KR20230119456A - Self-propelled hybrid amorphous aano-motor, Manufacturing method thereof, and Photothermal agent for photothermal ablation of cancer cell containing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자가 추진 무정형 나노모터 및 이를 연속 흐름식(flow) 합성법으로 제조하는 방법에 관한 것으로서, 셍체 적합성이 우수하고, 생체 내 약물 전달뿐만 아니라, 광열 암 치료에 활용하기에 적합한 무정형 나노모터에 관한 것이다.The present invention relates to a self-propelled amorphous nanomotor and a method for preparing the same by a continuous flow synthesis method, and provides an amorphous nanomotor that has excellent biocompatibility and is suitable for use in photothermal cancer treatment as well as in vivo drug delivery. it's about

Description

자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 암세포 광열 치료용 광열제{Self-propelled hybrid amorphous aano-motor, Manufacturing method thereof, and Photothermal agent for photothermal ablation of cancer cell containing the same}Self-propelled hybrid amorphous aano-motor, Manufacturing method thereof, and Photothermal agent for photothermal ablation of cancer cell containing the same}

본 발명은 자가 추진 무정형 나노모터 및 이를 연속 미세유체 층류 합성법(또는 연속 흐름식(flow) 층류 합성법)으로 제조하는 방법에 관한 것으로서, 셍체 적합성이 우수하고, 생체 내 약물 전달뿐만 아니라, 광열 암 치료에 활용하기에 적합한 무정형 나노모터에 관한 것이다.The present invention relates to a self-propelled amorphous nanomotor and a method for preparing the same by a continuous microfluidic laminar flow synthesis method (or a continuous flow laminar flow synthesis method), which has excellent biocompatibility and provides in vivo drug delivery as well as photothermal cancer treatment It is about an amorphous nanomotor suitable for use in

나노 기술의 발전은 나노 크기의 구조를 형성할 수 있게 했으며 충족되지 않은 의료 요구를 해결하는 나노 의학 분야에 혁명을 일으켰다. 더욱이 화학 촉매(예: H2O2 연료)로 구동되는 마이크로 및 나노 모터의 출현은 상당한 주목을 받았다. 그러나 생체 적합성 문제로 인해 임상 사용이 엄격히 제한되었다. Advances in nanotechnology have made it possible to form nanoscale structures and have revolutionized the field of nanomedicine to address unmet medical needs. Furthermore, the emergence of micro- and nanomotors powered by chemical catalysts (eg H 2 O 2 fuel) has received considerable attention. However, its clinical use has been severely limited due to biocompatibility issues.

최근에는 효소(urease, GOx, catalase 등)에 의해 구동되는 생체촉매 마이크로/나노모터가 생체적합성으로 인해 성공적인 약물 전달을 달성하고 특정 장기(방광, 위 등)의 치료에 적용되고 있으며, 국소 약물 전달 및 손이 닿지 않는 곳에서의 진단에 적용되고 있다. 그러나 생체 촉매 마이크로/나노 모터는 열악한 외부 환경(예: 높거나 낮은 pH 및 높은 이온 농도)에 의해 변성될 수 있기 때문에 이동 속도와 장기간 사용에 제한이 있다. 따라서 실제 의생명 분야에 적용되기 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 많다.Recently, biocatalytic micro/nanomotors driven by enzymes (urease, GO x , catalase, etc.) achieve successful drug delivery due to their biocompatibility and are applied to the treatment of specific organs (bladder, stomach, etc.), and topical drugs It is applied to diagnosis in delivery and out-of-reach places. However, since biocatalytic micro/nano motors can be denatured by harsh external environments (e.g., high or low pH and high ion concentration), they have limitations in their movement speed and long-term use. Therefore, there are still many challenges to be solved in order to be applied in the real biomedical field.

높은 다공성과 넓은 표면적을 가진 결정질 물질의 일종인 금속-유기-프레임워크(MOF)는 살아있는 세포뿐만 아니라 다양한 생체 거대분자를 캡슐화하기 위해 적용되었다. 그 중 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크(ZIF)는 생체 적합성 및 외부 반응성 매질로부터 캡슐화된 보호막을 제공한다. 그러나, 회분식(batch)으로 합성된 고결정성 ZIF-8(micro-pores; 1~2 nm)은 천연 효소에 비해 낮은 효소 활성(5~20배)을 가지는 문제가 있다. Metal-organic-frameworks (MOFs), a type of crystalline material with high porosity and large surface area, have been applied to encapsulate various biomacromolecules as well as living cells. Among them, the zeolite imidazolate framework (ZIF) provides a biocompatible and encapsulated protective film from external reactive media. However, the highly crystalline ZIF-8 (micro-pores; 1-2 nm) synthesized in batches has a problem in that it has lower enzymatic activity (5-20 times) than natural enzymes.

또한, 폴리도파민(Pdop)은 생체 적합성, 빛 또는 pH 반응성 약물 방출 및 광열 요법(PTT)을 통한 국소 암 치료를 위한 생체 영상으로 인해 유망한 물질이다. 그리고, Pdop 기반 마이크로/나노 모터는 강한 조직 접착력으로 조직 침투 능력도 보고된 바 있다. 그러나, Pdop는 가혹한 조건(높거나 낮은 pH)에서 불충분한 안정성은 진단학 또는 조합 요법을 위한 생체 촉매 및 약물 전달에 제한적인 문제가 있다. In addition, polydopamine (Pdop) is a promising material due to its biocompatibility, light- or pH-responsive drug release, and bioimaging for local cancer treatment via photothermal therapy (PTT). In addition, Pdop-based micro/nano motors have been reported to have strong tissue adhesion and tissue penetration ability. However, Pdop's insufficient stability under harsh conditions (high or low pH) is a limiting problem for biocatalysis and drug delivery for diagnostics or combination therapy.

한국 공개특허 10-2019-0040490호(공개일 2019.04.18)Korean Patent Publication No. 10-2019-0040490 (published on 2019.04.18)

1. X. Wu, H. Yue, Y. Zhang, X. Gao, X. Li, L. Wang, Y. Cao, M. Hou, H. An, L. Zhang, S. Li, J. Ma, H. Lin, Y. Fu, H. Gu, W. Lou, W. Wei, R. N. Zare, J. Ge, Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks. Nat. Commun. 10, 1-8 (2019).1. X. Wu, H. Yue, Y. Zhang, X. Gao, X. Li, L. Wang, Y. Cao, M. Hou, H. An, L. Zhang, S. Li, J. Ma, H. Lin, Y. Fu, H. Gu, W. Lou, W. Wei, R. N. Zare, J. Ge, Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks. Nat. Commun. 10, 1-8 (2019). 2. R. Kumar, K. Mondal, P. K. Panda, A. Kaushik, R. Abolhassani, R. Ahuja, H. G. Rubahn, Y. K. Mishra, Core-shell nanostructures: perspectives towards drug delivery applications. J. Mater. Chem. B. 8, 8992-9027 (2020).2. R. Kumar, K. Mondal, P. K. Panda, A. Kaushik, R. Abolhassani, R. Ahuja, H. G. Rubahn, Y. K. Mishra, Core-shell nanostructures: perspectives towards drug delivery applications. J. Mater. Chem. B. 8, 8992-9027 (2020). 3. A. Jin, Y. Wang, K. Lin, L. Jiang, Nanoparticles modified by polydopamine: Working as "drug" carriers. Bioact. Mater. 5, 522-541 (2020).3. A. Jin, Y. Wang, K. Lin, L. Jiang, Nanoparticles modified by polydopamine: Working as "drug" carriers. Bioact. Mater. 5, 522-541 (2020).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연속 흐름식(flow) 합성법이 기능성 기질에서 무정형 유기금속 프레임워크의 특정 성장을 더욱 촉진하고 자가 조립 나노물질의 기공 및 결정도 특성을 쉽게 조정하여 다목적 야누스(Janus) 및 코어-쉘(core@shell) 하이브리드 구조의 신뢰할 수 있는 합성할 수 있음을 알게 되었고, 연속 흐름식(flow) 합성법을 통해 코어-쉘형의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 제조할 수 있는 최적 합성 조건을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 본 발명은 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터 및 이를 제조하는 방법, 이를 이용한 생체 내 약물 전달체, 이를 이용한 암세로 광열 치료용 광열제를 제공하고자 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and the continuous flow synthesis method further promotes the specific growth of an amorphous organometallic framework in a functional matrix and easily characterizes the porosity and crystallinity of self-assembled nanomaterials. It has been found that reliable synthesis of multipurpose Janus and core@shell hybrid structures can be achieved by tuning, and a core-shell type self-propelled hybrid amorphous nanomotor through a continuous flow synthesis method. The present invention was completed by finding out the optimal synthesis conditions that can be produced. That is, the present invention is to provide a self-propelled hybrid amorphous nanomotor, a method for manufacturing the same, an in vivo drug delivery system using the same, and a photothermal agent for photothermal treatment using the same.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터에 관한 것으로서, 코어-쉘 나노입자로서, 폴리도파민을 포함하는 코어; 및 다수의 메조기공(mesopore)이 형성된 유기금속 프레임워크(framework)를 포함하는 쉘;을 포함한다.In order to solve the above problems, the present invention relates to a self-propelled hybrid amorphous nanomotor, which is a core-shell nanoparticle, comprising a core containing polydopamine; and a shell including an organometallic framework in which a plurality of mesopores are formed.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 다수의 메조기공 적어도 일부는 자가 추진체가 결합되어 있다.As a preferred embodiment of the present invention, at least some of the plurality of mesopores are coupled with a self-propelling material.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 자가 추진체는 우레아제 (urease), 글루코오스 옥시다아제 (glucose oxidase) 및 카탈레이스 (catalase) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the self-propelling body may include at least one selected from urease, glucose oxidase and catalase.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 전달대상물질은 효소, 단백질, DNA및 화학적 약물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the transfer target material may include at least one selected from enzymes, proteins, DNA, and chemical drugs.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 코어 및 쉘 중 어느 하나 이상은 효소, 단백질, DNA및 화학적 약물 중에서 선택된 1종 이상의 생체내 전달물질을 담지하고 있을 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, at least one of the core and the shell may carry at least one in vivo delivery material selected from enzymes, proteins, DNA, and chemical drugs.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 생체내 전달물질 중 상기 효소는 프로테이나제K(proteinase K), 트립신(trypsin), 리신(lysine), 및 키모트립신 (chymotrypsin) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the enzyme in the in vivo delivery material includes at least one selected from proteinase K, trypsin, lysine, and chymotrypsin. can do.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 유기금속 프레임워크는 무정형이고, 상기 유기금속 프레임워크는 ZIF(Zeolitic imidazole framework)-7, ZIF-8, ZIF-67, ZIF-8-90, ZIF-11, ZIF-12, HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology-1), MIL-53 (Material Institute Lavoisier-53) 및 UIO-66 (Universitetet i Oslo-66) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the organometallic framework is amorphous, and the organometallic framework is ZIF (Zeolitic imidazole framework)-7, ZIF-8, ZIF-67, ZIF-8-90, ZIF-11 , ZIF-12, HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology-1), MIL-53 (Material Institute Lavoisier-53), and UIO-66 (Universitetet i Oslo-66). there is.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 코어-쉘 나노입자는 평균직경 100 ~ 400 nm 이고, 상기 쉘은 두께 10 ~ 100 nm 일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the core-shell nanoparticles may have an average diameter of 100 to 400 nm, and the shell may have a thickness of 10 to 100 nm.

본 발명의 다른 목적은 앞서 설명한 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법에 관한 발명으로서, 제1반응부 및 제2반응부가 직렬로 일체화되어 구성된 직렬형 모세 반응기를 이용한 연속 미세유체 층류 합성법(또는 연속 흐름식 층류 합성법)을 수행하여 제조할 수 있다. Another object of the present invention is a method for manufacturing the self-propelled hybrid amorphous nanomotor described above, which is a continuous microfluidic laminar flow synthesis method (or continuous It can be prepared by performing a flow-type laminar flow synthesis method).

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 직렬형 모세 반응기의 상기 제1반응부에서, 폴리도파민을 포함하는 코어; 및 유기금속 프레임워크(framework)를 포함하는 쉘;을 포함하는 무정형 나노모터가 합성 및 형성될 수 잇다.As a preferred embodiment of the present invention, in the first reaction unit of the tandem capillary reactor, a core containing polydopamine; And a shell comprising an organometallic framework; an amorphous nanomotor comprising a can be synthesized and formed.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 직렬형 모세 반응기의 상기 제2반응부에서, 합성된 무정형 나노모터의 쉘에 형성된 다수의 메조기공의 적어도 일부에 자가 추진체가 포획되어 결합될 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, in the second reaction unit of the tandem capillary reactor, the self-propellant may be captured and bound to at least a portion of the plurality of mesopores formed in the shell of the synthesized amorphous nanomotor.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 제1반응부의 초입부에는 복수 개의 제1반응물 주입구가 결합된 합류부를 포함하고, 상기 합류부는 복수 개의 주입구 각각에서 유입되는 물질이 동시에 합류되도록 형성되며, 제1반응부의 말단부 내지 제2반응부 초입부에 제2반응물 주입구가 형성되어 있을 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the inlet of the first reaction unit includes a confluence to which a plurality of first reactant inlets are coupled, and the confluence is formed so that substances introduced from each of the plurality of inlets are simultaneously joined, An inlet for the second reactant may be formed at the end of the first reaction unit or at the beginning of the second reaction unit.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 복수 개의 제1반응물 주입구는 제1주입구, 제2주입구 및 제3주입구를 포함하고, 제1주입구로는 금속이온 전구체 용액이 주입되고, 제2주입구로는 폴리도파민 나노입자 용액이 주입되며, 제3주입구로는 유기리간드 전구체 용액이 주입될 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the plurality of first reactant inlets include a first inlet, a second inlet and a third inlet, a metal ion precursor solution is injected into the first inlet, and a second inlet is injected. A polydopamine nanoparticle solution is injected, and an organic ligand precursor solution may be injected through the third inlet.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 제2반응물 주입구로는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액이 주입될 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, a solution containing a self-propellant or a precursor solution of a self-propellant may be injected into the second reactant inlet.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 금속이온 전구체 용액의 금속이온 전구체는 아연이온(Zn2+) 전구체를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the metal ion precursor of the metal ion precursor solution may include a zinc ion (Zn 2+ ) precursor.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 금속이온 전구체 용액은 금속이온 전구체 농도가 8.0 ~ 15.0 mg/ml일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the metal ion precursor solution may have a metal ion precursor concentration of 8.0 to 15.0 mg/ml.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 유기리간드 전구체 용액은 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 에탄디오산(ethanedioic acid), 프로판디오산(propanedioic acid), 부탄디오산(butanedioic acid), 펜탄디오산(pentanedioic acid), o-프탈산(o-phthalic acid), m-프탈산(m-phthalic acid), p-프탈산(p-phthalic acid), 2-히드록시-1,2,3-프로판트리카르복실산(2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 1H-1,2,3-트리아졸(1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-트리아졸(1H-1,2,4-triazole) 및 3,4-디히드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 유기 리간드 전구체를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the organic ligand precursor solution is 2-methylimidazole, ethanedioic acid, propanedioic acid, butanedioic acid , pentanedioic acid, o-phthalic acid, m-phthalic acid, p-phthalic acid, 2-hydroxy-1,2,3- 2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid, benzene-1,3,5-tricarboxylic acid, 1H-1,2 ,3-triazole (1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-triazole (1H-1,2,4-triazole) and 3,4-dihydroxy-3-cyclo An organic ligand precursor including at least one selected from butene-1,2-dione (3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) may be included.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 유기리간드 전구체 용액은 유기 리간드 전구체 농도가 70 ~ 140 mg/ml일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the organic ligand precursor solution may have an organic ligand precursor concentration of 70 to 140 mg/ml.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 폴리도파민 나노입자 용액은 폴리도파민 나노입자 함량이 0.05 ~ 1.0 중량%로 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the polydopamine nanoparticle solution may contain 0.05 to 1.0% by weight of polydopamine nanoparticles.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 자가 추진체 함유액은 자가 추진체 농도가 1 ~ 20 mg/ml이며, 상기 자가 추진체의 전구체 용액은 자가 추진체의 전구체 농도가 1 ~ 20 mg/ml일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the self-propellant-containing liquid may have a self-propellant concentration of 1 to 20 mg/ml, and the self-propellant precursor solution may have a self-propellant precursor concentration of 1 to 20 mg/ml.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 자가 추진체는 우레아제 (urease), 글루코오스 옥시다아제 (glucose oxidase) 및 카탈레이스 (catalase) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the self-propelling body may include at least one selected from urease, glucose oxidase and catalase.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법은 하기 방정식 1을 만족하는 조건에서 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 합성할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the manufacturing method of the present invention can synthesize a self-propelled hybrid amorphous nanomotor under conditions satisfying Equation 1 below.

[방정식 1][Equation 1]

20 ≤ B/A ≤ 6020 ≤ B/A ≤ 60

방정식 1에서, A는 제2반응물 주입구로 주입되는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액의 유량이며, B는 제2주입구로 주입되는 폴리도파민 나노입자 용액의 유량이다.In Equation 1, A is the flow rate of the self-propellant-containing liquid or the precursor solution of the self-propellant injected through the second reactant inlet, and B is the flow rate of the polydopamine nanoparticle solution injected through the second inlet.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법은 하기 방정식 2를 만족하는 조건에서 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 합성할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the manufacturing method of the present invention can synthesize a self-propelled hybrid amorphous nanomotor under conditions satisfying Equation 2 below.

