KR20230051799A - Multifunctional Nanoparticles Based on Polyphenol and Metallic Ions, and Use Thereof - Google Patents

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KR20230051799A
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변하연
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

In the present disclosure, disclosed are methods for producing composites or composite particles, which, by inducing coordination and self-assembly with polyphenol-based compounds in a one-pot method while changing the composition of an aqueous solution containing metal cations and anions, manufactures polyphenol-based nanoparticles with a metal-phenol network, and by combining the polyphenol-based nanoparticles with hydrogel or introducing fluorescent substances or magnetic nanoparticles during a manufacturing process, can provide various functionalities.

Description

폴리페놀 및 금속 이온을 기반으로 하는 나노입자 및 이의 용도{Multifunctional Nanoparticles Based on Polyphenol and Metallic Ions, and Use Thereof}Multifunctional Nanoparticles Based on Polyphenol and Metallic Ions, and Use Thereof

본 개시 내용은 폴리페놀 및 금속 이온을 기반으로 하는 나노입자 및 이의 용도에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 금속 양이온 및 음이온을 함유하는 수용액 내 조성을 변화시키면서 원-폿(one-pot) 방식으로 폴리페놀계 화합물과의 배위결합 및 자기조립을 유도함으로써 금속-페놀 네트워크를 갖는 폴리페놀계 나노입자를 제조하고, 이를 하이드로겔과 조합하거나, 제조 과정에서 형광물질 또는 자성 나노입자를 도입함으로써 다양한 기능성을 제공할 수 있는 복합체 또는 복합 입자의 제조방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to nanoparticles based on polyphenols and metal ions and uses thereof. More specifically, the present disclosure provides a metal-phenol network by inducing coordination and self-assembly with a polyphenol-based compound in a one-pot manner while changing the composition in an aqueous solution containing metal cations and anions. It relates to a method for preparing a composite or composite particle that can provide various functionalities by preparing polyphenol-based nanoparticles, combining them with a hydrogel, or introducing fluorescent materials or magnetic nanoparticles in the manufacturing process.

인간을 포함한 척추동물은 뼈의 재생 능력을 가지고 있지만, 질병, 사고, 노화 등에 의하여 골 조직의 일부가 손실되어 수복되지 않는 경우가 발생한다. 일반적으로, 골 조직 내 결손부의 재생을 위하여는 특정 부위에 골이식재를 충진한 후에 차폐막으로 처리하는 방식으로 골 재생유도 효과를 높이고 있다. 이러한 골유도 재생술에 있어서, 골에 결손이 발생한 경우에 자연적인 재생과정을 증대시키고, 손상된 골 세포의 접착, 성장 및 분화를 위한 적합한 환경, 즉 골 재생 환경을 조절하기 위하여 골이식재 및 차폐막이 필요하다. 일 예로서, 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), β-트리칼슘 포스페이트(β-tricalcium phosphate; β-TCP) 등과 같이 골 구조와 유사한 재질의 합성 골이식재가 사용되고 있으며, 이러한 합성 골이식재는 결손 부위의 빈 공간을 충진함과 동시에 골 재생을 위한 칼슘 및 인산을 전달할 수 있다(예를 들면, Adv. Healthcare Mater. 2019, 8, 1801106, RSC Adv. 7 13010-8 등). 그러나, 대부분의 골재생용 이식재는 인산칼슘 기반의 미네랄 성분으로 구성되어 있고, 단순히 골 형성을 목적으로 제작되기 때문에 골 결손 부위의 염증반응, 파골반응, 감염 등과 같이 골재생에 영향을 미치는 다양한 미세환경을 조절하지 못하는 한계가 있다.Vertebrate animals, including humans, have the ability to regenerate bone, but there are cases in which a part of bone tissue is lost and not restored due to disease, accident, aging, or the like. In general, in order to regenerate a defect in bone tissue, a bone graft material is filled in a specific area and then treated with a shielding film to increase the bone regeneration induction effect. In this guided bone regeneration, a bone graft material and a shielding film are needed to increase the natural regeneration process in case of bone defect and to control the proper environment for the adhesion, growth and differentiation of damaged bone cells, that is, the bone regeneration environment. do. As an example, synthetic bone graft materials made of materials similar to bone structures, such as hydroxyapatite and β-tricalcium phosphate (β-TCP), are used. Calcium and phosphoric acid for bone regeneration can be delivered at the same time as filling the space (eg, Adv. Healthcare Mater. 2019, 8, 1801106, RSC Adv. 7 13010-8, etc.). However, since most graft materials for bone regeneration are composed of calcium phosphate-based mineral components and are simply manufactured for the purpose of bone formation, various microenvironments that affect bone regeneration, such as inflammatory reaction, osteoclast reaction, infection, etc. at the site of bone defect There is a limit that cannot be controlled.

한편, 탄닌산(tannic acid)과 같은 폴리페놀 화합물은 과일, 채소, 카카오, 견과류 등에서 주로 발견되는 바, 항산화 특성과 같은 생화학적 또는 생리학적 측면에서 주목을 받고 있다. 탄닌산은 하기 화학식 1에 나타낸 바와 같이 5개의 갈롤기 및 5개의 카테콜기를 갖고 있는데, 다양한 분자들과 수소 결합(hydrogen bonding)과 소수성 결합 (hydrophobic interaction)을 통하여 견고한 비공유결합을 형성한다. On the other hand, polyphenol compounds such as tannic acid are mainly found in fruits, vegetables, cacao, nuts, etc., and have attracted attention from biochemical or physiological aspects such as antioxidant properties. Tannic acid has 5 gallol groups and 5 catechol groups as shown in Formula 1 below, and forms strong non-covalent bonds with various molecules through hydrogen bonding and hydrophobic interaction.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

또한, 폴리페놀과 금속 이온, 펩타이드 등의 물질 간의 신속한 결합을 이용하여 원하는 재료에 폴리페놀과 금속이온 또는 펩타이드 등을 번갈아 쌓아 층층이 코팅하는 기술도 알려져 있는데, 예를 들면 나노입자의 기질 표면에 폴리페놀 및 금속이온을 이용하여 코팅한 후에 기질을 제거하여 폴리페놀 나노입자를 형성한다(예를 들면, Nano Today, 12, 2017, 136-148 등). In addition, a technique for layer-by-layer coating by alternately stacking polyphenols, metal ions, or peptides on a desired material using rapid bonding between materials such as polyphenols, metal ions, and peptides is also known. After coating with phenol and metal ions, the substrate is removed to form polyphenol nanoparticles (eg, Nano Today, 12, 2017, 136-148, etc.).

이와 관련하여, 폴리페놀은 그 자체로 강력한 항산화 효과를 가지고 있으나, 지나치게 높은 농도의 폴리페놀은 독성을 나타내기도 한다. 또한, 수용성 폴리페놀의 경우, 높은 용해율로 인하여 체내에서 쉽게 확산되어 국소적인 적용에는 한계가 있고, 일반적으로 내복제로 사용 시 경구 투여 방식을 사용하는데 생분포도가 좋지 않은 문제점이 있다. 더 나아가, 폴리페놀을 기능성 생체 재료로 적용하기 위하여, 폴리페놀을 코팅하거나 적재하는 형태로 생체재료를 형성하는 방식에 따라 기질로서 무기능성의 고분자가 요구되기도 한다. 이러한 고분자를 후처리하는 방식으로 생체재료를 형성하는 방법은 과정이 복잡할 뿐만 아니라, 무기능성 재료가 생체 내에서 면역거부 반응을 유발할 가능성이 있다.In this regard, polyphenol itself has a strong antioxidant effect, but an excessively high concentration of polyphenol may be toxic. In addition, in the case of water-soluble polyphenols, due to their high dissolution rate, they are easily diffused in the body, limiting their local application. Furthermore, in order to apply polyphenol as a functional biomaterial, a non-functional polymer may be required as a substrate depending on the method of forming the biomaterial in the form of coating or loading polyphenol. The method of forming a biomaterial by post-processing such a polymer is not only complicated in the process, but also has a possibility that the non-functional material induces an immune rejection reaction in vivo.

따라서, 간편한 방식으로 최적화된 골재생 환경을 구현할 수 있고, 더 나아가 다양한 기능을 부여할 수 있는 폴리페놀 기반의 기술에 대한 요구가 존재한다,Therefore, there is a need for a polyphenol-based technology that can implement an optimized bone regeneration environment in a simple way and can furthermore provide various functions.

본 개시 내용의 일 구체예에서는 전술한 종래기술의 한계를 극복하고, 간편한 방식으로 최적화된 골 재생 환경을 형성할 수 있는 유-무기 복합체의 제조 방안을 제공하고자 한다.In one embodiment of the present disclosure, it is intended to provide a method for preparing an organic-inorganic composite capable of overcoming the above-mentioned limitations of the prior art and forming an optimized bone regeneration environment in a simple manner.

본 개시 내용의 다른 구체예에서는 페놀-금속 네트워크로부터 유래하는 효과뿐만 아니라, 형광특성 또는 자성이 부여된 다기능성 복합 입자의 제조 방안을 제공하고자 한다.In another embodiment of the present disclosure, it is intended to provide a method for preparing multifunctional composite particles endowed with fluorescence or magnetism as well as effects derived from the phenol-metal network.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면,According to the first aspect of the present disclosure,

a) (i) 폴리페놀계 화합물 및 (ii) 수계 매질에 금속 양이온 및 음이온이 용해된 수용액을 조합하고 제1 염기 성분을 첨가하여 금속-페놀 네트워크가 형성된 폴리페놀계 나노입자를 형성하는 단계; 및a) (i) a polyphenolic compound and (ii) combining an aqueous solution in which metal cations and anions are dissolved in an aqueous medium and adding a first base component to form polyphenolic nanoparticles having a metal-phenolic network; and

b) 바이오 고분자 기반의 하이드로겔 용액과 상기 나노입자를 조합하여 나노입자-하이드로겔 복합체를 형성하는 단계;b) forming a nanoparticle-hydrogel composite by combining a biopolymer-based hydrogel solution and the nanoparticles;

를 포함하는 유-무기 복합체의 제조방법이 제공된다.A method for producing an organic-inorganic composite comprising a is provided.

예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 b)에 앞서 상기 단계 a)에서 제조된 나노입자의 안정화를 위하여 나노입자를 함유하는 수용액에 제2 염기 성분을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the step of adding a second basic component to the aqueous solution containing the nanoparticles to stabilize the nanoparticles prepared in step a) may be further included prior to step b).

예시적 구체예에 따르면, 상기 수용액은 모의체액 또는 농축된 모의체액일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the aqueous solution may be a simulated body fluid or a concentrated simulated body fluid.

예시적 구체예에 따르면, 상기 폴리페놀계 화합물은 에피갈로카테킨 갈레이트(Epigallocatechin gallate), 카테킨(catechin), 카테킨-3-갈레이트(catechin-3-gallate), 갈로카테킨(gallocatechin), 갈로카테킨-3-갈레이트(gallocatechin-3-gallate), 카테킨 갈레이트(Catechin gallate), 에피카테킨 (Epicatechin), 갈로카테킨 갈레이트(Gallocatechin gallate), 에피갈로카테킨 (Epigallocatechin), 갈릭산(Gallic acid), 탄닌산(Tannic acid) 및 퀘르세틴 (Quercetin)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the polyphenolic compound is epigallocatechin gallate, catechin, catechin-3-gallate, gallocatechin, gallo Catechin-3-gallate, Catechin gallate, Epicatechin, Gallocatechin gallate, Epigallocatechin, Gallic acid , It may be at least one selected from the group consisting of tannic acid and quercetin.

예시적 구체예에 따르면, 상기 바이오 고분자는 젤라틴, 구아검, 잔탄검, 아카시아 검, 카라기난 검, 펙틴, 알지네이트, 콜라겐, 히알루론산, 키토산 및 아가로오스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the biopolymer may be at least one selected from the group consisting of gelatin, guar gum, xanthan gum, acacia gum, carrageenan gum, pectin, alginate, collagen, hyaluronic acid, chitosan, and agarose. .

예시적 구체예에 따르면, 상기 제1 염기 성분은 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 중탄산칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 그리고According to an exemplary embodiment, the first basic component is at least one selected from the group consisting of sodium bicarbonate, potassium bicarbonate and calcium bicarbonate, and

상기 제2 염기 성분은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The second basic component may be at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium hydroxide.

예시적 구체예에 따르면, 상기 폴리페놀계 나노입자 내 폴리페놀의 함량은 5 내지 90 중량% 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the polyphenol content in the polyphenol-based nanoparticles may range from 5 to 90% by weight.

예시적 구체예에 따르면, 상기 폴리페놀계 나노입자의 사이즈(DLS)는 100 내지 3000 nm 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the size (DLS) of the polyphenol-based nanoparticles may range from 100 to 3000 nm.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면,According to a second aspect of the present disclosure,

형광물질과 수계 매질에 금속 양이온 및 음이온이 용해된 수용액을 조합하여 복합 수용액을 제조하는 단계; 및preparing a composite aqueous solution by combining a phosphor and an aqueous solution in which metal cations and anions are dissolved in an aqueous medium; and

상기 복합 수용액과 폴리페놀계 화합물을 조합하고, 제1 염기 성분을 첨가하여 금속-페놀 네트워크가 형성된 형광물질-함유 폴리페놀계 나노입자를 형성하는 단계;combining the complex aqueous solution and the polyphenol-based compound and adding a first basic component to form fluorescent material-containing polyphenol-based nanoparticles having a metal-phenol network;

를 포함하는 형광성 복합 입자의 제조방법이 제공된다.A method for producing fluorescent composite particles comprising a is provided.

예시적 구체예에 따르면, 상기 형광물질은 엄벨리페론(umbelliferone), 플루오레신(fluorescein), 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC), 로다민(rhodamine), 탐라(TAMRA), 디클로로트리아지닐아민플루오레신(dichlorotriazinylamine fluorescein), 단실클로라이드(dansyl chloride), 양자점(quantum dots), 피코에리스린(phycoerythrin), FAM(fluorecein amidite), 알 렉사플로어계 (alexa fluor), Cy3, Cy5, Cy7 및 인도시아닌그린으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the fluorescent substance is umbelliferone, fluorescein, fluorescein isothiocyanate (FITC), rhodamine, Tamra (TAMRA), Dichlorotriazinylamine fluorescein, dansyl chloride, quantum dots, phycoerythrin, FAM (fluorecein amidite), alexa fluor, Cy3, Cy5 , Cy7 and may be at least one selected from the group consisting of indocyanine green.

본 개시 내용의 제3 면에 따르면,According to a third aspect of the present disclosure,

자성나노 입자와 수계 매질에 금속 양이온 및 음이온이 용해된 수용액을 조합하여 자성 나노입자-함유 수용액을 제조하는 단계; 및preparing a magnetic nanoparticle-containing aqueous solution by combining magnetic nanoparticles and an aqueous solution in which metal cations and anions are dissolved in an aqueous medium; and

상기 자성 나노입자-함유 수용액과 폴리페놀계 화합물을 조합하고, 제1 염기 성분을 첨가하여 금속-페놀 네트워크를 갖는 자성 복합 나노입자를 형성하는 단계;combining the magnetic nanoparticle-containing aqueous solution with a polyphenol-based compound and adding a first basic component to form magnetic composite nanoparticles having a metal-phenol network;

를 포함하는 자성 복합 입자의 제조방법이 제공된다.A method for producing magnetic composite particles comprising a is provided.

예시적 구체예에 따르면, 상기 자성 나노입자는 산화 철 입자로서 마그네타이트 및 마그헤마이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 50 nm 이하의 사이즈(직경) 범위를 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment, the magnetic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of magnetite and maghemite as iron oxide particles, and may have a size (diameter) range of 50 nm or less.

