나노입자의 응용은 1970년대부터 발전되어 왔다. 금속 나노입자에 빛을 조사하면 나노입자 표면에서 플라즈몬 공명(SPR, surface plasmon resonance)을 일으킨다. SPR 효과는 금속표면에 입사한 빛에너지에 의해 전자가 여기하며 공명을 일으켜 진동을 발생시키는 현상을 말한다. 여기 된 전자들이 금속원자들과 충돌을 일으키며 열에너지로 전환될 수 있는데 이를 금속의 광열효과(photothermal effect)라고 한다. 우리는 광열 효과를 이용하여 온열 화장품의 개발 가능성을 제시하고자 한다. 온열 화장품의 개발을 위해 생체 독성이 적은 금 나노입자를 선택하여 광열 효과에 있어서의 세포 생체적합성과 열효율을 살펴보았다. 금 나노입자의 합성 상태는 금 나노입자가 갖는 독특한 흡광 스펙트럼으로 확인하였으며, 금 나노입자의 농도는 원자 흡광분석기로 측정하였다. 세포의 독성평가는 MTT assay와 이중 염색법을 사용하였으며, 금 나노입자의 광열 효과는 제논 램프를 광원으로 하여 금 나노입자의 농도의 증가에 따른 광열 효과증대를 적외선-열화상 카메라로 확인하였다. 금 나노입자의 광열 효과를 온열 화장품에 적용한다면 한대 지방의 기후, 또는 겨울철에 태양 에너지를 열에너지로 전환시켜 피부에 손실된 열을 공급, 피부온도 유지에 도움이 되고 피부건강에 긍정적 효과를 주리라 사료된다.
나노입자의 응용은 1970년대부터 발전되어 왔다. 금속 나노입자에 빛을 조사하면 나노입자 표면에서 플라즈몬 공명(SPR, surface plasmon resonance)을 일으킨다. SPR 효과는 금속표면에 입사한 빛에너지에 의해 전자가 여기하며 공명을 일으켜 진동을 발생시키는 현상을 말한다. 여기 된 전자들이 금속원자들과 충돌을 일으키며 열에너지로 전환될 수 있는데 이를 금속의 광열효과(photothermal effect)라고 한다. 우리는 광열 효과를 이용하여 온열 화장품의 개발 가능성을 제시하고자 한다. 온열 화장품의 개발을 위해 생체 독성이 적은 금 나노입자를 선택하여 광열 효과에 있어서의 세포 생체적합성과 열효율을 살펴보았다. 금 나노입자의 합성 상태는 금 나노입자가 갖는 독특한 흡광 스펙트럼으로 확인하였으며, 금 나노입자의 농도는 원자 흡광분석기로 측정하였다. 세포의 독성평가는 MTT assay와 이중 염색법을 사용하였으며, 금 나노입자의 광열 효과는 제논 램프를 광원으로 하여 금 나노입자의 농도의 증가에 따른 광열 효과증대를 적외선-열화상 카메라로 확인하였다. 금 나노입자의 광열 효과를 온열 화장품에 적용한다면 한대 지방의 기후, 또는 겨울철에 태양 에너지를 열에너지로 전환시켜 피부에 손실된 열을 공급, 피부온도 유지에 도움이 되고 피부건강에 긍정적 효과를 주리라 사료된다.
Many applications of nanoparticles have been developed since 1970s. Surface plasmon resonance (SPR) effect can be generated at the surface of nanoparticles by illumination. SPR is the resonant oscillation of conduction electrons at the surface material stimulated by incident light. The collisions be...
Many applications of nanoparticles have been developed since 1970s. Surface plasmon resonance (SPR) effect can be generated at the surface of nanoparticles by illumination. SPR is the resonant oscillation of conduction electrons at the surface material stimulated by incident light. The collisions between excited electrons and metal atoms can cause the production of thermal energy (photothermal effect). Here, we presented the development of thermo-cosmetics using photothermal effect of gold nanoparticles. Gold nanoparticles (GNPs) were chosen for it's low toxicity. We also and investigated the cell biocompatibility and heating effectiveness for photothermal effect of GNPs. Synthesized GNPs were verified by UV-vis spectrophotometer, where GNP has a characteristic absorbance spectrum. Concentration of GNP was measured by atomic absorption analyzer. The cytotoxicity was confirmed by MTT assay and double staining assay. Photothermal effect of GNP was demonstrated by the thermal increasing properties depending on GNP concentration, which was taken by an IR-thermal camera with a xenon lamp as the light source. If the thermal effect of GNP is applied for thermo-cosmetics, it can supply heat to skin by converting solar energy into thermal energy. Thus, cosmetics containing GNPs can provide benefits to people in the cold region or winter season for maintaining skin temperature, which lead to a positive effect on skin health.
