KR20180053086A - 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔 및 이의 제조방법 - Google Patents

금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 펩타이드, 알긴산 하이드로겔 및 금속 나노입자를 포함하고, 상기 금속 나노입자는 알긴산 하이드로겔에 고정되고, 펩타이드로 코팅되며, 상기 금속 나노입자는 구형이고 입자크기가 25 nm 이하인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔 및 이의 제조방법{Biohydrogel comprising metal nanoparticles and manufacturing method of the same}
본 발명은 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근에 나노기술은 전자 공학, 광학, 센서 및 의료 서비스와 같은 다양한 분야에 큰 영향을 끼쳐왔다. 현재에는, 균일하고 뭉치지 않는 나노구조를 제조하기 위한 제조방법의 개발에 초점을 맞추고 있다. 나노구조를 제조하는 위한 공정 동안 뭉침, 산화 및 나노입자의 비활성과 같은 문제를 피하면서 원하는 품질을 갖는 나노입자를 제조하는 방법들이 개발되고 있다. 폴리머, 덴드리머(dendrimer), 라텍스 입자, 하이드로겔 및 생물학적 분자를 포함하는 다양한 물질들이 안정화제(stabilizer) 및 캐리어로 사용되어왔다. 최근에는, 폴리머 또는 하이드로겔에 금속 나노입자의 고정화가 큰 관심을 받고 있다. 부푼 상태에서, 하이드로겔의 가교 결합된 네크워크 사이에서의 큰 자유 공간은 핵 형성을 돕고 나노입자를 성장시킬 수 있다. 이러한 폴리머-나노입자 복합체는 바이오센서, 약물 전달, 환경 복원, 전자장치 및 촉매와 같은 다양한 분야에 대해 유망한 다양한 기능을 나타내게 할 것이다. 수소화 붕소나트륨(NaBH4) 및 하이드라진 수화물(H6N2O)와 같은 서로 다른 화학물질은 금속-폴리머 복합체의 형성에 사용되어왔다. 그러나 이러한 화학물질은 생물 독성과 연관되고, 따라서 생체의학적 적용에 적합하지 않다. 화학적 합성의 부산물로서 독성 물질의 발생은 주요 관심사이다. γ선 조사 및 자외선-가시광선 노출을 이용한 폴리머-나노입자 결합물의 제조방법이 개발되었으나, 정교한 장치가 필요하고 사용되는 에너지가 많아 대규모 생산에 적합하지 않다. 또한, 박테리아, 균주 및 DNA와 같은 생물학적 물질을 나노물질-폴리머 복합체의 생산에 사용하고 있으나, 생산을 위해서는 24 시간 이상의 장시간이 소요되고 많이 비용이 소모된다.
따라서, 친환경적이고, 독성이 아니며, 비용 효과적이면서 빠르게 복합물을 제조할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
공개특허공보 제10-2015-0128411호
따라서, 본 발명은 공정이 간단하면서도 빠르며, 친환경적이면서 저비용으로 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 촉매 활성 및 항균성이 우수한 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 발명은 금속 전구체 용액에 니신 펩타이트를 첨가한 후 배양하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물에 금속 알긴산 및 글리세롤을 첨가하고 가열하여 알긴산 용액 내에서 금속 나노입자를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 금속 나노입자에 금속 염화물 용액을 첨가하여 교차-중합시킨 후 세척 및 건조시켜 펩타이드-금속 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔을 제조하는 단계;를 포함하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 펩타이드, 알긴산 하이드로겔 및 금속 나노입자를 포함하고, 상기 금속 나노입자는 알긴산 하이드로겔에 고정되고, 펩타이드로 코팅되며, 상기 금속 나노입자는 구형이고 입자크기가 25 nm 이하인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔을 제공한다.
