KR100943993B1 - 나노 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

나노 복합체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크게 감소된 세포 독성을 나타내면서도 우수한 발광 특성을 나타내어, 생체 내에서 각종 종양 또는 질병의 검출이나 효과적 약물 전달을 위해 적합하게 사용될 수 있는 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 나노 복합체는 Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)를 함유한 코어; 및 상기 코어를 둘러싸고 있으며 ZnS를 함유한 쉘을 포함하고, 1 내지 30nm의 입자 크기를 가지며, 상기 Ag1-xInxS2 및 ZnS를 1 : 3 ~ 1 : 0.2의 몰비로 포함하는 것으로서, 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용으로 사용될 수 있다.
바이오 이미징, 약물 전달, 나노 복합체, 세포 독성

Description

나노 복합체 및 이의 제조 방법 {NANOCOMPOSITE AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 나노 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 크게 감소된 세포 독성을 나타내면서도 우수한 발광 특성을 나타내어, 생체 내에서 각종 종양 또는 질병의 검출이나 효과적 약물 전달을 위해 적합하게 사용될 수 있는 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 종양 등의 각종 질병을 표적화하여 진단하는 방법이 다양하게 개발되고 있으며, 특히, 형광체의 광학 영상을 이용하는 방법이 개발된 바 있다.
그런데, 이때 사용되는 형광체는 주로 유기물로만 이루어져 있어 pH 또는 용해도 등의 환경적 요인에 의해 형광 강도가 크게 좌우될 뿐만 아니라, 빛의 노출에 따른 비가역적인 광표백 및 강한 소수성으로 인하여, 생체 내에서 사용되는데 한계가 있었다.
이로 인해, 양자점을 이용하여 생체 내 광학 영상을 얻어내는 방법이 주요하게 고려되고 있다. 양자점을 이용한 다양한 기능을 가진 무기 나노 입자 형태의 탐 침자는 종양 및 생체 내의 다양한 반응을 모니터링 하거나 생체 내에 각종 약물을 전달하는데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 무기 나노 입자는 화학 반응에 비교적 안정하고 표면 처리에 의해 생체 물질과 상대적으로 용이하게 결합할 수 있으므로, 위 유기물 형광체가 갖는 단점을 어느 정도 해결할 수 있다.
그런데, 기존의 양자점을 이용한 무기 나노 입자는 주로 II-VI족 원소를 포함하고 있으며, 이러한 원소 중에는 강한 독성을 띄는 중금속 원소가 많다. 이러한 원소를 포함하는 나노 입자는 동물 모델에서 표적 물질 개발과 영상을 관찰하는 데 용이하다. 보다 구체적으로, 상기 나노 입자를 극성/비극성의 성질을 띄는 양친매성 물질로 표면 처리하고, 그 결과물을 생물학적 활성 물질, 예를 들어, 암세포 표면의 특이적 수용체에 반응하는 생체물질로 표지한다. 이렇게 표지된 나노 입자를 살아 있는 마우스에 정맥 주사하여, 동물 내에 존재하는 암세포와 반응하게 함으로서 암세포 자체를 검출할 수 있다. 이러한 방법으로 생체 또는 세포 내에서 일어나는 생물학적 변화를 분자 수준에서 실시간으로 관찰할 수 있게 되며, 생명 현상 및 질환에 대한 분자 수준의 근원적 이해가 가능해진다.
그러나, 기존의 양자점을 이용한 무기 나노 입자는 상기한 바와 같은 강한 독성으로 인해, 세포/동물 모델, 더 나아가, 인체 모델에 적용하는데 한계가 있다. 또한, 표지된 나노 입자를 세포 내로 보다 효과적으로 전달하기 위한 기술의 개발이 필요하며, 생체 내 검출의 용이성을 위해 우수한 발광 특성, 예를 들어, 형광을 나타내면서도 생체 내에서 그 특성을 장기간 유지할 수 있는 나노 입자의 개발이 필요하다.
이전부터 나노 입자를 다양한 친수성 화합물로 처리해 표면을 친수성으로 개질함으로서 나노 입자의 세포 내 전달을 용이하게 하거나, 독성을 줄이기 위해 나노 입자 표면에 실리카 또는 각종 폴리머 등을 코팅하는 방법이 고려된 바 있지만, 이러한 방법에 의하더라도, 상기 나노 입자의 강한 소수성 또는 독성으로 인하여 위와 같은 단점을 해결하는데 한계가 있었다.
이에 본 발명은 크게 감소된 세포 독성을 나타내면서도 우수한 발광 특성을 나타내어, 생체 내에서 각종 종양 또는 질병의 검출이나 효과적 약물 전달을 위해 적합하게 사용될 수 있는 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용 나노 복합체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 나노 복합체의 특성을 용이하게 제어하면서 이를 제조할 수 있는 상기 나노 복합체의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)를 함유한 코어; 및 상기 코어를 둘러싸고 있으며 ZnS를 함유한 쉘을 포함하고, 1 내지 30nm의 입자 크기를 가지며,
상기 Ag1-xInxS2 및 ZnS를 1 : 3 ~ 1 : 0.2의 몰비로 포함하는 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용 나노 복합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 수계 용매 내에서, 아연 전구체, 은 전구체, 인듐 전구체 및 소듐 디티오카바메이트(C5H10NNaS2)를 침전 반응시키는 단계; 및 도데실 아민 용매 내에서, 상기 침전 반응 결과물을 열분해하는 단계를 포함하는 상기 나노 복합체의 제조 방법을 제공한다.
이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 나노 복합체 및 이의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따라, Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)를 함유한 코어; 및 상기 코어를 둘러싸고 있으며 ZnS를 함유한 쉘을 포함하고, 1 내지 30nm의 입자 크기를 가지며, 상기 Ag1-xInxS2 및 ZnS를 1 : 3 ~ 1 : 0.2의 몰비로 포함하는 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용 나노 복합체가 제공된다.