Many applications of nanoparticles have been developed since 1970s. Surface plasmon resonance (SPR) effect can be generated at the surface of nanoparticles by illumination. SPR is the resonant oscillation of conduction electrons at the surface material stimulated by incident light. The collisions between excited electrons and metal atoms can cause the production of thermal energy (photothermal effect). Here, we presented the development of thermo-cosmetics using photothermal effect of gold nanoparticles. Gold nanoparticles (GNPs) were chosen for it's low toxicity. We also and investigated the cell biocompatibility and heating effectiveness for photothermal effect of GNPs. Synthesized GNPs were verified by UV-vis spectrophotometer, where GNP has a characteristic absorbance spectrum. Concentration of GNP was measured by atomic absorption analyzer. The cytotoxicity was confirmed by MTT assay and double staining assay. Photothermal effect of GNP was demonstrated by the thermal increasing properties depending on GNP concentration, which was taken by an IR-thermal camera with a xenon lamp as the light source. If the thermal effect of GNP is applied for thermo-cosmetics, it can supply heat to skin by converting solar energy into thermal energy. Thus, cosmetics containing GNPs can provide benefits to people in the cold region or winter season for maintaining skin temperature, which lead to a positive effect on skin health.
물론 금의 경우 다른 금속 및 금속 산화물보다 이온형태로 존재할 가능성이 낮고, 이런 이유로 인체에 안전한 특성이 있다고 알려져 있으나, 우리가 사용하는 10~ 20 nm 크기의 금 나노입자는 체내에 축적될 수도 있는 만큼 세포 독성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 금 나노입자의 생체 내 독성이 거의 없는 적정 농도를 선택하고 금 나노입자의 각 농도별 온도 증가를 측정 하여 온열 화장품에 응용할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다.
제안 방법
금 나노입자는 생체 내에서 안정하고, 형태를 변화 시킴에 따라 다양한 흡수 파장대를 제어할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 특정 파장이 아닌 전파장인 태양광 조사에서 SPR 특성인 광열효과를 이용하여 온열화장품에 적용하고자 하였다. 금 나노입자가 세포 독성이 적은 농도를 MTT assay로 확인하여 향후 기능성 화장제재 제조 시 사용 가능한 기준을 확보하였다.
본 실험에서는 한국 세포주 은행(Seoul, Korea)에서 분양받은 인간의 신경암세포(SH-SY5Y, human neuroblastoma cell)와 섬유아세포(CCD-986sk, human fibroblast cell)를 사용하였다. 배지는 DMEM medium에 5% FBS, 1% penicillin을 첨가하여 사용하였고, 37 ℃, 5% CO2 조건의 배양기에서 72 h 배양한 후, 3번째 계대 배양한 세포를 실험에 사용하였다.
데이터처리
모든 실험은 3회 반복 시행되었으며, 결과는 평균 ± SEM로 나타냈으며, 두 그룹 사이의 유의차는 unpaired Student’s t-test에 의하여 p ± 0.05 수준에서 검정하였다.
이론/모형
기능성 화장제재의 경우 불특정 다수의 사람이 피부에 장기간 반복적으로 사용할 수 있는 것으로 안정성 확보가 필수적이다. 따라서 MTT assay를 이용하여금 나노입자에 대한 신경암세포(SH-SY5Y)와 섬유아세포(CCD-986sk)에 대한 독성을 알아보았다. 실험에 사용할 세포주는 금속 나노입자에서 발생한 활성산소에 민감한 SH-SY5Y 세포[20,21]와, 본 연구 후에 실제 적용될 피부세포인 CCD-986sk 세포를 선택하였다.
인간의 신경암세포와 섬유아세포에 미치는 금 나노입자의 독성을 알아보기 위하여 이중형광염색법을 이용하였다. 형광 염색 시약은 calcein acetomethoxy (calcein AM)과 propidium iodide (PI)를 사용하였다.