본 발명에 따르면, 내열성을 갖는 니신 펩타이드 및 알긴산 가교 결합된 폴리머를 사용하여 폴리머 용액 내에서 금속 나노입자를 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법은 공정이 간단하면서도 빠르며, 친환경적이면서 저비용으로 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔을 제조할 수 있어 금속 나노입자를 대량생산할 수 있고, 제조공정시 환경오염을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔은 촉매 활성이 우수하고 병원균에 대한 항균성이 우수하다.
도 1a는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 Au 나노입자의 자외선-가시광선 분광 분석 결과이다.
도 1b는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 바이오하이드로겔의 주조 공정을 나타낸 사진으로, 맨왼쪽 사진은 Au-펩타이드-알긴산 용액, 중앙은 용액의 주조 공정, 맨오른쪽 사진은 생산된 겔을 나타낸 사진이다.
도 2a는 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 FESEM 사진이다.
도 2b는 도 2a의 EDS 분석 결과이다.
도 2c는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 FESEM 사진이다.
도 2d는 도 2c의 EDS 분석 결과이다.
도 3a는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에서의 Au 나노입자의 TEM 사진이다.
도 3b는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에서의 Au 나노입자를 우라닐 아세테이트로 착색시킨 후의 TEM 사진이다.
도 4a는 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 존재 하에서의 환원(4-니트로페놀→4-아미노페놀) 공정 동안 시간에 따른 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 4b는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에서의 존재 하에서의 환원 공정 동안 시간에 따른 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 4c는 도 4b의 ln(Ct/C0) 대 시간을 나타낸 그래프이다.
도 4d는 도 4b의 7번의 연속적인 사이클 동안 ln(Ct/C0) 대 시간을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 존재 하에서의 환원 공정 동안 시간에 따른 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 5b는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에서의 존재 하에서의 환원(헥사시아노페레이트(III)→헥사시아노페레이트(II)) 공정 동안 시간에 따른 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 5c는 도 5b의 ln(Ct/C0) 대 시간을 나타낸 그래프이다.
도 5d는 도 5b의 7번의 연속적인 사이클 동안 ln(Ct/C0) 대 시간을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 펩타이드-알긴산 하이드로겔에 대한 환천 배지 확산 분석(agar diffusion assay) 결과를 나타낸 사진이다.
도 6b는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에 대한 환천 배지 확산 분석 결과를 나타낸 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔에서의 바실러스 세레우스의 SEM 사진이다.
도 7c 및 도 7d는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에서의 바실러스 세레우스의 SEM 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔에서의 엔테로코쿠스 파에칼리스의 SEM 사진이다.
도 8c 및 도 8d는 본 발명에 따른 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에서의 엔테로코쿠스 파에칼리스의 SEM 사진이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컬러필터 어레이 기판 및 이를 포함하는 유기발광 표시장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 펩타이드, 알긴산 하이드로겔 및 금속 나노입자를 포함하고,
상기 금속 나노입자는 알긴산 하이드로겔에 고정되고, 펩타이드로 코팅되며,
상기 금속 나노입자는 구형이고 입자크기가 5~20nm인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔은 내열성을 갖는 니신 펩타이드 및 알긴산 가교 결합된 폴리머를 사용하여 폴리머 용액 내에서 금속 나노입자를 형성시킬 수 있으며, 촉매 활성이 우수하여 NaBH4의 존재 하에서 4-니트로페놀 및 헥사시아노페레이트(III)를 각각 4-아미노페놀 및 헥사시아노페레이트(II)로 환원시킬 수 있고, 병원균에 대한 항균성이 우수하다.
이때, 상기 금속 나노입자는 Au 일 수 있다.
또한, 금속 나노입자는 결정질의 구형의 형상을 가지며, 금속 나노입자의 크기는 25 nm 이하인 것이 바람직하다. 상기 금속 나노입자의 크기가 25 nm를 초과하는 경우에는 의료용 물질로 사용할 수 없고 표면적이 작아져 나노 입자의 특성을 나타내지 못하는 문제가 있다.
