KR20180113707A - 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치 - Google Patents

나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20180113707A
KR20180113707A KR1020170045119A KR20170045119A KR20180113707A KR 20180113707 A KR20180113707 A KR 20180113707A KR 1020170045119 A KR1020170045119 A KR 1020170045119A KR 20170045119 A KR20170045119 A KR 20170045119A KR 20180113707 A KR20180113707 A KR 20180113707A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanocomposite material
particles
nanocomposite
group
nanoparticles
Prior art date
Application number
KR1020170045119A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102018947B1 (ko
Inventor
변정훈
Original Assignee
영남대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 영남대학교 산학협력단 filed Critical 영남대학교 산학협력단
Priority to KR1020170045119A priority Critical patent/KR102018947B1/ko
Publication of KR20180113707A publication Critical patent/KR20180113707A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102018947B1 publication Critical patent/KR102018947B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51—Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5107—Excipients; Inactive ingredients
    • A61K9/5123—Organic compounds, e.g. fats, sugars
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/0002—Galenical forms characterised by the drug release technique; Application systems commanded by energy
    • A61K9/0009—Galenical forms characterised by the drug release technique; Application systems commanded by energy involving or responsive to electricity, magnetism or acoustic waves; Galenical aspects of sonophoresis, iontophoresis, electroporation or electroosmosis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51—Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5107—Excipients; Inactive ingredients
    • A61K9/5115—Inorganic compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51—Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5192—Processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00—Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)

Abstract

본 출원은, 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치에 관한 것으로, 본 출원의 나노 복합 소재에 의하면 양쪽성 이온 입자와 광 감음성 입자를 포함함으로써, 우수한 저장 안정성, 약물 전달 성능 및 낮은 세포 독성을 가지며, 간단한 빛의 조사만으로도 나노 복합 소재의 표면 성질을 변화시킬 수 있다.

