초록 ▼

□ 연구의
목적 및 내용
○ 생체 친화적이고 생체조직에 깊이 침투하는 NIR에 고감응성을 보이며, 비침습적으로 in vivo 이미징을 가능하게하며, in vivo에서 NIR로 하이드로겔 형성을 가능하게 하는 새로운 나노 물질을 개발하여, 고기능성 암치료, 세포치료, 센서로의 활용 가능한 플랫폼 기술을 개발하고 평가함을 목적으로 함. NIR을 보다 효율적으로 이용하여, NIR을 다른 여러 형태의 신호로 변환 응용하여, 고감도의 바이오센싱, 고효율 세포조절과 같은 일반적인 기술로는 얻어지기 힘든 기능을 갖도록 함
○ 금

□ 연구의
목적 및 내용
○ 생체 친화적이고 생체조직에 깊이 침투하는 NIR에 고감응성을 보이며, 비침습적으로 in vivo 이미징을 가능하게하며, in vivo에서 NIR로 하이드로겔 형성을 가능하게 하는 새로운 나노 물질을 개발하여, 고기능성 암치료, 세포치료, 센서로의 활용 가능한 플랫폼 기술을 개발하고 평가함을 목적으로 함. NIR을 보다 효율적으로 이용하여, NIR을 다른 여러 형태의 신호로 변환 응용하여, 고감도의 바이오센싱, 고효율 세포조절과 같은 일반적인 기술로는 얻어지기 힘든 기능을 갖도록 함
○ 금나노로드 (GNR), 금나노입자 (GNP), 상변환입자 (UCNP), 이산화티타늄 나노입자 (TiO₂NP) 등의 조합으로 근적외선(NIR) 반응 헤테로-플라즈모닉 나노물질(Heteroplasmonic Nanomaterials; HPNs)의 개발을 통하여 초고감도/비표지/비경쟁적 저분자 화학물질 바이오센싱이 가능한 HPNs 압타센서 (aptasensor) 개발
○ NIR 조사에 의해 감응하는 HPNs을 활용하여 생체주사 후 NIR 조사에 따른 원격적으로 in situ 하이드로젤 형성 유도 및 세포전달 기술 개발
○ 바이오마커 반응에 의해 플라즈모닉 공명 변조가 가능하거나 광열/PDT 암세포 사멸이 가능한 바이오리셉터-HPNs 복합체의 제조 및 이를 활용한 신개념 암세포 사멸 및 이미징 기술개발

□ 연구결과
○ 신기능 플라즈모닉 나노물질 합성
- NIR의 조사 하에 광열, 플라즈모닉 증강, UV 및 활성산소 생성 특성을 가지는 나노물질 합성
- UCNP의 발광효율 향상 및 발광방향 제어를 위한 헤테로 플라즈모닉 비대칭성 나노 초승달 모양의 광학안테나 구조체 (ANAU; Asymmetric Nanocrescent Antenna on Upconversion Nanocrystal) 개발
- 이산화티타늄 나노입자/금 나노섬 기반의 헤테로-플라즈모닉 광촉매 필름의 개발
- NIR을 효율적으로 흡수하고 전달하는 다양한 헤테로 형태의 나노 구조체의 합성 및 시뮬레이션 연구를 통한 구조체의 최적화
○ 광학 기반의 고감도 바이오센서 개발
- 특정 타겟에 선택적으로 결합하는 바이오리셉터의 발굴 및 NIR 반응 나노입자간 또는 염료사이에서 위치선택적인 셀프어셈블리 접합기술을 이용한 복합체 합성
- 금 나노물질-압타머로 구성된 복합체를 이용한 저분자 화학물질 검출용 초고감도/비표지/비경쟁적 표면 플라즈몬 공명 (Localized Surface plasmon resonance; LSPR) 바이오센싱 기술 개발
- UCNP-항체 또는 UCNP-압타머 복합체를 이용한 발광공명에너지 전달 (Luminescence Resonance Energy Transfer; LRET) 기반 면역바이오 센서 및 압타센서 개발
- ANAU (금/UCNP crescent)-압타머 기반의 고상형 저분자 화학물질 검출 플랫폼 개발 및 시제품 제작 가능성 검증
- 시뮬레이션 연구를 통한 바이오센싱 예측, 감도향상, 재현성향상 기술 개발
○ NIR 조사를 통한 고기능성 하이드로겔 형성과 세포전달 기술 개발
- NIR 이용한 광열 중합 메커니즘 규명 및 플라즈모닉 나노입자와 UCNP를 활용한 하이드로겔의 제조 및 조절 기술 확립
- 생체 친화적 하이드로겔 제조 조건 수립 및 생체활성 물질 도입을 통한 세포생존율 증대
- in vivo 하이드로겔 제조 및 줄기 세포 전달 기술 확립 및 비침습적 모니터링 가능성 검증
○ HPNs를 이용한 신개념 암세포 추적/센싱/사멸
- 암세포 특이적 바이오리셉터의 발굴, HPNs과의 결합을 통한 복합체 합성
- 3차원 실시간 바이오 이미징 기술을 통한 복합체의 암세포 표적/사멸 확인
- 광치료에 의한 in vivo 암치료

