들이 3구 플라스크에서 혼합하였다. 혼합물을 100℃로 가열하고 1시간 동안 진공하에 둔 다음 아르곤 퍼징을 3회 실시하였다. 아르곤 대기 하에서, 용액을 260℃로 가열하여 CdO를 용해시켜서 무색 투명한 용액을 형성하였다. 황(0.013g)과 ODE(7mL)로 이루어진 전구체 용액을 뜨거운 용액 속에 신속하게 주입하였다. 반응 시간은 전형적으로 직경이 ~3.1 nm인 CdS 씨드의 경우 90초이었다. 가열 맨틀을 제거하고 팬으로 냉각시킴으로써 반응을 퀀칭시켰다. 조 반응 혼합물을 아세톤으로 침전시킨 후 원심분리하였다. 추가 정제를 위해, 입자를 톨루엔에 용해시키고 침전 과정을 수회 반복하였다.

CdS 나노로드의 합성: CdS 나노로드는 씨드 성장을 사용하여 이전에 보고된 절차의 변형에 의해 합성되었다. CDO(0.12g), 트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO; 6.0g), 옥타데실포스폰산(ODPA; 0.68g) 및 헥실포스폰산(HPA; 0.04g)을 100mL 들이 3구 플라스크에서 혼합하였다. 혼합물을 100℃로 가열하고 1시간 동안 진공하에 둔 다음 아르곤 퍼징을 3회 수행하였다. 아르곤 대기 하에서, 용액을 350℃로 가열하고, 이 온도에서 트리옥틸포스핀(TOP; 1.8mL)을 고온의 용액에 주입하였다. 이어서, 용액을 365℃로 추가로 가열하고, 여기서 TOP 용액(1.6mL; 0.075 g/ml) 중의 Cd 씨드(전형적으로 3xl0^{- 8} mol) 및 황의 전구체 용액을 가열된 용액 속으로 급속히 주입하였다. 온도를 감소시킨 다음, 1 내지 2분 내에 회수하였다. 반응 시간은 49nm X 4.2nm CdS 로드에 대해서 9분이었다. 반응물은 가열 맨틀을 제거하고 팬으로 냉각하여 퀀칭시켰다. 조 반응 혼합물을 톨루엔으로 희석시켰다. 메탄올을 가하여 나노 결정을 침전시키고 과량의 계면활성제를 제거하였다.

CdS -Au 및 CdSe / CdS -Au 하이브리드 나노로드의 합성: 톨루엔(10mL) 중의 옥타데실아민(ODA; 0.055g), 디도데실암모늄 브로마이드(DDAB, 0.021g) 및 AuCl₃(O.O1Og)로 이루어진 전구체 원료 용액을 15분 동안 초음파 처리하여 AuCl₃를 용해시키고, 용액은 진한 갈색에서 노란색으로 변한다. NR의 하나의 정점에 1.5 내지 1.8 nm 금 팁(gold tip)을 선택적으로 성장시키기 위해, 로드의 특정 특성에 따라 NR 당 700 내지 900개의 Au 이온의 몰 비가 사용되었다. 희석된 Au 성장 원료 용액을 유동하는 아르곤 하의 100mL 들이 플라스크 속의 톨루엔(20 mL) 중의 NR(전형적으로 ~2x10^-9몰)에 가하였다. 용액을 실온에서 및 암실 조건 하에서 1시간 동안 혼합하였다. 이후에, 생성물 하이브리드 나노 입자(HNP)를 세척하고 아세톤으로 침전시킨 후 원심분리를 통해 분리하였다. 하이브리드 샘플은 이의 흡수 스펙트럼 및 TEM 특성화 측정 및 통계학에 따라 협소한 크기 분포를 가졌다(도 2).

ZnSe -Au의 합성: ZnSe 프레임은 이전에 기술된 합성법[Jia et al., Nature Materials, 13, 301-307, (2014)]에 의해 합성되었다. 메탄올을 사용한 침전에 의한 정제에 이어, Au 성장을 위해, ZnSe 프레임을 톨루엔에 용해시키고, AuCl₃ 및 올레일 아민을 함유하는 탈기 용액(degassed solution)으로 실온에서 10분 동안 추가로 혼합하였다.

나노입자 특성화: TEM 특성화는 Tecnai T12 G2 Spirit 및 Tecnai F20 G2를 사용하여 수행하였다. 모든 크기 통계는 200개의 입자에 대한 "Scion image" 프로그램으로 수행하였다. 흡수는 JASCO V-570 UV-vis-근 IR 분광광도계로 측정하였다. NR의 흡광계수 값은 이전에 보고된 방법을 사용하여 계산하였다.

상 이동(Phase transfer): NP는 리간드 교환 및 중합체 코팅 방법에 의해 물로 이동시켰다. 천연 유기-가용성 리간드를 티올레이트 알킬 리간드와 교환하기 위해, 리간드 교환 전략이 사용되었다. GSH(140mg)와 KOH(100mg)를 메탄올(1mL)에 용해시켜 L-글루타티온(GSH)의 원료 용액을 제조하였다. 다음에, 원료 용액 200 μL를 CdS 첫 번째 상태 전이에서 광학 밀도가 1.5인 클로로포름(1mL) 중의 NP에 첨가하고 1 내지 2분 동안 혼합한다. 염기화된 TDW(pH 11-12)를 응집된 용액에 첨가하고, 혼합 후 상 분리가 나타나고 온화한 원심 분리 후에 상부 수 상(upper water phase)으로부터 NP를 추출한다.