Description

나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치 {NANO COMPLEX MATERIAL, DRUG CARRIER COMPRISING THE SAME, AND MANUFACTURING DEVICE OF THE NANO COMPLEX MATERIAL}
본 출원은 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체, 나노 복합 소재의 제조 장치에 관한 것이다.
나노 기술의 급속한 발전으로 인해 다양한 기능성을 가지는 나노 입자가 개발되었다. 이러한 나노 입자는 바이오 영상기술 분야, 의학 분야, 태양 전지 또는 광촉매 등의 다양한 분야에 응용되고 있다.
나노 입자를 다양한 분야에 최적화된 소재로 이용하기 위해서, 상기 나노 입자는 크기, 모양 등의 물리적 특성, 화학적 특성 및 광학 특성을 쉽게 조절할 수 있는 온-디멘드(수요자 맞춤형, On-demand) 특성을 갖추어야 한다. 비록, 종래에는 나노 입자를 제조하기 위한 다양한 접근이 시도되고 있으나, 여전히 다양한 특성을 보다 효율적으로 조절할 수 있고, 다양한 기능성이 구현되는 나노 입자에 대한 연구가 추가로 요구되고 있다.
구체적으로, 최근에는 화학 또는 광열 치료를 위해 생기능 유기 성분이 결합된 다양한 금속 나노 입자(유무기 하이브리드 나노 입자)들이 사용되고 있다. 이는 근적외선 조사 하에서 상기 나노 입자들이 세포 내 존재 할 때, 나노 입자의 표면 플라즈몬 공명 가열(Surface Plasmon Resonance Heating) 현상이 발생하기 때문이다. 상기 근적외선은 물 또는 헤모글로빈 내에서 높은 전달효율을 가지기 때문에, 비 침습적 방법 (Non-Invasive Methods)으로 암세포를 죽이거나 깊숙한 조직에 침투시키는데 적합하다. 상기 근적외선 조사에 의해 유도된 높은 열에너지는 온도 반응성 약물 방출(Thermoresponsive Drug Release) 및 고열 효과(Hyperthermic Effect)를 발생하기 때문에 암세포를 치료하거나 죽일 수 있다.
특히, 상기 유기 성분으로는 인체 내에서 염증 반응을 최소화할 수 있는 양쪽성 이온 입자(Zwitterionic Paticle)가 주목받고 있다. 또한, 최근 상기 특성을 향상시키거나 보완하기 위하여 다른 기능성을 가지는 성분을 결합시키거나 연결시키기 위한 시도가 이루어지고 있다.
한편, 기존에는 상기 유무기 하이브리드 나노 입자를 제조하기 위한 방법으로 고체 입자의 현탁을 기반으로 하는 다양한 습식 화학 공정(Wet Chemistry Formulations)이 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 공정에 의해 제조된 입자는 오로지 초기의 짧은 시간 동안만 성능을 유지할 수 있다. 더욱이, 유무기 하이브리드 나노 입자들은 일반적으로 가수분해에 의해 유기 성분이 점진적으로 분해되기 때문에 불안정하다. 따라서, 유무기 하이브리드 나노 입자는 현탁액 또는 콜로이드 형태의 생기능성 나노입자로서 사용하는데 어려움이 있다. 또한, 콜로이드 형태의 나노 입자는 저장 동안 응집되는 경향으로 인해, 물질의 성질이 변화되기 때문에, 바이오 분야에 사용되기에 부적합하다. 특히, 기존 습식 화학 공정의 경우, 수요자 맞춤형(On-Demand)으로 나노 입자의 기능을 변화시키기 위해서는 복잡한 공정을 수행해야 되는 단점이 존재한다.
본 출원은 우수한 저장 안정성, 약물 전달 성능 및 낮은 세포 독성을 가지며, 빛의 조사에 따라 표면 성질을 선택적으로 제어 가능하여, 바이오 분야에 다양한 용도로 사용 가능한 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조장치를 제공한다.
본 출원은 나노 복합 소재에 관한 것이다. 상기 나노 복합 소재는 양이온성 작용기 및 음이온성 작용기를 갖는 양쪽성 이온 입자와 상기 입자 상에 형성되고, 일함수 6.0eV 이하의 금속을 포함하는 광감응성 입자로 구성됨에 따라, 우수한 저장 안정성, 약물 전달 성능 및 낮은 세포 독성을 가지며, 빛의 조사에 따라 표면 성질을 선택적으로 제어 가능한 특징을 나타낸다.
본 출원은 약물 전달체에 관한 것이다. 상기 약물전달체는 상술한 나노 복합 소재를 포함함에 따라, 약물 전달체로서 요구되는 온-디멘드 (수요자 맞춤형) 특성을 만족할 수 있다.
본 출원은 나노 복합 소재의 제조 장치에 관한 것이다. 상기 제조 장치는 양쪽성 이온 입자를 포함하는 용액을 분무하여 제1 액적을 형성하는 제1 분부무, 상기 제1 분무부로 일함수 6.0eV 이하의 금속을 포함하는 광감응성 입자를 도입하는 도입부 및 상기 제1 분무부에서 형성된 액적으로부터 용매를 제거하여 양쪽성 이온 입자와 광감응성 입자가 결합된 나노 복합 소재를 형성하는 형성부로 구성됨에 따라, 친환경적이며, 사용 목적에 적합한 나노 복합 소재의 설계, 제작 및 이를 변형하기 용이하며, 연속적인 나노 복합 소재의 제조가 가능하다.
본 출원의 나노 복합 소재는, 우수한 저장 안정성, 유전자를 포함하는 약물 전달 성능 및 낮은 세포 독성을 가지며, 특히, 상기 나노 복합 소재는 광의 조사와 같은 간단한 공정만으로 표면 성질을 선택적으로 제어 가능한 특성이 구현됨에 따라 치료 또는 진단 분야에서 다양한 용도로 사용 가능하다.
도 1은 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 출원의 예시적인 광 감응성 입자의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재의 제조장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 제조 장치의 도입부를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 1 및 2에서 사용한 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재의 제조장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재의 제조방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재 및, 비교예 2 내지 4의 나노 입자, 순수한 금속 나노 입자 및 순수한 그래핀 산화물의 크기 분포 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 14는 실시예에서 제조된 나노 복합 소재, 비교예에서 제조된 나노 입자, 순수한 금속 나노 입자 및 순수한 그래핀 산화물의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이다.
도 15 및 16은 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 나노 복합 소재의 고배율 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이다.
도 17은 가시광선의 조사 전후에 따른 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재, 비교예 2의 나노 복합체 및 순수한 그래핀 산화물의 퓨리에 변환 적외선 분광기 (FTIR) 스펙트럼을 나타낸다.
도 18은 가시광선의 조사 전후에 따른 순수한 그래핀 산화물의 퓨리에 변환 적외선 분광기 (FTIR) 스펙트럼을 나타낸다.
도 19는 가시 광선의 조사 전후에 따른 그래핀 산화물(GO)의 C1s 스펙트럼을 XPS로 측정한 그래프이다.
도 20은 실시예 1 및 2에서 제조된 나노 복합 소재의 pH에 따라 측정된 제타 포텐셜 값을 나타낸 그래프이다.
도 21 및 22는 실시예에서 제조된 나노 복합 소재 및 비교예에서 제조된 나노 입자의 세포 독성을 측정한 결과 그래프이다.
도 23은 실시예에서 제조된 나노 복합 소재에 다른 성분이 추가로 결합된 약물 전달체에 대해서 MIP 생산의 억제 정도를 비교한 그래프이다.
본 출원은 나노 복합 소재에 관한 것이다. 예시적인 본 출원의 나노 복합 소재는 양이온성 작용기 및 음이온성 작용기를 갖는 양쪽성 이온 입자, 및 상기 입자 상에 형성되고, 일함수 6.0 eV 이하의 금속을 포함하는 광감응성 입자를 포함한다. 상기 나노 복합 소재는 양쪽성 이온 입자를 포함하고, 상기 광감응성 입자 내 금속의 일함수 값을 특정 범위 내로 조절함으로써, 우수한 저장 안정성, 약물 전달 성능 및 낮은 세포 독성을 가지면서, 동시에 광 조사에 따라 나노 복합 소재의 표면 성질이 선택적으로 변형되는 특유의 효과가 구현되기 때문에 치료 또는 진단 분야에서 다양한 용도로 사용 가능하다.
본 출원에서 용어 「나노」는 나노 미터(nm) 단위의 크기를 의미할 수 있고, 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 크기를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 용어 「나노 복합 소재 또는 나노 복합체」는 나노 미터(nm) 단위의 평균 직경을 가지며, 2 종류 이상의 물질을 조합함으로써 물리적 또는 화학적으로 원래 소재와는 다른 우수한 기능을 갖는 물질을 의미할 수 있다. 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 평균 직경을 갖는 물질을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 출원에서 용어 「양쪽성 이온 입자」는 전해질 내에서 이온화되어 전기적으로 양성과 음성을 모두 나타내는 물질을 의미하며, 전술한 바와 같이, 상기 양쪽성 이온 입자는 전해질 내에서 이온화되어 양성을 나타내는 양이온성 작용기 및 음성을 나타내는 음이온성 작용기를 모두 가질 수 있다.
또한, 본 출원에서 용어 「광감응성 입자」는 광의 조사 전후에 따라 물리적 화학적 성질이 변화되는 입자를 의미한다. 예를 들어, 광이 조사될 때 전자를 내놓는 입자일 수 있고, 구체적으로 광촉매 입자일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 출원의 나노 복합소재, 상기 나노 복합 소재의 제조 방법 및 제조장치를 설명하나, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 범위가 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재(100)는 광감응성 입자(110)가 양쪽성 이온 입자(120)의 표면 상에 무작위로 위치되어 있는 구조일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 금속은, 6.0 eV 이하의 일 함수를 가지며, 예를 들면, 5.6 eV 이하 또는 4.9 eV 이하의 일 함수를 가질 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 금속의 일 함수를 전술한 범위로 제어함으로써, 6.0 eV 초과의 광자 에너지를 보유하는 빛, 예를 들면, 자외선 등의 200 nm 이하의 단파장을 가지는 광의 조사에 의해 상기 금속 표면의 전자를 이탈시킨다. 상기 이탈된 전자는 양쪽성 이온 입자의 구조 변형을 유도함으로써, 나노 복합 소재의 표면 성질이 변형되는 특성을 구현할 수 있다.
본 출원에 따른 나노 복합 소재는, 하기 일반식 1로 결정되는 양쪽성 이온 입자와 광감응성 입자 사이의 결합강도(δ)가 1.0×10-5 내지 1.0×10-4nm-2 , 2.0×10-5 내지 9.0×10-5nm-2, 3.0×10-5 내지 9.0×10-5nm-2 또는 5.0×10-5 내지 9.0×10-5nm-2 일 수 있다.
[일반식 1]
Figure pat00001
상기 일반식 1에서, Dp는 나노 복합 소재의 평균 입경을 나타내고, R은 양쪽성 이온 입자의 수 농도(Number Concentration)에 대한 광감응성 입자의 수 농도 비율을 나타낸다.
본 출원에 따른 나노 복합 소재는 결합강도(δ)를 상기 특정 범위로 조절함으로써, 광 조사 전후에 따라 상기 나노 복합 소재의 표면 성질이 변형되는 특유의 효과가 구현될 수 있다. 구체적으로, 금속이 가지는 일함수 값 이상의 광이 조사되면, 상기 금속 표면에서 전자가 방출되고, 방출된 전자가 양쪽성 이온 입자의 구조 변형을 유도할 수 있다. 나노 복합 소재는 상기 구조 변형으로 인해 표면으로 노출되는 양이온성 작용기 또는 음이온성 작용기 수가 증가할 수 있다.
특히, 표면으로 노출되는 작용기 수의 증가 정도는 양쪽성 이온 입자 및 광 감응성 입자의 조성, 평균 입경 또는 조성의 함량비 등의 다양한 인자들을 조절하여 제어할 수 있다. 따라서, 상기 소재는 온-디멘드(사용자 맞춤형) 특성이 필수로 요구되는 치료 또는 진단 분야의 소재로 적합하다.