이러한 나노 복합체는 주로 Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)와 같은 발광 반도체 물질로 이루어진 코어를, ZnS를 주성분으로 하는 쉘이 둘러싸고 있는 복합 나노 입자 형태를 띠고 있으며, 1 내지 30 nm의 나노 스케일의 입자 크기를 갖는 것이다. 이러한 나노 복합체에서, 상기 쉘은 상기 코어의 일부 또는 전부를 둘러싸고 있는 형태를 띨 수 있으며, 상기 코어를 이루는 Ag1-xInxS2와 쉘을 이루는 ZnS 사이에 특정 몰비를 충족한다.
본 발명자들의 실험 결과, 이러한 나노 복합체는 넓은 발광 스펙트럼을 보이기 때문에, 여러 가지 광원이 사용되어 가시광선 내지 근자외선 영역에 속하는 다 양한 파장의 빛을 발광할 수 있음이 밝혀졌다. 특히, 후술하는 실시예를 통해서도 뒷받침되는 바와 같이, 상기 나노 복합체는 입자 크기 및 조성(예를 들어, Ag와 In의 결합비 또는 코어에 포함된 Ag1-xInxS2와 쉘에 포함된 ZnS의 몰비 등)을 조절하여, 원하는 좁은 범위의 특정 파장의 빛을 발광하도록 제어될 수 있다. 따라서, 상기 나노 복합체는 생체 내에서 각종 종양 또는 질병의 검출 등을 용이하게 하는 우수한 발광(형광) 특성을 나타낼 수 있다.
이러한 나노 복합체의 우수한 발광 특성은 코어 물질, 즉, Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)가 자체적으로 발광 특성을 나타내는 동시에, 상기 나노 복합체의 여기시에 상기 쉘 물질, 즉, ZnS로부터 효과적으로 에너지가 전달되기 때문으로 보인다. 이에 따라, 상기 나노 복합체는 생체 내 바이오 이미징 등에 적합하게 사용 가능한 우수한 발광 효율 및 발광 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 나노 복합체는 화학 반응에 비교적 안정하기 때문에, 생체 내에서 우수한 특성을 비교적 장시간 유지할 수 있으며, 이하에서도 설명하겠지만, 친수성 화합물을 이용한 표면 처리를 통해 다양한 생물학적 활성 물질 등과 용이하게 결합할 수 있다.
그리고, 본 발명자들의 실험 결과, 상기 발명의 일 구현예에 따른 나노 복합체는 이전에 사용되던 양자점 또는 나노 입자 등에 비해 현저히 낮은 세포 독성을 나타냄이 밝혀졌다. 예를 들어, 상기 나노 복합체는 시료 첨가 후 50%의 세포가 죽게 되는 시료 농도를 뜻하는 CC50(50% Cytotoxity Concentration)이 이전의 양자점 등에 비해 거의 100배 가까이 높을 정도로 낮은 세포 독성을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 나노 복합체는 생체 내에서 매우 바람직하게 적용될 수 있다.
따라서, 상기 발명의 일 구현예에 따른 나노 복합체는 각종 생물학적 활성 물질(예를 들어, 암세포 표면의 특이적 수용체에 반응하는 생체물질) 등으로 표지된 채, 생체 또는 세포 내로 전달되어 각종 종양 또는 질병을 진단하거나 생체 내로 약물을 전달하는 등의 용도로 매우 바람직하게 사용될 수 있다.
한편, AgInS2의 코어와, ZnS의 쉘을 포함하여, 상기 나노 복합체와 유사한 화학식으로 표시되는 복합체 입자는 "Chemical engineering science, 2009. 2. 10. Ching-Chen Wu et al.; A simple and environmentally friendly method of preparing sulfide photo catalyst"에 개시된 바 있다. 그러나. 이러한 선행 문헌에 개시된 복합체 입자는 최소 0.2㎛ (200nm)에서 2㎛에 이르는 마이크로 스케일에 가까운 입자 크기를 갖는 것이다. 그런데, 이와 같이 마이크로 스케일에 가까운 크기를 갖는 입자는 생체 내에서 각종 질병을 진단하거나 생체 내로 약물을 전달하는 양자점으로서 사용될 수 없음이 알려져 있다(한국 특허 공개 제 2006-0071763 호).
즉, 양자점이라 함은 빛 등의 에너지를 받아 특유의 빛을 내는 나노 스케일의 반도체적 구조물 입자로서, 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 파장이나 색상을 달리하는 것이다. 이러한 양자점이 특유의 빛을 나타내는 것은, 드브로이파 길이(예를 들어, 약 10nm)보다 작거나 이에 근접한 나노 스케일의 입자 크기를 가짐에 따라, 양자점을 이루는 물질 주위의 자유전자들을 드브로이파 길이보다 작은 영역 에 가두어 물질의 차원을 3차원계에서 2차원계로 줄일 수 있기 때문이다. 즉, 이와 같이 차원이 감소됨에 따라, 상기 자유전자들의 에너지와 상태 밀도는 양자화될 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 스케일을 갖는 반도체적 구조물 입자들은 밴드갭 에너지가 상대적으로 증가하게 되므로, 입자의 크기가 조금만 변화하더라도 여러 가지 색상의 특유의 빛을 나타낼 수 있으며, 그 결과 상기 양자점으로 사용될 수 있는 것이다.
그런데, 이와 달리 상기 반도체적 구조물 입자가 마이크로 스케일의 입자 크기를 갖는 경우, 이는 드브로이파 길이보다 훨씬 큰 입자 크기를 갖게 되어, 상술한 효과를 나타낼 수 없으며, 양자점 등으로 적용될 수 없다.
