본 연구는 산화아연(ZnO)과 이산화규소(SiO₂) 나노물질을 경제협력개발기구 (organization for economic cooperation and development, OECD)의 나노물질작업반 (working party on manufactured nanomaterials, WPMN)에서 제시한 “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)”의 기준에 따라 분석하고, 표면 개질을 통해 조절되는 물리·화학적 특성 및 ...
본 연구는 산화아연(ZnO)과 이산화규소(SiO₂) 나노물질을 경제협력개발기구 (organization for economic cooperation and development, OECD)의 나노물질작업반 (working party on manufactured nanomaterials, WPMN)에서 제시한 “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)”의 기준에 따라 분석하고, 표면 개질을 통해 조절되는 물리·화학적 특성 및 생체 내 거동에 대한 연구이다. 구체적으로는 표면 개질 전·후의 ZnO 및 SiO₂ 나노물질의 표준화된 물리·화학적 파라메터를 제공하고, 나아가 세포주 및 혈장 조건에서 나노물질의 세포 내 섭취, 흡수 경로, 응집 양상들을 결정하는 파라메터를 밝혀내는데 그 목적이 있다. OECD, WPMN에서 제안한 우선 평가 대상 나노물질 14 종 중에서 ZnO 및 SiO₂를 선정하였고, 20 nm 및 70 nm의 입자 크기를 가진 제조된 ZnO 나노분말과 20 nm 및 100 nm의 입자 크기를 가진 제조된 콜로이드를 구매하였다. 생물학적 응용 분야에 활용하기 위해서, 입자 크기가 다른 ZnO 및 SiO₂ 나노물질은 인체에 무해한 아민기를 가진 유기분자 또는 아미노산으로 표면을 코팅하였고, 이를 통해 양전하 또는 음전하로 뚜렷이 구별되는 ZnO 및 SiO₂ 나노물질을 제조하였다. 연구의 전과정에 사용된 나노물질의 물리·화학적 특성은 OECD 가이드라인에서 제안한 표준평가법으로 분석되었으며, 입자 크기 및 표면 화학이 다른 ZnO와 SiO₂ 나노물질에 대한 표준화된 물리·화학적 파라메터를 도출하였다. ZnO 나노물질에 대한 생리학적 조건에서의 나노물질 자체의 안정성에 대한 고찰을 진행함으로써 균질한 입자 크기, 다양한 표면 전하 및 안정한 콜로이드 특성을 가진 나노물질의 코팅 방법과 콜로이드 안정성 평가 방법에 대해서 연구하였다. 또한, 본 연구에서는 ZnO 나노입자의 세포독성을 이해하고, 생물학적 분야에서의 응용 가능성을 탐구하기 위해서, 입자 크기가 서로 다른 ZnO 나노물질의 표면에 신뢰성 있는 표지법을 개발하였다. 일반적으로, 생체 내 추적을 위해서 나노물질에 표지를 할 때는 긴 파장 방출을 가진 형광 염료나 양자점 등을 나노입자의 표면에 부착하는 방법을 사용한다. 그러나, 형광 물질이 도입된 나노입자는 표면 개질에 따라 결정상, 입자 크기, 표면 전하 및 응집도 등과 같은 물리·화학적 성질이 변질될 수 있고, 나노입자의 표면에 부착된 형광체의 생체 내 탈착으로 인해 추적의 신뢰성 상실 문제가 제기될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 형광 염료인 Cy5.5를 ZnO 표면에 카보다이이미드 커플링을 적용하여 공유 결합으로 도입하였다. ZnO의 물리·화학적 성질이 형광 개질 전·후에도 유지되는지 분석하였고, 다양한 수용성 매질에서 도입된 염료의 안정성을 평가하였다. 이와 같이, Cy5.5 염료가 도입된 ZnO 나노입자를 이용하여 입자 크기에 따른 ZnO 나노입자의 세포내 섭취 양상 및 흡수 경로 연구를 인간 각질 형성 세포인 HaCaT 세포주 시험으로 평가하였다. 한편, SiO₂ 나노물질은 콜로이드 안정성이 확보되어 있으나, 표면이 강한 음전하를 띠고 있어 생물학적 응용성이 제한적이다. 본 연구에서는 SiO₂ 나노물질의 표면을 아민기를 가진 다양한 유기분자나 아미노산으로 개질하여 표면 전하를 조절하였으며, 에틸렌다이아민, 트리스아미노에틸아민, 아미노프로필실란, L-아르기닌 등을 사용하였다. 표면 개질에 따른 콜로이드 특성의 변화, 표면 결합 형성, 응집도의 변화 및 표면 전하 등의 물리·화학적 특성 파라메터를 OECD WPMN 기준에 의거하여 조사하여, SiO₂의 표면 개질 표준화 파라메터를 도출하였다. 한편, 표면 개질된 SiO₂ 나노물질의 생체 내 안정성을 타진하기 위하여 혈장 조건 내에서 콜로이드 분산도 및 단백질과 나노물질 간의 상호작용 여부를 연구하였다. 특히, 단백질과 나노물질 간의 상호작용은 단백질의 형광이 나노물질과의 응집 시 소광되는 현상을 이용하여 평가하였다.
