KR20230156195A - Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method - Google Patents

Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method Download PDF

Info

Publication number
KR20230156195A
KR20230156195A KR1020220055275A KR20220055275A KR20230156195A KR 20230156195 A KR20230156195 A KR 20230156195A KR 1020220055275 A KR1020220055275 A KR 1020220055275A KR 20220055275 A KR20220055275 A KR 20220055275A KR 20230156195 A KR20230156195 A KR 20230156195A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gelma
nanoflower
nanoflowers
mixture
microspheres
Prior art date
Application number
KR1020220055275A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이도남
권기학
이선화
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광운대학교 산학협력단 filed Critical 광운대학교 산학협력단
Priority to KR1020220055275A priority Critical patent/KR20230156195A/en
Publication of KR20230156195A publication Critical patent/KR20230156195A/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5107Excipients; Inactive ingredients
    • A61K9/513Organic macromolecular compounds; Dendrimers
    • A61K9/5169Proteins, e.g. albumin, gelatin
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01NPRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N25/00Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests
    • A01N25/26Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests in coated particulate form
    • A01N25/28Microcapsules or nanocapsules
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01NPRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N59/00Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing elements or inorganic compounds
    • A01N59/16Heavy metals; Compounds thereof
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K33/00Medicinal preparations containing inorganic active ingredients
    • A61K33/24Heavy metals; Compounds thereof
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/0012Galenical forms characterised by the site of application
    • A61K9/0019Injectable compositions; Intramuscular, intravenous, arterial, subcutaneous administration; Compositions to be administered through the skin in an invasive manner
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5107Excipients; Inactive ingredients
    • A61K9/5115Inorganic compounds
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5192Processes
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/16Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using chemical substances
    • A61L2/23Solid substances, e.g. granules, powders, blocks, tablets
    • A61L2/238Metals or alloys, e.g. oligodynamic metals
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/52Hydrogels or hydrocolloids
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61PSPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P31/00Antiinfectives, i.e. antibiotics, antiseptics, chemotherapeutics
    • A61P31/04Antibacterial agents
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/40Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
    • A61L2300/404Biocides, antimicrobial agents, antiseptic agents
    • A61L2300/406Antibiotics
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/60Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a special physical form
    • A61L2300/62Encapsulated active agents, e.g. emulsified droplets
    • A61L2300/624Nanocapsules
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/06Flowable or injectable implant compositions
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/12Nanosized materials, e.g. nanofibres, nanoparticles, nanowires, nanotubes; Nanostructured surfaces
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/18Modification of implant surfaces in order to improve biocompatibility, cell growth, fixation of biomolecules, e.g. plasma treatment

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Pest Control & Pesticides (AREA)
  • Agronomy & Crop Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Communicable Diseases (AREA)
  • Oncology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)

Abstract

병원성 미생물에서 항생제 내성이 빠르게 등장하면서 세계 공중보건을 위협하고 있다. 이 급성장하는 문제를 완화하기 위해, 항생제의 국소적인 적용이 매력적인 해결책으로 작용할 수 있다. 이를 위해서는 재료하는 운반 시스템으로 제작해야 한다. 하이드로겔은 다양한 물리적, 화학적 성질을 가지고 있으며 세포외 기질을 모방하여 국소적인 항균 적용에 유망한 물질이다. 본 발명에서는 항균성 실리콘(Si) 기반의 니켈(Ni) 나노플라워(Si@Ni)를 합성하여 미세유체공학 및 광가교 기술을 이용하여 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)에 캡슐화하여 균일한 미세 크기의 하이드로겔 구체(Si@Ni-GelMA)를 구성하였다. Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA을 특성화하기 위해 X선 회절, 투과전자현미경 및 주사전자현미경을 사용하였다. 주사 가능한 Si@Ni-GelMA는 세 가지 다른 박테리아 균주(녹농균, 폐렴간균, 메티실린 내성 황색포도상구균 (세균 살상률 > 99.9%))에 대해 우수한 항균 특성을 가지고 있으며, 쥐의 배아 섬유아세포에 대해 무시할 수 있는 독성을 가진 것으로 밝혀졌다. 따라서 Si@Ni-GelMA는 주사 가능성, 가시광선을 이용한 가교, 분해, 생체 안전 및 우수한 항균 특성으로 인해 약물 전달 운반체로 잠재적으로 적용할 수 있다. Antibiotic resistance is rapidly emerging in pathogenic microorganisms, threatening global public health. To alleviate this burgeoning problem, topical application of antibiotics may serve as an attractive solution. To achieve this, the material must be manufactured with a transport system. Hydrogels have diverse physical and chemical properties and mimic the extracellular matrix, making them promising materials for topical antibacterial applications. In the present invention, antibacterial silicon (Si)-based nickel (Ni) nanoflowers (Si@Ni) were synthesized and encapsulated in gelatin methacryloyl (GelMA) using microfluidic engineering and photo-crosslinking technology to produce uniform, micro-sized nanoflowers (Si@Ni). Hydrogel spheres (Si@Ni-GelMA) were constructed. X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and scanning electron microscopy were used to characterize Si@Ni and Si@Ni-GelMA. Injectable Si@Ni-GelMA has excellent antibacterial properties against three different bacterial strains (Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (bacterial killing rate > 99.9%)) and against mouse embryonic fibroblasts. It was found to have negligible toxicity. Therefore, Si@Ni-GelMA has potential applications as a drug delivery carrier due to its injectability, cross-linking using visible light, degradability, biosafety, and excellent antibacterial properties.

Description

Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체 및 살균 방법{Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method} Manufacturing method for Si-based Ni nanoflower-encapsulated microspheres, Si-based Ni nanoflower-encapsulated microspheres produced thereby, and sterilization method {Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower- Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method}

본 발명은 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체 및 살균 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 Si@Ni-GelMA 미세구체가 2 mg·mL-1 이상에서 녹농균(P. aeruginosa), 폐렴간균(K. pneumoniae) 및 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)을 99% 이상 살균 가능한 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체 및 살균 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres, the Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres produced thereby, and a sterilization method, and more specifically, to Si@Ni-GelMA microspheres. Preparation of Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres capable of sterilizing more than 99% of P. aeruginosa, K. pneumoniae, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) at more than 2 mg·mL -1 Method, Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres prepared thereby, and sterilization method.

박테리아에 의한 감염은 인간의 건강에 심각한 위협이며, 감염을 치료하기 위한 항생제가 개발되었다. 그러나 항생제의 남용과 오용은 다중약물내성을 초래하여 치료 결과를 좌절시키고 더 높은 사망률을 초래했다. 세균성 약물 내성의 위험을 줄이기 위해서는 안전하고 효율적인 약물 전달 시스템을 고안하여 통제하고 장기간 약물 방출을 보장하는 것이 필수적이다. 최근의 발명에 따르면, 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 산화아연(ZnO), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 이산화티타늄(TiO2) 등 많은 금속 및 금속산화물 나노입자가 항균성을 발휘하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 금속 및 금속 산화물 나노입자는 상대적으로 크기가 작고 표면적 대 부피비가 커서 바이러스, 곰팡이, 세균막과 더 집중적으로 상호작용할 수 있다. 보다 최근에는 이론적 비표면적이 높고 크기 및 형상 정의가 용이한 Si계 나노복합체가 내재적으로 갖는 바람직한 특성으로 인해 더욱 많은 관심이 모아지고 있다. 이러한 나노 지지체는 금속 나노입자로 캡슐화되어 코어(core)-쉘과 요크(yolk)-쉘 구조가 각각 에너지 분야와 의학 분야에 적용되었다. 나노플라워 유사 구조는 구형이나 막대 구조보다 표면적이 커서 항균제로 더 효과적이다. 그러나 이러한 나노입자는 신체의 정상 세포에도 해를 끼칠 수 있으므로, 잠재적인 적용을 제한한다. 따라서, 원치 않는 부작용을 줄이고 목표물에 더 가깝게 투여함으로써 약물 효과를 높이는 효과적인 전달 시스템이 필요하다.Infections caused by bacteria are a serious threat to human health, and antibiotics have been developed to treat infections. However, overuse and misuse of antibiotics has led to multidrug resistance, frustrating treatment outcomes and resulting in higher mortality rates. To reduce the risk of bacterial drug resistance, it is essential to design and control safe and efficient drug delivery systems and ensure long-term drug release. According to recent inventions, gold (Au), silver (Ag), nickel (Ni), copper (Cu), zinc oxide (ZnO), nickel oxide (NiO), copper oxide (CuO), titanium dioxide (TiO 2 ) Many metal and metal oxide nanoparticles have been found to exhibit antibacterial properties. These metal and metal oxide nanoparticles are relatively small in size and have a large surface area to volume ratio, which allows them to interact more intensively with viruses, fungi, and bacterial membranes. More recently, Si-based nanocomposites have attracted increasing attention due to their inherent desirable properties, including high theoretical specific surface area and easy size and shape definition. These nano supports were encapsulated with metal nanoparticles, and their core-shell and yoke-shell structures were applied to the energy and medical fields, respectively. Nanoflower-like structures have a larger surface area than spherical or rod structures, making them more effective as antibacterial agents. However, these nanoparticles can also harm normal cells in the body, limiting their potential applications. Therefore, there is a need for effective delivery systems that increase drug effectiveness by reducing unwanted side effects and administering drugs closer to the target.

다량의 물을 포함하는 하이드로겔은 고유 세포외 매트릭스(ECM)를 모방한 가교 폴리머 네트워크이므로 조직 공학과 약물 및 단백질 전달을 위한 운반체로서 유망한 물질이다. 다양한 천연 및 합성 고분자는 유망한 하이드로겔 스캐폴드를 형성하는데 사용될 수 있다. 콜라겐, 키토산, 덱스트란, 알긴산, 히알루론산, 젤라틴은 하이드로겔 스캐폴드를 만드는 데 널리 사용되는 천연 중합체 중 하나이다. 콜라겐에서 유래한 젤라틴은 풍부하고, 원가가 낮으며, 생체 적합성이 좋고, 생분해성이좋으며, 항원성이 낮아 유망한 물질이다. 젤라틴 메타크릴로일(Gelatine Methacryloyl, GelMA)의 경우, 메타크릴로일기와 젤라틴의 기능화는 하이드로겔의 물리적 화학적 성질을 조정할 수 있는 광학적 또는 화학적 가교결합을 통해 젤라틴을 경화시키는 것을 가능하게 한다. 하이드로겔을 주사할 수 있다면 수술이 필요하지 않기 때문에 대상 부위에 도입하는 것이 더 쉬울 것이다. 그러나 벌크 하이드로겔은 여전히 수많은 단점이 있다. 예를 들어, UV 또는 가시광선에 노출됨으로써 형성된 광가교 하이드로겔은 피부 침투 깊이가 낮기 때문에 현장에서 종종 불균일하다. 반대로 열감응형 하이드로겔은 가역적인 물리적 가교로 형성되기 때문에 기계적 물성이 떨어지고 체내에서 붕괴될 가능성이 높다.Hydrogels containing large amounts of water are cross-linked polymer networks that mimic native extracellular matrix (ECM) and are therefore promising materials as carriers for tissue engineering and drug and protein delivery. A variety of natural and synthetic polymers can be used to form promising hydrogel scaffolds. Collagen, chitosan, dextran, alginic acid, hyaluronic acid, and gelatin are among the natural polymers widely used to make hydrogel scaffolds. Gelatin derived from collagen is a promising material due to its abundance, low cost, good biocompatibility, good biodegradability, and low antigenicity. In the case of Gelatine Methacryloyl (GelMA), functionalization of gelatin with methacryloyl groups makes it possible to harden gelatin through optical or chemical crosslinking, which can adjust the physical and chemical properties of the hydrogel. If the hydrogel could be injected, it would be easier to introduce it into the target area because surgery would not be necessary. However, bulk hydrogels still have numerous drawbacks. For example, photocrosslinked hydrogels formed by exposure to UV or visible light are often heterogeneous in situ due to low skin penetration depth. Conversely, because heat-responsive hydrogels are formed through reversible physical cross-linking, they have poor mechanical properties and are highly likely to collapse in the body.

마이크로 입자 또는 마이크로겔이라고도 불리는 하이드로겔의 미세구체는 벌크 하이드로겔의 단점을 극복하고 벌크 하이드로겔에 비해 독특한 특성을 가지고 있어 생의약 분야에 다양하게 적용되고 있다. 미세구체 하이드로겔은 벌크 하이드로겔로서 본래의 성질의 대부분을 유지한다. 균일한 미세구체로서 체외에서 가교되기 때문에 가교가 된 미세구체를 주사기를 이용해 체내에 주입이 가능함을 의미한다. 또한 미세구체의 표면적이 크기 때문에 흡착 능력이 향상되어 약물 적재에 용이하다. 또 다른 장점은 상대적으로 비용이 저렴한 장비를 이용해 미세구체를 제작이 가능하므로 생산 비용을 크게 줄일 수 있다는 것이다.Hydrogel microspheres, also called microparticles or microgels, overcome the disadvantages of bulk hydrogels and have unique properties compared to bulk hydrogels, so they are widely applied in the biomedical field. Microsphere hydrogels retain most of their original properties as bulk hydrogels. As uniform microspheres are cross-linked in vitro, this means that the cross-linked microspheres can be injected into the body using a syringe. In addition, because the surface area of the microspheres is large, the adsorption capacity is improved, making it easy to load drugs. Another advantage is that microspheres can be manufactured using relatively inexpensive equipment, which can greatly reduce production costs.

일반적으로 하이드로겔 미세구체를 제작하기 위해 액적 미세유체공학, 플로우 리토그래피 미세유체공학, 전기유체역학적 공동분사, 포토리소그래피, 소프트 리소그래피 기반 임프린트 및 마이크로몰딩과 같은 다양한 기술이 사용되어 왔다. 특히 액적 미세유체공학은 크기가 조절 가능하고 입도 분포가 좁으며 재현성이 높은 단분산 하이드로겔 미세구체를 제조하는데 큰 이점이 있다. 일반적으로 하이드로겔 미세구체의 준비는 두 가지 단계로 구성된다. 1) 두 개 또는 여러 개의 불연성 유체(즉, 수용성 고분자와 오일)를 미세 유체 장치에 주입한 다음 접합부에서 만나 사전 가교된 하이드로겔 물방울을 생성한다. 2) 이러한 물방울은 화학적 가교 또는 광가교를 통해 경화된다. 이러한 단계를 바탕으로 다양한 친수성 약물이나 세포 현탁액이 하이드로겔 미세구체에 캡슐화된다.In general, various techniques such as droplet microfluidics, flow lithography microfluidics, electrohydrodynamic co-spraying, photolithography, soft lithography-based imprinting, and micromolding have been used to fabricate hydrogel microspheres. In particular, droplet microfluidics has great advantages in producing monodisperse hydrogel microspheres with controllable size, narrow particle size distribution, and high reproducibility. Generally, the preparation of hydrogel microspheres consists of two steps. 1) Two or multiple non-flammable fluids (i.e., water-soluble polymer and oil) are injected into a microfluidic device and then meet at the junction to generate pre-crosslinked hydrogel droplets. 2) These water droplets are cured through chemical cross-linking or photo-crosslinking. Based on these steps, various hydrophilic drugs or cell suspensions are encapsulated in hydrogel microspheres.