상기 나노 복합 소재는 특유의 구조적 형상을 가질 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 나노 복합 소재의 프랙탈 차원(Fractal Dimension, df)값은 2.8이상일 수 있고, 예를 들어, 2.85 이상, 2.9 이상 또는 3.0이상일 수 있다.
본 출원에서 용어 「프랙탈 차원」이란, 주지된 바와 같이, 임의 형상 입자에 대한 형상 정보를 나타내는 지표를 의미하고, 예를 들어, 프랙탈 차원 값이 클수록 입자의 형상이 구형임을 의미할 수 있고, 프랙탈 차원 값이 작을수록 비구형임을 의미할 수 있다.
상기 프랙탈 차원 값은 하기 일반식 2에 의해 결정될 수 있다.
[일반식 2]
Figure pat00002
상기 일반식 2에서, k는 비례 상수를 나타내고, db는 나노 복합 소재의 평균 입경 이동도(Mobility Equivalent Diameter)를 나타내며,
Figure pat00003
는 나노 복합 소재의 유효 밀도(Effective Density)를 나타낸다. 단, db는 1이 아니며, k는 반응 조건에 따라 적절히 변경될 수 있으며, 예를 들어, 104 이하의 정수일 수 있다. 또한, 상기 k 값의 하한은 0이 아닌 정수이면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 0.01 이상, 0.001 이상 또는 0.0001 이상일 수 있다.
상기 일반식 2에서 계산되는 프랙탈 차원(df)값이 예를 들어, 1에 가까운 값을 가지게 되면 입자의 형상이 직선 모양의 1차원적인 형태를 가지는 것을 의미하고, 3에 가까운 값을 가지게 되면 입자의 형상이 구형의 3차원적인 형태를 가지는 것을 의미한다. 예시적인 본 출원의 나노 복합 소재는 구형의 형상을 가질 수 있다. 나아가, 이러한 구조적 특징으로 인해, 후술하는 약물 전달체에 적용 시 우수한 혈관 흐름성을 나타낼 수 있다.
하나의 예시에서, 나노 복합 소재는 하기 일반식 3으로 결정되는 평균 입경 비율(RD)이 0.01 내지 0.5, 0.05 내지 0.45 또는 0.1 내지 0.4일 수 있다.
[일반식 3]
Figure pat00004
상기 일반식 3에서, DZ는 양쪽성 이온 입자의 평균 입경을 나타내고, DP는 광감응성 입자의 평균 입경을 나타낸다.
본 출원에 따른 나노 복합 소재는 상기 평균 입경 비율을 특정 범위로 조절함으로써, 광 조사 전후에 따라 상기 소재의 표면 성질이 변형되는 특유의 효과가 구현될 수 있다.
일 구체예에서, 나노 복합 소재의 다분산 지수(PDI)는 0.1 내지 1.0일 수 있으며, 예를 들어, 0.2 내지 0.9, 0.3 내지 0.8 또는 0.4 내지 0.7 일 수 있다. 다분산 지수가 상기 범위 내로 조절됨에 따라, 상기 나노 복합 소재를 이용하여 약물 전달체를 제조할 경우, 상기 약물 전달체는 세포 내부로 깊숙이 침투가 가능하다.
또 하나의 예시에서, 나노 복합 소재는 하기 일반식 4를 만족할 수 있다.
[일반식 4]
Figure pat00005
상기 일반식 4에서,
Figure pat00006
는 상기 나노 복합 소재에 대해서 pH 변화에 따른 제타 포텐셜 측정하였을 때, pH 변화량에 대한 제타 포텐셜의 변화량의 비율을 나타내고,
Figure pat00007
는 180 내지 220 nm 파장의 빛, 예를 들어 200nm 파장의 빛을 나노 복합 소재에 조사한 후 pH 변화에 따른 제타 포텐셜을 측정하였을 때, pH 변화량에 대한 제타 포텐셜의 변화량의 비율을 나타낸다.
구체적으로, 상기
Figure pat00008
는 제타 포텐셜 분석기(Nano ZS-90, Malvern Instruments, UK)을 이용하여 pH3에서 pH10로 조절하면서 나노 복합 소재의 표면 전위를 측정하였을 때, pH 변화량에 대한 제타 포텐셜의 변화량 비율을 나타낸다.
또한,
Figure pat00009
는 200nm 파장의 빛을 나노 복합 소재에 조사한 후 제타 포텐셜 분석기(Nano ZS-90, Malvern Instruments, UK)을 이용하여 pH3에서 pH10로 조절하면서 나노 복합 소재의 표면 전위를 측정하였을 때, pH 변화량에 대한 제타 포텐셜의 변화량 비율을 나타낸다.
상기 제타포텐셜의 측정 조건, 예를 들어, 온도, 압력 등은 나노 복합 소재의 성분 및 용매 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있다.
도 20은 광 조사 전후에 따른 나노 복합 소재의 제타 포텐셜 값을 나타내는 그래프이다. 도 20의 그래프는 일반식 1에서 측정된 값들을 Malvern 사의 버전 7의 소프트웨어를 사용하여 도시한 것이다.
상기에서, 「pH 변화량에 대한 제타 포텐셜의 변화량의 비율」은 도 20에 나타난 바와 같이, X축이 pH이고, Y축이 제타 포텐셜인 그래프에서 기울기를 의미한다.
구체적으로, 도 20을 참조하면, 상기 일반식 4는 광 조사 전후 pH에 따른 제타포텐셜 기울기 절대값의 변화량을 나타낸다. 즉, 상기 일반식 4에 따른 절대값 차이가 클수록 기울기 변화량이 크다는 것을 의미한다. 이는 광 조사 전후로 나노 복합 소재의 표면 성질의 변동이 크고, 광 조사 후 소재 표면으로 노출되는 작용기 수의 증가 정도가 크다는 것을 의미한다. 반대로, 상기 일반식 4에 따른 절대값 차이가 작을수록 기울기 변화량이 작다는 것을 의미한다. 이는 광의 조사 전후로 나노 복합 소재의 표면 성질의 변동이 작고, 광 조사 후 소재 표면으로 노출된 작용기 수의 증가 정도가 적다는 것을 의미한다.
하나의 예시에서, 상기 양쪽성 이온 입자 내의 양이온성 작용기에 대한 음이온성 작용기의 몰비는 0.05 내지 0.95일 수 있다. 예를 들어, 상기 몰비는 0.1 내지 0.9, 0.2 내지 0.85, 0.25 내지 0.8, 또는 0.3 내지 0.7일 수 있다. 상기 양쪽성 이온 입자는 전술한 범위 내의 양이온성 작용기에 대한 음이온성 작용기의 몰비를 가짐으로써, 200 nm 이하의 파장의 광 조사에 보다 민감하게 반응할 수 있어 표면 성질의 변형을 효율적으로 유도할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 양쪽성 이온 입자의 양이온성 작용기는 아민기이고, 음이온성 작용기는 카르복실기, 술폰산기 또는 인산기일 수 있다.
양쪽성 이온 입자는 예를 들어, 포스포릴콜린, 카르복실베타인, 설포베타인 또는 아미노산 화합물과 같은 양쪽성 화합물을 포함하거나 이들의 유도체로부터 유도될 수 있다.
상기 양쪽성 이온 입자는 예를 들어, 키토산, 3-[N,N-디메틸(3-미리스토일아미노프로필)암모니오]프로판설포네이트, 3-[(3-콜라미도프로필)디메틸암모니오]-1-프로판설포네이트, 3-[(3-콜라미드프로필)디메틸암모니오]-2-히드록시-1-프로판설포네이트, N-데실-N,N-디메틸-3-암모니오-1-프로판설포네이트, N-도데실-N,N-디메틸-3-암모니오-1-프로판설포네이트, N-테트라데실-N,N-디메틸-3-암모니오-1-프로판설포네이트, 아미도설포베타인-16, 4-n-옥틸벤조일아미도-프로필-디메틸암모니오설포베타인, 3-(1-피리디노)-1-프로판 설포네이트, 설포베타인 메타크릴레이트, 카르복시베타인 메타크릴레이트, 소듐 알지네이트-리신(Sodium Alginate-lysine), 1-(3-술폰프로필)-2-비닐피리딘 히드록사이드 (1-(3-Sulfopropyl)-2-vinylpyridine Hydroxide), 시스테인-스타이렌(Cysteine-Styrene), 에틸렌 디아민 테트라아세트산(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid), 알라닌, 아스파라긴, 시스테인, 글루타민, 글리신, 프롤린, 세린, 티로신, 이소류신, 류신, 메티오닌, 페닐알라닌, 쓰레오닌, 트립토판, 발린, 히스티딘 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 키토산 유도체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 키토산 유도체는 키토산과 숙신산 무수물의 반응물인 양쪽성 이온 키토산(Zwitterionic chitosan, ZC)일 수 있다. 이 경우, 양쪽성 이온 입자의 양이온성 작용기는 키토산 아민기이고, 음이온성 작용기는 카르복실기일 수 있다.
상기 카르복실기는 키토산과 숙신산 무수물이 반응하면서, 숙신산 무수물로부터 유래된 카르복실기(COOH)일 수 있다. 상기 카르복실기는 200 nm 이하의 파장의 빛에 대한 우수한 광활성을 가지며, 이에 따라 광 조사 등의 간단한 공정에 의하여, 나노 복합 소재의 표면 성질을 변형시킬 수 있다.
일반적으로, 키토산의 경우, 낮은 세포 독성으로 인해 생체 친화성이 우수한 고분자로 잘 알려져 다. 그러나, 물 또는 유기 용매에 용해성이 떨어지는 문제가 있기 때문에, 금속과 같은 무기 성분과 결합시켜 다양한 기능성이 구비된 하이브리드 소재로 제조하는데 어려움이 있다. 반면, 상기 양쪽성 이온 키토산은 물 또는 유기 용매에 용해성이 우수하기 때문에, 다른 성분과의 결합시키는 것이 용이하여 다양한 기능성이 구비된 하이브리드 소재로 이용할 수 있다. 또한, 양쪽성 이온 키토산은 중성 pH에서도 잘 용해되기 때문에 인체 내에서 유전자를 포함하는 약물 전달체로서 유용하게 작용할 수 있다.
도 2는 본 출원의 예시적인 광 감응성 입자의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 광 감응성 입자는 일함수 6.0 eV 이하의 금속(111) 및 지지체(112)의 복합체일 수 있다. 예를 들면, 상기 복합체는 금속(111) 나노 입자가 지지체(112)의 표면에 무작위로 위치하는 구조일 수 있다. 다른 예시로, 복합체는 복수의 금속(111) 나노 입자가 뭉쳐서 형성된 응집체(Aggromerates)가 지지체(112)의 표면에 무작위로 위치하는 구조일 수 있다.
상기 지지체는 금속을 지지할 수 있는 물질이면, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 알루미나, 실리카, 티타니아 또는 마그네시아와 같은 금속산화물; 또는 탄소 나노튜브 또는 그래핀 산화물과 같은 탄소 동위체 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 그래핀 산화물일 수 있다.
일반적으로 그래핀 산화물은 구조 유연성, 강도, 생체 적합성에서 탁월하며, 특히 다른 성분과 결합할 수 있는 넓은 비표면적으로 인해 많은 활성사이트를 가지는 물질로 잘 알려져 있다. 따라서, 상기 금속과 그래핀 산화물이 결합된 복합체를 포함하는 광 감응성 입자는 다양한 기능성 성분이 도입될 수 있는 활성 사이트를 제공할 수 있다. 이에 따라, 나노 복합 소재는 약물 전달체로 작용할 경우, 광 조사 전후에 따라 표면 성질이 변형되는 특유의 효과와 함께, 상기 그래핀 산화물에 의해 다양한 약물들이 결합될 수 있는 충분한 활성 사이트를 제공할 수 있기 때문에, 온열 치료 분야의 차세대 소재로 이용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 그래핀 산화물은 길이 방향으로 1 nm 내지 1000nm, 1nm 내지 800nm 또는 1nm 내지 100nm 범위 내의 크기를 가지고, 두께 방향으로 1 nm 내지 100 nm, 1nm 내지 50nm 또는 1nm 내지 20 nm 범위 내의 크기를 가질 수 있다. 본 출원에 따른 나노 복합 소재는 상기 그래핀 산화물의 길이 방향 및 두께 방향을 상기 범위로 조절함으로써, 후술하는 약물 전달체로 적용될 경우 우수한 약물 적재 용량을 나타낼 수 있다.
본 출원에서 용어 「두께 방향」은 나노 그래핀 산화물의 표면에 대한 수직 방향을 의미한다. 또한, 본 출원에서 용어 「길이 방향」은 나노 그래핀 산화물의 표면에 대한 수평 방향을 의미한다.