중합체 코팅은 상이한 중합체로 수행되었다. 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) (PSMA) 코팅은 5시간 동안 클로로포름(1mL) 중의 2mL의 나노입자 용액을 PSMA (20mg)와 혼합하여 달성한다. 그런 다음, 에탄올아민(20 μL)을 용액에 넣고 1 내지 2분 동안 혼합한다. 이후에, TDW(1mL)를 반복적으로 첨가하여 입자를 상기한 수 상으로 이동시킨 다음 추출 전에 온화한 원심 분리를 수행한다. 폴리에틸렌이민 (PEI)을 이용한 중합체 코팅은 NP 용액(1mL)을 클로로포름(1mL) 중의 PEI(0.15g; MW 25,000)와 1시간 동안 혼합하여 수행하였다. 이어서, 입자를 침전시키고 사이클로헥산(1:1 클로로포름/사이클로헥산)으로 세척한 후, 원심분리한다. TDW를 침전물에 첨가하고 PEI의 잔사를 원심분리에 의해 제거한다.

사용하기 전에, 모든 나노입자 용액을 100 kDa 셀룰로오스 막을 통해 세척하여 과량의 중합체 및 리간드를 제거하였다.

HRP 활성 분석: 도 4a에 나타낸 바와 같이, 효소의 촉매 활성은 HRP에 의한 퀴논이민 염료의 생성으로 인한 흡수 스펙트럼의 변화에 따라 분광학적으로 측정하였다. 전형적으로, 20 μL(1mg/2.5mL) HRP 및 25 μL(1mg/mL) SOD, 200 μL (8.125mg/1mL) 4-아미노안티피리딘(4-AAP), 600 μL(79mg/mL) 페놀 및 100 μL의 10-100 nM HNP/NP를 용해시키고 PBS(최종 용적 2 mL)와 혼합하였다. 이후에, 흡수를 측정하면서 405nm 레이저(20mW/cm²)를 사용하여 샘플을 조사하였다.

인독실아세테이트 검정. 콜린에스테라아제 활성은 하기와 같이 측정하였다. 전형적으로, 인독실아세테이트는 PBS(1 mg/mL)에 용해되었고 0.22 μm의 여과기로 여과되었다. 큐벳(cuvette)은 적어도 50 μL의 콜린에스테라아제 재조합 효소 용액으로 채웠고, 효소는 나노 입자 또는 혈청에 접합시켰다. 이후에, 큐벳을 20 mW 레이저로 405 nm에서 7.5분 동안 조사하고, 그것을 끄고 2분 후에, 1ml의 인독실아세테이트를 큐벳에 주입하였다. 효소 활성의 동력학은 473 nm에서 생성물의 방출을 검출함으로써 측정되었다.

광- 스위치된 HRP 활성화에 대한 조절 실험: 고유한 효소 활성으로부터의 NP 여기 또는, 광 여기의 비특이적 효과에 의해 광 유도된 HRP 활성화를 분리하기 위해 다양한 조건 하에서의 조절 측정이 수행되었다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 불활성 대기, 예들 들면, 산소의 부재, HNP의 부재 또는 조사없이, 모두 성형제(former)의 존재하에 생성물 형성과 비교하여 무시할 수 있는 활성 및 생성물 형성을 나타낸다. 이것은 제품의 형성에서 이의 핵심적인 역할을 확인한다. 비특이적인 생성물 형성은 또한 효소의 부재하에 측정되었다. 이러한 잘못된 양성 신호는 광 조사 후에 ROS가 존재함으로써 페놀 산화에 기여할 수 있었다. 불활성 조건 하에서 이러한 반응이 없으면 나노 입자로부터의 직접적인 전하 이동을 통해 페놀 산화가 매개되지 않는다는 것을 주목한다. 따라서, HRP 활성화에 대한 HNP의 효과적인 순 기여도를 수득하기 위해, 본 발명자들은 이러한 작업 틀에 제시된 모든 데이터와 수치에서 이러한 신호를 감하였다.

CdS -Au HNP는 CdS NR보다 높은 광 유도된 HRP 활성화를 나타낸다:

HRP의 광 유도된 활성은 또한 광 촉매로서 CdS 계 나노시스템을 이용하여 조사 하였다. CdS-Au HNP와 CdS NR의 비교는 CdSe/CdS계 나노시스템의 주요 원고에서보고된 경향과 유사한 경향을 나타내었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 모든 조건에서 SOD 및 정공 스캐빈저(예: EtOH)의 존재하에, 하이브리드 시스템은 반도체 단독보다 높은 촉매 기능 및 효율을 나타낸다. 또한, 전체 HRP 활성에 대한 정공 스캐빈저 및 SOD 효소의 존재의 효과는 CdSe/CdS계 시스템에 대해서 입증된 바와 같이 이 시스템에서 반복된다. 각각의 첨가제, SOD 및 EtOH의 기여는 주요 원고에서 상세하게 논의된다.

하이드록실 라디칼 검출: PBS(1340μL, 0.236 mg/mL) 중의 TPA를 NP(100μL, ~60nM)와 혼합하고 PBS를 총 2 mL의 용적으로 첨가하였다. 시료는 405 nm 레이저(20 mW/cm²)를 사용하여 조사하였고, 방출은 310±5nm에서 여기한 후 1분마다 Cary Eclipse 형광계(Varian Inc.)로 측정하였다.