[방정식 2][Equation 2]

10 ≤ (C+D)/A ≤ 2010 ≤ (C+D)/A ≤ 20

방정식 2에서, A는 제2반응물 주입구로 주입되는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액의 유량이며, C는 제1주입구로 주입되는 금속이온 전구체 용액의 유량이고, D는 제3주입구로 주입되는 유기리간드 전구체 용액의 유량을 합한 유량이다.In Equation 2, A is the flow rate of the self-propellant-containing liquid or the precursor solution of the self-propellant injected into the second reactant inlet, C is the flow rate of the metal ion precursor solution injected into the first inlet, and D is injected into the third inlet. It is the sum of the flow rates of the organic ligand precursor solution.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법은 연속 미세유체 층류 합성법을 수행하여 합성 및 수득한 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 멤브레인 여과시켜서 쉘의 성장을 제한시키는 공정을 더 수행할 수도 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the manufacturing method of the present invention may further perform a process of restricting the growth of the shell by membrane filtration of the self-propelled hybrid amorphous nanomotor synthesized and obtained by performing the continuous microfluidic laminar flow synthesis method. .

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법은 쉘의 성장을 제한시키는 공정을 수행한 후, 세척 및 건조를 수행하는 공정을 더 수행할 수도 이다.As a preferred embodiment of the present invention, the manufacturing method of the present invention may further perform a process of performing washing and drying after performing a process of limiting the growth of the shell.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 직렬형 모세 반응기는 제1반응부 및/또는 제2반응부에 제3반응물 주입구를 더 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the series-type capillary reactor of the present invention may further include a third reactant inlet in the first reaction part and/or the second reaction part.

본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 제3반응물 주입구는 상기 코어-쉘 나노입자의 코어 및/또는 쉘에 담지되는 효소, 단백질, DNA및 화학적 약물 중에서 선택된 1종 이상의 생체내 전달물질이 주입될 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, at least one in vivo delivery material selected from among enzymes, proteins, DNA, and chemical drugs supported on the core and/or shell of the core-shell nanoparticle is injected into the third reactant inlet. can

본 발명의 또 다른 목적은 앞서 설명한 하이브리드 무정형 나노모터를 암세포 광열 치료용 광열제로 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide the above-described hybrid amorphous nanomotor as a photothermal agent for photothermal treatment of cancer cells.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 앞서 설명한 하이브리드 무정형 나노모터를 이용한 생체 내 약물 전달체를 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide an in vivo drug delivery system using the hybrid amorphous nanomotor described above.

본 발명의 하이브리드 무정형 나노모터는 생체 적합성 및 내구성이 우수하며, 폴리도파민 나노 입자(<30%) 결정성 나노모터(<50%) 보다 훨씬 향상된 이동성(>80%)을 가지며, 이러한 본 발명의 나노모터는 암세포 등에 대한 광열치료용 광열제, 효소, 단백질, 약물 등의 생체내 전달체 등으로 사용하기 적합하며, 다양한 나노 생체 의학 응용 제품으로 적용할 수 있다.The hybrid amorphous nanomotor of the present invention has excellent biocompatibility and durability, and has much improved mobility (>80%) than polydopamine nanoparticles (<30%) and crystalline nanomotors (<50%). Nanomotors are suitable for use as photothermal agents for photothermal treatment of cancer cells, etc., as in vivo carriers for enzymes, proteins, drugs, etc., and can be applied to various nano-biomedical applications.

도 1a는 본 발명의 연속 흐름식 합성법에 사용되는 직렬형 모세 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 1b는 준비예 1에서 제조한 직렬형 모세 반응기의 사진 및 개략적인 설계도이다.
도 1c의 A는 실시예 1에서 직렬형 모세 반응기(유리 모세관, 내부 직경 0.125cm, 전체 길이 20cm) 를 이용하여 하이브리드 무정형 나노모터(Pdop@enzyme@amorphous ZIF-8)를 연속 흐름식 합성법으로 제조하는 개략적인 공정도이며, 이를 이용하여 순차적인 광열 요법을 통해 암세포를 제거하는 개략도를 나타낸 것이며, B는 실시예 1의 나노모터 합성 조건을 나타낸 것이다.
도 3은 실험예 1에서 실시한 실시예 1(조건 C2), 비교예 1(조건 C1) 및 비교예 3(조건 C3)에서 나노모터 합성시 계면활성도 측정 결과이다.
도 2의 a)는 실험예 1에서 실시에 사용된 유동 시스템 사진이고, b)는 흐름 시스템의 개략도이고, C)는 첫 번째 및 두 번째 혼합 영역에서 삼중 및 사중 층류의 현미경 이미지(Top-1 흐름: 파란색 염료, middle 흐름 : FITC 염료, bottom 흐름: 적색 염료, 및 Top-2 흐름: 로다민 B 염료)이다.
도 4는 실험예 2에서 실시한 실시예 1, 비교예 1~2에서 제조한 나노모터에 대한 XRD 및 BET 기공 측정 결과이다.
도 5는 실험예 3에서 실시한 반응종결 조건에 따른 나노모터의 결정 구조 확인 측정 결과로서, a)는 XRD 측정 이미지이고, b)는 SEM 측정 이미지이다.
도 6은 실험예 4에서 실시한 실시예 1및 비교예 1~3의 나노모터의 우레아제의 상대적 활성도 측정 그래프이다.
도 7은 실험예 5에서 실시한 효소 공동 포획 측정 이미지이다.
도 8은 실험예 6에서 실시한 나노모터의 입자 특성 측정 이미지이다.
도 9는 실험예 6에서 실시한 Pdop 나노입자, C-모터, A-모터의 SEM 이미지, DLS 측정 및 쉘 두께 측정 결과이다.
도 10은 실험예 7에서 실시한 광열 특성 실험 결과이다.
도 11은 A-모터의 농도별, NIR 세기별 및 NIR 세기별 적외선 열화상 이미지이다.
도 12는 실험예 7에서 실시한, Pdop 나노입자(Pdop/native urease, non-core@shell), A-모터(실시예 1), C-모터(비교예 3)의 장기 활성도 평가 결과이다.
도 13은 실험예 7에서 실시한, Pdop 나노입자, A-모터(실시예 1), C-모터(비교예 3)의 생체 촉매 운동 측정 결과이다.
도 14는 실험예 7에서 실시한, Pdop 나노입자, A-모터(실시예 1), C-모터(비교예 3)의 pH 변화 및 우레아 농도에 따른 Pdop 분해 억제율 측정,즉 내구성 측정 결과이다.
도 15는 실험예 8에서 실시한 A-모터의 생체 적합성 측정 결과로서, Pdop 나노입자와 A-모터에 대한 NIH3GT3 세포독성 측정 결과이다.
도 16은 실험예 8에서 실시한 암세포에 대한 A-모터의 내재화 및 흡수 평가에 대한 공초점 현미경 측정 이미지이다.
Figure 1a is a schematic cross-sectional view of a tandem capillary reactor used in the continuous flow synthesis method of the present invention.
Figure 1b is a photograph and schematic design of the tandem capillary reactor prepared in Preparation Example 1.
Figure 1c A shows a hybrid amorphous nanomotor (Pdop@enzyme@amorphous ZIF-8) prepared in Example 1 by continuous flow synthesis using a series capillary reactor (glass capillary, internal diameter 0.125 cm, total length 20 cm) It is a schematic process diagram showing a schematic diagram of removing cancer cells through sequential photothermal therapy using the same, and B shows nanomotor synthesis conditions of Example 1.
FIG. 3 is a result of measuring surface activity in the synthesis of nanomotors in Example 1 (Condition C2), Comparative Example 1 (Condition C1), and Comparative Example 3 (Condition C3) conducted in Experimental Example 1. FIG.
2, a) is a photograph of the flow system used in Experimental Example 1, b) is a schematic diagram of the flow system, and C) is a microscope image of triple and quadruple laminar flow in the first and second mixing regions (Top-1 flow: blue dye, middle flow: FITC dye, bottom flow: red dye, and Top-2 flow: rhodamine B dye).
4 is XRD and BET pore measurement results for the nanomotors prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 conducted in Experimental Example 2.
5 is a measurement result of confirming the crystal structure of the nanomotor according to the reaction termination conditions conducted in Experimental Example 3, in which a) is an XRD measurement image and b) is an SEM measurement image.
6 is a graph showing the relative activity of urease of the nanomotors of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 in Experimental Example 4;
7 is an image of enzyme co-capture measurement conducted in Experimental Example 5.
8 is a particle characteristic measurement image of a nanomotor performed in Experimental Example 6.
9 shows SEM images, DLS measurement, and shell thickness measurement results of Pdop nanoparticles, C-motor, and A-motor conducted in Experimental Example 6.
10 is a photothermal characteristic test result conducted in Experimental Example 7.
11 is an infrared thermal image for each concentration, each NIR intensity, and each NIR intensity of the A-motor.
12 is a result of long-term activity evaluation of Pdop nanoparticles (Pdop/native urease, non-core@shell), A-motor (Example 1), and C-motor (Comparative Example 3) conducted in Experimental Example 7.
13 is a biocatalytic motion measurement result of Pdop nanoparticles, A-motor (Example 1), and C-motor (Comparative Example 3) conducted in Experimental Example 7.
14 is a measurement of Pdop degradation inhibition rate according to pH change and urea concentration of Pdop nanoparticles, A-motor (Example 1), and C-motor (Comparative Example 3) conducted in Experimental Example 7, that is, durability measurement results.
15 is a result of measuring the biocompatibility of the A-motor performed in Experimental Example 8, and is a result of measuring the cytotoxicity of NIH3GT3 for Pdop nanoparticles and the A-motor.
16 is a confocal microscope measurement image for the internalization and uptake evaluation of the A-motor in cancer cells performed in Experimental Example 8.

이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명을 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 근적외선(NIR, near infrared ray) 등을 이용한 광열치료(PTT, photothermal therapy)용 광열제, 생체 전달체 등의 나노 생체 의학 응용 제품으로 사용될 수 있는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터에 관한 것으로서, 본 발명의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터는 코어-쉘 나노입자 형태이며, 폴리도파민을 포함하는 코어; 및 다수의 메조기공(mesopore)이 형성된 유기금속 프레임워크(framework)를 포함하는 쉘;을 포함한다.The present invention relates to a self-propelled hybrid amorphous nanomotor that can be used as a nano-biomedical application product such as a photothermal agent for photothermal therapy (PTT) using near infrared ray (NIR), etc., and a biocarrier. The self-propelled hybrid amorphous nanomotor of the present invention is in the form of core-shell nanoparticles, and includes a core containing polydopamine; and a shell including an organometallic framework in which a plurality of mesopores are formed.

그리고, 상기 다수의 메조기공 적어도 일부는 자가 추진체가 결합되어 있으며, 쉘에 결합된 상기 자가 추진체는 쉘에 비대칭적으로 분포하여 나노모터로서 내구성 있는 생체 촉매 활성을 가질 수 있다.In addition, at least some of the plurality of mesopores are coupled with self-propellants, and the self-propellants coupled to the shell are asymmetrically distributed in the shell to have durable biocatalytic activity as nanomotors.

상기 자가 추진체는 우레아제 (urease), 글루코오스 옥시다아제 (glucose oxidase) 및 카탈레이스 (catalase) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The self-propelling body may include at least one selected from urease, glucose oxidase, and catalase.

자가 추진체로서 우레아제 적용시, 우레아(요소, NH3)와의 화학반응을 통해 강한 추진력을 얻을 수 있으며, 이 경우, 본 발명이 무정형 나노모터는 방광암 세포에 대한 PTT용 광열제로 적용하기에 적합할 수 있다.When urease is applied as a self-propellant, strong driving force can be obtained through a chemical reaction with urea (urea, NH 3 ). In this case, the amorphous nanomotor of the present invention may be suitable for application as a photothermal agent for PTT to bladder cancer cells. there is.

그리고, 상기 코어 및/또는 쉘의 메조기공에는 효소, 단백질, DNA 및 화학적 약물 등을 물질을 담지할 수 있는 바, 본 발명의 나노모터는 생체내 전달체로 사용할 수 있다.In addition, materials such as enzymes, proteins, DNA, and chemical drugs can be supported in the mesopores of the core and/or the shell, so that the nanomotor of the present invention can be used as an in vivo delivery system.

담지되는 전달대상물질 중 상기 효소의 바람직한 일례를 들면, 상기 효소는 프로테이나제K(proteinase K), 펩신(pepsin), 트립신(trypsin), 리신(lysine), 및 키모트립신(chymotrypsin) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.For a preferred example of the enzyme among the supported materials to be transferred, the enzyme is selected from proteinase K, pepsin, trypsin, lysine, and chymotrypsin. One or more may be included.

상기 유기금속 프레임워크는 무정형(amorphous, 비결정성)의 유기금속 프레임워크이며, 상기 유기금속 프레임워크는 ZIF(Zeolitic imidazole framework)로 구성될 수 있고, 바람직하게는 ZIF(Zeolitic imidazole framework)-7, ZIF-8, ZIF-67, ZIF-8-90, ZIF-11,ZIF-12, HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology-1), MIL-53 (Material Institute Lavoisier-53) 및 UIO-66 (Universitetet i Oslo-66) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 ZIF로 구성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 ZIF-7 및 ZIF-8 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 ZIF 로 구성될 수 있다.The organometallic framework is an amorphous (amorphous) organometallic framework, and the organometallic framework may be composed of ZIF (Zeolitic imidazole framework), preferably ZIF (Zeolitic imidazole framework)-7, ZIF-8, ZIF-67, ZIF-8-90, ZIF-11,ZIF-12, HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology-1), MIL-53 (Material Institute Lavoisier-53) and UIO- 66 (Universitetet i Oslo-66), and more preferably a ZIF including at least one selected from ZIF-7 and ZIF-8.

상기 쉘에 형성된 메조기공의 크기는 2 ~ 20nm, 바람직하게는 2 ~ 15nm, 더욱 바람직하게는 2 ~ 8 nm일 수 있다.The size of the mesopores formed in the shell may be 2 to 20 nm, preferably 2 to 15 nm, and more preferably 2 to 8 nm.

본 발명의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터(또는 상기 코어-쉘 나노입자)는 평균직경 100 ~ 400 nm, 바람직하게는 150 ~ 350 nm, 더욱 바람직하게는 160 ~ 320 nm 정도일 수 있다.of the present invention The self-propelled hybrid amorphous nanomotor (or the core-shell nanoparticle) may have an average diameter of 100 to 400 nm, preferably 150 to 350 nm, and more preferably 160 to 320 nm.

그리고, 상기 코어-쉘 나노입자의 쉘 두께는 10 ~ 100 nm, 바람직하게는 10 ~ 60 nm, 더 바람직하게는 10 ~ 35 nm 정도의 두께를, 더 더욱 바람직하게는 12 ~ 25 nm 정도의 두께를 가질 수 있다.And, the shell thickness of the core-shell nanoparticles is 10 to 100 nm, preferably 10 to 60 nm, more preferably 10 to 35 nm, and even more preferably 12 to 25 nm. can have

이러한, 본 발명은 연속 미세유체 층류 합성법(또는 연속 흐름식(flow) 층류 합성법)을 통해서 제조함으로서, 무정형의 유기금속 프레임워크를 형성하여 메조기공에 결합되는 효소 등의 활성을 크게 향상시킬 수 있다.Such, the present invention is prepared through a continuous microfluidic laminar flow synthesis method (or continuous flow laminar flow synthesis method), thereby forming an amorphous organometallic framework to greatly improve the activity of enzymes coupled to mesopores. .

상기 연속 미세유체 층류 합성법은 복수의 반응부가 직렬로 일체화되어 구성된 직렬형 모세 반응기를 이용하여 수행할 수 있으며, 바람직한 일례를 들면, 도 1a에 개략도로 나타낸 바와 같이, 제1반응부(30) 및 제2반응부(50)가 직렬로 일체화되어 구성된 직렬형 모세 반응기(100)를 사용하여 합성을 수행할 수 있다. The continuous microfluidic laminar flow synthesis method can be performed using a series-type capillary reactor configured by integrating a plurality of reaction units in series, and for example, as schematically shown in FIG. 1A, the first reaction unit 30 and The synthesis may be performed using a series-type capillary reactor 100 configured by integrating the second reaction unit 50 in series.

상기 직렬형 모세 반응기(100)는 제1반응부(30)의 초입부에는 복수 개의 제1반응물 주입구가 결합된 합류부(10)를 포함하고, 상기 합류부(10)는 복수 개의 주입구 각각에서 유입되는 물질이 동시에 합류되도록 형성될 수 있다. The tandem capillary reactor 100 includes a confluence part 10 to which a plurality of first reactant inlets are coupled to the inlet of the first reaction part 30, and the confluence part 10 is formed at each of the plurality of inlets. It may be formed so that the incoming material is joined at the same time.