성능/효과
본 연구에서는 특정 파장이 아닌 전파장인 태양광 조사에서 SPR 특성인 광열효과를 이용하여 온열화장품에 적용하고자 하였다. 금 나노입자가 세포 독성이 적은 농도를 MTT assay로 확인하여 향후 기능성 화장제재 제조 시 사용 가능한 기준을 확보하였다. 태양광과 같은 조건인 solar simulator에 의한 30 min 간의 광조사에서 시료의 온도가 증가함을 확인할 수 있었다.
금 나노입자를 함유하는 용액의 광조사 시의 열화상 카메라 이미지에서도 광열효과를 감지할 수 있다 (Figure 8). 증류수만을 포함하는 대조군 플라스틱 큐벳에서는 열을 감지할 수 없는(Figure 8A) 반면 금 나노입자를 함유하는 큐벳에서는 광조사 시간과 금 나노입자의 농도에 비례하여 광열효과가 나타남을 알 수 있었다(Figure 8B). 한편 열치료법(hyperthermia)은 정상세포에는 영향을 미치지 않고 암세포만 사멸시키는 치료법이다.
금 나노입자가 세포 독성이 적은 농도를 MTT assay로 확인하여 향후 기능성 화장제재 제조 시 사용 가능한 기준을 확보하였다. 태양광과 같은 조건인 solar simulator에 의한 30 min 간의 광조사에서 시료의 온도가 증가함을 확인할 수 있었다. 추후 임상실험을 통해 피부에 적용하고, 피부에 대한 독성을 측정하고, solar simulator가 아닌 자연광 조사 하에서 적용하는 것을 연구하고자 한다.
후속연구
태양광과 같은 조건인 solar simulator에 의한 30 min 간의 광조사에서 시료의 온도가 증가함을 확인할 수 있었다. 추후 임상실험을 통해 피부에 적용하고, 피부에 대한 독성을 측정하고, solar simulator가 아닌 자연광 조사 하에서 적용하는 것을 연구하고자 한다.
신경암세포가 섬유아세포 보다 약 10%의 생존율 저하를 보이는 것은 SH-SY5Y 세포가 금속 나노입자에서 발생한 활성산소에 민감하다는 기존의 결과와 일치하였다[20,21]. 하지만 본 연구결과 과량의 금 나노입자를 사용할 경우 세포독성이 전혀 없다고 할 수는 없으므로 100 µg/mL 이하의 농도에서 사용하거나, 광열효과를 유지하면서 세포독성 감소에 도움이 되는 소재의 개발도 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화장품만으로 피부온도를 유지하는 것이 필요한 이유는 무엇인가?
그러나 얼굴은 감싸기가 어려워 온도를 유지하기가 어렵다. 마스크를 사용할 수도 있지만 패션이 중시되고 화장하는 것이 일반화 된 현재의 패션 문화에서는, 화장이 지워질 수도 있는 마스크의 사용은 인기를 얻기 힘들다. 따라서 마스크를 사용하지 않고 화장품만으로 피부온도를 유지하는 것이 필요하다.
SPR이란 무엇인가?
바이오 분야에서는 금의 surface plasmon resonance (SPR)특성을 활용하여 질병 및 미생물 분석에도 사용되고 있다[1]. SPR은 금속 나노입자들의 표면에 존재하는 자유 전자(free electron)들이 외부 및 전자기파와 상호 간섭을 하면서 전자구름들이 금속 격자(lattice) 내에서 진동하게 되는 것을 말한다. 예를 들면, 약 10 nm의 입자크기를 갖는 금 나노입자는 약 530 nm 파장의 가시광선 빛에서 SPR 조건을 만족시키게 되고 빛 흡수를 많이 한다.
10~ 20 nm 크기의 금 나노입자의 세포 독성 평가가 필요한 이유는 무엇인가?
즉, 금속 나노입자의 사용을 실생활에 적용함에 있어서, 인체에 무해하다는 것을 증명하는 것은 중요하다[3-5]. 물론 금의 경우 다른 금속 및 금속 산화물보다 이온형태로 존재할 가능성이 낮고, 이런 이유로 인체에 안전한 특성이 있다고 알려져 있으나, 우리가 사용하는 10~ 20 nm 크기의 금 나노입자는 체내에 축적될 수도 있는 만큼 세포 독성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 금 나노입자의 생체 내 독성이 거의 없는 적정 농도를 선택하고 금 나노입자의 각 농도별 온도 증가를 측정 하여 온열 화장품에 응용할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다.
