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산화철 나노입자의 마이크로캡슐화와 이를 이용한 세포의 자력부상 배양
Microencapsulation of Iron Oxide Nanoparticles and Their Application in Magnetic Levitation of Cells 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.1, 2020년, pp.13 - 18  

이진실 (강원대학교 화학.생물공학부) ,  이준호 (강원대학교 화학.생물공학부) ,  심재권 (강원대학교 화학.생물공학부) ,  허원 (강원대학교 화학.생물공학부)

초록
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실크의 섬유 고분자 단백질인 피브로인을 사용하여 산화철 나노입자가 내포된 테라그노시스가 가능한 마이크로캡슐을 제조하였다. 열중량 분석으로 산화철의 함량은 4.28%, 자력계로는 5.11%로 측정되었다. 산화철 마이크로캡슐이 첨가된 마우스 섬유아세포 3T3 배양액에서 얻어진 세포 현탁액은 자력에 반응하여 맑게 변하고, 세포는 자석 방향으로 응집하였다. 배양접시 상단에 올려둔 네오디뮴 자석은 세포를 배양액 표면 중심으로 세포를 끌어모았다. 배양액 표면에 모인 세포들은 응집하여 72 h 이후 장축의 길이가 2 mm인 비대칭 타원체인 세포 집합체를 형성하였다. 세포집합체의 바깥층에는 세포들이 상대적으로 크고 서로 모여 치밀한 조직을 형성하였으나, 중심부는 물질전달제한으로 세포의 사멸이 진행되는 것으로 관찰되었다. 바깥층에는 산화철 마이크로캡슐이 자력의 방향으로 체인처럼 일렬로 늘어선 현상도 관찰되었다. 마이크로CT를 이용하여 세포응집체 내부의 산화철이 고루 분포하지 않고 자력 방향으로 비대칭적으로 분포하고 있음을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Iron oxide nanoparticles were microencapsulated using fibroin, a protein polymer of silk fiber, for theragnostic applications. The content of iron oxide was determined to be 4.28% by thermogravimetric analysis and 5.11% by magnetometer. A suspension of murine fibroblast 3T3 cells grown in medium sup...

주제어

표/그림 (7)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 반면에 세포 내부로 흡수된 산화철 나노입자나 산화철 마이크로캡슐의 미세 거동에 관한 연구는 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 3차원으로 배양된 세포집합체의 내부의 산화철 마이크로캡슐의 분포와 형태를 추적하였다.
  • 본 연구에서는 마이크로캡슐화 된 산화철을 이용하여 세포를 자력으로 이동시킬 수 있음 보였다. 따라서 외부의 자력을 조정하여 산화철 마이크로캡슐과 같이 배양시킨 세포를 신체의 특정 부분에 모으거나 추적하는 등의 목적에 응용 가능성을 제시하였다.
  • 산화철 마이크로캡슐을 배양된 섬유아세포에 침투시키고 자력부상 배양으로 얻어진 세포집합체 내부에서 산화철 나노입자의 거동을 조직화학염색 및 마이크로CT로 조사하였다. 이로부터 생체 조직내부에서 자력에 반응하는 마이크로캡슐의 거동을 예측할 수 있는 결과를 제시하였다.

가설 설정

  • 산화철 마이크로캡슐의 주사현미경 사진 Figure 2(a)와 피브로인 마이크로캡슐의 사진 Figure 2(b)에서 입자의 크기나 분포는 큰 차이는 관찰되지 않았다. 산화철 마이크로캡슐의 수평균 직경은 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
산화철 나노입자가 가진 특징은? 산화철 나노입자는 외부 자기장에 반응하여 나노 자성체의 배열이 달라지는 초상자성의 특성을 가진다. 초상자성 특성은 세균이나 조류의 뇌에서 지구의 자기장을 감지하는 기능을 제공하고, 자기 저장 매체에서 데이터를 자력의 방향으로 기록하게 해준다[1].
기존의 피브로인 미세구를 제조하는 방법을 수정해 산화철 나노입자가 포함된 산화철 마이크로캡슐을 제조한 결과, 어떤 특징을 가진 마이크로 캡슐을 얻을 수 있었는가? 기존의 피브로인 미세구를 제조하는 방법을 수정하여 산화철 나노입자가 포함된 산화철 마이크로캡슐을 제조하였다. 산화철 마이크로캡슐은 세포내 흡수되어 자력으로 세포가 이동하거나 모여 응집하게 할 수 있어, 자력부상 배양으로 3차원 세포집합체를 얻었다. 세포집합체 내부의 산화철 분포는 비대칭적으로 자석의 방향으로 치우쳐져 있으며, 마이크론 크기의 산화철 마이크로캡슐도 자력의 유도로 마이크로캡슐들이 연결된 체인을 형성하였다. 본 연구에서는 마이크로캡슐화 된 산화철을 이용하여 세포를 자력으로 이동시킬 수 있음 보였다.
피브로인의 마이크로캡슐화 소재로서의 특징은? 따라서 본 연구에서는 산화철 나노입자를 캡슐화 시켜 세포내로 침투시켰고, 자석으로 부상시켜 배양하였고, 산화철 입자의 거동을 조사하였다. 마이크로캡슐화 소재로 사용된 피브로인은 실크섬유를 구성하는 불용성 단백질이며[11], 피브로인 미세구는 높은 효율로 세포에 흡수된다[12]. 산화철 마이크로캡슐을 배양된 섬유아세포에 침투시키고 자력부상 배양으로 얻어진 세포집합체 내부에서 산화철 나노입자의 거동을 조직화학염색 및 마이크로CT로 조사하였다.
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참고문헌 (18)