그리고, 상기 복수 개의 제1반응물 주입구는 제1주입구(1), 제2주입구(2) 및 제3주입구(3)를 포함하는 삼지창 형태로 형성될 수도 있으며, 그 형태는 복수 개의 제1반응물 주입구를 통해 주입되는 반응물이 동시에 합류되는 형태라면 주입구와 합류부 형태는 특별하게 제한되지 않는다.In addition, the plurality of first reactant inlets may be formed in a trident shape including a first inlet 1, a second inlet 2, and a third inlet 3, and the shape is a plurality of first reactant inlets. The shape of the inlet and the confluence is not particularly limited as long as the reactants injected through are joined at the same time.

또한, 제1반응부(30)의 말단부 내지 제2반응부 초입부에 제2반응물 주입구(또는 제4주입구, 4)가 형성되어 있을 수 있다.In addition, a second reactant inlet (or a fourth inlet, 4) may be formed at the end of the first reaction unit 30 or at the beginning of the second reaction unit.

앞서 설명한 코어-쉘 형태의 본 발명의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터는 상기 제1반응부에서, 폴리도파민을 포함하는 코어; 및 유기금속 프레임워크(framework)를 포함하는 쉘;을 포함하는 코어-쉘 형태의 무정형 나노모터가 합성되고, 상기 제2반응부에서, 합성된 무정형 나노모터의 쉘에 형성된 다수의 메조기공의 적어도 일부에 자가 추진체를 결합시켜서 제조할 수 있다.The above-described core-shell type self-propelled hybrid amorphous nanomotor of the present invention includes a core containing polydopamine in the first reaction unit; and a shell including an organometallic framework; a core-shell type amorphous nanomotor is synthesized, and at least a plurality of mesopores formed in the shell of the synthesized amorphous nanomotor are synthesized in the second reaction unit. It can be manufactured by incorporating a self-propelling body into some of them.

그리고, 제1주입구로는 금속이온 전구체 용액을 주입시키고, 제2주입구로는 폴리도파민 나노입자 용액을 주입시키고, 제3주입구로는 유기리간드 전구체 용액을 주입시키며, 상기 제2반응물 주입구로는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액을 주입시켜서 연속 미세유체 합성을 수행할 수 있다.In addition, a metal ion precursor solution is injected into the first inlet, a polydopamine nanoparticle solution is injected into the second inlet, an organic ligand precursor solution is injected into the third inlet, and a self-reactant is injected into the second reactant inlet. Continuous microfluidic synthesis may be performed by injecting a propellant-containing liquid or a precursor solution of a self-propellant.

상기 제1 ~ 4주입구로 주입되는 반응물의 주입속도(또는 유량)에 따라 무정형 나노모터 형성 정도, 자가 추진체의 결합 정도 등에 큰 영향을 미치게 되며, 하기 방정식 1 및 방정식 2를 만족하도록 반응물을 주입하는 것이 바람직하다.Depending on the injection rate (or flow rate) of the reactants injected into the first to fourth inlets, the degree of amorphous nanomotor formation, the degree of self-propellant bonding, etc. have a great effect, and the reactants are injected to satisfy the following equations 1 and 2 it is desirable

[방정식 1][Equation 1]

20 ≤ B/A ≤ 60, 바람직하게는 20≤ B/A ≤ 45, 더욱 바람직하게는 23≤ B/A ≤ 3520 ≤ B/A ≤ 60, preferably 20 ≤ B/A ≤ 45, more preferably 23 ≤ B/A ≤ 35

방정식 1에서, A는 제2반응물 주입구로 주입되는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액의 유량이며, B는 제2주입구로 주입되는 폴리도파민 나노입자 용액의 유량이다.In Equation 1, A is the flow rate of the self-propellant-containing liquid or the precursor solution of the self-propellant injected through the second reactant inlet, and B is the flow rate of the polydopamine nanoparticle solution injected through the second inlet.

[방정식 2][Equation 2]

10 ≤ (C+D)/A ≤ 20, 바람직하게는 12 ≤ (C+D)/A ≤ 19, 더욱 바람직하게는 14 ≤ (C+D)/A ≤ 1810 ≤ (C+D)/A ≤ 20, preferably 12 ≤ (C+D)/A ≤ 19, more preferably 14 ≤ (C+D)/A ≤ 18

방정식 2에서, A는 제2반응물 주입구로 주입되는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액의 유량이며, C는 제1주입구로 주입되는 금속이온 전구체 용액의 유량이고, D는 제3주입구로 주입되는 유기리간드 전구체 용액의 유량을 합한 유량이다.In Equation 2, A is the flow rate of the self-propellant-containing liquid or the precursor solution of the self-propellant injected into the second reactant inlet, C is the flow rate of the metal ion precursor solution injected into the first inlet, and D is injected into the third inlet. It is the sum of the flow rates of the organic ligand precursor solution.

상기 방정식 1 및/또는 방정식 2를 만족하지 못하는 경우, 코어-쉘 나노입자의 쉘을 형성하는 유기금속 프레임워크가 결정성으로 형성되는 비율이 크게 증가하여, 무정형 나노모터 합성 수율이 너무 낮아지는 문제가 있을 수 있고, 코어-쉘 나노입자에 결합되는 자가 추진체의 양이 너무 적어서 무정형 나노모터의 생체내 이동성이 좋지 않고, 무정형 나노입자의 생체내 활성도, 내구성 등의 물성이 부족한 문제가 발생할 수 있다.When Equation 1 and/or Equation 2 are not satisfied, the rate at which the organometallic framework forming the shell of the core-shell nanoparticle is crystalline increases significantly, resulting in too low synthesis yield of amorphous nanomotors. There may be, and the amount of self-propellant coupled to the core-shell nanoparticles is too small, resulting in poor in vivo mobility of the amorphous nanomotor and insufficient physical properties such as in vivo activity and durability of the amorphous nanoparticles. .

제1주입구로 주입되는 상기 금속이온 전구체 용액은 금속이온 전구체, 바람직하게는 아연이온(Zn2+) 전구체를 포함할 수 있으며, 상기 아연이온 전구체는 질산아연, 염화아연, 및 아세트산아연 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The metal ion precursor solution injected through the first inlet may include a metal ion precursor, preferably a zinc ion (Zn 2+ ) precursor, and the zinc ion precursor is one selected from zinc nitrate, zinc chloride, and zinc acetate. May include more than one species.

그리고, 상기 금속이온 전구체 용액은 금속이온 전구체 농도가 8.0 ~ 15.0 mg/ml, 바람직하게는 8.0 ~ 13.0 mg/ml, 더욱 바람직하게는 8.5 ~ 12.5 mg/ml일 수 있다. 이때, 금속이온 전구체 농도가 8.0 mg/ml 미만이면 농도가 너무 낮아서 유기금속 프레임워크 형성이 잘 되지 않을 수 있고, 금속이온 전구체 농도가 15.0 mg/ml를 초과하면 쉘 두께가 너무 두껍게 형성되어 나노모터 크기가 너무 커져서 생체내 이동성이 좋지 않을 수 있으므로 상기 범위 내의 농도를 금속이온 전구체 용액을 주입하는 것이 좋다.And, the metal ion precursor solution may have a metal ion precursor concentration of 8.0 to 15.0 mg/ml, preferably 8.0 to 13.0 mg/ml, and more preferably 8.5 to 12.5 mg/ml. At this time, if the concentration of the metal ion precursor is less than 8.0 mg/ml, the concentration is too low, and the organic metal framework may not be formed well. If the concentration of the metal ion precursor exceeds 15.0 mg/ml, the shell thickness is too thick to form the nanomotor. Since the size may be too large and mobility in vivo may be poor, it is preferable to inject the metal ion precursor solution at a concentration within the above range.

또한, 제2주입구로 주입되는 폴리도파민 나노입자 용액은 폴리도파민 나노입자 함량이 0.05 ~ 1.0 중량%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.8 중량%, 더욱 바람직하게는 0.08 ~ 0.6 중량%인 것이 좋으며, 이때, 폴리도파민 나노입자 함량이 0.05 중량% 미만이거나 1.0 중량%를 초과하면 코어-쉘 나노입자 수율이 낮아지는 문제가 있을 수 있다.In addition, the polydopamine nanoparticle solution injected through the second injection port preferably has a polydopamine nanoparticle content of 0.05 to 1.0% by weight, preferably 0.05 to 0.8% by weight, more preferably 0.08 to 0.6% by weight, at this time, If the polydopamine nanoparticle content is less than 0.05% by weight or more than 1.0% by weight, there may be a problem in that the yield of core-shell nanoparticles is lowered.

또한, 제3주입구로 주입되는 상기 유기리간드 전구체 용액은 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 에탄디오산(ethanedioic acid), 프로판디오산(propanedioic acid), 부탄디오산(butanedioic acid), 펜탄디오산(pentanedioic acid), o-프탈산(o-phthalic acid), m-프탈산(m-phthalic acid), p-프탈산(p-phthalic acid), 2-히드록시-1,2,3-프로판트리카르복실산(2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 1H-1,2,3-트리아졸(1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-트리아졸(1H-1,2,4-triazole) 및 3,4-디히드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 유기 리간드 전구체를 포함할 수 있다.In addition, the organic ligand precursor solution injected through the third inlet includes 2-methylimidazole, ethanedioic acid, propanedioic acid, butanedioic acid, Pentanedioic acid, o-phthalic acid, m-phthalic acid, p-phthalic acid, 2-hydroxy-1,2,3-propane 2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid, benzene-1,3,5-tricarboxylic acid, 1H-1,2, 3-triazole (1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-triazole (1H-1,2,4-triazole) and 3,4-dihydroxy-3-cyclobutene An organic ligand precursor containing at least one selected from -1,2-dione (3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) may be included.

그리고, 상기 유기리간드 전구체 용액은 유기 리간드 전구체 농도가 70 ~ 140 mg/ml, 바람직하게는 80 ~ 135 mg/ml, 더욱 바람직하게는 85 ~ 125 mg/ml인 것이 적절하며, 유기 리간드 전구체 농도가 70 mg/ml 미만이면 유기금속 프레임워크 형성이 잘 되지 않을 수 있고, 유기 리간드 전구체 농도가 140 mg/ml를 초과하면 미반응 유기 리간드 전구체가 다량 발생하고, 메조기공 형성에 불리할 수 있으므로 상기 범위 내의 농도로 사용하는 것이 좋다.In addition, the organic ligand precursor solution preferably has an organic ligand precursor concentration of 70 to 140 mg/ml, preferably 80 to 135 mg/ml, and more preferably 85 to 125 mg/ml. If it is less than 70 mg/ml, formation of an organometallic framework may not be successful, and if the organic ligand precursor concentration exceeds 140 mg/ml, a large amount of unreacted organic ligand precursor may be generated and it may be disadvantageous to mesopore formation. It is better to use it in the concentration inside.

또한, 제4주입구로 주입되는 상기 자가 추진체 함유액 및/또는 자가 추진체의 전구체 용액은 자가 추진체 및/또는 자가 추진체의 전구체 농도가 1 ~ 20 mg/ml, 바람직하게는 2 ~ 15 mg/ml, 더욱 바람직하게는 2.5 ~ 10.0 mg/ml일 수 있다. 이때, 농도가 1 mg/ml 미만이면 나노모터에 결합되는 자가 추진체가 적어서 나노모터의 생체내 이동성이 좋지 못하며, 광열 치료 효과가 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 농도가 20 mg/ml를 초과하는 경우, 나노입자의 쉘에 결합되지 못하는 자가 추진체가 다량 발생하여 비경제이므로 상기 범위 내의 농도로 사용하는 것이 좋다.In addition, the self-propellant-containing solution and/or the self-propellant precursor solution injected through the fourth inlet has a concentration of 1 to 20 mg/ml, preferably 2 to 15 mg/ml, More preferably, it may be 2.5 to 10.0 mg/ml. At this time, if the concentration is less than 1 mg/ml, there may be a problem in that the mobility of the nanomotor is not good in vivo due to the small number of self-propellants coupled to the nanomotor, and the photothermal treatment effect may be reduced, and if the concentration exceeds 20 mg/ml However, since a large amount of self-propellant that cannot be bonded to the shell of the nanoparticle is generated and thus uneconomical, it is recommended to use the nanoparticle at a concentration within the above range.

그리고, 상기 금속이온 전구체 용액, 폴리도파민 나노입자 용액, 유기리간드 전구체 용액 및/또는 자가 추진체 함유액(자가 추진체의 전구체 용액)에 사용되는 용매는 물(바람직하게는 탈이온수) 및/또는 에탄올을 사용하는 것이 좋다.In addition, the solvent used in the metal ion precursor solution, the polydopamine nanoparticle solution, the organic ligand precursor solution and/or the self-propellant-containing liquid (the self-propellant precursor solution) is water (preferably deionized water) and/or ethanol. good to use

본 발명의 연속 미세유체 층류 합성법을 더 설명하면, 제1주입구로 주입되는 아연이온(Zn2+)은 배타적 핵 생성을 위해 제2주입구로 주입되는 폴리도파민 나노입자 표면의 카테콜기와 상호작용하지만, 제한된 공급과 짧은 반응시간으로 인해서 무정형 구조로 완전히 자가 조립되지 않은 ZIF를 형성할 수 있게 된다.Further explaining the continuous microfluidic laminar flow synthesis method of the present invention, zinc ions (Zn 2+ ) injected through the first inlet interact with catechol groups on the surface of polydopamine nanoparticles injected through the second inlet for exclusive nucleation, but , it is possible to form ZIFs that are not completely self-assembled into an amorphous structure due to the limited supply and short reaction time.

그리고, 제4주입구로 주입되는 자가 추진체가 순간적인 짧은 시간에 공급되어 완전하기 자가 조립되지 않은 무정형 쉘에 포획 및 결합하게 되는 것이다.In addition, the self-propellant injected through the fourth inlet is supplied in a short time to be captured and combined with the amorphous shell that is not completely self-assembled.

그리고,, 본 발명의 제조방법은 연속 미세유체 층류 합성법을 수행하여 합성 및 수득한 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 30초 미만 동안 급랭시켜서 반응종결(quenching)시킨 후, 멤브레인 여과시켜서 쉘의 성장을 제한시키는 공정을 더 수행할 수도 있다. 이와 같이 쉘을 구성하는 ZIF 의 성장을 제한시켜서 무정형이 결정화되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기 멤브레인 여과는 나일론(폴리아미드) 소재의 멤브레인 필터로 수행할 수 있으며, 바람직한 일례를 들면, 기공 크기 0.1 ~ 0.3μm 및 지름(Τ)이 40 ~ 50mm인 멤브레인 필터로 수행할 수 있다.In addition, in the manufacturing method of the present invention, the self-propelled hybrid amorphous nanomotor synthesized and obtained by performing the continuous microfluidic laminar flow synthesis method is rapidly cooled for less than 30 seconds to terminate the reaction (quenching), and then membrane filtration is performed to limit the growth of the shell. Further steps may be performed. In this way, by limiting the growth of ZIF constituting the shell, crystallization of the amorphous form can be prevented. At this time, the membrane filtration may be performed with a membrane filter made of nylon (polyamide) material, and for example, a membrane filter having a pore size of 0.1 to 0.3 μm and a diameter (Τ) of 40 to 50 mm.

그리고, 멤브레인 여과시켜 수득한 무정형 나노모터를 탈이온수에 넣고 2,000 ~ 35,000rpm에서 8분 ~ 20분간 원심분리하고, 실온에서 18 ~ 48시간 동안 진공 건조를 수행하여 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 제조할 수 있다.In addition, the amorphous nanomotor obtained by membrane filtration was put in deionized water, centrifuged at 2,000 to 35,000 rpm for 8 to 20 minutes, and vacuum dried at room temperature for 18 to 48 hours to prepare a self-propelled hybrid amorphous nanomotor. can

이와 같은 방법으로 제조한 본 발명의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터는 생물학적 분야, 센서 분야 및 환경 분야 등 다양한 분야에서 이용될 수 있으며, 바람직하게는 생체적합성이 우수한 바, 암세포 광열 치료용 광열제, 생체 내 약물 전달체 등으로 이용될 수 있다.The self-propelled hybrid amorphous nanomotor of the present invention prepared in this way can be used in various fields such as biological fields, sensor fields, and environmental fields. It can be used as a drug delivery system and the like.

이하에서는 본 발명을 실시예를 통해서 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 실시예로 본 발명의 권리범위를 한정하여 해석해서는 안된다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are intended to aid understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention to the examples.

