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Poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine/fluorescein O-methacrylate)가 도입된 산화철 나노 입자의 제조 및 발열 특성 연구
Preparation and characterization of Poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine/fluorescein O-methacrylate)-coated iron oxide nanoparticles 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.19 no.3, 2018년, pp.106 - 112  

류성곤 (경북대학교 공과대학 응용화학과) ,  정인우 (경북대학교 공과대학 응용화학과)

초록
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악성 조직의 온열 치료는 성공적인 암 치료 방법의 하나로서 방사선 치료 및 화학 요법에 비해 생체 적합성이 우수하고 비교적 온화한 조건에서 사용할 수 있어 최근 큰 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 온열 치료를 목적으로 생체 적합성 고분자인 poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine/fluorescein O-methacrylate) (P(MPC/FOM))를 코팅한 초상자성 산화철 나노 입자 (IONP)를 제조하고 관련 특성을 분석하였다. 15 nm 직경을 갖는 IONP는 먼저 공침법에 의해 제조된 후, 4-cyanopentanoic acid dithiobenzoate (CTP) 을 사용하여 IONP의 표면을 개질하였으며, 이 후 MPC 및 FOM 단량체의 reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) 공중합을 통해 P(MPC/FOM)의 코로나 층을 형성시켰다. 투과 전자 현미경 (TEM)과 동적 광 산란 (DLS) 분석을 통해 IONP@P(MPC/FOM)의 형태 및 수력학적 크기를 확인할 수 있었으며, 열 중량 분석 (TGA)을 통해 P(MPC/FOM) 코로나 층의 형성을 확인하였다. 또한 교류 자기장을 이용해 IONP 분산액을 노출시킨 결과, 0.2 중량 %의 IONP @ P(MPC / FOM) 수분산액이 온열 치료에 사용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the hyperthermia treatment of malignant tissues has gained great attention as a biocompatible and benign method that facilitates successful cancer therapy compared to radiation and chemotherapy. In this study, superparamagnetic ($Fe_3O_4$) iron oxide nanoparticles (IONP) coated ...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • IONP에 생체친화성을 부여하기 위해 앞에서 제조된 IONP-CTP에 생체친화성 물질로 잘 알려진 MPC단량체와 형광probe로 FOM단량체를 이용해 RAFT 중합을 수행하였다. IONP 표면에 도입되는 고분자인 P(MPC/FOM)의 두께를 조절하기 위해서 IONP-CTP 대비 MPC단량체의 양을 각각 무게 비로 1:1.4, 1:2.8로 하여 두 가지 산화철 나노 입자인 IONP@ P(MPC/FOM)-L과 IONP@P(MPC/FOM) -H를 제조하였다. 제조 방법은 다음과 같다.
  • IONP-CTP, IONP@P(MPC/FOM)-L, IONP@ P(MPC/FOM)-H 나노 입자의 표면에 각각 존재하는 CTP와 P(MPC/FOM)의 양을 측정하기 위해 열중량 분석법을 수행하였으며, 그 결과를 Fig 7. 에 도시하였다.
  • ). IONP를 각각 물에 0.1 wt%, 0.2 wt% 분산 시킨 분산액을 이용해서 90분 동안 실험을 진행하였다. 순수한 물의 경우 28 °C에서 35 °C까지 증가 한 약 7 °C의 온도 상승을 보였다.
  • IONP에 생체친화성을 부여하기 위해 앞에서 제조된 IONP-CTP에 생체친화성 물질로 잘 알려진 MPC단량체와 형광probe로 FOM단량체를 이용해 RAFT 중합을 수행하였다. IONP 표면에 도입되는 고분자인 P(MPC/FOM)의 두께를 조절하기 위해서 IONP-CTP 대비 MPC단량체의 양을 각각 무게 비로 1:1.
  • IONP의 발열 특성을 파악하기 위해 교류자기장 하에서 IONP 분산액 (IONP@P(MPC/ FOM)-L 나노 입자)의 온도 변화를 측정하였다(Fig 8.). IONP를 각각 물에 0.
