WO2021054490A1 - 양친매성 고분자, 이를 포함하는 수분산성 금속나노입자 및 이의 제조방법 - Google Patents

양친매성 고분자, 이를 포함하는 수분산성 금속나노입자 및 이의 제조방법 Download PDF

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metal nanoparticles
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water
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양재문
서진석
이영한
허단
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Definitions

  • the present invention relates to an amphiphilic polymer, a water-dispersible metal nanoparticle including the same, and a method for manufacturing the same, and more specifically, to improve water dispersion stability and binding power with a target substance to provide precise local drug delivery, disease diagnosis, and disease treatment.
  • an amphiphilic polymer that can be used for near-infrared imaging and photothermal treatment to a water-dispersible metal nanoparticle including the same, and a method for producing the same.
  • the emulsification method is mainly used to water-disperse metal nanoparticles present in the organic phase, has excellent water dispersion stability, and has the advantage of being easy to control the size of the emulsion according to the amount of amphiphilic polymer. have.
  • an excessive amount of amphiphilic polymer is required, which causes toxicity in the body, stability may change due to external factors (acidity, temperature, body fluid, etc.), and it is difficult to restore water dispersibility after drying.
  • Patent Document 1 KR10-2012-0107686 A1 (Publication date: October 4, 2012)
  • Patent Document 2 KR10-2009-0113990 A1 (Publication date: November 3, 2009)
  • an object of the present invention to provide an amphiphilic polymer having increased water dispersion stability and increased binding power with a target material.
  • Another object of the present invention is to provide a water-dispersible metal nanoparticle comprising the amphiphilic polymer.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing water-dispersible metal nanoparticles.
  • the present invention comprises a polyethylene glycol repeating unit in the main chain, a maleimidyl group at one end of the main chain, and a trialkoxysilyl group or a catechol group at the other end of the main chain. It provides an amphiphilic polymer.
  • the polyethylene glycol repeating unit of the main chain may be represented by the following formula (1).
  • the maleimidyl group may be represented by the following formula (2).
  • the trialkoxysilyl group may be represented by the following formula (3).
  • R is each independently an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 10.
  • the amphiphilic polymer includes *-CONH-* bonds between one end of the main chain and the maleimidyl group, and *-CONH-* bonds between the other end of the main chain and the trialkoxysilyl group or catechol group It may be to include.
  • amphiphilic polymer may be represented by the following formula (5).
  • amphiphilic polymer may be represented by the following formula (6).
  • the present invention also includes a polyethylene glycol repeating unit in the main chain, a maleimidyl group at one end of the main chain, and a precursor of an amphiphilic polymer comprising an N-hydroxysuccinimidyl group at the other end of the main chain Preparing a mixed solution by dissolving aminotrialkoxysilane or dopamine hydrochloride in a solvent, and reacting the mixed solution, wherein the precursor of the amphiphilic polymer is represented by Formula 7 below. It provides a method for preparing an amphiphilic polymer.
  • the present invention also includes a metal nanoparticle, and an amphiphilic polymer bonded to the surface of the metal nanoparticle, wherein the amphiphilic polymer includes a polyethylene glycol repeating unit in a main chain, and a maleimidyl group at one end of the main chain. It includes, and provides a water-dispersible metal nanoparticles comprising a trialkoxysilyl group or a catechol group at the other end of the main chain.
  • the amphiphilic polymer may be bonded to the metal nanoparticles by the trialkoxysilyl group or the catechol group.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may further include any one targeting material selected from the group consisting of polysaccharides, proteins, antibodies, aptamers, and combinations thereof bound to the maleimidyl group of the amphiphilic polymer.
  • the present invention also comprises a polyethylene glycol repeating unit in the main chain, a maleimidyl group at one end of the main chain, and a trialkoxysilyl group or a catechol group at the other end of the main chain to prepare an amphiphilic polymer Step, mixing the amphiphilic polymer in a solution containing metal nanoparticles, and stirring the mixed solution to prepare an emulsion in which the metal nanoparticles are dispersed. to provide.
  • the amphiphilic polymer of the present invention is a functional polymer having a functional group having a high binding ability with metal nanoparticles and a functional group at both ends that can easily bind a targeting material, and can increase water dispersion stability and target efficiency of the target target in the body. have.
  • 1 is a diagram schematically showing water-dispersible metal nanoparticles.
  • the amphiphilic polymer according to an embodiment of the present invention includes a polyethylene glycol repeating unit in a main chain, a maleimidyl group at one end of the main chain, and trialkoxysilyl at the other end of the main chain. ) Group or catechol group.
  • polyethylene glycol (PEG) repeating unit of the main chain may be represented by the following formula (1).
  • n is an integer of 10 to 200, and specifically may be an integer of 25 to 100. If n is less than 10, there may be a problem of a decrease in the degree of hydrophilicity of the metal nanoparticles due to a decrease in the PEG molecule length, and if it exceeds 200, there may be a problem of a decrease in water dispersion stability due to the macromolecularization of the metal nanoparticles.
  • the amphiphilic polymer includes a maleimidyl group at one end of the main chain, and the maleimidyl group may be represented by Formula 2 below.
  • the maleimidyl group is a functional group capable of easily and firmly binding to target substances such as polysaccharides, proteins, antibodies, and aptamers.
  • n is an integer of 1 to 10.
  • n is 10 or more, the alkyl chain length is excessively increased, resulting in a problem in that water dispersibility or reaction is deteriorated.
  • it may be an integer of 1 to 3. Since the maleimidyl group is reacted in an aqueous phase, it is more preferable that n is 3 or less.
  • the amphiphilic polymer may include a *-CONH-* bond between one end of the main chain and the maleimidyl group.
  • the amphiphilic polymer includes a trialkoxysilyl group or a catechol group at the other end of the main chain.
  • the trialkoxysilyl group and the catechol group introduced at the other end of the amphiphilic polymer are functional groups having high binding strength with the metal nanoparticles, and the functional group helps the water dispersion stability of the metal nanoparticles.
  • trialkoxysilyl group may be represented by Formula 3 below.
  • Each of R may independently be an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
  • the n may be an integer of 1 to 10, more preferably an integer of 1 to 3.
  • the amphiphilic polymer may include a *-CONH-* bond between one end of the main chain and the trialkoxysilyl group.
  • the catechol group is derived from dopamine.
  • Dopamine is an organic chemical of the catecholamine and phenethylamine family and plays an important role in the brain and body.
  • the chemical name of dopamine is derived from its structure, and is an amine synthesized by removing an acarboxyl group from the molecule of L-DOPA, a precursor synthesized in the brain and kidneys.
  • the catechol group has good reactivity with metal materials such as copper II, nickel II, and zinc II.
  • the catechol group may be represented by the following formula (4).
  • n is an integer of 1 to 10, more preferably an integer of 1 to 3.
  • the amphiphilic polymer may include a *-CONH-* bond between one end of the main chain and the catechol group.
  • amphiphilic polymer including a trialkoxysilyl group at the other end of the main chain may be represented by the following formula (5).
  • n is an integer of 10 to 200.
  • amphiphilic polymer including a catechol group at the other end of the main chain may be represented by the following formula (6).
  • n is an integer of 10 to 200.
  • the method for preparing the amphiphilic polymer according to another embodiment of the present invention includes a polyethylene glycol repeating unit in a main chain, a maleimidyl group at one end of the main chain, and N-hydride at the other end of the main chain. Dissolving a precursor of an amphiphilic polymer containing a oxysuccinimidyl group and aminotrialkoxysilane or dopamine hydrochloride in a solvent to prepare a mixed solution, and reacting the mixed solution.
  • the precursor of the amphiphilic polymer may be represented by the following formula (7).