□ 연구내용의 활용 계획 및 기대효과(응용분야 및 활용범위 포함)
○ 근적외선에 효율적으로 반응하는 다양한 형태의 HPNs을 개발함으로써 고효율, 고감도, 고기능의 근적외선 감응형 나노재료에 관한 원천 기술 확보가 가능할 뿐만 아니라, 이를 바탕으로 한 바이오센싱, 하이드로겔/줄기전달, 암치료용의 기능 및 효율을 증진시키는 응용 기술을 구현함과 신가치의 창출에 이바지 할 것으로 기대함
○ 근적외선 반응 나노물질-압타머 복합체를 이용한 바이오센서는 비경쟁적 바이오센싱이 어려운 저분자 화학물질의 초고감도/비경쟁 바이오센싱이 가능하기 때문에 곰팡이독소, 패독, 농약, 항생제, 대사질환 마커, 대사성 암 표지자 등을 간편하게 측정할 수 있어 식품/환경 안전, 질병 진단 및 모니터링 등의 분야에서 기존 기술의 병목을 해결하는 원천기술에 해당하여 다방면으로 활용성이 높으며 우수한 기술적 가치를 가짐
○ 줄기세포의 생체 내 전달 기능뿐만 아니라 줄기세포의 성장환경을 외부에서 원격적으로 조절할 수 있는 기술은 의약적 활용의 영향이 매우 큰 조직공학 분야에서 세포 치료 방법의 새로운 가능성을 열어주어 다양한 질환 치료 연구에 밑바탕이 될 것으로 기대됨. 줄기세포 이식을 위한 독자적 기반기술 확립이 가능하여, 다양한 장기에도 이용될 수 있어 경제적 파급 효과가 매우 클 것으로 기대함.
○ HPNs을 활용한 암세포의 플라즈모닉 증강/변조와 광열/PDT 동반 처리 기술 및 특정 암세포 특이적 압타머의 발굴을 통해 신개념 암세포 이미징/치료기술을 제공하여, 시장성과 사회적 가치가 매우 높은 암질환 치료에 크게 이바지 할 것으로 기대됨

(출처 : 한글요약문 3p)

Abstract ▼

□ Purpose
○ Based on gold nanorod (GNR), gold nanoparticle (GNP), upconversion nanoparicle (UCNP), and TiO₂ nanoparticles, we aim at the development of integrated hetero-plasmonic nanomaterials (HPNs) that are biocompatible, near infrared (NIR)-responsive, and capable of non-invasive i

□ Purpose
○ Based on gold nanorod (GNR), gold nanoparticle (GNP), upconversion nanoparicle (UCNP), and TiO₂ nanoparticles, we aim at the development of integrated hetero-plasmonic nanomaterials (HPNs) that are biocompatible, near infrared (NIR)-responsive, and capable of non-invasive in vivo targeting, imaging and hydrogelation for high-performance biosensing, and high-efficiency cancer and cell-based therapy
○ Development of ultrahigh sensitive/non-competitive aptasensors using heteroplasmonic nanocrescent antenna for small molecules
○ Development of the systems that can induce in situ gelation in response to NIR irradiation and its application for stem cell delivery
○ Development of the HPNs for cancer phototherapy (PTT and PDT) and in vivo monitoring technology