또한, 본 출원에서 상기 수평 방향은 가로 및 세로 방향 모두를 포함하는 의미로 사용되고, 예를 들어, 본 출원의 나노 그래핀 산화물은 가로 방향 및 세로 방향이 각각 개별적으로 1 nm 내지 1000nm, 1nm 내지 800nm 또는 1nm 내지 100nm 범위 내의 크기를 가질수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 그래핀 산화물은 비표면적이 100 m2/g 내지 1000 m2/g일 수 있고, 예를 들어, 200 m2/g 내지 900 m2/g, 300 m2/g 내지 800 m2/g, 400 m2/g 내지 700 m2/g, 500 m2/g 내지 600 m2/g 또는 550 m2/g 내지 600 m2/g일 수 있다. 상기 「비표면적」은 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 법으로 측정된 기공의 표면적으로서, 기공의 단위 질량당 전 표면적을 의미한다. 본 출원에 따른 나노 복합 소재는 상기 그래핀 산화물의 비표면적을 상기 범위로 조절함으로써, 후술하는 약물 전달체로 적용될 경우 우수한 약물 적재 용량을 나타낼 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 일 함수 6.0 eV 이하의 금속은 바륨, 은, 카드뮴, 알루미늄, 베릴륨, 세륨, 세슘, 코발트, 크롬, 철, 갈륨, 가돌리늄, 하프늄, 수은, 인듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 납, 니오븀, 네오디뮴, 루비듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 스칸듐, 주석, 스트론튬, 탄탈륨, 테르븀, 텔루륨, 토륨, 티타늄, 우라늄, 바나듐, 이트륨, 탈륨, 이테르븀, 아연 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는, 금, 은 또는 백금일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원은 또한, 상기 나노 복합 소재 및 상기 나노 복합 소재에 담지되는 약물을 포함하는 약물 전달체에 관한 것이다. 본 출원의 약물 전달체는 전술한 나노 복합 소재를 포함할 수 있으며, 따라서, 상기 나노 복합 소재에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하기로 한다. 예시적인 본 출원에 따른 약물 전달체는 전술한 나노 복합 소재를 포함함으로써, 우수한 저장 안정성, 유전자를 포함하는 약물 전달 성능 및 낮은 세포 독성을 가진다. 특히, 약물전달체는 빛을 조사하는 간단한 공정만으로도 표면 성질이 변형되는 특유의 특성이 구현될 수 있어 인체 내 다양한 용도로 사용 가능하다.
하나의 예시에서, 상기 약물은 항진균제, 항세균제, 항균제, 산화방지제, 냉각제, 진정제(Soothing Agent), 상처 치유제, 항염증제, 노화방지제, 주름방지제, 피부 미백제, 표백제, 광 흡수제, 산란제, 피부 탈색소제, 염료, 착색제, 탈취제 및 방향제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 출원은 나노 복합 소재의 제조 장치에 관한 것이다. 본 출원의 나노 복합 소재의 제조장치는 전술한 나노 복합 소재의 제조에 이용될 수 있다. 따라서 상기 나노 복합 소재에서 설명한 내용과 중복되는 부분의 설명은 생략하기로 한다. 예시적인 본 출원의 나노 복합 소재의 제조 장치에 의하면, 간단하고 친환경적인 공정을 통하여, 연속적으로 전술한 나노 복합 소재를 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 나노 복합 소재의 제조 장치를 설명하며, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 나노 복합 소재의 제조 장치의 범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 3 은 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재의 제조장치를 모식적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 제조 장치의 도입부를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 출원의 제조 장치는 도입부(1000), 제1 분무부(2000) 및 형성부(3000)를 포함한다.
상기 제1 분무부(2000)는 양쪽성 이온 입자를 포함하는 용액을 분무하여 제1 액적을 형성하기 위한 부분이다.
하나의 예시에서, 상기 제1 분무부(2000)는 분무 노즐(2100)을 포함할 수 있다. 상기 분무 노즐(2100)은 상부 분무 노즐 및 하부 분무 노즐로 구성될 수 있다. 상기 노즐의 입경은 특별히 제한되지 않으나, 0.1 내지 1.0 mm일 수 있다.
상기 제1 분무부(2000)에서는 상기 분무 노즐(2100)을 통해 반응 챔버(10) 내로 상기 양쪽성 이온 입자를 포함하는 용액이 액적(Droplet) 형태로 분무되면, 도입부(1000)로부터 도입된 광감응성 입자가 상기 액적에 부착될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제1 분무부(2000)는 양쪽성 이온 입자와 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 교반기(2200)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 교반기(2200)는 고속 교반이 가능한 장치면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 200 내지 4000 rpm의 속도로 초음파를 인가하여 교반이 가능한 장치라면 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 용매는 양쪽성 이온 입자를 액적 형태로 분무시키기 위하여 혼합되는 조성으로, 상기 양쪽성 이온 입자와 상용성이 우수하다면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 물, 초산, DMSO, 디클로로메탄(Dichloromethane) 및 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 양쪽성 이온 물질은 중성 pH의 용매에도 잘 녹으므로, 바람직하게는 물을 용매로 사용할 수 있다.
상기 도입부(1000)는 제1분무부(2000)로 일함수 6.0eV 이하의 금속을 포함하는 광감응성 입자를 도입하기 위한 부분이다.
도 4를 참조하면, 상기 도입부(1000)는 일함수 6.0eV 이하의 금속을 형성하기 위한 방전부(1100)를 포함할 수 있다.
상기 방전부(1100)는, 스파크 방전에 의해 금속 나노 입자를 발생시키기 위한 부분으로서, 소정 간격으로 이격 배치되어 간격을 형성하고 있으며, 일 함수 6.0 eV 이하의 금속을 포함하는 한 쌍의 도전성 로드(1110) 및 상기 도전성 로드(1110)에 전압을 인가하는 전원부(1120)를 포함한다.
상기 한 쌍의 도전성 로드(1110)는 서로 이격 배치되어 간극(Gap)을 형성하고 있다. 예를 들면, 상기 방전부(1100)에서 스파크 방전이 일어나면, 한 쌍의 도전성 로드(1110) 사이에서 금속 나노 입자가 발생된다. 본 출원에서 사용되는 용어 「간극」또는 「간격」은 움직이거나 고정된 두 부품 사이의 틈을 의미하며, 예를 들어, 상기 간격은 각각 이격 배치되어 있는 한 쌍의 도전성 로드(1110) 사이의 틈을 의미한다. 또한, 본 출원에서 금속 나노 입자는 광 감응성 입자와 동일한 의미로 사용할 수 있다.
상기 도전성 로드(1110)를 구성하는 재료로는, 6.0 eV 이하의 일 함수를 가지는 금속이라면 특별히 제한되지 않으며, 전술한 나노 복합 소재에서 설명한 금속과 중복된 내용에 대해서는 생략하기로 한다.
상기 도전성 로드(1110) 사이의 간격, 예를 들어, 상기 도전성 로드(1110) 간 최단거리인 전극 갭(Electrode Gap)은, 그 거리가 작을수록 점화요구전압이 낮아지며, 그 거리가 커질수록 고전압이 요구된다. 또한, 전극 갭이 좁으면 스파크를 발생시키는데 필요한 전압은 감소하지만, 짧은 스파크는 혼합기에 점화 최소 에너지를 전달하여 실화를 일으킬 수 있으므로, 실험에 의해 적정 거리를 설정하는 것이 필요하다. 하나의 예시에서, 상기 전극 사이의 갭은 0.1 내지 10 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전원부(1120)는 한 쌍의 도전성 로드(1110)에 전압을 인가하기 위한 부분으로서, 하나의 예시에서 상기 전원부(1120)로부터 도전성 로드(1110)에 인가되는 전압은 2 내지 5 kV이고, 전류량은 0.5 내지 5 mA일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전원부(1120)에서는 도전성 로드(1110)에 인가되는 전압을 일정하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 광감응성 입자를 정량적으로 공급함으로써, 우수한 공급 안정성으로 나노 복합 소재를 제조할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 전원부(1120)는, 상기 도전성 로드(1110)에 고전압을 인가하기 위한 전기 회로를 포함할 수 있다. 상기 전기 회로는 고전압 공급원(HV), 외부 커패시터(C) 및 저항(R)으로 구성된 정전압원(Constant High Voltage Source) 구조를 가지며, 다수의 저항, 다수의 커패시터 및 회로전류의 고속 스위칭이 가능한 회로를 이용하여 금속 나노 입자의 크기를 조절할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 방전부(1100)는 비록 도시되지는 않았지만, 캐리어 기체 공급 시스템(Carrier Air Supply System) 등의 기체 공급 장치와, MFC(Mass Flow Controller) 등의 유량계를 포함할 수 있다. 본 출원의 제조 장치는 상기 기체 공급 장치 및 유량계에 의해 비활성 기체 또는 질소를 반응 챔버(10)로 정량적으로 공급할 수 있다.
상기 형성부(3000)는 제1 분무부(2000)에서 형성된 액적으로부터 용매를 제거하여 양쪽성 이온 입자와 광감응성 입자가 결합된 나노 복합 소재를 형성하는 부분이다.
본 출원의 제조 장치에서, 상기 형성부(3000)는 제1 액적의 용매를 제거하는 용매 제거 수단(3100)을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 용매 제거 수단(3100)은 예를 들어, 추출 로(Furnace) 또는 확산 건조기(Diffusion Dryer)를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 추출 로는 관형 흐름 반응기(Tubular Flow Reactor)일 수 있다. 상기 관형 흐름 반응기 내부는 50℃ 내지 150℃의 온도 범위 내로 유지될 수 있고, 상기 제1 분무부(2000)로부터 관형 흐름 반응기 내부로 유입되는 제1 액적은 상기 관형 반응기를 통과하면서 용매가 추출될 수 있다.
또한, 비록 도시되어 있지 않지만, 상기 확산 건조기는 내부에 활성탄소와 실리카을 포함하는 흡수-흡착 방식의 추출층(Extraction Bed)이 충진되어 있을 수 있고, 상기 추출층의 중공(Hollow)을 통하여 상기 액적이 지나가면서 용매가 추출될 수 있다.
도 5는 실시예 1 및 2에 따른 본 출원의 예시적인 나노 복합 소재의 제조장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 도입부(1000)는 지지체를 포함하는 용액을 분무하여 제2 액적을 형성하는 제2 분무부(1200)를 포함할 수 있고, 상기 제2 분무부(1200)는 예를 들어, 전술한 제1 분무부(2000) 전단에 위치할 수 있다. 또한, 상기 도입부(1000)는 제2 용매 제거 수단(1300)을 포함할 수 있고, 상기 제2 용매 제거 수단은 제2 분무부(1200)와 제1 분무부 (2000)사이에 위치할 수 있다. 상기 제2 분무부(1200)는 전술한 제1 분무부(2000)와 구분하기 위하여 지칭한 것으로, 구체적인 장치의 구성은 제1 분무부(2000)의 장치를 사용할 수 있으며, 따라서, 상기 제1 분무부(2000)에서 설명한 내용과 중복되므로 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 방전부(1100)에서 발생된 금속 나노 입자가 제2 분무부(1200)에서 분무된 지지체를 포함하는 제2 액적에 부착된 후, 제2 용매 제거 수단(1300)에 의해 제2 액적 내 용매가 제거되면서 금속 나노 입자와 지지체의 복합체로 구성되는 광감응성 입자가 형성된다.
상기 복합체로 구성되는 광감응성 입자는 반응 챔버(10) 내로 유입되는 비활성 기체 또는 질소 가스의 흐름에 따라 제1 분무부(2000)로 도입된다. 도입된 광 감응성 입자는 제1 분무부(2000)에서 분무된 양쪽성 이온 입자를 함유하는 제1 액적에 부착되고, 형성부로 이동하여 나노 복합 소재로 형성될 수 있다.