  1. T. Neuberger, B. Schopf, H. Hofmann, M. Hofmann, and B. Von Rechenberg, Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system, J. Magn. Magn. Mater., 293, 483-496 (2005). 

  2. K. Mahmoudi, A. Bouras, D. Bozec, R. Ivkov, and C. Hadjipanayis, Magnetic hyperthermia therapy for the treatment of glioblastoma: A review of the therapy's history, efficacy and application in humans, Int. J. Hyperthermia, 34, 1316-1328 (2018). 

  3. H. Ryu, H. Koo, I. Sun, S. Yuk, K. Choi, K. Kim, and I. Kwon, Tumor-targeting multi-functional nanoparticles for theragnosis: New paradigm for cancer therapy, Adv. Drug Deliv. Rev., 64, 1447-1458 (2012). 

  4. H. Na, I. Song, and T. Hyeon, Inorganic nanoparticles for MRI contrast agents, Adv. Mater., 21, 2133-2148 (2009). 

  5. D. Ling, N. Lee, and T. Hyeon, Chemical synthesis and assembly of uniformly sized iron oxide nanoparticles for medical applications, Acc. Chem. Res., 48, 1276-1285 (2015). 

  6. R. Wassel, B. Grady, R. Kopke, and K. Dormer, Dispersion of super paramagnetic iron oxide nanoparticles in poly (D,L-lactide-co-glycolide) microparticles, Colloids Surf. A, 292, 125-130 (2007). 

  7. M. Talelli, C. Rijcken, T. Lammers, P. Seevinck, G. Storm, C. van Nostrum, and W. Hennink, Superparamagnetic iron oxide nanoparticles encapsulated in biodegradable thermosensitive polymeric micelles: Toward a targeted nanomedicine suitable for image-guided drug delivery, Langmuir, 25, 2060-2067 (2009). 

  8. H. Mok and M. Zhang, Superparamagnetic iron oxide nanoparticle-based delivery systems for biotherapeutics, Expert Opin. Drug Deliv., 10, 73-87 (2013). 

  9. N. Vallabani and S. Singh, Recent advances and future prospects of iron oxide nanoparticles in biomedicine and diagnostics, 3 Biotech., 8, 279 (2018). 

  10. S. Ashraf, A. Taylor, J. Sharkey, M. Barrow, P. Murray, B. Wilm, H. Poptani, M. Rosseinsky, D. Adams, and R Levy, In vivo fate of free and encapsulated iron oxide nanoparticles after injection of labelled stem cells, Nanoscale Adv., 1, 367-377 (2019). 

  11. D. Porter and F. Vollrath, Silk as a biomimetic ideal for structural polymers, Adv. Mater., 21, 487-492 (2009). 

  12. J. Lee and W. Hur, Cellular uptake and fate of fibroin microspheres loaded with randomly fragmented DNA in 3T3 cells, Int. J. Nanomed., 11, 2069-2017 (2016). 

  13. M. Eissa, Polymer encapsulation of magnetic iron oxide nanoparticles for biomedical applications, J. Colloid Sci. Biotechnol., 3, 201-226 (2014). 

  14. N. Go, J. Lee, J. Lee, and W. Hur, Growth, cell cycle progression, and morphology of 3T3 cells following fibroin microsphere ingestion, J. Biomed. Mater. Res. A, 4, 1325-1331 (2015). 

  15. J. Lee and W. Hur, Scaffold-free formation of a millimeter-scale multicellular spheroid with an internal cavity from magnetically levitated 3T3 cells that ingested iron oxide-containing microspheres, Biotechnol. Bioeng., 111, 1038-1047 (2014). 

  16. J. Funnell, B. Balouch, and R. Gilbert, Magnetic composite biomaterials for neural regeneration, Front. Bioeng. Biotechnol., 7, 179 (2019). 

  17. E. Turker and A. Arslan-Yildiz, Recent advances in magnetic levitation: A biological approach from diagnostics to tissue engineering, ACS Biomater. Sci. Eng., 4, 787-799 (2018). 

  18. S. Kralj and D. Makovec, Magnetic assembly of superparamagnetic iron oxide nanoparticle clusters into nanochains and nanobundles, ACS Nano, 9, 9700-9707 (2015). 

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