또한, 본 발명은 금속 전구체 용액에 니신 펩타이트를 첨가한 후 배양하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물에 금속 알긴산 및 글리세롤을 첨가하고 가열하여 알긴산 용액 내에서 금속 나노입자를 제조하는 단계;
상기 제조된 금속 나노입자에 금속 염화물 용액을 첨가하여 교차-중합시킨 후 세척 및 건조시켜 펩타이드-금속 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔을 제조하는 단계;를 포함하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법은 공정이 간단하면서도 빠르며, 친환경적이면서 저비용으로 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔을 제조할 수 있어 금속 나노입자를 대량생산할 수 있고, 제조공정시 환경오염을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법은 금속 전구체 용액에 니신 펩타이트를 첨가한 후 배양하여 혼합물을 제조하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 금속 전구체 용액은 HAuCl4·4H2O일 수 있다.
또한, 또한, 상기 니신 펩타이드의 농도는 2.0 ~ 3.0%(w/w)인 것이 바람직하다. 상기 니신 펩타이드의 농도가 2.0% 미만인 경우에는 입자가 불완전하게 변형되는 문제가 있고, 3.0%를 초과하는 경우에는 덩어리져 입자 구성이 불가능한 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법은 상기 혼합물에 금속 알긴산 및 글리세롤을 첨가하고 가열하여 알긴산 용액 내에서 금속 나노입자를 제조하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 금속 알긴산은 상기 혼합물 내에서의 최종 농도가 0.3 ~ 0.7%(w/v)가 되도록 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 최종 농도가 0.3% 미만인 경우에는 입자형태가 구축되지 않는 문제가 있고, 0.7%를 초과하는 경우에는 나노 입자가 풀어져 배출되는 문제가 있다.
상기 글리세롤은 상기 혼합물 내에서의 최종 농도가 0.005 ~ 0.015%(v/v)가 되도록 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 최종 농도가 0.005% 미만인 경우에는 반응해야 할 물질이 아닌 다른 물질과 교차반응 하는문제가 있고, 0.015%를 초과하는 경우에는 고정화에 사용되는 펩타이드 등 다른 물질에 저해효과를 주는 문제가 있다.
상기 가열은 110 ~ 130 ℃에서 15분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 온도가 110 ℃ 미만인 경우에는 AuCl4 가 완벽히 반응하지 못하는 문제가 있고, 130 ℃를 초과하는 경우에는 제조와 관련된 펩타이드가 변성되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법은 상기 제조된 금속 나노입자에 금속 염화물 용액을 첨가하여 교차-중합시킨 후 세척 및 건조시켜 펩타이드-금속 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔을 제조하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 금속 염화물은 CaCl2,일 수 있다.
실시예 1: 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조
1. 알긴산 수용액에서의 Au 나노입자의 제조
알긴산에서 Au 나노입자를 제조하기 위해, 1mgmL-1의 니신 펩타이드(nisin peptide)를 인산 완충액(pH 6.8)에서 0.66 mM HAuCl4·4H2O의 수용액에 첨가하고 상온에서 30분 동안 배양하였다. 상기 혼합물에 알긴산나트륨과 글리세롤을 첨가하여 최종 농도가 0.5%(w/v) 및 0.01(v/v)가 되게 제조하였다.
상기 혼합물을 10분 동안 와류시키고, 121℃에서 15분 동안 가열하였다.
2. 펩타이드 - Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔의 제조
바이오하이드로겔의 형성시키기 위해, Au-펩타이드-알긴산 용액, Au 나노입자-알긴산 용액 및 펩타이드-알긴산 용액을 세개의 서로 다른 4×4 cm 글라스 용기에 넣고 50 ℃에서 진공 건조시켰다. 교차 중합(cross polymerization)을 위해 0.5M CaCl2 용액을 각각의 글라스 용기에 넣고 1시간 동안 반응시켰다. CaCl2 용액을 부은 후 제조된 하이드로겔을 증류수로 세차례 세척하고 50 ℃에서 진공 건조시켜 바이오하이드로겔을 제조하였다.