본 출원의 제조 장치는 또한, 상기 형성부(3000)를 통과한 나노 복합 소재를 수집하는 수집부(4000)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 수집부(4000)에서는 기판 또는 필터 등을 사용하여 나노 복합 소재를 포집할 수 있다. 상기 기판은 나노 복합 소재를 포집할 수 있는 기판이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 기판은 알루미늄 호일, 실리콘, 유리 또는 운모 등을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 기판에는 나노 복합 소재 포집 효율을 증가시키기 위해, 전기장 또는 온도장이 인가될 수 있다. 예를 들면, 상기 전기장이 인가되는 경우, 나노 복합 소재와 기판 간의 전하가 반대가 되도록 유도되어 입자의 기판 부착력을 증가될 수 있고, 상기 온도장이 인가되는 경우, 나노 복합 소재와 기판간의 온도차가 유도되어 입자의 기판 부착력을 증가시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 도입부(1000), 제1 분무부(2000) 및 형성부(3000)는 비활성 기체 또는 질소 분위기 하에서 유지될 수 있다. 상기 비활성 기체 또는 질소 분위기 하에서 유지된다는 것은 다른 의미로, 상기 비활성 기체 또는 질소의 흐름이 반응 챔버로(10)로 유입되어 도입부(1000), 제1 분무부(2000) 및 형성부(3000)를 순차로 통과하는 것을 의미할 수 있다.
다른 예시에서, 도 5에서 나타난바와 같이, 도입부가 제2 분무부(1200) 및 제2 용매 제거 수단(1300)을 추가로 포함하는 경우, 상기 비활성 기체 또는 질소의 흐름은 반응 챔버로(10)로 유입되어 방전부(1100), 제2 분무부(1200), 제2 용매 제거 수단(1300), 제1 분무부(2000) 및 형성부(3000)를 순차로 통과할 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
양쪽성 이온 입자 및 나노 복합 소재의 제조
실시예 1 - Au@GO-ZC, An/Am=0.3
도 5의 장치를 이용하여 도 6의 방법에 따라, 나노 복합 소재를 제조 하였다.
구체적으로, 도 5와 같이, 질소 가스를 방전부(1100)로 통과시켰다. 상기 질소가스의 유량은 질량 유량계(Mass Flow Controller, MFC)(Tylan, US)에 의해 3.0 L/min으로 유지하였다. 상기 질소 가스를 금(Au) 로드(직경 3 mm, 길이 100 mm, Nilaco, Japan)로 이루어진 한 쌍의 전극 사이로 통과시켰다. 이 때, 한 쌍의 전극 사이의 간격은 1 mm로 하였고, 상기 전극에 전원을 인가하여 스파크 용발(Spark Ablation)에 의하여 금 나노 입자를 제조하였다. 구체적으로, 상기 스파크 용발을 위해 저항 0.5 MΩ, 전기 용량 1.0 nF, 전류 1.2 mA, 전압 2.6 kV 및 주파수 380 Hz의 조건의 전원이 상기 전극에 인가되었다.
상기 스파크에 의해 발생된 금(Au) 나노 입자를 함유하는 질소 가스(순도 99.99% 초과)의 흐름은 제2 분무부(1200)로 이동되어 그래핀 산화물을 함유하는 용액을 분사하기 위한 작동 가스로 사용되었다.
상기 그래핀 산화물을 함유하는 용액은 공지된 Hummer의 제조 방법을 이용하여 흑연으로부터 제조된 그래핀 산화물을 에탄올 용매에 용해시켜 제조하였다. 제2 분무부(1200)는 상기 용액을 지름이 0.3 mm인 분출구를 가지는 분사 노즐을 통해 액적 형태로 분무하였으며, 구체적으로, 상기 금 나노 입자는 충돌 분무기의 오리피스를 통과하면서, 상기 분사된 액적과 혼합되어 금-그래핀 산화물(Au@GO) 복합체를 형성하였다.
또한, 상기 금-그래핀 산화물(Au@GO) 복합체를 함유한 질소 가스는 제1 분무부(2000)로 이동되어 양쪽성 이온 입자를 함유하는 용액을 분사하기 위한 작동 가스로 작용한다.
양쪽성 이온 입자를 함유하는 용액은 공지된 Xu, P.et al의 제조 방법을 이용하여, 키토산 아민기에 대한 숙신산 무수물기(카르복실기)의 몰비(An/Am)가 0.3인 양쪽성 이온 키토산 입자(ZC)를 제조하였다. 제조된 양쪽성 이온 키토산(ZC)를 디클로메탄인 용매에 용해시켜 용액을 제조하였다. 제1 분무부(2000)는 용액을 지름이 0.3 mm인 분출구를 가지는 분사 노즐을 통해 액적 형태로 분무하였으며, 구체적으로, 상기 금-그래핀 산화물 (Au@GO)복합체는 충돌 분무기의 오리피스를 통과하면서, 상기 분사된 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자를 함유하는 용액과 혼합되어 금-그래핀 산화물-양쪽성 이온 키토산으로 이루어진 하이브리드 액적을 형성하였다.
상기 금-그래핀 산화물-양쪽성 이온 키토산의 하이브리드 액적을 질소 가스의 흐름에 따라 온도가 90℃로 유지되는 관형 흐름 반응기(Tubular Flow Reactor)의 내부로 통과시켰다. 상기 액적으로부터 디클로로메텐을 추출하여 금-그래핀 산화물-양쪽성 이온 키토산으로 이루어진 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)를 제조하였다. 상기 나노 복합 소재를 유리 기판(7059, Corning, US) 상에 수집하였다.
관형 흐름 반응기에서 완전 추출 조건은, 액적의 증발에 소모되는 시간과 관형 흐름 반응기 내의 액적 체류 시간을 비교하여 예측하였다. 증발하는 액적으로부터 증기로 기체를 포화시키기 위한 특성 시간은 하기 일반식 5 및 일반식 6을 통하여 계산하였다.
[일반식 5]
Figure pat00010
상기 일반식 5에서,
는 액적의 증발로부터 증기로 기체를 포화시키는 시간이고, Dd는 액적의 직경이며, δv는 증기 확산계수이고, C(Dd)는 액적의 수 농도이다.
[일반식 6]
Figure pat00011
상기 일반식 6에서, ρs 및 ρp는 각각 용매 및 고체 입자의 농도이고, W는 액체 내 고체의 분율이다.
제조된 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)의 프랙탈 차원 값은 2.8이고, 일반식 1에 따른 결합 강도는 7.8×10-5 nm-2이었다.
또한, 제조된 나노 복합 소재(Au@ZC)는 이동성 입자 주사 정립기(Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)(3936, TSI, Shoreview, MN, USA)를 이용하여 평균 입경을 측정하였다. 측정된 양쪽성 이온 입자의 평균 입경은 174.4 nm이고, 광감응성 입자의 평균 입경은 48.1 nm이었다. 일반식 3으로 결정되는 평균 입경 비율(RD)은 0.28이었다.
실시예 2 - Au@GO-ZC, An/Am=0.7
키토산 아민기에 대한 숙신산 무수물기의 몰비가 0.7인 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.7)를 제조 하였다.
제조된 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.7)의 프랙탈 차원 값은 2.9이고, 일반식 1에 따른 결합 강도는 8.3×10-5 nm-2이었다.
또한, 제조된 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.7)는 이동성 입자 주사 정립기(Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)(3936, TSI, Shoreview, MN, USA)를 이용하여 평균 입경을 측정하였다. 측정된 양쪽성 이온 입자의 평균 입경은 175.7 nm이고, 광감응성 입자의 평균 입경은 48.1 nm이었다. 일반식 3으로 결정되는 평균 입경 비율(RD)은 0.27 이었다.
실시예 3 - Au@ZC
제2 분무부에서 그래핀 산화물을 함유하는 용액을 분사하는 단계를 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 복합 소재(Au@ZC)를 제조 하였다.
제조된 나노 복합 소재(Au@ZC)의 프랙탈 차원 값은 2.9이었다.
또한, 제조된 나노 복합 소재(Au@ZC)는 이동성 입자 주사 정립기(Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)(3936, TSI, Shoreview, MN, USA)를 이용하여 측정하였다. 측정된 양쪽성 이온 입자의 평균 입경은 169.1 nm이고, 광감응성 입자의 평균 입경은 23.7 nm이었다. 일반식 3으로 결정되는 평균 입경 비율(RD)은 0.14이었다.
비교예 1- Au@GO-Cs
양쪽성 이온 키토산 대신 순수한 키토산(Cs)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 복합 소재(Au@GO-Cs)를 제조하였다.
비교예 2- Au@GO
제1 분무부에서 양쪽성 이온 입자를 함유하는 용액을 분사하는 단계를 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노복합체(Au@GO)를 제조 하였다.
비교예 3- ZC , An/Am=0.3
방전부에서 금속 나노 입자 생성하는 단계 및 제2 분무부에서 그래핀 산화물을 함유하는 용액을 분사하는 단계를 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 입자(ZC, An/Am=0.3)를 제조하였다.
비교예 4- ZC , An/Am=0.7
방전부에서 금속 나노 입자 생성하는 단계 및 제2 분무부에서 그래핀 산화물을 함유하는 용액을 분사하는 단계를 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 나노 입자(ZC, An/Am=0.7)를 제조하였다.
비교예 5- Cs- PEI
방전부에서 금속 나노 입자 생성하는 단계 및 제2 분무부에서 그래핀 산화물을 함유하는 용액을 분사하는 단계를 수행하지 않고, 제1 분무부에서 양쪽성 이온 키토산 입자를 함유하는 용액 대신에 순수한 키토산(Polysciences 社)과 0.1 mL폴리에틸렌이민(Sigma-Aldrich)을 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1와 동일한 방법으로 나노 입자(Cs-PEI)를 제조하였다.
실험예 - 나노 복합 소재의 특성 평가
<입자 크기 분포>
제조된 에어로졸 입자의 크기 분포는 미분 이동 분석기(Differential Mobility analyzer) (3081, TSI, US), 정전 분류기(Electrostatic Classifier)(3080, TSI, US), 응축 입자 계수기(Condensation Particle Counter)(3776, TSI, US) 및 연질 X-선 충전기(Soft X-ray charger)(4530, HCT, Korea)로 구성된 이동성 입자 주사 정립기(Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)를 사용하여 측정하였다. 이동성 등가 입경(Mobility Equivalent Diameter)을 측정하기 위하여 사용된 SMPS 시스템은 0.3 L/min의 샘플 유량, 3.0 L/min의 시스 유량(Sheath Flow) 및 135초의 주사 시간(Scan Time) 동안 작동시켰다(측정 범위: 15.1 내지 661.2 nm). 상기 입자의 질량은 마이크로밸런스(DV215CD, Ohaus, Switzerland)를 이용하여 측정하였고, 하기 일반식 7을 통해 계산할 수 있다.
[일반식 7]
Figure pat00012
상기 일반식 7에서 Q는 질소 기체의 유량이고, ts는 샘플링 시간, η(Dp)는 부분 집진율(Fractional Collection Efficienc), Cm(Dp)는 입자의 질량 농도(The Mass Concentration)이다.
< TEM 분석>
투과 전자 현미경(TEM)(CM-100, FEI/Philips, US) 이미지는 46 내지 180 kV의 가속 전압 범위에서 얻었다. TEM 분석을 위해 샘플은 나노 입자 수집기(Nano Particle Collector)(NPC-10, HCT, Korea)를 사용하여, 1.0 L/min의 샘플 유량 및 5 kV의 작동 전압에서 직접 정전 기상 샘플링(Direct Electrostatic Gas-phase Sampling) 방식으로 제조하였다.
< FTIR 분석>