참고문헌 (22)
E. Joe, Properties and Biomedical Applications of Gold Nanoparticles, News & Information for Chemical Engineers, 31(5), 559 (2013).
D Pissuwan, S. M. Valenzuela, and M. B. Cortie, Therapeutic possibilites of plasmonically heated gold nanoparticles, Trends in Biotechnology, 24(2), 62 (2006).
E. E. Connor, J. Mwamuka, A. Gole, C. J. Murphy, and M. D. Wyatt, Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity, Small, 1(3), 325 (2005).
M. Grzelczak, J. Perez-Juste, P. Mulvaney, and L. M. Liz-Marzan, Shape control in gold nanoparticle synthesis, Chemical Society Reviews, 37(9), 1783 (2008).
L. Dykman and N. Khlebtsov, Gold nanoparticles in biomedical applications: recent advances and perspectives, Chemical Society Reviews, 41(6), 2256 (2012).
A. M. Alkilany and C. J. Murphy, Toxicity and cellular uptake of gold nanoparticles: what we have learned so far?, Journal of nanoparticle research, 12(7), 2313 (2010).
D. Lobner, Comparison of the LDH and MTT assays for quantifying cell death: validity for neuronal apoptosis?, Journal of neuroscience methods, 96(2), 147 (2000).
C. Uboldi, D. Bonacchi, G. Lorenzi, M. I. Hermanns, C. Pohl, G. Baldi, and C. J. Kirkpatrick, Gold nanoparticles induce cytotoxicity in the alveolar type-II cell lines A549 and NCIH441, Part Fibre. Toxicol., 6(18), 1 (2009).
K. L. Kelly, E. Coronado, L. L. Zhao, and G. C. Schatz, The optical properties of metal nanoparticles: the influence of size, shape, and dielectric environment, J. Phys. Chem. B, 107(3), 668 (2003).
S. Link and M. A. El-Sayed, Size and temperature dependence of the plasmon absorption of colloidal gold nanoparticles, J. Phys. Chem. B, 103(21), 4212 (1999).
T. Groenewald, Determination of gold (I) in cyanide solutions by solvent extraction and atomic absorption spectrometry, Analytical Chemistry, 40(6), 863 (1968).
A. Simon-Deckers, S. Loo, M. Mayne-L'hermite, N. Herlin-Boime, N. Menguy, C. Reynaud, and M. Carriere, Size-, composition-and shape-dependent toxicological impact of metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes toward bacteria, Environ. Sci. Technol., 43(21), 8423 (2009).
J. Jiang, G. Oberdorster, A. Elder, R. Gelein, P. Mercer, and P. Biswas, Does nanoparticle activity depend upon size and crystal phase?, Nanotoxicology, 2(1), 33 (2008).
L. K. Limbach, Y. Li, R. N. Grass, T. J. Brunner, M. A. Hintermann, M. Muller, and W. J. Stark, Oxide nanoparticle uptake in human lung fibroblasts: effects of particle size, agglomeration, and diffusion at low concentrations, Environ. Sci. Technol., 39(23), 9370 (2005).
B. D. Chithrani, A. A. Ghazani, and W. C. Chan, Determining the size and shape dependence of gold nanoparticle uptake into mammalian cells, Nano letters, 6(4), 662 (2006).
Y. Pan, S. Neuss, A. Leifert, M. Fischler, F. Wen, U. Simon, and W. Jahnen-Dechent, Size-dependent cytotoxicity of gold nanoparticles, Small, 3(11), 1941 (2007).
T. Andoh, P. B. Chock, and C. C. Chiueh, The roles of thioredoxin in protection against oxidative stress-induced apoptosis in SH-SY5Y cells, J. Biol. Chem., 277(12), 9655 (2002).
Y. F. Huang, K. Sefah, S. Bamrungsap, H. T. Chang, and W. Tan, Selective photothermal therapy for mixed cancer cells using aptamer-conjugated nanorods, Langmuir, 24(20), 11860 (2008).
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