  • n is an integer of 10 to 200, and specifically may be an integer of 25 to 100.
  • Formula 7 is a polymer including an N-hydroxysuccinimide (NHS) group at the terminal, and a trialkoxysilyl group or a catechol group may be substituted at the position of the N-hydroxysuccinimide group.
  • NHS N-hydroxysuccinimide
  • a mixed solution was prepared by dissolving the precursor of the amphiphilic polymer and aminotrialkoxysilane or dopamine hydrochloride in a solvent, and the mixed solution was reacted.
  • the solvent may be a phosphoric acid buffer solution or a phosphoric acid buffered saline solution from which oxygen has been removed through injection of nitrogen gas.
  • reaction step nitrogen gas is injected at room temperature and the precursor 1 of Formula 7 and aminotrialkoxysilane or dopamine hydrochloride are mixed in a molar ratio of 1:1 to 1:2 under a neutral condition of pH 6.5 to pH 7.5, and reacted for 30 minutes or more. It can be manufactured by letting you do it.
  • the water-dispersible metal nanoparticles according to another embodiment of the present invention include metal nanoparticles and an amphiphilic polymer bonded to the surface of the metal nanoparticles.
  • the metal nanoparticles may be any one selected from the group consisting of metals, magnetic materials, magnetic alloys, and mixtures thereof.
  • the metal is not particularly limited, but any one selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Cu, Au, and mixtures thereof may be used.
  • the magnetic material is not particularly limited, but Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM' 2 O 4 , M x O y (the M and M'are each independently Co, Fe, Ni, Mn, Zn , Any one selected from the group consisting of Gd and Cr, wherein x and y each satisfy 0 ⁇ x ⁇ 3 and 0 ⁇ y ⁇ 5) and any one selected from the group consisting of a mixture thereof can be used. have.
  • the magnetic alloy is not particularly limited, but any one selected from the group consisting of CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, NiFeCo, and mixtures thereof may be used.
  • the metal nanoparticles may have a diameter of 3 to 100 nm. It may be preferably 6 to 50 nm, more preferably 12 to 30 nm. When the diameter of the metal nanoparticles exceeds 100 nm, solubility may be lowered due to a large particle size, and colloidal stability in an aqueous solution may decrease.
  • the shape of the metal nanoparticles is not limited in the present invention, for example, a cylinder, a square column, a triangular column, a pentagonal column, a hexagonal column, an octagonal column, a sphere, a hemisphere, a part of a sphere, an elliptical sphere, a semi-elliptic sphere, a part of an elliptical sphere , A square pyramid, a square bipyramid, a square truncated pyramid, a triangular pyramid, a triangular bipyramid, a triangular truncated cone, a cone, a truncated cone, a ring, a cube, and a combination thereof.
  • the amphiphilic polymer includes a polyethylene glycol repeating unit in the main chain, a maleimidyl group at one end of the main chain, and a trialkoxysilyl group or a catechol group at the other end of the main chain, as described above. Since they are the same, a repetitive description will be omitted.
  • the amphiphilic polymer is bonded to the metal nanoparticles by the trialkoxysilyl group or the catechol group.
  • the trialkoxysilyl group and the catechol group are functional groups having high bonding strength with the metal nanoparticles, and the functional group helps the water dispersion stability of the metal nanoparticles.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may further include any one targeting material selected from the group consisting of polysaccharides, proteins, antibodies, aptamers, and combinations thereof bound to the maleimidyl group of the amphiphilic polymer.
  • the maleimidyl group is a functional group capable of easily and firmly binding to targeting substances such as polysaccharides, proteins, antibodies, and aptamers.
  • the targeting material is antigen, antibody, RNA, DNA, aptamer, hapten, avidin, streptavidin, butrabidin, protein A, protein G, lectin Components labeled with (Lectin), selectin or radioisotope may be used.
  • the targeting material is MT1-MMP targetable peptide (Membrane type-1 matrix metalloproteinase (MT1-MMP)). targetable peptide) can be used.
  • the aptamer refers to a substance capable of binding to a target molecule in the form of single or double helix DNA or RNA.
  • the antibody refers to a substance capable of binding to a target molecule as a protein bound to an amino acid and a sugar chain.
  • the aptamer or antibody is capable of specifically binding to a target molecule, and preferably has a structure capable of complementary binding to a target molecule.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may further include a surfactant surrounding the surface of the metal nanoparticles.
  • the water-dispersible metal nanoparticles 10 include an amphiphilic polymer 2 bonded to the surface of the metal nanoparticles 1, and the metal nanoparticles 1
  • the surfactant 3 may be coated.
  • the targeting material may be bonded to the end of the amphiphilic polymer 2.
  • the water-dispersible metal nanoparticles 10 include the amphiphilic polymer 2, both water solubility and target orientation may be secured.
  • the method for producing the water-dispersible metal nanoparticles includes mixing the amphiphilic polymer in a solution containing the metal nanoparticles, and stirring the mixed solution to obtain the metal nanoparticles. And preparing a dispersed emulsion. That is, the amphiphilic polymer may be added to emulsify and simultaneously bind the amphiphilic polymer to the surface of the metal nanoparticles.
  • the solution containing the metal nanoparticles may contain a solvent and the metal nanoparticles, and after the amphiphilic polymer is added to disperse the metal nanoparticles, stirring is performed at a speed of 1,000 to 1,500 rpm for 1 to 30 minutes. It may further include a step. Stirring may be performed by simple stirring or ultrasonic stirring method, and may be performed repeatedly.
  • the solvent is benzene, normal butanol, butyl acetate, carbon tetrachloride, chloroform, cyclohexane, dichloroethane, dichloromethane, ethyl acetate, diethyl ester, heptane, hexane, tert-butyl methyl ester, methyl ethyl ketone, pentane, diisopropyl Ester, tetrahydrofuran, toluene, N-methyl-2-pyrrolidone, acetone, acetonitrile, carbon tetrachloride, chloroform, cyclohexane, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, diethyl ether, dimethyl formamide, dimethyl Sulfoxide, 1,4-dioxane, ethanol, ethyl acetate, methanol, methyl tert-buryl ether, 1-propano
  • the emulsion may further contain a lubricant, a wetting agent, an emulsifying agent, a suspending agent or a preservative.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may be used for hyperthermia therapy of cancer caused by a change in a magnetic field.
  • the magnetic material changes the phase of the magnetic field very quickly outside the body, the magnetic material also rotates or vibrates very quickly depending on the phase of the magnetic field, thereby generating high heat due to friction with surrounding molecules.
  • a targeting material is introduced after surface modification with an amphiphilic polymer to the metal nanoparticles, hyperthermia treatment can be performed only on a local area of a carcinoma to target through intravenous injection.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may diagnose cancer with a Magnetic Resonance Imaging (MRI) device.
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • the water-dispersible metal nanoparticles are capable of treating and diagnosing cancer, and the degree of removal of cancer may be diagnosed after monitoring the removal status of cancer during photothermal treatment of cancer or photothermal treatment of cancer.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may be used in a form supported on a pharmaceutically acceptable carrier.
  • the pharmaceutically acceptable carrier may include carriers and vehicles commonly used in the field of medicine. Examples of such carriers include ion exchange resins, alumina, stearate, lecithin, serum proteins (e.g., human serum albumin, etc.), buffer substances (e.g., various phosphates, glycine, sorbic acid, potassium sorbate, Partial glyceride mixtures of saturated vegetable fatty acids, etc.), water, electrolytes (e.g.
  • protamine sulfate disodium hydrogen phosphate, potassium hydrogen phosphate, sodium chloride and zinc salts, etc.