퓨리에 변환 적외선 (Fourier Transform Infrared, FTIR) 분광기 분석을 위해, 샘플은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 배지(Media) (0.2 ㎛의 기공 크기, 47mm의 직경, 11807-47-N, Sartorius, Germany)에서 제조하였다. 샘플의 FTIR 스펙트럼은 Nicolet 6700 분광기(Thermo Electron, US)를 이용하여 400 내지 4000 cm-1의 범위 내의 스펙트럼을 측정하였다.
<제타포텐셜 분석>
실시예에서 제조된 나노 복합 소재의 제타 포텐셜(Zeta Potential)은 제타 포텐셜 분석기(Nano ZS-90, Malvern Instruments, UK)를 이용하여 측정하였다. 보다 상세하게는, 상기 장치를 이용하여 pH 3에서 pH 10으로 조절하면서 나노 복합 소재의 표면 전위를 측정하는 것으로 제타 포텐셜을 측정하였다. 제타 포텐셜 측정 조건은 25℃에서 수행하였고, Malvern 사의 버전 7의 소프트웨어를 사용하여 상기 측정값을 그래프로 도시하였다.
< 인비트로 세포 독성>
MTS(3-(4,5-디메틸-티아졸-2-일)-5-(3-카복시메톡시페닐)-2-(4-설포페닐)-2H-테트라졸륨) 분석에 의해, 힐라 세포(HEK 293)에서 실시예에서 제조된 나노 복합 소재의 세포독성을 평가하였다. 세포는 37℃, 5%의 CO2 및 95%의 상대 습도에서 10%의 소태아혈청(FBS)이 보충된 Dulbecco's 변형 이글 배지(DMEM Carlsbad, USA) 200 mL에서 배양하였다. 그리고, 배양된 세포를 96-웰 미량정량판(96-Well Microtiter Plate)(Nunc, Germany)에 1×105 cell/well의 밀도로 도포하였다. 24시간 후, 상기 이글 배지는 실시예에서 제조된 나노 복합 소재(1mg/mL)를 함유하는 혈청 보충 배양 배지(Serum Supplemented Culture Media)로 교체하고, 다시 24시간 동안 배양하였다. 그 후, 30 ㎕의 MTS 시약을 각 웰에 첨가하고, 추가로 2시간 동안 배양하였다. 이후, 흡광도는 490 nm의 파장에서 마이크로플레이트 리더(Microplate Reader)(Spectra Plus, TECAN, Switzerland)를 사용하여 측정하였다. 세포 생존율(%)은 나노 복합 소재가 비처리된 세포(대조군)가 도포된 배지와 비교 하였으며, 하기 일반식 8을 통해 계산하였다.
[일반식 8]
[A]test = [A]control×100%
상기 일반식 8에서, 상기 [A]test는 나노 복합 소재가 있는 웰의 흡광도이고, [A]control은 비교 웰들의 흡광도이다. 모든 실험은 3회 수행하였고, 그 결과를 평균 및 표준 편차로 작성하였다. 통계 분석은 스튜던트 테스트(Student's T-Test)를 사용하였다. 차이는 p<0.05에서 유의한 것으로 고려하였다.
<대식 세포 염증 단백질( MIP ) 생산>
배지 1mL 내에 웰 당 1×105 cell의 밀도로 24-웰 정량판(96-Well Plate)에 복막 대식세포(Peritoneal Macrophages)를 도포하였다. 24시간 동안 배양 한 후, 배지 내 입자 농도를 2 mg/mL 로 조절하기 위하여 실시예의 나노 복합 소재가 함유된 샘플 용액 0.1 mL을 각 웰에 주입하였다. 비교 목적으로, 상기 나노 복합 소재가 함유된 샘플 용액 대신 인산 완충 실란 (Phosphate Buffered Saline, PBS) 또는 순수한 키토산(Cs)을 첨가하였다. 그리고, 24시간 동안 배양한 후 배양 배지의 상측액(Supernatants)을 분리하기 위하여, 10분동안 2000 rpm에서 원심 분리하였다. 상기 샘플을 비교하기 전에 1 ㎍/mL의 최종 농도의 배지에 지질 다당류(Lipopolysaccharide, LPS)를 첨가하였다. 효소-연결 면역 흡수 측정 검사(Enzyme-Liked Immunosorbent Assay, ELISA)는 MIP-2 ELISA 키트(R&D systems, USA)을 사용하여 MIP 수준을 측정하였다. LPS- 대식세포로부터 수집한 상측액은 분석하기 전에 항상 10배 희석하였다. 그 차이는 p<0.01에서 유의한 것으로 고려하였다.
측정 결과 및 분석
도 7은 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재, 비교예 2 내지 4의 나노 입자, 순수한 금속 나노 입자 및 순수한 그래핀 산화물의 크기 분포 측정 결과를 나타낸 도면이다. 상기 측정은 이동성 입자 주사 정립기(Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)(3936, TSI, Shoreview, MN, USA)를 사용하여 평균 입경, 표준 편차(Standard Deviation, SD) 및 수 농도를 측정하였고, 그 측정결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 평균 입경(nm) 표준 편차(-) 수 농도(cm-3)
실시예 1
(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)		 174.4 1.75 1.33×106
실시예 2
(Au@GO-ZC, An/Am=0.7)		 186.3 1.78 1.37×106
실시예 3(Au@ZC) 168.3 1.81 1.36×106
비교예 2(Au@GO) 48.1 1.66 1.87×106
비교예 3
(ZC, An/Am=0.3)		 176.5 1.67 1.33×106
비교예 4
(ZC, An/Am=0.7)		 189.7 1.69 1.33×106
Au 19.4 1.46 6.50×106
GO 41.3 1.65 1.54×106
상기 표 1 및 도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)의 평균 입경, 표준 편차 및 수 농도는 각각 174.4 nm, 1.75 및 1.33?106 cm-3이었다. 비교예 2의 나노 복합체(Au@GO)의 평균 입경, 표준 편차 및 수 농도는 각각 48.1 nm, 1.66 및 1.87×106 cm- 3 이었다. 또한, 비교예 3의 나노 입자(ZC, An/Am=0.3)의 평균 입경, 표준 편차 및 수 농도는 각각 176.5nm, 1.67 및 1.06×106 cm-3이었다.
실시예 1의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am:0.3)에 대한 상기 값들은 비교예 2의 나노 복합체(Au@GO)보다 비교예 3의 나노 입자(ZC, An/Am=0.3)에 더 가까웠다. 또한, 실시예 1의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am:0.3)는 추가 피크 및 크기의 변동 없이 농도만 약간 증가하였는데, 이는 나노 복합체(Au@GO)와 양쪽성 이온 키토산(ZC)이 정량적으로 완전히 결합한 것을 시사한다. 또한, 실시예 2의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am:0.7)도 나노 복합체(Au@GO)와 양쪽성 이온 키토산(ZC)이 정량적으로 완전히 결합한 것을 시사한다. 구체적으로, 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 나노 복합 소재는 금-그래핀 산화물(Au@GO)와 양쪽성 이온 키토산 (ZC) 입자의 결합 효율은 각각 96.8% 및 95.7%였다.
도 8 내지 14는 실시예 및 비교예에서 제조된 나노 물질 및 순수한 물질의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이다. 구체적으로, 도 8은 순수한 금 나노 입자의 TEM 이미지이고, 도 9는 순수한 그래핀 산화물(GO)의 TEM 이미지이다. 도 10은 비교예 2에서 제조된 나노 입자(Au@GO)의 TEM 이미지이고, 도 11은 비교예 3에서 제조된 양쪽성 이온 키토산(ZC, An/Am=0.3) 입자의 TEM 이미지이다. 도 12는 실시예 1의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)의 TEM 이미지이고, 도 13은 비교예 4의 나노 입자(ZC, An/Am=0.7)의 TEM 이미지이다. 도 14는 실시예 2의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.7)의 TEM 이미지이다.
도 8 내지 14를 참조하면, 순수한 금(Au) 나노 입자는 개별 나노 결정으로 구성된 응집체를 형성하는 반면, 그래핀 산화물(GO) 입자의 형상은 특정하기는 어렵지만, 잘 분리되어 있는 것을 보여준다. 상술한 바와 같이, 순수한 금(Au) 나노 입자는 그래핀 산화물(GO) 용액을 분무하여 제2 액적을 형성하는 제2 분무부로 이동되고, 이동된 금(Au) 나노 입자는 상기 제2 액적에 부착되어 금-그래핀 산화물 나노 복합체(Au@GO)를 형성한다. 나노 복합체(Au@GO)의 이미지를 보면, 상기 응집체 형상의 금(Au) 나노 입자는 기계적 재구성으로 인해 개별 입자의 형태로 상기 그래핀 산화물(GO)의 표면 상에 무작위로 위치하고, 상기 입자의 직경(Dp)은 하기 일반식 9을 통해 계산하였다.
[일반식 9]
Figure pat00013
상기 일반식 9에서, α는 비례상수이고, H는 하마커 상수(Hamaker Constant)이며, △P는 압력차, θ는 응집력 매개 변수(Cohesive Strength Parameter)이다.
스파크 방전으로부터 생성된 금(Au) 나노 입자의 응집체는 제2 분무부로 이동되는 과정에서 다양한 물리적 조건(압력, 밀도, 속도)에 의해 부셔진다. 이것은 전술한 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자와 실시예 1 내지 2에서 제조된 나노 복합 소재의 입자 크기 분포에 큰 차이가 없는 결과를 뒷받침해준다.
상기 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자의 경우, 액적으로부터 용매가 추출되는 건조 속도에 의해 그라데이션[어두운 코어-밀집된 고체(Dark Core-Dense Solid) 및 밝은 쉘-가벼운 고체(Bright Shell-Light Solid)]을 형성한다. 이는 확산(Dd 2/4δv) 및 대류 건조(τd)에 대한 상대적 시간 스케일을 나타내는 무차원 수인 하기 일반식 10의 페클렛 수(Peclet number, Pe)로 설명될 수 있다.
[일반식 10]
Figure pat00014
현재 조건의 Pe값은 1보다 상당히 작았고, 이로부터 액적의 코어 영역을 향한 계면에서 용질의 이동이 대류 건조와 함께 머물기에 충분하다는 것을 확인하였으며, 이로 인하여, 밀집된 고체 입자의 형성을 유도하였다.
도 15 및 16은 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 나노 복합 소재의 고배율 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이다. 구체적으로, 도 15는 실시예 1에서 제조된 나노 복합 소재의 고배율 TEM 이미지이고, 도 16은 실시예 2에서 제조된 나노 복합 소재의 고배율 TEM 이미지이다.
도 15 및 16을 참조하면, 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재의 경우, 고배율 TEM 이미지는 금-그래핀 산화물이 결합된 복합체(Au@GO) 주위로 회색 그물망(network)이 나타나는데, 이는 금-그래핀 산화물 복합체와 완전히 결합한 양쪽성 이온 입자가 존재하는 것을 시사한다. 또한, 비교예 2의 나노 복합체(Au@GO)와 양쪽성 이온 키토산 (ZC) 입자의 평균 입경은 각각 52±4.2nm 및 171±9.3nm이었고, 실시예에서 제조된 나노 복합 소재의 평균 입경은 176±10.3nm이었다. 이는 표 1 및 도 7에 나타낸 데이터와 일치한다.
또한, 다분산 지수(Polydispersity Index, PDI)는 제타사이저(Zetasizer, ZS 90, Malvern Instruments, UK)를 이용하여 측정하였다. 양쪽성 이온 키토산 입자(ZC)의 다분산 지수는 0.286이고, 실시예 1에서 제조된 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)의 다분산 지수는 0.309이었다. 즉, 양쪽성 이온 키토산 입자(ZC)와 실시예 1에서 제조된 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)의 다분산 지수는 0.5 미만이고, 이는 입자의 크기의 분포가 적절한 것을 시사한다.