비교예 1: 펩타이드-알긴산 용액으로부터 바이오하이드로겔의 제조
글리세롤을 첨가하지 않고 알긴산 용액을 이용하여 0.5 중량%의 알긴산 용액을 포함하는 수용액에서의 펩타이드(1mgmL-1)(펩타이드-알긴산 용액)인 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오하이드로겔을 제조하였다.
비교예 2: Au 나노입자-알긴산 용액으로부터 바이오하이드로겔의 제조
펩타이드 및 글리세롤을 첨가하지 않고 HAuCl4를 함유하는 알긴산 용액을 이용하여 0.5 중량% 알긴산 용액을 포함하는 수용액에서의 HAuCl4(AuNP-알긴산 용액)인 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오하이드로겔을 제조하였다.
실험예 1: 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 형상 및 입자 크기 분석
HAuCl4는 인산 완충액(pH 6.8)에서 30분 동안 니신 펩타이드와 배양되고, 펩타이드는 Au3 +와 상호 작용하도록 한다. 배양 후 알긴산 나트륨을 첨가하여 글리세롤과 함께 최종 농도가 0.5%(w/v)가 되게 하였다. 여기서 글리세롤은 알긴산 바이오하이드로겔에서 가소제 물질로 사용하였다. 모든 혼합물을 배양기로 이동시키고, 15분 동안 121℃로 가열하였다. 15분 동안 반응시킨 후 모든 알긴산 용액에서 색깔은 빨간색으로 변하였다. 도 1a는 Au 나노입자-알긴산 용액의 자외선-가시광선 분광 분석 결과로, 530 nm 주위에서 흡수가 나타나며, 이는 Au 나노입자가 형성된 것을 나타낸다.
니신 펩타이드를 함유하는 알긴산 용액은 Au 나노입자-알긴산-글리세롤 및 Au 나노입자-알긴산 용액과 비교하여 높아진 흡수를 나타내고(도 1a 참고), 이는 Au 나노입자를 형성하기 위해 Au3 + 이온이 최대로 환원된 것을 나타낸다. Au 나노입자 상에 펩타이드가 존재하기 때문에 표면 플라즈몬 공명(SPR) 밴드의 블루는 540 nm에서 낮은 파장으로 옮겨졌다. SPR의 블루-시프트는 나노입자의 크기가 감소한 것을 나타낸다. 그러므로 본 발명에서의 제조에서 펩타이드, 알긴산 및 글리세롤은 Au3 + 이온의 환원 및 Au 나노입자의 형성에 기여한다. DLS는 니신 펩타이드의 농도가 0.5 mgmL-1에서 2 mgmL-1로 증가한 것을 나타내고, 나노입자의 크기는 증가한다. 나노입자의 증가는 Au 나노입자의 표면에서 펩타이드 농도가 증가하기 때문이다. 도 1b는 사각형 플라스틱 용기를 이용하여 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 주조 및 형성을 나타내고, 여기서 0.5M CaCl2 수용액은 중합을 위해 사용되었다.
도 2a는 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 FESEM 사진을 나타낸 것으로, 제조된 바이오하이드로겔은 뚜렷하고 매끄러운 표면을 갖는 것을 알 수 있다. 원소 분석으로 펩타이드 알긴산 바이오하이드로겔에서 Ca와 Cl이 존재하는 것을 알 수 있다(도 2b 참고). Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 FESEM 사진은 어두운 색으로 나타나고, 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔보다 거친 표면을 가지는 것으로 나타나는데, 이는 Au 나노입자가 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 표면을 완전히 덮기 때문이다(도 2c 참고). 바이오하이드로겔 상의 작은 나노입자의 존재는 FESEM 사진에서 볼 수 있다. Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 원소 분석은 결정질 Au 나노입자의 특성인 2.5 keV 주위의 신호를 나타낸다(도 2d 참고). 펩타이드의 존재는 TEM으로 알 수 있다. 도 3a는 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 TEM 사진으로, 크기가 25 nm 이하인 구형 Au 나노입자가 관찰되며, 이들의 결정 크기와 일치한다. 크기 분포 히스토그램은 대부분의 입자가 10 ~ 15 nm의 범위에서 크기를 가지는 것을 나타낸다(도 3a에서 삽입된 그래프 참고). 도 3b에서 삽입된 사진은 표면 상에서 펩타이드가 존재하는 나타내는 하나의 나노입자를 확대한 사진이다. 나노입자에서의 유기 분자의 존재하는 것을 나타내고, Au3 + 이온이 Au0으로 환원된 것을 증명하기 위해 나노입자를 바이오하이드로겔로부터 분리하였다. 세척된 입자를 아세트산우라닐 용액으로 음성으로 착색하였다. 나노입자에서의 바이오분자의 존재를 TEM 사진에서 확인되며(도 3b 참고), Au 나노입자는 크기가 25 nm 이하인 것으로 관찰되었다.