이로 인해, 이전에는 상기 AgInS2의 코어와, ZnS의 쉘을 포함하는 복합체 입자가 양자점으로 사용 가능함이 전혀 알려진 바 없다.
그러나, 본 발명자들은 후술하는 특정 제조 방법에 따라, 상기 Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)를 함유한 코어와, ZnS를 함유한 쉘을 포함하는 복합체 입자를 1 내지 30 nm의 나노 스케일을 갖도록 제조할 수 있음을 밝혀내었다. 또한, 본 발명자들은 이러한 나노 스케일의 복합체 입자가 양자점으로서 생체 내 바이오 이미징 등에 적합하게 사용 가능한 우수한 발광 특성을 나타내며, 더 나아가, 이전에 알려진 어떠한 양자점에 비해서도 낮은 세포 독성을 나타냄을 밝혀 내고 본 발명을 완성하게 되었다.
이에 발명의 일 구현예에 따른 나노 복합체는 1 내지 30nm의 특정 입자 크기 를 가지면서, 특정 성분으로 이루어진 코어-쉘 구조를 가짐에 따라, 각종 생물학적 활성 물질 등으로 표지된 상태로 생체 또는 세포 내로 전달되어 각종 종양 또는 질병을 진단하는 등의 양자점으로서의 용도로 매우 바람직하게 사용될 수 있음이 밝혀졌다.
한편, 상기 나노 복합체에서, 상기 코어 물질인 Ag1-xInxS2는 Ag와 In이 0.1 : 0.9 내지 0.9 : 0.1의 몰비(즉, x는 0.1 내지 0.9)로 결합된 것일 수 있으며, 바람직하게는 0.3 : 0.7 내지 0.9 : 0.1의 몰비(즉, x는 0.1 내지 0.7)로 결합된 것일 수 있다. 만일, 이러한 몰비를 벗어나는 코어 물질이 사용되는 경우, 상기 코어 물질 및 이를 포함하는 나노 복합체의 발광 효율 및 발광 특성이 크게 저하될 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 복합체가 생체 내 바이오 이미징 등을 위해 사용되기 어렵게 된다. 또한, 상기 몰비를 벗어나는 경우, 상기 코어 물질 및 이를 포함하는 나노 복합체의 제조 수율 또한 크게 저하될 수 있다.
그리고, 위 x = 0.1 내지 0.9, 바람직하게는 x = 0.1 내지 0.7로 되는 결합비 내에서 상기 Ag 및 In의 결합비를 적절히 조절함에 따라, 상기 나노 복합체의 발광 특성을 원하는 범위로 제어할 수 있다. 예를 들어, 후술하는 실시예를 통해서도 뒷받침되는 바와 같이, Ag의 몰비를 상대적으로 크게 하여 나노 복합체를 얻으면, 이러한 나노 복합체가 보다 긴 파장의 빛을 발광하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 나노 복합체를 사용하고자 하는 구체적 용도 및 이에 따른 바람직한 발광 특성에 따라, 이를 쉽게 제어하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 나노 복합체는 상기 코어 물질인 Ag1-xInxS2 및 상기 쉘 물질인 ZnS를 1 : 3 내지 1 : 0.2의 몰비로 포함하는 것이다. 후술하는 실시예를 통해서도 뒷받침되는 바와 같이, 이러한 몰비를 벗어나 코어 또는 쉘 물질의 어느 하나를 지나치게 높은 비율로 포함하는 경우, 상기 쉘로부터의 에너지 전달이나 기타 코어와 쉘의 상호 작용이 적절치 않게 되어, 상기 나노 복합체의 발광 효율 및 발광 특성이 낮아지게 됨이 밝혀졌다. 예를 들어, 상기 코어 물질에 대비한 쉘 물질의 몰비가 1 : 0.2에 못미치는 경우, 상기 나노 복합체는 거의 아무런 발광 특성을 나타내지 못하여, 양자점으로 적용되기 어렵다. 또한, 상기 코어 물질에 대비한 쉘 물질의 몰비가 1 : 3을 초과하는 경우에도, 일부 발광이 관찰되기는 하나 발광 강도가 매우 낮아 양자점으로서의 사용이 매우 어려움이 확인되었다.
이에 비해, 상기 특정한 몰비를 충족하는 나노 복합체는 생체 내 바이오 이미징 등을 위해 사용되기에 적합한 우수한 발광 특성을 나타냄이 밝혀졌다.
한편, 상기 발명의 일 구현예에 따른 나노 복합체는 구형의 나노 입자의 형태를 띨 수도 있지만, 나노 로드(rod), 나노 벨트 또는 나노 와이어와 같은 다양한 형태를 띌 수도 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 나노 복합체는 1 내지 30nm의 입자 크기를 갖게 되는데, 바람직하게는 5 내지 20nm, 더욱 바람직하게는 3 내지 20nm의 입자 크기를 가질 수 있다. 이때, 입자 크기는 구형의 반경이나, 로드 또는 와이어 형상의 단반경, 또는 벨트 형상의 단면의 한 변의 크기 등으로 정의될 수 있다.
이미 충분히 상술한 바와 같이, 상기 나노 복합체가 이러한 나노 스케일의 입자 크기를 가짐에 따라, 비로소 생체 내 바이오 이미징 등에 사용되기에 적합한 우수한 발광 효율 및 발광 특성(예를 들어, 우수한 발광 효율로의 가시광선 내지 근자외선 영역의 발광)을 나타낼 수 있으며, 기타 우수한 생체 내 적용성 등을 나타낼 수 있다.
그리고, 상기 입자 크기 범위 내에서 이를 적절히 조절함에 따라, 상기 나노 복합체의 발광 특성을 원하는 범위로 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 복합체의 입자 크기를 상대적으로 크게 하면, 이러한 나노 복합체가 보다 긴 파장의 빛을 발광하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 나노 복합체를 사용하고자 하는 구체적 용도 및 이에 따른 바람직한 발광 특성에 따라, 이를 쉽게 제어하여 사용할 수 있다.