[실시예][Example]

준비예 1: 3D 프린팅 채널과 연결된 모세관 반응기 제작Preparation Example 1: Fabrication of a capillary reactor connected to a 3D printing channel

직렬형 모세 반응기는 유리 모세관(내부직경:1250 μm, 외부직경:1650 μm)과 3D 인쇄 장치(ø 및 Y 모양 장치)를 연결하여 구성되었으며(도 1b 참조), 3D 인쇄 장치는 가상 개체를 생성하기 위해 오토CAD 소프트웨어로 설계하였다(Autodesk Inventor 2020, 도 1b의 B 참조). 그리고, 직렬형 모세 반응기는 UV 경화 아크릴레이트 수지(Plas. CLEAR, ASIGA)를 사용하여 DLP(Digital Light Processing) 데스크탑 프린터(Asiga Pico 2, Australia)로 인쇄 제작하였다. 구체적으로 다중 디지털 마스크에 40μm 두께의 층 세트로 5초의 노출 시간 동안 385nm 파장(강도: 2mW/cm2)의 UV를 조사한 다음, 이소프로판올과 에탄올로 반복적으로 세척하여 경화되지 않은 3D 인쇄 수지를 씻어냈다. 다음으로, 보다 견고한 모양을 얻기 위해 30분 동안 2mW/cm2 강도의 UV 방사선 램프로 후처리했다.The tandem capillary reactor was constructed by connecting a glass capillary tube (inner diameter: 1250 μm, outer diameter: 1650 μm) and a 3D printing device (ø and Y-shaped devices) (see Fig. 1b), and the 3D printing device creates a virtual object. To do this, it was designed with AutoCAD software (Autodesk Inventor 2020, see B in FIG. 1B). In addition, the tandem capillary reactor was printed with a DLP (Digital Light Processing) desktop printer (Asiga Pico 2, Australia) using a UV curable acrylate resin (Plas. CLEAR, ASIGA). Specifically, the multi-digital mask was irradiated with UV at a wavelength of 385 nm (intensity: 2 mW/cm 2 ) for an exposure time of 5 seconds with a set of 40 μm-thick layers, and then washed repeatedly with isopropanol and ethanol to wash away uncured 3D printing resin. . Next, it was post-treated with a UV radiation lamp at an intensity of 2 mW/cm 2 for 30 minutes to obtain a more robust shape.

반응기는 제1반응부(코어-셀 합성, 부품 1)과 제2반응부(자가 추진체 합성, 부품 2)의 두 부분으로 나뉜다. 부품 1과 부품 2 모두 가로(21mm), 세로(12mm) 및 내부 채널 지름(1.6mm)이 동일하다. 또한 부품 1의 제1~ 제3 주입구인 삼지창(ø )연결과 부품 2의 제4 주입구 Y 연결 각도는 45°이다.The reactor is divided into two parts: a first reaction part (core-shell synthesis, part 1) and a second reaction part (self-propellant synthesis, part 2). Both part 1 and part 2 have the same width (21mm), length (12mm) and inner channel diameter (1.6mm). In addition, the connection angle between the trident (ø ) connection of the first to third inlets of component 1 and the Y connection of the fourth inlet of component 2 is 45°.

실시예 1: 연속 미세유체 층류 합성법을 통한Example 1: Through Continuous Microfluidic Laminar Flow Synthesis 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터(A-모터) 제조Fabrication of self-propelled hybrid amorphous nanomotors (A-motors)

(1) 폴리도파민(Pdop, 크기: 200 nm 이하) 나노입자 합성 (1) Synthesis of polydopamine (Pdop, size: 200 nm or less) nanoparticles

Pdop 나노 입자는 에탄올(40mL), 탈이온수(D.I. water, 90mL) 및 NH4OH(1mL)의 혼합한 후, 실온(25~28℃)에서 30분 동안 온화한 교반 하에서 혼합물을 제조하였다. Pdop nanoparticles were prepared by mixing ethanol (40mL), deionized water (DI water, 90mL) and NH 4 OH (1mL) under gentle stirring at room temperature (25-28 °C) for 30 minutes.

다음으로, 혼합물에 도파민 염산염(0.5g/mL) 수용액(1mL)을 천천히 적가한 후, 30시간 동안 반응시켰다. Next, dopamine hydrochloride (0.5 g/mL) aqueous solution (1 mL) was slowly added dropwise to the mixture, followed by reaction for 30 hours.

다음으로, 반응생성물을 에탄올 및 탈이온수로 세척한 후, 물을 여러 번 넣고 마지막으로 실온에서 24시간 동안 진공 건조시켜서 Pdop 나노입자를 제조하였다.Next, the reaction product was washed with ethanol and deionized water, and then water was added several times and finally vacuum dried at room temperature for 24 hours to prepare Pdop nanoparticles.

(2) 형광 표지된 효소(urease 및 proteinase K)의 제조(2) Preparation of fluorescently labeled enzymes (urease and proteinase K)

프로테이나제 K(proteinase K)와 우레아제(urease) 각각을 Cy5 및 Cy5.5 형광단으로 가지는 단백질로 표지하여 별도로 각각 준비했다. Proteinase K and urease were separately prepared by labeling them with proteins with Cy5 and Cy5.5 fluorophores, respectively.

구체적으로는, PBS(1x; pH 7.4) 중 효소(1 mg/mL)를 4 μL의 설포-형광단-NHS 에스테르(1 mM; Lumiprobe)에 첨가하고 30분 동안 배양한 후, 변형된 효소를 3,600rpm에서 10분 동안 원심분리하면서 100kDa 필터(Millipore)를 통해 PBS로 3회 정제하여 형광 표지된 효소인 우레아제 및 프로테이나제 K를 각각 준비하였다.Specifically, enzyme (1 mg/mL) in PBS (1x; pH 7.4) was added to 4 μL of sulfo-fluorophore-NHS ester (1 mM; Lumiprobe) and incubated for 30 minutes, then the modified enzyme was Fluorescently labeled enzymes, urease and proteinase K, were respectively prepared by purification with PBS three times through a 100 kDa filter (Millipore) while centrifuging at 3,600 rpm for 10 minutes.

(3) A-모터(Pdop@enzyme@aZIF-8) 제조(3) Manufacture of A-motor (Pdop@enzyme@aZIF-8)

상기 준비예 1에서 제조한 직렬형 모세 반응기를 이용하여 연속 미세유체 층류 합성법으로 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터(A-모터)를 제조하였으며, 제조공정의 개략도는 도 1c에 나타낸 바와 같다.A self-propelled hybrid amorphous nanomotor (A-motor) was fabricated by continuous microfluidic laminar flow synthesis using the serial capillary reactor prepared in Preparation Example 1, and a schematic diagram of the fabrication process is shown in FIG. 1C.

유리 모세관 부분에서 쉽게 층류가 발생하는데 이는 유체의 고정을 도와주기 때문에 층류를 유지하는데 매우 중요한 역할을 한다. Laminar flow easily occurs in the glass capillary part, which plays a very important role in maintaining laminar flow because it helps fix the fluid.

금속이온 전구체로서 질산아연 용액을 제1주입구에, 앞서 제조한 폴리도파민 나노입자(Pdop) 용액은 제2주입구에, 유기리간드 전구체로서 2-메틸이미다졸(2-MIM) 용액은 제3주입구에 주입하였다. 이때, 질산아연 용액, Pdop 용액, 2-MIM 용액의 농도 및 주입 유량은 하기 표 1과 같으며, 이들 용액의 용매는 탈이온수이다.Zinc nitrate solution as a metal ion precursor is in the first inlet, polydopamine nanoparticle (Pdop) solution prepared in advance is in the second inlet, and 2-methylimidazole (2-MIM) solution as an organic ligand precursor is in the third inlet. injected into. At this time, the concentration and injection flow rate of the zinc nitrate solution, the Pdop solution, and the 2-MIM solution are shown in Table 1 below, and the solvent of these solutions is deionized water.

또한, 우레아제를 포함하는 효소 용액을 제4주입구에 주입하였으며, 농도 및 주입 유량은 하기 표 1과 같고, 용매는 탈이온수이다.In addition, an enzyme solution containing urease was injected into the fourth inlet, the concentration and injection flow rate are shown in Table 1 below, and the solvent was deionized water.

탈이온수에 용해된 세 가지 용질(Pdop, Zn2+ 및 2-MIM)은 삼중 층류를 유지하면서 용매 계면 사이로 확산되었다. Zn2+ 및 2-MIM은 Pdop 용매(삼중 층류의 중간 부분)에서 확산되어 다양한 ZIF-8 형태(무정형 ZIF-8, 결정질 ZIF-8, 비-ZIF-8(non-ZIF-8))를 Pdop(코어) 및 쉘(ZIF-8)을 형성했다. The three solutes (Pdop, Zn 2+ and 2-MIM) dissolved in deionized water diffused between the solvent interfaces while maintaining a triple laminar flow. Zn 2+ and 2-MIM diffuse in the Pdop solvent (middle part of triple laminar flow) to give various ZIF-8 forms (amorphous ZIF-8, crystalline ZIF-8, non-ZIF-8). Pdop (core) and shell (ZIF-8) were formed.

그리고, 형성된 코어-쉘 나노입자는 제2 반응부에서 효소(우레아제 및 프로테이나제 K, 4mg/mL) 흐름(flow)을 만나게 되고, 쉘의 메조기공에 상기 효소가 결합하여 자가 추진체(우레아제)가 형성하게 된다. 이때, 상기 효소 중 우레아제는 자가 추진체 성분이며, 상기 프로테이나제 K는 단백질 파괴에 의한 암세포 제거하는 역할을 하는 성분이다.In addition, the formed core-shell nanoparticles meet the flow of enzymes (urease and proteinase K, 4mg/mL) in the second reaction part, and the enzymes bind to the mesopores of the shell to form self-propelled bodies (urease ) is formed. At this time, among the enzymes, urease is a self-propelling component, and the proteinase K is a component that serves to remove cancer cells by protein destruction.

직렬형 모세 반응기를 통해 합성된 우레아제가 결합된 코어Pdop@enzyme@aZIF-8을 탈이온수로 채워진 바이알에 수집하여 30초 이내로 반응종결시켰다. The urease-conjugated core Pdop@enzyme@aZIF-8 synthesized through a tandem capillary reactor was collected in a vial filled with deionized water, and the reaction was terminated within 30 seconds.

다음으로, 미반응 시약(2-MIM, Zn2+)으로부터 코어-쉘 나노입자를 분리하여, ZIF-8의 성장을 억제하기 위해서 멤브레인 여과(멤브레인 필터, 나일론(폴리아미드), 기공 크기: 0.2μm, Τ: 47mm)시켜서 ZIF-8의 성장을 제한시켰다. Next, core-shell nanoparticles are separated from unreacted reagents (2-MIM, Zn 2+ ), and membrane filtration (membrane filter, nylon (polyamide), pore size: 0.2) is used to inhibit the growth of ZIF-8. μm, Τ: 47 mm) to limit the growth of ZIF-8.

다음으로, 생성된 생성물을 탈이온수에 넣고 3000rpm에서 10분간 원심분리하고, 마지막으로 실온에서 24시간 동안 진공 건조를 수행하여, A-모터를 수득하였다.Next, the resulting product was placed in deionized water and centrifuged at 3000 rpm for 10 minutes, and finally vacuum dried at room temperature for 24 hours to obtain an A-motor.

합성된 A-모터의 평균직경은 약 210nm 였으며, 쉘의 두께는 20 nm 였다.The average diameter of the synthesized A-motor was about 210 nm, and the thickness of the shell was 20 nm.

구분division 주입구inlet 주입속도
(유량)
infusion rate
(flux)
농도density
질산아연 용액zinc nitrate solution 제1주입구1st inlet 40μL/분 (C)40 μL/min (C) 9.3mg/mL9.3 mg/mL Pdop 용액Pdop solution 제2주입구2nd inlet 130μL/분 (B)130 μL/min (B) 0.1 중량%0.1% by weight 2-MIM 용액2-MIM solution 제3주입구3rd inlet 40μL/분 (D)40 μL/min (D) 102.5 mg/mL102.5 mg/mL 효소 용액enzyme solution 제4주입구4th inlet 5μL/분 (A)5 μL/min (A) 4mg/mL4 mg/mL 방정식 1Equation 1 B/A = 26B/A = 26 방정식 2equation 2 (C+D)/A = 16(C+D)/A = 16

비교예 2 ~ 비교예 3Comparative Example 2 to Comparative Example 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 A-모터를 제조하되, 하기 표 2와 같이, 제1 ~ 4 주입구에 주입되는 용액의 주입속도(유량)을 달리하여 A-모터를 제조하여 비교예 2~3을 실시하였다. An A-motor was manufactured in the same manner as in Example 1, but, as shown in Table 2 below, the injection speed (flow rate) of the solution injected into the first to fourth inlets was changed to prepare an A-motor, and Comparative Examples 2 to 3 was carried out.

구분division 실시예 1(C2)Example 1 (C2) 비교예 1(C1)Comparative Example 1 (C1) 비교예 2(C3)Comparative Example 2 (C3) 방정식 1(B/A)Equation 1 (B/A) 2626 104104 88 방정식 2
((C+D)/A)
equation 2
((C+D)/A)
1616 1616 1616

비교예 4 : 배치식(batch, 회분식) 합성법에 의한 자가 추진 하이브리드 결정형 나노모터(c-모터) 제조Comparative Example 4: Preparation of self-propelled hybrid crystalline nanomotor (c-motor) by batch synthesis method

상기 실시예 1와 동일한 방법으로 합성한 Pdop 및 형광 표지된 효소(urease 및 proteinase K)를 준비하였다.Pdop and fluorescently labeled enzymes (urease and proteinase K) synthesized in the same manner as in Example 1 were prepared.

질산아연(0.372g) 및 Pdop(0.1 중량%)을 17mL의 탈이온수로 실온(23~25℃)에서 10분 동안 초음파 처리하여 혼합물을 제조하였다. 그런 다음, 40mL 탈이온수에 2-MIM(4.1g)을 혼합한 액을 상기 혼합물에 천천히 적가한 다음 4mL 탈이온수와 혼합된 효소(우레아제 및 프로테이나제 K, 16mg)를 즉시 첨가한 후, 실온(23~25℃)에서 30분 동안 500rpm으로 교반했다. A mixture was prepared by sonicating zinc nitrate (0.372 g) and Pdop (0.1% by weight) in 17 mL of deionized water at room temperature (23-25° C.) for 10 minutes. Then, a mixture of 2-MIM (4.1 g) in 40 mL of deionized water was slowly added dropwise to the mixture, and immediately after adding enzymes (urease and proteinase K, 16 mg) mixed with 4 mL of deionized water, It was stirred at 500 rpm for 30 minutes at room temperature (23-25 °C).

다음으로, ZIF-8의 성장을 억제하기 위해 30초 이내에 멤브레인 여과(멤브레인 필터, 나일론(폴리아미드), 기공 크기 0.2μm, Τ 47mm)에 의해 ZIF-8의 성장을 제한시켰다. Next, the growth of ZIF-8 was restricted by membrane filtration (membrane filter, nylon (polyamide), pore size 0.2 μm, Τ 47 mm) within 30 seconds to inhibit the growth of ZIF-8.

그 후, 생성된 용액을 3000 rpm에서 10분 동안 원심분리하고 최종적으로 실온에서 24시간 동안 진공 건조하여, 자가 추진 하이브리드 결정형 나노모터(c-모터, Pdop@enzyme@cZIF-8)를 수득하였다.Then, the resulting solution was centrifuged at 3000 rpm for 10 minutes and finally vacuum dried at room temperature for 24 hours to obtain a self-propelled hybrid crystalline nanomotor (c-motor, Pdop@enzyme@cZIF-8).

실험예 1 : 유량비에 따른 나노모터 합성에 대한 매개변수 측정을 위한 게면 확산도 측정 실험Experimental Example 1: Surface diffusivity measurement experiment for measuring parameters for nanomotor synthesis according to flow rate

계면 확산도 측정은 혼합 효율 계산 방법을 약간 수정하여 계산했다.Interfacial diffusivity measurements were calculated by slightly modifying the mixing efficiency calculation method.

유량 모니터링 시스템은 실시예 1의 합성 시스템과 동일하게 설정하였다. 실험 전, 제3주입구(Bottom), 제1주입구(Top-1), 제2주입구(middle), 제4주입구(Top-2)의 주입 용액을 적색(red), 청색(blue), FITC, 로다민 B(Rhodamine B)로 염색하였다(도 2의 a) ~ c) 참조).The flow monitoring system was set up the same as the synthesis system of Example 1. Before the experiment, the injection solutions of the third inlet (Bottom), the first inlet (Top-1), the second inlet (middle), and the fourth inlet (Top-2) were red, blue, FITC, It was stained with Rhodamine B (see Fig. 2 a) to c)).

직렬형 모세 반응기에서 층류 유동에 의한 계면 확산 혼합을 조사하기 위해 각 위치(#1-6; 체류 시간(거리))에 따라 다른 주입속도비(유량비) 조건(표 1의 C1, C2, C3)으로 각 위치의 층류 형태를 광학현미경으로 확인하였다(3초(0.8 cm), 17초(5.6 cm), 35초(10 cm), 37초(10.5 cm), 47초(10.4 cm), 66초(18.9 cm)). Different injection rate ratio (flow ratio) conditions (C1, C2, C3 in Table 1) at each position (#1-6; residence time (distance)) to investigate interfacial diffusion mixing by laminar flow in a series capillary reactor. The laminar flow pattern at each location was confirmed with an optical microscope (3 seconds (0.8 cm), 17 seconds (5.6 cm), 35 seconds (10 cm), 37 seconds (10.5 cm), 47 seconds (10.4 cm), 66 seconds) (18.9 cm)).

상기 위치(#1-6)는 도 2의 b)와 같다. The position (#1-6) is the same as b) of FIG.

그리고, 계면확산율(Interfacial diffusion rate)은 다음과 같은 방법으로 계산하였다. And, the interfacial diffusion rate was calculated in the following way.