본 개시 내용의 구체예들에 따르면, 금속 양이온을 함유하는 수용액과 폴리페놀계 화합물을 간단히 조합하는 방식으로 금속-페놀 네트워크를 갖는 폴리페놀계 나노입자를 제조할 수 있고, 이를 하이드로겔과 조합한 유-무기 복합체는 항산화 효과 및 항염증 효과를 비롯하여 양호한 생체 내 골 재생 또는 골 분화 효과를 제공할 수 있다. 특히, 나노입자의 제조 과정 중 모의체액과 같은 금속 양이온 및 음이온을 함유하는 수용액 내 특정 이온의 농도를 조절하는 방식으로 골 재생에 최적화된 환경을 제공할 수 있다. 더 나아가, 폴리페놀계 나노입자를 제조하는 과정에서 형광물질, 자성 나노입자 등과 조합할 경우, 각종 기능성 생체 재료의 제작, 약물 전달, 이미징 등의 분야에서 활용도를 더욱 높일 수 있다.According to specific embodiments of the present disclosure, polyphenolic nanoparticles having a metal-phenolic network can be prepared by simply combining an aqueous solution containing metal cations with a polyphenolic compound, and combining it with a hydrogel The organic-inorganic complex can provide good in vivo bone regeneration or bone differentiation effects including antioxidant and anti-inflammatory effects. In particular, an environment optimized for bone regeneration can be provided by adjusting the concentration of specific ions in an aqueous solution containing metal cations and anions, such as a simulated body fluid, during the nanoparticle manufacturing process. Furthermore, when combined with fluorescent materials, magnetic nanoparticles, etc. in the process of manufacturing polyphenolic nanoparticles, utilization can be further increased in fields such as production of various functional biomaterials, drug delivery, and imaging.

도 1은 예시적 구체예에 따라 폴리페놀계 화합물(탄닌산)과 금속 양이온 및 음이온을 함유하는 수용액의 조합에 따른 자기 조립 방식으로 금속-페놀 네트워크를 갖는 폴리페놀계 나노입자를 제조하는 과정을 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 2a 내지 도 2c는 각각 다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL) 조건에서 제조된 칼슘-함유 나노입자의 광학 사진, SEM 사진 및 DLS 분석 결과를 보여주는 도면이고,
도 2d 및 도 2e는 각각 다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL)에 따른 칼슘-함유 나노입자 내 페놀 함량 및 칼슘 함량을 나타내는 그래프이고;
도 2f는 다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL) 조건에서 제조된 칼슘-함유 나노입자에 대한 FT-IR 분석 결과를 나타내는 그래프이고;
도 3a 및 도 3b는 각각 다양한 탄닌산 농도(0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL 및 0.5 mg/mL) 조건에서 제조된 마그네슘-함유 나노입자의 SEM 사진 및 DLS 분석 결과를 내는 도면이고,
도 3c 및 도 3d는 각각 다양한 탄닌산 농도(0.1 mg/mL 및 0.5 mg/mL) 조건에서 제조된 마그네슘-함유 나노입자의 TEM 사진 및 EDS 분석 결과를 나타내는 도면이고;
도 3e는 다양한 탄닌산 농도(0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL 및 0.5 mg/mL) 조건에서 제조된 마그네슘-함유 나노입자 내 페놀 함량을 나타내는 그래프이고;
도 4a 내지 도 4c는 각각 다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL) 조건에서 제조된 구리-함유 나노입자에 대한 SEM 사진, DLS 분석 결과 및 페놀 함량을 나타내는 그래프이고;
도 5a 및 도 5b는 각각 칼슘 양이온 및 포스페이트 음이온을 함유하는 모의체액 내 다양한 포스페이트 음이온 농도(10 mM, 20 mM 및 30 mM) 조건에서 제조된 칼슘-함유 나노입자의 SEM 사진 및 DLS 분석 결과를 내는 도면이고,
도 5c 및 도 5d는 각각 칼슘 양이온 및 포스페이트 음이온을 함유하는 모의체액 내 다양한 포스페이트 음이온 농도(10 mM, 20 mM 및 30 mM) 조건에서 제조된 칼슘-함유 나노입자 내 칼슘 함량 및 페놀 함량을 나타내는 그래프이고;
도 6a 및 도 6b 각각은 실시예에서 제조된 FITC-함유 폴리페놀계 나노입자의 형광 현미경 사진 및 hADSC(human adipose derived stem cells)를 FITC가 혼입된 폴리페놀계 나노입자로 처리한 후의 공초점 현미경 사진이고;
도 7a 내지 도 7c는 각각 자성나노 입자가 도입된 칼슘-함유 입자의 건조 상태 및 에탄올 내에 분산된 상태의 광학 사진, DLS 분석 결과 및 제타-포텐셜 분석 결과를 나타내는 그래프이고;
도 8a 및 도 8b는 각각 다양한 농도의 폴리페놀계 나노입자(0 ㎍/㎖, 10 ㎍/㎖ 및 50 ㎍/㎖)가 도입된 hADSC를 배양한 후의 세포독성 평가 결과를 나타내는 Live/Dead 염색 사진 및 MTT 분석 결과를 나타내는 도면이고;
도 9a 내지 도 9c는 각각 폴리페놀계 나노입자에 대한 Fe 전환 테스트 결과, DCF-DA 분석 결과 및 쥐 복강 염증유도모델을 이용한 비교 테스트 결과를 나타내는 도면이고;
도 10은 hADSC를 14일 동안 골 분화 배지에서 배양한 실험을 통하여 골 분화 관련 유전자(RUNX2, OCN)의 발현 테스트 결과를 나타내는 그래프이고;
도 11a 내지 도 11c는 각각 나노입자-하이드로겔 복합체의 광학 사진 및 SEM 사진, 그리고 기계적 물성 측정 결과를 나타내는 그래프이고;
도 12a 내지 도 12c는 각각 나노입자-하이드로겔 복합체의 Fe 전환 테스트 결과, Live/Dead 염색 사진 및 염증 관련 유전자(TNF-α, IL-6, iNOS)의 발현 결과를 보여주는 그래프이고;
도 13a 내지 도 13d는 각각 나노입자-하이드로겔 복합체에 대하여 골분화 관련 유전자인 OPN에 특이적인 항체를 이용한 형광면역 염색 결과를 나타내는 그래프, 골 분화 관련 유전자(OPN, RUNX2, OSX)에 대한 유전자 발현율을 확인하기 위한 RT-PCR 결과를 나타내는 사진, Live/Dead 염색 사진, 및 TRACP 분석 결과를 나타내는 그래프이고; 그리고
도 14a 및 도 14b는 각각 나노입자-하이드로겔 복합체에 대하여 쥐 두개골 결손 모델에서의 골 재생 효과를 분석한 광학 사진, 그리고 재생된 골 부피(BV/TV) 및 재생 면적을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
Figure 1 is a self-assembly method according to a combination of a polyphenolic compound (tannic acid) and an aqueous solution containing metal cations and anions, according to an exemplary embodiment, schematically illustrating a process for preparing polyphenolic nanoparticles having a metal-phenolic network. It is a drawing shown as;
2a to 2c are diagrams showing optical pictures, SEM pictures, and DLS analysis results of calcium-containing nanoparticles prepared under conditions of various tannic acid concentrations (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL), respectively;
2d and 2e are graphs showing phenol content and calcium content in calcium-containing nanoparticles according to various tannic acid concentrations (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL), respectively;
Figure 2f is a graph showing the results of FT-IR analysis of calcium-containing nanoparticles prepared under conditions of various tannic acid concentrations (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL);
3a and 3b are diagrams showing SEM pictures and DLS analysis results of magnesium-containing nanoparticles prepared under conditions of various tannic acid concentrations (0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL, and 0.5 mg/mL), respectively;
3c and 3d are diagrams showing TEM images and EDS analysis results of magnesium-containing nanoparticles prepared under conditions of various tannic acid concentrations (0.1 mg/mL and 0.5 mg/mL), respectively;
Figure 3e is a graph showing the phenol content in magnesium-containing nanoparticles prepared under conditions of various tannic acid concentrations (0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL, and 0.5 mg/mL);
4a to 4c are graphs showing SEM pictures, DLS analysis results, and phenol content of copper-containing nanoparticles prepared under various tannic acid concentration conditions (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL), respectively. ;
5a and 5b show SEM images and DLS analysis results of calcium-containing nanoparticles prepared at various phosphate anion concentrations (10 mM, 20 mM, and 30 mM) in simulated body fluids containing calcium cations and phosphate anions, respectively. is a drawing,
5c and 5d are graphs showing the calcium content and phenol content in calcium-containing nanoparticles prepared at various phosphate anion concentrations (10 mM, 20 mM, and 30 mM) in simulated body fluids containing calcium cations and phosphate anions, respectively. ego;
Figures 6a and 6b respectively show fluorescence micrographs of FITC-containing polyphenolic nanoparticles prepared in Example and confocal microscopy after treating human adipose derived stem cells (hADSC) with polyphenolic nanoparticles incorporated with FITC. is a photograph;
7A to 7C are graphs showing optical photographs, DLS analysis results, and zeta-potential analysis results of calcium-containing particles into which magnetic nanoparticles are introduced in a dry state and a state dispersed in ethanol, respectively;
8a and 8b are Live/Dead staining photographs showing the results of cytotoxicity evaluation after culturing hADSCs to which polyphenolic nanoparticles (0 μg/ml, 10 μg/ml, and 50 μg/ml) of various concentrations were introduced, respectively. and a diagram showing the results of MTT analysis;
9a to 9c are diagrams showing Fe conversion test results, DCF-DA analysis results, and comparative test results using a rat abdominal cavity inflammation induction model for polyphenolic nanoparticles, respectively;
10 is a graph showing the results of an expression test of bone differentiation-related genes (RUNX2, OCN) through an experiment in which hADSCs were cultured in a bone differentiation medium for 14 days;
11a to 11c are graphs showing optical and SEM images of nanoparticle-hydrogel composites, and mechanical property measurement results, respectively;
12a to 12c are graphs showing the results of Fe conversion test of nanoparticle-hydrogel composites, Live/Dead staining pictures, and expression results of inflammation-related genes (TNF-α, IL-6, iNOS), respectively;
13a to 13d are graphs showing the results of fluorescence immunostaining using an antibody specific for OPN, an osteogenic differentiation-related gene, for nanoparticle-hydrogel composites, respectively, and gene expression rates for osteogenic differentiation-related genes (OPN, RUNX2, OSX) A graph showing RT-PCR results, Live/Dead staining pictures, and TRACP analysis results for confirming; and
14a and 14b are graphs showing the results of measuring the regenerated bone volume (BV/TV) and regenerated area and optical photographs analyzing the bone regeneration effect in the mouse skull defect model for the nanoparticle-hydrogel composite, respectively. am.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. The following description should be understood as describing preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are for understanding, and the present invention is not limited thereto, and details of individual components can be properly understood by the specific purpose of the related description to be described later.

"하이드로겔"은 광의로는 가교-결합된 네트워크를 갖고 높은 수분 흡수능을 나타내는 매크로분자 화합물로서, 이때 수소 결합 또는 이온 결합 형태의 가교-결합된 공유 결합 및 약한 응집력(cohesive force)에 의하여 형성된 3차원의 고분자 네트워크를 갖는 것으로 이해할 수 있으며, 협의로는 바이오 고분자 기반의 하이드로겔을 의미할 수 있다."Hydrogel" in a broad sense is a macromolecular compound having a cross-linked network and exhibiting a high water absorption capacity, wherein the 3-particles formed by cross-linked covalent bonds in the form of hydrogen bonds or ionic bonds and weak cohesive forces. It can be understood as having a three-dimensional polymer network, and in a narrow sense, it can mean a biopolymer-based hydrogel.

"형광(fluorescence)"이라는 용어는 전자기적 여기에 의하여 짧은 시간 동안 생성되는 발광 타입을 의미할 수 있다. 즉, 형광은 특정 물질이 짧은 파장에서 광 에너지를 흡수한 후에 보다 긴 파장에서 광 에너지를 방출할 때 생성되는 현상을 의미한다. 예시적으로, 흡수와 방출 간의 시간 길이는 통상적으로 비교적 짧은데, 예를 들면 약 10-9 내지 10-8 초 수준일 수 있다.The term "fluorescence" may refer to a type of light emission produced for a short period of time by electromagnetic excitation. That is, fluorescence refers to a phenomenon generated when a specific material absorbs light energy at a shorter wavelength and then emits light energy at a longer wavelength. Illustratively, the length of time between absorption and release is typically relatively short, for example on the order of about 10 −9 to 10 −8 seconds.

"자성"은 강자성 및 초상자성을 포함하는 개념으로서, 강자성은 외부 자기장의 부존재 하에서도 자성을 나타내는 물질, 그리고 초상자성은 자기장 존재 시에만 강한 자성을 나타내는 특성을 의미할 수 있다."Magnetism" is a concept including ferromagnetism and superparamagnetism, and ferromagnetism may mean a material that exhibits magnetism even in the absence of an external magnetic field, and superparamagnetism may mean a property that exhibits strong magnetism only in the presence of a magnetic field.

"나노스케일"은, 예를 들면 약 3,000 nm 이하, 구체적으로 약 2,000 nm 이하, 보다 구체적으로 약 1,000 nm 이하의 형태학적 특징(morphology)을 갖는 것을 의미할 수 있다. “Nanoscale” may mean having a morphology of, for example, about 3,000 nm or less, specifically about 2,000 nm or less, and more specifically about 1,000 nm or less.

어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. When a component is referred to as "include", it means that it may further include other components unless otherwise stated.

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. The expressions "on" and "above" are used to refer to the concept of relative position, not only when other components or layers directly exist in the mentioned layer, but also other layers (intermediate layers) or components in between. Elements may or may not be present. Similarly, the expressions “under”, “under” and “below” and “between” may also be understood as relative concepts of position.

가. 폴리페놀계 나노입자와 하이드로겔의 유-무기 복합체go. Organic-inorganic complex of polyphenolic nanoparticles and hydrogel

금속-페놀 네트워크를 갖는 폴리페놀계 나노입자의 제조Preparation of polyphenolic nanoparticles having a metal-phenol network

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 금속-페놀 네트워크를 갖는 폴리페놀계 나노입자를 형성하기 위하여, 먼저 수계 매질에 금속 양이온 및 음이온이 용해된 수용액(구체적으로, 미네랄계 수용액) 및 폴리페놀계 화합물이 각각 제공된다. According to one embodiment of the present disclosure, in order to form polyphenol-based nanoparticles having a metal-phenol network, first, an aqueous solution in which metal cations and anions are dissolved in an aqueous medium (specifically, a mineral-based aqueous solution) and a polyphenol-based nanoparticle Each compound is provided.

예시적 구체예에 따라, 폴리페놀계 화합물(탄닌산)과 미네랄계 수용액의 조합에 따른 자기조립 방식으로 금속-페놀 네트워크가 형성된 폴리페놀계 나노입자를 제조하는 개략적인 과정은 도 1에 도시된 바와 같다.According to an exemplary embodiment, a schematic process for preparing polyphenol-based nanoparticles in which a metal-phenol network is formed by a self-assembly method according to a combination of a polyphenol-based compound (tannic acid) and a mineral-based aqueous solution is shown in FIG. same.

상기 도면을 참조하면, 폴리페놀계 화합물과 조합되는 수용액 내 이온은, 전형적으로 인체의 체액에 함유되거나, 또는 함유 가능한 양이온 및 음이온의 범위에서 선택될 수 있다. 일 예로서, 수용액은 주기율표 상의 1족 금속 및 2족 금속 중 적어도 하나의 양이온을 함유할 수 있으며, 이때 1족 금속 양이온의 예는 나트륨 이온, 칼륨 이온 등일 수 있고, 2족 금속 양이온의 예는 마그네슘 이온, 칼슘 이온, 스트론튬 이온 등일 수 있다. 이와 관련하여, 특정 구체예에 따르면, 수용액은 2족 금속 양이온을 함유하고, 선택적으로 1족 금속 양이온을 할 수 있다. 또한, 예시적 구체예에 따르면, 수용액은 전술한 양이온 이외에 선택적으로(optionally) 구리(Cu), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속의 양이온을 더 함유할 일 수 있으며, 보다 구체적으로는 구리 양이온(Cu2+)일 수 있다. 다만, 수용액 내 1가 양이온의 경우에는 상대적으로 약한 결합력으로 인하여 완충(buffer) 기능을 제공하는 한편, 2가 양이온의 경우에는 금속-페놀 배위결합을 통하여 미네랄화에 주로 관여할 수 있다.Referring to the figure, ions in the aqueous solution combined with the polyphenolic compound may be selected from the range of cations and anions that are typically contained in or can be contained in body fluids of the human body. As an example, the aqueous solution may contain at least one cation of a Group 1 metal and a Group 2 metal on the periodic table. In this case, an example of the Group 1 metal cation may be sodium ion, potassium ion, etc., and an example of the Group 2 metal cation is It may be a magnesium ion, a calcium ion, a strontium ion, or the like. In this regard, according to certain embodiments, the aqueous solution contains Group 2 metal cations, and may optionally contain Group 1 metal cations. Further, according to an exemplary embodiment, the aqueous solution may optionally contain copper (Cu), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), tin (Sn), It may further contain a cation of at least one metal selected from gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), and the like, and more specifically, it may be a copper cation (Cu 2+ ). However, monovalent cations in an aqueous solution provide a buffer function due to relatively weak binding force, while divalent cations may be mainly involved in mineralization through metal-phenol coordination bonds.