한편, 상술한 나노 복합체는, 예를 들어, 티올기를 갖는 친수성 화합물로 표면 처리된 것일 수 있다. 이러한 표면 처리에 의해, 상기 나노 복합체의 표면이 친수성으로 개질 수 있으며, 이에 따라, 상기 나노 복합체의 생체 내 전달이 효과적으로 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 표면 처리를 통해, 상기 나노 복합체를 각종 생물학적 활성 물질 등으로 보다 용이하게 표지해 생체 내로 전달함으로서, 생체 내 각종 질병 등의 진단을 위한 바이오 이미징 또는 약물 전달 등의 용도로 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 표면 처리를 위한 친수성 화합물로는, 이전부터 양자점 등의 표면 개질을 위해 통상적으로 사용되던 티올기 함유 친수성 화합물을 모두 사용할 수 있다. 이러한 친수성 화합물의 예에는, 머캅토아세트산(mercaptoacetic acid), 시스테아민(cysteamine), 머캅토에탄올(mercaptoethanol) 등이 있으며, 이외에도 다양한 티올기 함유 친수성 화합물을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 나노 복합체는 다양한 생물학적 활성 물질로 표지된 상태로 적용될 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 복합체가 생체 내에 전달되어 종양 기타 각종 질병이나 생체 내의 다양한 생물학적 상태를 진단하기 위한 바이오 이미징이나, 생체 내의 특정 부위로 약물을 전달하기 위한 용도 등으로 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 적용의 대표적인 예로는, 암세포 표면에 특이적 수용체에 반응하는 생체물질로 상기 나노 복합체를 표지하고 생체 내에 전달하여, 이러한 나노 복합체의 발광 검출 등을 통해 생체 내 이동 및 결합부를 감지함으로서, 특정 종양을 진단하는 경우 등을 들 수 있다.
또한, 상기 나노 복합체는 약학적 활성 물질을 함유한 약물 내에 분산된 상태로 보다 효과적인 생체 내 약물 전달을 위해 적용될 수 있다. 보다 구체적으로, 한국 특허 공개 제 2009-0063818 호 등에 개시된 바와 같이, 실리카 등으로 코팅된 약물 전달체 내에 약물에 분산된 형태로 포함되어, 상기 약물 전달을 위해 적용될 수 있다. 이와 같이, 상기 나노 복합체가 약물 전달체 내에 포함될 경우, 약물의 표적이 되는 세포를 보다 효과적으로 검출 및 타겟팅하여, 이러한 세포에 선택적으로 약물 전달을 할 수 있게 하며, 이에 의한 보다 효과적인 약물 전달을 가능케 한다.
상기 나노 복합체를 약물 전달의 용도로 적용하는 보다 구체적인 방법은 상 기 한국 특허 공개 제 2009-0063818 호 등에 개시되어 있고, 기타 당업자에게 자명한 방법을 적용할 수 있다.
한편, 상기 나노 복합체에 표지 가능한 생물학적 활성 물질이나, 상기 나노 복합체와 함께 약물 전달체 내에 포함될 수 있는 약학적 활성 물질의 예는 특히 한정되지 않으며, 세포, 항원, 항체, 유전자, 단백질, 종양 마커-특이적 결합 물질 또는 항암제 등과 같은 모든 형태의 생물학적 또는 약학적 활성 물질로 될 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따라, 상술한 나노 복합체의 제조 방법이 제공된다. 이러한 나노 복합체의 제조 방법은 수계 용매 내에서, 아연 전구체, 은 전구체, 인듐 전구체 및 소듐 디티오카바메이트(C5H10NNaS2)를 침전 반응시키는 단계; 및 도데실 아민 용매 내에서, 상기 침전 반응 결과물을 열분해하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 제조 방법을 진행하면, 상술한 나노 복합체를 용이하게 제조할 수 있으며, 특히, 특정 황 전구체인 소듐 디티오카바메이트(C5H10NNaS2)와, 열분해 과정에서의 특정 아민계 용매인 도데실 아민 용매를 사용함에 따라, 양자점으로 바람직하게 적용 가능한 우수한 발광 특성을 나타내는 나노 스케일의 상술한 나노 복합체가 제조될 수 있음이 밝혀졌다.
상기 나노 복합체의 제조 방법에서, 상기 아연 전구체, 은 전구체 및 인듐 전구체로는 이전부터 나노 입자 등의 제조를 위해 사용되어 왔던 각 금속의 전구체 를 별다른 제한없이 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 아연 전구체, 은 전구체 또는 인듐 전구체로서 아연, 은 또는 인듐의 질화물, 황화물 또는 아세트화물을 사용할 수 있으며, 이러한 전구체의 대표적인 예로는 질산아연, 질산은 또는 인듐 아연 등이 있다.
또한, 이들 금속 전구체와 반응하는 황 함유 화합물(황 공급원)로는 소듐디에틸디티오카바메이트와 같은 소듐 디티오카바메이트(C5H10NNaS2)를 사용하게 되며, 이로서 상기 침전 반응에 의해 Zn(S2CN(C2H5)2)2-AgIn(S2CN(C2H5)2)2와 같은 특정한 중간체를 형성할 수 있다. 이러한 중간체 화합물에 대해 후술하는 특정 아민계 용매에서의 열분해 공정을 진행하면, 나노 스케일의 상술한 나노 복합체가 용이하게 얻어질 수 있으며, 이러한 나노 복합체를 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용 양자점 등으로 매우 바람직하게 적용할 수 있다.