전자 상자성 공명( EPR ): ROS는 스핀 트랩 분자(spin trap molecule)로서 5,5-디메틸-1-피롤린 N-옥사이드(DMPO)와 결합된 EPR 스핀-트래핑 기술로 검출하였다. DMPO는 암실에서 활성탄을 사용하여 이중 증류수 속에서 정제하였다. 15 내지 30분 후에, DMPO 용액을 여과하고 그 농도를 ε_277nm=8000M^-1cm^{- 1}를 사용하는 분광 광도계로 측정하였다. 용액을 20℃에서 2주 이하 동안 보관하였다. 나노입자 및 DMPO(10mM)의 수성 현탁액을 함유하는 샘플을 가스-투과성 테플론 모세관(뉴저지주 라리탄 소재의 Zeus Industries)에 주사기로 끌고 양쪽 말단이 개방된 좁은 석영 튜브 속에 삽입하였다. 이후에, 튜브를 EPR 캐비티(ER 4102ST) 속에 넣고 Bruker EPR 100d X-밴드 분광기를 사용하여 405nm 20mW/cm² 레이저로 조명하는 동안 또는 그 후에 스펙트럼을 기록했다. EPR 측정 조건은 다음과 같았다: 주파수: 9.77GHz; 마이크로파 전력: 20mW; 스캔 폭: 65G; 센터 필드: 3458G; 해상도: 1024; 수신기 획득: 1 x 105; 전환 시간: 82msec; 시간 상수: 328msec; 스윕 시간(sweep time): 84초; # 스캔 = 2; 변조 진폭: 2G; 획득 후, 기록된 스펙트럼의 모의 시험은 NIEHS (National Institutes of Health, 웹 사이트 : http://epr.niehs.nih.gov/pest_mans/winsim.html)에서 입수할 수 있는 WINSIM 프로그램에 제공된 알고리즘을 사용하여 수행하였다. 문헌에서 보고된 관련 매개변수와 비교하여 분석에 사용된 결과 및 모의시험 매개변수는 표 1 및 표 2에 요약되어 있다.

현장 조명 시 신호 강도의 증가를 추적하기 위해 시간 스캔 모드를 사용하였다. 시간 측정은 슈퍼옥사이드 라디칼(DMPO-OOH)의 DMPO 부가물에 기인한 낮은 장(low field)의 피크의 두 번째 그룹의 최대치에 맞는 3448G의 정적 자기장에서 취해졌다. 매개변수는 다음을 제외하고는 장 스윕 모드(field sweep mode)와 유사하였다. 변환 시간: 328msec; 시간 상수: 328msec; 스윕 시간: 671초; # 스캔-1.

원고에 제시되었던 것과 유사한 EPR 실험은 또한 하이드록실 라디칼을 제거할 수 있는 에탄올의 존재 하에서도 수행하였다(도 8).

산소 소비 측정: 산소 소모량은 온도 조절식(37℃) Clark 산소 전극 (Strathkelvin 782 산소 시스템, Strathkelvin Instrument Ltd.)을 사용하여 폴라로그래피로 측정하였다. PBS 완충 용액 중의 HRP 활성 분석(10 내지 100 nM의 100 μL)의 전형적인 농도로 PEI 및 GSH 표면 코팅을 한 HNP/NR을 폐쇄된 셀(closed cell)에서 교반하였다. 조사(405nm 레이저 20mW /cm²) 하에서 산소 소비는 전형적으로 10분 동안 기록되었고 산소 농도의 변화율로서 계산되었다.

대체 표면 코팅으로서의 글루타티온: 상기한 상 전이 단락에서 기재한 바와 같이, 하이브리드 및 반도체 NP 둘 다를 리간드 교환 메카니즘을 통해 GSH를 포함하는 추가의 리간드가 포함된 수용액으로 이동시켰다. GSH 코팅된 시스템은 주요 원고 내에서 보고된 PEI 코팅된 시스템에 대한 것과 동일한 조건 하에서 광-변환된 HRP 활성에 대해 조사하였다. 유사한 거동이 PEI 표면 코팅에 대해 나타낸 경향과 관련하여 GSH 코팅된 시스템에 대해서 관찰되었다.

상이한 생물학적 정공 수용체를 갖는 HNP의 동적 광촉매 활성 측정: 상이한 생물학적 정공 수용체의 존재 하에서 HNP의 광촉매 활성을 측정하기 위해, 광촉매 물 환원 반응을 통한 수소 가스 발생이 측정되었다. 광촉매를 PBS 용액(2mL, 광학 밀도, 405nm에서 OD ~1)에 분산시켰다. 광촉매 용액을 석영 큐벳 속에 넣고 정공 스캐빈저(전형적으로 0.05M)를 용액에 가하였다. 용액을 아르곤으로 20분 동안 퍼징하고 교반하여 ROS 형성이 억제되고 수소 형성이 일어나는 무산소 조건을 달성하였다. 이후에, HNP는 405nm 28mW/cm² 레이저로 조명하여 5.7x10¹⁶ 광자/초를 생성하였다. 반응 용기 헤드 공간의 분취량을 상이한 시간 간격으로 취하여 분자 시브 (molecular sieve; 5Å) 패킹된 컬럼 및 열 전도성 검출기가 구비된 배리언(Varian) 가스 크로마토그래프(모델 6820)를 사용하여 수소를 검출하고 정량화하였다. 생성 된 크로마토그램과 수소 농도는 공지된 수소 양의 보정 곡선과의 비교에 의해 수득된다.