한편, 수용액 내 음이온은 완충 효과(buffering) 및/또는 미네랄 형성에 영향을 미칠 수 있는 바, 예를 들면 클로라이드 음이온(Cl-), 포스페이트 음이온(H2PO4 -), 카보네이트 음이온(HCO3 -), 설페이트 음이온(SO4 2-) 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. On the other hand, the anion in the aqueous solution may affect the buffering effect (buffering) and / or mineral formation, for example, chloride anion (Cl - ), phosphate anion (H 2 PO 4 - ), carbonate anion (HCO 3 - ), sulfate anion (SO 4 2- ), and the like.

일 예로서. 수용액 내 1가 양이온은 적어도 약 800 mM(구체적으로 약 900 내지 3000 mM, 보다 구체적으로 약 1000 내지 2000 mM), 2가 양이온은 적어도 약 10 mM(구체적으로 약 20 내지 200 mM, 보다 구체적으로 약 33 내지 100 mM), 그리고 포스페이트 음이온은, 적어도 약 5 mM(구체적으로 약 8 내지 100 mM, 보다 구체적으로 약 10 내지 30 mM)의 범위 내에서 조절될 수 있다.As an example. The monovalent cation in the aqueous solution is at least about 800 mM (specifically about 900 to 3000 mM, more specifically about 1000 to 2000 mM), and the divalent cation is at least about 10 mM (specifically about 20 to 200 mM, more specifically about 1000 to 2000 mM). 33 to 100 mM), and the phosphate anion may be adjusted within a range of at least about 5 mM (specifically about 8 to 100 mM, more specifically about 10 to 30 mM).

특정 구체예에 따르면, 수용액은 금속 양이온으로서, 약 800 내지 3000 mM(구체적으로 900 내지 2000 mM, 보다 구체적으로 1000 내지 1500 mM)의 Na+, 약 30 mM 이하(구체적으로 2 내지 10 mM, 보다 구체적으로 4 내지 7 mM)의 K+, 약 200 mM 이하(구체적으로 약 1 내지 100 mM, 보다 구체적으로 약 5 내지 50 mM)의 Mg2+, 및 약 200 mM 이하(구체적으로 약 10 내지 100 mM, 보다 구체적으로 약 30 내지 50 mM)의 Ca2+을 함유할 수 있다. 또한, 추가적으로 함유 가능한 금속 양이온(예를 들면, Cu2+ 등)의 농도는, 예를 들면 약 200 mM까지, 구체적으로 약 20 내지 100 mM, 보다 구체적으로 약 30 내지 50 mM의 범위에서 조절될 수 있다.According to certain embodiments, the aqueous solution contains about 800 to 3000 mM (specifically 900 to 2000 mM, more specifically 1000 to 1500 mM) Na + , about 30 mM or less (specifically 2 to 10 mM, more specifically 2 to 10 mM, more Specifically, K + of about 4 to 7 mM), Mg 2+ of about 200 mM or less (specifically about 1 to 100 mM, more specifically about 5 to 50 mM), and about 200 mM or less (specifically about 10 to 100 mM). mM, more specifically about 30 to 50 mM) of Ca 2+ . In addition, the concentration of metal cations (eg, Cu 2+ ) that can be additionally contained is, for example, up to about 200 mM, specifically about 20 to 100 mM, more specifically about 30 to 50 mM. can

한편, 수용액 내 음이온으로서, 약 3000 mM 이하(구체적으로 900 내지 2000 mM, 보다 구체적으로 1000 내지 1500 mM)의 Cl-, 약 5 내지 50 mM(구체적으로 약 7 내지 30 mM, 보다 구체적으로 약 10 내지 20 mM)의 PO4 3-, 약 3000 mM 이하(구체적으로 약 20 내지 2000 mM, 보다 구체적으로 약 30 내지 1000 mM)의 HCO3 -, 그리고 약 50 mM 이하(구체적으로 약 7 내지 30 mM, 보다 구체적으로 10 내지 20 mM)의 SO4 2-을 함유할 수 있다. On the other hand, as an anion in an aqueous solution, about 3000 mM or less (specifically 900 to 2000 mM, more specifically 1000 to 1500 mM) Cl - , about 5 to 50 mM (specifically about 7 to 30 mM, more specifically about 10 mM) to 20 mM) PO 4 3 - , about 3000 mM or less (specifically about 20 to 2000 mM, more specifically about 30 to 1000 mM) HCO 3 - , and about 50 mM or less (specifically about 7 to 30 mM , more specifically 10 to 20 mM) of SO 4 2- .

또한, 예시적 구체예에 있어서, 이온 함유 수용액 내 pH는, 예를 들면 약 4 내지 5, 구체적으로 약 4.2 내지 4.5, 보다 구체적으로 약 4.3 내지 4.4, 특히 구체적으로 약 4.32 내지 4.37의 범위로 조절할 수 있는 바, 이는 용액에 모든 이온을 용해시켜 과포화 상태를 형성하기 위함이다. 이와 같이, pH 조절을 위하여 버퍼 성분, 예를 들면, Tris, HEPES, TAPS, Bicine 등으로부터 선택되는 적어도 하나를 함유할 수 있다.Further, in an exemplary embodiment, the pH of the ion-containing aqueous solution is, for example, about 4 to 5, specifically about 4.2 to 4.5, more specifically about 4.3 to 4.4, particularly specifically about 4.32 to 4.37. Possibly, this is to form a supersaturated state by dissolving all ions in the solution. As such, it may contain at least one selected from buffer components such as Tris, HEPES, TAPS, and Bicine for pH control.

예시적 구체예에 따르면, 금속 양이온 및 음이온을 함유하는 수용액은 모의체액(simulated body fluid; SBF)일 수 있다. 이와 관련하여, 모의체액은 인체의 혈장 내의 이온 상태와 유사하게 제조되고, 온화한 pH 및 동일한 생리학적 온도 하에서 유지되는 인공 혈장 용액을 의미할 수 있다. 예시적인 모의체액의 조성은 하기 표 1과 같다(단위: mM).According to an exemplary embodiment, the aqueous solution containing metal cations and anions may be a simulated body fluid (SBF). In this regard, the simulated body fluid may refer to an artificial plasma solution prepared similarly to the ionic state in human blood plasma and maintained at a mild pH and the same physiological temperature. The composition of an exemplary simulated body fluid is shown in Table 1 below (unit: mM).

성분ingredient Original
SBF
Original
SBF
c-SBFc-SBF Tas-
SBF
Tas-
SBF
Bigi-
SBF
Bigi-
SBF
r-SBFr-SBF m-SBFm-SBF I-SBFI-SBF n-SBFn-SBF
Na+ Na + 142.0142.0 142.0142.0 142.0142.0 141.5141.5 142.0142.0 142.0142.0 142.0142.0 142.0142.0 K+ K + 5.05.0 5.05.0 5.05.0 5.05.0 5.05.0 5.05.0 5.05.0 5.05.0 Mg2+ Mg 2+ 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 Ca2+ Ca 2+ 2.52.5 2.52.5 2.52.5 2.52.5 2.52.5 2.52.5 1.61.6 2.52.5 Cl- Cl - 103.0103.0 148.8148.8 147.8147.8 125.0125.0 124.5124.5 103.0103.0 103.0103.0 103.0103.0 HCO3 HCO 3 27.027.0 4.24.2 4.24.2 27.027.0 27.027.0 10.010.0 27.027.0 4.24.2 H2PO4 - H 2 PO 4 - 1.01.0 1.01.0 1.01.0 1.01.0 1.01.0 1.01.0 1.01.0 1.01.0 SO4 2- SO 4 2- 0.50.5 00 0.50.5 0.50.5 0.50.5 0.50.5 0.50.5 0.50.5 버퍼buffer TrisTris TrisTris TrisTris HEPESHEPES HEPESHEPES HEPESHEPES HEPESHEPES TrisTris

상기 표에 기재된 바와 같이, 모의체액은 기본적으로 인체의 혈장과 유사한 이온 농도를 갖고 있으며, 필요에 따라 적어도 1개의 이온(구체적으로 1 또는 2개의 이온)을 제외하거나, 그리고/또는 이의 농도를 변경한 경우에도 모의체액의 범위에 포함되는 것으로 이해될 수 있다.As described in the table above, the simulated body fluid basically has an ion concentration similar to that of human blood plasma, and if necessary, at least one ion (specifically, one or two ions) is excluded and/or its concentration is changed. Even in one case, it can be understood that it is included in the scope of simulated bodily fluid.

모의체액의 경우, 함유된 금속 양이온 및 음이온의 농도가 상대적으로 낮은 수준일 수 있는 만큼, 그 자체로 사용 시 폴리페놀계 화합물과 금속 양이온 간의 미네랄화(mineralization)가 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 전술한 수용액의 농도 범위를 충족하도록, 예를 들면 적어도 약 2 배, 구체적으로 약 5 내지 20 배, 보다 구체적으로 약 8 내지 15 배 농축하여 사용하는 것이 요구될 수 있다(즉, 과포화 이온 용액).In the case of simulated body fluids, since the concentrations of metal cations and anions contained therein may be relatively low, mineralization between the polyphenol-based compound and metal cations may not be easy when used as such. Therefore, it may be required to use a concentration of at least about 2 times, specifically about 5 to 20 times, and more specifically about 8 to 15 times so as to satisfy the concentration range of the above-mentioned aqueous solution (i.e., supersaturated ion solution).

또한, 예시적 구체예에 따르면, 모의체액 내 Ca/P의 몰 비는, 예를 들면 약 1 내지 5 구체적으로 약 2 내지 4 보다 구체적으로 약 3 내지 3.5 의 범위에서 조절될 수 있다.Further, according to exemplary embodiments, the molar ratio of Ca/P in the simulated body fluid may be adjusted in the range of, for example, about 1 to 5, specifically about 2 to 4, and more specifically about 3 to 3.5.

한편, 전술한 수용액과 조합되는 폴리페놀계 화합물은 에피갈로카테킨 갈레이트(Epigallocatechin gallate), 카테킨(catechin), 카테킨-3-갈레이트(catechin-3-gallate), 갈로카테킨(gallocatechin), 갈로카테킨-3-갈레이트(gallocatechin-3-gallate), 카테킨 갈레이트(Catechin gallate), 에피카테킨 (Epicatechin), 갈로카테킨 갈레이트(Gallocatechin gallate), 에피갈로카테킨 (Epigallocatechin), 갈릭산(Gallic acid), 탄닌산(Tannic acid) 및 퀘르세틴 (Quercetin)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 폴리페놀계 화합물로 탄닌산을 사용할 수 있는 바, 다른 폴리페놀계 화합물에 비하여 금속 양이온과의 착체를 신속하게 형성할 수 있고, 또한 보다 많은 금속-페놀 네트워크를 형성할 수 있기 때문에 형성된 입자의 사이즈를 조절하는데 유리할 수 있다. On the other hand, polyphenol-based compounds combined with the above-mentioned aqueous solution are epigallocatechin gallate, catechin, catechin-3-gallate, gallocatechin, gallo Catechin-3-gallate, Catechin gallate, Epicatechin, Gallocatechin gallate, Epigallocatechin, Gallic acid , It may be at least one selected from the group consisting of tannic acid and quercetin. According to a specific embodiment, tannic acid can be used as the polyphenolic compound, since it can rapidly form a complex with metal cations and form more metal-phenolic networks than other polyphenolic compounds. Therefore, it may be advantageous to control the size of the formed particles.

본 구체예에 따르면, 전술한 바와 같은 금속 양이온 및 음이온을 함유하는 수용액 및 폴리페놀계 화합물이 각각 준비되는 수용액과 폴리페놀계 화합물을 조합한다. According to this embodiment, an aqueous solution containing metal cations and anions as described above and an aqueous solution in which polyphenol-based compounds are respectively prepared are combined with polyphenol-based compounds.

이때, 조합물 내 폴리페놀계 화합물의 농도는, 예를 들면 약 0 내지 40 mg/ml, 구체적으로 약 0.5 내지 30 mg/ml, 보다 구체적으로 약 1 내지 20 mg/ml의 범위에서 조절할 수 있으며, 특히 전체 양이온/폴리페놀계 화합물의 몰 비는, 예를 들면 약 0.5 내지 300, 구체적으로 약 1 내지 200, 보다 구체적으로 약 5 내지 100의 범위에서 조절될 수 있다.At this time, the concentration of the polyphenolic compound in the combination may be adjusted in the range of, for example, about 0 to 40 mg/ml, specifically about 0.5 to 30 mg/ml, and more specifically about 1 to 20 mg/ml, In particular, the molar ratio of all cations/polyphenolic compounds may be adjusted in the range of, for example, about 0.5 to 300, specifically about 1 to 200, and more specifically about 5 to 100.

또한, 조합 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 20 내지 50 ℃, 구체적으로 약 30 내지 40 ℃, 보다 구체적으로 32 내지 38 ℃ 범위일 수 있으며, 체온과 유사한 온도로 설정할 수도 있다. 이외에도, 조합 과정은, 예를 들면 약 10 내지 100분, 구체적으로 약 15 내지 80분, 보다 구체적으로 약 20 내지 60분의 범위에 걸쳐 수행될 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다.In addition, the combination temperature is not particularly limited, but may be, for example, about 20 to 50 ° C, specifically about 30 to 40 ° C, more specifically 32 to 38 ° C, and may be set to a temperature similar to body temperature. In addition, the combining process may be performed over a range of, for example, about 10 to 100 minutes, specifically about 15 to 80 minutes, and more specifically about 20 to 60 minutes, but this may be understood as an example.

한편, 이온-함유 수용액과 폴리페놀계 화합물의 조합과 함께 또는 조합 후에 미네랄화, 즉 금속-페놀 네트워크 형성을 위하여 제1 염기 성분을 첨가할 수 있다. 이때, 제1 염기 성분은 용액 내 pH를 증가시켜 줄 수 있는 종류를 사용할 수 있는 바, 예를 들면 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 중탄산칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 구체적으로는 중탄산나트륨일 수 있다. 또한, 제1 염기 성분의 첨가량은, 조합물 내 제1 염기 성분의 농도가, 예를 들면 약 0.005 내지 0.1 M, 구체적으로 약 0.01 내지 0.08 M, 보다 구체적으로 약 0.02 내지 0.05 M의 범위 내에서 조절될 수 있다.Meanwhile, a first base component may be added for mineralization, that is, metal-phenol network formation, together with or after the combination of the ion-containing aqueous solution and the polyphenolic compound. At this time, the first basic component may be a kind that can increase the pH in the solution, for example, it may be at least one selected from the group consisting of sodium bicarbonate, potassium bicarbonate and calcium bicarbonate, specifically bicarbonate may be sodium. In addition, the amount of the first basic component added is within the range of, for example, about 0.005 to 0.1 M, specifically about 0.01 to 0.08 M, more specifically about 0.02 to 0.05 M, the concentration of the first basic component in the combination. can be regulated.

상술한 조합 과정을 거치면서 폴리페놀계 화합물과 수용액 내 금속 양이온 간의 배위 결합이 일어나고, 자기조립 반응이 유도되어 금속-페놀 네트워크를 형성하며, 이에 따라 나노스케일의 입자, 즉 폴리페놀계 나노입자가 생성된다. 일 예로서, 폴리페놀계 나노입자의 사이즈(DLS)는, 예를 들면 약 100 내지 3000 nm, 구체적으로 약 200 내지 2000 nm, 보다 구체적으로 약 250 내지 1000 nm의 범위에서 정하여질 수 있다.Through the above-described combination process, coordination bonds between the polyphenolic compound and metal cations in the aqueous solution occur, and a self-assembly reaction is induced to form a metal-phenol network, thereby forming nanoscale particles, that is, polyphenolic nanoparticles. is created As an example, the size (DLS) of the polyphenol-based nanoparticles may be, for example, about 100 to 3000 nm, specifically about 200 to 2000 nm, and more specifically about 250 to 1000 nm.