도 17은 가시광선의 조사 전후에 따른 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재, 비교예 2의 나노 복합체 및 순수한 그래핀 산화물(GO)의 퓨리에 변환 적외선 분광기 (FTIR) 스펙트럼을 나타낸다.
도 18은 가시광선의 조사 전후에 따른 순수한 그래핀 산화물(GO)의 퓨리에 변환 적외선 분광기(FTIR) 스펙트럼을 나타낸다.
도 17 및 18을 참조하면, 그래핀 산화물(GO)은 카보닐과 카복실 그룹에 해당하는 1,730cm-1에서 스펙트럼 피크가 나타나며, 이는 산소 함유 그룹(Oxygen Containing Group, OCGs)의 존재를 시사한다. 또한, 그래핀 산화물(GO)에서 1,625cm-1 부근에서 다양한 밴드가 보이는데 이는 sp2 혼성 그룹의 존재를 시사한다. 그래핀 산화물(GO)과 금(Au)이 결합된 나노 복합체(Au@GO)는 그래핀 산화물(GO)에 기인한 피크가 모두 사라졌는데, 이는 모든 그래핀 산화물(GO)이 금(Au)에 의해 정량적으로 덮여졌음을 의미한다. 또한, 나노 복합 소재(Au@GO-ZC)는 1,540 cm-1에서 우세한 밴드를 보이는데, 이는 숙시닐기(N-succinylation)의 존재로 의한 N-H 아미드(Amide II)의 휨 진동(Bending Vibration)을 나타낸다. 나아가, 상기 N-H 아미드에 기인한 밴드는 빛이 조사될 때 1,540 cm-1에서 1,570 cm-1로 이동하는데, 이는 그래핀 산화물(GO)과 양쪽성 이온 키토산(ZC) 사이에 아미드 결합이 있음을 나타낸다. 또한, 3,360 cm-1, 2,920 cm-1, 2,880 cm-1, 1,680 cm-1 및 1,360 cm-1에서 전형적인 흡수 밴드를 보이는데, 이는 각각 키토산의 -OH, -CH2, -CH3, 아미드 I 및 아민 III기를 나타낸다.
또한, 도 17에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 2에서 제조된 나노 복합 소재의 경우 가시 광선을 조사 받은 후 특정 피크의 상대 강도가 변화하는 것을 나타낸다. 구체적으로, 실시예 1의 나노 복합소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3)는 5.8% 변화를 보이고, 실시예 2의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.7)는 12.3%의 변화를 보인다. 이러한 변화는 나노 복합 소재의 상대 강도가 증가된 것을 의미하고, 이는 표면에서 효율적인 광촉매 분해가 일어났음을 시사한다. 구체적으로, 상기 광촉매 분해는 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자 내 피라노오스 고리의 구조 변화를 유도하고, 이러한 구조 변화는 나노 복합 소재 표면으로 노출되는 카보닐기의 수를 증가시킨다. 상기 표면에 노출된 카보닐기의 수가 증가하기 때문에 특정 피크의 상대 강도가 증가하였다.
한편, 금(Au, 4.75eV), 그래핀 산화물(GO, 5.35eV) 및 양쪽성 이온 키토산 (ZC, 5.87eV)의 일 함수를 고려하면, 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자에서 금-그래핀 산화물 나노 복합체(Au@GO) 측으로 전자를 방출하는 것이 열역학적으로 유리하다. 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자에서 전자가 먼저 여기하고, 여기된 전자가 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자에서 나노 복합체(Au@GO)로 이동한다. 그리고, 전자는 다시 금(Au) 입자로 이동하여 산소를 수집함으로써 반응성 산소 함유 그룹(OCGs)를 생성한다. 결론적으로, 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자의 구조 변형 또는 반응성 산소 함유 그룹(OCGs) 생성에 의해 나노 복합 소재의 표면에 노출되는 작용기 수의 증가한다. 그래핀 산화물(GO)과 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자의 아민기(키토산 유래)/카르복실실 그룹(숙신산 무수물 유래) 사이의 반응은 그래핀 산화물(GO)의 환원을 유도한다. 구체적으로, 그래핀 산화물의 반응성 산소 함유 그룹(OCGs)과 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자의 아미노 및 카르복실 그룹 사이에 상호 작용 및 수소 결합은 그래핀 산화물의 환원을 유도한다 (도 18참조).
도 19는 가시 광선의 조사 전후에 따른 그래핀 산화물(GO)의 C1s 스펙트럼을 XPS로 측정한 그래프이다. 도 19를 참조하면, 가시 광선 조사 전 C1s 신호는 C-C (284.5eV), C-O (286.2eV), C=O (287.8eV), O-C=O (288.9eV) 및 O-CO-O (290.8eV)의 여러 신호들의 디콘볼루션(Deconvolution)이다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 가시 광선 조사 후 C-C (sp2 carbon) 분율은 0.664에서 0.832로 증가한다.
도 20은 실시예 1 및 2에서 제조된 나노 복합 소재의 pH에 따라 측정된 제타 포텐셜 값을 나타낸 그래프이다. 도 20을 참조하면, 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재는 염기성 pH에서 음의 극성(Negartive Polarity)을 나타내고, 산성 pH에서 양의 극성(Pasitive Polarity)을 나타낸다. 이러한 경향은 양쪽성 이온 키토산(ZC)의 탈 양성 반응에 기인한다. 도 20에 나타난 바와 같이, 키토산 아민기에 대한 숙신산 무수물기의 비율이 0.3 에서 0.7로 증가하면, 나노 복합 소재의 등전점(Isoelectric Point)이 7.2에서 5.3으로 변화한다. 또한, 가시 광선 조사 전후로 나노 복합 소재의 기울기의 경향은 크게 변화하지 않았지만, 기울기 절대값이 증가하는 것을 보여주는데, 이는 나노 복합 소재의 표면으로 노출되는 작용기 수가 증가한 것을 의미한다.
도 21 및 22는 실시예에서 제조된 나노 복합 소재 및 비교예에서 제조된 나노 입자의 세포 독성을 측정한 결과 그래프이다.
구체적으로, 도 21은 MTS 분석을 사용한 힐라 세포(HeLa Cells)에서 실시예의 나노 복합 소재 및 비교예의 나노 입자의 세포 독성을 측정한 결과를 비교한 그래프이다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 실시예의 나노 복합 소재 및 비교예의 나노 입자의 세포 독성은 1 ㎍/mL, 5 ㎍/mL, 10 ㎍/mL, 20 ㎍/mL 및 50 ㎍/mL의 농도에서 MTS 분석을 사용하여 힐라 세포(HeLa Cells)에서 측정하였다. 순수한 키토산(Cs) 입자, 비교예 5의 나노 입자(Cs-PEI) 및 인산염 완충 생리 식염수(Phosphate Buffered Saline, PBS)의 결과와 비교하였다. 상기 평가에 이용되는 샘플을 제조하기 위해서, 실시예의 나노 복합 소재 또는 비교예의 나노 입자를 소수성 기판에 샘플링하였다. 상기 샘플링된 기판을 초음파가 인가된 물에 10초간 침지시킨 후 떼어내었다. 도 21에 나타난 바와 같이, 가시 광선이 조사하더라도 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재는 세포 생존율은 80% 이상이었고, 이의 대조군인 금-그래핀 (Au@GO) 나노 복합체의 세포 생존률은 82% 이상으로 나타났다. 이러한 결과는 실시예에서 제조된 나노 복합 소재가 생체 적합성 및 비 세포 독성임을 의미한다. 또한, 가시 광선 조사 전후로 세포 생존력에 유의미한 차이가 없음을 시사한다.
또한, 도 21의 삽화에 나타난 바와 같이, 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자는 순수한 키토산(Cs), 또는 인산염 완충 생리 식염수(Phosphate Buffered Saline) 보다 LPS-대식세포의 염증성 단백질(Macrophage Inflammatory Protein, MIP) 생산을 현저하게 억제할 수 있음을 보여준다. 이는 양쪽성 이온 키토산(ZC) 입자의 작용기와 MIP 생성을 조절하는 대식 세포 표면 수용체 및/또는 LPS 사이의 결합 때문이다.
또한, 실시예 1 및 순수한 키토산(Cs) 보다 실시예 2의 나노 복합 소재가 더 적은 MIP 생성을 보여주는데, 이는 실시예 2의 나노 복합 소재가 더 많은 아민 함량으로 함유하기 때문일 것이다. 본 출원에서는 상기 가설을 검증하기 위해서, 비교예 5의 나노 입자(Cs-PEI) 대한 MIP 생성을 추가로 실험하였다. 도 21의 삽화에서 보여지듯이, 비교예 5의 나노 입자(Cs-PEI)는 더 많은 MIP 생성하였다. 이는 상기 가설을 뒷받침한다. 반면, 가시 광선의 조사에 상관없이 실시예에서 제조된 나노 복합 소재의 MIP 생성에는 유의한 증가는 보이지 않았다.
도 22는 MTS 분석을 이용하여 쥐의 섬유 아세포 (L929)에서 실시예의 나노 복합 소재 및 비교예의 나노 입자의 세포 독성을 측정한 결과를 비교한 그래프이다. 구체적으로, 상기 결과는 MTS 분석을 이용하여 쥐의 섬유 아세포 (L929)에서 실시예 1 및 2의 나노 복합 소재를 20 내지 1,000 ㎍/mL의 농도 변화에 따른 세포 독성을 측정한 값이다. 도 22에 나타난 바와 같이, 실시예에서 제조한 나노 복합 소재는 100 ㎍/mL 이상으로 농도가 높아지더라도 세포 독성이 증가하지 않았다.
도 23은 실시예에서 제조된 나노 복합 소재에 다른 성분이 추가로 결합된 약물 전달체에 대해서 MIP 생산의 억제 정도를 비교한 그래프이다. 구체적으로, 상기 다른 성분으로 항생제로 잘 알려진 니스타틴(Nystatin, N6261, Sigma-Aldrich, US) 10 ㎍/mL를 사용하였다.
도 23을 참조하면, 순수한 니스타틴(Nystatin)의 경우, 대식세포를 12 시간 항온 처리했을 때 MIP 생산은 약 1,250pg/mL에 도달하고, 이후로 감소하였다. 반면에, 실시예 1의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.3) 및 실시예 2의 나노 복합 소재(Au@GO-ZC, An/Am=0.7)와 나스타틴이 결합된 약물 전달체의 경우, MIP 생산은 각각 520 pg/mL 및 212 pg/mL로 현저히 감소됐다. 이는 MIP 생산을 조절하는 대식 세포 표면 수용체인 ZC33가 나노 복합 소재와 결합하여 세포 신호 전달 경로가 조절되었기 때문일 것이다. 즉, 상기 결과는 본 출원에 따른 나노 복합 소재가 항염증 특성을 가지는 일차 바이오 분야의 소재로 사용할 수 있음을 시사한다.
또한, 도 23의 삽화는 니스타틴과 실시예 1 (삽화의 왼쪽) 및 2 (삽화의 오른쪽)에서 제조한 나노 복합 소재와 결합된 약물 전달체의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이다. 도 23의 삽화를 참조하면, 실시예 1의 나노 복합 소재와 니스타탄이 결합한 약물 전달체의(삽화의 왼쪽) 평균 입경은 174±6.6nm이고, 실시예 2의 나노 복합 소재와 니스타틴이 결합된 약물 전달체의(삽화의 오른쪽) 평균 입경은 179±9.3nm로 나타났다.
결론적으로, 상기 세포 독성 및 MIP 생산에 대한 실험을 결과에서 알 수 있듯이, 가시광선에 전후로 나노 복합 소재의 화학적 특성 및 표면 특성은 변화하지만, 세포 독성 및 MIP 생산의 증가에는 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
또한, 본 출원은 기체 상에서 양쪽성 이온 입자와 광감응성 입자가 결합된 하이브리드 나노 입자를 제조하는 것이 크기와 모양의 큰 변화 없이 표면 특성을 조절하는데 적합한 기술임을 시사한다.
또한, 이러한 결과는 친환경적이며, 다용도 수단으로서, 지속적인 단일-통과 공정(Single-pass Process)을 확립할 것이고, 이 방법을 설계, 제작 및 변형하기 위한 다양한 수단을 제공하며, 이는 광범위한 생기능성 나노 물질에 일반적으로 적용할 수 있다.
100: 나노 복합 소재
110: 광감응성 입자
120: 양쪽성 이온 입자
111: 금속 입자
112: 지지체
1000: 도입부
1100: 방전부
1110: 도전성 로드
1120: 전원부
1200: 제2 분무부
1210, 2100: 분무 노즐
1220, 2200: 교반기
1300, 3100: 용매 제거 수단
2200: 교반기
3000: 형성부
4000: 수집부