  • RAFT 중합을 수행하기 위해 공침법을 통해 만들어진 IONP 표면을 RAFT agent인 CTP로 표면 개질하여 IONP-CTP를 제조하였다. [18] IONP 0.
  • ). [21-25] 제조된 IONP를 온열 치료 목적으로 활용하기 위해 교류 자기 발생 장치를 사용하여 IONP 수분산액의 발열시험도 수행하였다.
  • 교류자기장 하에서 순수하게 IONP@P(MPC/FOM)에 의해 생성되는 열을 측정하기 위해 분산액이 들어있는 용기와 코일 사이에 스티로폼 단열재를 사용하였으며, 솔레노이드 코일자체에서 발생하는 열을 제거하기 위해서 7°C의 수냉각기에 솔레노이드 코일을 넣어서 실험을 진행하였다.
  • 교류전류를 흘려주기 위해서 고주파 증폭기(Ant Technology, 주문 제작)가 사용되었다. 나노 입자의 발열실험을 위해서 각각 0.2 wt%, 0.1 wt% 농도의 산화철 나노 입자 수분산액 5 mL을 준비하였으며 대조군으로는 아무것도 첨가하지 않은 증류수 5 mL이 사용되었다. 준비한 용액들은 350 kHz, 25 A, 19 V의 조건 하에서 90분 동안 발열 실험이 진행되었다.
  • 나노 입자의 표면을 RAFT중합법을 이용하여 P(MPC/FOM) 고분자로 코팅한 후, 형광 프로브인FOM으로부터 나오는 형광을 확인해보기 위해 CLSM 분석을 수행하였으며, 이에 대한 결과를 Fig 5. 에 나타내었다.
  • 1 g과 10 mL의 메탄올을 넣은 후 초음파를 이용해 분산시켜 주었다. 두 개의 분산액에 MPC 단량체0.14 g과 0.28 g을 각각 투입하고 FOM의 독성을 최소화하기 위해MPC 단량체 중량 대비 1%의 FOM단량체와 0.7%의 AIBN을 투입하였다. 용존 산소를 제거하기 위해 3번의 freeze-pump-thaw cycle을 진행하였다.
  • 온열 효과를 이용한 암 치료용 자성 나노 입자를 합성하기 위해 공침법을 이용해서 산화철 나노 입자를 합성하였다. 만들어진 산화철 나노 입자의 생적합성을 부여하기 위해 MPC 단량체를 FOM 단량체와 함께 RAFT 중합을 이용하여 산화철 나노 입자 표면에 그래프팅시켰다. 투과 전자 현미경, 적외선 분광 분석 및공초점 레이저주사 현미경 분석을 통해 나노 입자의 표면에 존재하는 P(MPC/FOM) 고분자 층을 확인하였으며, 열중량 분석법을 통해 그래프팅 정도를 정량적으로 확인할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 공침법 (co-precipitation)을 이용하여 산화철 나노 입자 (IONP)를 제조하였으며, [12-15] reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) 중합법을 이용하여 IONP의 표면은 생체친화성 고분자로 알려진 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine(MPC) 단량체를 fluorescein O-methacrylate (FOM) 단량체와 함께 공중합하여 그래프팅하였다.16-20 RAFT agent로는 4-cyanopentanoic acid dithiobenzoate (CTP)로 표면개질하였다.
  • 분석은 질소 분위기에서 진행되었으며 분당 10°C의 승온 속도로 상온부터 800 °C 까지 진행되었다.
  • 준비한 용액들은 350 kHz, 25 A, 19 V의 조건 하에서 90분 동안 발열 실험이 진행되었다. 상기 결과를 바탕으로 아래식 (1)에 정의된 바와 같이 초기 온도상승 시간 100 초간의 온도 증가 기울기를 바탕으로 비흡수율 (specific absorption rate, SAR)을 계산하였다.
  • 01-071-4918). 상기 언급된 방법에 의해서 제조된 IONP, IONP-CTP, IONP@P(MPC/FOM)-L 및 IONP@P(MPC/FOM) -H각각 나노 입자의 형태를 관찰하기 위해 TEM분석을 수행하였으며, 이에 대해서 Fig 3. 에 나타내었다.
  • 온열 효과를 이용한 암 치료용 자성 나노 입자를 합성하기 위해 공침법을 이용해서 산화철 나노 입자를 합성하였다. 만들어진 산화철 나노 입자의 생적합성을 부여하기 위해 MPC 단량체를 FOM 단량체와 함께 RAFT 중합을 이용하여 산화철 나노 입자 표면에 그래프팅시켰다.
  • 7%의 AIBN을 투입하였다. 용존 산소를 제거하기 위해 3번의 freeze-pump-thaw cycle을 진행하였다. 산소 제거 과정을 거친 후 이 용액을 70°C로 설정한 초음파 발생 장치에 넣은 후 6 시간 동안 중합을 진행하였다.
  • 1 wt% 농도의 산화철 나노 입자 수분산액 5 mL을 준비하였으며 대조군으로는 아무것도 첨가하지 않은 증류수 5 mL이 사용되었다. 준비한 용액들은 350 kHz, 25 A, 19 V의 조건 하에서 90분 동안 발열 실험이 진행되었다. 상기 결과를 바탕으로 아래식 (1)에 정의된 바와 같이 초기 온도상승 시간 100 초간의 온도 증가 기울기를 바탕으로 비흡수율 (specific absorption rate, SAR)을 계산하였다.