세포 배양: K-562 인간 골수 세포주(ATCC® CCL-243™)를 10% 열 불활성화된 태아 소 혈청(Biological industries, Cat# 04-121-1A), 1% L- 글루타민(Biological industries, Cat # 03-020-1A) 및 1% 페니실린 및 스트렙토마이신(Gibco, Cat# 15140-122)이 보충된 RPMI 1640(Sigma, Cat# R0883)로 이루어진 배지에서 5% CO₂, 37℃ 배양기에서 성장시켰다. 세포는 3 내지 4일마다 분열되었다.

생체 적합성: HNP의 세포 독성 효과는 K-562 세포주의 생/사 검정 및 MTT 생존력 시험을 사용하여 평가하였다. 전형적으로, 세포를 96 웰-플레이트(well plate)에서 10μL의 콜로이드성 HNP 및 CdSe/CdS 나노 로드 용액 (1-100nM) 및 190μL의 세포 배지로 항온처리하였다. MTT가 각 웰에 첨가된 후 21 시간(0.25mg/mL 최종 농도). 3시간 후, 3000RPM에서 5분 동안 원심분리하여 세포를 추출하고 세포 배지를 DMSO로 대체하여 535nm 및 635nm에서 흡수를 측정하였다. 생/사 검정은 제조사 지침(분자 프로브, Cat# L-7013)에 따라 NP와 함께 항온처리한 후 24시간 동안 수행하였다. 작업 용액은 HBSS 완충액에서 생/사 염료를 희석하여 제조하였다. 염료 용액을 세포 펠렛에 가한 후, 암실에서 15분 동안 항온처리하였다. 세포를 4% 글루타르알데히드에서 15분 동안 항온처리한 다음 형광 현미경 하에서 관찰하였다. 유사한 생/사 검정은 NR 또는 HNP와 함께 1시간 동안 이들의 항온처리 후 세포에 405nm 20mW/cm² LED로 5분 동안 조명한 후 24시간 동안 수행하였다.

실시예

하기 실시예는 비-제한적이며, 광중합성 잉크에서 광개시제 촉매를 사용하는 개념의 입증으로서 제공된다. 광개시제 촉매는 다양한 요소로 구성될 수 있으며, 그 특성은 의도된 응용 및 인쇄 기술에 따라 조절된다.

실시예 1 : CdS -Au 광개시제 및 광개시제 활성의 측정

CdS-Au 하이브리드 나노입자는 2단계 공정으로 성장시켰다. 첫 번째 단계에서, CdS 로드는 직경이 5nm이고 길이가 50nm인 로드를 생산하는 씨딩된 성장 방법으로 합성하였다. 두 번째 단계에서, Au는 CdS 로드의 한 정점에서 선택적으로 성장시켜서 2nm 크기의 Au 팁을 생성하였다. PEI(폴리에틸렌 이민)에 의한 코팅을 통하여 리간드 교환 절차를 적용하여 하이브리드 나노입자가 물에 분산될 수 있도록 하였다.

나노-광개시제 촉매의 중합 효율을 측정하기 위해 나노-광개시제 촉매를 지닌 수용액 중에서의 아크릴아미드의 중합 동력학을 연구하였다. 푸리에 변환 적외선 분광광도계(ALPHA FT-IR Spectrometer, Bruker)를 백금 ATR 단일 반사 다이아몬드 액세서리(샘플 스캔 30, 해상도 4 cm^{- 1})와 함께 사용했하였다. 중합 매질은 가교결합 단량체 폴리에틸렌 글리콜 600 디아크릴레이트(4% w/w)를 갖는 15% w/w 단량체 (아크릴아미드) 및 1E-7M 내지 6E-7M의 다양한 농도에서의 나노-광개시제 촉매의 수용액을 포함하였다. 비교를 위해 CdS-Au 하이브리드 나노 입자 및 CdS 나노 로드를 이용한 아크릴아미드 수용액의 중합 동력학도 연구하였다. 측정은 ATR 다이아몬드 위에 낙하된 ~15μl의 중합 용액에서 수행하였다. UV 광을 ATR 다이아몬드를 중심으로 한 체임버(chamber)(높이 2.5cm에서)를 통해 샘플 위로 방사하였다. 385 nm에서 조사되는 단색 UV LED (영국 옥스퍼스셔 소재의 Integration Technology)는 광경화에 사용되었다. IR 스펙트럼은 매 10초 후 마다 총 180초 동안 기록되었다. 중합 동력학은 1800 내지 800 cm^-1의 범위에서 FTIR 스펙트럼을 모니터링함으로써 연구되었다.

아크릴 아미드의 전환율은 내부 표준(8)으로서 1654 cm^-1에서 C = 0 신장 피크로 정규화된 988 cm^-1(=C-H 단위의 평면 외 벤딩 모드에 배정됨)에서 메틸렌 그룹 진동의 흡수 피크의 감소로서 측정되었다. UV 노출의 다른 지속 시간에서 988cm^-1에서의 피크 아래의 면적을 UV 노출이 없는 샘플과 비교하였다.