한편, 상기 아연 전구체, 은 전구체 및 인듐 전구체와 특정 황 함유 화합물은 상술한 코어 물질과 쉘 물질의 몰비를 고려하여 적절한 함량비로 반응시키게 된다. 더 나아가, 이들 각 반응물은 제조하고자 하는 나노 복합체 및 구체적 용도와 이에 따른 바람직한 발광 특성, 또한, 이를 고려한 나노 복합체의 바람직한 조성(예를 들어, Ag와 In의 결합비 등) 등을 감안하여, 적당한 함량비로 사용해 반응시킬 수 있다.
이러한 반응 함량비의 조절 등을 통해, 원하는 적절한 파장의 빛을 발광하는 특성 등을 나타내는 나노 복합체를 얻을 수 있다.
한편, 상술한 각 금속 전구체 및 특정 황 함유 화합물을 반응시키면, 소듐 디티오카바메이트(C5H10NNaS2), 예를 들어, 소듐디에틸디티오카바메이트에 포함된 소듐이 상기 각 금속 전구체의 금속과 치환 및 결합된 복합 전구체, 예를 들어, Zn(S2CN(C2H5)2)2-AgIn(S2CN(C2H5)2)2가 형성된다. 이후, 이러한 복합 전구체를 도데실 아민 용매의 특정 아민계 용매 내에서 열분해함에 따라, 상기 나노 복합체를 제조할 수 있다.
특히, 이러한 열분해 단계에서는, 도데실 아민의 특정 아민계 용매를 사용하게 되는데, 이러한 도데실 아민 내에서 상기 열분해 반응을 진행하면, 열분해 반응이 비교적 서서히 진행되어 반응 시간이 상대적으로 오래 걸리지만, 상기 열분해 결과 형성되는 나노 복합체의 입자 크기의 변화폭이 크지 않아, 상기 나노 복합체의 입자 크기를 원하는 나노 스케일의 범위 내에서 용이하게 제어할 수 있으며, 원하는 발광 특성 등을 나타내는 나노 복합체를 보다 효과적으로 제조할 수 있다. 따라서, 상기 나노 복합체의 발광 특성 등을 보다 용이하고 정밀하게 제어하면서 양자점 등으로 바람직하게 적용 가능한 특성을 갖는 상기 나노 복합체를 얻을 수 있게 된다. 또한, 상기 도데실 아민을 사용하여 얻어진 나노 복합체는 보다 우수한 발광 강도 및 발광 특성을 나타낼 수 있다.
이에 비해, 올레일 아민 등의 다른 용매를 사용하는 경우, 반응 시간이 짧고 반응이 급격히 일어남에 따라, 나노 복합체의 입자 크기 변화 폭이 크기 때문에, 이러한 나노 복합체의 입자 크기나 발광 특성의 제어가 어렵게 될 수 있다. 더구 나, 이러한 올레일 아민을 사용하여 얻어진 나노 복합체는 상대적으로 낮은 발광 강도 및 발광 특성을 나타낸다.
또한, 상기 열분해 단계는 160 내지 250℃, 바람직하게는 180 내지 240℃에서 진행할 수 있다. 이러한 열분해 공정을 진행함에 따라, Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)를 포함하는 코어와, ZnS를 포함하는 쉘로 이루어진 나노 입자 형태의 나노 복합체가 용이하게 얻어질 수 있고, 특히, 상기 Ag와 In의 결합비가 적절히 조절되어 상기 나노 복합체가 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달 등을 위해 바람직하게 사용 가능한 우수한 발광 특성 등을 나타낼 수 있다.
그리고, 열분해 온도 범위 내에서, 이러한 온도를 적절히 조절함에 따라, 상기 나노 복합체의 입자 크기 및 발광 특성을 원하는 범위로 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 열분해 온도를 높일수록 보다 큰 입자 크기를 갖는 나노 복합체를 얻을 수 있으며, 이에 따라, 이러한 나노 복합체가 보다 긴 파장의 빛을 발광하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 나노 복합체를 사용하고자 하는 구체적 용도 및 이에 요구되는 발광 특성에 따라, 바람직한 특성으로 제어된 나노 복합체를 쉽게 제조할 수 있다.
한편, 상술한 나노 복합체의 제조 방법은 상기 열분해 단계 후에 형성된 나노 복합체를, 티올기를 갖는 친수성 화합물로 처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이때, 사용 가능한 친수성 화합물은 이미 상술한 바와 같으며, 이러한 단계의 부가에 따라 나노 복합체의 표면이 친수성으로 개질되어, 생체 내 전달이 용이하고 생물학적 활성 물질 등으로 쉽게 표지 가능한 나노 복합체가 얻어질 수 있다.
이러한 친수성 화합물의 처리 단계는, 열분해를 거친 나노 복합체를 클로로포름과 같은 유기 용매에 분산시킨 후 이에 친수성 화합물을 가하여 처리하는 방법으로 진행할 수 있다. 또한, 이러한 친수성 화합물 처리 단계는 pH 7~14, 바람직하게는 pH 9~13 하에서 진행하여 상기 나노 복합체의 표면을 효과적으로 개질할 수 있다.
상술한 방법으로 제조된 나노 복합체는 표면이 친수성으로 개질되어 각종 생물학적 활성 물질 등으로 쉽게 표지될 수 있고, 생체 내에서 효과적으로 전달되어 각종 질병의 진단을 위한 바이오 이미징 또는 생체 내 약물 전달 등의 용도로 바람직하게 사용될 수 있다. 특히, 상기 나노 복합체는 사용하고자 하는 용도에 따라 원하는 범위로 제어된 발광 특성을 나타내어, 생체 내에서 용이하게 검출될 수 있고, 이에 따라, 상기 바이오 이미징 등을 위해 매우 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 세포 독성을 나타내면서도 우수한 발광 특성 및 안정성 등을 나타냄에 따라, 생체 내에 효과적으로 전달되어 종양 기타 각종 질병의 진단을 위한 바이오 이미징이나 생체 내 약물 전달 등의 용도로 바람직하게 사용 가능한 나노 복합체 및 이의 제조 방법이 제공될 수 있다.