한편, 선택적(optional) 단계로서, 형성된 나노입자의 안정화를 위하여, 제2 염기 성분을 첨가하여 처리할 수 있다. 이를 위하여, 제2 염기 성분으로 pH를 증가시킬 수 있는 종류를 사용할 수 있는 바, 예를 들면 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 보다 구체적으로 수산화나트륨을 사용할 수 있다. 제2 염기 성분의 첨가량 또는 처리량은 나노입자-함유 매질(수계 매질) 내에서 농도가, 예를 들면 약 1 내지 20 mM, 구체적으로 약 5 내지 15 mM, 보다 구체적으로 약 7 내지 12 mM의 범위가 되도록 조절될 수 있다. 또한, 나노입자의 응집 등을 억제하기 위하여 안정화 단계와 함께, 또는 안정화 단계의 전 또는 후에 교반을 수행할 수 있다.Meanwhile, as an optional step, a second base component may be added to stabilize the formed nanoparticles. To this end, a type capable of increasing the pH may be used as the second basic component, for example, at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, and calcium hydroxide, and more specifically, sodium hydroxide may be used. can The amount of addition or treatment of the second base component is in the range of, for example, about 1 to 20 mM, specifically about 5 to 15 mM, more specifically about 7 to 12 mM, in the nanoparticle-containing medium (aqueous medium). can be adjusted so that In addition, stirring may be performed together with the stabilization step or before or after the stabilization step in order to suppress aggregation of the nanoparticles.

한편, 예시적 구체예에 따르면, 폴리페놀계 나노입자가 형성된 매질로부터 나노입자를 분리 정제하는 후처리 프로세스가 수행될 수 있다. 일 예로서, 고-액 분리(원심분리, 필터링, 자력 분리 등)에 의하여 고형분을 수득한 후에 물(구체적으로 증류수)로 적어도 1회에 걸쳐 세척한 다음, 건조 과정을 거칠 수 있다. 이때, 건조 단계로서 열풍 건조, 감압 건조, 동결 건조 등을 예시할 수 있으며, 보다 구체적으로는 동결 건조 방식일 수 있다. 전술한 분리 정제 단계는 당업계에 공지된 만큼, 세부 설명은 생략한다.Meanwhile, according to an exemplary embodiment, a post-treatment process of separating and purifying nanoparticles from a medium in which polyphenolic nanoparticles are formed may be performed. As an example, after solid content is obtained by solid-liquid separation (centrifugation, filtering, magnetic separation, etc.), it may be washed with water (specifically, distilled water) at least once, and then subjected to a drying process. At this time, as the drying step, hot air drying, reduced pressure drying, freeze drying, etc. may be exemplified, and more specifically, a freeze drying method may be used. As the aforementioned separation and purification steps are well known in the art, detailed descriptions thereof are omitted.

예시적 구체예에 따르면, 폴리페놀계 나노입자 내 폴리페놀의 함량은, 예를 들면 약 5 내지 90 중량%, 구체적으로 약 10 내지 80 중량%, 보다 구체적으로 약 20 내지 70 중량%, 특히 구체적으로 약 30 내지 50 중량%의 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 나노입자 내 폴리페놀의 함량은 나노입자의 효능에 영향을 미치는 만큼, 전술한 범위 내에서 조절하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 생성된 나노입자는 구형 또는 비정형 나노입자의 성상을 나타낼 수 있다.According to exemplary embodiments, the content of polyphenol in the polyphenol-based nanoparticles is, for example, about 5 to 90% by weight, specifically about 10 to 80% by weight, more specifically about 20 to 70% by weight, particularly specifically It may range from about 30 to 50% by weight. In this regard, it may be advantageous to control the content of polyphenol in the nanoparticle within the aforementioned range as it affects the efficacy of the nanoparticle. In addition, the nanoparticles produced may exhibit the properties of spherical or irregular nanoparticles.

본 구체예에 따른 나노입자 제조방법의 장점은 크게 (i) 원-폿(one-pot) 방식으로 금속-페놀 네트워크 나노입자를 합성할 수 있는 점, 그리고 (ii) 폴리페놀계 화합물과 조합되는 수용액 내 금속 양이온 및/또는 음이온의 농도를 조절하는 간단한 조작을 통하여 후속 용도에서 최적화된 조성, 구체적으로 골 재생 용도에서는 최적의 재생 환경을 형성할 수 있다는 것이다. The advantages of the nanoparticle manufacturing method according to the present embodiment are largely (i) that metal-phenol network nanoparticles can be synthesized in a one-pot manner, and (ii) that they are combined with polyphenolic compounds. Through a simple manipulation of adjusting the concentration of metal cations and/or anions in the aqueous solution, it is possible to form an optimal regeneration environment for a composition optimized for subsequent use, specifically for bone regeneration use.

폴리페놀계 나노입자 및 하이드로겔 복합체의 제조Preparation of polyphenolic nanoparticles and hydrogel composites

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 금속-페놀 네트워크를 갖는 폴리페놀계 나노입자를 하이드로겔과 조합하여 골 재생능을 갖는 유-무기 복합체를 제조할 수 있으며, 이러한 복합체는 골 결손을 치료하기 위한 이식재, 치과용 충진재, 골재생용 지지체 제작 등으로 적용할 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, polyphenol-based nanoparticles having a metal-phenol network can be combined with a hydrogel to prepare an organic-inorganic composite having bone regeneration ability, which is used to treat bone defects. It can be applied as a graft material for bone regeneration, a dental filling material, and a support for bone regeneration.

예시적 구체예에 따르면, 바이오 고분자 기반의 하이드로겔을 용매에 용해시킨 용액을 제조한다. 이와 관련하여, 바이오 고분자는 수용성 고분자일 수 있고, 구체적으로 젤라틴, 구아검, 잔탄검, 아카시아 검, 카라기난 검, 펙틴, 알지네이트, 콜라겐, 히알루론산, 키토산 및 아가로오스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로 젤라틴을 사용할 수 있다. 이때, 젤라틴은 생분해도가 높으며 생체친화적이고 RGD 펩타이드가 존재하여 세포의 부착에도 용이한 성상을 갖고 있어 특히 적합하다. 또한, 용매는 물, PBS, DPBS, 생리 식염수, Tris 버퍼 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며. 체액과 유사한 pH, 밀도 성상을 갖는 수계 용매가 유리할 수 있다. 다만, 상기 예시된 종류로 한정되는 것은 아니다. 다만, 생체적합성을 고려하면 물(구체적으로 증류수)을 사용할 수 있다.According to an exemplary embodiment, a solution in which a biopolymer-based hydrogel is dissolved in a solvent is prepared. In this regard, the biopolymer may be a water-soluble polymer, and specifically, at least one selected from the group consisting of gelatin, guar gum, xanthan gum, acacia gum, carrageenan gum, pectin, alginate, collagen, hyaluronic acid, chitosan, and agarose. It may be one, and more specifically, gelatin may be used. At this time, gelatin is particularly suitable because it is highly biodegradable, biocompatible, and has properties that facilitate cell attachment due to the presence of RGD peptides. In addition, the solvent may be at least one selected from water, PBS, DPBS, physiological saline, Tris buffer, and the like. Aqueous solvents with similar pH and density properties to bodily fluids may be advantageous. However, it is not limited to the types exemplified above. However, considering biocompatibility, water (specifically, distilled water) may be used.

예시적 구체예에 따르면, 하이드로겔 용액의 농도는, 예를 들면 약 5 내지 30 중량%, 구체적으로 약 10 내지 20 중량%, 보다 구체적으로 약 12 내지 17 중량%의 범위에서 조절될 수 있다. 하이드로겔의 함량이 지나치게 높거나 낮으면, 나노입자의 분산도 저하, 형태 조절의 어려움, 분해도 및 물성 조절의 어려움과 같은 문제점이 유발될 수 있으므로 전술한 범위 내에서 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 사용되는 바이오 고분자의 종류 등에 따라 농도 범위는 변경될 수 있다.According to exemplary embodiments, the concentration of the hydrogel solution may be adjusted in the range of, for example, about 5 to 30% by weight, specifically about 10 to 20% by weight, and more specifically about 12 to 17% by weight. If the content of the hydrogel is too high or low, it may be advantageous to control it within the above range because problems such as a decrease in the dispersion of nanoparticles, difficulty in shape control, and difficulty in controlling decomposition and physical properties may occur. However, the concentration range may be changed depending on the type of biopolymer used.

그 다음, 하이드로겔 용액과 앞서 제조된 폴리페놀계 나노입자를 조합한다. 이와 관련하여, 조합된 용액 내 폴리페놀계 나노입자의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 10 mg/ml, 구체적으로 약 0.2 내지 5 mg/ml, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 2 mg/ml의 범위에서 조절될 수 있는 바, 최종 복합체 내 폴리페놀계 나노입자의 함량을 고려하여 정하여질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다.Then, the hydrogel solution and the previously prepared polyphenol-based nanoparticles are combined. In this regard, the concentration of the polyphenolic nanoparticles in the combined solution ranges, for example, from about 0.1 to 10 mg/ml, specifically from about 0.2 to 5 mg/ml, and more specifically from about 0.5 to 2 mg/ml. It can be adjusted in the bar, it can be determined in consideration of the content of the polyphenol-based nanoparticles in the final composite. However, this may be understood as an exemplary purpose.

상술한 단계를 거친 후에는 가교된 하이드로겔을 제조하는 과정이 수행될 수 있다. 이때, 가교제는 아민 그룹 사이의 가교가 가능한 성상을 갖는 종류를 사용할 수 있다. 예시적으로, 가교제는 글리옥살, 글루타르알데히드, 포름알데하이드 및 제니핀 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로는 글루타르알데히드를 사용할 수 있다. 이 경우, 가교제는 하이드로겔 용액 내 바이오 고분자를 기준으로, 예를 들면 약 0.01 내지 1 중량%, 구체적으로 약 0.05 내지 0.5 중량%, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.3 중량% 범위로 사용될 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 가교제는 단독으로 사용하기보다는 용매에 용해시킨 형태로 폴리페놀계 나노입자-함유 하이드로겔 용액에 도입될 수 있다. 이때, 가교제 용액의 농도는, 예를 들면 약 0.2 내지 1 중량%, 구체적으로 약 0.4 내지 0.8 중량%, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 0.7 중량% 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다.After passing through the above steps, a process of preparing a crosslinked hydrogel may be performed. In this case, the crosslinking agent may use a kind having properties capable of crosslinking between amine groups. Illustratively, the crosslinking agent may be at least one selected from glyoxal, glutaraldehyde, formaldehyde, and genipin, and more specifically, glutaraldehyde may be used. In this case, the crosslinking agent may be used in an amount of, for example, about 0.01 to 1% by weight, specifically about 0.05 to 0.5% by weight, and more specifically about 0.1 to 0.3% by weight, based on the biopolymer in the hydrogel solution. According to an exemplary embodiment, the crosslinking agent may be introduced into the polyphenol-based nanoparticle-containing hydrogel solution in a form dissolved in a solvent rather than used alone. At this time, the concentration of the crosslinking agent solution may be, for example, about 0.2 to 1% by weight, specifically about 0.4 to 0.8% by weight, more specifically about 0.5 to 0.7% by weight, but this may be understood as an example. .

전술한 나노입자 및 하이드로겔 용액의 조합 단계를 수행한 후에는 냉각을 통하여 복합체를 제조할 수 있다. 이를 위하여, 급냉하는 방식을 채택할 수 있는 바, 이때 냉각 온도는, 예를 들면 약 -10℃ 이하, 구체적으로 약 -30 내지 -12 ℃, 보다 구체적으로 -20 내지 -15 ℃의 범위에서 정하여질 수 있는 바, 이때 냉각 온도에서 물 결정에 의하여 하이드로겔 내부에 다공성을 갖도록 하는 것이 유리할 수 있다. After performing the step of combining the nanoparticles and the hydrogel solution described above, a composite may be prepared by cooling. To this end, a rapid cooling method may be adopted, wherein the cooling temperature is, for example, about -10 ° C or less, specifically about -30 to -12 ° C, more specifically -20 to -15 ° C. In this case, it may be advantageous to have porosity inside the hydrogel by water crystallization at a cooling temperature.

예시적 구체예에 따르면, 복합체 내 폴리페놀계 나노입자의 함량은, 예를 들면 약 3 내지 50 중량%, 구체적으로 약 10 내지 40 중량%, 보다 구체적으로 약 20 내지 30 중량%의 범위일 수 있다. 이때, 폴리페놀계 나노입자의 함량이 지나치게 적거나 높은 경우에는 바이오 고분자(예를 들면, 젤라틴)의 불완전한 가교, 나노입자의 침전, 불균등한 분포 등의 현상이 유발되는 만큼, 전술한 범위에서 조절하는 것이 유리할 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. According to exemplary embodiments, the content of the polyphenolic nanoparticles in the composite may be, for example, about 3 to 50% by weight, specifically about 10 to 40% by weight, and more specifically about 20 to 30% by weight. there is. At this time, if the content of the polyphenolic nanoparticles is too small or too high, phenomena such as incomplete crosslinking of biopolymers (eg, gelatin), precipitation of nanoparticles, and uneven distribution are induced, so control within the above range. It may be advantageous to do so, but this can be understood for illustrative purposes.

또한, 본 구체예에서와 같이 하이드로겔에 나노입자를 도입함에 따라, 하이드로겔 단독으로 사용하는 경우에 비하여 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다. 일 예로서, Rheometer에 의하여 측정되는 저장 탄성율(storage modulus)는, 적어도 약 10 kPa, 구체적으로 적어도 약 11 kPa, 보다 구체적으로 약 11.4 내지 15 kPa 범위일 수 있는 바, 이는 하이드로겔 단독에 비하여, 예를 들면 적어도 약 15 %, 구체적으로 약 10 내지 17 % 증가된 수준일 수 있다. In addition, as in the present embodiment, as the nanoparticles are introduced into the hydrogel, superior mechanical properties can be exhibited compared to the case of using the hydrogel alone. As an example, the storage modulus measured by a rheometer may be at least about 10 kPa, specifically at least about 11 kPa, and more specifically in the range of about 11.4 to 15 kPa, compared to hydrogel alone, For example, the level may be increased by at least about 15%, specifically about 10 to 17%.

또한, 나노입자-하이드로겔 복합체는 금속-페놀 네트워크로부터 기인하는 항산화 효과를 나타낼 수 있는 바, 마이크로 플레이트 리더에 의하여 측정되는 Fe 전환 테스트를 수행한 결과, 48 시간 기준으로, 예를 들면 약 40 내지 80 %, 구체적으로 약 50 내지 70 %, 보다 구체적으로 약 55 내지 65 %의 Fe 전환율을 나타낼 수 있다. 이외에도, 나노입자는 양호한 활성산소 제거능을 나타낼 수 있는 바, 활성산소 측정법(DCF-DA assay)에 의하여 측정 시 형광신호가, 예를 들면 적어도 약 20%, 구체적으로 적어도 약 30%, 보다 구체적으로 약 35 내지 50% 감소한 결과를 나타낼 수 있다.In addition, the nanoparticle-hydrogel composite can exhibit an antioxidant effect resulting from the metal-phenol network, and as a result of performing a Fe conversion test measured by a microplate reader, for example, about 40 to 48 hours. 80%, specifically about 50 to 70%, more specifically about 55 to 65% of the Fe conversion rate may be exhibited. In addition, the nanoparticles can exhibit good active oxygen scavenging ability, and when measured by the active oxygen measurement method (DCF-DA assay), the fluorescence signal is, for example, at least about 20%, specifically at least about 30%, more specifically A reduction of about 35 to 50% may be obtained.

본 구체예와 관련하여, 주목할 점은 나노입자-하이드로겔 복합체가 기존의 물질에 비하여 우수한 골 재생 효과를 제공할 수 있다는 것이다. 특히, 나노입자 제조 시 폴리페놀계 화합물과 조합되는 수용액 내 금속 이온의 조절을 통하여 골 재생에 최적화된 성상의 나노입자를 제조할 수 있고, 이와 하이드로겔이 결합된 복합체는 하이드로겔로부터 기인하는 높은 세포 부착성, 생분해성, 생체친화성, 다공성 등의 성상과 결합하여 골 재생 효과를 극대화할 수 있다.Regarding the present embodiment, it is noteworthy that the nanoparticle-hydrogel composite can provide a superior bone regeneration effect compared to conventional materials. In particular, nanoparticles with characteristics optimized for bone regeneration can be prepared through the control of metal ions in an aqueous solution that is combined with a polyphenolic compound during nanoparticle production, and a composite in which the hydrogel is combined can produce high Combined with properties such as cell adhesion, biodegradability, biocompatibility, and porosity, the bone regeneration effect can be maximized.