본 연구는 산화아연(ZnO)과 이산화규소(SiO₂) 나노물질을 경제협력개발기구 (organization for economic cooperation and development, OECD)의 나노물질작업반 (working party on manufactured nanomaterials, WPMN)에서 제시한 “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)”의 기준에 따라 분석하고, 표면 개질을 통해 조절되는 물리·화학적 특성 및 생체 내 거동에 대한 연구이다. 구체적으로는 표면 개질 전·후의 ZnO 및 SiO₂ 나노물질의 표준화된 물리·화학적 파라메터를 제공하고, 나아가 세포주 및 혈장 조건에서 나노물질의 세포 내 섭취, 흡수 경로, 응집 양상들을 결정하는 파라메터를 밝혀내는데 그 목적이 있다. OECD, WPMN에서 제안한 우선 평가 대상 나노물질 14 종 중에서 ZnO 및 SiO₂를 선정하였고, 20 nm 및 70 nm의 입자 크기를 가진 제조된 ZnO 나노분말과 20 nm 및 100 nm의 입자 크기를 가진 제조된 콜로이드를 구매하였다. 생물학적 응용 분야에 활용하기 위해서, 입자 크기가 다른 ZnO 및 SiO₂ 나노물질은 인체에 무해한 아민기를 가진 유기분자 또는 아미노산으로 표면을 코팅하였고, 이를 통해 양전하 또는 음전하로 뚜렷이 구별되는 ZnO 및 SiO₂ 나노물질을 제조하였다. 연구의 전과정에 사용된 나노물질의 물리·화학적 특성은 OECD 가이드라인에서 제안한 표준평가법으로 분석되었으며, 입자 크기 및 표면 화학이 다른 ZnO와 SiO₂ 나노물질에 대한 표준화된 물리·화학적 파라메터를 도출하였다. ZnO 나노물질에 대한 생리학적 조건에서의 나노물질 자체의 안정성에 대한 고찰을 진행함으로써 균질한 입자 크기, 다양한 표면 전하 및 안정한 콜로이드 특성을 가진 나노물질의 코팅 방법과 콜로이드 안정성 평가 방법에 대해서 연구하였다. 또한, 본 연구에서는 ZnO 나노입자의 세포독성을 이해하고, 생물학적 분야에서의 응용 가능성을 탐구하기 위해서, 입자 크기가 서로 다른 ZnO 나노물질의 표면에 신뢰성 있는 표지법을 개발하였다. 일반적으로, 생체 내 추적을 위해서 나노물질에 표지를 할 때는 긴 파장 방출을 가진 형광 염료나 양자점 등을 나노입자의 표면에 부착하는 방법을 사용한다. 그러나, 형광 물질이 도입된 나노입자는 표면 개질에 따라 결정상, 입자 크기, 표면 전하 및 응집도 등과 같은 물리·화학적 성질이 변질될 수 있고, 나노입자의 표면에 부착된 형광체의 생체 내 탈착으로 인해 추적의 신뢰성 상실 문제가 제기될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 형광 염료인 Cy5.5를 ZnO 표면에 카보다이이미드 커플링을 적용하여 공유 결합으로 도입하였다. ZnO의 물리·화학적 성질이 형광 개질 전·후에도 유지되는지 분석하였고, 다양한 수용성 매질에서 도입된 염료의 안정성을 평가하였다. 이와 같이, Cy5.5 염료가 도입된 ZnO 나노입자를 이용하여 입자 크기에 따른 ZnO 나노입자의 세포내 섭취 양상 및 흡수 경로 연구를 인간 각질 형성 세포인 HaCaT 세포주 시험으로 평가하였다. 한편, SiO₂ 나노물질은 콜로이드 안정성이 확보되어 있으나, 표면이 강한 음전하를 띠고 있어 생물학적 응용성이 제한적이다. 본 연구에서는 SiO₂ 나노물질의 표면을 아민기를 가진 다양한 유기분자나 아미노산으로 개질하여 표면 전하를 조절하였으며, 에틸렌다이아민, 트리스아미노에틸아민, 아미노프로필실란, L-아르기닌 등을 사용하였다. 표면 개질에 따른 콜로이드 특성의 변화, 표면 결합 형성, 응집도의 변화 및 표면 전하 등의 물리·화학적 특성 파라메터를 OECD WPMN 기준에 의거하여 조사하여, SiO₂의 표면 개질 표준화 파라메터를 도출하였다. 한편, 표면 개질된 SiO₂ 나노물질의 생체 내 안정성을 타진하기 위하여 혈장 조건 내에서 콜로이드 분산도 및 단백질과 나노물질 간의 상호작용 여부를 연구하였다. 특히, 단백질과 나노물질 간의 상호작용은 단백질의 형광이 나노물질과의 응집 시 소광되는 현상을 이용하여 평가하였다.