대한민국 공개특허공보 제2020-0034696호Republic of Korea Patent Publication No. 2020-0034696 대한민국 공개특허공보 제2021-0062599호Republic of Korea Patent Publication No. 2021-0062599 대한민국 공개특허공보 제2013-0016933호Republic of Korea Patent Publication No. 2013-0016933

Cho, K.; Wang, X.; Nie, S.; Chen, Z.G.; Shin, D.M. Therapeutic nanoparticles for drug delivery in cancer. Clin. Cancer Res. 2008, 14, 1310-1316. Cho, K.; Wang, X.; Nie, S.; Chen, Z.G.; Shin, D.M. Therapeutic nanoparticles for drug delivery in cancer. Clin. Cancer Res. 2008, 14, 1310-1316. Maeda, H. The enhanced permeability and retention (EPR) effect in tumor vasculature: The key role of tumor-selective macromolecular Maeda, H. The enhanced permeability and retention (EPR) effect in tumor vasculature: The key role of tumor-selective macromolecular drug targeting. Adv. Enzym. Regul. 2001, 41, 189-207.drug targeting. Adv. Enzyme. Regul. 2001, 41, 189-207. Allen, T.M.; Cullis, P.R. Liposomal drug delivery systems: From concept to clinical applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 2013, 65, 36-48. Allen, T. M.; Cullis, P.R. Liposomal drug delivery systems: From concept to clinical applications. Adv. Drug Delivery. Rev. 2013, 65, 36-48.

본 발명에서는 항균성 Si@Ni 나노플라워를 합성하여 미세유체공학을 이용하여 GelMA에 캡슐화하여 균일한 마이크로 크기의 하이드로겔 구체(Si@Ni-GelMA)를 제조하였다. 합성된 Si@Ni 나노플라워는 주사전자현미경, 투과전자현미경, 분말 X선 회절 등을 이용하여 특성을 관찰한다. Si@Ni 나노플라워를 함유한 GelMA계 액적을 생성하기 위해 미세유체 시스템를 이용하였으며, 이어서 Si@Ni-GelMA 미세구체를 합성하는 광가교 단계를 수행하였다. 미세구체의 크기는 수상과 유상의 유속 비율을 변화시켜 쉽게 조절할 수 있었다. 또한 Si@Ni-GelMA는 세 가지 박테리아 균주(녹농균, 폐렴간균, 메티실린 내성 황색포도상구균(>99.9 % 살균율))에 대해 우수한 항균성과 쥐의 배아 섬유아세포에 대한 무시할 수 있는 세포 독성을 나타낸다. 여기서는 Si@Ni-GelMA 미세구체가 생체 적합성, 쉬운 제작, 주사 가능성, 분해 가능성, 생체 안전성 및 우수한 항균 특성으로 인해 조직 공학 및 생체의학 적용에 사용될 수 있다.In the present invention, antibacterial Si@Ni nanoflowers were synthesized and encapsulated in GelMA using microfluidics to produce uniform micro-sized hydrogel spheres (Si@Ni-GelMA). The properties of the synthesized Si@Ni nanoflowers are observed using scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and powder X-ray diffraction. A microfluidic system was used to generate GelMA-based droplets containing Si@Ni nanoflowers, followed by a photocrosslinking step to synthesize Si@Ni-GelMA microspheres. The size of the microspheres could be easily adjusted by changing the flow rate ratio of the water and oil phases. Additionally, Si@Ni-GelMA exhibits excellent antibacterial properties against three bacterial strains (Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (>99.9% killing rate)) and negligible cytotoxicity against mouse embryonic fibroblasts. . Herein, Si@Ni-GelMA microspheres can be used for tissue engineering and biomedical applications due to their biocompatibility, easy fabrication, injectability, degradability, biosafety, and excellent antibacterial properties.

본 발명의 일 실시형태인 활성 항균 운반체로서의 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법은, A method for producing Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres as an active antibacterial carrier, which is an embodiment of the present invention, includes:

젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 합성하는 제1 단계;A first step of synthesizing gelatin methacryloyl (GelMA);

상기 젤라틴 메타크릴로일에 Si@Ni 나노플라워를 혼합하여 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 제조하는 제2 단계;A second step of mixing Si@Ni nanoflowers with the gelatin methacryloyl to prepare a polymer precursor solution containing Si@Ni nanoflowers;

Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 가교하여 Si@Ni-GelMA 미세구체를 제조하는 제3 단계;를 포함한다. It includes a third step of producing Si@Ni-GelMA microspheres by crosslinking the polymer precursor solution mixed with Si@Ni nanoflowers.

여기서, Si@Ni-GelMA 미세구체는 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체를 의미한다. Here, Si@Ni-GelMA microspheres refer to Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres.

또한, 상기 제1 단계의 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 합성하는 단계는,In addition, the step of synthesizing gelatin methacryloyl (GelMA) in the first step,

젤라틴을 50 ℃ 내지 70 ℃에서 30분 내지 3시간 동안 제1 인산염 완충 식염수에서 교반하여 용해하는 1-1 단계; Step 1-1 of dissolving gelatin by stirring in phosphate-buffered saline solution at 50°C to 70°C for 30 minutes to 3 hours;

상기 제1-1 단계 혼합물을 40 ℃ 내지 60 ℃에서 2시간 내지 4시간 동안 교반하며 메타크릴산무수물을 0.1 mL min-1 내지 0.8 mL min-1 으로 주입하는 제1-2 단계;Step 1-2 of stirring the mixture of step 1-1 at 40 ℃ to 60 ℃ for 2 to 4 hours and injecting methacrylic anhydride at 0.1 mL min -1 to 0.8 mL min -1 ;

상기 제1-2 단계 혼합물에 35 ℃ 내지 45 ℃의 제2 인산염 완충 식염수를 혼합하여 반응을 멈추게 하는 제1-3 단계;Step 1-3 of stopping the reaction by mixing the second phosphate buffered saline solution at 35°C to 45°C with the mixture of step 1-2;

상기 제1-3 단계의 혼합물을 35 ℃ 내지 45 ℃의 증류수로 투석막을 통하여 투석하는 제1-4 단계; A 1-4 step of dialyzing the mixture of steps 1-3 through a dialysis membrane with distilled water at 35°C to 45°C;

상기 제1-4 단계의 혼합물을 필터로 필터링하는 제1-5 단계;Steps 1-5 of filtering the mixture of steps 1-4 with a filter;

상기 제1-5 단계의 혼합물을 -90 ℃ 내지 -70 ℃의 온도 범위, 50 mTorr 내지 300 mTorr 의 압력 범위에서 1일 내지 5일 동결 건조하는 제1-6 단계;Step 1-6 of freeze-drying the mixture of step 1-5 for 1 to 5 days at a temperature range of -90 ℃ to -70 ℃ and a pressure range of 50 mTorr to 300 mTorr;

상기 제1-6 단계의 동결 건조된 혼합물을 -30 ℃ 내지 -10 ℃의 온도 범위에서 저장하여 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 얻는 제1-7 단계;를 포함한다. It includes steps 1-7 of storing the freeze-dried mixture of steps 1-6 at a temperature range of -30 ℃ to -10 ℃ to obtain gelatin methacryloyl (GelMA).

또한, 상기 제2 단계의 젤라틴 메타크릴로일에 Si@Ni 나노플라워를 혼합하여 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 제조하는 단계는, In addition, the step of mixing Si@Ni nanoflowers with the gelatin methacryloyl of the second step to prepare a polymer precursor solution in which Si@Ni nanoflowers are mixed,

상기 제1 단계에서 생성된 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 제3 인산염 완충 식염수에 용해시키는 제2-1 단계;A 2-1 step of dissolving the gelatin methacryloyl (GelMA) produced in the first step in third phosphate buffered saline;

상기 제2-1 단계의 혼합물에 lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate 3 mM 내지 10 mM 첨가하는 제2-2 단계;Step 2-2 of adding 3 to 10 mM of lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate to the mixture of step 2-1;

상기 제2-2 단계의 혼합물에 NaOH 또는 HCl을 혼합하여 pH를 7.5 내지 8.5로 조절하는 제2-3 단계;Step 2-3 of adjusting the pH to 7.5 to 8.5 by mixing NaOH or HCl into the mixture of step 2-2;

상기 제2-3 단계의 혼합물에 Si@Ni 나노플라워를 혼합하여 50 ℃ 내지 60 ℃에서 10분 내지 50분 초음파 처리하여 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 얻는 제2-4 단계;를 포함한다. Step 2-4 of mixing Si@Ni nanoflowers with the mixture of step 2-3 and sonicating the mixture at 50°C to 60°C for 10 to 50 minutes to obtain a polymer precursor solution containing Si@Ni nanoflowers; Includes.

또한, 상기 제3 단계의 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 가교하여 Si@Ni-GelMA 미세구체를 제조하는 단계는,In addition, the step of producing Si@Ni-GelMA microspheres by crosslinking the polymer precursor solution mixed with Si@Ni nanoflowers in the third step is,

상기 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액과 파라핀 오일을 함유하는 용매를 혼합하는 제3-1 단계;Step 3-1 of mixing the polymer precursor solution mixed with the Si@Ni nanoflowers and a solvent containing paraffin oil;

상기 제3-1 단계에서 혼합된 용액을 주사기를 사용하여 에멀젼 액적을 형성하고, 상기 에멀젼 액적에 400 nm 내지 450 nm 의 파장, 100 mW/cm2 내지 300 mW/cm2으로 조사하여 가교하는 제3-2 단계;An agent that forms emulsion droplets using the solution mixed in step 3-1 using a syringe, and irradiates the emulsion droplets with a wavelength of 400 nm to 450 nm, 100 mW/cm 2 to 300 mW/cm 2 to crosslink. Step 3-2;

상기 제3-2 단계에서 가교 혼합물을 제4 인산염 완충 식염수로 정제하여 파라핀 오일을 함유하는 과잉 첨가물을 제거하는 제3-3 단계;를 포함한다. and a 3-3 step of purifying the crosslinking mixture in step 3-2 with quaternary phosphate buffered saline to remove excess additives including paraffin oil.

본 발명의 일 실시형태인 상기 Si@Ni 나노플라워는 화학 용액 증착법(Chemical bath deposition, CBD)과 환원 가열을 이용하여 합성하며,The Si@Ni nanoflower, which is an embodiment of the present invention, is synthesized using chemical bath deposition (CBD) and reduction heating,

플라즈마 합성된 실리콘 나노입자를 물 및 에탄올을 함유하는 제1 용매에 분산하여 초음파 처리하여 제1 용액을 얻는 제1 공정;A first process of dispersing plasma-synthesized silicon nanoparticles in a first solvent containing water and ethanol and sonicating them to obtain a first solution;

물과 에탄올을 함유하는 제2 용매에 Ni(CH3COO)4H2O와 과산화이황산칼륨을 용해하여 제2 용액을 얻는 제2 공정;A second step of dissolving Ni(CH 3 COO) 4H 2 O and potassium peroxodisulfate in a second solvent containing water and ethanol to obtain a second solution;

상기 제1 용역과 제2 용액을 100 rpm 내지 300 rpm으로 혼합하여 제3 용액을 얻는 제3 공정;A third process of obtaining a third solution by mixing the first service and the second solution at 100 rpm to 300 rpm;

NHH2O를 탈이온수에 희석하여 상기 제3 용액에 1 drop.s-1 으로 적하 하는 제4 공정; Dilute NH 3 · H 2 O in deionized water and add 1 drop to the third solution . Fourth process of dropping at s- 1 ;

상기 제4 공정의 혼합물의 침전물을 탈이온수로 세척하여 SO4 2-, K+, Ni2+, CH3COO- 을 제거하여 Si@NiOOH 나노플라워를 수득하는 제5 공정; A fifth process of washing the precipitate of the mixture of the fourth process with deionized water to remove SO 4 2- , K + , Ni 2+ and CH 3 COO - to obtain Si@NiOOH nanoflowers;

상기 제5 공정에서 얻어진 Si@NiOOH 나노플라워를 50 ℃ 내지 70 ℃ 오븐에서 5시간 내지 7시간 동안 건조하는 제6 공정;A sixth process of drying the Si@NiOOH nanoflowers obtained in the fifth process in an oven at 50 ° C to 70 ° C for 5 to 7 hours;

상기 제6 공정 후에 300 ℃ 내지 500 ℃에서 10vol% H2/90vol% Ar 가스 혼합물로 화학기상증착(CVD) 관로에서 10분 내지 40분 동안 가열하여 Si@Ni 나노플라워로 환원하는 제7 공정;을 포함한다. After the sixth process, a seventh process of reducing Si@Ni nanoflowers by heating for 10 to 40 minutes in a chemical vapor deposition (CVD) pipe with a 10 vol% H 2 /90 vol% Ar gas mixture at 300 ° C to 500 ° C; Includes.

본 발명의 일 실시형태인 코어-쉘 구조의 Si@Ni 나노플라워는, The Si@Ni nanoflower of the core-shell structure, which is an embodiment of the present invention,

Si 나노입자 코어 상에 증착된 나노플라워 형태의 Ni 쉘을 갖으며, 500 nm 내지 1 μm의 플라워 모양을 갖고, It has a Ni shell in the form of a nanoflower deposited on a Si nanoparticle core, and has a flower shape of 500 nm to 1 μm,

상기 Si 나노입자 코어의 직경은 100 nm 내지 200 nm의 구형이며, 상기 Ni 셸은 플라워 형상으로 두께는 10 nm 내지 30 nm 이며, The Si nanoparticle core has a spherical diameter of 100 nm to 200 nm, and the Ni shell has a flower shape and a thickness of 10 nm to 30 nm,

-196℃에서 얻어진 N2 흡착-탈착 등고온선에 의한 Si 나노입자의 미세 기공 부피(Vmicro)는 0.005 내지 0.007cm3/g이며, 메조 기공 부피(Vmeso)는 0.03 내지 0.07 cm3/g이며, 비표면적(SBET)은 14 내지 15 m2/g이며, 기공 크기는 17 내지 18 nm이며, 또한 Si@Ni의 미세 기공 부피(Vmicro)는 0.001 내지 0.003 cm3/g이며, 메조 기공 부피(Vmeso)는 0.08 내지 0.09 cm3/g이며, 비표면적(SBET)은 23 내지 24 m2/g이며, 기공 크기는 30 내지 31 nm 인 것을 사용한다. The micropore volume (V micro ) of Si nanoparticles according to the N 2 adsorption-desorption isotherm obtained at -196°C is 0.005 to 0.007 cm 3 /g, and the mesopore volume (V meso ) is 0.03 to 0.07 cm 3 /g. , the specific surface area (S BET ) is 14 to 15 m 2 /g, the pore size is 17 to 18 nm, and the micropore volume (V micro ) of Si@Ni is 0.001 to 0.003 cm 3 /g, meso The pore volume (V meso ) is 0.08 to 0.09 cm 3 /g, the specific surface area (S BET ) is 23 to 24 m 2 /g, and the pore size is 30 to 31 nm.