  • colloidal silica magnesium trisilicate
  • polyvinylpyrroly Money a cellulose-based substrate, polyethylene glycol, sodium carboxymethylcellulose, polyarylate, wax, polyethylene glycol, or wool paper.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may be used as an aqueous solution for parenteral administration.
  • the aqueous solution may include, for example, a buffer solution such as Hank's solution, Ringer's solution, or physically buffered saline.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may be used in the form of a sterile injectable preparation.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may be formulated as a sterile injectable preparation according to a known technique in the art.
  • the method of using the water-dispersible metal nanoparticles is not limited to the above-described method, and may be used through various methods known in the art.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may be used as a contrast medium.
  • contrast agent is a part of the technology related to molecular imaging, and refers to a material used to make certain organs or tissues easy to observe by making a clear contrast with the surroundings.
  • Contrast agents are administered in vivo, and in addition to being magnetic, they require in vivo stability and water dispersibility.
  • the water dispersible metal nanoparticles contain the amphiphilic polymer, water dispersibility and target orientation are imparted by the substituted functional groups at both ends, so that the dispersibility in the living body is good, and a separate additional target orientation imparting process is omitted. It is not toxic and has excellent stability in vivo, making it very suitable for use as a contrast medium.
  • the contrast agent containing the water-dispersible metal nanoparticles is from the group consisting of a T2 magnetic resonance imaging probe and a T2 magnetic resonance imaging probe, an optical diagnostic probe, a CT diagnostic probe, and a radioisotope to provide additional images other than the T2 contrast image. It may further include one or more probes to be selected. That is, the contrast agent may be used as a double or multiple diagnostic probes by additionally containing another diagnostic probe together with the water-dispersible metal nanoparticles.
  • T1 magnetic resonance imaging probe is combined with water-dispersible metal nanoparticles
  • T2 magnetic resonance imaging and T1 magnetic resonance imaging can be performed at the same time
  • magnetic resonance imaging and optical imaging can be performed at the same time
  • CT diagnostic probe when a CT diagnostic probe is combined, magnetic resonance imaging and CT diagnosis can be performed at the same time.
  • magnetic resonance imaging and PET or SPECT diagnosis when combined with radioactive isotopes, magnetic resonance imaging and PET or SPECT diagnosis can be performed at the same time.
  • the probe may be used by binding to one end of an amphiphilic polymer imparted with hydrophilicity according to the functional group or hydrophobicity or hydrophilic characteristics of the probe to be used, or may be used by encapsulating the inside of the micelle formed of the amphiphilic polymer.
  • the method of encapsulating and binding the probe is not particularly limited, and a known method may be used.
  • the T1 magnetic resonance imaging probe may include a Gd compound or an Mn compound
  • the optical diagnostic probe is an organic fluorescent dye, quantum dot, or dye-labeled inorganic support (e.g. SiO 2 , Al 2 O 3 )
  • the CT diagnostic probe may include an iodine (I) compound or gold nanoparticles, and the radioisotope may include In, Tc, or F.
  • the water-dispersible metal nanoparticles may be used to detect specific biomolecules.
  • the targeting material is bound to the maleimidyl group of the amphiphilic polymer, and as the targeting material reacts with the target material, a change occurs in the local surface plasmon resonance of the metal nanoparticles, and the presence or absence of a specific biomolecule is determined by measuring it. can do.
  • the water-dispersible metal nanoparticles exhibit different absorption characteristics depending on the external environment, that is, the medium around the surface of the water-dispersible metal nanoparticles, and biomolecules can be detected using these characteristics. have.
  • a peptide that is specifically degraded by a biomolecule to be detected as the targeting material for example, after measuring the LSPR signal of a water-dispersible metal nanoparticle to which a peptide specifically degraded to a target protease is bound, After the target protease is treated with the water-dispersible metal nanoparticles to react the target protease and a peptide that is specifically degraded thereto, changes in LSPR signal before and after the reaction are measured.
  • the LSPR signal around the water-dispersible metal nanoparticles changes, resulting in a blue shift, which indicates the presence or absence of the target protease. Can be discriminated.
  • the degree of the LSPR signal change depends on the concentration of the target protease, the expression level and activity of the target protease can be measured.
  • the peptides and target bioenzymes are known to be associated with certain diseases. Accordingly, useful information for diagnosing a relevant disease can be provided by detecting the presence, expression level, or activity of a bioenzyme through measurement of a change in a local surface plasmon resonance signal. For example, information for diagnosis of cancer may be provided by detecting the presence or absence, expression level, or activity of MT1-MMP.
  • Water-dispersible metal nanoparticles can be used for photothermal treatment of cancer.
  • the metal nanoparticles exhibit absorption in a near-infrared (NIR) region that does not damage normal cells, and may emit a considerable amount of heat during absorption.
  • NIR near-infrared
  • the magnetic material does not normally exhibit light absorption in the near-infrared region, but may exhibit absorption in the near-infrared region around cancer cells. That is, when the magnetic material is introduced into a cell, it may be doped by a dopant present in the cell to exhibit light absorption in the near-infrared region.
  • the metal nanoparticles may specifically remove only cancer cells containing a dopant in the cells, and may not damage normal cells or blood vessels while removing cancer cells.
  • the water-dispersible metal nanoparticles can be injected into the body through vascular administration using an injection in addition to direct administration to cancer cells or cancer tissues.
  • -NHS-PEG-MLI precursor contains a polyethylene glycol (PEG) repeating unit in the main chain represented by Chemical Formula 7, and includes a maleimidyl group (MLI) at one end, and N-hydroxy at the end corresponding to the end Precursor comprising succinimide (NHS).
  • PEG polyethylene glycol
  • MLI maleimidyl group
  • NHS-PEG3.4k-maleimide was purchased from Sunbright.
  • APTES -Aminopropyltriethoxysilane
  • PBS Phosphate buffered saline
  • bIO Bulkily-made iron oxide nanoparticles
  • polyethylene glycol that does not contain a functional group at the terminal was prepared.
  • 2A is a ball immediately after mixing 1 mg/mL (n-hexane) of bIO, which is an iron oxide nanoparticle, and 1.25 mg/mL (PBS, pH 7.4) of an amphiphilic polymer containing a catechol group prepared in Example 2 and for 1 minute.
  • bIO which is an iron oxide nanoparticle
  • PBS pH 7.4
  • an amphiphilic polymer containing a catechol group prepared in Example 2 1.25 mg/mL
  • This is a photograph showing the phase change after vortexing for 20 minutes after texing.
  • the two layers were completely separated, and the brown iron oxide layer was located at the top, but the color of the phase was reversed after vortexing, and it was judged that the amphiphilic polymer and iron oxide were combined and settled.
  • the reversed phase shape was maintained and the phase transition was irreversible, so it was judged that the amphiphilic polymer and iron oxide were bonded.
  • FIG. 2B is a photograph of the mixture of FIG. 2A (third photo of FIG. 2A, after vortexing for 20 minutes after mixing) of the PBS phase, adding 9 ml of deionized water, and stirring for 12 hours. It was confirmed that particles were clustered around the magnet.
  • FIG. 2C is a photograph showing a state in which the solution of FIG. 2B is redispersed with particles aggregated around a magnet through ultrasonication.
  • FIG. 2D is a control experiment for FIG. 2A, which is a photograph observed after simple mixing of bIO with PBS without an amphiphilic polymer.
  • the bIO phase does not pass and remains on the n-hexane side.
  • Figure 2e is a mixture of bIO 1mg/mL (n-hexane) and 1.25 mg/mL (PBS, pH 7.4) of an amphiphilic polymer containing APTES prepared in Example 1, and the phase of bIO is from n-hexane to PBS. This is a picture that confirms the passing.