도 14a에 도시된 바와 같이, CdS-Au 하이브리드 나노 입자는 CdS 나노로드 보다 유의적으로 더 빠른 중합을 나타낸다. CdS-Au 하이브리드 나노 입자와 CdS 나노로드에 의한 중합 동력학 사이의 차이는 통계적으로 유의하다(t-시험; p <0.05).

도 14b는 수성 아크릴 아마이드 용액의 중합 동력학에 대한 CdS-Au 하이브리드 나노 입자의 농도의 영향을 도시한다. 중합도는 CdS-Au 혼성 나노 입자의 농도에 비례한다. 나노-광개시제 촉매는 6x10^-7 M의 농도에서 아크릴아미드를 효율적으로 훨씬 더 빠르게 광중합할 수 있도록 하였다.

또한, 조사 파장의 영향을 연구하기 위하여, 상이한 여기 파장 385nm, 405nm 및 450nm에서 CdS-Au 하이브리드 나노 입자(4x10^-7M)를 함유하는 아크릴아미드 수용액의 중합도를 측정하고 비교하였다(도 14c). 모든 여기 공급원의 광 강도는 25mW/cm²이었다. CdS-Au의 흡수 특성과 관련하여, 중합은 UV로부터 가시광선 스펙트럼으로의 넓은 범위의 파장에서 적용된다. CdS-Au 하이브리드 나노 입자는 UV 및 가시 광선 둘 다를 사용하는 경우 높은 중합도를 나타내었다.

실시예 2 : 광-경화성 잉크를 사용한 모델 하이드로겔의 3D 인쇄

UV 경화성 잉크 제형의 제조

조성물 A: PEG일화된(PEGylated) 디아크릴레이트 600(SR610) 20g을 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 수용액 80g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 B: PEG일화된 디아크릴레이트 600(SR610) 40g을 칭량한다. 6x10^-7 M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 수용액 60g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 C: 아크릴아미드 25g 및 PEG일화된 디아크릴레이트 600(SR610) 25g을 함께 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드 및 CdSe-CdS 나노로드를 함유하는 수용액 5g을 함유하는 수용액 50g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 D: N-비닐 2-피롤리돈 20g, 나트륨 도데실 설페이트 2 g 및 PEG일화된 디아크릴레이트 600(SR610) 2g을 함께 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 수용액 60g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 E: 나트륨 도데실 설페이트 2g 및 PEG일화된 디아크릴레이트 600 (SR610) 2g과 함께 N-비닐 카프로락탐 20g을 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 수용액 60g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 F: 2g의 나트륨 도데실 설페이트 및 2g의 PEG길화된 디아크릴레이트 600(SR610)과 함께 N-이소프로필아크릴아미드 20g을 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 수용액 60g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 G: 30g의 3-아크릴옥시프로필 트리메톡시실란을 2g의 나트륨 도데실 설페이트 및 3g의 PEG길화된 디아크릴레이트 600(SR610)과 함께 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 수용액 70g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 H: 40g의 2-아크릴로일아미도-2-메틸-프로판 설폰산 및 4g의 PEG 일화된 디아크릴레이트 600(SR610)을 함께 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 60g 수용액을 가한다. 30℃에서 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 I: 30g의 아크릴산 및 3g의 PEG일화된 디아크릴레이트 600(SR610)을 함께 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 70g의 수용액을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다.

조성물 J: 1,6-헥산 디올 디아크릴레이트 25g 및 PEG일화된 디아크릴레이트 600(SR610) 2.5g을 함께 칭량한다. 6 내지 7M의 농도에서 PEI로 안정화된 하이브리드 CdS-Au 나노로드를 함유하는 수용액 50g 및 이소프로판올 25g을 가한다. 용액을 교반하여 맑은 용액을 수득한다. 이 조성물은 치과용 복합체 및 구조물 인쇄용으로 사용될 수 있다.

3D 프린터(호주 아시가(Asiga) 소재의 Freeform Plus 39)를 사용하였다. 이 프린터는 디지털 미러 장치 및 UV-LED 광원(385 nm)이 장착된 하향식 광조형 공정 시스템(top-down stereolithography system)으로 작동한다. UV 경화성 잉크 조성물 A 내지 J는 각각의 인쇄에 대해 개별적으로 사용되었다. 설계를 위해 아시가 컴포져 소프트웨어(Asiga composer software) 및 .STL 파일을 사용하여, 인쇄 명령은 표 3에 나타낸 설정으로 제공하였다:

표 3. 본 발명에 따라 사용된 3D 프린터에 대한 설정 * 이러한 설정은 각각의 인쇄 및 구조 요구 사항에 대하여 최적화되었다.

안정하게 구조화된 하이드로 겔(도 15)은 나노-광개시제 촉매를 사용하여 제조하였다. 사용된 조성물에 기초하여, 인쇄된 하이드로겔은 50 내지 80 % w/w 물 함량을 가졌다. 조성물을 사용하여, Bucky Ball C1 80과 같은 복잡한 기하학적 구조를 갖는 구조물이 3D 인쇄되었다(도 15). 도 15b에 도시된 바와 같이, 이들 3D 인쇄된 구조물은 UV 조명(365 nm) 하에서 형광(glow)을 띤다. 따라서, 이러한 발견에 기초하여, 나노-광 개시제 촉매는 수성 시스템의 3D 인쇄를 포함하는 고성능 광-중합에 사용될 수 있다. 이것은 위에서 언급한 다른 인쇄 응용 프로그램 위에 존재한다.