본 발명의 일 실시형태인 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체는, Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres of one embodiment of the present invention,

유상 유량(oil phase flow rate)(Qo)는 40 μL·min-1 으로 고정된 상태에서 수성상 유량(aqueous phase flow rate)(Qa)는 2 내지 4 μL·min-1의 조건에서 제조되며, 직경의 크기가 254.1±5.4 μm 여서 주사기 헤드를 통하여 주입성능이 향상된다. The oil phase flow rate (Q o ) is fixed at 40 μL·min -1 and the aqueous phase flow rate (Q a ) is manufactured under conditions of 2 to 4 μL·min -1 The diameter is 254.1±5.4 μm, improving injection performance through the syringe head.

본 발명의 일 실시형태인 녹농균(P. aeruginosa), 폐렴간균(K. pneumoniae) 및 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)을 99% 이상 살균하는 방법은 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체 2 mg·mL-1 내지 10 mg·mL-1의 농도에서 가능하다. In one embodiment of the present invention, a method for sterilizing more than 99% of Pseudomonas aeruginosa, K. pneumoniae, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) uses Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres 2 It is possible at a concentration of mg·mL -1 to 10 mg·mL -1 .

본 발명의 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체 및 살균 방법에 의하면, Si@Ni-GelMA 미세구체가 특정 농도에서 녹농균(P. aeruginosa), 폐렴간균(K. pneumoniae) 및 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)을 99.9% 이상 살균 가능하다. According to the method for producing Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres of the present invention, the Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres produced thereby, and the sterilization method, Si@Ni-GelMA microspheres are used to kill Pseudomonas aeruginosa ( It can sterilize more than 99.9% of P. aeruginosa, K. pneumoniae, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA).

도 1은 항균 적용을 위한 GelMA 미세구체(Si@Ni-GelMA)를 운반하는 Si@Ni의 개략도이다.
도 2는 Si 나노입자와 Ni(II) 아세테이트(Ni(CH3COO)2)를 이용하여 제조한 Si@Ni의 모습이다.
도 3은 Si와 Si@Ni의 SEM 및 TEM 이미지이다.
도 4은 Si@Ni와 Si 나노입자의 상대 압력에 대한 질소 흡수를 나타낸다.
도 5는 Si@Ni와 Si 나노입자의 기공 사이즈 분포를 나타낸다.
도 6은 젤라틴 메타크릴로일(GelMA) 반응도 및 전구체 용액 제조를 나타낸다.
도 7은 Si@Ni-GelMA 미세구체의 미세유체공학적 제조를 나타낸다.
도 8은 젤라틴(Gel)과 메타크릴산무수물(MA)의 트랜스에스테르화 반응을 통한 GelMA 합성을 나타낸다.
도 9는 겔과 GelMA의 H-NMR 스펙트럼을 나타낸다.
도 10은 수성상 유량이 다른 GelMA 미세구체의 밝은 필드 이미지를 나타낸다.
도 11은 수성상 유량의 함수로서 GelMA 미세구체의 크기를 나타낸다.
도 12는 수성상 변화된 미세구체의 밝은 필드 이미지를 나타낸다.
도 13은 유상 유량의 함수로서 GelMA 미세구체의 크기를 나타낸다.
도 14는 Si@Ni-GelMA를 24 게이지 바늘로 주사기에 이송하고 페트리 접시에 주사한 후, 주사기를 통해 주사된 Si@Ni-GelMA 미세구체의 밝은 필드 이미지를 나타낸다.
도 15는 대조군 GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA의 PXRD 패턴을 나타낸다.
도 16은 Si@Ni-GelMA 및 GelMA의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
도 17은 Si@Ni-GelMA 및 GelMA의 TGA 프로파일을 나타낸다.
도 18은 대조군 GelMA 및 Si@Ni-GelMA의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 19는 콜라겐화 효소와 함께 배양된 5주 동안 GelMA의 형태학적 변화를 보여주는 밝은 필드 이미지를 나타낸다.
도 20은 10 IU·mL-1 type II 콜라겐화효소(n = 3)에 의한 GelMA의 효소 분해를 나타낸다.
도 21은 1 mL DPBS에서 GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA에서 방출된 Ni 이온의 농도를 나타낸다.
도 22는 대조군과 비교했을 때 24시간 배양 후 다른 조건에서 성장한 세균의 대표적인 이미지를 나타내는데, 상단(P. aeruginosa), 중간(K. pneumoniae), 하단(MRSA), 왼쪽에서 오른쪽: 블랭크, GelMA, Si@Ni, Si@Ni-GelMA이다
도 23은 P. aeruginosa, K. pneumoniae, MRSA에 대한 GelMA, Si@Ni, Si@N-GelMA의 항균율을 나타낸다.
도 24는 1일째와 3일째 각각 대조군 GelMA, Si@Ni 또는 Si@Ni-GelMA에 접촉한 후 Si@Ni-GelMA(A) Live/Dead 얼룩 영상의 세포독성 테스트를 나타낸다.
도 25는 대조군 GelMA, Si@Ni 또는 Si@Ni-GelMA의 MEF 추출액에 대한 체외 세포 독성은 나타낸다. 스케일바: 200 ㎛
Figure 1 is a schematic diagram of Si@Ni carrying GelMA microspheres (Si@Ni-GelMA) for antibacterial applications.
Figure 2 shows Si@Ni manufactured using Si nanoparticles and Ni(II) acetate (Ni(CH 3 COO) 2 ).
Figure 3 is SEM and TEM images of Si and Si@Ni.
Figure 4 shows the nitrogen absorption of Si@Ni and Si nanoparticles versus relative pressure.
Figure 5 shows the pore size distribution of Si@Ni and Si nanoparticles.
Figure 6 shows gelatin methacryloyl (GelMA) reactivity and precursor solution preparation.
Figure 7 shows the microfluidic fabrication of Si@Ni-GelMA microspheres.
Figure 8 shows the synthesis of GelMA through the transesterification reaction of gelatin (Gel) and methacrylic anhydride (MA).
Figure 9 shows H-NMR spectra of gel and GelMA.
Figure 10 shows bright field images of GelMA microspheres with different aqueous phase flow rates.
Figure 11 shows the size of GelMA microspheres as a function of aqueous phase flow rate.
Figure 12 shows a bright field image of aqueous phase modified microspheres.
Figure 13 shows the size of GelMA microspheres as a function of oil phase flow rate.
Figure 14 shows a bright field image of Si@Ni-GelMA microspheres injected through the syringe after Si@Ni-GelMA was transferred to the syringe with a 24 gauge needle and injected into a Petri dish.
Figure 15 shows PXRD patterns of control GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA.
Figure 16 shows FT-IR spectra of Si@Ni-GelMA and GelMA.
Figure 17 shows the TGA profiles of Si@Ni-GelMA and GelMA.
Figure 18 shows SEM images of control GelMA and Si@Ni-GelMA.
Figure 19 shows bright field images showing morphological changes in GelMA over 5 weeks of culture with collagenase.
Figure 20 shows enzymatic digestion of GelMA by 10 IU·mL -1 type II collagenase (n = 3).
Figure 21 shows the concentration of Ni ions released from GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA in 1 mL DPBS.
Figure 22 shows representative images of bacteria grown under different conditions after 24 hours of incubation compared to the control, top (P. aeruginosa), middle (K. pneumoniae), bottom (MRSA), left to right: blank, GelMA; Si@Ni, Si@Ni-GelMA
Figure 23 shows the antibacterial rates of GelMA, Si@Ni, and Si@N-GelMA against P. aeruginosa, K. pneumoniae, and MRSA.
Figure 24 shows cytotoxicity tests of Si@Ni-GelMA (A) Live/Dead stain images after contact with control GelMA, Si@Ni, or Si@Ni-GelMA on days 1 and 3, respectively.
Figure 25 shows in vitro cytotoxicity of control GelMA, Si@Ni or Si@Ni-GelMA to MEF extracts. Scale bar: 200 ㎛

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 이하에서 설명하는 바람직한 실시 예는 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양하게 설계를 변경될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The preferred embodiments described below can be designed in various ways by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

1.1. 재료1.1. ingredient

젤라틴(돼지껍질, A 타입, 분말, 겔강도 ~300 g Bloom), 메타크릴산무수물(MA), 산화중수소(D2O), 에틸알코올(도수 200, ≥99.5%), 플라즈마합성 실리콘 나노입자(20 mg, 입자크기 : 50~100 nm, 순도 : 99%), 수산화암모늄 용액(NH3 .H2O), 니켈(II) 아세테이트(Ni(CH3COO)2 .4H2O와 페로옥소디설페이트 칼륨(K2S2O8)은 Sigma-Aldrich사(St. Louis, MO, USA)에서 구입했다. LAP(lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate)는 Cellink Life Sciences사(Boston, MA, USA)에서 구입했다. 투석막은 Spectrum Laboratory사(Rancho Dominguez, CA, USA)에서 얻었다. DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Medium), 덜베코의 인산염 완충 식염수(DPBS), 소 태아 혈청(FBS), 페니실린/스트렙토마이신, 콜라겐 I(쥐꼬리)은 Gibco사(Grand Island, NY, USA)에서 구입했다. LIVE/DEAD™ 생존능력/세포 독성 키트는 Thermo Fisher Scientific사(Waltham, MA, USA)에서 구입했다. MTS 분석 키트(세포 증식)는 Abcam사(Cambridge, MA, USA)에서 구입했다. 일회용 플라스틱 주사기, 쥐의 배아 섬유아세포(MEF) 및 LIVE/DEAD 분석 키트는 Thermo Fisher Scientific사(Waltham, MA, USA)에서 구입했다.Gelatin (pork skin, type A, powder, gel strength ~300 g Bloom), methacrylic anhydride (MA), deuterium oxide (D 2 O), ethyl alcohol (ABV 200, ≥99.5%), plasma-synthesized silicon nanoparticles (20 mg, particle size: 50~100 nm, purity: 99%), ammonium hydroxide solution (NH 3 . H 2 O), nickel(II) acetate (Ni(CH 3 COO) 2 . 4H 2 O and ferrooxo Potassium disulfate (K 2 S 2 O 8 ) was purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA), and lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) was purchased from Cellink Life Sciences (Boston, USA). Dialysis membrane was obtained from Spectrum Laboratory (Rancho Dominguez, CA, USA): DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS), fetal bovine serum (FBS), and penicillin. /streptomycin, collagen I (rat tail) were purchased from Gibco (Grand Island, NY, USA), and the LIVE/DEAD™ viability/cytotoxicity kit was purchased from Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, USA). MTS assay kit (cell proliferation) was purchased from Abcam (Cambridge, MA, USA) Disposable plastic syringes, mouse embryonic fibroblast (MEF) and LIVE/DEAD assay kits were purchased from Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, USA). ) was purchased from.

1.2. Si-기반의 Ni 복합 나노플라워(Si@Ni)의 합성1.2. Synthesis of Si-based Ni composite nanoflowers (Si@Ni)

Si@Ni는 화학 용액 증착법(Chemical bath deposition, CBD)과 환원 가열을 이용하여 합성하였다. 플라즈마합성 실리콘 나노입자(20 mg)를 물(4 mL)과 에탄올(2 mL)이 혼합된 비커에 분산시켜 2시간동안 초음파 처리하였다(용액 1). 물(4 mL)과 에탄올(2 mL)을 함유한 비커에 Ni(CH3COO)4H2O(0.25g)와 과산화이황산칼륨(0.05 g)을 용해시켰다(용액 2). 용액 1과 용액 2를 200 rpm으로 자기 교반하여 혼합하였다(용액 3). NHH2O(28~37%, 0.2 mL)를 탈이온수(10 mL)에 희석하고, 희석한 용액을 교반하여 용액 3에 적하(1 drop.s-1)하여 첨가하였다. 노르스름한 용액이 서서히 검게 변했다. 반응은 NH3·H2O 첨가 후 30분간 계속되었으며, 침전물을 다량의 탈이온수로 세척하여 다른 흡착 이온(SO4 2-, K+, Ni2+, CH3COO- 등)을 제거하였다. 갈색의 Si@NiOOH 나노플라워를 수득하였으며, 60 ℃ 오븐에서 6시간 동안 건조시킨 후, 400 ℃에서 10vol% H2/90vol% Ar 가스 혼합물로 화학기상증착(CVD) 관로에서 30분 동안 가열하여 어두운 갈색의 Si@Ni 나노플라워로 환원되었다.Si@Ni was synthesized using chemical bath deposition (CBD) and reduction heating. Plasma-synthesized silicon nanoparticles (20 mg) were dispersed in a beaker mixed with water (4 mL) and ethanol (2 mL) and sonicated for 2 hours (solution 1). Ni(CH 3 COO) 4H 2 O (0.25 g) and potassium peroxodisulfate (0.05 g) were dissolved in a beaker containing water (4 mL) and ethanol (2 mL) (solution 2). Solution 1 and Solution 2 were mixed by magnetic stirring at 200 rpm (Solution 3). NH 3 · H 2 O (28-37%, 0.2 mL) was diluted in deionized water (10 mL), and the diluted solution was stirred and added dropwise (1 drop.s- 1 ) to Solution 3. The yellowish solution gradually turned black. The reaction continued for 30 minutes after adding NH 3 ·H 2 O, and the precipitate was washed with a large amount of deionized water to remove other adsorbed ions (SO 4 2- , K + , Ni 2+ , CH 3 COO - , etc.). Brown Si@NiOOH nanoflowers were obtained, dried in an oven at 60°C for 6 hours, and then heated in a chemical vapor deposition (CVD) tube at 400°C with a 10vol% H 2 /90vol% Ar gas mixture for 30 minutes to obtain a dark appearance. It was reduced to brown Si@Ni nanoflowers.