실험예 2: 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 촉매 활성 분석
4-NP(4-니트로페놀)의 4-AP(4-아미노페놀)로의 환원 및 헥사시아노페레이트(III)의 헥사시아노페레이트(II)로의 환원에서 Au-펩타이드-알긴산 하이드로겔의 촉매 활성을 NaBH4 하에서 분석하였다.
이러한 환원 반응은 촉매가 없는 경우 매우 느리다. Pd, Ag 및 Cu와 같은 금속과 폴리머-지지된 금속은 빠른 환원 공정을 위해 유망한 촉매이고, 덴드리머(dendrimer)와 고분자 전해질(polyelectrolyte)과 같은 기재에 고정되어 사용된다. 금속 촉매에 대한 여러 연구 중 Au는 흡열성의 화학 흡착 에너지를 갖는 유일한 금속이고, 이는 산소와 전혀 결합하지 않는 것을 나타내고, 산소 분위기 하에서 비활성이다. Au 나노입자는 독특한 특성을 가지고, Au 나노입자의 촉매 활성은 마이크로미터 수준에서는 관찰되지 않고 나노미터에서 관찰된다.
4-NP의 환원은 자외선-가시광선 분광기를 이용하여 검출될 수 있고, 이는 4-NP는 물에서 317 nm에서 흡수 피크를 가지는데, 4-니트로페놀레이트 음이온의 형성 때문에 알칼리성 조건에서 400 nm로 시프트된다. 이러한 이온은 촉매가 없는 상태에서 보로하이드라이드 용액 내에서 수주 동안 안정하다. 4-NP의 환원이 발생되면 400 nm에서의 흡수가 감소하고 4-NP가 4-AP로 전환되어 300 nm에서의 흡수는 증가한다. 도 4a는 NaBH4 및 펩티드-알긴산 바이오하이드로겔의 존재 하에서의 4-NP의 자외선-가시광선 스펙트럼을 나타낸 것으로, 30분 반응 후 흡수에서의 감소는 거의 없었다. 그러므로, 반응 속도는 In(Ct/Co)=-kt의 식을 사용하여 계산될 수 있고, 여기서 k는 겉보기 반응속도 상수이고, t는 반응 시간이며, Ct 및 C0는 각각 시간 t 및 t=0에서의 4-NP의 농도이다. 4-NP의 농도촉매 활성 분석에서 사용되는 0.1M 보로하이드라이드 용액은 4-NP와 비교하여 과량이며, 반응이 유사-일차 반응이 되게 하며, 여기서 속도는 4-NP의 농도에만 의존한다. 반응의 속도 상수(k)는 In(Ct/C0) 대 반응 시간의 그래프의 기울기로부터 얻어지며, Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에 대해 0.545 min-1이었다(도 4c 참고).
Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 촉매를 4-NP 용액에 첨가하면 시간에 따라 400 nm에서의 흡수는 감소하는 반면, 300 nm에서의 흡수는 증가하고 4-NP가 4-AP로의 환원과 일치한다(도 4b 참고). 10분의 반응 동안 노란색의 용액은 무채색으로 변하고, 이는 4-NP가 4-AP로 환원된 것을 나타낸다. 바이오하이드로겔의 표면에 Au 나노입자가 존재하기 때문에 반응 초기에 요구되는 유도기는 없었다. 반응 용액 내에서의 4-NP 농도는 400 nm에서의 흡수에 비례한다. 비용 효과적인 공정을 위해 촉매의 재사용은 필수적이며, 따라서 매트릭스-지지된 촉매는 재사용 가능성을 위해 필요하다. 촉매로서 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 재사용 가능성은 4-NP 및 NaBH4의 고정된 농도에서 5mgmL-1의 촉매를 사용하여 분석하였다(도 4d 참고). 반응이 완료된 후 바이오하이드로겔을 여과로 수집하고 증류수로 세척한 후 7번의 연속적인 사이클 동안 재사용하였다. 도 4d에 근거하여, 바이오하이드로겔은 적어도 6번의 연속적인 반응 동안 재사용될 수 있는 것으로 판단된다. 첫번째 사이클에서 7번의 사이클까지 반응 속도는 감소되었으나, 4-NP는 모든 경우에서 완전히 환원되었다. 반응 속도의 감소는 각각의 반응 사이클 동안 표면 나노입자의 손실 때문이다. 또한 잔류하는 4-AP에 의해 반응 사이트의 블록킹이 있을 수 있고, 이로 인해 보로하이드라이드 이온과 Au 나노입자 사이에서의 전자 교환이 방해받는다. 반응 속도는 3번째 사이클 후 일정하며, 이는 반응물과 생산물의 일정한 분산 때문이다.
NaBH4에 의한 헥사시아노페레이트(III)의 헥사시아노페레이트(II)로의 환원은 Au0의 촉매 활성을 필요로 한다. 활성 촉매의 부재에서 이러한 반응은 제한된 영차 반응이다. Au 나노입자와 같은 촉매의 존재하에서 반응은 1차 역학을 따르고, 매우 짧은 시간 내에 완료된다.
헥사시아노페레이트(II)는 물에서 420 nm에서 흡수 피크를 가지며, 이는 NaBH4 및 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 존재하에서 거의 감소되지 않는다(도 5a 참고). 헥사시아노페레이트(II) 용액으로 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔을 첨가한 후 420 nm에서 흡수 강도는 빠르게 감소된다(도 5b 참고). 이러한 실험에서 헥사시아노페레이트(III)의 헥사시아노페레이트(II)로의 완전한 환원은 5분 내에 발생된다. 반응 속도(k)는 0.697 min-1이었다(도 5c 참고). 또한, 환원 공정은 촉매의 농도에 의존하며, 환원 속도는 촉매 농도가 증가함에 따라 증가되었다. 촉매의 재사용 가능성은 7번의 연속적인 반응에서 가능하였다. 4번째 사이클 후 반응 속도는 감소되었고, 5번째에서 7번째 사이클까지 반응 속도는 일정하게 유지되었다(도 5d 참고). 전술한 바와 같이, 이는 반응 및 회수 공정 동안 촉매가 손실되기 때문이다. 반응 속도가 감소되더라도 헥사시아노페레이트(III)의 헥사시아노페레이트(II)로의 전환은 7번째 사이클 후 약 99% 완료되었다.
실험예 3: 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 항균력(antimicrobial activity) 분석
인간 박테리아 병원체인 스클레로파게스 아우레우스(S. aureus), 바실러스 세레우스(B. cereus) 및 엔테로코쿠스 파에칼리스(E. faecalis)에 대한 펩타이드-알긴산, Au-펩타이드-알긴산 및 Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔의 항균력을 한천 확산(agar diffusion) 실험을 이용하여 조사하였다. 니신 항균성 펩타이드는 그람-양성 박테리아에 대해 효과적이고, 그람-양성 박테리아는 상기와 같이 선택되었다. Au-펩타이드-알긴산 및 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 제조는 15분 동안 121 ℃에서 수행되었으나, 니신은 이러한 조건 하에서 안정하므로 니신의 항균력은 변화하지 않았다.