특히, 상기 나노 복합체의 구체적 적용 용도에 따라 그 발광 특성 등의 제반 물성을 용이하게 제어해 제공할 수 있으므로, 상기 바이오 이미징 등의 용도로 매우 바람직하게 사용 가능한 나노 복합체가 얻어질 수 있게 된다.
이하, 발명의 바람직한 실시예를 통하여 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 이는 예시로서 제시된 것에 불과하다.
실시예 1
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.5)
Zn(NO3)2·6H2O 0.093g, AgNO3 0.0266g 및 In(NO3)3 0.0611g을 증류수 12.5 ml에 넣고 용해시켰다. C5H10NNaS2 0.2817g을 증류수 2.5 ml에 녹인 후, 두 용액을 혼합하여 반응시킴으로서 침전물을 제조하였다. 제조된 침전물을 여과 및 건조하여 복합 전구체를 제조하였다. 이렇게 전구체를 CH3(CH2)11NH2의 19 ml에 넣고 180℃로 가열하여 실시예 1의 나노 복합체를 제조하였다. 이러한 나노 복합체를 투과전자현미경으로 입자의 크기를 관찰한 결과 3 ~ 6nm의 입자 크기를 가지고 있었다. 또한, 이러한 나노 복합체에서, Ag1-xInxS2의 코어 물질과, ZnS의 쉘 물질의 몰비는 1 : 1이었다.
실시예 2.
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.5)
복합 전구체를 CH3(CH2)11NH2의 19 ml에 넣고 200℃로 가열한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2의 나노 복합체를 제조하였다. 이러한 나노 복합체는 6 ~ 9nm의 입자 크기를 가지고 있었다. 또한, 이러한 나노 복합체에서, Ag1-xInxS2의 코어 물질과, ZnS의 쉘 물질의 몰비는 1 : 1이었다.
실시예 3.
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.5)
복합 전구체를 CH3(CH2)11NH2의 19 ml에 넣고 220℃로 가열한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 3의 나노 복합체를 제조하였다. 이러한 나노 복합체는 8 ~ 12nm의 입자 크기를 가지고 있었다. 또한, 이러한 나노 복합체에서, Ag1-xInxS2의 코어 물질과, ZnS의 쉘 물질의 몰비는 1 : 1이었다.
실시예 4.
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.5)
복합 전구체를 CH3(CH2)11NH2의 19 ml에 넣고 240℃로 가열한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 4의 나노 복합체를 제조하였다. 이러한 나노 복합체는 10 ~ 15nm의 입자 크기를 가지고 있었다. 또한, 이러한 나노 복합체에서, Ag1-xInxS2의 코어 물질과, ZnS의 쉘 물질의 몰비는 1 : 1이었다.
비교예 1
나노 입자의 제조 (Ag1-xInxS2; x=0.5)
ZnS의 쉘 물질을 포함하지 않고, Ag1-xInxS2만을 포함하는 나노 입자를 다음의 방법으로 제조하였다.
AgNO3 0.0266g 및 In(NO3)3 0.0611g을 증류수 12.5 ml에 넣고 용해시켰다. C5H10NNaS2 0.1409g을 증류수 2.5 ml에 녹인 후, 두 용액을 혼합하여 반응시킴으로서 침전물을 제조하였다. 제조된 침전물을 여과 및 건조하여 복합 전구체를 제조하였다. 이렇게 전구체를 CH3(CH2)11NH2의 19 ml에 넣고 220℃로 가열하여 비교예 1의 나노입자를 제조하였다.
비교예 2
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.5)
Zn(NO3)2·6H2O 0.372g, AgNO3 0.0266g 및 In(NO3)3 0.0611g을 증류수 50ml에 넣고 용해시켰다. C5H10NNaS2 1.1268g을 증류수 10ml에 녹인 후, 두 용액을 혼합하여 반응시킴으로서 침전물을 제조하였다. 제조된 침전물을 여과 및 건조하여 복합 전구체를 제조하였다. 이렇게 전구체를 CH3(CH2)11NH2의 38ml에 넣고 220℃로 가열하여 비교예 2의 나노 복합체를 제조하였다. 이러한 나노 복합체를 투과전자현미경으로 입자의 크기를 관찰한 결과 8 ~ 12nm의 입자 크기를 가지고 있었다. 또한, 이러한 나노 복합체에서, Ag1-xInxS2의 코어 물질과, ZnS의 쉘 물질의 몰비는 1 : 4이었다.
상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2에서 제조된 나노 복합체(또는 나노 입자)의 발광 특성을 Perkin Elmer LS50-B 및 Quartz 큐벳을 사용하고, 460 nm의 여기 파장을 이용하여 측정하였다. 실시예 1 내지 4의 비교 결과를 도 1에 도시하였고, 비교예 1 및 2의 측정 결과를 각각 도 2 및 3에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4의 나노 복합체는 대략 가시광선 영역에 속하는 다양한 파장의 빛을 발광할 수 있음이 확인되었다. 또한, 그 제조 조건 및 입자 크기를 조절하여, 상기 나노 복합체가 좁은 범위의 특정 파장의 빛을 발광하도록 용이하게 제어할 수 있음이 확인되었다.
이로부터, 상기 나노 복합체는 바이오 이미징 등을 통한 질병의 진단 등을 위해 바람직하게 사용 가능한 우수한 발광 특성을 나타냄이 확인되었다.
이에 비해, 코어 물질과 쉘 물질의 일정 몰비, 즉, 1 : 3 ~ 1 : 0.2를 벗어나, 쉘 물질을 포함하지 않거나(비교예 1), 쉘 물질을 높은 비율로 포함하는 경우(비교예 2), 실질적으로 발광이 관찰되지 않거나(비교예 1), 발광이 나타나지만 그 발광 강도가 지나치게 낮아서 바이오 이미징 등을 통한 질병의 진단을 위해 거의 사용이 불가능함이 확인되었다.