1.3. Si@Ni 캡슐화된 젤라틴 미세구체(Si@Ni-GelMA)의 제조1.3. Preparation of Si@Ni encapsulated gelatin microspheres (Si@Ni-GelMA)

1 단계 : 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)의 합성. Step 1: Synthesis of gelatin methacryloyl (GelMA).

기재로는 젤라틴을 이용하였다. 광중합 실현을 위해 개질 젤라틴을 광반응기를 도입하여 제조하였다. 구체적으로, 젤라틴(2g)을 60 ℃에서 1시간 동안 교반하여 DPBS(20 mL)에 용해시켰다. 그 후, 50 ℃에서 3시간 동안 교반하여 MA(1.2 mL)를 0.5 mL min-1로 투입하였다. 반응을 멈추기 위해 가열된 DPBS(40 ℃, 80 mL)로 용액을 5배 희석하였다. 상기 혼합물은 증류수(40℃)에서 7 hour 동안 투석막(Mw 컷오프 : 12-14 kDa)을 사용하여 투석하였다. 다음으로 필터(0.22 μm, Perkin Elmer, Waltham, MA, USA)를 통과시켰다. 그 결과로 생긴 용액은 -80 ℃, 100 mTorr에서 3일간 동결건조(Sentry 2.0, SP Scientific, Warminster, PA, USA)하고, 이후 사용을 위해 -20 ℃에서 저장하였다. 젤라틴 상의 메타크릴레이트기는 400 MHz 분광계(JEOL RESONANCE ECZ 400S JEOL, Tokyo, Japan)를 사용하여 D2O에서 H 핵자기공명(NMR) 분광법을 사용하여 특성화하였다. Gelatin was used as a substrate. To realize photopolymerization, modified gelatin was prepared by introducing a photoreactor. Specifically, gelatin (2g) was dissolved in DPBS (20 mL) by stirring at 60°C for 1 hour. Afterwards, the mixture was stirred at 50°C for 3 hours and MA (1.2 mL) was added at 0.5 mL min -1 . To stop the reaction, the solution was diluted 5-fold with heated DPBS (40 °C, 80 mL). The mixture was dialyzed in distilled water (40°C) for 7 hours using a dialysis membrane (Mw cutoff: 12-14 kDa). Next, it was passed through a filter (0.22 μm, Perkin Elmer, Waltham, MA, USA). The resulting solution was freeze-dried (Sentry 2.0, SP Scientific, Warminster, PA, USA) at -80 °C and 100 mTorr for 3 days and stored at -20 °C for subsequent use. The methacrylate groups on gelatin were characterized using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy in D 2 O using a 400 MHz spectrometer (JEOL RESONANCE ECZ 400S JEOL, Tokyo, Japan).

2 단계 : Si@Ni 혼합 고분자 전구체 용액의 제조.Step 2: Preparation of Si@Ni mixed polymer precursor solution.

프리폴리머 용액을 제조하기 위하여, GelMA를 DPBS에 용해시켜 5%(w/v) 용액을 제조하였다. 다음으로, 이 GelMA 용액에 탈이온수에 용해된 LAP를 최종농도 5 mM으로 첨가하고, 고분자 용액의 pH는 NaOH 또는 HCl를 사용하여 8.0으로 조절하였다. 그런 다음, 고분자 용액에 Si@Ni 나노플라워(0.2%(w/v))를 더 혼합하고, 55℃에서 30분간 초음파 처리하여 균질 용액을 형성하였다.To prepare the prepolymer solution, GelMA was dissolved in DPBS to prepare a 5% (w/v) solution. Next, LAP dissolved in deionized water was added to this GelMA solution at a final concentration of 5 mM, and the pH of the polymer solution was adjusted to 8.0 using NaOH or HCl. Then, Si@Ni nanoflowers (0.2% (w/v)) were further mixed with the polymer solution and sonicated at 55°C for 30 minutes to form a homogeneous solution.

3 단계 : Si@Ni-GelMA 미세구체의 미세유체공학적 생성.Step 3: Microfluidic generation of Si@Ni-GelMA microspheres.

분산상으로 Si@Ni-GelMA 미세구체를 제조하기 위하여 프리폴리머 용액을 사용하였다. 연속상에는 5 wt% Span80의 파라핀 오일이 포함되어 있었다. 이 두 상을 서로 다른 마이크로 채널에 주사하고, 주사기 펌프에 의해 유량을 미세 조정하여 단분산 액적을 얻었다. 채취한 에멀젼 액적을 가시광선 LED조명(Jinsoft, Daegu, Korea)에 10초(λ=400-450 nm, 200 mW/cm2) 동안 노출시켜 GelMA 기반 액적을 가교시켰다. 파라핀 오일과 광개시제를 포함한 과잉 첨가물을 제거하기 위해 세정수에 미세구체를 추출한 후 DPBS에서 정제하였다. 모든 작업물 및 시약은 멸균 상태로 유지되었다. 명확히 하기 위해, Si@Ni 캡슐화된 GelMA 미세구체 및 Si@Ni가 없는 대조군 GelMA 미세구체는 각각 Si@Ni-GelMA 및 GelMA로 표기한다. 생성된 미세구체는 광학 현미경을 사용하여 촬영하였으며, 크기는 ImageJ 1.53a 소프트웨어를 사용하여 분석하였다.A prepolymer solution was used to prepare Si@Ni-GelMA microspheres as the dispersed phase. The continuous phase contained 5 wt% Span80 paraffin oil. These two phases were injected into different microchannels, and the flow rate was finely adjusted by a syringe pump to obtain monodisperse droplets. The collected emulsion droplets were exposed to visible LED lighting (Jinsoft, Daegu, Korea) for 10 seconds (λ=400-450 nm, 200 mW/cm 2 ) to cross-link the GelMA-based droplets. To remove excess additives, including paraffin oil and photoinitiator, the microspheres were extracted in washing water and purified in DPBS. All workpieces and reagents were kept sterile. For clarity, Si@Ni encapsulated GelMA microspheres and control GelMA microspheres without Si@Ni are denoted as Si@Ni-GelMA and GelMA, respectively. The resulting microspheres were photographed using an optical microscope, and their sizes were analyzed using ImageJ 1.53a software.

1.4. Si@Ni의 특성 분석1.4. Characterization of Si@Ni

10 kV에서 주사전자현미경(SEM; Hitachi SU8230, Hitachi High-Tec, Tokyo, Japan)과 120 kV에서 투과전자현미경(TEM; Tecnai G2 F20 TWIN TMP, FEI, Hillsboro, OR, USA)을 사용하여 Si 나노입자와 Si@Ni 나노플라워의 형태를 특성화하였다. BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법은 3FLEX 표면 특성 분석기 및 물리흡착 분석기(Micromeritics, Atlanta, Georgia, Georgia)를 사용하여 196 ℃에서 샘플의 비표면적을 측정하였다. 흡착 분지의 기공 크기 분포를 분석하기 위해 BJH(Barrett-Joyner-Halenda) 방법을 사용하였다.Si nanostructures were analyzed using scanning electron microscopy (SEM; Hitachi SU8230, Hitachi High-Tec, Tokyo, Japan) at 10 kV and transmission electron microscopy (TEM; Tecnai G2 F20 TWIN TMP, FEI, Hillsboro, OR, USA) at 120 kV. The morphologies of particles and Si@Ni nanoflowers were characterized. The Brunauer-Emmett-Teller (BET) method measured the specific surface area of the sample at 196 °C using a 3FLEX surface characterization analyzer and a physisorption analyzer (Micromeritics, Atlanta, Georgia). The Barrett-Joyner-Halenda (BJH) method was used to analyze the pore size distribution of the adsorption basin.

1.5. Si@Ni-GelMA의 특성1.5. Characteristics of Si@Ni-GelMA

Si@Ni, Si@Ni-GelMA 및 대조군 GelMA에 대해 40 kV 및 30 mA(SmartLab, Rigaku, Tokyo, Rigaku)에서 Cu Kα 방사선과 Ni 필터를 사용하여 분말 X선 회절(PXRD) 패턴을 기록하였다. 회절계는 40 kV의 전압과 30 mA의 전류에서 4°/min의 스캔 속도와 0.02°의 간격으로 작동하였다. KBr 펠릿을 사용하여 Bio-Rad사의 FTS 135 분광계(Hercules, CA, USA)를 사용하여 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 스펙트럼을 기록하였다. 열적 특성은 열적 중량 분석(TGA; TG 209 F3 Tarsus, NETZSCH, Selb, Germany)을 이용하여 평가하였다. 동결건조된 Si@Ni-GelMA와 대조군 GelMA의 형태학적 특성은 SEM-EDS를 이용하여 평가하였으며, SEM 분석 전에 동결건조된 시료에 금-팔라듐(Au-Pd) 합금을 30초간 코팅하였다. 시험관 내 열화 발명의 일환으로, DPBS에서 5%(w/v) 광가교 GelMA 미세구체를 24시간 동안 배양하여 팽윤을 평가하였다. 생리적 환경을 모방하기 위해, GelMA 미세구체를 37 ℃의 1.5 mL 튜브에 Type II Collagenase(10 UmL-1) 함유 DPBS 0.5 ml로 2주 동안 배양했다. 효소 용액을 일정 간격으로 충전하여 활성도를 확보하였으며, 현미경 검사에서 미세구체를 관찰하여 효소 용액을 제거한 후 일정 지점에서 무게를 측정하였다. 열화율(DR)은 식 1을 사용하여 계산되었다.Powder The diffractometer was operated at a voltage of 40 kV and a current of 30 mA at a scan speed of 4°/min and an interval of 0.02°. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectra were recorded using KBr pellets using an FTS 135 spectrometer from Bio-Rad (Hercules, CA, USA). Thermal properties were evaluated using thermal gravimetric analysis (TGA; TG 209 F3 Tarsus, NETZSCH, Selb, Germany). The morphological properties of lyophilized Si@Ni-GelMA and control GelMA were evaluated using SEM-EDS, and gold-palladium (Au-Pd) alloy was coated on the lyophilized sample for 30 seconds before SEM analysis. As part of the in vitro degradation invention, swelling was evaluated by culturing 5% (w/v) photo-crosslinked GelMA microspheres in DPBS for 24 hours. To mimic the physiological environment, GelMA microspheres were cultured with 0.5 ml of DPBS containing Type II Collagenase (10 UmL -1 ) in a 1.5 mL tube at 37 °C for 2 weeks. Activity was ensured by charging the enzyme solution at regular intervals, and the microspheres were observed under a microscope and their weight was measured at a certain point after removing the enzyme solution. Deterioration rate (DR) was calculated using Equation 1.

식 1Equation 1

Wo는 초기 무게이고, Wt는 시간 t에서의 무게를 나타낸다.W o is the initial weight, and W t represents the weight at time t.

1.6. 금속 이온 방출 평가1.6. Metal ion release evaluation

GelMA, Si@Ni 또는 Si@Ni-GelMA의 금속 이온 방출 가능성은 PBS 1 mL에 400 μg의 GelMA, Si@Ni 또는 Si@Ni-GelMA를 첨가하고 25℃에서 6 내지 48시간 동안 교반하여 시험하였다. 이 용액을 25℃, 5000 rpm에서 5분간 원심분리한 후 반응관에서 상등액을 제거하였다. 샘플에서 방출되는 금속 이온을 측정하기 위해 유도 결합된 플라즈마 광학 방출 분광법(ICP-OES; iCAP 7400 ICP-OES Duo, Thermo Fisher Scientific사, Waltham, MA, USA)을 사용하였다. 매질로 방출되는 금속 이온의 농도는 ppm 단위로 표현된다.The metal ion release potential of GelMA, Si@Ni or Si@Ni-GelMA was tested by adding 400 μg of GelMA, Si@Ni or Si@Ni-GelMA to 1 mL of PBS and stirring at 25°C for 6 to 48 hours. . This solution was centrifuged at 25°C and 5000 rpm for 5 minutes, and the supernatant was removed from the reaction tube. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES; iCAP 7400 ICP-OES Duo, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) was used to measure metal ions emitted from the samples. The concentration of metal ions released into the medium is expressed in ppm.

1.7. 항균 활성 평가1.7. Antibacterial activity evaluation

최소 살균 농도(MBC) 방법을 사용하여 세 가지 균주의 박테리아에 대한 대조군 GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA의 항균 활성을 측정하였다: 녹농균(ATCC 15442), 패렴간균(ATCC 4352) 그리고 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA; ATCC 33591)이 결정되었다. 블랭크용 Si@Ni-GelMA 피복 시트(2 mg·mL-1, 5x5±0.2 cm2)와 스토마커 필름을 준비하여 테스트하였다. 동일한 절차를 사용하여, 비교를 위해 GelMA와 Si@Ni도 준비하였다. 시험 시료는 에탄올에 적신 거즈로 표면에 2~3회 닦은 후 건조되었다. 일상적인 절차로 1-4x105개의 콜로니 형성 단위(CFU)·mL-1을 포함하는 사전 배양된 시험 세균의 혈소판을 분주했다. 페트리 접시는 각 샘플과 함께 테스트 면이 위를 향하도록 배치되었다. 그 후 피펫을 사용하여 각 시료에 0.2 mL의 시험용액을 분주하였다. 떨어뜨린 시험균을 필름으로 덮고 가볍게 눌러서 퍼뜨렸다. 시험균을 접종한 샘플과 대조군 GelMA가 포함된 페트리 접시를 37℃에서 24시간 동안 배양하였다. 분주 후 시험 균주가 있는 코팅되지 않은 시험 시료는 각각의 용액이 흐르지 않도록 멸균된 핀셋을 사용하여 분리하였다. 그 후, 시험 박테리아를 씻어내기 위해 다이제스트 레시틴 폴리소르베이트 배지(10 mL)에 소이빈(soybeam) 카제인을 첨가하였다. 상기 세척액은 생존 가능한 세포 수를 측정하기 위하여 사용하였으며, 생리식염수 9 mL에 세척액 1 mL를 첨가하여 완전히 혼합하였다. 이 절차는 세척액과 도금 세척액(0.1 mL)을 3개의 영양 한천 플레이트에 희석하여 37℃에서 24시간 배양하는 과정을 포함한다. 모든 실험은 세 번 반복되어 행해졌다. 살균율은 식 2 를 사용하여 계산하였다.The minimum bactericidal concentration (MBC) method was used to measure the antibacterial activity of control GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA against three strains of bacteria: Pseudomonas aeruginosa (ATCC 15442), Bacillus pneumoniae (ATCC 4352), and Methi. Silin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA; ATCC 33591) was determined. A blank Si@Ni-GelMA coated sheet (2 mg·mL -1 , 5x5±0.2 cm 2 ) and a stemaker film were prepared and tested. Using the same procedure, GelMA and Si@Ni were also prepared for comparison. The test sample was wiped on the surface two to three times with gauze soaked in ethanol and then dried. Routine procedures were used to aliquot platelets of pre-cultured test bacteria containing 1-4x10 5 colony forming units (CFU)·mL -1 . The Petri dish was placed with each sample with the test side facing up. Afterwards, 0.2 mL of test solution was dispensed into each sample using a pipette. The dropped test bacteria were covered with a film and spread by lightly pressing. Petri dishes containing samples inoculated with test bacteria and control GelMA were cultured at 37°C for 24 hours. After dispensing, the uncoated test samples containing the test strains were separated using sterilized tweezers to prevent each solution from flowing. Afterwards, soybeam casein was added to digest lecithin polysorbate medium (10 mL) to wash away the test bacteria. The washing solution was used to measure the number of viable cells. 1 mL of washing solution was added to 9 mL of physiological saline and mixed thoroughly. This procedure involves diluting the wash and plating wash (0.1 mL) on three nutrient agar plates and incubating them at 37°C for 24 hours. All experiments were repeated three times. The sterilization rate was calculated using Equation 2.