나. 형광물질-함유 폴리페놀계 나노입자me. Fluorescent material-containing polyphenolic nanoparticles

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 폴리페놀계 나노입자의 제조 과정에서 형광물질을 도입하여 금속-페놀 네트워크로부터 기인하는 복수의 효과(예를 들면, 항산화성, 항염증 효과, 골분화 효과 등)와 함께 이미징 용도에 적용할 수 있는 다기능성 나노입자를 제공한다.According to another embodiment of the present disclosure, a plurality of effects resulting from the metal-phenol network (eg, antioxidant, anti-inflammatory effect, bone differentiation effect, etc. ) and provides multifunctional nanoparticles that can be applied for imaging applications.

본 구체예의 경우, 금속-페놀 네트워크를 갖는 폴리페놀계 나노입자의 제조 과정 중 형광물질을 혼입하는 단계를 부가하는 방식을 채택할 수 있다. 구체적으로, 금속 양이온 및 음이온을 함유하는 수용액에 형광물질이 첨가된 복합 수용액을 제조한 다음, 앞서 기술된 절차에서와 같이 폴리페놀계 화합물과 조합할 수 있다.In the case of this specific embodiment, a method of adding a step of incorporating a fluorescent material during the manufacturing process of polyphenol-based nanoparticles having a metal-phenol network may be adopted. Specifically, a composite aqueous solution in which a fluorescent substance is added to an aqueous solution containing metal cations and anions can be prepared, and then combined with a polyphenolic compound as in the procedure described above.

예시적 구체예에 따르면, 형광물질을 용매에 용해시킨 형태로 첨가할 수 있으며, 이때 용매는, 예를 들면 에탄올, 메탄올, DMSO, DMF, 아세톤, 클로로포름 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 일 예로서, 형광물질은, 예를 들면 엄벨리페론(umbelliferone), 플루오레신(fluorescein), 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC), 로다민(rhodamine), 탐라(TAMRA), 디클로로트리아지닐아민플루오레신(dichlorotriazinylamine fluorescein), 단실클로라이드(dansyl chloride), 양자점(quantum dots), 피코에리스린(phycoerythrin), FAM(fluorecein amidite), 알 렉사플로어계 (alexa fluor), Cy3, Cy5, Cy7 및 인도시아닌그린으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로는 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC)일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the fluorescent material may be added in a form dissolved in a solvent, and the solvent may be, for example, at least one selected from ethanol, methanol, DMSO, DMF, acetone, chloroform, and the like. As an example, the fluorescent material may include, for example, umbelliferone, fluorescein, fluorescein isothiocyanate (FITC), rhodamine, TAMRA, Dichlorotriazinylamine fluorescein, dansyl chloride, quantum dots, phycoerythrin, FAM (fluorecein amidite), alexa fluor, Cy3, Cy5 , Cy7 and may be at least one selected from the group consisting of indocyanine green, and more specifically may be fluorescein isothiocyanate (FITC).

예시적 구체예에 있어서, 이온-함유 수용액 내 형광물질의 농도는, 예를 들면 약 1 내지 30 μg/ml, 구체적으로 약 3 내지 25 μg/ml, 보다 구체적으로 약 5 내지 20 μg/ml의 범위에서 조절될 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. 다만, 이온-함유 수용액 내 형광물질의 농도가 지나치게 낮은 경우에는 의도하는 형광 관찰이 곤란할 수 있는 반면, 지나치게 높은 경우에는 입자 형성을 방해할 수 있는 만큼, 전술한 범위에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.In an exemplary embodiment, the concentration of the fluorescent substance in the ion-containing aqueous solution is, for example, about 1 to 30 μg/ml, specifically about 3 to 25 μg/ml, and more specifically about 5 to 20 μg/ml. It can be adjusted within the range, but this can be understood as an example. However, if the concentration of the fluorescent substance in the ion-containing aqueous solution is too low, it may be difficult to observe the intended fluorescence, whereas if it is too high, particle formation may be hindered, it may be advantageous to properly adjust within the above range. .

다. 자성 복합 입자all. magnetic composite particles

본 개시 내용의 또 다른 구체예에 따르면, 전술한 폴리페놀계 나노입자의 제조 과정에서 자성 나노입자를 도입하여 금속-페놀 네트워크로부터 기인하는 복수의 효과(예를 들면, 항산화성, 항염증 효과, 골분화 효과 등)와 함께 자성을 부여함으로써 바이오센싱, 이미징 등의 분야에 적용할 수 있다. 이와 같이, 자성을 부여할 경우, 외부의 자력에 의하여 나노입자를 용이하게 분리할 수 있는 등의 장점을 달성할 수 있다.According to another embodiment of the present disclosure, a plurality of effects resulting from the metal-phenol network (eg, antioxidant, anti-inflammatory effect, It can be applied to fields such as biosensing and imaging by giving magnetism along with bone differentiation effect, etc.). In this way, when magnetism is applied, advantages such as easy separation of nanoparticles by external magnetic force can be achieved.

예시적 구체예에 따르면, 자성 나노입자는 전형적으로 산화 철 입자일 수 있다. 산화 철은 산화 상태에 따라 크게 8가지 종류로 알려져 있다. 본 구체예의 경우, 자성(강자성 또는 초상자성)을 나타내는 산화 철, 대표적으로 헤마타이트(α-Fe2O3), 마그헤마이트(γ-Fe2O3) 및 자철석(마그네타이트, Fe3O4)을 사용할 수 있다. 마그네타이트와 마그헤마이트 결정형의 경우 강한 자성을 가지고 있는 철광석 결정형으로 자성 덴드리머의 사용 후, 자성을 이용한 회수에 유리하다.According to an exemplary embodiment, magnetic nanoparticles may typically be iron oxide particles. Iron oxide is largely known as eight types according to its oxidation state. For this embodiment, iron oxides exhibiting magnetism (ferromagnetic or superparamagnetic), typically hematite (α-Fe 2 O 3 ), maghemite (γ-Fe 2 O 3 ) and magnetite (magnetite, Fe 3 O 4 ) can be used. In the case of magnetite and maghemite crystal forms, they are iron ore crystal forms with strong magnetism and are advantageous for recovery using magnetism after the use of magnetic dendrimers.

예시적 구체예에 따르면, 산화 철 입자는, 선택적으로 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 가돌리늄(Gd)으로부터 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이중 자철석(Fe3O4)은 안료, MRI, 약물 전달 등과 같은 다양한 분야에서 사용 가능한 산화 철로서, 본 구체예에서는 시판 중인 것을 사용하거나, 또는 합성하여 사용할 수도 있다. 산화 철, 구체적으로 자철석(Fe3O4) 입자의 합성을 위하여, 당업계에 공지되어 있는 바, 예를 들면 공침법, 열분해법, 졸-겔법, 연소법, 수열 합성법, 마이크로파를 이용한 합성, 볼 밀링, 기계-화학적 공정, 유기금속 화합물의 열 분해법 등을 이용할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 산화 철 입자의 형상은, 예를 들면 구형, 로드-형, 큐빅-형, 육각-형, 삼각-형, 중공-형, 꽃과 같은 구조-형 등일 수 있으나, 합성법, 표면 에너지의 안정성, 표면적을 고려하면 구형을 갖는 것이 유리할 수 있다. 다만, 이는 예시적 의미로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the iron oxide particles may optionally further include at least one from manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), and gadolinium (Gd). Double magnetite (Fe 3 O 4 ) is iron oxide that can be used in various fields such as pigment, MRI, and drug delivery. For the synthesis of iron oxide, specifically magnetite (Fe 3 O 4 ) particles, it is known in the art, for example, a co-precipitation method, a thermal decomposition method, a sol-gel method, a combustion method, a hydrothermal synthesis method, a synthesis using microwaves, a ball Milling, mechano-chemical processes, thermal decomposition of organometallic compounds, and the like can be used. According to exemplary embodiments, the shape of the iron oxide particles may be, for example, spherical, rod-shaped, cubic-shaped, hexagonal-shaped, triangular-shaped, hollow-shaped, flower-like structure-shaped, etc. , stability of surface energy, and surface area, it may be advantageous to have a spherical shape. However, this may be understood as an exemplary meaning.

예시적 구체예에 따르면, 산화 철, 구체적으로 자철석(Fe3O4) 입자는 전형적으로 나노스케일의 입자로서, 예를 들면 약 50 nm 이하, 구체적으로 약 30 nm 이하, 보다 구체적으로 약 5 내지 25 nm 범위의 사이즈(직경) 범위를 가질 수 있고, 또한 초상자성을 나타낼 수 있다.According to an exemplary embodiment, the iron oxide, specifically magnetite (Fe 3 O 4 ) particles, are typically nanoscale particles, for example about 50 nm or less, specifically about 30 nm or less, more specifically about 5 to 50 nm. It can have a size (diameter) range in the 25 nm range, and can also exhibit superparamagnetism.

예시적 구체예에 따르면, 폴리페놀계 나노입자(즉, 금속-페놀 네트워크를 갖는 나노입자)의 제조 과정 중 자성 나노입자를 도입할 수 있다. 구체적으로, 금속 양이온 및 음이온을 함유하는 수용액에 자성 나노입자를 첨가한 수계 분산물을 제조한 다음, 폴리페놀계 화합물과 조합할 수 있다. 이때, 수계 매질 내에 자성 나노입자가 균일하게 분산될 수 있도록 초음파 조사(또는 분쇄) 처리를 병행할 수 있다.According to an exemplary embodiment, magnetic nanoparticles may be introduced during the manufacturing process of polyphenolic nanoparticles (ie, nanoparticles having a metal-phenol network). Specifically, an aqueous dispersion in which magnetic nanoparticles are added to an aqueous solution containing metal cations and anions may be prepared and then combined with a polyphenol-based compound. At this time, ultrasonic irradiation (or pulverization) treatment may be performed in parallel so that the magnetic nanoparticles can be uniformly dispersed in the aqueous medium.

또한, 수계 분산물 내 자성 나노입자의 농도는, 예를 들면 약 0.05 내지 1 ㎎/ml, 구체적으로 약 0.1 내지 0.8 ㎎/ml, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.5 ㎎/ml의 범위에서 조절될 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. 다만, 자성 나노입자의 농도가 일정 수준 미만에서는 원하는 자성 부여 효과를 기대하기 곤란할 수 있다. 그러나, 과도한 량으로 첨가할 경우에는 입자 생성을 방해할 수 있는 만큼, 전술한 농도 범위에서 조절하는 것이 유리할 수 있다. In addition, the concentration of the magnetic nanoparticles in the aqueous dispersion may be adjusted in the range of, for example, about 0.05 to 1 mg/ml, specifically about 0.1 to 0.8 mg/ml, and more specifically about 0.2 to 0.5 mg/ml. However, this can be understood for illustrative purposes. However, if the concentration of the magnetic nanoparticles is less than a certain level, it may be difficult to expect a desired effect of imparting magnetism. However, when added in an excessive amount, it may be advantageous to adjust the concentration within the above-mentioned range as it may interfere with particle generation.

한편, 예시적 구체예에 따르면, 최종적으로 제조된 자성 복합 나노입자의 사이즈(직경)는, 예를 들면 약 100 내지 3000 nm, 구체적으로 약 200 내지 2000 nm, 보다 구체적으로 약 400 내지 1000 nm의 범위에서 조절될 수 있다.On the other hand, according to an exemplary embodiment, the size (diameter) of the finally prepared magnetic composite nanoparticles is, for example, about 100 to 3000 nm, specifically about 200 to 2000 nm, more specifically about 400 to 1000 nm range can be adjusted.

예시적 구체예에 있어서, 자성 복합 입자는 탄닌산의 음전하를 띄는 특징을 통하여 음(-)의 제타-포텐셜을 나타냄으로써 입자 간 응집 현상을 억제할 수 있는 바, 예를 들면 약 -10 mV 이하, 구체적으로 약 -15 mV 이하, 보다 구체적으로 약 -30 내지 -20 mV 범위일 수 있는 바, 이러한 제타-포텐셜 범위를 고려하여 자성 복합 입자 내 탄닌산의 함량을 조절하는 것이 유리할 수 있다. In an exemplary embodiment, the magnetic composite particle exhibits a negative (-) zeta-potential through the negatively charged characteristic of tannic acid, thereby suppressing inter-particle aggregation, for example, about -10 mV or less, Specifically, it may be about -15 mV or less, more specifically, about -30 to -20 mV, and it may be advantageous to adjust the content of tannic acid in the magnetic composite particles in consideration of this zeta-potential range.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다. The present invention can be more clearly understood by the following examples, which are only for illustrative purposes of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

본 실시예에서 사용된 물질 및 장비는 하기와 같다.Materials and equipment used in this example are as follows.

- 물질- matter

염화마그네슘, 수산화나트륨, 염화나트륨, 글루타르알데하이드는 Junsei 사로부터 입수하였다. Magnesium chloride, sodium hydroxide, sodium chloride, and glutaraldehyde were obtained from Junsei.

염화칼슘은 DUKSAN사로부터 입수하였고, 염화칼륨, 브롬화칼륨, 디소듐포스페이트, 중탄소나트륨, 과산화수소(3%) 및 염화제이철 6수화물, 돼지피부 유래 젤라틴 타입 A, 탄닌산, 테트라졸륨 브로마이드(MTT), 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC) 및 지질다당류(LPS)는 Sigma-Aldrich사로부터 입수하였다. Calcium chloride was obtained from DUKSAN, potassium chloride, potassium bromide, disodium phosphate, sodium bicarbonate, hydrogen peroxide (3%) and ferric chloride hexahydrate, pig skin-derived gelatin type A, tannic acid, tetrazolium bromide (MTT), fluoride Fluorescein isothiocyanate (FITC) and lipopolysaccharide (LPS) were obtained from Sigma-Aldrich.

지방유래줄기세포(hADSC), Alexa FluorTM 488 Phalloidin,는 Invitrogen사로부터 입수하였고, RAW 264.7 세포는 한국세포주은행에서 입수하였다.Adipose-derived stem cells (hADSC), Alexa Fluor TM 488 Phalloidin, were obtained from Invitrogen, and RAW 264.7 cells were obtained from Korea Cell Line Bank.

본 실시예에서 사용된 모든 시약 및 화학물질은 별도의 정제 없이 입수한 상태 그대로 사용하였다.All reagents and chemicals used in this example were used as received without separate purification.

- 분석 장비- Analytical equipment

주사전자현미경 (FE SEM; JSM 7600F, JEOL, Tokyo, Japan) Scanning electron microscope (FE SEM; JSM 7600F, JEOL, Tokyo, Japan)

마이크로플레이트리더(Varioskan LUX, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA). Microplate reader (Varioskan LUX, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA).

초음속 파쇄기 (BRANSON,St.Louis,USA)Supersonic crusher (BRANSON, St.Louis, USA)

푸리에 변환 적외선 분광기 (FT-IR; Nicolet 6700, Thermo Fisher Scientific, Waltham, UK). Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR; Nicolet 6700, Thermo Fisher Scientific, Waltham, UK).

레오미터 (Discovery HR10, TA instruments, New Castle, DE, USA). Rheometer (Discovery HR10, TA instruments, New Castle, DE, USA).

공초점 현미경 (TCS SP5; Leica biosystems, Wetzlar, Germany)Confocal microscope (TCS SP5; Leica biosystems, Wetzlar, Germany)

형광 현미경 (TE 2000; Nikon, Tokyo, Japan). Fluorescence microscopy (TE 2000; Nikon, Tokyo, Japan).

에너지 분산 X선 분광기 (EDS, JEM-ARM200F(HRP), JOEL, Tokyo, Japan)Energy dispersive X-ray spectrometer (EDS, JEM-ARM200F(HRP), JOEL, Tokyo, Japan)

실시예 1Example 1

가. 다양한 이온 조성의 모의체액을 이용한 폴리페놀계 나노입자의 제조go. Preparation of polyphenolic nanoparticles using simulated body fluids with various ionic compositions

농축된 모의체액(10X SBF)에 탄닌산(TA)을 용해시킨 다음, 0.04 M의 NaHCO3로 처리하여 나노입자의 자가조립을 유도하였다. 이때, 하기 표 2에 기재된 바와 같이, 농축된 모의체액 내 이온(Ca2+, Mg2+, Cu2+, 및 PO4 3-)의 조성을 변화시켜 폴리페놀계 나노입자를 제조하였다. After dissolving tannic acid (TA) in concentrated simulated body fluid (10X SBF), self-assembly of nanoparticles was induced by treatment with 0.04 M NaHCO 3 . At this time, as shown in Table 2 below, polyphenol-based nanoparticles were prepared by changing the composition of ions (Ca 2+ , Mg 2+ , Cu 2+ , and PO 4 3- ) in the concentrated simulated body fluid.

