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온열치료는 고온의 열을 가하여 질병을 치료하는 기술을 통칭한다. 특히, 국소 온열방법은 정상조직에 손상을 주지 않으면서 선택적인 표적화 가열을 통해 41-45 ℃ 정도로 온도를 상승이 가능해 종양과 같은 열에 민감한 신체 조직 또는 환부의 선택적인 치료하는 방법으로 각광받고 있다. 일반적으로 온열치료를 위한 열을 발생하기 위한 에너지원으로 초음파, 레이저, RF 자장 등이 사용되고 있으나, 이러한 가열 방법은 45 ℃ 이상의 고온 구역을 생성하기 쉬워 표적 조직 또는 세포 외에도 정상 세포에 영향을 끼칠 수 있으며, 또한 상기 방법들은 고주파 영역에 속하여 장시간 사용 시 방사선조사 시와 같은 부작용을 초래 할 수 있다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 ...

온열치료는 고온의 열을 가하여 질병을 치료하는 기술을 통칭한다. 특히, 국소 온열방법은 정상조직에 손상을 주지 않으면서 선택적인 표적화 가열을 통해 41-45 ℃ 정도로 온도를 상승이 가능해 종양과 같은 열에 민감한 신체 조직 또는 환부의 선택적인 치료하는 방법으로 각광받고 있다. 일반적으로 온열치료를 위한 열을 발생하기 위한 에너지원으로 초음파, 레이저, RF 자장 등이 사용되고 있으나, 이러한 가열 방법은 45 ℃ 이상의 고온 구역을 생성하기 쉬워 표적 조직 또는 세포 외에도 정상 세포에 영향을 끼칠 수 있으며, 또한 상기 방법들은 고주파 영역에 속하여 장시간 사용 시 방사선조사 시와 같은 부작용을 초래 할 수 있다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 자성 나노입자를 활용한 유도 교류 자기장 (Alternating magnetic field, AMF)을 이용한 국부적 온열치료(hyperthermia) 연구가 활발히 진행 되고 있다. 온열치료에 사용되는 자성 나노입자인 산화철 나노입자(Fe3O4, Magnetite)는 대표적인 초상자성 나노입자(Superparamagnetic nanoparticle)로 상온에서 잔류 자기화 및 hysteresis 특성을 갖지 않고, 특정 범위의 크기에서 크기에 따라 포화 자화도가 달라지는 등 크기 의존적인 자성 특성을 보인다. 구성성분 또한 인체에 무해해 산화철 나노입자의 초상자성 특성은 MRI 조영제, 세포의 추적과 탐지, 암의 치료 등 바이오 의학분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 이유로 자성나노입자는 인체에 무해한 자장을 사용한 치료와 동시에 MRI조영 특성을 이용한 진단을 병행할 수 있어, 치료와 진단을 병행한 테라그노시스(Theragnosis)로 각광 받고 있다. 따라서 효과적인 온열치료가 가능하도록 산화철 나노입자의 자성 및 물리화학적 특성을 조절하기 위해, 입자의 크기 조절 및 표면 특성을 개질하기 위한 연구는 필수적이라고 할 수 있다.
본 연구에서는 효과적인 온열치료가 가능하도록 인체에 무해하고 가온 특성이 우수한 생적합성 산화철 나노입자의 제조를 연구하고 온열능력을 평가하였다. 이를 위해 다양한 사이즈의 산화철 나노입자를 균일한 크기와 형태로 합성하였으며, 합성된 나노입자의 소수성 특성을 해결하기 위해 친수성 리간드를 제조하여 나노입자의 표면을 개질하여 생적합성 나노입자를 제조하는 한편, 이에 기반한 자성 하이드로젤 등 다양한 생적합성 산화철 나노입자 구조체를 제조하였다. 이렇게 제조한 나노입자 구조체의 온열능력을 평가하여 효과적인 자성온열치료를 위한 플랫폼 제시를 위한 기반 연구를 수행하였다.
생적합성 산화철 나노입자를 제조하기 위해 사용되던 기존의 리간드들이 갖고 있는 구조적 문제와 제조상의 공정 한계를 해결하기 위해 1) 대량생산이 가능하며 관능기의 부여가 용이한 리간드 2) 일반적인 조건에서 쉽게 리간드 교환이 가능한 리간드의 제조를 목적 하여 효과적인 생체적합성 리간드의 제조를 수행하였다. 이를 위해 phosphine oxide 관능기를 나노입자와 반응하는 결합기로 갖으며 methoxy 관능기 외에 반응성이 있는 azide 또는 amine 관능기를 추가로 갖는 다기능성 PO-PEG를 제조하였으며, 보다 결합력이 우수하여 안정적인 산화철 나노입자의 제조가 가능한 nitrdopamine 관능기를 결합기로 갖는 nitrodopa-PEG를 또한 제조하였다.
상기 제조된 두 가지의 결합기를 사용한 생체적합성 리간드를 각각 이용하여 다양한 표면과 크기를 갖는 생체친화성 산화철 나노입자를 제조하였다. 또한 정맥주사를 통한 나노입자의 주입 외에 환부의 주입 방법을 다양화 하기 위해 산화철 나노입자를 하이드로젤 내부에 도입한 자성 하이드로젤을 제조하였다. 제조된 자성 하이드로젤은 magnetic coupling effect를 통한 온열 능력 향상과 사이즈에 따라 환부가 아닌 다른 장기로 나노입자가 갈 수 있는 문제점을 다소 해결할 것으로 기대된다.
최종적으로 입자의 다양한 크기, 여러 종류의 기능기를 갖는 생적합성 산화철 나노입자 구조체의 물리화학적 특성과 온열능력을 분석하였다. 나노입자와 이차구조로 형성된 자성 하이드로젤에 AMF를 가하여 가열특성을 확인하였으며, 이를 정량적으로 분석하기 위해 SLP 값을 계산하여 나노입자 구조체들의 온열능력을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Heat therapy is the use of heat in therapy. In particular, local warming method has received attention because it can treat a heat-sensitive tissue or affected part, such as tumor, by local heating and resulting increase of temperature to 41-45 ℃ without any damage on normal tissue. Generally, ...