  • FIG. 2F is a photograph of a phase after mixing 1 mg/mL (n-hexane) of bIO and 1.25 mg/mL of 5kDa (Comparative Example 1) without a functional group at the terminal as a control experiment.

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Abstract

본 발명은 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 일 말단에 말레이미딜기를 포함하며, 상기 말단과 대응되는 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜을 포함하는 양친매성 고분자, 이를 포함하는 수분산성 금속나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 수분산 안정성과 표적 대상 물질과의 결합력을 향상시켜 정밀한 국소 부위 약물 전달, 질병 진단, 질병 치료, 근적외선 영상화 및 광열 치료에 이용 가능한 양친매성 고분자, 이를 포함하는 수분산성 금속나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

양친매성 고분자, 이를 포함하는 수분산성 금속나노입자 및 이의 제조방법
본 발명은 양친매성 고분자, 이를 포함하는 수분산성 금속나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 수분산 안정성과 표적 대상 물질과의 결합력을 향상시켜 정밀한 국소 부위 약물 전달, 질병 진단, 질병 치료, 근적외선 영상화 및 광열 치료에 이용 가능한 양친매성 고분자, 이를 포함하는 수분산성 금속나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
기존의 금속나노입자의 수분산 안정성을 확보하기 위한 방법은 크게 두가지로, 계면활성제 구조의 양친매성 고분자를 이용한 유화(Emulsionization) 방법과 수용성 고분자를 입자 표면에서 중합하거나 직접 결합하는 직접 코팅(Direct coating) 방법으로 나눌 수 있다.
유화 방법은 주로 유기 상(Organic phase)에 존재하는 금속나노입자를 수분산 할 때 사용되며, 수분산 안정성이 뛰어나고, 양친매성 고분자의 양에 따라 에멀전(Emulsion)의 크기를 조절하기 용이한 장점이 있다. 그러나 과량의 양친매성 고분자가 필요하며, 이로 인한 체내 독성 유발, 외부 요인(산도, 온도, 체액 등)에 의해 안정성이 변화할 수 있고, 건조 후에는 수분산성을 복원하기 어려운 단점이 있다.
직접 코팅 방법의 경우 상대적으로 외부 요인에 의한 수분산 안정성의 변화가 적은 편이고, 건조 후 재분산도 가능한 장점이 있으나 고비용이 소요 되며, 공정 중 수분산 효율이 다소 떨어지는 단점이 있다.
직접 코팅 방법의 장점인 높은 수분산 안정성을 확보함과 동시에 기존 유화 방법의 체내 불안정성을 보완하고, 체내 표적대상의 표적효율을 증대시키 위하여, 금속나노입자와 결합력이 높은 작용기와 표적화 물질을 손쉽게 결합할 수 있는 작용기를 양 말단에 가지고 있는 기능성 고분자 및 이를 이용한 부분 에멀전화 공법의 개발이 필요하다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) KR10-2012-0107686 A1 (공개일: 2012년 10월 4일)
(특허문헌 2) KR10-2009-0113990 A1 (공개일: 2009년 11월 3일)
이에, 본 발명의 목적은 수분산 안정성을 확보함과 동시에, 표적 대상 물질과의 결합력이 증대된 양친매성 고분자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 양친매성 고분자를 포함하는 수분산성 금속 나노입자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수분산성 금속나노입자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하며, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기를 포함하는 것인 양친매성 고분자를 제공한다.
상기 주쇄의 폴리에틸렌 글리콜 반복단위는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000001
(n은 10 내지 200의 정수이다.)
상기 말레이미딜기는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000002
(n은 1 내지 10의 정수이다.)
상기 트리알콕시실릴기는 하기 화학식 3으로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 3]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000003
(R은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, n은 1 내지 10의 정수이다.)
상기 양친매성 고분자는 상기 주쇄의 한쪽 말단과 상기 말레이미딜기 사이에 *-CONH-* 결합을 포함하고, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단과 상기 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기 사이에 *-CONH-* 결합을 포함하는 것일 수 있다.
상기 양친매성 고분자는 하기 화학식 5로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 5]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000004
(n은 10 내지 200의 정수이다.)
상기 양친매성 고분자는 하기 화학식 6으로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 6]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000005
(n은 10 내지 200의 정수이다.)
본 발명은 또한 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하며, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 N-하이드록시석신이미딜기를 포함하는 양친매성 고분자의 전구체와 아미노트리알콕시실란 또는 도파민 염산염(Dopamin hydrochloride)을 용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하는 단계, 및 상기 혼합용액을 반응시키는 단계를 포함하고, 상기 양친매성 고분자의 전구체는 하기 화학식 7로 표시되는 것인 양친매성 고분자 제조방법을 제공한다.
[화학식 7]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000006
(n은 10 내지 200의 정수이다.)
본 발명은 또한 금속나노입자, 그리고 상기 금속나노입자의 표면에 결합된 양친매성 고분자를 포함하며, 상기 양친매성 고분자는 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하고, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기를 포함하는 것인 수분산성 금속나노입자를 제공한다.
상기 양친매성 고분자는 상기 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기에 의하여 상기 금속나노입자와 결합된 것일 수 있다.
상기 수분산성 금속나노입자는 상기 양친매성 고분자의 상기 말레이미딜기에 결합된 다당류, 단백질, 항체, 압타머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 표적화 물질을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 또한 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하며, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기를 포함하는 양친매성 고분자를 제조하는 단계, 금속나노입자를 포함하는 용액에 상기 양친매성 고분자를 혼합하는 단계, 및 상기 혼합 용액을 교반하여 상기 금속나노입자가 분산된 에멀전을 제조하는 단계를 포함하는 수분산성 금속나노입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 양친매성 고분자는 금속나노입자와 결합력이 높은 작용기와, 표적화 물질을 손쉽게 결합할 수 있는 작용기를 양 말단에 가지고 있는 기능성 고분자로, 수분산 안정성과 체내 표적대상의 표적효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 양친매성 고분자를 이용하여 에멀전화할 수 있다.
도 1은 수분산성 금속나노입자를 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실험예 4에서 양친매성 고분자의 상을 관찰한 사진이다.
[부호의 설명]
1: 금속나노입자
2: 양친매성 고분자
3: 계면활성제
10: 수분산성 금속나노입자
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양친매성 고분자는 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜(Maleimidyl)기를 포함하며, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴(Trialkoxysilyl)기 또는 카테콜(Catechol)기를 포함한다.
구체적으로 상기 주쇄의 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene glycol, PEG) 반복단위는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000007
화학식 1에서 n은 10 내지 200의 정수이고, 구체적으로 25 내지 100의 정수일 수 있다. n이 10 미만인 경우 PEG 분자길이 감소에 의한 금속나노입자의 친수성 획득 정도의 감소 문제가 있을 수 있고, 200을 초과하는 경우 금속나노입자의 거대분자화로 인해 수분산 안정성 감소의 문제가 있을 수 있다.
상기 양친매성 고분자는 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜(Maleimidyl)기를 포함하며, 상기 말레이미딜기는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다. 상기 말레이미딜기는 다당류, 단백질, 항체, 압타머 등의 표적 물질과 쉽고 견고하게 결합할 수 있는 작용기이다.
[화학식 2]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000008
화학식 2에서 n은 1 내지 10의 정수이다. 상기 n이 10 이상인 경우 알킬 체인 길이가 지나치게 증가하여 수분산성이나 반응이 저하되는 문제가 생일 수 있다. 구체적으로 1 내지 3 의 정수일 수 있다. 상기 말레이미딜기를 수상에서 반응시키기 때문에 상기 n이 3 이하인 것이 더욱 바람직하다.
상기 양친매성 고분자는 상기 주쇄의 한쪽 말단과 상기 말레이미딜기 사이에 *-CONH-* 결합을 포함할 수 있다.