농축된 SBFConcentrated SBF 농도 (mM)Concentration (mM) 탄닌산 (TA) (mg/ml)Tannic Acid (TA) (mg/ml) Na+ Na + Ca2+ Ca 2+ Mg2+ Mg 2+ K+ K + PO4 3- PO 4 3- Cu2+ Cu 2+ 1One 1,0001,000 3333 55 55 1010 00 1, 5, 101, 5, 10 22 1,0001,000 00 3838 55 1010 00 0.1, 0.25, 0.50.1, 0.25, 0.5 33 1,0001,000 00 55 55 1010 3333 1, 5, 101, 5, 10 44 1,0001,000 3333 55 55 1010 00 1One 55 1,0001,000 3333 55 55 2020 00 1One 66 1,0001,000 3333 55 55 3030 00 1One

그 다음, 10분간 상온에서 교반하였고, 나노입자의 안정화를 위하여 NaOH로 처리한 후에 10분 동안 추가적으로 교반하였다. 후속적으로, 고속 원심분리기를 이용하여 4,000 rpm의 속도로 5분 동안 원심분리를 수행하였고, 2차 증류수를 사용하여 수회에 걸쳐 세척한 후에 동결 건조시켜 진공상태로 보관하였다. Then, the mixture was stirred at room temperature for 10 minutes, and further stirred for 10 minutes after treatment with NaOH to stabilize the nanoparticles. Subsequently, centrifugation was performed at a speed of 4,000 rpm for 5 minutes using a high-speed centrifuge, washed several times using double distilled water, and then freeze-dried and stored in a vacuum state.

수득된 나노입자는 Folin-ciocalteu assay를 통하여 페놀 함량을 측정하였고, 또한 SEM 분석 및 DLS(Dynamic light scattering) 분석 각각을 통하여 나노입자의 구조를 확인하고, 사이즈를 측정하였다. The phenol content of the obtained nanoparticles was measured through Folin-ciocalteu assay, and the structure of the nanoparticles was confirmed and the size was measured through SEM analysis and dynamic light scattering (DLS) analysis, respectively.

- 폴리페놀계 나노입자의 세포독성평가- Cytotoxicity evaluation of polyphenolic nanoparticles

10,000개의 지방줄기세포(Human adipose derived stem cells; hADSC)를 첨가한 배양 접시에 Transwell을 이용하여 폴리페놀 나노입자를 0 μg/ml, 10 μg/ml 및 50 μg/ml로 각각 희석시켜 처리한 다음, 배양하여 Live/dead 염색 및 MTT assay를 통하여 나노입자의 세포 독성을 평가하였다. In a culture dish to which 10,000 human adipose derived stem cells (hADSC) were added, polyphenol nanoparticles were diluted to 0 μg/ml, 10 μg/ml, and 50 μg/ml using Transwell, and then treated. , cultured and evaluated the cytotoxicity of the nanoparticles through Live/dead staining and MTT assay.

- 폴리페놀계 나노입자의 기능성 평가- Functional evaluation of polyphenolic nanoparticles

폴리페놀계 나노입자 자체의 항산화 효과를 확인하기 위하여 Fe 전환 테스트를 수행하였고, 또한 세포에 미치는 항산화 효과를 확인하기 위하여 hADSC를 200 μM의 H2O2로 처리하고 나노입자와 함께 24시간 동안 배양한 후에 활성산소 측정법(DCF-DA assay)을 이용하여 세포배지 내 폴리페놀계 나노입자의 활성산소의 제거 효과를 확인하였다.In order to confirm the antioxidant effect of the polyphenolic nanoparticles themselves, an Fe conversion test was performed. In addition, to confirm the antioxidant effect on cells, hADSCs were treated with 200 μM of H 2 O 2 and incubated with the nanoparticles for 24 hours. After that, the active oxygen removal effect of the polyphenolic nanoparticles in the cell medium was confirmed using the active oxygen measurement method (DCF-DA assay).

폴리페놀계 나노입자의 항염증 효과를 확인하기 위하여, 쥐의 복강 내에 zymosan을 이용하여 복막염을 발생시킨 후, 폴리페놀계 나노입자를 증류수에 80 μg/ml의 농도로 희석시켜 복강 내에 주입하였다. 5시간 경과 후, 복강 내 체액을 채취하여 ELISA를 통하여 염증 사이토카인(TNF-α, IL-6)의 함량을 확인하였다.In order to confirm the anti-inflammatory effect of the polyphenolic nanoparticles, after inducing peritonitis using zymosan in the abdominal cavity of rats, the polyphenolic nanoparticles were diluted in distilled water at a concentration of 80 μg/ml and injected into the abdominal cavity. After 5 hours, intraperitoneal body fluid was collected and the content of inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6) was confirmed by ELISA.

폴리페놀계 나노입자의 골분화 효과를 확인하기 위하여, hADSC에 칼슘이 함유된 폴리페놀계 나노입자(Ca-TP)를 1만개의 세포 당 2 μg으로 처리하여 14일 동안 골분화 배지(osteogenic differentiation medium, ODM)에서 배양하였다. 활성산소 조건에서 골 분화를 확인하기 위한 그룹에서는 200 μM의 H2O2로 처리하였다. 각각의 조건에서 골 분화 관련 유전자(RUNX2, OCN) 발현을 RT-PCR(Real time-polymerase chain reaction)을 통하여 확인하였다.In order to confirm the osteogenic differentiation effect of polyphenolic nanoparticles, hADSCs were treated with calcium-containing polyphenolic nanoparticles (Ca-TP) at 2 μg per 10,000 cells for 14 days (osteogenic differentiation medium). medium, ODM). In the group for confirming bone differentiation under reactive oxygen conditions, treatment was performed with 200 μM of H 2 O 2 . The expression of bone differentiation-related genes (RUNX2, OCN) in each condition was confirmed through RT-PCR (Real time-polymerase chain reaction).

나. 폴리페놀계 나노입자-하이드로겔 복합체의 제조me. Preparation of polyphenolic nanoparticle-hydrogel composite

앞서 제조된 폴리페놀계 나노입자를 이용하여 나노입자-젤라틴계 하이드로겔 복합체를 제조하였다. 구체적으로, 젤라틴을 2차 증류수에 15%의 농도로 용해시킨 후, 실시예 1에서 제조된 폴리페놀계 나노입자의 농도가 0 mg/ml, 0.25 mg/ml, 0.5 mg/ml 및 1 mg/ml이 되도록 나노입자-젤라틴 용액을 제조하였다. 후속적으로, 가교된 하이드로겔을 형성하기 위하여 글루타르알데히드를 0.5%의 농도로 2차 증류수와 희석시켰고, 이를 나노입자-젤라틴 용액과 체적 기준으로 4 : 1로 혼합하고 -18 ℃에서 24시간 동안 동결함으로써 폴리페놀계 나노입자-하이드로겔 복합체를 제조하였다. A nanoparticle-gelatin-based hydrogel composite was prepared using the previously prepared polyphenol-based nanoparticles. Specifically, after dissolving gelatin in secondary distilled water at a concentration of 15%, the concentrations of the polyphenolic nanoparticles prepared in Example 1 were 0 mg/ml, 0.25 mg/ml, 0.5 mg/ml and 1 mg/ml. A nanoparticle-gelatin solution was prepared to be ml. Subsequently, glutaraldehyde was diluted with double distilled water to a concentration of 0.5% to form a crosslinked hydrogel, which was mixed with the nanoparticle-gelatin solution 4:1 by volume and maintained at -18 °C for 24 hours. A polyphenol-based nanoparticle-hydrogel composite was prepared by freezing for a while.

SEM을 통하여 나노입자-하이드로겔 복합체의 내부를 관찰하였고, rheometer를 이용하여 나노입자-하이드로겔 복합체의 기계적 물성을 측정하였다.The inside of the nanoparticle-hydrogel composite was observed through SEM, and the mechanical properties of the nanoparticle-hydrogel composite were measured using a rheometer.

- 나노입자-하이드로겔 복합체의 기능성 평가- Evaluation of functionality of nanoparticle-hydrogel composites

나노입자-하이드로겔 복합체 자체의 항산화 효과를 확인하기 위하여, Fe 전환 테스트를 수행하였다. 구체적으로, 하이드로겔 및 나노입자-하이드로겔 복합체 각각을 hADSC에 분주하고 400 μM의 H2O2로 처리한 후, 24시간 동안 배양하여 세포의 생존률을 Live/Dead 염색을 통하여 확인하였다. In order to confirm the antioxidant effect of the nanoparticle-hydrogel composite itself, an Fe conversion test was performed. Specifically, each of the hydrogel and nanoparticle-hydrogel composite was aliquoted into hADSC, treated with 400 μM H 2 O 2 , cultured for 24 hours, and cell viability was confirmed through Live/Dead staining.

나노입자-하이드로겔 복합체의 항염증 효과를 확인하기 위하여, 표면에 RAW 264.7 세포를 분주하고 LPS(Lipopolysaccharide)로 처리하여 염증 반응을 유도하였고, 염증 반응과 관련한 유전자(TNF-α, IL-6, iNOS)의 발현 정도를 RT-PCR에 의하여 확인하였다.In order to confirm the anti-inflammatory effect of the nanoparticle-hydrogel composite, RAW 264.7 cells were seeded on the surface and treated with LPS (Lipopolysaccharide) to induce an inflammatory response, and genes related to the inflammatory response (TNF-α, IL-6, iNOS) was confirmed by RT-PCR.

- 나노입자-하이드로겔 복합체의 골 재생 환경 조절 효과- Effect of nanoparticle-hydrogel composite on bone regeneration environment

골 분화 효과를 확인하기 위하여, 나노입자-하이드로겔 복합체에 hADSC를 분주하고 골 분화 배지에서 14일 동안 배양한 후에 골분화 관련 유전자인 OPN에 특이적인 항체를 이용하여 형광 염색(immunohistochemistry, IHC)을 수행하였다. 이와 함께, RT-PCR에 의하여 골 분화 관련 유전자(OPN, RUNX2, OSX)의 발현 정도를 확인하였다.In order to confirm the osteogenic differentiation effect, after dispensing hADSC into nanoparticle-hydrogel complexes and culturing them in an osteogenic differentiation medium for 14 days, fluorescence staining (immunohistochemistry, IHC) was performed using an antibody specific for OPN, an osteogenic differentiation-related gene. performed. In addition, the expression level of bone differentiation related genes (OPN, RUNX2, OSX) was confirmed by RT-PCR.

파골 세포로의 분화억제 효과를 확인하기 위하여, RAW 264.7 세포를 나노입자-하이드로겔 복합체에 분주하고 파골 세포로의 분화를 유도하는 RANKL 단백질을 100 ng/ml의 농도로 처리하여 7일 동안 배양한 후, TRACP assay를 수행하여 파골 세포로의 분화 및 활성 정도를 확인하였다. 이때, Live/Dead 염색을 통하여 성숙한 파골 세포의 비율을 육안으로 확인하였다.In order to confirm the effect of inhibiting differentiation into osteoclasts, RAW 264.7 cells were seeded into nanoparticle-hydrogel complexes and treated with RANKL protein, which induces differentiation into osteoclasts, at a concentration of 100 ng/ml and cultured for 7 days. Then, TRACP assay was performed to confirm the degree of differentiation and activity into osteoclasts. At this time, the ratio of mature osteoclasts was visually confirmed through Live/Dead staining.

실시예 2Example 2

형광물질-함유 폴리페놀계 나노입자의 제조Preparation of fluorescent material-containing polyphenolic nanoparticles

형광물질로서 FITC(Fluorescein isothiocyanate)를 DMSO에 완전히 용해시켰고, 이후 10X SBF(표 2에서 농축된 SBF1)에 15 ㎍/ml의 농도가 되도록 희석시켰다. 그 다음, 탄닌산 10 mg/ml 및 0.04 M의 NaHCO3로 처리하였고, 10분 동안 상온에서 반응시켜 FITC가 함유된 폴리페놀계 미네랄 나노입자를 제조하였다.Fluorescein isothiocyanate (FITC) as a fluorescent substance was completely dissolved in DMSO, and then diluted to a concentration of 15 μg/ml in 10X SBF (concentrated SBF1 in Table 2). Then, it was treated with 10 mg/ml of tannic acid and 0.04 M of NaHCO 3 , and reacted at room temperature for 10 minutes to prepare FITC-containing polyphenolic mineral nanoparticles.

이후, NaOH로 처리하였고, 10분 동안 교반한 다음, 고속 원심분리기를 이용하여 원심분리를 수행하였고, 후속적으로 2차 증류수를 이용하여 세척한 후에 동결건조시켜 보관하였다.Thereafter, it was treated with NaOH, stirred for 10 minutes, centrifuged using a high-speed centrifuge, and subsequently washed with double distilled water and then lyophilized and stored.

형광 현미경으로 수득된 나노입자의 형광 시그널을 관찰하였고, 세포에 나노입자를 처리하여 세포 내에서의 FITC 신호를 컨포컬 이미지를 통하여 관찰하였다.Fluorescence signals of the obtained nanoparticles were observed under a fluorescence microscope, and FITC signals in the cells were observed through confocal images by treating the cells with the nanoparticles.

실시예 3Example 3

자성 복합 입자의 제조Preparation of magnetic composite particles

자성 나노입자(재질: Fe3O4.; 사이즈: 20 nm)를 0.3 mg/ml의 농도로 10X SBF(표 2에서 농축된 SBF1)에 분산시켰으며, 이때 양호한 분산을 위하여 초음파 파쇄기를 사용하였다. 그 다음, 탄닌산을 10 mg/ml로 용해시킨 후, 0.01 M의 NaHCO3로 처리하고 1시간 동안 교반하여 자성 복합 입자를 형성하였다.Magnetic nanoparticles (material: Fe 3 O 4 .; size: 20 nm) were dispersed in 10X SBF (concentrated SBF1 in Table 2) at a concentration of 0.3 mg/ml, where an ultrasonicator was used for good dispersion. . Then, after dissolving tannic acid at 10 mg/ml, the mixture was treated with 0.01 M NaHCO 3 and stirred for 1 hour to form magnetic composite particles.

수득된 자성 복합 입자에 대하여 DLS 분석 및 제타-포텐셜 측정을 통하여 자성 복합 입자의 사이즈 및 이의 표면 전하를 확인하였다. 또한, 수득된 자성 복합 입자의 자성을 확인하기 위하여, 파우더 형태 및 에탄올에 분산시킨 형태 각각에서 자석과의 상호 작용을 관찰하였다.The size and surface charge of the magnetic composite particles were confirmed through DLS analysis and zeta-potential measurement of the obtained magnetic composite particles. In addition, in order to confirm the magnetism of the obtained magnetic composite particles, the interaction with the magnet was observed in each of the powder form and the form dispersed in ethanol.

결과 및 토의Results and discussion

가. 모의체액 내 이온의 조성 변화에 따른 폴리페놀계 나노입자의 성상 분석go. Analysis of properties of polyphenolic nanoparticles according to compositional changes of ions in simulated body fluids

- 칼슘 이온- calcium ion

다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL) 조건에서 제조된 칼슘-함유 나노입자의 광학 사진, SEM 사진 및 DLS 분석 결과를 도 2a 내지 도 2c에 각각 나타내었다. 상기 도면을 참조하면, 제조된 나노입자가 대략 400 내지 2000 nm의 사이즈(직경) 범위에서 탄닌산 농도와 비례하여 감소하였다.Optical images, SEM images, and DLS analysis results of the calcium-containing nanoparticles prepared under various tannic acid concentrations (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL) are shown in FIGS. 2A to 2C, respectively. Referring to the figure, the prepared nanoparticles decreased in proportion to the tannic acid concentration in the size (diameter) range of about 400 to 2000 nm.