In this study, I analyzed zinc oxide (ZnO) and silicon dioxide (SiO₂) nanomaterials according to the criteria of “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)” presented by Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) in Organiz...
In this study, I analyzed zinc oxide (ZnO) and silicon dioxide (SiO₂) nanomaterials according to the criteria of “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)” presented by Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) in Organization for Economic Cooperation and Development (OECD), and studied on their physicochemical properties controlled via surface modification and correlation between their physicochemical parameters and in vitro/vivo behavior. Specifically, this study provides standardized physicochemical parameters of both ZnO and SiO₂ nanomaterials before and after surface coating or modification, and aims to identify the parameters which determine intracellular uptake, absorption pathway and aggregation patterns of nanomaterials in cell and plasma conditions. ZnO and SiO₂ nanomaterials were selected from among the 14 kinds of priority nanomaterials proposed by OECD, WPMN, and purchased 20 nm and 70 nm in powder and 20nm and 100 nm in colloids, respectively. In order to control the surface charge, the surface on both ZnO and SiO₂ nanomaterials with different particle sizes were coated with biocompatible organic molecules and amino acids composed of amine groups. Consequently, ZnO and SiO₂ nanomaterials with a controlled surface charge were prepared to apply in biological applications. The physicochemical properties of the nanomaterials used in the entire study were analyzed by the standard evaluation method proposed by the OECD Guidelines, and then standardized physicochemical parameters for ZnO and SiO₂ nanomaterials with different particle sizes and surface chemistry were derived. This study describes a simple method for preparation of a standard ZnO and SiO₂ sample with a controlled surface charge that can be used for biological assays without concern about any toxicity arising from the coating process. Also, this work can provide basic research data on standardized ZnO nanoparticles for biologists who intend to evaluate the toxic parameters of these nanoparticles. Through with proper deliberation for the stability of ZnO nanomaterials in physiological conditions, ZnO nanomaterials were investigated not only the coating method having uniform particle size and various surface charge, but also the evaluation method for colloidal stability. Furthermore, in order to understand the cytotoxicity and explore applicability in the biological fields of ZnO nanomaterials, a reliable labeling method was developed on the surface of ZnO nanoparticles with different size. For quantitative and qualitative cellular studies, the reliable tracing of nanoparticles is critical. Generally, fluorescent dyes or quantum dots having long wavelength emission are attached on the surface of nanoparticles for this purpose. However, surface modification of nanoparticles using a fluorophore has two major issues. First, physicochemical properties of nanoparticles, such as crystalline phase, particle size, surface charge and degree of aggregation, can be altered during surface modification reactions. In this case, dye-tagged nanoparticles cannot represent the original nanoparticles. Second, the low stability of conjugated dye on the surface of nanoparticles under biological condition can be a problem. If the attached dye moiety is desorbed, released or removed in biological fluids, the tracing of fluorescence misleads the location of nanoparticles. To avoid those concerns, I utilized successive surface modification of ZnO nanoparticles with long wavelength-emitting fluorescent dye, Cy5.5, by introducing stable covalent bond at each step. I carefully examined the preservation of physicochemical properties of ZnO through-out surface modification reactions. Furthermore, the stability of conjugated dye was evaluated in various aqueous media. Cy5.5-conjugated ZnO nanoparticles of different sizes thus obtained were subjected to in vitro cell line testing to investigate their cellular uptake responses and uptake pathways. On the other hand, the SiO₂ nanomaterials are stably secured in colloid, but limited their biological applicability due to have a strong negative charge on the surface. Considering the strong negative surface charge of silica, cationic coating agents such as amine containing molecules, multivalent metal cation, and basic amino acids were tested. According to surface modification, the parameters of physicochemical properties such as surface charge, surface bond formation, change of cohesion and colloidal property were investigated based on OECD WPMN guideline. In order to investigate the in vivo stability for surface modified SiO₂ nanomaterials, I investigated the colloid dispersion and interaction between proteins and nanomaterials in plasma conditions. In particular, the interaction between proteins and SiO₂ nanomaterials was evaluated using the phenomenon that the fluorescence of the protein was extinguished when aggregated with nanomaterials.