상기 양친매성 고분자는 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴(Trialkoxysilyl)기 또는 카테콜(Catechol)기를 포함한다. 상기 양친매성 고분자의 다른 쪽 말단에 도입되는 상기 트리알콕시실릴기 및 카테콜기는 금속나노입자와 결합력이 높은 작용기로, 상기 작용기는 금속나노입자의 수분산 안정성에 도움을 준다.
구체적으로, 상기 트리알콕시실릴(trialkoxysilyl)기는 하기 화학식 3으로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 3]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000009
상기 R은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기일 수 있다. 상기 n은 1 내지 10의 정수일 수 있고, 더욱 바람직하게 1 내지 3의 정수인 것일 수 있다.
상기 양친매성 고분자는 주쇄의 한쪽 말단과 상기 트리알콕시실릴기 사이에 *-CONH-* 결합을 포함할 수 있다.
상기 카테콜(catechol)기는 도파민으로부터 유래된 것이다. 도파민 (Dopamine)은 카테콜아민(Catecholamine)과 페네틸아민(Phenethylamine) 계통의 유기화학 물질로 뇌와 신체에서 중요한 역할을 한다. 도파민의 화학명은 그 구조에서 파생된 것으로, 뇌와 신장에서 합성되는 전구물질인 L-DOPA의 분자에서 아카르복실기를 제거하여 합성된 아민이다. 구체적으로 상기 카테콜기는 구리Ⅱ, 니켈Ⅱ, 아연Ⅱ 등의 금속 물질과 반응성이 좋다. 상기 카테콜기는 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.
[화학식 4]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000010
화학식 4에서 n은 1 내지 10의 정수이고, 더욱 바람직하게 1 내지 3의 정수일 수 있다.
상기 양친매성 고분자는 주쇄의 한쪽 말단과 상기 카테콜기 사이에 *-CONH-* 결합을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기를 포함하는 양친매성 고분자는 하기 화학식 5로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 5]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000011
화학식 5에서 n은 10 내지 200의 정수이다.
또한, 상기 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 카테콜기를 포함하는 양친매성 고분자는 하기 화학식 6으로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 6]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000012
화학식 6에서 n은 10 내지 200의 정수이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상기 양친매성 고분자의 제조 방법은 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하며, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 N-하이드록시석신이미딜기를 포함하는 양친매성 고분자의 전구체와 아미노트리알콕시실란 또는 도파민 염산염(Dopamin hydrochloride)을 용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하는 단계, 및 상기 혼합용액을 반응시키는 단계를 포함한다.
상기 양친매성 고분자의 전구체는 하기 화학식 7로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 7]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000013
화학식 7에서 n은 10 내지 200 의 정수이고, 구체적으로 25 내지 100의 정수일 수 있다.
상기 화학식 7은 말단에 N-하이드록시석신이미딜(N-hydroxysuccinimide, NHS)기를 포함하는 고분자로, 상기 N-하이드록시석신이미딜기의 자리에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기가 치환될 수 있다.
구체적으로, 상기 양친매성 고분자의 전구체와 아미노트리알콕시실란 또는 도파민 염산염(Dopamin hydrochloride)을 용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하고, 혼합용액을 반응시킨다.
상기 용매는 질소가스 주입을 통해 산소가 제거된 인산완충용액 또는 인산완충식염수를 사용할 수 있다.
또한 상기 반응 단계는 상온에서 질소가스 주입 및 pH 6.5 내지 pH 7.5의 중성 조건에서 화학식 7의 전구체 1과 아미노트리알콕시실란 또는 도파민 염산염을 1:1 내지 1:2의 몰비로 혼합하여 30분 이상 반응시키는 방법으로 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수분산성 금속나노입자는 금속나노입자, 그리고 상기 금속나노입자의 표면에 결합된 양친매성 고분자를 포함한다.
상기 금속나노입자는 금속, 자성 물질, 자성 합금 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 금속은 특별히 제한하지는 않으나, Pt, Pd, Ag, Cu, Au 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 자성 물질은 특별히 제한하지는 않으나, Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM'2O4, MxOy(상기 M 및 M'는 각각 독립적으로 Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd 및 Cr로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 x 및 y는 각각 0<x≤3 및 0<y≤5를 만족한다) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 자성 합금은 특별히 제한하지는 않으나, CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, NiFeCo 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 금속나노입자는 직경이 3 내지 100 nm인 것일 수 있다. 바람직하게 6 내지 50 nm일 수 있고, 더욱 바람직하게 12 내지 30 nm일 수 있다. 상기 금속나노입자의 직경이 100 nm를 초과하게 되는 경우 큰 입자 사이즈에 의해 용해도가 낮아지고 수용액 상에서 콜로이드 안정성이 떨어질 수 있다.
상기 금속나노입자의 형태는 본 발명에서 제한이 없고, 일 예를 들면 원기둥, 사각기둥, 삼각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥, 구, 반구, 구의 일부분, 타원구, 반타원구, 타원구의 일부분, 사각뿔, 사각쌍뿔, 사각뿔대, 삼각뿔, 삼각쌍뿔, 삼각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 링, 큐브(cube) 및 이들의 조합 형태로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 등일 수 있다.
상기 양친매성 고분자는 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하고, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기를 포함하는 것으로서, 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.
다만, 상기 양친매성 고분자는 상기 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기에 의하여 상기 금속나노입자와 결합된다. 상기 트리알콕시실릴기 및 카테콜기는 상기 금속나노입자와 결합력이 높은 작용기로, 상기 작용기는 금속나노입자의 수분산 안정성에 도움을 준다.
또한, 상기 수분산성 금속나노입자는 상기 양친매성 고분자의 상기 말레이미딜기에 결합된 다당류, 단백질, 항체, 압타머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 표적화 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 말레이미딜기는 상기 다당류, 단백질, 항체, 압타머 등의 표적화 물질과 쉽고 견고하게 결합할 수 있는 작용기이다.
보다 구체적으로, 상기 표적화 물질은 항원, 항체, RNA, DNA, 압타머, 합텐(Hapten), 아비딘(Avidin), 스트렙타비딘(Streptavidin), 뷰트라비딘(Neutravidin), 프로테인 A, 프로테인 G, 렉틴(Lectin), 셀렉틴(selectin) 또는 방사선동위원소로 표지된 성분을 이용할 수 있다. 하나의 예시에서 섬유육종(Fibrosarcoma) HT1080 계열의 암 세포를 치료 및 진단하기 위한 금속나노입자를 제조한다면, 상기 표적화 물질로는 MT1-MMP 타켓에이블 펩타이드(Membrane type-1 matrix metalloproteinase (MT1-MMP) targetable peptide)를 사용할 수 있다. 또한, 상기 압타머(Aptamer)는 단일, 이중 나선의 DNA, RNA 형태로 표적분자에 결합할 수 있는 물질을 의미한다. 상기 항체(Antibody)는 아미노산과 당사슬로 결합된 단백질로 표적분자에 결합할 수 있는 물질을 의미한다. 상기 압타머 또는 항체는 표적분자에 특이적으로 결합할 수 있는 것이고, 바람직하게는 표적분자에 상보적으로 결합할 수 있는 구조를 가진 것 일 수 있다.