자체-중합된 반도체-금속 하이브리드 나노입자( HNP )의 광촉매 활성

기술된 바와 같이, 반응성 산소 종(reactive oxygen species; ROS)을 생성하기 위한 HNP의 향상된 광촉매 기능은 가시광선 조사 하에서 하이드로겔 단량체의 중합을 가능하게 한다. 이러한 공정에서 반도체 나노 결정에 비한 HNP의 우월성은 효소 활성을 조절하는 광촉매 ROS 생산의 관련 분야에 관한 앞선 단락에서 광범위하게 논의되었다. 이러한 장점은 또한 광-중합 공정과의 관련성이 높기 때문에 분자 광-개시제에 비해 다른 이점도 가지고 있다. 또한, HNP의 잘 알려지고 보고된 광촉매 특성은 새로운 HNP-하이드로겔 매트릭스에서 추가로 이용될 수 있다. 후 중합된 HNP 개시제는 광촉매 특성을 유지한다. 따라서, 중합체 내에 HNP를 함유하는 인쇄된 매트릭스는 고유한 3D 광촉매 시스템으로서 작용하면서 그것을 기능화할 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 이러한 시스템은 수질 정화 또는 폐기물 처리를 포함하는 여러 가지 용도에 대한 광 활성화시 산화환원 반응을 수행하기 위한 광촉매 막으로 이용될 수 있다.

나타낸 이러한 새로운 측면의 입증으로서, 다음과 같이 3D HNP-하이드로겔 시스템에 의한 메틸렌 블루(MB)의 광촉매 염료 감소가 있다:

가시광선 조명 하에서 자체-중합 공정의 결과로서 내부에 HNP가 매립된 이미 중합된 하이드로겔을 MB 염료가 함유된 용액에 넣었다. 짧은(10분) 405nm 조사는 MB 감소를 가져왔다. 이것은 불활성 조건 하에서뿐만 아니라 주위 대기에서도 수행되었고, 두 가지 경우에서 MB가 감소되었지만, 도 16에 도시된 바와 같이, 호기성 환경에서의 부분적인 MB 감소와 비교하여 불활성 조건 하에서 염료가 완전히 감소되었다. 이러한 광촉매 활성은 ROS의 생성을 통해 또는 심지어 금속의 페르미 에너지 준위로부터 염료의 환원 전위까지 환원성 여기된 전자(이 경우)의 직접적인 전하 이동을 통해서도 매개될 수 있다.

카드뮴이 없는 HNP를 사용한 광-유도된 ROS 형성 및 중합의 비-제한적인 예가 도 17에 제공된다. 이는 금 나노 입자로 장식된 ZnSe 프레임의 TEM 이미지 및 HNP의 광 여기 이후의 중합된 매트릭스를 보여주는 이미지를 나타낸다.

Claims (66)