In this study, I analyzed zinc oxide (ZnO) and silicon dioxide (SiO₂) nanomaterials according to the criteria of “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)” presented by Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) in Organization for Economic Cooperation and Development (OECD), and studied on their physicochemical properties controlled via surface modification and correlation between their physicochemical parameters and in vitro/vivo behavior. Specifically, this study provides standardized physicochemical parameters of both ZnO and SiO₂ nanomaterials before and after surface coating or modification, and aims to identify the parameters which determine intracellular uptake, absorption pathway and aggregation patterns of nanomaterials in cell and plasma conditions. ZnO and SiO₂ nanomaterials were selected from among the 14 kinds of priority nanomaterials proposed by OECD, WPMN, and purchased 20 nm and 70 nm in powder and 20nm and 100 nm in colloids, respectively. In order to control the surface charge, the surface on both ZnO and SiO₂ nanomaterials with different particle sizes were coated with biocompatible organic molecules and amino acids composed of amine groups. Consequently, ZnO and SiO₂ nanomaterials with a controlled surface charge were prepared to apply in biological applications. The physicochemical properties of the nanomaterials used in the entire study were analyzed by the standard evaluation method proposed by the OECD Guidelines, and then standardized physicochemical parameters for ZnO and SiO₂ nanomaterials with different particle sizes and surface chemistry were derived. This study describes a simple method for preparation of a standard ZnO and SiO₂ sample with a controlled surface charge that can be used for biological assays without concern about any toxicity arising from the coating process. Also, this work can provide basic research data on standardized ZnO nanoparticles for biologists who intend to evaluate the toxic parameters of these nanoparticles. Through with proper deliberation for the stability of ZnO nanomaterials in physiological conditions, ZnO nanomaterials were investigated not only the coating method having uniform particle size and various surface charge, but also the evaluation method for colloidal stability. Furthermore, in order to understand the cytotoxicity and explore applicability in the biological fields of ZnO nanomaterials, a reliable labeling method was developed on the surface of ZnO nanoparticles with different size. For quantitative and qualitative cellular studies, the reliable tracing of nanoparticles is critical. Generally, fluorescent dyes or quantum dots having long wavelength emission are attached on the surface of nanoparticles for this purpose. However, surface modification of nanoparticles using a fluorophore has two major issues. First, physicochemical properties of nanoparticles, such as crystalline phase, particle size, surface charge and degree of aggregation, can be altered during surface modification reactions. In this case, dye-tagged nanoparticles cannot represent the original nanoparticles. Second, the low stability of conjugated dye on the surface of nanoparticles under biological condition can be a problem. If the attached dye moiety is desorbed, released or removed in biological fluids, the tracing of fluorescence misleads the location of nanoparticles. To avoid those concerns, I utilized successive surface modification of ZnO nanoparticles with long wavelength-emitting fluorescent dye, Cy5.5, by introducing stable covalent bond at each step. I carefully examined the preservation of physicochemical properties of ZnO through-out surface modification reactions. Furthermore, the stability of conjugated dye was evaluated in various aqueous media. Cy5.5-conjugated ZnO nanoparticles of different sizes thus obtained were subjected to in vitro cell line testing to investigate their cellular uptake responses and uptake pathways. On the other hand, the SiO₂ nanomaterials are stably secured in colloid, but limited their biological applicability due to have a strong negative charge on the surface. Considering the strong negative surface charge of silica, cationic coating agents such as amine containing molecules, multivalent metal cation, and basic amino acids were tested. According to surface modification, the parameters of physicochemical properties such as surface charge, surface bond formation, change of cohesion and colloidal property were investigated based on OECD WPMN guideline. In order to investigate the in vivo stability for surface modified SiO₂ nanomaterials, I investigated the colloid dispersion and interaction between proteins and nanomaterials in plasma conditions. In particular, the interaction between proteins and SiO₂ nanomaterials was evaluated using the phenomenon that the fluorescence of the protein was extinguished when aggregated with nanomaterials.
주제어
#ZnO nanomaterial Silica nanomaterial OECD WPMN guideline notes physicochemical property parameter Particle size Surface charge Surface coating Amino acid Surface modification Human keratinocyte HaCaT cells 산화아연 나노물질 실리카 나노물질 OECD WPMN 가이드라인 물리·화학적 특성 파라메터 입자 크기 표면 전하 표면 코팅 아미노산 표면 개질 Cy5.5 HaCat 세포주
학위논문 정보
저자
김경민
학위수여기관
Graduate School, Yonsei University
학위구분
국내박사
학과
Department of Chemistry
지도교수
오제민
발행연도
2018
총페이지
xix, 170장
키워드
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