우선 현미경 컬러 이미지의 파워포인드(microsoft co., PPT)에서 6노드(위치 이미지에서 세로로 6열)의 적색 코드(ex:0-255)를 가져왔다(표 3참조).First, the red code (ex: 0-255) of 6 nodes (6 columns vertically in the position image) was imported from the power point (microsoft co., PPT) of the microscope color image (see Table 3).

그리고, 초기 위치의 적색코드 표준편차(표 4)와 위치별 표준편차를 하기 식 1(하기 표 4, 식 1)로 계산하여 비교하였다.In addition, the standard deviation of the red code at the initial position (Table 4) and the standard deviation for each position were calculated and compared with the following Equation 1 (Table 4, Equation 1).

[식 1][Equation 1]

식 1은 6개 노드(node)에서 적색 코드 값의 표준 편차이고, N은 교차 위치의 노드 수, Cl은 교차 위치 샘플에서의 평균 빨간색, Cm은 각 위치의 평균 비율이다. Equation 1 is the standard deviation of the red code values at 6 nodes, N is the number of nodes in the crossover location, Cl is the average red color in the crossover sample, and Cm is the average ratio of each location.

[식 2][Equation 2]

식 2는 각 위치(#1-6)의 계면확산율이고 σinitial과 σ는 초기위치와 유입유량비(C1~C3)에 의존하는 각 위치의 표준편차이다.Equation 2 is the interfacial diffusion rate of each position (#1-6), and σinitial and σ are the standard deviations of each position depending on the initial position and inflow flow rate ratio (C1 to C3).

유량비 C2조건에서의 적색 코드 (B:A:(C+D) = 26 :1:16)Red code under flow ratio C2 condition (B:A:(C+D) = 26 :1:16) 구분division # 1# One # 2# 2 # 3#3 # 4# 4 # 5#5 # 6#6 노드 1node 1 255255 226226 217217 222222 211211 216216 노드 2node 2 254254 215215 215215 220220 198198 211211 노드 3node 3 233233 179179 179179 213213 191191 209209 노드 4node 4 200200 153153 165165 209209 190190 207207 노드 5node 5 179179 155155 162162 204204 185185 204204 노드 6node 6 164164 160160 162162 169169 162162 175175

유량
조건
flux
condition
노드 1node 1 노드 2node 2 노드 3node 3 노드 4node 4 노드 5node 5 노드 6node 6
C1C1 23.523.5 20.020.0 16.616.6 14.514.5 14.514.5 13.313.3 C2C2 38.838.8 31.831.8 26.026.0 19.419.4 16.216.2 14.614.6 C3C3 38.638.6 27.727.7 24.424.4 12.312.3 9.69.6 3.03.0 조건 C2의 노드 2(Node 2) : η=(1-√(38.8^2/(31.8^2 )))Х100 = 17.9 %Node 2 of condition C2: η=(1-√(38.8^2/(31.8^2)))Х100 = 17.9 %

그리고, 실시예 1(조건 C2), 비교예 1(조건 C1) 및 비교예 3(조건 C3)에서 나노모터 합성시의 계면확산도 측정 결과를 도 3의 a) 에 나타내었다.In addition, in Example 1 (Condition C2), Comparative Example 1 (Condition C1), and Comparative Example 3 (Condition C3), the interfacial diffusivity measurement results during nanomotor synthesis are shown in a) of FIG. 3 .

계면 확산은 (적색+청색):RB 염료 용액에 대해 16:1로 일정한 비율의 흐름에 걸쳐 세 가지 다른 코어 유속(FITC)을 변경하여 제어했다. 일반적으로 위치 #1~ #6에서 결정되는 유로 길이가 증가함에 따라 계면 확산 정도가 점차 증가하는데, 이는 종방향 확산 정도가 단순히 유동 시간에 비례하기 때문이다. Interfacial diffusion was controlled by varying three different core flow rates (FITC) over a constant flow ratio of 16:1 for the (red+blue):RB dye solution. In general, the degree of interfacial diffusion gradually increases as the channel length determined at positions #1 to #6 increases, because the degree of longitudinal diffusion is simply proportional to the flow time.

그리고, Middle(제2주입구) 유량이 낮을수록 계면 확산 정도가 높아졌다. And, the lower the Middle (second inlet) flow rate, the higher the degree of interfacial diffusion.

위치 #6에서 Middle(제2주입구) 유량이 가장 낮은 유동조건 C3은 최대 92%까지 계면확산도가 가장 높아 층류유동이 거의 소실되는 것을 확인할 수 있었고, 코어유량이 가장 높은 유동조건 C1은 가장 낮은 계면확산도를 보였다. 층류를 유지하면서 계면 확산을 43%까지 낮아졌다. At location #6, flow condition C3 with the lowest Middle (second inlet) flow rate had the highest interfacial diffusivity up to 92%, confirming that laminar flow was almost lost, and flow condition C1 with the highest core flow rate was the lowest interface. showed diffusion. The interfacial diffusion was lowered to 43% while maintaining laminar flow.

그리고 유동조건 C2는 62%의 계면확산을 보였다(도 3의 b) 참조). 추측컨대, 이러한 거동은 직렬형 모세 반응기에서 Middle(제2주입구) 유량에 반비례하는 종방향 확산을 나타냈다.And the flow condition C2 showed an interfacial diffusion of 62% (see b) in FIG. 3). Presumably, this behavior showed longitudinal diffusion inversely proportional to the Middle (second inlet) flow rate in the tandem capillary reactor.

실험예 2 : 나노모터의 XRD 및 BET 기공 측정Experimental Example 2: XRD and BET pore measurement of nanomotors

실시예 1, 비교예 1~2에서 제조한 나노모터의 코어쉘 구조에 대한 XRD 및 BET 기공을 측정하였고, 이를 도 4의 a) 및 b)에 나타내었다. XRD and BET pores of the core-shell structure of the nanomotors prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were measured, and these are shown in a) and b) of FIG. 4 .

도 4 a)를 살펴보면, 일반적으로 계면확산도가 가장 높은 유동조건 C3에서 합성된 비교예 2는 (011), (002), (112), (022) 피크 뿐만 아니라 미세 기공(1-2 nm)이 잘 발달된 고결정성 구조가 되었음을 확인할 수 있었다.Looking at Figure 4 a), Comparative Example 2 synthesized under the flow condition C3, which generally has the highest interfacial diffusivity, has (011), (002), (112), (022) peaks as well as micropores (1-2 nm) It was confirmed that this well-developed highly crystalline structure was obtained.

대조적으로, 가장 낮은 확산 속도를 갖는 유동 조건 C1에서 합성된 비교예 1은 단일 넓은 XRD 피크를 갖는 비다공성 구조가 관찰되었다. In contrast, Comparative Example 1 synthesized under the flow condition C1 having the lowest diffusion rate was observed to have a non-porous structure with a single broad XRD peak.

그리고, 적당한 유동 조건 C2에서 합성된 실시예 1은 14o ~26 o 에서 2개의 넓은 피크가 2~8 nm의 넓은 범위의 중간 기공을 갖는 것으로 관찰되었으며, 이는 무정형 ZIF-8 (aZIF-8) 구조의 특성임을 나타낸다.And, in Example 1 synthesized under suitable flow conditions C2, two broad peaks at 14 o ~ 26 o were observed to have mesopores in a wide range of 2 ~ 8 nm, which is amorphous ZIF-8 (aZIF-8) Indicates that it is a characteristic of the structure.

이러한 결과는 제2주입구에 주입되는 코어(Pdop 용액) 흐름이 제1, 제3 주입구에서 주입되는 시스(sheath) 흐름에서 시약의 물질 전달을 제어하는 합성 장벽으로 작용하여 일시적인 시간 차이(C1 조건:0.4분 C2 조건: 1분 및 C3 조건: 2분)가 있는 직렬 공급에서 완전히 자가 조립되지 않은 무정형 ZIF-8 쉘에 효소를 효과적으로 가두는 것으로 나타났다. 결국, 다른 Pdop@urease@ZIF-8 NP의 생체 촉매 활성은 페놀 레드의 전환으로 인한 UV 흡수 변화를 측정하여 상대적으로 결정되었다. Pdop에 비다공성층이 있는 C1 조건에서는 활성이 없었다(2%). 결정질 ZIF-8 기반 코어-쉘마이크로 기공)이 있는 C3에서 우레아제 활성은 배치(batch)에서 합성된 Pdop@urease@cZIF-8과 유사한 35% 미만이었습니다.This result is due to the temporary time difference (C1 condition: 0.4 min C2 condition: 1 min and C3 condition: 2 min) were found to effectively confine the enzyme in an amorphous ZIF-8 shell that did not fully self-assemble. In the end, the biocatalytic activity of the different Pdop@urease@ZIF-8 NPs was relatively determined by measuring the change in UV absorption due to the conversion of phenol red. In the C1 condition with a non-porous layer on Pdop, there was no activity (2%). In C3 with crystalline ZIF-8-based core-shell micropores, the urease activity was less than 35%, similar to Pdop@urease@cZIF-8 synthesized in batch.

실험예 3: 반응종결(quenching) 조건에 따른 나노모터의 결정 구조 확인 Experimental Example 3: Confirmation of crystal structure of nanomotors according to quenching conditions

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 나노모터를 제조하되, 직렬형 모세 반응기로부터 수득한 나노모터의 반응종결(quenching) 시간을 달리하고, 멤브레인 필터(기공 크기: 0.2 μm)를 사용하여 미반응 시약(2-MIM 및 Zn2+)으로부터 나노입자를 분리하여 동형 Zn-MOF로서 결정질 cDia(Zn)의 형성을 제한했다.Nanomotors were prepared in the same manner as in Example 1, but the reaction quenching time of the nanomotors obtained from the tandem capillary reactor was changed, and the unreacted reagent ( Isolation of nanoparticles from 2-MIM and Zn 2+ ) restricted the formation of crystalline cDia(Zn) as isomorphic Zn-MOFs.

반응종결 조건에 따라 수득된 나노모터의 PXRD 및 SEM 측정 이미지를 도 5의 a) 및 b)에 나타내었다. 이때, PXRD는(분말 x-선 회절) 패턴은 30kV 및 30mA 전력에서 방사선 소스가 CuKα, 파장=1.5405Å 및 HyPix3000 검출기를 사용하여 고해상도 분말 X선 회절계-SmartLab(Rigaku)로 측정하였다.PXRD and SEM measurement images of the nanomotors obtained according to the reaction termination conditions are shown in a) and b) of FIG. 5 . At this time, the PXRD (powder x-ray diffraction) pattern was measured with a high-resolution powder X-ray diffractometer-SmartLab (Rigaku) using a radiation source of CuKα, a wavelength of 1.5405 Å and a HyPix3000 detector at 30 kV and 30 mA power.

이를 통해서, 종결시간에 따라 유리관 반응기 내에서 폴리도파민 위에 무정형 ZIF-8 뿐 아니라 이성질체인 cDia(Zn)을 제조 가능함을 확인할 수 있었다. 종결시간이 30초 이내 조건에서는 XRD 피크(14o)에서 전형적인 무정형 ZIF-8가 확인 되었으며, 종결시간 1 분 이상에서는 XRD 피크 (10~20o)에서 전형적인 결정형Dia(Zn)이 관찰되었다. Through this, it was confirmed that cDia (Zn), an isomer, as well as amorphous ZIF-8 on polydopamine could be produced in a glass tube reactor depending on the termination time. When the termination time was less than 30 seconds, a typical amorphous ZIF-8 was confirmed in the XRD peak (14 o ), and a typical crystalline form of Dia (Zn) was observed in the XRD peak (10 ~ 20 o ) when the termination time was more than 1 minute.

실험예 4: 우레아제의 상대적 활성도 측정Experimental Example 4: Measurement of relative activity of urease

실시예 1, 비교예 1~4에서 제조한 나노모터 각각의 우레아제 활성 측정을 다음과 같이 수행하고 그 결과를 도 6에 나타내었다.The urease activity of each of the nanomotors prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was measured as follows, and the results are shown in FIG. 6 .

PBS 완충액(2.91mL, pH 7.4)에 우레아(300mM) 및 페놀 레드(30μL, 1mg/mL) 용액을 15mL 원뿔형 튜브(Falcon, 폴리프로필렌 튜브)에 첨가했다. 그리고, 여기에 실시예 및 비교예의 나노모터 현탁액(120μL, 1mg/mL)을 첨가하고 원뿔형 튜브를 밀봉하여 시간(0~24시간)에 대한 560nm에서의 흡광도 증가를 사용하여 상대 활성을 측정했다.A solution of urea (300 mM) and phenol red (30 μL, 1 mg/mL) in PBS buffer (2.91 mL, pH 7.4) was added to a 15 mL conical tube (Falcon, polypropylene tube). Then, the nanomotor suspensions of Examples and Comparative Examples (120 μL, 1 mg/mL) were added thereto, and the conical tube was sealed, and the relative activity was measured using the increase in absorbance at 560 nm versus time (0 to 24 hours).

상대 활성은 하기 식 3을 사용하여 비교된 천연 우레아제가 결합된 Pdop(Pdop/native urease)의 UV-vis 흡수 값을 기준으로 계산하였다. Relative activity was calculated based on the UV-vis absorption value of Pdop (Pdop/native urease) conjugated with natural urease, which was compared using Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

도 6을 살펴보면, C2조건에서 제조한 무정형 ZIF-8기반 코어쉘을 갖는 실시예 1의 A-모터(무정형 모터)가 우레아제 활성 손실 없이 우레아제 활성이 가장 높았으며(약 100%), 이는 메조기공 내 효소인 우레아제의 성공적인 포획을 증명한다.Referring to FIG. 6, the A-motor (amorphous motor) of Example 1 having an amorphous ZIF-8-based core shell prepared under C2 conditions had the highest urease activity (about 100%) without loss of urease activity, which was due to mesopores. Demonstrate successful capture of my enzyme, urease.

이에 반해, C1조건에서 제조된 비교예 1은 우레아제 활성도가 매우 낮았으며(2%), 이는 쉘 등에 비다공성층이 거의 형성되지 않았기 때문이다. In contrast, Comparative Example 1 prepared under C1 conditions had a very low urease activity (2%), which is because almost no non-porous layer was formed on the shell.

또한, C3 조건에서 제조된 비교예 2(C-모터, 결정성 모터)는 배치식으로 제조한 비교예 3(C-모터, 결정성 모터)과 거의 유사한 상대적 활성도(35%)를 보였는데, 이는 비교예 2및 비교예 3의 나노모터의 쉘인 ZIF가 결정성(결정성 ZIF, cZIF)을 가지기 때문에 결합되는 우레아제 양이 상대적으로 매우 적음으로 발생한 결과로 판단된다.In addition, Comparative Example 2 (C-motor, crystalline motor) prepared under the C3 condition showed a relative activity (35%) almost similar to that of Comparative Example 3 (C-motor, crystalline motor) prepared in batch mode. This is considered to be a result of the fact that the amount of urease bound is relatively small because ZIF, the shell of the nanomotors of Comparative Examples 2 and 3, has crystallinity (crystalline ZIF, cZIF).

이러한 결과는 C2조건에서 합성되는 코어쉘 나노입자에서 완전히 자가 조립되지 않은 무정형 ZIF-8 쉘이 우레아제를 효과적으로 포획, 결합되는 것을 나타낸다. These results indicate that the amorphous ZIF-8 shell that is not fully self-assembled in core-shell nanoparticles synthesized under C2 conditions effectively entraps and binds urease.

실험예 5: 공동 포획(co-entrapment) 측정Experimental Example 5: Measurement of co-entrapment

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 A-모터(Pdop@urease@aZIF-8, 무정형 모터)를 제조하되, 제4주입구에 효소 용액으로서 우레아제 및 프로테이나제 K(proteinase K)를 혼합한 효소 용액을 주입하여, A-모터의 효소에 대한 공동 포획을 측정하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.An A-motor (Pdop@urease@aZIF-8, amorphous motor) was prepared in the same manner as in Example 1, but an enzyme solution in which urease and proteinase K were mixed as enzyme solutions in the fourth inlet. was injected to measure co-capture of the A-motor enzyme, and the results are shown in FIG. 7 .

이를 위해 프로테이나제 K 와 우레아제는 각각 다른 형광 염료(적색 및 녹색)로 표지시켰다. To this end, proteinase K and urease were labeled with different fluorescent dyes (red and green), respectively.

광학 현미경으로 관찰된 이중 색상 이미지는 aZIF-8(무정형ZIF-8)에서 두 효소의 성공적인 동시 로딩을 확인할 수 있었다. Dual-color images observed under an optical microscope confirmed the successful co-loading of both enzymes in aZIF-8 (amorphous ZIF-8).

이를 통해서, 효소에 대한 낮은 스트레스 하에서 코어쉘 나노입자의 빠른 흐름 생산은 단일 시스템을 통해 여러 약물의 확장 가능하고 효율적인 공동 투여가 가능하며, 이는 약물 전달의 조합 요법에 대한 가능성이 높음을 확인할 수 있었다. Through this, it was confirmed that the rapid flow production of core-shell nanoparticles under low stress on enzymes enables scalable and efficient co-administration of multiple drugs through a single system, which has high potential for combination therapy of drug delivery. .