Heat therapy is the use of heat in therapy. In particular, local warming method has received attention because it can treat a heat-sensitive tissue or affected part, such as tumor, by local heating and resulting increase of temperature to 41-45 ℃ without any damage on normal tissue. Generally, high power ultrasonic waves, laser, and RF magnetic field which are used as topical heating methods have a disadvantage in that they can also affect normal cells due to unintended generation of non-specific heat zone above 45 °C during irradiation. Furthermore, these all sources are high-frequency electromagnetic waves which are concerned due to their side effects by long time irradiation.
To overcome these shortcomings, research on hyperthermia using an alternating magnetic field (AMF) using magnetic nanoparticles is actively under way. Iron oxide nanoparticle (Fe3O4, Magnetite) is the most popular magnetic nanoparticle used in thermal therapy. It is a typical superparamagnetic nanoparticle which does not have residual magnetization and hysteresis characteristics at room temperature. It also has a size-dependent magnetic property that shows increasing saturation magnetization according to its size where a certain range of sizes. This iron oxide nanoparticle (Fe3O4, Magnetite) are also known as harmless to the human body, so it has been actively applied on the biomedical fields such as MRI diagnosis, tracking and detection of target cells, and the treatment of cancer for decades.
Overall, magnetic nanoparticles can offer an effective therapy using harmless magnetic field as well as diagnosis by their contrasting ability in MRI, which has paid attention as an agent of ‘theragnosis’, a combination of treatment and diagnosis. Therefore, it is critical to modify magnetic and physicochemical property of nanoparticles by controlling their size and surface for efficient hyperthermia.
In this study, biocompatible iron oxide nanoparticles were studied to produce nanoparticles harmless to human body offering excellent heating to enable efficient thermal therapy. For this purpose, various sizes of iron oxide nanoparticles were synthesized in uniform size and shape. To imbue hydrophilicity and compatibility to biological system to as-synthesized hydrophilic nanoparticles, various hydrophilic ligands were prepared and modified the surface of nanoparticles. In addition to resulting hydrophilic nanoparticles, magnetic hydrogel were synthesized by assembling nanoparticles inside of PEG-based hydrogels.
In order to overcome the limitation of the conventional ligands for iron oxide nanoparticles in intrinsic structure and preparation process, 1) a class of ligands which can be mass-produced and easily provided with a functional group, and 2) a class of ligands capable to process ligand-exchange at mild condition. To this end, multi-functional PO-PEG ligands having a phosphine oxide group as an anchoring group to nanoparticle and lateral functional groups of azide and amine groups in addition to a methoxy functional group were synthesized. And, nitrodopa-PEG ligands having a nitrodopamine group as an effective and stable anchoring group against nanoparticles are also synthesized.
Those two classes of ligands produced biocompatible nanoparticles in a various surface properties and overall sizes. Furthermore, as a secondary structure, magnetic hydrogel was studied to offer a variation of introduction pathways of magnetic particles more than a less-effective vein injection. The magnetic hydrogel was prepared by introducing the iron oxide nanoparticles into the hydrogel for the purpose of improving the efficiency of the hyperthermia treatment and the infusion method of the lesion. The magnetic hydrogel was improved in thermal capacity through the magnetic coupling effect, It is expected to solve the problem that nanoparticles can go to other organs somewhat.
Finally, the characteristics of biodegradable iron oxide nanoparticles having various sizes and functional groups were studied. Heating properties of iron oxide nanoparticles and magnetic hydrogelsl were evaluated by appling AMF. Specific loss of power (SLP) values were also calculated for quantitative analysis.

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