식 2Equation 2

여기서 A는 위막(stomacher film)의 존재 하에서 배양된 박테리아의 CFU를 나타내고, B는 대조군 GelMA, Si@Ni 또는 Si@Ni-GelMA의 존재 하에서 배양된 박테리아의 CFU를 나타낸다.Here, A represents the CFU of bacteria cultured in the presence of a stomach film, and B represents the CFU of bacteria cultured in the presence of control GelMA, Si@Ni, or Si@Ni-GelMA.

1.8. Si@Ni-GelMA의 생체 적합성1.8. Biocompatibility of Si@Ni-GelMA

(I) 세포 배양 : MEF는 소의 태아 혈청 10%와 페니실린 100 units/mL, 스트렙토마이신 100 μg/mL를 함유한 고포도당 DMEM에서 CO2 가습 대기 중 37℃에서 배양되었다. 배지는 이틀마다 교체되었고, 세포는 트립신으로 소화되었고, 합류하기 전에 새로운 배지에 재현탁시켰다.(I) Cell culture: MEFs were cultured in high-glucose DMEM containing 10% fetal bovine serum, 100 units/mL of penicillin, and 100 μg/mL of streptomycin at 37°C in a CO 2 humidified atmosphere. Medium was changed every two days, and cells were digested with trypsin and resuspended in fresh medium before confluence.

(II) Live/Dead 분석 : 직접 접촉법을 이용하여 GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA의 세포 독성을 평가하였으며, 5x104 cells·cm-1의 밀도로 Collagen I이 코팅된 유리 슬라이드 위에서 세포 단층들을 성장시켜 3시간 동안 배양하였다.(II) Live/Dead analysis: The cytotoxicity of GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA was evaluated using the direct contact method, and cells were grown on glass slides coated with Collagen I at a density of 5x10 4 cells·cm -1 . Monolayers were grown and incubated for 3 hours.

DMEM으로 세척하여 접착되지 않은 세포를 제거한 후 유리 슬라이드를 12-웰 플레이트로 옮기고 CO2가 5% 함유된 가습 인큐베이터에서 37℃로 배양하였다. 다음 날 제조된 대조군 GelMA와 Si@Ni-GelMA를 조심스럽게 세포 단층 위에 놓고, 교대로 Si@Ni(0.2%(w/v))도 조심스럽게 혼합한 후, 1일 또는 3일 배양하였다. 녹색 형광을 가진 살아있는 세포와 적색 형광을 가진 죽은 세포를 보여주는 Live/Dead 분석 키트를 사용하여 세포를 분석했다. 염색된 세포는 역형광 현미경법(IX83, Olympus, Center Valley, PA, USA)을 사용하여 관찰되었다. 세포 생존율은 식 3을 사용하여 계산되었다.After washing with DMEM to remove non-adherent cells, the glass slide was transferred to a 12-well plate and cultured at 37°C in a humidified incubator containing 5% CO 2 . The control GelMA and Si@Ni-GelMA prepared the next day were carefully placed on the cell monolayer, alternately carefully mixed with Si@Ni (0.2% (w/v)), and then cultured for 1 or 3 days. Cells were analyzed using the Live/Dead assay kit, showing live cells with green fluorescence and dead cells with red fluorescence. Stained cells were observed using inverted fluorescence microscopy (IX83, Olympus, Center Valley, PA, USA). Cell viability was calculated using equation 3.

식 3Equation 3

(III) MTS 분석 : 세포 생존율은 또한 세포 대사를 측정하는 MTS 분석을 사용하여 평가되었다. 본 분석에서, GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA를 24시간 동안 세포 배양 배지에 배양하여 추출 용액을 제조하였으며, 24-웰 플레이트에 웰당 5x104 세포를 분주하였다. 37℃에서 24시간 배양한 후, 각 웰 내의 배지를 추출액이 포함된 DMEM 200 μL로 교체하였다. 추가로 24시간 배양한 후 추출액이 포함된 매체를 조심스럽게 제거하였다. 그 후, 신선한 배지(200μL)와 MTS 세포 증식 분석 키트 용액(20μL)을 각각 웰에 투입하였다. 마이크로플레이트 리더(Synergy H1, BioTek, Winooski, VT, USA)를 사용하여 4시간 더 배양한 후 490 nm에서 흡광도를 측정하였다. 세포 증식은 세포의 표준 곡선을 사용하여 정량화되었다.(III) MTS assay: Cell viability was also assessed using the MTS assay, which measures cell metabolism. In this analysis, GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA were cultured in cell culture medium for 24 hours to prepare an extraction solution, and 5x10 4 cells were seeded per well in a 24-well plate. After culturing at 37°C for 24 hours, the medium in each well was replaced with 200 μL of DMEM containing the extract. After culturing for an additional 24 hours, the medium containing the extract was carefully removed. Afterwards, fresh medium (200 μL) and MTS cell proliferation assay kit solution (20 μL) were added to each well. After culturing for an additional 4 hours using a microplate reader (Synergy H1, BioTek, Winooski, VT, USA), the absorbance was measured at 490 nm. Cell proliferation was quantified using a standard curve of cells.

1.9. 통계분석1.9. Statistical analysis

모든 데이터는 최소 세 개의 표본을 사용하여 평균 ±표준 편차로 표현되었다. 통계적으로 유의한 차이는 t-테스트로 평가되었으며 통계적 유의성은 (*) p < 0.05, (**) p < 0.01, (**) p < 0.001이었다.All data were expressed as mean ± standard deviation using at least three samples. Statistically significant differences were evaluated by t-test, and statistical significance was (*) p < 0.05, (**) p < 0.01, and (**) p < 0.001.

2. 결과 및 토론2. Results and discussion

본 발명의 전반적인 목표는 다양한 생물의학적 적용에 대한 항균 특성 및 체외 생체 적합성뿐만 아니라, (1) 항균성 Si@Ni 나노플라워와 광가교성 젤라틴 메타크릴로일(GelMA), (2) 미세유체공학 및 광가교 접근방식을 통해 Si@Ni를 운반하는 Si@Ni-GelMA를 제작하고, (3) Si@Ni-Gel의 화학적 특성 및 기계적 특성을 검증하는 것이었다(도 1).The overall goal of the present invention is to develop antibacterial properties and in vitro biocompatibility for various biomedical applications, as well as (1) antibacterial Si@Ni nanoflowers and photocrosslinkable gelatin methacryloyl (GelMA), (2) microfluidics and photonics. The goal was to fabricate Si@Ni-GelMA carrying Si@Ni through a cross-linking approach, (3) and verify the chemical and mechanical properties of Si@Ni-Gel (Figure 1).

2.1. Si@Ni 나노플라워의 특성 분석2.1. Characterization of Si@Ni nanoflowers

도 2와 같이 Si@Ni 나노플라워를 제조하였다. CBD 공정에서 Si 나노입자를 다공성 꽃모양의 NiOOH 쉘(즉, Si@NiOOH)에 봉입하고, 그 후, Si@NiOOH를 다공성 Ni 복합 시트로 감싸 코어-쉘 구조로 환원하여, Ar 흐름이 있는 분위기에서 350℃까지 가열하고, 그 후 10vol% H2/90vol% Ar 가스 혼합물 흐름이 있는 분위기에서 400℃까지 순차적으로 가열하여 Si@Ni를 생성하였다. 도 3에서 보는 바와 같이, Si 나노 입자는 직경 100-200 nm의 구체이며, Si@Ni는 실리콘 코어 위에 균일하게 증착된 얇은 나노플라워 형태의 Ni 쉘을 갖는 500 nm 내지 1 μm의 꽃 모양의 코어-쉘 구조를 나타내었다. 추가적인 어닐링 과정 이후에도 꽃과 같은 형태는 안정적으로 유지되었다. 다공성 Ni 쉘층의 두께는 Ni 입자 응집에 의한 수축을 제외하고는 10~30 nm로 균일한 것을 확인할 수 있었다(도 4). -196℃에서 얻어진 N2 흡착-탈착 등온선을 분석하여 Si 나노입자 및 Si@Ni 나노플라워의 기공 및 표면적을 구하였다. BET법에 따라 미세 기공 부피(Vmicro), 메조 기공 부피(Vmeso), 비표면적(SBET)을 결정하였으며, BJH법에 의해 흡착 분지로부터 평균 기공 크기 또한 결정하였다. 도 4 및 도 5는 N2 흡착-탈착 등온선 및 기공 크기 분포 곡선을 보여준다. Si@Ni에 대한 N2 흡착곡선을 기준으로 0.5 내지 1(P/Po) 사이의 히스테리시스 루프(hysteresis loop)는 Ni 꽃잎층으로 쉘을 형성한 후 Si@Ni가 메조 다공성 및 매크로 다공성이 높다는 것을 나타낸다. 반대로, Si 나노입자는 N2 흡착이 훨씬 낮으며, 이는 그들의 낮은 다공성을 나타낸다. 표 1에서 보는 바와 같이, Si 나노입자의 Ni 코팅 후 Vmeso, SBET 및 평균 기공 크기가 증가하여 Si@Ni를 형성하였다.Si@Ni nanoflowers were prepared as shown in Figure 2. In the CBD process, Si nanoparticles are encapsulated in a porous flower-shaped NiOOH shell (i.e., Si@NiOOH), and then Si@NiOOH is wrapped with a porous Ni composite sheet to reduce it to a core-shell structure in an atmosphere with Ar flow. It was heated to 350°C and then sequentially heated to 400°C in an atmosphere with a 10vol% H 2 /90vol% Ar gas mixture flow to produce Si@Ni. As shown in Figure 3, Si nanoparticles are spheres with a diameter of 100-200 nm, and Si@Ni is a flower-shaped core of 500 nm to 1 μm with a thin nanoflower-shaped Ni shell uniformly deposited on the silicon core. -The shell structure is shown. Even after the additional annealing process, the flower-like shape was maintained stably. The thickness of the porous Ni shell layer was confirmed to be uniform at 10 to 30 nm, except for shrinkage due to Ni particle agglomeration (Figure 4). The pores and surface areas of Si nanoparticles and Si@Ni nanoflowers were determined by analyzing the N 2 adsorption-desorption isotherm obtained at -196°C. Micropore volume (V micro ), mesopore volume (V meso ), and specific surface area (S BET ) were determined by the BET method, and the average pore size was also determined from the adsorption basin by the BJH method. Figures 4 and 5 show N 2 adsorption-desorption isotherms and pore size distribution curves. Based on the N 2 adsorption curve for Si@Ni, the hysteresis loop between 0.5 and 1 (P/Po) indicates that Si@Ni has high mesoporosity and macroporosity after forming a shell with a Ni petal layer. indicates. In contrast, Si nanoparticles have much lower N 2 adsorption, indicating their low porosity. As shown in Table 1, after Ni coating of Si nanoparticles, V meso , S BET and average pore size increased, forming Si@Ni.

[표 1][Table 1]

2.2. GelMA의 합성 및 특성화2.2. Synthesis and characterization of GelMA

본 발명에서는 젤라틴이 생체 적합성 및 생분해성 폴리머로 잘 확립되어 있기 때문에 백본 폴리머로 사용하였다. 게다가, 젤라틴은 골격에 아민기를 포함하는 작용기를 사용하여 쉽게 변형될 수 있다. 메타크릴화 과정은 도 6과 도 8에 나타내었다. 간단히 하자면, MA는 반응성 아민과 반응하여 젤라틴 분자 사슬에 불포화 결합을 도입하였다. 나중에, GelMA는 광개시제가 포함된 수용액에서 자유 라디칼 광중합에 의해 가교될 수 있다. 젤라틴과 GelMA의 NMR 스펙트럼을 얻었다(도 9). 피크 Ha(5.3 ppm 및 5.6 ppm)는 MA의 비닐기를 나타내고 피크 Hb(1.87 ppm)는 MA의 메틸기에 해당하며 피크 Hc(2.9 ppm)는 젤라틴 상의 리신의 신호를 나타내어 GelMa 합성이 성공했음을 알 수 있다. 각 피크 면적을 비교한 결과 메타크릴화 정도는 ~70%로 나타났다.In the present invention, gelatin was used as the backbone polymer because it is well established as a biocompatible and biodegradable polymer. Furthermore, gelatin can be easily modified using functional groups including amine groups in the backbone. The methacrylation process is shown in Figures 6 and 8. Briefly, MA reacted with a reactive amine to introduce unsaturated bonds into the gelatin molecular chain. Later, GelMA can be cross-linked by free radical photopolymerization in an aqueous solution containing a photoinitiator. NMR spectra of gelatin and GelMA were obtained (Figure 9). Peak H a (5.3 ppm and 5.6 ppm) represents the vinyl group of MA, peak H b (1.87 ppm) corresponds to the methyl group of MA, and peak H c (2.9 ppm) represents the signal of lysine on gelatin, indicating that GelMa synthesis was successful. Able to know. As a result of comparing the areas of each peak, the degree of methacrylation was found to be ~70%.