1. 하이브리드 나노입자(HNP)로 이루어진, 광 중합 방법에서 사용하기 위한, 광 개시제.
2. 청구항 1에 있어서, 광 경화성 물질의 중합을 위한, 광 개시제.
3. 청구항 1에 있어서, 광 중합 방법은 인쇄(printing)인, 광 개시제.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 가시광 체제(visible regime), 근 IR 체제 또는 UV 체제의 광에 의한 조사시, 라디칼 또는 반응성 산소 종인 반응성 종을 형성하도록 선택되는, 광 개시제.
5. HNP의 형태의 광 개시제를 포함하는, 인쇄 제형.
6. 청구항 5에 있어서, 적어도 하나의 중합가능한 물질을 추가로 포함하는, 제형.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 적어도 하나의 중합가능한 물질이 적어도 하나의 단량체, 적어도 하나의 올리고머, 적어도 하나의 예비중합체 및 이의 임의의 조합으로부터 선택되는, 제형.
8. 청구항 5에 있어서, 상기 HNP가 촉매량으로 존재하는, 제형.
9. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 2D 또는 3D 인쇄용인, 제형.
10. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 잉크 제형인, 제형.
11. 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 용매, 분산제, 반응성 희석제, 습윤제, 계면활성제, 레올로지제(rheological agent), 이온성 물질, 유기 용매, 염료, 안료, 안정화제, 가속화제, 억제제, 효소, 전자 및/또는 정공 수용체 및 습윤제로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 추가로 포함하는, 제형.
12. 청구항 5 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 유기 용매 및 수계 용매로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 포함하는, 제형.
13. 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 분말형인, 제형.
14. 청구항 13에 있어서, 액체 담체 속에 해리, 현탁 또는 분산용으로 준비된 형태인, 제형.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 액체 담체가 유기 용매 및 수계 용매로부터 선택되는, 제형.
16. 청구항 14에 있어서, 적어도 하나의 분산제, 적어도 하나의 전자 수용체 물질 및 적어도 하나의 정공 수용체 물질로부터 선택된 첨가제를 추가로 포함하는, 제형.
17. 청구항 14에 있어서, 펩타이드, 뉴클레오타이드 분자, 티올레이트 리간드, 머캅토운데카노산(MUA), 머캅토헥사노산(MHA), 머캅토프로피온산(MPA), 머캅토설폰산(MSA), 디하이드로리포산(DHLA), 알코올, 설파이드, 트리에탄올아민, 유기산, 아미노산, 탄수화물, 유비퀴놀, NADH, NADPH, FAD, 양이온성 물질, 음이온성 물질, 유기 염, 무기 염, 산화환원 염료, C₆₀, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 및 시토크롬으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 추가로 포함하는, 제형.
18. 청구항 6에 있어서, 상기 적어도 하나의 중합가능한 물질이 산 함유 단량체, 아크릴성 단량체, 아민 함유 단량체, 가교결합 아크릴성 단량체, 개질된 젤라틴 아크릴레이트, 개질된 수용성/수 분산성 우레탄 올리고머 및 단량체, 개질된 수용성/수 분산성 아크릴레이트, 이중 반응성 아크릴성 단량체, 에폭사이드/무수물/이미드, 형광성 아크릴성 단량체, 플루오르화 아크릴성 단량체, 고 또는 저 굴절율 단량체, 하이드록시 함유 단량체, 일작용성 및 이작용성 글리콜 올리고머성 단량체, 스티렌성 단량체, 아크릴아미드 단량체, 비닐 및 에테닐 단량체 및 상응하는 올리고머 및 예비중합체로부터 선택되는, 제형.
19. 표면 영역 상에 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 잉크 제형을 패턴화하는 단계, 및
    상기 패턴에 조사하여 상기 중합가능한 물질의 중합을 유발시키는 단계를 포함하는, 인쇄 방법.
20. 표면 영역 상에, 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는 패턴을 형성시키는 단계, 및
    상기 패턴에 조사하여 상기 중합가능한 물질의 중합을 유발시키는 단계를 포함하는, 인쇄 방법.
21. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서, 상기 조사가 라디칼 및 반응성 산소 종으로부터 선택된 적어도 하나의 반응성 종의 형성을 유도하는, 방법.
22. 청구항 21에 있어서, 상기 반응성 종이 상기 중합가능한 물질의 중합을 유발하는, 방법.
23. 청구항 19 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서, 2D 패턴을 제작하기 위한, 방법.
24. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서, 상기 패턴화가 인쇄인, 방법.
25. 청구항 24에 있어서, 상기 인쇄가 잉크젯인, 방법.
26. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서, 3D 물체를 제작하기 위한, 방법.
27. 청구항 26에 있어서,
    표면 영역 상에 또는 상기 표면 영역 상에 형성되어진 패턴 위에 잉크 제형을 패턴화시키는 단계, 및
    임의로, 하나 이상의 추가의 횟수로 상기 패턴화를 반복하여, 2개 이상의 층을 포함하는 다층 물체를 수득하는 단계, 및
    조사하여 상기 잉크 제형 속에서 중합가능한 물질의 중합을 유발시키는 단계를 포함하는, 방법.
28. 청구항 27에 있어서, 조사가 상기 패턴화 단계 후, 동안, 또는 이와 동시에 또는 수개의 층이 침착된 후 또는 완전한 물체가 형성된 후 수행되는, 방법.
29. 청구항 28에 있어서, 다수의 HNP를 포함하는 자립형 물체(self-standing object)를 형성하기 위한, 방법.