대상 데이터

  • 공침법으로 합성된 IONP의 결정 구조는 X- 선 분말 회절법 (XRD, D/Max-2500, Rigaku, Japan)에 의해 확인되었다. IONP, IONP-CTP, IONP@P(MPC/FOM)-L, IONP@P(MPC/FOM)-H의 모폴로지 관찰 및 크기 측정을 위해서 바이오 투과 전자 현미경 (TEM, HT7700, Hitachi)이 사용되었다. 샘플은 각각의 나노 입자들을 소량 물에 분산시킨 후, TEM copper grid에 스프레이 후 상온에서 건조하여 제조하였다.
  • Iron(Ⅲ) chloride hexahydrate (99%, Merk), iron(Ⅱ) chloride tetrahydrate (99%, Merk), 4-cyanopentanoic acid dithiobenzoate (CTP, 97%, Merk), 2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC, 96%, TCI), fluorescein O-methacrylate (FOM, 97%, Merk), 암모니아수 (25∼30%, 덕산)는 별도의 정제 없이 사용하였으며, 2,2’–azobisisobutyronitrile (AIBN, 98%, Junsei)은 메탄올에서 재결정한 후 사용하였다.
  • 교류자기장 하에서 순수하게 IONP@P(MPC/FOM)에 의해 생성되는 열을 측정하기 위해 분산액이 들어있는 용기와 코일 사이에 스티로폼 단열재를 사용하였으며, 솔레노이드 코일자체에서 발생하는 열을 제거하기 위해서 7°C의 수냉각기에 솔레노이드 코일을 넣어서 실험을 진행하였다. 교류전류를 흘려주기 위해서 고주파 증폭기(Ant Technology, 주문 제작)가 사용되었다. 나노 입자의 발열실험을 위해서 각각 0.
  • 샘플은 각각의 나노 입자들을 소량 물에 분산시킨 후, TEM copper grid에 스프레이 후 상온에서 건조하여 제조하였다. 나노 입자의 표면에 그래프팅된 P(MPC/FOM) corona layer를 확인하기 위해서 공초점 레이저 현미경 (CLSM, LSM700, Carl Zeiss)을 이용하였다. 나노 입자의 표면 개질 및 표면에서의 RAFT 중합에 의한 고분자의 그래프팅 여부를 확인하기 위해서 푸리에 변환 적외선 분광분석법 (FTIR, 8400S, Shimadzu) 를 이용하였다.
  • 모든 실험에 초순수(resistivity∼ 18.2 MΩ⋅cm, Purelab Option-Q, ELGA)가 사용되었다.
  • 와 같은 장치를 제작하였다. 지름이 1.5 mm인 에나멜 선을 이용하여 30번씩 2 겹의 구조로 감아서 총 60 회의 권선 수를 가진 솔레노이드 코일을 만들었고 만들어진 솔레노이드 코일의 높이는 7 cm, 지름은 3.3 cm 였다. 교류자기장 하에서 순수하게 IONP@P(MPC/FOM)에 의해 생성되는 열을 측정하기 위해 분산액이 들어있는 용기와 코일 사이에 스티로폼 단열재를 사용하였으며, 솔레노이드 코일자체에서 발생하는 열을 제거하기 위해서 7°C의 수냉각기에 솔레노이드 코일을 넣어서 실험을 진행하였다.

데이터처리

  • IONP입자의 표면 개질 및 입자 표면에서의 고분자 중합 결과를 확인하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광 분석법을 수행하였으며, 그 결과를 Fig 6. 에 도시하였다.
  • Figure 2. 솔레노이드 코일을 이용한 IONP@P (MPC /FOM) 나노입자 수분산액의 발열 특성 평가 실험장치도.