실험예 6: A-모터와 C-모터의 입자 특성 측정Experimental Example 6: Measurement of particle characteristics of A-motor and C-motor

Pdop 나노입자, 실시예 1의 A-모터, 비교예 2 및 비교예 3의 C-모터의 입자특성을 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.The particle characteristics of the Pdop nanoparticles, the A-motor of Example 1, and the C-motor of Comparative Examples 2 and 3 were measured, and the results are shown in FIG. 8 .

FE-SEM 및 에너지 분산 X선 분광법(EDX)은 JSM 7401F를 사용하여 수행했다. 그리고, HR-TEM은 JEOL JEM-2100F를 사용하여 측정하였다. 그리고, 선택적 영역 전자 회절(SAED) 패턴, 전자 에너지 손실 분광법(EELS) 및 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행했습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼은 ESCALAB 250(Thermo Scientific., 에너지 분해능 0.45 eV, 이온포 성능≤5 μA)에서 수행했다.FE-SEM and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) were performed using JSM 7401F. And, HR-TEM was measured using JEOL JEM-2100F. Then, selective area electron diffraction (SAED) patterns, electron energy loss spectroscopy (EELS), and fast Fourier transform (FFT) were performed. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra were performed on an ESCALAB 250 (Thermo Scientific., energy resolution 0.45 eV, ion pore performance ≤5 μA).

도 8a의 a)는 사전 합성된 Pdop 나노입자 및 b)는 A-모터의 FE-SEM(스케일: 400 nm, 삽입 스케일: 50 nm) 이미지이다. 8a, a) are pre-synthesized Pdop nanoparticles and b) are FE-SEM (scale: 400 nm, inset scale: 50 nm) images of the A-motor.

그리고, 도 8b의 c)는 A-모터의 HR-TEM 측정 이미지(스케일: 50 nm) 및 원소 매핑 이미지(EELS, 전자 에너지 손실 분광법)이다.And, c) of FIG. 8b is an HR-TEM measurement image (scale: 50 nm) and elemental mapping image (EELS, electron energy loss spectroscopy) of the A-motor.

또한, 도 8c의 d)는 A-모터의 및 e)는 비교예 2에서 합성한 C-모터의 SAED(Selected Area Electron Diffraction Patterns) TEM 이미지이다.In addition, d) of FIG. 8C is a SAED (Selected Area Electron Diffraction Patterns) TEM image of the A-motor and e) of the C-motor synthesized in Comparative Example 2.

그리고, 도 8d 및 도 8e 각각은 실시예 1의 A-모터, 비교예 3의 C-모터에 대한 HR-TEM 및 FFT 이미지이다.8D and 8E are HR-TEM and FFT images of the A-motor of Example 1 and the C-motor of Comparative Example 3, respectively.

그리고, 도 8f는 배치식으로 합성한 비교예 3의 C-모터(파란색 선) 및 실시예 1의 A-모터에 대한 Zn 2p의 X선 광전자 스펙트럼 측정 이미지이다.8f is an X-ray photoelectron spectrum measurement image of Zn 2p for the C-motor (blue line) of Comparative Example 3 and the A-motor of Example 1 synthesized in a batchwise manner.

도 8a의 a)를 살펴보면, Pdop 나노입자는 상대적으로 매끄러운 표면과 함께 200nm의 균일한 크기를 보여주었다. 이에 반해, b)를 보면, 유동 조건 C2(Pdop:enzyme:ZIF-8 = 26:1:16)에서 쉘인 aZIF-8에 우레아 분해효소를 포획했을 때, A-모터는 거친 표면이 되었으며, 쉘 두께는 약 15~25 nm 정도였다. Looking at a) of FIG. 8a, the Pdop nanoparticles showed a uniform size of 200 nm with a relatively smooth surface. In contrast, in b), when the urease was entrapped in the shell, aZIF-8, under flow condition C2 (Pdop:enzyme:ZIF-8 = 26:1:16), the A-motor became a rough surface, and the shell The thickness was about 15 to 25 nm.

이에 반헤, 배치식으로 합성된 비교예 3의 C-모터의 쉘은 두께가 40~50 nm였다.In contrast, the shell of the C-motor of Comparative Example 3 synthesized in a batchwise manner had a thickness of 40 to 50 nm.

도 8b를 살펴보면, Pdop에 aZIF-8과 우레아제의 존재는 EELS에 의해 확인되었으며, 이는 A-모터(Pdop@urease@aZIF-8)의 구성, 즉 탄소, 산소, 황(우레아 효소의 티올기), 아연(aZIF-8의 Zn2+) ) 및 질소를 나타낸다. Referring to Figure 8b, the presence of aZIF-8 and urease in Pdop was confirmed by EELS, indicating that the composition of the A-motor (Pdop@urease@aZIF-8), that is, carbon, oxygen, sulfur (thiol group of urea enzyme) , zinc (Zn 2+ of aZIF-8) and nitrogen.

도 8c, 도 8d, 도 8e를 살펴보면, 실시예 1의 A-모터의 SAED 및 TEM-FFT는 배치식에서 합성된 C-모터의 명확한 결정 구조와 현저히 다른 무정형 ZIF-8을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 8c, 8d, and 8e, SAED and TEM-FFT of the A-motor of Example 1 show amorphous ZIF-8 that is significantly different from the clear crystal structure of the C-motor synthesized in the batch method.

또한, 도 8f를 살펴보면, A-모터(Pdop@urease@aZIF-8)의 분자 상황을 조사한 XPS 분석 결과를 보면, A-모터의 Zn 2P 스펙트럼은 각각 C-모터(Pdop@urease@cZIF)와 동일한 Zn 2P1/2 및 Zn 2P3/2 상태에 잘 할당된 1044.9 eV 및 1022.0 eV에서 두 가지 강력한 화학적 이동을 나타냈고, 이는 각각 배치식으로 수득한 C-모터와 동일했다. 이 결과는 하이브리드 나노입자의 무정형층이 Zn2+와 2-MIM 사이의 배위 화합물로서 전형적인 ZIF-8 구조임을 의미한다.In addition, looking at Figure 8f, looking at the results of XPS analysis examining the molecular situation of the A-motor (Pdop@urease@aZIF-8), the Zn 2P spectrum of the A-motor (Pdop@urease@cZIF) and C-motor (Pdop@urease@cZIF), respectively. It exhibited two strong chemical shifts at 1044.9 eV and 1022.0 eV that were well assigned to the same Zn 2P 1/2 and Zn 2P 3/2 states, respectively, identical to the C-motors obtained batchwise. This result means that the amorphous layer of the hybrid nanoparticles has a typical ZIF-8 structure as a coordination compound between Zn 2+ and 2-MIM.

또한, Pdop 나노입자, 실시예 1의 A-모터 및 비교예 3의 C-모터 입자에 대한 SEM 이미지를 도 9의 a)에 나타내었고, DLS 측정 결과를 도 9의 b)에 나타내었으며, 각 입자의 쉘 두께 측정 결과를 도 9의 c)에 나타내었다.In addition, SEM images of the Pdop nanoparticles, the A-motor of Example 1 and the C-motor of Comparative Example 3 are shown in a) of FIG. 9, and the DLS measurement results are shown in b) of FIG. 9, respectively. The results of measuring the shell thickness of the particles are shown in c) of FIG. 9 .

도 9의 a) 및 c)를 살펴보면, Pdop 나노입자는 쉘이 없으며, C-모터는 약 45 nm 두께의 쉘이 형성되어 있고, 실시예 1의 A-모터는 25nm 이하, 바람직하게는 10 ~ 20nm 두께의 쉘이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.Looking at a) and c) of FIG. 9, the Pdop nanoparticles do not have a shell, the C-motor has a shell with a thickness of about 45 nm, and the A-motor of Example 1 has a shell of 25 nm or less, preferably 10 ~ It was confirmed that a shell having a thickness of 20 nm was formed.

실험예 7: 광열 특성(Phothermal performance), 생체 촉매 운동 및 알칼리 조건에서의 Pdop 분해억제율 측정Experimental Example 7: Measurement of Pdop degradation inhibition rate in photothermal performance, biocatalytic movement and alkaline conditions

A-모터의 잠재적인 생체 응용을 확인하기 위해 광열 특성 및 생체 촉매 운동 특성을 실험했다. 비대칭 마이크로/나노 모터가 낮은 레이놀즈 수(Reynolds numbers)에서 향상된 운동을 일으키는 것으로 알려져 있지만, 대칭적인 마이크로/나노 모터가 효소 기반 비대칭 분포에 의해 향상된 추진력을 유발할 수 있다는 것이 최근 보고된 바 있다.To confirm the potential bioapplication of the A-motor, photothermal properties and biocatalytic kinetic properties were tested. Although asymmetric micro/nano motors are known to generate enhanced motion at low Reynolds numbers, it has recently been reported that symmetric micro/nano motors can induce enhanced propulsion by enzyme-based asymmetric distribution.

(1) 광열 특성 측정(1) Measurement of photothermal properties

궤도(trajectory), 평균 변위(the mean displacement) 및 확산 계수는 Pdop 나노입자(Pdop/native urease), 비교예 3의 C 모터 및 실시예 1의 A 모터 NIR-on/off 조건에서 우레아(300mM)를 사용했고, 측정 결과를 도 9의 a)에 나타내었고, 시간(분)당 온도 변화를 b)에 나타내었다. The trajectory, the mean displacement, and the diffusion coefficient were obtained from Pdop nanoparticles (Pdop/native urease), C motor of Comparative Example 3, and A motor of Example 1. Urea (300 mM) under NIR-on/off conditions. was used, and the measurement results are shown in a) of FIG. 9, and the temperature change per hour (minutes) is shown in b).

도 10의 a)는 우레아 조건(우레아, 300mM) 하에서 저강도 NIR(808 nm, 0.8 W/cm2)의 조사 유무에 따른 Pdop, C-모터(NIR-off), A-모터(NIR-off) 및 A-모터(NIR-on) 조건에서 측정한 확산 계수이다. Figure 10a) is Pdop, C-motor (NIR-off), A-motor (NIR-off) according to the presence or absence of irradiation of low-intensity NIR (808 nm, 0.8 W/cm 2 ) under urea conditions (urea, 300mM) ) and diffusion coefficients measured under A-motor (NIR-on) conditions.

또한, 도 10의 b) 및 도 11의 a) ~ c)는 NIR 레이저 조사 시간에 따른 광열 성능 비교 결과로서, 도 10의 b)는 1mL의 서로 다른 농도의 50~1600 μg/mL 샘플(Pdop 나노입자(Pdop/native urease), C 모터(비교예 3) 및 A 모터(실시예 1)) 각각을 EP 튜브에 넣고 808 nm NIR 레이저를 17분 동안 조사(강도: 2 W/cm2)한 다음 1분 마다 다양한 샘플의 온도를 기록한 것이고, 도 11의 a)는 및 A 모터(실시예 1)는 A-모터 농도별(NIR 레이저 강도=2 W/cm2), 도 11의 b)는 NIR 레이저 강도별(A-모터 농도=400μg/ml), c)는 NIR 세기별 적외선 열화상 이미지이다.In addition, FIG. 10 b) and FIG. 11 a) to c) are comparison results of photothermal performance according to NIR laser irradiation time, and FIG. Nanoparticles (Pdop/native urease), C motor (Comparative Example 3) and A motor (Example 1) were each put into an EP tube and irradiated with an 808 nm NIR laser for 17 minutes (intensity: 2 W/cm 2 ). Next, the temperatures of various samples were recorded for each minute, and FIG. 11 a) and A motor (Example 1) by A-motor concentration (NIR laser intensity = 2 W/cm 2 ), FIG. 11 b) By NIR laser intensity (A-motor concentration = 400 μg/ml), c) is an infrared thermal image by NIR intensity.

도 10의 b)를 살펴보면, C-모터(54℃) 보다 A-모터(60℃) 및 Pdop 나노입자(62℃) 가 10% 이상 광열 성능이 우수한 결과를 보였다.Looking at b) of FIG. 10, the photothermal performance of the A-motor (60°C) and the Pdop nanoparticles (62°C) was superior to that of the C-motor (54°C) by 10% or more.

도 11을 살펴보면, A-모터 농도가 증가할수록, NIR 세기가 증가할수록 광열 효과가 증가하는 경향을 보였으며, 특히, 농도가 200 μg/ml 이상부터 큰 증가폭으로 광열 효과가 증가하였으며, NIR 세기는 0.8 W/cm2을 초과한 세기에서 큰폭 증가를 보였다.Referring to FIG. 11, as the A-motor concentration increased, the photothermal effect tended to increase as the NIR intensity increased. A significant increase was observed at intensities exceeding 0.8 W/cm 2 .

또한, 도 11 c)의 적외선 열화상 이미지 측정을 통해서 본 발명의 A-모터가 광열 이미징에도 활용할 수 있음을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that the A-motor of the present invention can also be used for photothermal imaging through the measurement of the infrared thermal image of FIG. 11 c).

(2) 장기 활성도 평가(2) Evaluation of long-term activity

5일 동안 확산 계수 테스트 및 이동성을 모니터링하여 장기 활성도는 평가 결과를 도 12의 a) 및 b)에 나타내었다. The diffusion coefficient test and mobility were monitored for 5 days, and long-term activity evaluation results are shown in a) and b) of FIG. 12 .

도 12의 a)는 바이오 촉매 보호 재사용을 분석하기 위해 5일 동안 10개의 입자를 추적하여 계산된 확산 계수(Pdop/native urease 및 A-모터)이고, b)는 기질 보호를 확인하기 위해 5일 동안 다양한 우레아 농도(0 및 300mM) 및 NIR 세기(2W/cm2)에서 Pdop/native urease(밝은 회색 및 어두운 회색 선) 및 A-모터(검정색 및 회색 선)의 ΔT(온도변화) 나노 모터 확산 계수는 방정식 <r2>= 4DΔT에 따라 평균 제곱 변위(<r2>)의 포물선을 피팅하여 결정되었으며, 여기서 D는 확산 계수이고 t는 시간 간격을 나타낸다.12 a) is the diffusion coefficient (Pdop/native urease and A-motor) calculated by tracking 10 particles for 5 days to analyze biocatalyst protection reuse, and b) is 5 days to confirm substrate protection. ΔT (temperature change) of Pdop/native urease (light gray and dark gray lines) and A-motors (black and gray lines) at various urea concentrations (0 and 300 mM) and NIR intensities (2 W/cm 2 ) during nanomotor diffusion. The coefficient was determined by fitting a parabola of the mean square displacement (<r2>) according to the equation <r2>= 4DΔT, where D is the diffusion coefficient t represents the time interval.

도 12의 a)를 살펴보면, Pdop 나노입자(Pdop/native urease)의 확산 계수는 초기에 5.8 μm2/sec이었고, 5일 후 2.1 μm2/sec로 크게 감소한 반면, A-모터는 초기에 5.4 μm2/sec 및 5일 후 4.3 μm2/sec로 약간 변경되었음을 확인할 수 있으며, 이를 통해서 장기 활성 안정성(내구성)이 우수함을 확인할 수 있었다.Looking at a) of FIG. 12, the diffusion coefficient of Pdop nanoparticles (Pdop/native urease) was initially 5.8 μm 2 /sec and significantly decreased to 2.1 μm 2 /sec after 5 days, while the A-motor initially had a diffusion coefficient of 5.4 μm 2 /sec. It can be confirmed that it slightly changed to μm 2 /sec and 4.3 μm 2 /sec after 5 days, and through this, it was confirmed that the long-term active stability (durability) was excellent.

도 12의 b)를 살펴보면, 장기 광열 효과는 5일 동안 우레아(300mM)가 있거나 없는 온도 상승시켜 수행하였으며, Pdop/native urease 광열 능력은 보호등급(the degree of protection)에서 볼 수 있듯이 5일 후에 거의 사라졌다(0%, ΔT: 30.9 -> 5.5℃). 그러나, A-모터는 5일 후 광열 효과의 변화가 거의 없었다(보호등급: 85%, ΔT: 29.3 -> 25.1 ℃).Looking at b) of FIG. 12, the long-term photothermal effect was performed by raising the temperature with or without urea (300 mM) for 5 days, and the Pdop / native urease photothermal ability was obtained after 5 days, as can be seen in the degree of protection. almost disappeared (0%, ΔT: 30.9 -> 5.5 °C). However, the A-motor showed little change in the photothermal effect after 5 days (protection level: 85%, ΔT: 29.3 -> 25.1 °C).

(3) 생체 촉매 운동 측정(3) Measurement of biocatalytic kinetics

우레아 조건(요소, 300mM) 하에서, 저강도 NIR(808 nm, 0.8 W/cm2) 조사 유무에 따른 Pdop 나노입자(Pdop/native urease), C-모터(비교예 3) 및 A-모터(실시예 1)의 생체 촉매 운동을 측정하였고, 그 결과를 도 12의 a), b)에 나타내었다. a) 수영 궤적(Swimming trajectories, Y)이고, b) 평균 제곱 변위(MSD)이다.Under urea conditions (urea, 300 mM), low-intensity NIR (808 nm, 0.8 W/cm 2 ) Pdop nanoparticles (Pdop/native urease) with or without irradiation, C-motor (Comparative Example 3) and A-motor (Example The biocatalytic movement of Example 1) was measured, and the results are shown in a) and b) of FIG. 12 . a) Swimming trajectories (Y), and b) Mean Square Displacement (MSD).