30. 청구항 20 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HNP가 나노입자의 적어도 2개의 집단을 포함하고, 각각의 집단이 상이한 파장의 광 하에서 반응성인, 방법.
31. 청구항 30에 있어서, 상기 적어도 2개의 집단 중의 하나가 상기 패턴 또는 물체를 형성하기 위한 제1의 파장의 광에 의해 활성화될 수 있고, 그리고 상기 적어도 2개의 집단의 적어도 하나의 다른 집단이 상기 제1 파장의 광 하에 조사되는 경우 비반응성인, 방법.
32. 청구항 26 내지 청구항 31 중 어느 한 항에 따른 방법으로 형성된, 물체.
33. 청구항 32에 있어서, 상기 물체가 하이드로겔인, 물체.
34. 청구항 32 또는 청구항 33에 있어서, 상기 물체가 생적합성(biocompatible)인, 물체.
35. 청구항 34에 있어서, 의약 또는 생물학적 적용에서 사용하기 위한, 물체.
36. 청구항 26 내지 청구항 35 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 HNP를 포함하는, 물체.
37. 청구항 36에 있어서, 물질 매트릭스의 형태인, 물체.
38. 적어도 하나의 중합가능한 물질 및 HNP의 적어도 2개의 집단을 포함하며, 각각의 집단은 상이한 파장의 광 하에 활성화될 수 있어서 상기 적어도 하나의 중합가능한 물질의 중합을 유발하는, 중합체 물체.
39. 광 조사시 적어도 하나의 중합가능한 물질의 중합을 유발할 수 있는, 다수의 HNP 및 적어도 하나의 중합가능한 물질을 포함하는, 광 반응성 물체.
40. 적어도 하나의 광경화성 물질 및 다수의 HNP를 포함하는, 치과용 복합재.
41. 청구항 40에 있어서, 다수의 HNP, 및 단량체, 올리고머 및 예비중합체로부터 선택된 형태의 적어도 하나의 중합가능한 수지, 및 임의로 적어도 하나의 충전제를 포함하는, 치과용 복합재.
42. - 다수의 HNP;
    - 적어도 하나의 물질의 존재 또는 부재를 측정하기 위한 진단 분석을 수행하거나; 적어도 하나의 물질의 합성적 변환을 수행하기 위한 매질, 및
    - 광에 대한 노출 하에서 상기 분석 및/또는 합성적 변환을 수행하기 위한 설명서
    를 포함하는, 키트(kit).
43. HNP 및 라디칼 또는 퍼옥사이드-매개된 전환에 민감한 적어도 하나의 물질을 포함하는 매질을 조사하는 단계를 포함하는, 매질 속에서 라디칼 또는 퍼옥사이드 형태의 반응성 종을 생성하기 위한 방법.
44. 조명(illumination)을 통해, 라디칼 또는 퍼옥사이드-매개된 전환에 민감한 적어도 하나의 생물학적 물질과 관련된 생물학적 방법을 조절하기 위한, HNP 및 상기 적어도 하나의 생물학적 물질을 포함하는 생물학적 매질을 조사하는 단계를 포함하는, 생물학적 매질 속에서 라디칼 또는 퍼옥사이드 형태의 반응성 종을 생성하기 위한 방법.
45. 청구항 44에 있어서, 상기 적어도 하나의 생물학적 물질이 효소인 방법.
46. 청구항 44에 있어서, 라디칼 또는 퍼옥사이드 형성을 통해 생물학적 경로에 영향을 미치는, 방법.
47. 효소 및 다수의 HNP를 포함하는, 생물학적 매질.
48. 퍼옥사이드 및 라디칼로부터 선택된 반응성 종을 생성하기 위한, 다수의 하이브리드 나노입자(NHP)의 형태인, 도구.
49. 청구항 48에 있어서, 용액 속에서 반응성 산소 종을 생성하는 방법에 사용하기 위한, 도구.
50. 청구항 48에 있어서, 광중합에 사용하기 위한, 도구.
51. 청구항 48에 있어서, 인쇄에 사용하기 위한, 도구.
52. 청구항 48에 있어서 광 개시제로서 사용하기 위한, 도구.
53. 청구항 48에 있어서, 상기 반응성 종이 상기 HNP 및 라디칼을 형성할 수 있는 적어도 하나의 물질을 포함하는 제형, 현탁액 또는 분산액을 조사함으로써 형성되는, 도구.
54. 청구항 53에 있어서, 라디칼을 형성할 수 있는 상기 물질이 상기 NHP로부터 적어도 하나의 쌍을 이루지 않는 전하를 수용할 수 있거나, 상기 HNP의 존재하에서 광에 의한 조사시 반응성 종으로 해리되는 적어도 하나의 물질인, 도구.
55. 청구항 54에 있어서, 상기 적어도 하나의 물질이 원자, 분자, 및 이온으로부터 선택되는, 도구.
56. 청구항 55에 있어서, 상기 적어도 하나의 물질이 물, 하이드록사이드, 산소, 퍼옥사이드, 아조 화합물, 디설파이드, 퍼설페이트, 이산화탄소, 카보네이트, 아지드, 암모니아, 하이드록실아민, 이산화질소, 삼산화질소, 포스파이트, 포스페이트, 이산화황, 설파이트, 설페이트, 퍼옥소모노설페이트, 셀레나이트, 디티오시아네이트, 디할로겐, 염소 및 이산화브롬으로부터 선택된, 도구.
57. 하이브리드 나노입자(NHP)의 형태의, 광 개시제.
58. 하이브리드 나노입자(HNP)로 이루어진 적어도 하나의 광 개시제 물질을 포함하는, 광 개시제 제형.
59. 다수의 HNP 및 라디칼 및 퍼옥사이드로부터 선택된 반응성 종에 의해 촉매적으로 변환될 수 있는 적어도 하나의 물질을 포함하는, 제형.
60. 청구항 59에 있어서, 상기 변환될 수 있는 적어도 하나의 물질이 라디칼 형성에 민감한 물질 및 반응성 종과 상호작용하는 경우 해리를 겪는 물질로부터 선택되는, 제형.
61. 청구항 1 내지 청구항 60 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HNP가 적어도 하나의 금속/금속 합금 영역 및 적어도 하나의 반도체 영역 각각을 포함하는, 생성물 또는 방법.
62. 청구항 61에 있어서, 상기 HNP가 이의 적어도 하나의 말단 부위 상에 금속 및 금속 합금으로부터 선택된 물질을 지닌, 반도체 물질을 포함하는 적어도 하나의 연장된 구조 소자를 갖는, 생성물 또는 방법.
63. 청구항 62에 있어서, 반도체 물질이 II족 내지 VI족 반도체, III족 내지 V족 반도체, IV족 내지 VI족 반도체, IV족 반도체, III족 내지 VI족 반도체, I족 내지 VI족 반도체, 3원 반도체, 및 상기 반도체 중 어느 것의 합금으로부터 선택되거나; 복합재 구조 및 코어/쉘 구조의 반도체의 조합으로서의, 생성물 또는 방법.
64. 청구항 63에 있어서, 상기 HNP가 점, 로드, 혈소판, 테트라포드(tetrapod), 프레임, 및 나노덤벨(nanodumbell)로부터 선택된 형태인, 생성물 또는 방법.
65. 청구항 64에 있어서, 상기 HNP가 나노덤벨(nanodumbell)인, 생성물 또는 방법.
66. 청구항 63에 있어서, 상기 HNP가 나노 입자의 적어도 2개의 집단, 나노덤벨인 적어도 하나의 나노입자 집단을 포함하는, 생성물 또는 방법.

Images