2.3. Si@Ni GelMA의 제조 및 특성 평가2.3. Fabrication and characterization of Si@Ni GelMA

도 7에서 하이드로겔 액적은 water-in-oil(w/o) 시스템에서 연속적인 흐름의 전단력에 의해 생성된다. w/o 에멀젼 시스템에서는 Si@Ni 분산된 GelMA 용액과 미네랄 오일을 각각 수용상 및 오일상으로 주입하였다. 4 중량% 미만의 농도가 하이드로겔 형성을 방해하기 때문에 5 중량%의 GelMA를 사용하였다. 한편, LAP는 수용성, 세포 적합성 및 가시광선 개시 특성으로 인해 광개시제로 사용하였다. 물방울 미세구체를 페트리 접시에 모아 빛 조사에 노출시켰다. 세포 독성을 줄이기 위해 노출시간이 10 s인 가시광선 LED 조명(λ=400-450 nm, 200 mW.cm-2)을 노출 조건으로 선정하였다. 자유 라디칼은 눈에 보이는 LED 조명에 노출될 때 LAP에 의해 생성된다. 이러한 자유 라디칼은 GelMA에서 메타크릴로일기와 반응하여 탄소 라디칼을 형성하고, GelMA의 다른 메타크릴로일기를 통해 전파되어 사슬 성장 광중합 Si@Ni-GelMA를 형성하였다(도 7).In Figure 7, hydrogel droplets are generated by shear force of continuous flow in a water-in-oil (w/o) system. In the w/o emulsion system, Si@Ni dispersed GelMA solution and mineral oil were injected into the aqueous phase and oil phase, respectively. 5 wt% of GelMA was used because concentrations below 4 wt% inhibit hydrogel formation. Meanwhile, LAP was used as a photoinitiator due to its water solubility, cytocompatibility, and visible light initiation properties. Water droplet microspheres were collected in a Petri dish and exposed to light irradiation. To reduce cytotoxicity, visible LED lighting (λ=400-450 nm, 200 mW . cm -2 ) with an exposure time of 10 s was selected as the exposure condition. Free radicals are generated by LAP when exposed to visible LED light. These free radicals reacted with methacryloyl groups in GelMA to form carbon radicals, which propagated through other methacryloyl groups in GelMA to form chain-grown photopolymerized Si@Ni-GelMA (Figure 7).

2.4. Si@Ni-GelMA 제조 최적화 및 주사성 테스트2.4. Si@Ni-GelMA manufacturing optimization and injectability testing

미세유체공학 시스템의 유량은 생성된 액적의 크기와 안정성에 영향을 미치는 주요 매개 변수 중 하나이다. 수성상 유량(Qa)이 미세구체의 크기에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 수성상 유량을 2~8 μL·min-1로 조정하였다. 유상 유량(Qo)은 40 μL·min-1로 고정하였다. 도 10 와 도 11에 나타난 바와 같이, 미세구체의 크기는 254.1±5.4에서 318.7±6.8 μm로 증가하였다. 유상 유량의 영향을 평가하기 위해 유상 유량을 20 μL·min-1에서 80 μL·min-1로 조정하였다. 수성상 유량은 4 μL·min-1로 고정하였다. 도 12와 도 13에 나타난 바와 같이, 미소구체의 크기는 331.2±5.3에서 241.7±4.2 μm로 감소하였다. 따라서, 두 유량 모두 GelMA 미세구체의 전체 크기에 영향을 미쳤다. 마이크로 사이즈의 하이드로겔은 주사기나 카테터를 이용해 주사할 수 있어 세포, 약물, 생물체의 침습적 전달을 최소화할 수 있어 주목할 만하다. 미리 형성된 벌크 하이드로겔은 외과적 절개를 사용하여 모양을 만들고 이식해야 하기 때문에 최소 침습적 기술로 전달하기 어렵다. 일반적으로 벌크 하이드로겔은 액체와 유사한 특성을 나타내는 균질 전구체 용액으로 일반적으로 사용되며, 이는 가교 작용으로 겔화를 유도할 때까지 사용된다. 이와는 대조적으로, 마이크로 사이즈의 하이드로겔은 입자 성질과 작은 입자 크기 때문에 주사가 용이하다. 따라서 Si@Ni-GelMA 미세구체의 주사 가능성은 상처 치유, 바이오프린팅 및 항암제를 포함한 몇 가지 잠재적인 적용에 대해 조사되었다. 일단 형성되면 직경이 250μm 미만인 Si@Ni-GelMA는 24 게이지 주사기 헤드를 통해 쉽게 주입할 수 있어 현장 최소 침습 조직 수리에 적합하고 원래 모양과 크기를 유지한다(도 14).The flow rate of a microfluidic system is one of the key parameters affecting the size and stability of the generated droplets. To observe the effect of aqueous phase flow rate (Qa) on the size of microspheres, the aqueous phase flow rate was adjusted to 2-8 μL·min -1 . The oil phase flow rate (Qo) was fixed at 40 μL·min -1 . As shown in Figures 10 and 11, the size of the microspheres increased from 254.1 ± 5.4 to 318.7 ± 6.8 μm. To evaluate the effect of oil phase flow rate, the oil phase flow rate was adjusted from 20 μL·min -1 to 80 μL·min -1 . The aqueous phase flow rate was fixed at 4 μL·min -1 . As shown in Figures 12 and 13, the size of the microspheres decreased from 331.2 ± 5.3 to 241.7 ± 4.2 μm. Therefore, both flow rates affected the overall size of GelMA microspheres. Micro-sized hydrogels are noteworthy because they can be injected using a syringe or catheter, minimizing the invasive delivery of cells, drugs, and organisms. Preformed bulk hydrogels are difficult to deliver with minimally invasive techniques because they must be shaped and implanted using surgical incisions. In general, bulk hydrogels are commonly used as homogeneous precursor solutions that exhibit liquid-like properties until gelation is induced by cross-linking. In contrast, micro-sized hydrogels are easy to inject due to their particle nature and small particle size. Therefore, the injectability of Si@Ni-GelMA microspheres was investigated for several potential applications, including wound healing, bioprinting, and anticancer agents. Once formed, Si@Ni-GelMA with a diameter of less than 250 μm can be easily injected through a 24-gauge syringe head, making it suitable for in situ minimally invasive tissue repair and maintaining its original shape and size (Figure 14).

2.5. Si@Ni-GelMA의 특성 분석2.5. Characterization of Si@Ni-GelMA

GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA의 PXRD 패턴과 FT-IR 스펙트럼을 분석하여 조성을 특성화하였다. 도 15에 나타난 바와 같이, Si@Ni의 경우 Si에 해당하는 2θ=28.3°, 47.2°, 55.9°, 75.7°, 87.9°에서 고강도 회절 피크가 관찰되었고, 코팅된 Ni에 해당하는 2θ=36°, 44°, 52°에서 추가 피크가 관찰되었다. GelMA는 2θ = 20-25° 사이의 큰 비정질 험프(hump)으로 관찰되었다. Si@Ni-GelMA는 대조군 GelMA와 유사한 패턴을 보였으며 Si@Ni에 해당하는 몇 개의 피크가 추가로 관찰되었다. FT-IR 스펙트럼 분석은 대조군 GelMA와 Si@Ni-GelMA에 대해 수행되었다. 도 16은 대조군 GelMA에서 3400 cm-1(-OH 및 -NH2 스트레칭 기여도)과 1630 cm-1(아미드 I의 기여도) 부근의 흡수대 피크를 나타내었다. Si@Ni-GelMA의 경우, 이 모든 밴드들의 위치가 미소한 변화가 생겼음을 관찰할 수 있다. 이러한 PXRD 패턴과 FT-IR 스펙트럼은 Si@Ni가 미세구체에 잘 통합되어 있음을 나타낸다.The compositions were characterized by analyzing the PXRD patterns and FT-IR spectra of GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA. As shown in Figure 15, in the case of Si@Ni, high-intensity diffraction peaks were observed at 2θ = 28.3°, 47.2°, 55.9°, 75.7°, and 87.9°, corresponding to Si, and 2θ = 36°, corresponding to coated Ni. Additional peaks were observed at , 44°, and 52°. GelMA was observed as a large amorphous hump between 2θ = 20-25°. Si@Ni-GelMA showed a similar pattern to the control GelMA, and several peaks corresponding to Si@Ni were additionally observed. FT-IR spectral analysis was performed on control GelMA and Si@Ni-GelMA. Figure 16 shows the absorption peaks around 3400 cm -1 (contribution of -OH and -NH 2 stretching) and 1630 cm -1 (contribution of amide I) in the control GelMA. In the case of Si@Ni-GelMA, it can be observed that the positions of all these bands have slightly changed. These PXRD patterns and FT-IR spectra indicate that Si@Ni is well integrated into the microspheres.

TGA는 프로그램된 가열의 형태로 온도 상승에 따라 샘플 무게를 측정하는 것을 포함하는 연속적인 과정이다. TGA는 열분해 거동에 대한 이해를 높이기 때문에 TGA를 이용하여 대조군 GelMA와 Si@Ni-GelMA의 열분해 및 열분해 여부를 조사하였다. 도 17에서 보는 바와 같이, 대조군 GelMA와 Si@Ni-GelMA는 흡수수 손실로 인해 최대 200℃까지 각각 무게의 약 11 wt%와 6.1 wt%가 감소하였다. 250 ℃에서 대조군 GelMA의 백분위수 무게 감소는 16.8 wt%인 반면, Si@Ni-GelMA의 백분위수 무게 감소는 8.5중량%였다. GelMA의 경우 Si@Ni-GelMA의 경우 323 ℃, 453 ℃에서 각각 50 wt%의 무게 감소가 관찰되었다. 또한, 800 ℃에서의 무게 감소는 각각 93.6 wt%, 62.8 wt%였다. Si@Ni의 첨가로 열분해 온도가 크게 향상되었다.TGA is a continuous process that involves measuring the weight of a sample as its temperature increases in the form of programmed heating. Because TGA improves understanding of thermal decomposition behavior, TGA was used to investigate thermal decomposition and thermal decomposition of control GelMA and Si@Ni-GelMA. As shown in Figure 17, the weight of control GelMA and Si@Ni-GelMA decreased by about 11 wt% and 6.1 wt%, respectively, up to 200°C due to loss of absorbed water. At 250 °C, the percentile weight loss of control GelMA was 16.8 wt%, while that of Si@Ni-GelMA was 8.5 wt%. For GelMA, a weight loss of 50 wt% was observed at 323 °C and 453 °C for Si@Ni-GelMA, respectively. Additionally, the weight loss at 800°C was 93.6 wt% and 62.8 wt%, respectively. The addition of Si@Ni significantly improved the pyrolysis temperature.

대조군 GelMA와 Si@Ni-GelMA의 표면지형을 조사하기 위해 SEM-EDS를 이용하여 동결건조된 시료를 특성화하였으며, 도 18과 같이 GelMA 네트워크에 나노사이즈의 Si@Ni가 잘 캡슐화되었다. 또한, 대조군 GelMA와 Si@Ni-GelMA의 형태 및 화학적 조성물을 얻기 위해 SEM-EDS에 의한 분석을 실시하였으며, 보다 상세하게는 C와 O는 두 네트워크 전체에 고르게 퍼져있었으며, Si@Ni-GelMA의 EDS 스펙트럼에서도 Ni와 Si의 원소가 추가로 발견되었다.To investigate the surface topography of control GelMA and Si@Ni-GelMA, the freeze-dried samples were characterized using SEM-EDS, and nano-sized Si@Ni was well encapsulated in the GelMA network, as shown in Figure 18. In addition, analysis by SEM-EDS was conducted to obtain the morphology and chemical composition of control GelMA and Si@Ni-GelMA. In more detail, C and O were evenly distributed throughout the two networks, and Si@Ni-GelMA Ni and Si elements were additionally discovered in the EDS spectrum.

조직공학 스캐폴드 및 약물 전달 운반체로서 젤라틴 기반 스캐폴드의 잠재적인 생체 내 적용의 경우 이식된 물질(봉합물, 거즈 또는 하이드로겔)은 생분해성이어야 하므로 이식물의 제거를 위해 두 번째 수술이 필요하지 않다. 따라서, 유망한 치료 및 생체 내 적용으로 인해 II형 콜라겐 효소에 대한 GelMA 미세구체의 생분해성을 평가했다. GelMA 미세구체를 10 U·mL-1 콜라게나아제 함유 완충 용액에 넣고 분해 속도를 모니터링하였다. GelMA 미세구체는 첫 주 내에 미세한 열화 입자를 보였다. 10일째 되는 날, GelMA의 주변 구조가 무너지기 시작하여 더 큰 균열이 생겼다. 2주 이내에, GelMA의 수는 현저하게 감소했고 3주 이내에 완전히 사라졌다(도 19). 게다가, 구체의 크기는 시간이 지남에 따라 증가하는 경향이 있었고, 이는 부피가 감소했음을 나타낼 수 있다. 전반적으로, GelMA의 분해는 느리고, 점진적이었다. 형태학적 변화(도 20)에 따라, GelMA의 잔류 중량은 시간이 지남에 따라 감소하였다.For potential in vivo applications of gelatin-based scaffolds as tissue engineering scaffolds and drug delivery carriers, the implanted material (suture, gauze or hydrogel) must be biodegradable so that a second surgery is not required for removal of the implant. . Therefore, we evaluated the biodegradability of GelMA microspheres against type II collagen enzymes due to their promising therapeutic and in vivo applications. GelMA microspheres were placed in a buffer solution containing 10 U·mL -1 collagenase and the degradation rate was monitored. GelMA microspheres showed minor deterioration particles within the first week. On the 10th day, the surrounding structure of GelMA began to collapse, creating larger cracks. Within 2 weeks, the number of GelMA decreased significantly and disappeared completely within 3 weeks (Figure 19). Additionally, the size of the spheres tended to increase over time, which may indicate a decrease in volume. Overall, the degradation of GelMA was slow and gradual. In accordance with the morphological changes (Figure 20), the residual weight of GelMA decreased over time.