이 경우 상기 수분산성 금속나노입자는 상기 금속나노입자의 표면을 둘러싸고 있는 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면활성제로는 카르복실메틸폴리비닐알콜, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌이민, 폴리아미도이민, 폴리에틸렌글라이콜, 폴리라틱산, 폴리아크릴산, 폴리카프로락톤, 폴리스티렌설포네이트, 폴리수산화에틸 (메트)아크릴레이트, 키토산, 폴리솔베이트 80(TWEEN 80), 폴리비닐술폰산, 텍스트란, 소듐 콜레이트 하이드레이트, n-옥틸글루코시드, 옥틸티오글루코시드, N-옥타노일-N-메틸글루카민, N-노나노일-N-메틸글루카민, 퀼라야 껍질(quillaja bark) 유래 사포닌, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트, 도데실 황산 나트륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 용액, 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB), 디도데실디메틸암모늄 브로마이드(DMAB), N,N-비스(3-D-글루콘아미도프로필)데옥시콜아미드(deoxy-BIGCHAP), N,N-비스(3-D-글루콘아미도프로필)콜아미드(BIGCHAP), 폴리에틸렌 글리콜 도데실 에테르, 플루로닉 F-68, 트리톤 X-100, 트리톤 X-114, 트윈 40, 이게팔(Igepal) CA-630, 이게팔 CO-210, 이게팔 CO-520, 이게팔 CO-630, 이게팔 CO-720, 이게팔 CO-890, 이게팔 DM-970, 이게팔 CA-210, 이게팔 CA-520, 이게팔 CA-630, N-데카노일-N-메틸글루카민, 노닐페닐-폴리에틸렌 글리콜, 브리지 76(Brij 76), 브리지 58, 브리지 35P, 브리지 30, 사이클로헥실메틸-β-D-말토시드(Cymal-1), 2-사이클로헥실에틸-β-D-말토시드(Cymal-2), 5-사이클로헥실펜틸-β-D-말토시드(Cymal-5), 6-사이클로헥실헥실-β-D-말토시드(Cymal-6), 디기토닌, 데실-β-D-말토피라노시드, 라우릴-β-D-말토시드(DDM), n-헥사데실-β-D-말토시드, 운데실-β-D-말토시드, 데실-β-D-1-티오말코피라노시드, 데실-β-D-1-티오글루코피라노시드, 디메틸데실포스핀 옥사이드, 도데실디메틸포스핀 옥사이드 또는 이들의 혼합물이 예시될 수 있다. 이러한 계면활성제들은 필요에 따라 개질되어 사용될 수 있다.
도 1은 상기 수분산성 금속나노입자를 개략적으로 나타낸 그림이다. 상기 도 1을 참고하면, 상기 수분산성 금속나노입자(10)는 상기 금속나노입자(1)의 표면에 결합된 양친매성 고분자(2)를 포함하고, 또한 상기 금속나노입자(1)의 표면에 상기 계면활성제(3)가 코팅될 수 있다. 이때, 상기 양친매성 고분자(2)의 끝에는 상기 표적화 물질이 결합될 수 있다. 상기 수분산성 금속나노입자(10)는 상기 양친매성 고분자(2)를 포함함에 따라 수용성 및 표적 지향성을 모두 확보할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 상기 수분산성 금속나노입자의 제조방법은 상기 금속나노입자를 포함하는 용액에 상기 양친매성 고분자를 혼합하는 단계, 및 상기 혼합 용액을 교반하여 상기 금속나노입자가 분산된 에멀전을 제조하는 단계를 포함한다. 즉, 상기 양친매성 고분자를 첨가하여 에멀전화함과 동시에 금속나노입자의 표면에 상기 양친매성 고분자가 결합되도록 할 수 있다.
상기 금속나노입자를 포함하는 용액은 용매와 금속나노입자를 포함하는 것일 수 있고, 금속나노입자를 분산시키기 위하여 상기 양친매성 고분자를 첨가한 후 1,000 내지 1,500 rpm의 속도로 1 내지 30분 동안 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 교반은 단순 교반 또는 초음파 교반 방법을 이용할 수 있고, 반복하여 실시할 수 있다.
상기 용매는 벤젠, 노말부탄올, 부틸아세테이트, 사염화탄소, 클로로포름, 시클로헥산, 디클로로에탄, 디클로로메탄, 에틸아세테이트, 디에틸에스터, 헵탄, 헥산, tert-부틸메틸에스터, 메틸에틸케톤, 펜탄, 디이소프로필에스터, 테트라하이트로퓨란, 톨루엔, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤, 아세토니트릴, 사염화탄소, 클로로포름, 사이클로헥산, 1,2-디클로로에탄, 디클로로메탄, 디에틸에테르, 디메틸 포름아마이드, 디메틸 설폭사이드, 1,4-디옥산, 에탄올, 에틸 아세테이트, 메탄올, 메틸 3급 부틸 에테르(methyl-tert-buryl ether), 1-프로판올, 2-프로판올, 2,2,4-트리메틸펜탄, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 에멀전은 윤활제, 습윤제, 유화제, 현탁제 또는 보존제를 추가로 포함할 수 있다.
이하, 상기 수분산성 금속나노입자의 다양한 용도에 대하여 설명한다.
상기 수분산성 금속나노입자의 금속나노입자가 자성 물질인 경우 상기 수분산성 금속나노입자는 자기장변화에 의한 암의 고열치료 (Hyperthermia theraphy)에 이용될 수 있다. 상기 자성물질은 체외에서 자기장의 위상이 매우 빠르게 변화할 때, 자기장에 위상에 따라 자성물질 또한 매우 빠르게 회전 또는 진동하여 주변 분자와의 마찰에 의한 고열을 발생시킬 수 있다. 상기 금속나노입자에 양친매성 고분자로 표면 개질 후 표적화 물질을 도입하면 정맥 주사를 통해 표적하고자 암종의 국소 부위에만 고열치료를 수행할 수 있다.
상기 수분산성 금속나노입자는 암을 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging: MRI) 장치로 진단할 수도 있다.
특히 상기 수분산성 금속나노입자는 암 치료 및 진단이 가능한 것으로서, 암을 광열 치료하는 동안 암의 제거 상태를 모니터링하거나, 또는 암을 광열 치료한 후에 암의 제거 정도를 진단할 수 있다.
상기 수분산성 금속나노입자는 약학적으로 허용 가능한 담체에 담지된 형태로 사용될 수 있다. 상기 약학적으로 허용 가능한 담체는 의약 분야에서 통상적으로 사용되는 담체 및 비히클을 포함할 수 있다. 이러한 담체의 예로는, 이온 교환 수지, 알루미나, 스테아레이트, 레시틴, 혈청 단백질(예를 들면, 사람의 혈청 알부민 등), 완충 물질(예를 들면, 각종 인산염, 글리신, 소르브산, 칼륨 소르베이트, 포화 식물성 지방산의 부분적인 글리세라이드 혼합물 등), 물, 전해질(예를 들면, 프로타민 설페이트, 인산수소이나트륨, 인산수소칼륨, 염화나트륨 및 아연 염 등), 교질성 실리카, 마그네슘 트리실리케이트, 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로즈계 기질, 폴리에틸렌 글리콜, 나트륨 카르복시메틸셀룰로즈, 폴리아릴레이트, 왁스, 폴리에틸렌 글리콜 또는 양모지 등을 들 수 있다.
상기 수분산성 금속나노입자는 비경구 투여를 위한 수용성 용액으로 사용될 수 있다. 상기 수용성 용액에는, 예를 들면, 한스 용액(Hank's solution), 링거 용액(Ringer's solution) 또는 물리적으로 완충된 염수와 같은 완충 용액이 포함될 수 있다.
또한, 상기 수분산성 금속나노입자는 멸균 주사용 제제의 형태로 사용될 수 있다. 상기 수분산성 금속나노입자는 해당 기술분야의 공지된 기술에 따라 멸균 주사용 제제로 제형화될 수 있다. 그러나, 수분산성 금속나노입자의 사용 방법은 상술한 방법에 한정되지 않으며, 해당 기술분야에 공지된 다양한 방법을 통하여 사용될 수 있다.