□ contents
○ Development of LRET(Luminescence Resonance Energy Transfer)-based POC (point-of-care) biosensor for rapid and high sensitive molecular detection (miniaturization, regeneration, stabilization )
○ Development of NIR-based hydrogel synthesis and control using plasmonic nanomaterial
○ NIR-assisted efficient cancer phototherapy using cancer-specific bioreceptor-conjugated HPNs

□ Developement results
○ Synthesis of plasmonic nanomaterials with new functionality
- Synthesis of NIR-responsive nanomaterials and HPNs
- Development of an asymmetric nanocrescent antenna on upconversion nanocrystal (ANAU) for nano-focusing and asymmetric emission of upconversion luminescence
- Development of solid-phase photocatalysts-Au nanoislands (NIs) on porous TiO₂ films for high-efficiency H₂O₂ generation
- Theoretical modeling of for optical properties of hybrid HPNs
○ Optical biosensor platforms for high sensitive target detection
- Development of target specific aptamers for toxin, metabolic disorders, or cancers and their applications for the synthesis of bio receptor-conjugated nanomaterials using self-assembling induction in response to analytes
- Development of ultra high sensitive/label-free/non-competitive LSPR senser platforms
- Development of an single-step luminescence resonance energy transfer (LRET) aptasensor
- Development of an solid-phase and single-step aptasensor based on ANAU structure for portable and reusable biosensors for POC testing
- Macroscopic simulation of energy transfer for establishment a pathway of energy transfer mechanism to optimize the device structure
○ NIR-based in vivo hydrogelation and stem cell delivery
- Investigation of NIR-based photothermal polymerization mechanism and development of remotely controlled hydrogelation system using plasmonic nanoparticles and UCNP
- Development of cytocompatible and chemically modifiable hydrogelation system for cell encapsulation
- Development of in vivo hydrogelation and stem cell delivery system and non-invasive monitoring
○ Active theragnostic applications of HPNs for cancer therapy
- Synthesis of HPNs for sensing, imaging, and treatment
- Synthesis of cancer-specific bio receptors-conjugated nanomaterials and their applications for efficient cancer phototherapy
- Simulation studies for efficient phototherapies

□ Expected Contribution
○ Development of high-performance hetero-plasmonic nanomaterials (HPNs) efficiently utilizing biocompatibile and tissue penetrating NIR light will enable high-sensitivity and high-efficiency for imaging and cell modulation, such as sensing, cancer therapy, and cell/biomaterial-based therapy.
○ These approaches and outcomes will impact the field of bio-sensing, cancer therapy, and tissue engineering, by providing excellent integrative hybrid systems based on nano-plasmonic particles for delivery, targeting, therapy, and imaging. Hence, these results will facilitate not only the fundamental studies in nanomaterial science, biology, cell physiology, and optics, but also clinical applications.
○ in vivo hydrogelation and stem cell delivery with controllability of hydrogel properties will open a new way to apply the cell therapy in tissue engineering, providing the foundation for stem cell therapeutics that appliable to various tissues and organs, and thus it is expected to have a great economic effect.
○ These technologies using the HPNs can create economic and industrial value through achieving competitiveness in the cancer treatment, diagnosis market, and food industry fields.

(출처 : SUMMARY 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구계획 요약문 ... 2
• 연구결과 요약문 ... 3
• 한글요약문 ... 3
• SUMMARY ... 4
• 목차 ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 17
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 115
• 5. 대표적 연구실적 ... 141
• 6. 연구결과의 활용계획 ... 141
• 7. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 142
• 8. 참고문헌 ... 144
• 9. 연구성과 ... 145
• 10. 연구기자재 현황 및 활용 ... 168
• 11. Final report for GRL ... 168
• 별첨1. 대표 연구실적 요약문 ... 189
• 별첨2. 참여 인력 현황 ... 194
• 첨부 ... 195
• 첨부1. 목표의 달성도 증빙 ... 196
• 첨부2. 대표 연구실적 증빙 ... 233
• 끝페이지 ... 237