상기 수영 궤적은 광학 비디오(NIS-Elements BR 4.500.00 64비트가 있는 pco.edge sCMOS 카메라)를 사용하여 2D 모션 추적(motion tracking)하여 측정하였으며, 60배 현미경이 장착된 도립현미경(inverted microscope, Nikon Ti-DH, 20fps)을 이용하여 상온에서 나노모터(10개 입자)의 움직임을 영상으로 촬영하였다. 비디오 분석 및 모델링 도구 Tracker 5.1.3 프로그램을 사용하여 궤적을 분석하고 합성된 나노입자 샘플(농도 400μg/mL)을 사용하여 평균 제곱 변위(MSD) 및 평균 속도를 계산했다. 그리고, 샘플을 20초 동안 우레아 수용액(300mM)에 옮김으로써 나노 모터의 생체 촉매 자기 영동 운동을 모니터링했으며, 열적 촉매 운동은 우레아(300mM) 및 NIR-on(0.8W/cm2) 조건에서 측정한 것이다. 그리고, 상기 MSD는 하기 식 3에 의거하여 계산하였다.The swimming trajectories were measured by 2D motion tracking using an optical video (pco.edge sCMOS camera with NIS-Elements BR 4.500.00 64-bit) and an inverted microscope equipped with a 60x microscope. The movement of the nanomotor (10 particles) was captured as an image at room temperature using a Nikon Ti-DH, 20 fps). The trajectory was analyzed using the video analysis and modeling tool Tracker 5.1.3 program, and the mean square displacement (MSD) and mean velocity were calculated using synthesized nanoparticle samples (concentration 400 μg/mL). Then, the biocatalytic magnetophoretic movement of the nanomotor was monitored by transferring the sample to an aqueous urea solution (300 mM) for 20 seconds, and the thermal catalytic movement was measured under urea (300 mM) and NIR-on (0.8 W/cm2) conditions. . And, the MSD was calculated based on Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

식 3에서, N은 입자 수이고, ri(t)-ri(t+Δt)는 시간(Δt) 간격 동안 입자가 이동한 벡터 거리이며, 입자의 속도는 개별 궤적(최대 2초)의 MSD를 MSD(Δt)=4Dt+v2t2 공식의 2차 방정식에 맞추고 모든 입자 사이의 평균을 내어 계산한 것이다.In Equation 3, N is the number of particles, r i (t)-r i (t+Δt) is the vector distance traveled by the particle during an interval of time (Δt), and the velocity of the particle is the number of individual trajectories (up to 2 seconds) It was calculated by fitting the MSD to the quadratic equation of MSD(Δt)=4Dt+v2t2 and taking the average among all particles.

도 13을 살펴보면, NIR 조사 전, A-모터의 생체 촉매 운동이 높으며, 특히, NIR 조사시 A-모터 생체 촉매 운동 활성이 크게 증가함을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 13 , it was confirmed that the biocatalytic movement of the A-motor was high before NIR irradiation, and in particular, the A-motor biocatalytic kinetic activity significantly increased during NIR irradiation.

(4) Pdop 분해 억제 효과 측정(4) Measurement of Pdop degradation inhibitory effect

pH 조건에 따른 보호등급(degree of protection) 및 Pdop 분해 정도(또는 분해 억제율)를 측정하였고, 그 결과를 도 14의 a) 및 b)에 나타내어으며, 측정방법은 다음과 같다. The degree of protection and the degree of Pdop degradation (or degradation inhibition rate) according to the pH conditions were measured, and the results are shown in a) and b) of FIG. 14, and the measurement method is as follows.

Pdop/native urease(non-core@shell), A-모터(실시예 1), C-모터(비교예 3)의 알칼리 조건에서의 Pdop 분해 억제율을 평가하였으며, 분해 시험 전 urea(300mM)와 urease(400μg/mL)의 반응에 의한 pH 변화를 확인하기 위해 상온에서 24시간 배양 후 pH를 측정하였다. pH의 변화는 9.5였다.Pdop degradation inhibition rate was evaluated in alkaline conditions of Pdop/native urease (non-core@shell), A-motor (Example 1), and C-motor (Comparative Example 3), and urea (300 mM) and urease before degradation test (400μg/mL) pH was measured after 24 hours of incubation at room temperature in order to confirm the pH change by the reaction. The change in pH was 9.5.

우레아(0 및 300mM) 또는 다른 pH(pH 7.4 및 9.5)로 NIR 세기(power) 2 W/cm2를 5분 동안 가하여 측정하였으며, 각 조건에 대한 보호 능력을 테스트하기 위해 나노 모터(400 μg/mL)를 알칼리 또는 우레아 용액에 분산시키고 5일 동안 배양하고 1일마다 기록했다.Urea (0 and 300 mM) or different pH (pH 7.4 and 9.5) was measured by applying NIR power 2 W/cm 2 for 5 minutes, and to test the protective ability for each condition, the nanomotor (400 μg/ mL) was dispersed in an alkali or urea solution, incubated for 5 days, and recorded every 1 day.

도 14의 a)를 살펴보면, 중성 용액인 pH 7.4에서 5일 동안 Pdop/native urease와 A-모터에서 Pdop의 분해가 없었고 온도 상승에 영향을 미치지 않았다. Looking at a) of FIG. 14, there was no decomposition of Pdop in Pdop/native urease and A-motor for 5 days in a neutral solution, pH 7.4, and the temperature increase was not affected.

pH가 높은 용액(pH: 9.5)에서 Pdop/native urease는 분해되었고, Pdop의 온도 상승에도 영향을 미쳤다. 반면, A-motor의 aZIF-8는 열화를 방지하여 온도 상승의 영향을 최소화하였다.In a solution with high pH (pH: 9.5), Pdop/native urease was decomposed, and the temperature of Pdop was also increased. On the other hand, A-motor's aZIF-8 minimized the effect of temperature rise by preventing deterioration.

우레아(urea)+우레아제(urease) -> CO2+2NH4 반응에서 생성된 암모니아는 측정시 염기성 pH 조건을 pH 9.5로 유도하여 Pdop 및 우레아제의 변성을 유도하여 광전환 및 생체 촉매 성능을 크게 저하시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. Ammonia generated in the reaction of urea + urease -> CO 2 + 2NH 4 induces the basic pH condition to pH 9.5 when measured, induces denaturation of Pdop and urease, and significantly reduces photoconversion and biocatalytic performance. It is known to be able to.

그러나, aZIF-8 쉘은 Pdop의 카테콜릭 결합을 유지하고 효소의 형태 변화와 활성 부위를 유지함으로써 Pdop과 효소의 변성을 방지했으며, 코어-쉘 구조 기반의 aZIF-8는 알칼리 조건에 노출된 후에도 활성을 유지했고, aZIF-8 쉘의 2-MIM 리간드 및 표면 구조는 -OH로부터 코어를 보호하여 하이브리드 나노입자의 고유 기능을 유지했다.However, the aZIF-8 shell prevented denaturation of Pdop and the enzyme by maintaining the catecholic bond of Pdop and maintaining the conformational change and active site of the enzyme. activity was maintained, and the 2-MIM ligand and surface structure of the aZIF-8 shell protected the core from -OH to maintain the original function of the hybrid nanoparticles.

실험예 8: 모의 조건에서 방광암 세포로의 전이가 강화된 우레아 분해효소 구동 A-모터의 생체 적합성 및 광열 요법 실험Experimental Example 8: Biocompatibility and photothermal therapy experiment of urease-driven A-motor with enhanced metastasis to bladder cancer cells under simulated conditions

(1) A-모터의 생체적합성 측정(1) Measurement of the biocompatibility of the A-motor

합성된 나노모터의 생체적합성을 섬유아세포(NIH3T3)로 분석하였다. The biocompatibility of the synthesized nanomotor was analyzed with fibroblasts (NIH3T3).

10% 소태아혈청(FBS)이 보충된 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle Medium) 세포 배양 배지에서, Pdop 나노입자(대조군) 및 A-모터 각각을 다른 농도(100μg/mL, 200μg/mL, 400μg/mL)로 준비하고, 웰(well)당 2x104 CFU/ml 세포 농도로 NIH3T3 세포를 포함하는 96-웰(well) 플레이트에 별도로 첨가했다.Different concentrations (100 μg/mL, 200 μg/mL, 400 μg/mL) of Pdop nanoparticles (control) and A-motors, respectively, in Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) cell culture medium supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS). , and separately added to a 96-well plate containing NIH3T3 cells at a cell concentration of 2x10 4 CFU/ml per well.

37℃ 하의 CO2 배양기에서 24시간 동안 배양한 후, 세포의 생존력을 정량적으로 측정하기 위해 MTS assay를 수행하였다. 모든 실험은 3번 수행하였다.After culturing for 24 hours in a CO 2 incubator at 37° C., MTS assay was performed to quantitatively measure cell viability. All experiments were performed in triplicate.

농도별 세포의 생존율 측정 그래프를 도 15에 나타내었다. A graph of cell viability per concentration is shown in FIG. 15 .

Pdop 나노입자의 농도별 생존율은100 μg/mL(92±2%), 200 μg/mL(93±1%), 400 μg/mL(90±1%)였으며, A-모터의 농도별 생존율은 100 μg/mL(83±6%0, 200 μg/mL(85±3%), 400 μg/mL(93±3%)였다.The survival rate by concentration of Pdop nanoparticles was 100 μg/mL (92±2%), 200 μg/mL (93±1%), and 400 μg/mL (90±1%), and the survival rate by concentration of the A-motor was 100 μg/mL (83±6%), 200 μg/mL (85±3%), and 400 μg/mL (93±3%).

이를 통해서, A-모터가 세포독성이 낮으며, 생체 적합성이 우수함을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that the A-motor had low cytotoxicity and excellent biocompatibility.

(2) 암세포에 대한 A-모터의 내재화 및 흡수(2) Internalization and uptake of A-motor into cancer cells

암세포에 대한 A-모터의 내재화 및 흡수를 추가로 조사했다. 더 나은 시각화를 위해 보고된 방법에 따라 로다민 B(RB)이 접합된 A 모터를 준비했다. The internalization and uptake of the A-motor on cancer cells was further investigated. For better visualization, rhodamine B (RB)-conjugated A motors were prepared according to the reported method.

구체적으로는, 로다민 B(5 mg) 및 나노입자(Pdop 나노입자, A-모터)를 탈이온수(10mL)에서 12시간 동안 360 rpm으로 교반했다.Specifically, rhodamine B (5 mg) and nanoparticles (Pdop nanoparticles, A-motor) were stirred in deionized water (10 mL) for 12 h at 360 rpm.

먼저, 로다민 B(5mg) 및 Pdop 나노입자(4mg)을 10mL 탈이온수 10 ml와 함께 갈색 바이알에 12시간 동안 실온에서 교반했다. 그 후, 생성된 용액을 3000 rpm에서 10분 동안 원심분리하고 최종적으로 실온에서 24시간 동안 진공 건조하였다.First, rhodamine B (5 mg) and Pdop nanoparticles (4 mg) were stirred in a brown vial with 10 ml of 10 mL deionized water for 12 hours at room temperature. Then, the resulting solution was centrifuged at 3000 rpm for 10 minutes and finally vacuum dried at room temperature for 24 hours.

형광 표지된 RB-Pdop 나노입자(Pdop-rhodamine B) 및 RB-A-나노모터는 400㎍/mL 농도의 McCoy's 5a 배지에서 별도로 제조하였다.Fluorescently labeled RB-Pdop nanoparticles (Pdop-rhodamine B) and RB-A-nanomotors were prepared separately in McCoy's 5a medium at a concentration of 400 μg/mL.

24웰(well) 플레이트에서 4x105 CFU/mL 농도로 배양된 T-24 세포를 24시간 동안 Pdop 나노입자 또는 A-모터와 함께 공동 배양했다. Pdop 나노입자(대조군, control) 및 A-모터의 위치를 더 잘 시각화하기 위해 세포 세포질과 세포 핵을 칼세인 AM 및 DAPI로 염색했다.T-24 cells cultured at a concentration of 4x10 5 CFU/mL in a 24-well plate were co-cultured with Pdop nanoparticles or A-motors for 24 hours. To better visualize the localization of Pdop nanoparticles (control) and A-motors, cell cytoplasm and cell nuclei were stained with Calcein AM and DAPI.

Pdop 나노입자 또는 A-모터의 세포 흡수를 공초점 현미경으로 조사하였고, 측정 이미지를 도 16에 나타내었다. Cellular uptake of Pdop nanoparticles or A-motors was investigated by confocal microscopy, and the measured images are shown in FIG. 16 .

도 16에서, 녹색은 칼세인 AM(Calcein AM)으로 염색된 세포질이고, 파란색은 회흐스트(Hoechst)로 염색된 세포 핵이며, 빨간색은 로다만 B(RB)로 염색된 A-모터이다.In FIG. 16, green is the cytoplasm stained with Calcein AM, blue is the cell nucleus stained with Hoechst, and red is the A-motor stained with Rhodaman B (RB).

도 16을 살펴보면, A-모터(적색)가 세포질(녹색)로 성공적인 내재화되었음을 확인할 수 있다.Referring to Figure 16, it can be seen that the A-motor (red) was successfully internalized into the cytoplasm (green).

(3) 나노모터의 전이(transmigration) 및 순차적 광열 요법(sequential photothermal therapy)(3) nanomotor transmigration and sequential photothermal therapy

혈액 내피 조직을 가로지르는 A-모터의 전이 거동을 조사하고 암 조직에서 광열 요법(PTT, photothermal therapy)에 적용 가능성을 확인하기 위해 트랜스웰 삽입물을 사용하여 시험관 내 혈액 방광암 모델을 추가로 개발했다. 좀 더 구체적으로는, EGM(내피 세포 성장 배지)에 분산된 2x104 CFU로 HUVEC 세포를 접종하고 트랜스웰(tranwell) 막(공극 크기 8 μm)에서 방광암 세포(T-24)와 공동 배양했다(도 17 개략도 참조). To investigate the translocation behavior of the A-motor across blood endothelial tissue and to confirm its applicability to photothermal therapy (PTT) in cancer tissue, we further developed an in vitro blood bladder cancer model using transwell inserts. More specifically, HUVEC cells were seeded with 2x10 4 CFU dispersed in EGM (endothelial cell growth medium) and co-cultured with bladder cancer cells (T-24) on a transwell membrane (pore size 8 μm) ( see Fig. 17 schematic).

HUVEC 조직의 융합성 단층(confluent monolayer)이 형성되면 HUVEC 층은 T-24 세포의 2x104 CFU를 포함하는 24웰 플레이트의 상단으로 배양시켰다. 그 다음, 400㎍/ml의 Pdop 나노입자, C-모터(비교예 3) 또는 A-모터(실시예 1)를 HUVEC 세포에 별도로 도입하여 나노입자 또는 나노모터가 HUVEC 층을 가로질러 T-24 세포로 전이(transmigration)될 수 있도록 하였다. 그리고, 37℃의 CO2 배양기서 24시간 동안 배양한 후, T-24 세포에 NIR 레이저(2 W/cm2)를 5분간 조사하였다. 세포는 칼세인(Calcein) AM 및 훼이스트(Hoechst)로 염색하였다. Pdop 나노입자 또는 나노 모터로 처리되지 않은 T-24 세포를 대조군(control)으로 사용하였다.When a confluent monolayer of HUVEC tissue was formed, the HUVEC layer was cultured on top of a 24-well plate containing 2x10 4 CFU of T-24 cells. Then, 400 μg/ml of Pdop nanoparticles, C-motors (Comparative Example 3) or A-motors (Example 1) were separately introduced into HUVEC cells so that the nanoparticles or nanomotors could cross the HUVEC layer to the T-24 It was allowed to be transferred to cells (transmigration). Then, after culturing for 24 hours in a CO 2 incubator at 37° C., the T-24 cells were irradiated with a NIR laser (2 W/cm 2 ) for 5 minutes. Cells were stained with Calcein AM and Hoechst. T-24 cells not treated with Pdop nanoparticles or nanomotors were used as a control.

방광뿐만 아니라 정상적인 성인의 혈액에도 우레아가 포함되어 있지만, 그 양은 사람마다 다르다. 생체 내 유사 조건을 모방하기 위해, HUVEC 세포의 합류 단층이 형성되면 배지인 시험관 내 혈액-방광암 모델에 우레아를 추가하였으며, 나노입자(Pdop, C-motor 및 A-motor)의 농도 차이로 HUVEC 층에 전이(transmigration)되었다. Normal adult blood as well as the bladder contains urea, but the amount varies from person to person. In order to mimic the similar conditions in vivo, urea was added to the in vitro blood-bladder cancer model as a medium when a confluent monolayer of HUVEC cells was formed, and the concentration difference of nanoparticles (Pdop, C-motor, and A-motor) was used to form the HUVEC layer. has been transferred to.