한편, 다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL)에 따른 칼슘-함유 나노입자 내 페놀 함량 및 칼슘 함량을 도 2d 및 도 2e에 각각 나타내었다. 도 2d에 따르면, folin-ciocalteu assay를 통하여, 탄닌산의 농도가 증가함에 따라 나노입자 내 페놀 함량이 증가하였으나 탄닌산의 농도가 5 mg/ml 이상에서는 일정한 페놀 함량을 갖고 있음을 확인하였다. 또한, 도 2e를 참조하면, Ca assay 결과, 탄닌산의 농도가 증가함에 따라 나노입자 내 칼슘 함량은 감소하였으며, 특히 탄닌산의 농도가 5 mg/ml 이상에서는 일정한 칼슘 함량을 나타내었다.Meanwhile, phenol content and calcium content in calcium-containing nanoparticles according to various tannic acid concentrations (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL) are shown in FIGS. 2D and 2E, respectively. According to FIG. 2d, through the folin-ciocalteu assay, it was confirmed that the phenol content in the nanoparticles increased as the tannic acid concentration increased, but the phenol content was constant when the tannic acid concentration was 5 mg/ml or more. In addition, referring to FIG. 2e, as a result of Ca assay, the calcium content in the nanoparticles decreased as the concentration of tannic acid increased, and in particular, the calcium content was constant when the concentration of tannic acid was 5 mg/ml or more.

다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL) 조건에서 제조된 칼슘-함유 나노입자에 대한 FT-IR 분석 결과를 도 2f에 나타내었다. 상기 도면에 따르면, 샘플에서 PO4 3- 결합, C=O 결합, 및 -OH 결합에 대한 특성 피크가 관찰되었는 바, 이는 나노입자 내에 탄닌산 및 미네랄이 함유되어 있음을 지시한다.The results of FT-IR analysis of calcium-containing nanoparticles prepared under conditions of various tannic acid concentrations (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL) are shown in FIG. 2f. According to the figure, characteristic peaks for PO 4 3- bond, C=O bond, and -OH bond were observed in the sample, indicating that tannic acid and minerals are contained in the nanoparticles.

- 마그네슘 이온- Magnesium ion

다양한 탄닌산 농도(0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL 및 0.5 mg/mL) 조건에서 제조된 마그네슘-함유 나노입자의 SEM 사진 및 DLS 분석 결과를 도 3a 및 도 3b에 각각 나타내었다. 상기 도면을 참조하면, 다양한 탄닌산 농도 조건 하에서 제조된 마그네슘-함유 폴리페놀계 나노입자(Mg-TP)는 대략 200 내지 4000 nm의 사이즈(직경)을 갖고 있다.SEM images and DLS analysis results of magnesium-containing nanoparticles prepared under conditions of various tannic acid concentrations (0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL, and 0.5 mg/mL) are shown in FIGS. 3a and 3b, respectively. Referring to the figure, magnesium-containing polyphenolic nanoparticles (Mg-TP) prepared under various tannic acid concentration conditions have a size (diameter) of about 200 to 4000 nm.

또한, 다양한 탄닌산 농도(0.1 mg/mL 및 0.5 mg/mL) 조건에서 제조된 마그네슘-함유 나노입자(Mg-TP)의 TEM 사진 및 EDS 분석 결과를 도 3c 및 도 3d에 각각 나타내었다. 상기 도면에 따르면, 구형의 입자로 형성되었고, Mg-TP 입자 내에 산소, 마그네슘 및 인을 함유하고 있음을 확인하였다.In addition, TEM images and EDS analysis results of magnesium-containing nanoparticles (Mg-TP) prepared under various tannic acid concentrations (0.1 mg/mL and 0.5 mg/mL) are shown in FIGS. 3c and 3d, respectively. According to the figure, it was formed as spherical particles, and it was confirmed that oxygen, magnesium, and phosphorus were contained in the Mg-TP particles.

다양한 탄닌산 농도(0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL 및 0.5 mg/mL) 조건에서 제조된 마그네슘-함유 나노입자(Mg-TP) 내 페놀 함량을 도 3e에 나타내었는 바, 탄닌산의 농도가 증가함에 따라 Mg-TP 입자 내 페놀 함량 역시 증가함을 확인하였다(folin-ciocalteu assay).The phenol content in magnesium-containing nanoparticles (Mg-TP) prepared under various tannic acid concentration conditions (0.1 mg/mL, 0.25 mg/mL and 0.5 mg/mL) is shown in FIG. 3e, as the tannic acid concentration increases Accordingly, it was confirmed that the phenol content in the Mg-TP particles also increased (folin-ciocalteu assay).

- 구리 이온- copper ion

다양한 탄닌산 농도(1 mg/mL, 5 mg/mL 및 10 mg/mL) 조건에서 제조된 구리-함유 나노입자에 대한 SEM 사진, DLS 분석 결과 및 페놀 함량을 도 4a 내지 도 4c에 각각 나타내었다.SEM images, DLS analysis results, and phenol content of the copper-containing nanoparticles prepared under various tannic acid concentrations (1 mg/mL, 5 mg/mL, and 10 mg/mL) are shown in FIGS. 4a to 4c, respectively.

상기 도면을 참조하면, 다양한 탄닌산 농도 조건에서 제조된 구리-함유 나노입자(Cu-TP)는 대략 300 내지 2000 nm의 사이즈(직경) 범위에서 탄닌산 농도에 비례하여 증가하였고(도 4a 및 도 4b), folin-ciocaltue assay에 의하여 측정 시 탄닌산의 농도에 비례하여 Cu-TP 입자 내 페놀 함량이 증가함을 확인하였다(도 4c).Referring to the figure, the copper-containing nanoparticles (Cu-TP) prepared under various tannic acid concentration conditions increased in proportion to the tannic acid concentration in the size (diameter) range of about 300 to 2000 nm (FIGS. 4a and 4b) , it was confirmed that the phenol content in Cu-TP particles increased in proportion to the concentration of tannic acid when measured by the folin-ciocaltue assay (Fig. 4c).

- 포스페이트 이온- phosphate ion

칼슘 양이온 및 포스페이트 음이온을 함유하는 모의체액 내 다양한 포스페이트 음이온 농도(10 mM, 20 mM 및 30 mM) 조건에서 제조된 칼슘-함유 나노입자의 SEM 사진 및 DLS 분석 결과를 도 5a 및 도 5b에 각각 나타내었고, 칼슘-함유 나노입자 내 칼슘 함량 및 페놀 함량을 도 5c 및 도 5d에 각각 나타내었다. SEM images and DLS analysis results of calcium-containing nanoparticles prepared under conditions of various phosphate anion concentrations (10 mM, 20 mM, and 30 mM) in simulated body fluids containing calcium cations and phosphate anions are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively. , and the calcium content and phenol content in the calcium-containing nanoparticles are shown in FIGS. 5c and 5d, respectively.

상기 도면을 참조하면, 모의체액 내 포스페이트 음이온의 농도가 증가함에 따라 구조적으로 불균등한 형태의 나노입자가 형성되었으며, 이의 사이즈는 증가함을 확인하였고(도 5a 및 도 5b), 또한 Ca-TP 입자 내 칼슘 함량은 증가하는 반면, 페놀 함량은 감소하는 경향을 나타내었다(도 5c 및 도 5d).Referring to the figure, as the concentration of phosphate anion in the simulated body fluid increased, it was confirmed that nanoparticles of a structurally non-uniform shape were formed, and their size increased (FIGS. 5a and 5b), and also Ca-TP particles While the calcium content within it increased, the phenol content showed a tendency to decrease (FIGS. 5c and 5d).

나. 형광물질-함유 폴리페놀계 나노입자의 성상 분석me. Characteristic analysis of fluorescent material-containing polyphenolic nanoparticles

실시예 2에서 제조된 FITC-함유 폴리페놀계 나노입자의 육안 관찰 사진 및 형광 현미경 사진, 그리고 hADSC를 FITC-함유 폴리페놀계 나노입자로 처리하고 24 시간 경과한 후의 공초점 현미경 사진을 도 6a 및 도 6b에 각각 나타내었다. 도 6a를 참조하면, 육안 관찰 시 FITC-함유 나노입자는 노란색을 띄었고, 형광 현미경에서는 녹색의 형광을 나타내었다, 한편, 도 6b에 따르면, 2차원 및 3차원 이미지로부터 세포 내부에서 나노입자의 형광이 발현되었다.Visual observation and fluorescence micrographs of the FITC-containing polyphenolic nanoparticles prepared in Example 2, and confocal micrographs after 24 hours of treatment of hADSCs with the FITC-containing polyphenolic nanoparticles are shown in FIGS. 6A and 6A. 6b, respectively. Referring to FIG. 6A, the FITC-containing nanoparticles were yellow when observed with the naked eye and exhibited green fluorescence under a fluorescence microscope. On the other hand, according to FIG. this has been manifested

다. 자성 복합 입자의 성상 분석all. Characteristic analysis of magnetic composite particles

자성 나노입자(MNP)가 혼입된 칼슘-함유 나노입자의 건조 상태 및 에탄올에 분산된 상태의 광학 사진, DLS 분석 결과 및 제타-포텐셜 분석 결과를 도 7a 내지 도 7c에 각각 나타내었다. 이와 관련하여, 자성 나노입자가 혼입된 Ca-TP 입자의 경우, 건조 상태 및 에탄올 분산액은 외부 자기장 변화에 반응하였는 바, 모두 자성을 나타내었다(도 7a). 또한, 자성 나노입자가 혼입된 Ca-TP 입자의 DLS 분석 결과, 대략 459 nm의 사이즈(직경)를 나타내었고(도 7b), 이때 표면의 제타-포텐셜은 약 -23.33 mV이었다(도 7c).Optical photographs, DLS analysis results, and zeta-potential analysis results of calcium-containing nanoparticles incorporated with magnetic nanoparticles (MNP) in a dry state and in a state dispersed in ethanol are shown in FIGS. 7A to 7C , respectively. In this regard, in the case of Ca-TP particles incorporated with magnetic nanoparticles, both the dry state and the ethanol dispersion reacted to a change in the external magnetic field, showing magnetic properties (FIG. 7a). In addition, as a result of DLS analysis of the Ca-TP particles incorporated with the magnetic nanoparticles, the size (diameter) was approximately 459 nm (FIG. 7b), and the zeta-potential of the surface at this time was about -23.33 mV (FIG. 7c).

라. 폴리페놀계 나노입자의 세포독성 평가la. Cytotoxicity evaluation of polyphenolic nanoparticles

다양한 농도의 폴리페놀계 나노입자(0 ㎍/㎖, 10 ㎍/㎖ 및 50 ㎍/㎖)가 도입된 hADSC를 배양한 후의 세포독성 평가 결과를 나타내는 Live/Dead 염색 사진 및 MTT 분석 결과를 도 8a 및 도 8b에 각각 나타내었다. 상기 도면을 참조하면, 다양한 농도의 폴리페놀계 나노입자와 함께 배양된 hADSC는 24 시간 경과 후, 세포사멸 시그널을 거의 나타내지 않았고, 세포의 활성 역시 실질적으로 차이가 없었다.Live/Dead staining photographs and MTT assay results showing the cytotoxicity evaluation results after culturing hADSCs introduced with various concentrations of polyphenolic nanoparticles (0 μg/ml, 10 μg/ml, and 50 μg/ml) are shown in FIG. 8A. and Fig. 8b, respectively. Referring to the figure, hADSC cultured with polyphenol-based nanoparticles at various concentrations showed little apoptosis signal after 24 hours, and there was no substantial difference in cell activity.

마. 폴리페놀계 나노입자의 다기능성 평가mind. Evaluation of multifunctionality of polyphenolic nanoparticles

- 항산화/항염증 효과- Antioxidant/anti-inflammatory effect

폴리페놀계 나노입자에 대한 Fe 전환 테스트 결과, DCF-DA 분석 결과 및 쥐 복강 염증유도 모델을 이용한 비교 테스트 결과를 도 9a 내지 도 9c에 각각 나타내었다. 분석 결과, 폴리페놀계 나노입자의 항산화 효과는 나노입자의 농도에 비례하여 증가하였고(도 9a), H2O2에 24 시간 동안 노출된 hADSC는 Ca-TP 입자가 존재하는 경우에만 활성산소 시그널이 나타나지 않았다(도 9b). 또한, zymogen만을 처리한 그룹(positive control; P.C.)과 대비하면, 복강 내 염증사이토카인(TNF-α, IL-6)의 분비의 경우, TA 및 Ca-TP로 처리된 그룹에서 유의적으로 감소하였다(도 9c).The Fe conversion test results for the polyphenolic nanoparticles, the DCF-DA analysis results, and the comparative test results using the rat abdominal cavity inflammation induction model are shown in FIGS. 9a to 9c, respectively. As a result of the analysis, the antioxidant effect of the polyphenolic nanoparticles increased in proportion to the concentration of the nanoparticles (FIG. 9a), and hADSCs exposed to H 2 O 2 for 24 hours showed active oxygen signals only when Ca-TP particles were present. did not appear (Fig. 9b). In addition, compared to the group treated only with zymogen (positive control; PC), the secretion of intraperitoneal inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6) was significantly reduced in the group treated with TA and Ca-TP. (FIG. 9c).

- 골 분화 효과- Bone differentiation effect

hADSC를 14일 동안 골 분화 배지에서 배양한 실험을 통하여 골 분화 관련 유전자(RUNX2, OCN)의 발현 테스트 결과를 도 10에 나타내었다. 상기 도면을 참조하면, Ca-TP 입자로 처리한 그룹에서 골분화 관련 유전자(RUNX2, OCN)의 발현이 유의적으로 증가하였으며, 활성산소(H2O2) 처리 조건 하에서도 골분화 마커의 발현 감소가 어느 정도 완화됨을 확인하였다.10 shows the results of the expression test of bone differentiation-related genes (RUNX2, OCN) through an experiment in which hADSCs were cultured in a bone differentiation medium for 14 days. Referring to the figure, the expression of bone differentiation-related genes (RUNX2, OCN) significantly increased in the group treated with Ca-TP particles, and the expression of bone differentiation markers even under active oxygen (H 2 O 2 ) treatment conditions. It was confirmed that the decrease was alleviated to some extent.

바. 나노입자-하이드로겔 복합체의 성상 및 기능 분석bar. Analysis of properties and functions of nanoparticle-hydrogel composites

- 나노입자-하이드로겔 복합체의 형성 확인 및 기계적 물성 평가- Confirmation of formation of nanoparticle-hydrogel composite and evaluation of mechanical properties

나노입자-하이드로겔 복합체의 광학 사진 및 SEM 사진, 그리고 기계적 물성 측정 결과를 도 11a 내지 도 11c에 각각 나타내었다.Optical and SEM images of the nanoparticle-hydrogel composite, and mechanical property measurement results are shown in FIGS. 11A to 11C , respectively.

폴리페놀계 나노입자의 농도(0 mg/ml, 0.25 mg/ml, 0.5 mg/ml, 및 1 mg/ml)를 변화시키면서 젤라틴과 함께 하이드로겔 복합체가 제조되었고(도 11a), 또한 복합체 내에 나노입자가 성공적으로 도입되었음을 확인하였다(도 11b). 또한, 도 11c에 따르면, Rheometer를 이용하여 복합체의 기계적 물성을 측정한 결과, 나노입자가 함유되지 않은 경우에는 10.31±0.2961 kPa의 저장 탄성률을 나타낸 반면, 나노입자의 농도가 1 mg/ml인 복합체의 경우에는 11.46±0.7149 kPa의 저장 탄성율을 나타내었다. Hydrogel composites were prepared with gelatin while varying the concentration of polyphenolic nanoparticles (0 mg/ml, 0.25 mg/ml, 0.5 mg/ml, and 1 mg/ml) (FIG. 11a), and nanoparticles in the composite were also prepared. It was confirmed that the particles were successfully introduced (FIG. 11b). In addition, according to FIG. 11c, as a result of measuring the mechanical properties of the composite using a rheometer, the storage modulus was 10.31 ± 0.2961 kPa when the nanoparticles were not contained, whereas the composite having a concentration of 1 mg / ml nanoparticles In the case of , the storage modulus was 11.46±0.7149 kPa.

- 항산화 및 항염증 효과 평가- Evaluation of antioxidant and anti-inflammatory effects

나노입자-하이드로겔 복합체의 Fe 전환 테스트 결과, Live/Dead 염색 사진 및 염증 관련 유전자(TNF-α, IL-6, iNOS)의 발현 결과를 도 12a 내지 도 12c에 각각 나타내었다.As a result of the Fe conversion test of the nanoparticle-hydrogel composite, Live/Dead staining pictures and expression results of inflammation-related genes (TNF-α, IL-6, and iNOS) are shown in FIGS. 12A to 12C , respectively.