한편, 실시예 2의 나노 복합체와, 실시예 2에서 도데실 아민(CH3(CH2)11NH2) 대신 올레일 아민을 사용해 제조된 나노 복합체의 발광 특성을 마찬가지로 측정 및 비교하여 도 4에 도시하였다.
도 4를 참조하면, 도데실 아민을 사용해 얻어진 실시예 2의 나노 복합체는, 올레일 아민을 사용해 얻어진 것에 비해 우수한 발광 강도를 나타냄이 확인되었다. 또한, 대체적으로 올레일 아민을 사용해 얻어진 나노 복합체는 보다 넓은 발광 스펙트럼 폭을 나타냄이 확인되었으며, 이에 따라, 올레일 아민을 사용한 경우 나노 복합체의 입자 크기 분포의 폭이 크고 이의 입자 크기 및 발광 특성을 보다 정밀하게 제어하기 어려움이 확인되었다.
실시예 5.
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.1)
Zn(NO3)2·6H2O 0.093g, AgNO3 0.0053g 및 In(NO3)3 0.11g을 증류수 12.5 ml에 넣고 용해시켰다. C5H10NNaS2 0.2817g을 증류수 2.5 ml에 녹인 후, 두 용액을 혼합하여 반응시킴으로서 침전물을 제조하였다. 제조된 침전물을 여과 및 건조하여 복합 전구체를 제조하였다. 이렇게 전구체를 CH3(CH2)11NH2의 19 ml에 넣고 240℃로 가열하여 실시예 5의 나노 복합체를 제조하였다.
실시예 6.
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.3)
Zn(NO3)2·6H2O 0.093g, AgNO3 0.0159g 및 In(NO3)3 0.0855g 을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 실시예 6의 나노 복합체를 제조하였다.
실시예 7.
나노 복합체의 제조 (ZnS-Ag1-xInxS2; x=0.7)
Zn(NO3)2·6H2O 0.093g, AgNO3 0.0372g 및 In(NO3)3 0.0367g 을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 실시예 7의 나노 복합체를 제조하였다.
상기 실시예 5 내지 7에서 제조된 나노 복합체의 발광 특성을 Perkin Elmer LS50-B 및 Quartz 큐벳을 사용하고, 460 nm의 여기 파장을 이용하여 측정하고, 이에 대한 비교 결과를 도 5에 도시하였다. 또한, 실시예 6에서 제조된 나노 복합체에 대해 투과 전자현미경을 이용해 이미지를 관찰하고, 이러한 투과 전자현미경 사진을 도 6에 도시하였다.
도 5를 참조하면, 실시예 5 내지 7의 나노 복합체는 Ag 및 In의 결합비가 적절히 특정됨에 따라 대략 가시광선 영역에 속하는 다양한 파장의 빛을 우수한 발광 효율로 발광할 수 있음이 확인되었다. 또한, 상기 Ag 및 In의 결합비를 조절하여, 상기 나노 복합체가 특정 파장의 빛을 발광하도록 용이하게 제어할 수 있음이 확인되었다.
이로부터, 상기 나노 복합체는 바이오 이미징 등을 통한 질병의 진단 등을 위해 바람직하게 사용 가능한 우수한 발광 특성을 나타냄이 확인되었다.
실시예 8.
친수성 화합물로 처리된 나노 복합체의 제조
실시예 4에 의해 제조된 나노 복합체를 클로로포름에 분산시킨 후, 이 용액에 머캅토 아세트산(Mercaptoacetic acid)을 넣고 표면 처리하고 물 10ml를 넣어 표면 처리된 나노 복합체를 분리하였다. 이로부터 친수성 화합물로 표면 처리된 실시예 8의 나노 복합체를 제조하였다.
실시예 9.
친수성 화합물로 처리된 나노 복합체의 제조
실시예 4에 의해 제조된 나노 복합체를 클로로포름에 분산시킨 후, 이 용액에 시스테아민(Cysteamine)을 넣고 표면 처리하고 물 10ml를 넣어 표면 처리된 나 노 복합체를 분리하였다. 이로부터 친수성 화합물로 표면 처리된 실시예 9의 나노 복합체를 제조하였다.
실시예 10.
친수성 화합물로 처리된 나노 복합체의 제조
실시예 4에 의해 제조된 나노 복합체를 클로로포름에 분산시킨 후, 이 용액에 머캅토에탄올(Mercaptoethanol)을 넣고 표면 처리하고 물 10ml를 넣어 표면 처리된 나노 복합체를 분리하였다. 이로부터 친수성 화합물로 표면 처리된 실시예 10의 나노 복합체를 제조하였다.
비교예 3.
(1) CdTe/CdS 양자점 제조
Cd(NO3)2·4H2O 0.4535g을 도데실아민(Dodecylamine) 5g 과 트리옥틸포스핀 옥사이드(Trioctylphosphine oxide) 5g이 혼합된 용액에 넣어서 녹인 후, Te 0.16g을 트리옥틸포스틴(Trioctylphosphine) 5g에 녹인 용액을 첨가하였다. 이러한 혼합물을 가열하여 CdTe 코어를 제조하였다. 이러한 코어를 클로로포름과 메탄올을 이용하여 원심분리하고 분리 및 세척하였다. CdS 쉘을 형성하기 위하여, 제조된 코어를 도데실아민(Dodecylamine) 20g에 분산 시킨 후, Cd(NO3)2·4H2O 0.907g과 황 0.198g을 트리옥틸포스핀(Trioctylphosphine) 5g에 각각 용해시키고, 이들 두 용액 을 코어가 분산된 도데실아민 용액에 넣고 가열하여 CdTe 표면에 CdS 쉘을 형성하였다. 이러한 결과물을 클로로포름에 분산시킨 후, 이 용액에 머캅토 아세트산을 넣고 표면 처리하고, 물 10ml를 넣어 분리함으로서, 표제의 비교예 3의 양자점을 제조하였다.