24시간의 공동 배양 후, 트랜스웰을 함유하는 HUVEC를 제거하고 T-24 세포의 상청액을 수집하여 UV-Vis 분광기를 사용하여 방광 조직으로 전달된 나노입자의 양을 분석하였으며, 이의 분석 결과를 도 18 및 도 19에 나타내었다. 이때, 도 18은 전이 전후의 상부 막에서의 UV-vis 흡광도 측정 데이터 및 전이 후 하부 막의 형광 이미지이다. 이때, UV-vis 흡착 스펙트럼은 석영 큐벳(quartz cuvettes)의 UV-vis 분광계(Thermo Scientific, NanoDrop 2000)로 측정하였다.After 24 hours of co-cultivation, the HUVECs containing the transwell were removed, and the supernatant of the T-24 cells was collected to analyze the amount of nanoparticles delivered to the bladder tissue using UV-Vis spectroscopy. 18 and 19 are shown. In this case, FIG. 18 shows UV-vis absorbance measurement data of the upper membrane before and after the transfer and fluorescence images of the lower membrane after the transfer. At this time, the UV-vis adsorption spectrum was measured with a UV-vis spectrometer (Thermo Scientific, NanoDrop 2000) of quartz cuvettes.

도 18를 살펴보면, A-모터와 C-모터 모두 Pdop 나노입자와 마찬가지로 운동으로 인해 배양 24시간 후 개선된 전이 효율을 보였으며, 도 19를 살펴보면, 특히 A-모터가 전이율(이동 효율)이 80% 이상으로 C-모터 보다 2배 정도 더 우수한 전이율을 보였다.Referring to FIG. 18, both the A-motor and the C-motor showed improved transfer efficiency after 24 hours of incubation due to exercise, similar to the Pdop nanoparticles. Referring to FIG. At over 80%, the transfer rate was twice as good as that of the C-motor.

이는 우레아제를 포함하는 나노입자가 우레아(urea) 분해와 함께 비대칭적인 성분(gradient)을 발생시켜 움직임이 증가하고, aZIF-8의 메소포어(2-8 nm)가 마이크로 기공(<2 nm)인 cZIF-8보다 우레아와 우레아제의 반응성을 증가시키기 때문이다.This is because the nanoparticles containing urease generate an asymmetric gradient along with urea decomposition, resulting in increased movement, and the mesopores (2-8 nm) of aZIF-8 are micropores (<2 nm). This is because it increases the reactivity of urea and urease more than cZIF-8.

(4) 암세포에 대한 광열 치료(PTT) 잠재력 측정(4) Measurement of photothermal therapy (PTT) potential for cancer cells

합성된 Pdop 및 나노모터의 광열 치료 잠재력 측정은 Pdop 또는 나노모터를 흡수한 T-24 세포에 NIR 레이저(2W/cm2)를 5분간 조사하여 암세포를 치료하는 광열치료를 추가적으로 평가하였고, 측정 결과를 도 20에 나타내었다. 측정시, NIR 조사 전에 T-24 세포를 세척하여 배양 배지에 남아 있는 나노입자를 제거했다.To measure the photothermal therapeutic potential of synthesized Pdop and nanomotors, photothermal therapy to treat cancer cells was additionally evaluated by irradiating T-24 cells that had absorbed Pdop or nanomotors with NIR laser (2W/cm 2 ) for 5 minutes. is shown in Figure 20. At the time of measurement, nanoparticles remaining in the culture medium were removed by washing the T-24 cells before NIR irradiation.

Pdop 나노입자 또는 A-모터를 처리하지 않은 T-24 세포를 대조군(control)으로 사용하였다. 그리고 대조군도 NIR로 조사하였다. NIR 레이저를 5분 조사한 후 살아있는 세포를 칼세인 AM으로 염색하였으며, 모든 실험은 3회 수행하였다.T-24 cells not treated with Pdop nanoparticles or A-motor were used as a control. And the control group was also investigated by NIR. After 5 minutes of NIR laser irradiation, live cells were stained with Calcein AM, and all experiments were performed three times.

도 20을 살펴보면, PTT 효과가 우수한 순수(Bare) Pdop나노입자는 정맥 내피에 대한 높은 접착력으로 인한 낮은 이동성 때문에 A-모터 보다 낮은 광열 치료 성능을 보였다. 이에 반해, C-모터와 A-모터 모두에서 현저한 세포 사멸이 조사된 반면, A-모터에서는 완전한 암세포 사멸이 관찰되었다. Referring to FIG. 20, bare Pdop nanoparticles with excellent PTT effect showed lower photothermal therapy performance than A-motor due to low mobility due to high adhesion to venous endothelium. In contrast, significant cell death was investigated in both the C- and A-motors, whereas complete cancer cell death was observed in the A-motors.

A-모터의 향상된 이동 효율은 우수한 NIR 흡수를 통해 고온으로 이어지며, 이는 효과적인 광열 치료용 광열제로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.The improved movement efficiency of the A-motor leads to high temperatures through excellent NIR absorption, which can be used as an effective photothermal agent for photothermal therapy.

상기 실시예 및 실험예를 통하여, 본 발명이 제시하는 연속 미세유체 층류 합성법으로 제조한 코어-쉘형 하이브리드 나노모터는 쉘이 무정형으로 형성되고, 결정형이 아닌 무정형 쉘이 형성되어서, 다량의 우레아체(효소)가 효과적으로 결합되며, 이로 인해 제조된 하이브리드 무정형 나노모터는 생체 내 이동성이 우수하면서도, 생체 독성이 없어서 생체 적합성이 우수하고, 암세포 제거을 위한 광열치료용 광열제로 사용하기 적합함을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터는 코어 및/또는 쉘에 추가적인 효소, 단백질, 약물 등을 담지시켜서 생체 내 약물 전달체로도 사용될 수 있으며, 우수한 광열 특성에 의해 광열 이미징에도 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.Through the above examples and experimental examples, the core-shell type hybrid nanomotor prepared by the continuous microfluidic laminar flow synthesis method proposed by the present invention has an amorphous shell and an amorphous shell that is not crystalline, so that a large amount of urea body ( enzymes) are effectively combined, and the resulting hybrid amorphous nanomotor has excellent in vivo mobility, excellent biocompatibility due to no biotoxicity, and is suitable for use as a photothermal agent for photothermal treatment for cancer cell removal. In addition, the self-propelled hybrid amorphous nanomotor of the present invention can be used as an in vivo drug delivery system by carrying additional enzymes, proteins, drugs, etc. in the core and / or shell, and can also be used for photothermal imaging due to its excellent photothermal properties was able to confirm

1 : 제1주입구 2 : 제2주입구 3 : 제3주입구
4 : 제4주입구 10 : 합류부 30 : 제1반응부
50 : 제2 반응부 100 : 직렬형 모세 반응기
1: 1st inlet 2: 2nd inlet 3: 3rd inlet
4: 4th inlet 10: confluence 30: first reaction unit
50: second reaction unit 100: serial capillary reactor

Claims (16)

코어-쉘 나노입자로서,
폴리도파민을 포함하는 코어; 및
다수의 메조기공(mesopore)이 형성된 유기금속 프레임워크(framework)를 포함하는 쉘;을 포함하며,
상기 다수의 메조기공 적어도 일부는 자가 추진체가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터.
As a core-shell nanoparticle,
a core containing polydopamine; and
A shell including an organometallic framework in which a plurality of mesopores are formed;
Self-propelled hybrid amorphous nanomotor, characterized in that at least some of the plurality of mesopores are coupled with a self-propellant.
제1항에 있어서, 상기 자가 추진체는 우레아제 (urease), 글루코오스 옥시다아제 (glucose oxidase) 및 카탈레이스 (catalase) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터.
The self-propelled hybrid amorphous nanomotor according to claim 1, wherein the self-propelled body includes at least one selected from urease, glucose oxidase and catalase.
제1항에 있어서, 상기 코어 및 쉘 중 어느 하나 이상은 효소, 단백질, DNA및 화학적 약물 중에서 선택된 1종 이상의 생체내 전달물질을 담지하고 있는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터.
The self-propelled hybrid amorphous nanomotor according to claim 1, wherein at least one of the core and the shell carries one or more in vivo delivery materials selected from among enzymes, proteins, DNA, and chemical drugs.
제3항에 있어서, 생체내 전달물질 중 상기 효소는 프로테이나제K(proteinase K), 펩신(pepsin), 트립신(trypsin), 리신(lysine), 및 키모트립신 (chymotrypsin) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터.
The method of claim 3, wherein the enzyme in the in vivo delivery material is at least one selected from proteinase K, pepsin, trypsin, lysine, and chymotrypsin. A self-propelled hybrid amorphous nanomotor comprising a.
제1항에 있어서, 상기 유기금속 프레임워크는 무정형이고,
상기 유기금속 프레임워크는 ZIF(Zeolitic imidazole framework)-7, ZIF-8, ZIF-67, ZIF-8-90, ZIF-11, ZIF-12, HKUST-1, MIL-53 및 UIO-66 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터.
The method of claim 1, wherein the organometallic framework is amorphous,
The organometallic framework is selected from Zeolitic imidazole framework (ZIF)-7, ZIF-8, ZIF-67, ZIF-8-90, ZIF-11, ZIF-12, HKUST-1, MIL-53 and UIO-66. A self-propelled hybrid amorphous nanomotor comprising at least one.
제1항에 있어서, 상기 코어-쉘 나노입자는 평균직경 100 ~ 400 nm 이고,
상기 쉘은 두께 10 ~ 100 nm인 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터.
The method of claim 1, wherein the core-shell nanoparticles have an average diameter of 100 to 400 nm,
The self-propelled hybrid amorphous nanomotor, characterized in that the shell has a thickness of 10 ~ 100 nm.
제1반응부 및 제2반응부가 직렬로 일체화되어 구성된 직렬형 모세 반응기를 이용한 연속 미세유체 층류 합성법을 수행하여 제조하며,
상기 제1반응부에서, 폴리도파민을 포함하는 코어; 및 유기금속 프레임워크(framework)를 포함하는 쉘;을 포함하는 무정형 나노모터가 합성되고,
상기 제2반응부에서, 합성된 무정형 나노모터의 쉘에 형성된 다수의 메조기공의 적어도 일부에 자가 추진체가 결합되는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법.
It is prepared by performing a continuous microfluidic laminar flow synthesis method using a series-type capillary reactor configured by integrating the first reaction part and the second reaction part in series,
In the first reaction unit, a core containing polydopamine; And a shell comprising an organometallic framework; an amorphous nanomotor comprising a is synthesized,
In the second reaction unit, a self-propelled hybrid amorphous nanomotor manufacturing method, characterized in that a self-propelled material is coupled to at least some of the plurality of mesopores formed in the shell of the synthesized amorphous nanomotor.
제7항에 있어서, 상기 제1반응부의 초입부에는 복수 개의 제1반응물 주입구가 결합된 합류부를 포함하고,
상기 합류부는 복수 개의 주입구 각각에서 유입되는 물질이 동시에 합류되도록 형성되며,
제1반응부의 말단부 내지 제2반응부 초입부에 제2반응물 주입구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법.
The method of claim 7, wherein the inlet of the first reaction unit includes a confluence to which a plurality of first reactant inlets are coupled,
The joining portion is formed so that materials introduced from each of the plurality of inlets are simultaneously joined,
A method for manufacturing a self-propelled hybrid amorphous nanomotor, characterized in that a second reactant inlet is formed at the end of the first reaction unit to the beginning of the second reaction unit.
제8항에 있어서, 상기 복수 개의 제1반응물 주입구는 제1주입구, 제2주입구 및 제3주입구를 포함하고,
제1주입구로는 금속이온 전구체 용액이 주입되고, 제2주입구로는 폴리도파민 나노입자 용액이 주입되며, 제3주입구로는 유기리간드 전구체 용액이 주입되며,
상기 제2반응물 주입구로는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액이 주입되는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법.
The method of claim 8, wherein the plurality of first reactant inlets include a first inlet, a second inlet and a third inlet,
A metal ion precursor solution is injected into the first inlet, a polydopamine nanoparticle solution is injected into the second inlet, and an organic ligand precursor solution is injected into the third inlet,
The method of manufacturing a self-propelled hybrid amorphous nanomotor, characterized in that the self-propellant-containing solution or the precursor solution of the self-propellant is injected into the second reactant inlet.
제9항에 있어서, 상기 금속이온 전구체는 아연이온(Zn2+) 전구체를 포함하고,
상기 유기리간드 전구체 용액은 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 에탄디오산(ethanedioic acid), 프로판디오산(propanedioic acid), 부탄디오산(butanedioic acid), 펜탄디오산(pentanedioic acid), o-프탈산(o-phthalic acid), m-프탈산(m-phthalic acid), p-프탈산(p-phthalic acid), 2-히드록시-1,2,3-프로판트리카르복실산(2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 1H-1,2,3-트리아졸(1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-트리아졸(1H-1,2,4-triazole) 및 3,4-디히드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 유기 리간드 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법.
10. The method of claim 9, wherein the metal ion precursor comprises a zinc ion (Zn 2+ ) precursor,
The organic ligand precursor solution is 2-methylimidazole, ethanedioic acid, propanedioic acid, butanedioic acid, pentanedioic acid, o-phthalic acid, m-phthalic acid, p-phthalic acid, 2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid (2-hydroxy -1,2,3-propanetricarboxylic acid), benzene-1,3,5-tricarboxylic acid, 1H-1,2,3-triazole (1H-1 ,2,3-triazole), 1H-1,2,4-triazole (1H-1,2,4-triazole) and 3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione (3 , 4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) method for manufacturing a self-propelled hybrid amorphous nanomotor, characterized in that it comprises an organic ligand precursor containing at least one selected from.
제9항에 있어서, 하기 방정식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법;
[방정식 1]
20 ≤ B/A ≤ 60
방정식 1에서, A는 제2반응물 주입구로 주입되는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액의 유량이며, B는 제2주입구로 주입되는 폴리도파민 나노입자 용액의 유량이다.
The method of manufacturing a self-propelled hybrid amorphous nanomotor according to claim 9, characterized in that it satisfies Equation 1 below;
[Equation 1]
20 ≤ B/A ≤ 60
In Equation 1, A is the flow rate of the self-propellant-containing liquid or the precursor solution of the self-propellant injected through the second reactant inlet, and B is the flow rate of the polydopamine nanoparticle solution injected through the second inlet.
제9항에 있어서, 하기 방정식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법;
[방정식 2]
10 ≤ (C+D)/A ≤ 20
방정식 2에서, A는 제2반응물 주입구로 주입되는 자가 추진체 함유액 또는 자가 추진체의 전구체 용액의 유량이며, C는 제1주입구로 주입되는 금속이온 전구체 용액의 유량이고, D는 제3주입구로 주입되는 유기리간드 전구체 용액의 유량을 합한 유량이다.
The method of manufacturing a self-propelled hybrid amorphous nanomotor according to claim 9, characterized in that it satisfies Equation 2 below;
[Equation 2]
10 ≤ (C+D)/A ≤ 20
In Equation 2, A is the flow rate of the self-propellant-containing liquid or the precursor solution of the self-propellant injected into the second reactant inlet, C is the flow rate of the metal ion precursor solution injected into the first inlet, and D is injected into the third inlet. It is the sum of the flow rates of the organic ligand precursor solution.
제9항에 있어서, 상기 금속이온 전구체 용액은 금속이온 전구체 농도가 8.0 ~ 15.0 mg/ml이며,
상기 유기리간드 전구체 용액은 유기 리간드 전구체 농도가 70 ~ 140 mg/ml이고,
상기 폴리도파민 나노입자 용액은 폴리도파민 나노입자 함량이 0.05 ~ 1.0 중량%이며,
상기 자가 추진체 함유액은 자가 추진체 농도가 1 ~ 20 mg/ml이며, 상기 자가 추진체의 전구체 용액은 자가 추진체의 전구체 농도가 1 ~ 20 mg/ml인 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법.
The method of claim 9, wherein the metal ion precursor solution has a metal ion precursor concentration of 8.0 ~ 15.0 mg / ml,
The organic ligand precursor solution has an organic ligand precursor concentration of 70 to 140 mg/ml,
The polydopamine nanoparticle solution has a polydopamine nanoparticle content of 0.05 to 1.0% by weight,
Preparation of a self-propelled hybrid amorphous nanomotor, characterized in that the self-propellant-containing liquid has a self-propellant concentration of 1 to 20 mg/ml, and the self-propellant precursor solution has a self-propellant precursor concentration of 1 to 20 mg/ml. method.
제7항에 있어서, 연속 미세유체 층류 합성법을 수행하여 수득한 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 멤브레인 여과시켜서 쉘의 성장을 제한시키는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터의 제조방법.
[Claim 8] The method of claim 7, wherein the self-propelled hybrid amorphous nanomotor obtained by performing the continuous microfluidic laminar flow synthesis method is subjected to membrane filtration to limit shell growth. .
제1항 내지 제6항 중에서 선택된 어느 한 항의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 내 약물 전달체.
An in vivo drug delivery system comprising the self-propelled hybrid amorphous nanomotor of any one of claims 1 to 6.
제1항 내지 제5항 중에서 선택된 어느 한 항의 자가 추진 하이브리드 무정형 나노모터를 이용하는 것을 특징으로 하는 암세포 광열 치료용 광열제.A photothermal agent for photothermal treatment of cancer cells, characterized by using the self-propelled hybrid amorphous nanomotor of any one of claims 1 to 5.
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