표 1은 펩타이드-알긴산, Au-펩타이드-알긴산 및 Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔의 항균력을 나타낸다.
억제 영역(zone of inhibition, mm)
펩타이드-알긴산
바이오하이드로겔		 Au-펩타이드-알긴산
바이오하이드로겔		 Au 나노입자-알긴산
바이오하이드로겔
S. aureus 22±1 25±2 0
B. cereus 18±2 23±1 0
E. faecalis 19±1 22±2 0
Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 주위에서 관찰되는 억제 영역(zone of inhibition)은 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 주위에서 보다 3 ~ 5 mm로 컸다. Au 나노입자-알긴산 하이드로겔은 박테리아 종에 대해 항균력이 없었다(도 6 참고).
스클레로파게스 아우레우스(S. aureus), 바실러스 세레우스(B. cereus) 및 엔테로코쿠스 파에칼리스(E. faecalis)에 대항하는 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 주위의 억제 영역은 각각 22 mm, 18 mm 및 19 mm였다. 그러나, 스클레로파게스 아우레우스(S. aureus), 바실레스 세레우스(B. cereus) 및 엔테로코쿠스 파에칼리스(E. faecalis)에 대항하는 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 주위의 억제 영역은 25 mm, 23 mm 및 22 mm였다.
미생물에 대한 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔의 효과를 알아보기 위해 바실러스 세레우스 및 에테로코쿠스 파에칼리스를 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔, 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 및 펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 하에서 성장시켰다. 도 7 및 도 8은 Au 나노입자-알긴산 및 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔 하에서의 바실러스 세레우스 및 에테로코쿠스 파에칼리스의 SEM 사진을 나타낸다. 바실러스 세레우스 배양은 Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔 하에서 손상되지 않고 사슬 형상을 나타내었다(도 7a 및 7b 참고). 또한, 에테로코쿠스 파에칼리스는 Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔 하에서 손상되지 않은 형태를 갖는다(도 8a 및 8b 참고). 에테로코쿠스 파에칼리스가 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔에 노출되는 경우 박테리아는 세포벽이 보전되지 않았다(도 8c 및 8d 참고). 반면 Au 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔은 미생물의 성장에 어떠한 저해 영향을 미치지 않았고, 고온에서 형성된 내열성의 Au-펩타이드-알긴산 바이오하이드로겔은 이러한 병원성 박테리아에 대항하여 현저한 항균력을 나타내었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 통상의 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 이해될 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 펩타이드, 알긴산 하이드로겔 및 금속 나노입자를 포함하고,
    상기 금속 나노입자는 알긴산 하이드로겔에 고정되고, 펩타이드로 코팅되며,
    상기 금속 나노입자는 구형이고 입자크기가 25 nm 이하인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펩타이드는 니신 펩타이드인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 Au 인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔.
  4. 금속 전구체 용액에 니신 펩타이트를 첨가한 후 배양하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물에 금속 알긴산 및 글리세롤을 첨가하고 가열하여 알긴산 용액 내에서 금속 나노입자를 제조하는 단계;
    상기 제조된 금속 나노입자에 금속 염화물 용액을 첨가하여 교차-중합시킨 후 세척 및 건조시켜 펩타이드-금속 나노입자-알긴산 바이오하이드로겔을 제조하는 단계;를 포함하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속 전구체 용액은 HAuCl4·4H2O 인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 니신 펩타이드의 농도는 2.0 ~ 3.0%(w/w)인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 금속 알긴산은 상기 혼합물 내에서의 최종 농도가 0.3 ~ 0.7%(w/v)가 되도록 첨가되는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 글리세롤은 상기 혼합물 내에서의 최종 농도가 0.005 ~ 0.015%(v/v)가 되도록 첨가되는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 가열은 110 ~ 130 ℃에서 15분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 금속 염화물은 CaCl2 인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 바이오하이드로겔의 제조방법.
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