시험예 1: 나노 복합체(양자점)의 세포 독성 평가
실시예 8 내지 10 및 비교예 3에서 제조된 나노 복합체(양자점)의 세포 독성을 다음과 같은 방법으로 평가하였다.
먼저, 96-well plate에 Vero세포를 증식시켰다. 각 나노 복합체(양자점) 시료들은 세포 증식을 중지시키기 위해 혈청이 제거된 배양액에 각 농도로 희석한 후, 세포 증식된 각 well에 100 uL씩 첨가되었다. 37℃, 5% CO2 배양기에서 24 시간 배양한 다음 MTT검색법으로 시료가 첨가된 각 well의 살아남은 세포 수를 시료가 첨가되지 않은 세포 control well과 비교하여 50%의 세포를 죽도록 한 시료의 농도를 CC50 (50% Cytotoxicity Concentration)으로 결정하였다. 이때, MTT검색법은 살아남은 세포의 mitochondrial dehydrogense가 노란색을 띤 MTT를 보라색을 지닌 formazan으로 환원시키고, 이 생성물을 유기용매로 녹여 흡광도를 측정함으로서 살아있는 세포와 죽은 세포의 수를 상대적으로 비교하는 방법이다. Microplate reader를 이용하여 540 nm와 690 nm에서의 흡광도를 읽었다. A540과 A690의 흡광편차에서 blank값을 뺀 후 세포 control과 비교하여 세포독성 값을 구하였다.
이러한 방법으로 얻은 실시예 8 내지 10 및 비교예 3의 세포 독성 평가 결과를 하기 표 1에 정리해 표시하였다.
[표 1]
샘플명 CC50 (50% cytotoxic concentration)
실시예 8 2.5924
실시예 9 2.9620
실시예 10 2.7969
비교예 3 0.02649
상기 표 1을 참조하면, 실시예 8 내지 10의 나노 복합체는 시료 첨가 후 50%의 세포가 죽게 되는 시료 농도를 뜻하는 CC50(50% Cytotoxity Concentration)이 비교예 3의 양자점에 비해 거의 100배 가까이 높을 정도로 낮은 세포 독성을 나타냄이 확인되었다.
따라서, 실시예 8 내지 10의 나노 복합체는 동물 모델/세포 모델 등에서 생체 내에 바람직하게 적용되어 바이오 이미징 또는 약물 전달 등의 용도로 바람직하게 사용 가능함이 확인되었다.
시험예 2: 나노 복합체를 이용한 바이오 이미징.
실시예 8에서 제조된 나노 복합체를 이용하여 마우스 조직에서의 발광 여부(바이오 이미징에 대한 적용 가능성)을 조사하였다. 마우스를 에테르로 흡입 마취시킨 후, 마우스의 복강을 70% 에탄올로 간이 소독하고 출혈 등이 생기지 않도록 피부만 절개하였다. 복강을 절개하여 내장이 노출된 후에, 위를 찾아 상기 실시예 8의 나노 복합체 50 uL를 위 조직에 주사하였다. 이러한 생체 조직 내에서의 나노 복합체의 발광 여부와 생체 내 이동 경로를 조사하였다.
도 7는 이러한 분석 과정 및 결과를 나타내는 사진이다. 도 7의 마지막 사진을 참조하면, 실시예 8의 나노 복합체는 실제 생체 내에서도 우수한 발광 효율로 발광을 나타낼 수 있어, 각종 질병의 진단을 위한 바이오 이미징이나 생체 내 약물 전달 등에 바람직하게 적용될 수 있음이 확인되었다.
도 1은 실시예 1 내지 4에서 제조된 나노 복합체의 발광 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 비교예 1 제조된 나노 입자의 발광 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 비교예 2에서 제조된 나노 복합체의 발광 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 2의 나노 복합체와, 도데실 아민 대신 올레일 아민을 사용해 얻어진 나노 복합체의 발광 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 5 내지 7에서 제조된 나노 복합체의 발광 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 6에서 제조된 나노 복합체의 투과 전자 현미경 사진이다.
도 7는 시험예 2에서 실시예 8의 나노 복합체를 마우스 조직 내에 이식하여 마우스 조직 내에서의 발광 여부를 분석하여 본 과정 및 결과(바이오 이미징 사진)를 나타내는 사진이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 수계 용매 내에서, 아연 전구체, 은 전구체, 인듐 전구체 및 소듐 디티오카바메이트(C5H10NNaS2)를 침전 반응시키는 단계; 및
    도데실 아민 용매 내에서, 상기 침전 반응 결과물을 열분해하여 생체 내 바이오 이미징 또는 약물 전달용 나노 복합체를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 나노 복합체는 Ag1-xInxS2(x는 0.1 내지 0.9이다.)를 함유한 코어; 및 상기 코어를 둘러싸고 있으며 ZnS를 함유한 쉘을 포함하고, 1 내지 30nm의 입자 크기를 가지며, 상기 Ag1-xInxS2 및 ZnS를 1 : 3 ~ 1 : 0.2의 몰비로 포함하는 나노 복합체의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 아연 전구체, 은 전구체 및 인듐 전구체는 각각 아연, 은 또는 인듐의 질화물, 황화물 또는 아세트화물을 포함하는 나노 복합체의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 열분해는 160 내지 250℃에서 진행하는 나노 복합체의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 열분해에 의해 형성된 나노 복합체를, 티올기를 갖는 친수성 화합물로 처리하는 단계를 더 포함하는 나노 복합체의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 친수성 화합물 처리 단계는 pH 7~14 하에서 진행하는 나노 복합체의 제조 방법.
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