Claims (19)

  1. 양이온성 작용기 및 음이온성 작용기를 갖는 양쪽성 이온(Zwitterion) 입자; 및
    상기 입자 상에 형성되고, 일함수 6.0 eV 이하의 금속을 포함하는 광감응성 입자를 포함하는 나노 복합 소재.
  2. 제 1 항에 있어서, 하기 일반식 1로 결정되는 양쪽성 이온 입자와 광감응성 입자 사이의 결합강도(δ)가 1.0×10-5 내지 1.0×10-4nm- 2 인 나노 복합 소재:
    [일반식 1]
    Figure pat00015

    상기 일반식 1에서, DP는 나노 복합 소재의 평균 입경을 나타내고, R은 양쪽성 이온 입자의 수 농도(Number Concentration)에 대한 광감응성 입자의 수 농도 비율을 나타낸다.
  3. 제 1 항에 있어서, 나노 복합 소재의 프랙탈 차원 값은 2.8 이상인 나노 복합 소재.
  4. 제 1 항에 있어서, 하기 일반식 3으로 결정되는 평균 입경 비율(RD)이 0.01 내지 0.5인 나노 복합 소재:
    [일반식 3]
    Figure pat00016

    상기 일반식 3에서, DZ는 양쪽성 이온 입자의 평균 입경을 나타내고, DP는 광 감응성 입자의 평균 입경을 나타낸다.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 복합 소재의 다분산 지수(PDI)는 0.1 내지 1.0 인 나노 복합 소재.
  6. 제 1 항에 있어서, 하기 일반식 4를 만족하는 나노 복합 소재:
    [일반식 4]
    Figure pat00017

    상기 일반식 4에서,
    Figure pat00018
    는 상기 나노 복합 소재에 대해서 pH 변화에 따른 제타 포텐셜을 측정하였을 때, pH 변화량에 대한 제타 포텐셜의 변화량의 비율을 나타내고,
    Figure pat00019
    는 180 내지 220 nm 파장의 빛을 나노 복합 소재에 조사한 후 pH 변화에 따른 제타 포텐셜을 측정하였을 때, pH 변화량에 대한 제타 포텐셜의 변화량의 비율을 나타낸다.
  7. 제 1 항에 있어서, 양쪽성 이온 입자는 양이온성 작용기에 대한 음이온성 작용기의 몰비가 0.05 내지 0.95인 나노 복합 소재.
  8. 제 1 항에 있어서, 양쪽성 이온 입자의 양이온기 작용기는 아민기이고, 음이온성 작용기는 카르복실기, 술폰기 또는 인산기인 나노 복합 소재.
  9. 제 1 항에 있어서, 양쪽성 이온 입자는 키토산 및 숙신산 무수물의 반응물이며, 양이온성 작용기는 키토산 아민기이고 음이온성 작용기는 카르복실기인 나노 복합 소재.
  10. 제 1 항에 있어서, 광 감응성 입자는 일함수 6.0 eV 이하의 금속 및 지지체의 복합체인 나노 복합 소재.
  11. 제 10 항에 있어서, 지지체는 그래핀 산화물이고, 상기 그래핀 산화물은 길이 방향으로 1 nm 내지 1000nm 범위 내의 크기를 가지고, 두께 방향으로 1 nm 내지 100nm 범위 내의 크기를 가지는 나노 복합 소재.
  12. 제 1 항에 있어서, 일 함수 6.0 eV 이하의 금속은 바륨, 은, 카드뮴, 알루미늄, 베릴륨, 세륨, 세슘, 코발트, 크롬, 철, 갈륨, 가돌리늄, 하프늄, 수은, 인듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 납, 니오븀, 네오디뮴, 루비듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 스칸듐, 주석, 스트론튬, 탄탈륨, 테르븀, 텔루륨, 토륨, 티타늄, 우라늄, 바나듐, 이트륨, 탈륨, 이테르븀, 아연, 팔라듐, 이리듐, 백금, 금 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 나노 복합 소재.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 어느 한 항에 따른 나노 복합 소재 및 상기 나노 복합 소재에 담지되는 약물을 포함하는 약물 전달체.
  14. 제 13 항에 있어서, 약물은 항진균제, 항세균제, 항균제, 산화방지제, 냉각제, 진정제(Soothing Agent), 상처 치유제, 항염증제, 노화방지제, 주름방지제, 피부 미백제, 표백제, 광 흡수제, 산란제, 피부 탈색소제, 염료, 착색제, 탈취제 및 방향제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 약물 전달체.
  15. 양쪽성 이온 입자를 포함하는 용액을 분무하여 제1 액적을 형성하는 제1 분무부;
    상기 제1 분무부로 일함수 6.0 eV 이하의 금속을 포함하는 광감응성 입자를 도입하는 도입부;
    상기 제1 분무부에서 형성된 액적으로부터 용매를 제거하여 양쪽성 이온 입자와 광감응성 입자가 결합된 나노 복합 소재를 형성하는 형성부를 포함하는 나노 복합 소재의 제조 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 형성부는 제1 액적에 용매를 제거하는 용매 제거 수단을 추가로 포함하는 나노 복합 소재의 제조 장치.
  17. 제 15 항에 있어서, 도입부는 지지체를 포함하는 용액을 분무하여 제2 액적을 형성하는 제2 분무부를 추가로 포함하는 나노 복합 소재의 제조 장치.
  18. 제 15 항에 있어서, 비활성 기체가 도입부, 제1 분무부 및 형성부를 순차로 통과하여 흐르는 나노 복합 소재의 제조 장치.
  19. 제 15 항에 있어서, 형성부 후단에 위치하여 형성부에서 형성된 나노 복합 소재를 수집하는 수집부를 추가로 포함하는 나노 복합 소재의 제조 장치.
KR1020170045119A 2017-04-07 2017-04-07 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치 KR102018947B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170045119A KR102018947B1 (ko) 2017-04-07 2017-04-07 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170045119A KR102018947B1 (ko) 2017-04-07 2017-04-07 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180113707A true KR20180113707A (ko) 2018-10-17
KR102018947B1 KR102018947B1 (ko) 2019-09-05

Family

ID=64099569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170045119A KR102018947B1 (ko) 2017-04-07 2017-04-07 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102018947B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200052017A (ko) * 2018-11-06 2020-05-14 영남대학교 산학협력단 나노 복합체 및 이의 제조 장치
KR20210071841A (ko) * 2019-12-06 2021-06-16 가톨릭대학교 산학협력단 박리된 층상 이중 수산화물을 이용한 pH 민감성 복합소재 및 이를 이용한 생리활성 물질 전달체

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 2693-2698
ACS Appl. Mater. Interfaces. 2012, 4, 2693-2698 *
Biomacromolecules 2014, 15, 2320-2325 *
Nanoscale, 2016, 8, 3906 - 3910 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200052017A (ko) * 2018-11-06 2020-05-14 영남대학교 산학협력단 나노 복합체 및 이의 제조 장치
KR20210071841A (ko) * 2019-12-06 2021-06-16 가톨릭대학교 산학협력단 박리된 층상 이중 수산화물을 이용한 pH 민감성 복합소재 및 이를 이용한 생리활성 물질 전달체

Also Published As

Publication number Publication date
KR102018947B1 (ko) 2019-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tran et al. Targeted and controlled drug delivery by multifunctional mesoporous silica nanoparticles with internal fluorescent conjugates and external polydopamine and graphene oxide layers
He et al. Engineered spindles of little molecules around electrospun nanofibers for biphasic drug release
KR20070028478A (ko) 비응집성 코어/쉘 나노복합 입자
Yashchenok et al. Carbon Nanotubes on Polymeric Microcapsules: Free‐Standing Structures and Point‐Wise Laser Openings
Modesto-Lopez et al. Role of the effective electrical conductivity of nanosuspensions in the generation of TiO2 agglomerates with electrospray
Watthanaphanit et al. A novel one-step synthesis of gold nanoparticles in an alginate gel matrix by solution plasma sputtering
US9587071B2 (en) Conjugated gold nanoparticles
Schmidt et al. Drug-loaded mesoporous silica on carboxymethyl cellulose hydrogel: Development of innovative 3D printed hydrophilic films
JP5912186B2 (ja) 金属微粒子を含む静電結合型ベシクル
Eltayeb et al. Electrosprayed core–shell polymer–lipid nanoparticles for active component delivery
Amin et al. Untemplated resveratrol-mediated polydopamine nanocapsule formation
Yadav et al. Functional TiO 2 nanocoral architecture for light-activated cancer chemotherapy
KR101882589B1 (ko) 나노 복합체, 이를 포함하는 코팅용 조성물, 나노 복합체의 제조 장치 및 방법
KR102018947B1 (ko) 나노 복합 소재, 이를 포함하는 약물 전달체 및 나노 복합 소재의 제조 장치
Lee et al. Electrosprayed nanocomposites based on hyaluronic acid derivative and Soluplus for tumor-targeted drug delivery
Lalitha et al. A self-assembled π-conjugated system as an anti-proliferative agent in prostate cancer cells and a probe for intra-cellular imaging
Kumar et al. In silico-in vitro-in vivo studies of experimentally designed carvedilol loaded silk fibroin-casein nanoparticles using physiological based pharmacokinetic model
Mohammadi-Aghdam et al. Modified Fe3O4/HAp magnetically nanoparticles as the Carrier for Ibuprofen: adsorption and release study
Zhang et al. Mesoporous gold nanoparticles for photothermal controlled anticancer drug delivery
Qin et al. Hyperbranched polyglycerol-grafted titanium oxide nanoparticles: synthesis, derivatization, characterization, size separation, and toxicology
Lee et al. Synthesis of polymer nanoparticles via electrohydrodynamic emulsification-mediated self-assembly
KR101880396B1 (ko) 나노 복합체, 이를 포함하는 약물 전달체, 이를 포함하는 조영제 및 나노 복합체의 제조 방법
Haidar et al. Surface-active plasma-polymerized nanoparticles for multifunctional diagnostic, targeting, and therapeutic probes
Majid et al. Tunable self-assembled peptide structure: a novel approach to design dual-use biological agents
KR101865485B1 (ko) 나노 복합체

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right