2.6. 이온 방출 테스트2.6. Ion emission test

대조군 GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA의 이온 방출 특성은 25℃에서 DPBS의 400 μgmL-1에서 6, 12, 24, 48시간 동안 테스트하였다. 시료로부터 방출된 Ni 이온의 양은 ICP-OES를 이용하여 측정하였다. 도 21에서 보는 바와 같이 Si@Ni에서 방출된 Ni 이온의 농도는 6시간 동안 2.14 ppm에서 48시간 이후 8.72 ppm으로 증가하여 Si@Ni가 PBS에서 꽃과 같은 구조를 온전하게 유지하였음을 알 수 있다. 특히, Si@Ni-GelMA에서 방출된 Ni(II) 이온의 양은 Si@Ni에 의해 방출된 것보다 5배(48시간 이후 1.79 ppm) 감소하였다. 고분자 네트워크에 캡슐화된 Si@Ni는 수용액과의 직접 접촉이 다소 억제되어 금속 이온 방출량이 감소했을 수 있다. 한편, 대조군 GelMA에서 방출되는 Ni(II) 이온의 양은 무시할 수 있었다.The ion release properties of control GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA were tested in 400 μgmL -1 of DPBS at 25°C for 6, 12, 24, and 48 hours. The amount of Ni ions released from the sample was measured using ICP-OES. As shown in Figure 21, the concentration of Ni ions released from Si@Ni increased from 2.14 ppm for 6 hours to 8.72 ppm after 48 hours, indicating that Si@Ni maintained its flower-like structure intact in PBS. . In particular, the amount of Ni(II) ions released from Si@Ni-GelMA decreased by 5 times (1.79 ppm after 48 hours) compared to that released by Si@Ni. Si@Ni encapsulated in a polymer network may have been somewhat inhibited from direct contact with aqueous solutions, resulting in a decrease in metal ion release. Meanwhile, the amount of Ni(II) ions released from the control GelMA was negligible.

2.7. 항균 활성2.7. antibacterial activity

항균 미세구체의 생체활성도를 조사하기 위해 대조군 GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA를 200 μg·mL-1 내지 2 mg·mL-1의 농도 범위에서 테스트하였다. 녹농균(P. aeruginosa), 폐렴간균(K. pneumoniae), 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)의 CFU는 Si@Ni 나노플라워로 24시간 배양한 후 계수되었으며, 그림 22, 그림 23, 표 2에서와 같이 대조군 GelMA의 살균 효과는 다음과 같이 증가하였다 : MRSA(2.7%)<P. aeruginosa(4.5%)<K. pneumoniae(8.9%). 이것은 GelMA의 낮은 향균 특성에 기인하고 있다. 반면, Si@Ni 나노플라워는 P. aeruginosa(97.6%)<MRSA(98.2%)<K. pneumoniae(98.3%) 순으로 높은 항균 활성을 보였다. To investigate the bioactivity of antibacterial microspheres, control GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA were tested in a concentration range of 200 μg·mL -1 to 2 mg·mL -1 . CFU of P. aeruginosa, K. pneumoniae, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) were counted after 24 hours of incubation with Si@Ni nanoflowers, as shown in Figure 22, Figure 23, and Table 2. As shown, the bactericidal effect of the control group GelMA increased as follows: MRSA (2.7%)<P. aeruginosa (4.5%)<K. pneumoniae (8.9%). This is due to the low antibacterial properties of GelMA. On the other hand, Si@Ni nanoflowers had P. aeruginosa (97.6%) < MRSA (98.2%) < K. pneumoniae (98.3%) showed the highest antibacterial activity.

[표 2] [Table 2]

금속으로 코팅된 나노입자 표면은 메탈로이드 Si 나노입자보다 더 효과적인 살균 활성을 제공할 수 있다. 200 μg·mL-1의 낮은 MBC에서 Ag/Cu-그래핀보다 살균 효과가 높았다. 한편, Si@Ni-GelMA의 살균율은 3종 모두에서 99.9%였다. 이러한 결과는 Si@Ni-GelMA가 세 가지 시험 종 모두에서 GelMA와 Si@Ni 나노플라워의 조합에서 유도된 상승적 살균 효과를 나타낸다는 것을 나타낸다. Si@Ni가 GelMA 미세구체에서 캡슐화되어, Si@Ni-GelMA는 Si@Ni에 비해 Ni(II) 이온을 적게 방출하였으나, 2 mg·mL-1 농도에서 Si@Ni-GelMA의 살균율은 99.9%였다. 따라서 Si@Ni-GelMA에서의 살균 과정은 나노플라워에서 방출된 항균 금속이온이 세포 내로 침투하여 그 과정에서 세균을 죽이는 것이 아니라 세포막과 직접 접촉하여 발생한다고 추측할 수 있다.Metal-coated nanoparticle surfaces can provide more effective bactericidal activity than metalloid Si nanoparticles. At a low MBC of 200 μg·mL -1 , the sterilization effect was higher than that of Ag/Cu-graphene. Meanwhile, the sterilization rate of Si@Ni-GelMA was 99.9% for all three types. These results indicate that Si@Ni-GelMA exhibits a synergistic bactericidal effect derived from the combination of GelMA and Si@Ni nanoflowers in all three tested species. As Si@Ni was encapsulated in GelMA microspheres, Si@Ni-GelMA released fewer Ni(II) ions compared to Si@Ni, but the sterilization rate of Si@Ni-GelMA at a concentration of 2 mg·mL -1 was 99.9. It was %. Therefore, it can be assumed that the sterilization process in Si@Ni-GelMA occurs when the antibacterial metal ions released from the nanoflower directly contact the cell membrane, rather than penetrating into the cells and killing bacteria in the process.

2.8. 세포 독성2.8. cytotoxicity

마지막으로, 직접 접촉 방법을 기반으로 Si@Ni-GelMA의 생체 적합성을 발명하였다. MEF는 상처 치유에 중요한 역할로 인해 체외 실험에서 모델 세포 라인으로 사용되어 왔다. 대조군 GelMA, Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA의 독성을 확인하기 위해 동일한 방법으로 3개의 시험 시료를 준비하였다. 또한, 추가 양성 대조군(blank)으로는 접촉이 없는 MEF 단층을 준비하고, 음성의 대조군으로 10% EtOH 용액과의 MEF 단층 접촉을 사용하였다. MEF 생존성은 live/dead 얼룩과 비색 MTS 분석을 사용하여 모니터링되었다. 도 24의 형광현미경 이미지는 배양 후 하루 동안 블랭크, 대조군 GelMA, Si@Ni, Si@Ni-GelMA 샘플의 세포 생존율이 97% 이상임을 보여준다. 대조적으로, 대부분의 MEF 단층 세포는 EtOH에 노출되면 사멸한다. 세포는 분주 후 표면에서 점차 접착, 확산, 평탄화된 후 3일간 생존한 융합층을 형성한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Si@Ni-GelMA와 Si@Ni 및 GelMA만이 세포에 독성이 없음을 나타낸다. 추가 정량화를 위해 MTS 분석을 사용하였으며(도 25), 세포배양매질 용액에서 추출된 Si@Ni, 대조군 GelMA 및 Si@Ni-GelMA를 직렬로 희석하였다. 예를 들어, 100%는 원래 추출 매체를 가리키며, 50%는 초기 추출 매체의 두 배의 희석을 나타낸다. MEF 단층 형성 후, 추출액을 원하는 농도로 포함하는 배지로 배지를 변경하고, MEF 단층을 배양하였다. MTS에 의해 발견된 바와 같이, MEF의 생존성이 각각의 경우에 95% 이상임을 고려할 때 Si@Ni-GelMA는 세포 적합성이 좋았지만, 대부분의 MEF는 EtOH에 노출되었을 때 사멸하여 Si@Ni 및 Si@Ni-GelMA 추출물의 낮은 세포 독성이 다시 확인된다. Finally, the biocompatibility of Si@Ni-GelMA was invented based on the direct contact method. MEFs have been used as a model cell line in in vitro experiments due to their important role in wound healing. To confirm the toxicity of control GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA, three test samples were prepared in the same manner. In addition, as an additional positive control (blank), a MEF monolayer without contact was prepared, and as a negative control, a MEF monolayer in contact with a 10% EtOH solution was used. MEF viability was monitored using live/dead staining and colorimetric MTS assays. The fluorescence microscopy image in Figure 24 shows that the cell viability of blank, control GelMA, Si@Ni, and Si@Ni-GelMA samples was over 97% after one day of culture. In contrast, most MEF monolayer cells die upon exposure to EtOH. After dispensing, the cells gradually adhered, spread, and flattened on the surface, forming a confluent layer that survived for 3 days. These results indicate that only Si@Ni-GelMA and Si@Ni and GelMA are not toxic to cells. For further quantification, MTS analysis was used (Figure 25), and Si@Ni, control GelMA, and Si@Ni-GelMA extracted from the cell culture medium solution were serially diluted. For example, 100% refers to the original extraction medium, and 50% refers to a two-fold dilution of the initial extraction medium. After forming a MEF monolayer, the medium was changed to a medium containing the extract at the desired concentration, and the MEF monolayer was cultured. As found by MTS, Si@Ni-GelMA had good cytocompatibility, considering that the viability of MEFs was >95% in each case, but most MEFs died when exposed to EtOH, resulting in The low cytotoxicity of the Si@Ni-GelMA extract is again confirmed.

3. 결론3. Conclusion

이 발명는 미세유체공학 및 광가교 기술을 사용하여 Si@Ni 나노플라워를 포함하는 강력하고 균일한 마이크로 크기의 구체를 준비하는 데 대한 쉽고 효율적인 접근 방식을 보여준다. 잘 정의된 3D 형태를 갖는 GelMA 미세구체의 크기는 수성 및 유상 유량을 조절하여 쉽게 제어할 수 있었다. Si@Ni-GelMA의 화학적 성질은 PXRD, FT-IR, TGA, SEM 및 ICP-OES를 사용하여 특성화할 수 있었다. 또한, Si@Ni-GelMA는 3개의 균주(P. aeruginosa, K. penominiae, MRSA)에 대해 2 mg·mL-1의 농도로 우수한 항균 활성(>99.9% 살균율)을 나타냈으며, MEF에 대해 무시할 수 있는 독성을 보였다. 가시광선을 사용하면 개시제의 독성 또는 UV 빛과 관련된 잠재적인 생체 안전 문제를 피할 수 있다. 또한, Si@Ni-GelMA의 주사 가능성과 생분해성은 조직공학 및 생물의학 적용을 위한 유망한 플랫폼으로 만든다. 광범위한 적용을 위한 강력하고 효율적인 항균 하이드로겔로서 Si@Ni-GelMA의 사용을 촉진하기 위해, 체외 세포 이동 및 체내 상처 봉합을 포함한 추가 발명이 필요하다.This invention demonstrates a facile and efficient approach to prepare strong and uniform micro-sized spheres containing Si@Ni nanoflowers using microfluidics and photocrosslinking techniques. The size of GelMA microspheres with well-defined 3D morphology could be easily controlled by adjusting the aqueous and oil phase flow rates. The chemical properties of Si@Ni-GelMA could be characterized using PXRD, FT-IR, TGA, SEM, and ICP-OES. In addition, Si@Ni-GelMA showed excellent antibacterial activity (>99.9% sterilization rate) against three strains (P. aeruginosa, K. penominiae, MRSA) at a concentration of 2 mg·mL -1 and against MEF. It showed negligible toxicity. Using visible light avoids potential biosafety issues associated with initiator toxicity or UV light. Additionally, the injectability and biodegradability of Si@Ni-GelMA make it a promising platform for tissue engineering and biomedical applications. To promote the use of Si@Ni-GelMA as a powerful and efficient antibacterial hydrogel for broad applications, further inventions are needed, including in vitro cell migration and in vivo wound closure.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been shown and described, but the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and may be used in the technical field to which the invention pertains without departing from the gist of the invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be understood individually from the technical idea or perspective of the present invention.

Claims (8)

젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 합성하는 제1 단계;
상기 젤라틴 메타크릴로일에 Si@Ni 나노플라워를 혼합하여 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 제조하는 제2 단계;
Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 가교하여 Si@Ni-GelMA 미세구체를 제조하는 제3 단계;를 포함하는 활성 항균 운반체로서의 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법.
A first step of synthesizing gelatin methacryloyl (GelMA);
A second step of mixing Si@Ni nanoflowers with the gelatin methacryloyl to prepare a polymer precursor solution containing Si@Ni nanoflowers;
A method for producing Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres as an active antibacterial carrier, comprising a third step of crosslinking a polymer precursor solution mixed with Si@Ni nanoflowers to prepare Si@Ni-GelMA microspheres.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 단계의 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 합성하는 단계는,
젤라틴을 50 ℃ 내지 70 ℃에서 30분 내지 3시간 동안 제1 인산염 완충 식염수에서 교반하여 용해하는 1-1 단계;
상기 제1-1 단계 혼합물을 40 ℃ 내지 60 ℃에서 2시간 내지 4시간 동안 교반하며 메타크릴산무수물을 0.1 mL min-1 내지 0.8 mL min-1 으로 주입하는 제1-2 단계;
상기 제1-2 단계 혼합물에 35 ℃ 내지 45 ℃의 제2 인산염 완충 식염수를 혼합하여 반응을 멈추게 하는 제1-3 단계;
상기 제1-3 단계의 혼합물을 35℃ 내지 45℃의 증류수로 투석막을 통하여 투석하는 제1-4 단계;
상기 제1-4 단계의 혼합물을 필터로 필터링하는 제1-5 단계;
상기 제1-5 단계의 혼합물을 -90 ℃ 내지 -70 ℃의 온도 범위, 50 mTorr 내지 300 mTorr 의 압력 범위에서 1일 내지 5일 동결 건조하는 제1-6 단계;
상기 제1-6 단계의 동결 건조된 혼합물을 -30 ℃ 내지 -10 ℃의 온도 범위에서 저장하여 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 얻는 제1-7 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 항균 운반체로서의 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법.
In claim 1,
The step of synthesizing gelatin methacryloyl (GelMA) in the first step is,
Step 1-1 of dissolving gelatin by stirring in phosphate-buffered saline solution at 50°C to 70°C for 30 minutes to 3 hours;
Step 1-2 of stirring the mixture of step 1-1 at 40 ℃ to 60 ℃ for 2 to 4 hours and injecting methacrylic anhydride at 0.1 mL min -1 to 0.8 mL min -1 ;
Step 1-3 of stopping the reaction by mixing the second phosphate buffered saline solution at 35°C to 45°C with the mixture of step 1-2;
A 1-4 step of dialyzing the mixture of steps 1-3 through a dialysis membrane with distilled water at 35°C to 45°C;
Steps 1-5 of filtering the mixture of steps 1-4 with a filter;
Step 1-6 of freeze-drying the mixture of step 1-5 for 1 to 5 days at a temperature range of -90 ℃ to -70 ℃ and a pressure range of 50 mTorr to 300 mTorr;
An active antibacterial agent comprising: a 1-7 step of obtaining gelatin methacryloyl (GelMA) by storing the freeze-dried mixture of steps 1-6 in a temperature range of -30°C to -10°C; Method for preparing Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres as carriers.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 단계의 젤라틴 메타크릴로일에 Si@Ni 나노플라워를 혼합하여 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 제조하는 단계는,
상기 제1 단계에서 생성된 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)을 제3 인산염 완충 식염수에 용해시키는 제2-1 단계;
상기 제2-1 단계의 혼합물에 lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate 3mM 내지 10mM 을 첨가하는 제2-2 단계;
상기 제2-2 단계의 혼합물에 NaOH 또는 HCl을 혼합하여 pH를 7.5 내지 8.5로 조절하는 제2-3 단계;
상기 제2-3 단계의 혼합물에 Si@Ni 나노플라워를 혼합하여 50℃ 내지 60℃에서 10분 내지 50분 초음파 처리하여 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 얻는 제2-4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 항균 운반체로서의 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법.
In claim 2,
The step of mixing Si@Ni nanoflowers with the gelatin methacryloyl of the second step to prepare a polymer precursor solution in which Si@Ni nanoflowers are mixed,
A 2-1 step of dissolving the gelatin methacryloyl (GelMA) produced in the first step in third phosphate buffered saline solution;
Step 2-2 of adding 3mM to 10mM of lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate to the mixture of step 2-1;
Step 2-3 of adjusting the pH to 7.5 to 8.5 by mixing NaOH or HCl into the mixture of step 2-2;
Step 2-4 of mixing Si@Ni nanoflowers with the mixture of step 2-3 and sonicating the mixture at 50°C to 60°C for 10 to 50 minutes to obtain a polymer precursor solution containing Si@Ni nanoflowers; A method for producing Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres as an active antibacterial carrier, comprising:
청구항 3에 있어서,
상기 제3 단계의 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액을 가교하여 Si@Ni-GelMA 미세구체를 제조하는 단계는,
상기 Si@Ni 나노플라워가 혼합된 고분자 전구체 용액과 파라핀 오일을 함유하는 용매를 혼합하는 제3-1 단계;
상기 제3-1 단계에서 혼합된 용액을 주사기를 사용하여 에멀젼 액적을 형성하고, 상기 에멀젼 액적에 400 nm 내지 450 nm 의 파장, 100 mW/cm2 내지 300 mW/cm2으로 조사하여 가교하는 제3-2 단계;
상기 제3-2 단계에서 가교 혼합물을 제4 인산염 완충 식염수로 정제하여 파라핀 오일을 함유하는 과잉 첨가물을 제거하는 제3-3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 항균 운반체로서의 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법.
In claim 3,
The step of producing Si@Ni-GelMA microspheres by crosslinking the polymer precursor solution mixed with Si@Ni nanoflowers in the third step is,
Step 3-1 of mixing the polymer precursor solution mixed with the Si@Ni nanoflowers and a solvent containing paraffin oil;
An agent that forms emulsion droplets using the solution mixed in step 3-1 using a syringe, and irradiates the emulsion droplets with a wavelength of 400 nm to 450 nm, 100 mW/cm 2 to 300 mW/cm 2 to crosslink. Step 3-2;
A 3-3 step of purifying the crosslinking mixture in step 3-2 with quaternary phosphate buffered saline to remove excess additives containing paraffin oil. Si-based Ni as an active antibacterial carrier comprising a. Method for manufacturing nanoflower encapsulated microspheres.
청구항 1에 있어서,
상기 Si@Ni 나노플라워는 화학 용액 증착법(Chemical bath deposition, CBD)과 환원 가열을 이용하여 합성하며,
플라즈마 합성된 실리콘 나노입자를 물 및 에탄올을 함유하는 제1 용매에 분산하여 초음파 처리하여 제1 용액을 얻는 제1 공정;
물과 에탄올을 함유하는 제2 용매에 Ni(CH3COO)4H2O와 과산화이황산칼륨을 용해하여 제2 용액을 얻는 제2 공정;
상기 제1 용역과 제2 용액을 100rpm 내지 300rpm으로 혼합하여 제3 용액을 얻는 제3 공정;
NHH2O를 탈이온수에 희석하여 상기 제3 용액에 1 drop.s-1 으로 적하 하는 제4 공정;
상기 제4 공정의 혼합물의 침전물을 탈이온수로 세척하여 SO4 2-, K+, Ni2+, CH3COO- 을 제거하여 Si@NiOOH 나노플라워를 수득하는 제5 공정;
상기 제5 공정에서 얻어진 Si@NiOOH 나노플라워를 50 ℃ 내지 70 ℃ 오븐에서 5시간 내지 7시간 동안 건조하는 제6 공정;
상기 제6 공정 후에 300 ℃ 내지 500 ℃에서 10 vol% H2/90 vol% Ar 가스 혼합물로 화학기상증착(CVD) 관로에서 10분 내지 40분 동안 가열하여 Si@Ni 나노플라워로 환원하는 제7 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 항균 운반체로서의 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체의 제조 방법.
In claim 1,
The Si@Ni nanoflower is synthesized using chemical bath deposition (CBD) and reduction heating,
A first process of dispersing plasma-synthesized silicon nanoparticles in a first solvent containing water and ethanol and sonicating them to obtain a first solution;
A second step of dissolving Ni(CH 3 COO) 4H 2 O and potassium peroxodisulfate in a second solvent containing water and ethanol to obtain a second solution;
A third process of obtaining a third solution by mixing the first service and the second solution at 100 rpm to 300 rpm;
Dilute NH 3 · H 2 O in deionized water and add 1 drop to the third solution . Fourth process of dropping at s- 1 ;
A fifth process of washing the precipitate of the mixture of the fourth process with deionized water to remove SO 4 2- , K + , Ni 2+ and CH 3 COO - to obtain Si@NiOOH nanoflowers;
A sixth process of drying the Si@NiOOH nanoflowers obtained in the fifth process in an oven at 50 ° C to 70 ° C for 5 to 7 hours;
After the sixth process, the seventh step is to reduce Si@Ni nanoflowers by heating in a chemical vapor deposition (CVD) pipe with a 10 vol% H 2 /90 vol% Ar gas mixture at 300 ℃ to 500 ℃ for 10 to 40 minutes. A method for producing Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres as an active antibacterial carrier, comprising: a process.
Si 나노입자 코어 상에 증착된 나노플라워 형태의 Ni 쉘을 갖으며, 500 nm 내지 1 μm의 플라워 모양의 코어-쉘 구조의 Si@Ni 나노플라워이며,
상기 Si 나노입자 코어의 직경은 100 nm 내지 200 nm의 구형이며, 상기 Ni 셸은 플라워 형상으로 두께는 10 nm 내지 30 nm 이며,
-196 ℃에서 얻어진 N2 흡착-탈착 등고온선에 의한 Si 나노입자의 미세 기공 부피(Vmicro)는 0.005 내지 0.007 cm3/g이며, 메조 기공 부피(Vmeso)는 0.03 내지 0.07 cm3/g이며, 비표면적(SBET)은 14 내지 15 m2/g이며, 기공 크기는 17 내지 18 nm이며, 또한 Si@Ni의 미세 기공 부피(Vmicro)는 0.001 내지 0.003 cm3/g이며, 메조 기공 부피(Vmeso)는 0.08 내지 0.09 cm3/g이며, 비표면적(SBET)은 23 내지 24 m2/g이며, 기공 크기는 30 내지 31 nm 인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 Si@Ni 나노플라워.
It has a nanoflower-shaped Ni shell deposited on a Si nanoparticle core, and is a Si@Ni nanoflower with a flower-shaped core-shell structure of 500 nm to 1 μm,
The Si nanoparticle core has a spherical diameter of 100 nm to 200 nm, and the Ni shell has a flower shape and a thickness of 10 nm to 30 nm,
The micropore volume (V micro ) of Si nanoparticles according to the N 2 adsorption-desorption isotherm obtained at -196 ℃ is 0.005 to 0.007 cm 3 /g, and the mesopore volume (V meso ) is 0.03 to 0.07 cm 3 /g. , the specific surface area (S BET ) is 14 to 15 m 2 /g, the pore size is 17 to 18 nm, and the micropore volume (V micro ) of Si@Ni is 0.001 to 0.003 cm 3 /g, meso Si with a core-shell structure, characterized in that the pore volume (V meso ) is 0.08 to 0.09 cm 3 /g, the specific surface area (S BET ) is 23 to 24 m 2 /g, and the pore size is 30 to 31 nm. @Ni Nanoflower.
Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체이며,
유상 유량(oil phase flow rate)(Qo)는 40 μL·min-1 으로 고정된 상태에서 수성상 유량(aqueous phase flow rate)(Qa)는 2 내지 4 μL·min-1로 제어되며,
직경의 크기가 254.1±5.4 μm인 것을 특징으로 하는 주사기 헤드를 통하여 주입성능이 향상된 Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체.
Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres,
While the oil phase flow rate (Q o ) is fixed at 40 μL·min -1 , the aqueous phase flow rate (Q a ) is controlled to 2 to 4 μL·min -1 ,
Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres with improved injection performance through a syringe head characterized by a diameter of 254.1 ± 5.4 μm.
Si-기반의 Ni 나노플라워 캡슐화 미세구체 2 mg·mL-1 내지 10 mg·mL-1의 농도에서 녹농균(P. aeruginosa), 폐렴간균(K. pneumoniae) 및 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)을 99% 이상 살균하는 방법. Si-based Ni nanoflower encapsulated microspheres against P. aeruginosa, K. pneumoniae and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) at concentrations of 2 mg·mL -1 to 10 mg·mL -1 How to sterilize more than 99%.
KR1020220055275A 2022-05-04 2022-05-04 Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method KR20230156195A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220055275A KR20230156195A (en) 2022-05-04 2022-05-04 Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220055275A KR20230156195A (en) 2022-05-04 2022-05-04 Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230156195A true KR20230156195A (en) 2023-11-14

Family

ID=88745066

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220055275A KR20230156195A (en) 2022-05-04 2022-05-04 Making Method For Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere, Si-Based Ni Nanoflower-Encapsulated Microsphere Using The Same And Bactericide Method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230156195A (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130016933A (en) 2011-08-09 2013-02-19 광주과학기술원 Prepration method of metal nanoparticle having surface-enhanced raman scattering activity using cyclodextrin and bio-sensor comprising metal nanoparticle
KR20200034696A (en) 2020-03-23 2020-03-31 건국대학교 산학협력단 enzyme-metal hybrid nanoflowers and its application in repeated batch decolorization of dyes
KR20210062599A (en) 2018-04-06 2021-05-31 광운대학교 산학협력단 Microwave treatment apparatus for blood cancer therapy

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130016933A (en) 2011-08-09 2013-02-19 광주과학기술원 Prepration method of metal nanoparticle having surface-enhanced raman scattering activity using cyclodextrin and bio-sensor comprising metal nanoparticle
KR20210062599A (en) 2018-04-06 2021-05-31 광운대학교 산학협력단 Microwave treatment apparatus for blood cancer therapy
KR20200034696A (en) 2020-03-23 2020-03-31 건국대학교 산학협력단 enzyme-metal hybrid nanoflowers and its application in repeated batch decolorization of dyes

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Allen, T.M.; Cullis, P.R. Liposomal drug delivery systems: From concept to clinical applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 2013, 65, 36-48.
Cho, K.; Wang, X.; Nie, S.; Chen, Z.G.; Shin, D.M. Therapeutic nanoparticles for drug delivery in cancer. Clin. Cancer Res. 2008, 14, 1310-1316.
drug targeting. Adv. Enzym. Regul. 2001, 41, 189-207.
Maeda, H. The enhanced permeability and retention (EPR) effect in tumor vasculature: The key role of tumor-selective macromolecular

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rezaei et al. Chitosan films and scaffolds for regenerative medicine applications: A review
Eivazzadeh-Keihan et al. Hybrid bionanocomposite containing magnesium hydroxide nanoparticles embedded in a carboxymethyl cellulose hydrogel plus silk fibroin as a scaffold for wound dressing applications
Yu et al. Bacteria-triggered hyaluronan/AgNPs/gentamicin nanocarrier for synergistic bacteria disinfection and wound healing application
Wahid et al. Fabrication of bacterial cellulose-based dressings for promoting infected wound healing
Abednejad et al. Hyaluronic acid/carboxylated Zeolitic Imidazolate Framework film with improved mechanical and antibacterial properties
Li et al. Facilely green synthesis of silver nanoparticles into bacterial cellulose
Shoba et al. Fabrication of core–shell nanofibers for controlled delivery of bromelain and salvianolic acid B for skin regeneration in wound therapeutics
Zhou et al. In vitro and in vivo evaluation of chitosan microspheres with different deacetylation degree as potential embolic agent
CN107778497B (en) Composite covalent hydrogel capable of releasing according to needs as well as preparation method and application thereof
Hegde et al. Alginate based polymeric systems for drug delivery, antibacterial/microbial, and wound dressing applications
Wang et al. Preparation, characterization and evaluation of a new film based on chitosan, arginine and gold nanoparticle derivatives for wound-healing efficacy
Merzendorfer et al. Chitin/chitosan: versatile ecological, industrial, and biomedical applications
AKTÜRK et al. Collagen/PEO/gold nanofibrous matrices for skin tissue engineering
Jaberifard et al. A novel insoluble film based on crosslinked-starch with gelatin containing ZnO-loaded halloysite nanotube and bacterial nanocellulose for wound healing applications
Chen et al. Construction and performance evaluation of a sustained release implant material polyetheretherketone with antibacterial properties
Zhang et al. Multifunctional chitosan/alginate hydrogel incorporated with bioactive glass nanocomposites enabling photothermal and nitric oxide release activities for bacteria-infected wound healing
Jaberifard et al. Investigation of wound healing efficiency of multifunctional eudragit/soy protein isolate electrospun nanofiber incorporated with ZnO loaded halloysite nanotubes and allantoin
Yang et al. Biomimetic design of double-sided functionalized silver nanoparticle/bacterial cellulose/hydroxyapatite hydrogel mesh for temporary cranioplasty
Verma et al. Bioactive khadi cotton fabric by functional designing and immobilization of nanosilver nanogels
Cao et al. In situ fabrication of robust polyphenolic hydrogels for skin protection and repair
Sungkhaphan et al. Antibacterial and osteogenic activities of clindamycin-releasing mesoporous silica/carboxymethyl chitosan composite hydrogels
Wu et al. Aligned electrospun fiber film loaded with multi-enzyme mimetic iridium nanozymes for wound healing
Hakimi et al. Nanofibrous chitosan/polyethylene oxide silver/hydroxyapatite/silica composite as a potential biomaterial for local treatment of periodontal disease
US10576042B2 (en) Composition comprising polyelectrolyte complexes, methods and uses thereof
El-Sayed et al. Synthesis and characterization of mussel-inspired nanocomposites based on dopamine–chitosan–iron oxide for wound healing: in vitro study