상기 수분산성 금속나노입자는 조영제로 이용될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 조영제란, 분자영상(Melecular Imaging)과 관련한 기술 중 일부분으로서, 어떤 특정 장기나 조직이 주위와 뚜렷한 대조를 이루어 관찰하기 쉽도록 하기 위해 쓰이는 물질을 의미한다.
조영제는 생체 내 투여되는 것으로서, 자성을 띄는 것 외에도 생체 내 안정성, 수분산성이 요구된다. 상기 수분산성 금속나노입자는 상기 양친매성 고분자를 포함함에 따라 양 말단에 치환된 기능성기에 의하여 수분산성 및 표적지향성이 부여되어 생체 내에서 분산력이 좋으며, 별도의 추가적인 표적 지향성 부여과정이 생략되고, 세포독성이 없으며, 생체 내 안정성도 우수하여, 조영제로의 사용에 매우 적합하다.
상기 수분산성 금속나노입자를 포함하는 조영제는 T2 자기공명 영상 진단 프로브와 T2 조영 이미지 외의 추가적 영상제공을 위해 T1 자기공명 영상 진단 프로브, 광학 진단 프로브, CT 진단 프로브 및 방사선 동위원소로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 프로브를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 상기 조영제는 상기 수분산성 금속나노입자와 함께 다른 진단 프로브를 추가로 함유함으로써, 이중 또는 다중 진단 프로브로 사용될 수 있다. 예를 들면, 수분산성 금속나노입자에 T1 자기공명 영상 진단 프로브를 결합시키면 T2 자기공명영상 및 T1 자기공명영상 진단을 동시에 진행할 수 있고, 광학 진단 프로브를 결합시키면 자기공명 영상과 광학 이미징을 동시에 할 수 있으며, CT 진단 프로브를 결합시키면 자기공명영상과 CT진단을 동시에 할 수 있다. 또한 방사선 동위원소와 결합시키면 자기공명영상과 PET, 또는 SPECT 진단을 동시에 할 수 있다.
상기 프로브는 사용되는 프로브의 작용기나 소수성 또는 친수성 특징에 따라 친수성이 부여된 양친매성 고분자의 일 말단에 결합시켜 사용하거나 상기 양친매성 고분자로 형성된 미셀의 내부에 봉입시켜 사용할 수 있다. 상기 프로브의 봉입 및 결합 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 방법을 사용할 수 있다.
상기 T1 자기공명 영상 진단 프로브는 Gd 화합물 또는 Mn화합물을 포함할 수 있으며, 광학 진단 프로브는 유기 형광 염료(dye), 양자점, 또는 염료 표지 (dye labelled) 무기 지지체 (예 SiO2, Al2O3)를 포함할 수 있으며, CT 진단 프로브는 요오드(I) 화합물 또는 금 나노 입자를 포함할 수 있고, 방사선 동위원소는 In, Tc 또는 F 를 포함할 수 있다.
한편, 상기 수분산성 금속나노입자는 특정 생체분자의 검출에 이용될 수 있다. 상기 양친매성 고분자의 말레이미딜기에 상기 표적화 물질을 결합시키고, 상기 표적화 물질이 표적물질과 반응함에 따라 상기 금속나노입자의 국소표면 플라즈몬 공명에 변화가 일어나고 이를 측정함으로써 특정 생체분자의 존재 여부를 판단할 수 있다.
즉, 국소표면 플라즈몬 공명 신호 변화에 의해, 상기 수분산성 금속나노입자는 외부환경, 즉 상기 수분산성 금속나노입자 표면 주위 매질에 따라 다른 흡광 특성을 나타내게 되고 이러한 특성을 이용하여 생체분자를 검출할 수 있다.
상기 표적화 물질로 검출 대상 생체 분자에 의해 특이적으로 분해되는 펩타이드를 이용하는 경우를 예로 들면, 표적 단백질분해효소에 특이적으로 분해되는 펩타이드가 결합된 수분산성 금속나노입자의 LSPR 신호를 측정한 후, 표적 단백질분해효소를 상기 수분산성 금속나노입자에 처리하여 상기 표적 단백질분해효소와 이에 특이적으로 분해되는 펩타이드를 반응시킨 후, 반응 전후의 LSPR 신호 변화를 측정한다. 상기 표적 단백질분해효소에 의해 펩타이드가 분해되어, 상기 수분산성 금속나노입자로부터 제거되면, 상기 수분산성 금속나노입자 주변의 LSPR 신호가 변하게 되어 청색 편이가 나타나고, 이를 통하여 표적 단백질분해효소의 존재 유무를 판별할 수 있다.
또한, 상기 LSPR 신호 변화의 정도는 표적 단백질분해효소의 농도에 의존적이므로 표적 단백질분해효소의 발현량 및 활성도 측정할 수 있다.
상기 펩타이드 및 표적 생체효소는 특정 질병과 관련이 있다고 알려져 있다. 따라서, 국소표면 플라즈몬 공명 신호 변화의 측정을 통하여, 생체효소의 존재 유무, 발현량 또는 활성을 감지함으로써 해당 관련 질병을 진단하는데 유용한 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, MT1-MMP의 존재 유무, 발현량 또는 활성을 감지함으로써 암의 진단을 위한 정보를 제공할 수 있다.
수분산성 금속나노입자는 암을 광열 치료하는데 이용될 수 있다. 상기 금속나노입자는 정상 세포에 손상을 주지 않을 정도의 근적외선(near-infrared, NIR) 영역에서 흡광을 나타내며, 흡광 시에 상당량의 열을 발산하는 것일 수 있다. 특히 상기 자성 물질은 평상시에 근적외선 영역에서 흡광을 나타내지 않으나, 암 세포 주위에서 근적외선 영역의 흡광을 나타내는 것일 수 있다. 즉, 상기 자성 물질은 세포 내에 도입된 경우 세포 내에 존재하는 도펀트에 의하여 도핑되어 근적외선 영역에서 흡광을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 금속나노입자는 세포 내에 도펀트를 함유하는 암세포만을 특이적으로 제거할 수 있고, 암세포를 제거하는 동안 정상 세포 또는 혈관 등에 손상을 주지 않을 수 있다. 이러한 원리에 의하여 상기 수분산성 금속나노입자는 암세포 또는 암 조직으로의 직접 투여 외에도 주사제를 이용한 혈관 투여를 통하여 체내로 주입이 가능하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예 1: 양친매성 고분자의 합성]
-NHS-PEG-MLI 전구체: 화학식 7로 표시되는 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 반복단위를 포함하고, 일 말단에 말레이미딜기(MLI)를 포함하며, 상기 말단과 대응되는 말단에 N-하이드록시숙신이미드(NHS)를 포함하는 전구체. NHS-PEG3.4k-maleimide을 Sunbright 사에서 구매하였다.
[화학식 7]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000014
(n은 77)
- 아미노프로필트리알콕시실란(Aminopropyltriethoxysilane, APTES). Sigma 사에서 구매하였다. APTES는 밀도 0.946g/ml, 순도 98%, 부피 2.53 μL을 이용하였다.
[화학식 8]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000015
- 도파민 염산염(Dopamine hydrochloride): Sigma 사에서 구매하였다.
[화학식 9]
Figure PCTKR2019012051-appb-I000016
- 계면활성제: Tween 80
- 완충용액: 인산완충생리식염수 (Phosphate buffered saline, PBS)
- bIO: 평균직경 16nm의 벌크상의 자성 산화철 나노입자 (Bulkily-made iron oxide nanoparticle, bIO).