도 12a를 참조하면, 나노입자-하이드로겔 복합체의 항산화 효과는 48 시간까지 지속되었다(48 시간 기준 56.583±3.887%의 Fe 전환율). 또한, 도 12b에 따르면, 나노입자-하이드로겔 복합체의 표면에 세포를 배양한 후, 400 μM의 H2O2로 처리하고 24 시간 동안 경과한 후에도 Ca-TP 나노입자가 함유된 그룹에서 유의적으로 높은 세포 생존율(99.31±0.5559%)을 나타낸 반면, 대조군에서는 33.78±5.222%,의 세포 생존율을 나타내었다.Referring to FIG. 12a, the antioxidant effect of the nanoparticle-hydrogel composite lasted up to 48 hours (Fe conversion rate of 56.583±3.887% based on 48 hours). In addition, according to FIG. 12b, after culturing cells on the surface of the nanoparticle-hydrogel composite, treatment with 400 μM H 2 O 2 and treatment for 24 hours, there was no significant difference in the Ca-TP nanoparticle-containing group. , which showed a high cell viability (99.31±0.5559%), whereas the control group showed a cell viability of 33.78±5.222%.

또한, 도 12c에 따르면, 나노입자-하이드로겔 복합체의 표면에 RAW 264.7 세포를 분주하고 Lipopolysaccharide(LPS)를 1 μg/ml의 농도로 처리하여 염증반응을 유도한 결과, Ca-TP 입자가 함유된 그룹에서 염증 관련 유전자(TNF-α, IL-6, iNOS)의 발현이 감소하였으며, 염증 반응을 유도하지 않은 그룹과 유사한 정도의 유전자 발현을 확인하였다.In addition, according to FIG. 12c, as a result of inducing an inflammatory response by dispensing RAW 264.7 cells on the surface of the nanoparticle-hydrogel composite and treating with Lipopolysaccharide (LPS) at a concentration of 1 μg/ml, Ca-TP particles containing In the group, the expression of inflammation-related genes (TNF-α, IL-6, iNOS) was decreased, and gene expression was found to be similar to that of the group that did not induce an inflammatory response.

- 골 재생 환경 조절 효과 평가- Evaluation of the effect of adjusting the bone regeneration environment

나노입자-하이드로겔 복합체에 대하여 골 분화 관련 유전자인 OPN에 특이적인 항체를 이용한 형광 면역 염색 결과를 나타내는 그래프, 골 분화 관련 유전자(OPN, RUNX2, OSX)에 대한 유전자 발현율을 확인하기 위한 RT-PCR 결과(14일 간 배양)를 나타내는 사진, Live/Dead 염색 사진, 및 TRACP 분석 결과를 도 13a 내지 도 13d에 각각 나타내었다.A graph showing the results of fluorescence immunostaining using an antibody specific for OPN, a gene related to bone differentiation, for nanoparticle-hydrogel composites, RT-PCR to confirm the gene expression rate for genes related to bone differentiation (OPN, RUNX2, OSX) Photos showing the results (cultivation for 14 days), Live/Dead staining photos, and TRACP analysis results are shown in FIGS. 13A to 13D , respectively.

도 13a에 따르면, hADSC를 분주하고 골 분화 배지에서 14 일간 배양하여 골분화 관련 유전자인 OPN에 특이적인 항체를 이용한 형광면역 염색을 진행한 결과, 대조군에서는 30.84ㅁ3.075%의 OPN 발현율을 나타낸 반면, 나노입자-하이드로겔 복합체에서는 68.72ㅁ3.295%의 발현율을 나타내었는 바, 이는 나노입자-하이드로겔 복합체가 골분화 향상 효과를 나타냄을 지시한다. 또한, 도 13b에서는 나노입자-하이드로겔 복합체에서 유의미한 골 분화 관련 유전자의 발현이 증가함을 보여준다.According to FIG. 13a, hADSC were divided and cultured in an osteogenic differentiation medium for 14 days, and fluorescence immunostaining was performed using an antibody specific for OPN, a gene related to osteogenic differentiation. As a result, the OPN expression rate was 30.84±3.075% in the control group, whereas The nanoparticle-hydrogel composite showed an expression rate of 68.72±3.295%, indicating that the nanoparticle-hydrogel composite exhibited an effect of improving bone differentiation. In addition, FIG. 13B shows a significant increase in the expression of genes related to bone differentiation in the nanoparticle-hydrogel composite.

파골 세포로의 분화억제 효과를 확인하기 위한 테스트 결과, 대조군에서 파골 세포의 특이적인 형태인 다핵성 세포구조를 나타낸 반면, 나노입자-하이드로겔 복합체 그룹에서는 일반 배지에서 성장시킨 세포와 비슷한 수준의 세포 구조를 보였다(도 13c).As a result of the test to confirm the effect of inhibiting differentiation into osteoclasts, the control group showed a multinucleated cell structure, which is a specific type of osteoclast, whereas in the nanoparticle-hydrogel complex group, cells at a similar level to cells grown in a general medium were obtained. structure was shown (Fig. 13c).

한편, 나노입자-하이드로겔 복합체에 RAW 264.7 세포를 분주하여 RANKL 단백질을 포함한 파골세포 분화 배지에서 7일 동안 배양하여 TRACP assay를 진행한 결과, 일반 배지에서 배양한 그룹의 10% 수준의 TRACP 발현율을 나타내었다(도 13d).On the other hand, the TRACP assay was performed by dividing RAW 264.7 cells into the nanoparticle-hydrogel complex and culturing them in an osteoclast differentiation medium containing RANKL protein for 7 days. shown (Fig. 13d).

사. 나노입자-하이드로겔 복합체의 골 재생 효과 평가buy. Evaluation of the bone regeneration effect of nanoparticle-hydrogel composites

나노입자-하이드로겔 복합체에 대하여 쥐 두개골 결손모델에서의 골재생 효능을 분석한 광학 사진, 그리고 재생된 골 부피(BV/TV) 및 재생 면적을 측정한 결과를 도 14a 및 도 14b에 각각 나타내었다.The nanoparticle-hydrogel composites are shown in Figs. 14a and 14b, respectively, for the optical photographs analyzing the bone regeneration efficacy in the rat skull defect model, and for measuring the regenerated bone volume (BV/TV) and regeneration area. .

도 14a를 참조하면, 나노입자-하이드로겔 복합체를 생쥐의 두개골 결손부위에 이식하여 생체재료의 in-vivo 골 재생 효과를 확인하였다. 특히, 골 결손만 존재하는 그룹(Defect) 및 나노입자를 함유하지 않은 하이드로겔을 이식한 그룹(Gel), 및 칼슘-함유 나노입자-하이드로겔 복합체(Ca-TP gel)를 각각 이식한 그룹을 선정하여 진행하였으며, 8주 경과 후 쥐의 두개골을 적출하여 미세단층 촬영법에 의하여 재생정도를 확인한 결과, Ca-TP gel 그룹에서 현저히 높은 재생 정도를 나타내었다.Referring to FIG. 14a , the in-vivo bone regeneration effect of the biomaterial was confirmed by implanting the nanoparticle-hydrogel composite into the skull defect of mice. In particular, a group with only bone defects (Defect), a group implanted with a hydrogel containing no nanoparticles (Gel), and a group implanted with a calcium-containing nanoparticle-hydrogel complex (Ca-TP gel), respectively. After 8 weeks, the rat's skull was removed and the degree of regeneration was confirmed by microtomography. As a result, the Ca-TP gel group showed a remarkably high degree of regeneration.

또한, 도 14b에 따르면, 재생된 골 부피(BV/TV) 및 재생 면적을 정량화한 경우, Ca-TP gel 그룹에서 높은 골 재생 효과를 나타내었으며, 이로부터 칼슘-함유 나노입자-하이드로겔 복합체가 생체 내에서 높은 골재생 효율을 나타냄을 확인하였다.In addition, according to FIG. 14b, when the regenerated bone volume (BV/TV) and regenerated area were quantified, the Ca-TP gel group showed a high bone regeneration effect, from which the calcium-containing nanoparticle-hydrogel composite It was confirmed that it exhibits high bone regeneration efficiency in vivo.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily used by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (18)

a) (i) 폴리페놀계 화합물 및 (ii) 수계 매질에 금속 양이온 및 음이온이 용해된 수용액을 조합하고 제1 염기 성분을 첨가하여 금속-페놀 네트워크가 형성된 폴리페놀계 나노입자를 형성하는 단계; 및
b) 바이오 고분자 기반의 하이드로겔 용액과 상기 나노입자를 조합하여 나노입자-하이드로겔 복합체를 형성하는 단계;
를 포함하는 유-무기 복합체의 제조방법.
a) (i) a polyphenolic compound and (ii) combining an aqueous solution in which metal cations and anions are dissolved in an aqueous medium and adding a first base component to form polyphenolic nanoparticles having a metal-phenolic network; and
b) forming a nanoparticle-hydrogel composite by combining a biopolymer-based hydrogel solution and the nanoparticles;
Method for producing an organic-inorganic composite comprising a.
제1항에 있어서, 상기 단계 b)에 앞서 상기 단계 a)에서 제조된 나노입자의 안정화를 위하여, 나노입자를 함유하는 수용액에 제2 염기 성분을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 1, further comprising the step of adding a second basic component to the aqueous solution containing the nanoparticles to stabilize the nanoparticles prepared in step a) prior to step b). - Manufacturing method of inorganic composite. 제1항에 있어서, 상기 수용액은 적어도 800 mM의 1가 양이온, 적어도 적어도 10 mM의 2가 양이온, 그리고 적어도 5 mM의 포스페이트 음이온을 함유하는 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the aqueous solution contains at least 800 mM monovalent cation, at least 10 mM divalent cation, and at least 5 mM phosphate anion. 제3항에 있어서, 상기 수용액은 구리(Cu), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), 은(Ag), 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속의 양이온을 200 mM까지 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 3, wherein the aqueous solution is copper (Cu), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), tin (Sn), gold (Au), silver (Ag), and A method for producing an organic-inorganic composite, characterized in that it further comprises up to 200 mM of cations of at least one metal selected from the group consisting of aluminum (Al). 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 수용액은 모의체액 또는 농축된 모의체액인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 3 or 4, wherein the aqueous solution is a simulated body fluid or a concentrated simulated body fluid. 제1항에 있어서, 상기 폴리페놀계 화합물은 에피갈로카테킨 갈레이트(Epigallocatechin gallate), 카테킨(catechin), 카테킨-3-갈레이트(catechin-3-gallate), 갈로카테킨(gallocatechin), 갈로카테킨-3-갈레이트(gallocatechin-3-gallate), 카테킨 갈레이트(Catechin gallate), 에피카테킨 (Epicatechin), 갈로카테킨 갈레이트(Gallocatechin gallate), 에피갈로카테킨 (Epigallocatechin), 갈릭산(Gallic acid), 탄닌산(Tannic acid) 및 퀘르세틴 (Quercetin)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the polyphenolic compound is epigallocatechin gallate, catechin, catechin-3-gallate, gallocatechin, gallocatechin -3-gallate, catechin gallate, epicatechin, gallocatechin gallate, epigallocatechin, gallic acid, A method for producing an organic-inorganic complex, characterized in that at least one selected from the group consisting of tannic acid and quercetin. 제1항에 있어서, 상기 바이오 고분자는 젤라틴, 구아검, 잔탄검, 아카시아 검, 카라기난 검, 펙틴, 알지네이트, 콜라겐, 히알루론산, 키토산 및 아가로오스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the biopolymer is at least one selected from the group consisting of gelatin, guar gum, xanthan gum, acacia gum, carrageenan gum, pectin, alginate, collagen, hyaluronic acid, chitosan, and agarose. A method for producing an organic-inorganic composite. 제2항에 있어서, 상기 제1 염기 성분은 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 중탄산칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 그리고
상기 제2 염기 성분은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.
3. The method of claim 2, wherein the first basic component is at least one selected from the group consisting of sodium bicarbonate, potassium bicarbonate and calcium bicarbonate, and
The method for producing an organic-inorganic complex, characterized in that the second basic component is at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium hydroxide.
제1항에 있어서, 상기 폴리페놀계 나노입자 내 폴리페놀의 함량은 5 내지 90 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the polyphenol content in the polyphenol-based nanoparticles ranges from 5 to 90% by weight. 제1항에 있어서, 상기 폴리페놀계 나노입자의 사이즈(DLS)는 100 내지 3000 nm 범위인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the size (DLS) of the polyphenol-based nanoparticles ranges from 100 to 3000 nm. 형광물질과 수계 매질에 금속 양이온 및 음이온이 용해된 수용액을 조합하여 복합 수용액을 제조하는 단계; 및
상기 복합 수용액과 폴리페놀계 화합물을 조합하고, 제1 염기 성분을 첨가하여 금속-페놀 네트워크가 형성된 형광물질-함유 폴리페놀계 나노입자를 형성하는 단계;
를 포함하는 형광성 복합 입자의 제조방법.
preparing a composite aqueous solution by combining a phosphor and an aqueous solution in which metal cations and anions are dissolved in an aqueous medium; and
combining the complex aqueous solution and the polyphenol-based compound and adding a first basic component to form fluorescent material-containing polyphenol-based nanoparticles having a metal-phenol network;
Method for producing fluorescent composite particles comprising a.
제11항에 있어서, 상기 형광물질은 엄벨리페론(umbelliferone), 플루오레신(fluorescein), 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC), 로다민(rhodamine), 탐라(TAMRA), 디클로로트리아지닐아민플루오레신(dichlorotriazinylamine fluorescein), 단실클로라이드(dansyl chloride), 양자점(quantum dots), 피코에리스린(phycoerythrin), FAM(fluorecein amidite), 알 렉사플로어계 (alexa fluor), Cy3, Cy5, Cy7 및 인도시아닌그린으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 형광물질-함유 복합 입자의 제조방법.The method of claim 11, wherein the fluorescent substance is umbelliferone, fluorescein, fluorescein isothiocyanate (FITC), rhodamine, tamra (TAMRA), dichloro Triazinylamine fluorescein, dansyl chloride, quantum dots, phycoerythrin, FAM (fluorecein amidite), alexa fluor, Cy3, Cy5, A method for producing a fluorescent substance-containing composite particle, characterized in that at least one selected from the group consisting of Cy7 and indocyanine green. 제11항에 있어서, 상기 복합 수용액 내 형광물질의 농도는 1 내지 30 μg/ml의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 형광물질-함유 복합 입자의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the concentration of the fluorescent substance in the composite aqueous solution is controlled in the range of 1 to 30 μg/ml. 자성나노 입자와 수계 매질에 금속 양이온 및 음이온이 용해된 수용액을 조합하여 자성 나노입자-함유 수용액을 제조하는 단계; 및
상기 자성 나노입자-함유 수용액과 폴리페놀계 화합물을 조합하고, 제1 염기 성분을 첨가하여 금속-페놀 네트워크를 갖는 자성 복합 나노입자를 형성하는 단계;
를 포함하는 자성 복합 입자의 제조방법.
preparing a magnetic nanoparticle-containing aqueous solution by combining magnetic nanoparticles and an aqueous solution in which metal cations and anions are dissolved in an aqueous medium; and
combining the magnetic nanoparticle-containing aqueous solution with a polyphenol-based compound and adding a first basic component to form magnetic composite nanoparticles having a metal-phenol network;
Method for producing magnetic composite particles comprising a.
제14항에 있어서, 상기 자성 나노입자는 산화 철 입자로서 마그네타이트 및 마그헤마이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 그리고 50 nm 이하의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 자성 복합 입자의 제조방법.15. The method of claim 14, wherein the magnetic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of magnetite and maghemite as iron oxide particles, and have a size of 50 nm or less. 제15항에 있어서, 상기 자성 복합 나노입자는 100 내지 3000 nm 범위의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 자성 복합 입자의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the magnetic composite nanoparticles have a size ranging from 100 to 3000 nm. 제15항에 있어서, 상기 자성 복합 나노입자는 -10 mV 이하의 제타-포텐셜을 나타내는 것을 특징으로 하는 자성 복합 입자의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the magnetic composite nanoparticles exhibit a zeta-potential of -10 mV or less. 제14항에 있어서, 상기 자성 나노입자-함유 수용액 내 자성 나노입자의 농도는 0.05 내지 1 ㎎/ml의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 자성 복합 입자의 제조방법.15. The method of claim 14, wherein the concentration of the magnetic nanoparticles in the magnetic nanoparticle-containing aqueous solution is controlled in the range of 0.05 to 1 mg/ml.
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