이론/모형

  • 나노 입자의 표면 개질 및 표면에서의 RAFT 중합에 의한 고분자의 그래프팅 여부를 확인하기 위해서 푸리에 변환 적외선 분광분석법 (FTIR, 8400S, Shimadzu) 를 이용하였다. CTP로 나노 입자의 표면 개질을 수행 후 나노 입자의 표면에 있는 CTP의 양과 RAFT 중합 후 나노 입자의 표면에 있는 고분자의 양을 확인하기 위해서 열중량 분석법 (thermogravimetric analysis, TGA, Q600, TA Instr.)이 사용되었다. 분석은 질소 분위기에서 진행되었으며 분당 10°C의 승온 속도로 상온부터 800 °C 까지 진행되었다.
  • IONP와 고분자를 이용해서 코팅된 IONP@P(MPC/FOM)-L 및 IONP@P(MPC /FOM)-H 의 수력학적 직경을 측정하기 위해 동적광산란법을 이용하였으며, 그 결과를 Fig 4. 에 나타내었다.
  • 공침법으로 합성된 IONP의 결정 구조는 X- 선 분말 회절법 (XRD, D/Max-2500, Rigaku, Japan)에 의해 확인되었다. IONP, IONP-CTP, IONP@P(MPC/FOM)-L, IONP@P(MPC/FOM)-H의 모폴로지 관찰 및 크기 측정을 위해서 바이오 투과 전자 현미경 (TEM, HT7700, Hitachi)이 사용되었다.
  • 나노 입자의 표면에 그래프팅된 P(MPC/FOM) corona layer를 확인하기 위해서 공초점 레이저 현미경 (CLSM, LSM700, Carl Zeiss)을 이용하였다. 나노 입자의 표면 개질 및 표면에서의 RAFT 중합에 의한 고분자의 그래프팅 여부를 확인하기 위해서 푸리에 변환 적외선 분광분석법 (FTIR, 8400S, Shimadzu) 를 이용하였다. CTP로 나노 입자의 표면 개질을 수행 후 나노 입자의 표면에 있는 CTP의 양과 RAFT 중합 후 나노 입자의 표면에 있는 고분자의 양을 확인하기 위해서 열중량 분석법 (thermogravimetric analysis, TGA, Q600, TA Instr.
  • 산화철 나노 입자(IONP)는 공침법을 이용해서 합성되었다. 먼저 FeCl2⋅4H2O를 1 M의 HCl 10 mL에 녹이고 FeCl3⋅6H2O를 1 M의 HCl 20 mL에 녹인 후, 270mL의 증류수와 함께 500 mL의 둥근 바닥 플라스크에 넣어 교반하였다.
  • 분석은 질소 분위기에서 진행되었으며 분당 10°C의 승온 속도로 상온부터 800 °C 까지 진행되었다. 순수한 IONP 와 P(MPC/FOM) 코팅된 IONP의 수력학적 직경 분석을 위해 동적 광 산란법 (dynamic light scattering, DLS, N5/LS-13320, Beckman Coulter)을 이용하여 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
강자성체 덩어리의 문제점은 무엇인가? 강자성체는 인가된 자기장이 제거되더라도 여전히 자성을 가지고 있기 때문에 입자들끼리 응집되거나 연결되어 커다란 덩어리를 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 덩어리는 세포를 통과하기 어렵고 또한 통과 되더라도 신장에서 걸러지지 않고 체내에 축적되기 때문에 인체에 영향을 미칠 수 있다. 또한 임상에서 자성 나노 입자를 사용하기 위해서는 입자 크기, 분산안정성 및 입자 응집성,생체 친화성을 고려해야 한다.
온열 치료란 무엇인가? 이러한 기존 치료 방법의 문제점들을 해결하고 부작용 없이 암세포만을 효과적으로 치료하기 위한 여러 가지 방법들이 연구 중에 있다. [1-3] 정상 세포에는 손상을 끼치지 않고 암세포만을 효과적으로 치료하는 방법 중에는 암세포가 정상 세포보다 열에 약해 42°C 부근의 고온에서 파괴되는 점을 활용한 온열 치료(hyperthermia treatment)가 있다. 온열 치료에는 extracellular hyperthermia라고 불리는 세포 외 온열 치료법과 intracellular hyperthermia라고 불리는 세포 내 온열 치료법이 있다.
악성 조직의 온열 치료가 최근 주목받는 이유는 무엇인가? 악성 조직의 온열 치료는 성공적인 암 치료 방법의 하나로서 방사선 치료 및 화학 요법에 비해 생체 적합성이 우수하고 비교적 온화한 조건에서 사용할 수 있어 최근 큰 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 온열 치료를 목적으로 생체 적합성 고분자인 poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine/fluorescein O-methacrylate) (P(MPC/FOM))를 코팅한 초상자성 산화철 나노 입자 (IONP)를 제조하고 관련 특성을 분석하였다.
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