Mol. Weigth Mass Mole Mole ratio Vol Conc
(g/mol) (mg) (mmol) (μmol) - (mL) mM
NHS-PEG3.4k-말레이미드 3,400.00 25.00 0.007 7.353 1.0 20 0.367647059
APTES 221.37 2.44 0.011 11.029 1.5 20 0.551470588
도파민염산염 189.64 2.09 0.011 11.029 1.5 20 0.551470588
계면활성제 1,310.00 100.00 0.076 76.336 10.4 20 3.816793893
산화철나노입자 - 20.00 - - 0.0 20 0
<실시예 1>
NHS-PEG-MLI 전구체 10 ml 와 APTES 10 ml를 10 ml의 완충용액(pH7.4)에서 30 분 동안 반응시켰다. 용액을 5 ml 분주하여 15 ml의 탈이온수, 100 mg의 유화제, 20 ml의 bIO(4 ml n-hexene)을 혼합하여 10 분 동안 나노에멀전화 하였다. 나노에멀전화는 1200 rpm으로 소니케이션(Ultrasonication in ice + water bath) 하였다. 나노에멀전화 후 추가적으로 20 분 동안 1200 rpm으로 교반하여 APTES-PEG-MLI 양친매성 고분자를 제조하였다.
<실시예 2>
NHS-PEG-MLI 전구체 10 ml 와 도파민 10 ml를 10 ml의 완충용액(pH7.4)에서 30 분 동안 반응시킨 후 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에멀전화 및 교반을 실시하여 DOPA-PEG-MLI 양친매성 고분자를 제조하였다.
<비교예 1>
대조군으로 말단에 기능성기를 포함하지 않는 폴리에틸렌 글리콜을 준비하였다.
[실험예 1: 양친매성 고분자의 상 변화]
양친매성 고분자와 산화철 나노입자 및 표적단백질과의 결합 성능을 확인하기 위하여 실험을 실시하고 도 2a 내지 도 2f에 나타내었다.
도 2a는 산화철 나노입자인 bIO 1mg/mL (n-hexane)와 상기 실시예 2에서 제조한 카테콜기을 포함하는 양친매성 고분자 1.25 mg/mL (PBS, pH 7.4)를 혼합한 직후와 1분간 볼텍싱한 후, 20분간 볼텍싱한 후의 상 변화를 나타낸 사진이다. 혼합 직후 두 층이 완전히 분리되어 있으며, 갈색의 산화철 층이 상부에 위치하고 있으나, 볼텍싱 후 상의 색상이 역전된 것으로 보아 양친매성 고분자와 산화철이 결합하여 가라앉은 것으로 판단된다. 20분간 추가 볼텍싱한 결과 역전된 상 형태가 계속 유지되고 있었고, 상전이는 비가역적이었으므로 양친매성 고분자와 산화철의 결합이 이루어졌다고 판단된다.
도 2b는 상기 도 2a 혼합물 (도 2a의 세번째 사진, 혼합 후 20 분간 볼텍싱 후)의 PBS 상을 추출하여 9 ml의 탈이온수를 추가한 후 12시간 동안 교반한 사진이다. 자석 주변에 입자가 뭉쳐있는 것을 확인할 수 있었다.
도 2c는 상기 도 2b의 용액을 울트라소니케이션 (Ultrasonication)을 통해 자석 주변에 뭉쳐있던 입자를 재분산 시킨 모습을 나타낸 사진이다.
도 2d는 도 2a에 대한 대조 실험으로, bIO를 양친매성 고분자가 없는 없는 PBS와 단순 혼합 후 관찰한 사진이다. bIO의 상이 넘어가지 않고 n-hexane 쪽에 남아있다.
도 2e는 bIO 1mg/mL (n-hexane)와 상기 실시예 1에서 제조한 APTES를 포함하는 양친매성 고분자 1.25 mg/mL (PBS, pH 7.4)를 혼합한 후 bIO의 상이 n-hexane에서 PBS로 넘어가는 것을 확인한 사진이다.
도 2f는 대조실험으로 bIO 1mg/mL (n-hexane)와 말단에 기능성기가 없는 mPEG(비교예 1) 5kDa 1.25 mg/mL 혼합 후의 상을 관찰한 사진이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고,
    상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하며,
    상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기를 포함하는 것인
    양친매성 고분자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주쇄의 폴리에틸렌 글리콜 반복단위는 하기 화학식 1로 표시되는 것인 양친매성 고분자.
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2019012051-appb-I000017
    (n은 10 내지 200의 정수이다.)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 말레이미딜기는 하기 화학식 2로 표시되는 것인 양친매성 고분자.
    [화학식 2]
    Figure PCTKR2019012051-appb-I000018
    (n은 1 내지 10의 정수이다.)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트리알콕시실릴기는 하기 화학식 3으로 표시되는 것인 양친매성 고분자.
    [화학식 3]
    Figure PCTKR2019012051-appb-I000019
    (R은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,
    n은 1 내지 10의 정수이다.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양친매성 고분자는 상기 주쇄의 한쪽 말단과 상기 말레이미딜기 사이에, C 원자는 상기 말레이미딜기와 결합하고, N 원자는 상기 주쇄의 상기 한쪽 말단과 결합하는 *-CONH-* 결합을 포함하고,
    상기 주쇄의 다른 쪽 말단과 상기 트리알콕시실릴기 또는 상기 카테콜기 사이에, C 원자는 상기 주쇄의 다른 쪽 말단과 결합하고, N 원자는 상기 트리알콕시실릴기 또는 상기 카테콜기와 결합하는 *-CONH-* 결합을 포함하는 것인 양친매성 고분자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양친매성 고분자는 하기 화학식 5로 표시되는 것인 양친매성 고분자.
    [화학식 5]
    Figure PCTKR2019012051-appb-I000020
    (n은 10 내지 200의 정수이다.)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양친매성 고분자는 하기 화학식 6으로 표시되는 것인 양친매성 고분자.
    [화학식 6]
    Figure PCTKR2019012051-appb-I000021
    (n은 10 내지 200의 정수이다.)
  8. 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하며, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 N-하이드록시석신이미딜기를 포함하는 양친매성 고분자의 전구체와 아미노트리알콕시실란 또는 도파민 염산염(Dopamin hydrochloride)을 용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하는 단계, 및
    상기 혼합용액을 반응시키는 단계를 포함하고,
    상기 양친매성 고분자의 전구체는 하기 화학식 7로 표시되는 것인
    양친매성 고분자 제조방법.
    [화학식 7]
    Figure PCTKR2019012051-appb-I000022
    (n은 10 내지 200의 정수이다.)
  9. 금속나노입자, 그리고
    상기 금속나노입자의 표면에 결합된 양친매성 고분자를 포함하며,
    상기 양친매성 고분자는 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하고, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기를 포함하는 것인
    수분산성 금속나노입자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 양친매성 고분자는 상기 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기에 의하여 상기 금속나노입자와 결합된 것인 수분산성 금속나노입자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 수분산성 금속나노입자는 상기 양친매성 고분자의 상기 말레이미딜기에 결합된 다당류, 단백질, 항체, 압타머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 표적화 물질을 더 포함하는 것인 수분산성 금속나노입자.
  12. 주쇄에 폴리에틸렌 글리콜 반복단위를 포함하고, 상기 주쇄의 한쪽 말단에 말레이미딜기를 포함하며, 상기 주쇄의 다른 쪽 말단에 트리알콕시실릴기 또는 카테콜기를 포함하는 양친매성 고분자를 제조하는 단계,
    금속나노입자를 포함하는 용액에 상기 양친매성 고분자를 혼합하는 단계, 및
    상기 금속나노입자를 포함하는 용액에 상기 양친매성 고분자가 혼합된 용액을 교반하여 상기 금속나노입자가 분산된 에멀전을 제조하는 단계를 포함하는
    수분산성 금속나노입자의 제조방법.
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