KR100949398B1 - Multifunctional microcarrier for water dispersive nanoparticles and encapsulation method for the same - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 마이셀을 이용한 수분산성 나노입자의 다기능 마이크로운반체 및 이를 위한 캡슐화 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수분산성 나노입자의 다기능 마이크로운반체는 주위의 수용액 매질로 배향되는 극성 작용기와 비극성 매질로 배향되는 소수성 작용기를 말단에 갖는 양쪽성 고분자 마이셀과, 상기 양쪽성 고분자 마이셀에 캡슐화된 나노입자를 포함하여 이루어지며, 여기서, 상기 나노입자는, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 소수성 작용기에 의해, 상기 양쪽성 고분자 마이셀 내부에 캡슐화되고, 물에 분산될 때, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 극성 작용기가 주위의 수용액 매질로 배향된다. 상기 수분산성 나노입자 마이크로운반체는 반도성 나노입자, 금속산화물인 자성 나노입자 및 금속 나노입자를 모두 캡슐화할 수 있으며, 친수성을 부여하기 위한 복잡한 공정 없이, 나노 입자를 고분자 마이셀을 이용하여 캡슐화시킴으로써, 수분산성 나노입자 마이크로운반체가 용이하게 제조된다. 더 나아가, 상기 수분산성 나노입자 마이크로운반체는, 표면에 존재하는 나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산과 전이금속 이온 사이의 성공적 착화에 의해, 단백질에 대한 바이오컨쥬게이션 또는 생분리에 대한 잠재력을 갖는다.The present invention relates to a multifunctional microcarrier of water dispersible nanoparticles using a polymer micelle and an encapsulation method therefor. The multifunctional microcarrier of the water-dispersible nanoparticles according to the present invention includes an amphoteric polymer micelle having a polar functional group oriented in an aqueous solution medium and a hydrophobic functional group oriented in a nonpolar medium, and nanoparticles encapsulated in the amphoteric polymer micelle. Wherein the nanoparticles are encapsulated inside the amphoteric polymer micelle by the hydrophobic functional group of the amphoteric polymer micelle, and when dispersed in water, the polar functional groups of the amphoteric polymer micelle are surrounded by Is oriented in an aqueous solution medium. The water dispersible nanoparticle microcarrier can encapsulate all of the semiconducting nanoparticles, the magnetic nanoparticles which are metal oxides, and the metal nanoparticles, and by encapsulating the nanoparticles using a polymer micelle, without a complicated process for imparting hydrophilicity, Water dispersible nanoparticle microcarriers are readily prepared. Furthermore, the water dispersible nanoparticle microcarriers have potential for bioconjugation or bioseparation of proteins by the successful complexation of nitrilo- (di or tri) -carboxylic acids and transition metal ions present on the surface. Has

Description

고분자 마이셀을 이용한 수분산성 나노입자의 다기능 마이크로운반체 및 이를 위한 캡슐화 방법{MULTIFUNCTIONAL MICROCARRIER FOR WATER DISPERSIVE NANOPARTICLES AND ENCAPSULATION METHOD FOR THE SAME}MULTIFUNCTIONAL MICROCARRIER FOR WATER DISPERSIVE NANOPARTICLES AND ENCAPSULATION METHOD FOR THE SAME}

도 1은 구형 고분자 마이셀의 TEM 및 SEM 이미지로서, (a) 및 (b)는 순수한 고분자 마이셀의 TEM 이미지이고, (c) 및 (d)는 CdSe 나노입자가 캡슐화된 고분자 마이셀의 TEM 이미지이고, (c)의 삽입도는 CdSe 함유하는 마이셀 용액의 UV광에서의 사진이고, (e)는 순수한 고분자 마이셀의 SEM 이미지이고, (f)는 CdSe 나노입자가 캡슐화된 고분자 마이셀의 SEM 이미지이다.1 is a TEM and SEM images of spherical polymer micelles, (a) and (b) are TEM images of pure polymer micelles, (c) and (d) are TEM images of polymer micelles in which CdSe nanoparticles are encapsulated, Inset of (c) is a photograph in the UV light of the micelle solution containing CdSe, (e) is an SEM image of the pure polymer micelles, (f) is an SEM image of the polymer micelle encapsulated CdSe nanoparticles.

도 2는 나노입자 및 이들 함유하는 구형 고분자 마이셀 또는 TEM 이미지로서, (a)는 Fe₂O₃ 나노입자의 TEM 이미지이고, (b)는 Fe₂O₃ 나노입자가 캡슐화된 고분자 마이셀의 TEM 이미지이고, (c)는 CdSe 나노입자의 TEM 이미지이고, (d)는 두 종류의 나노입자, CdSe 나노입자와 Fe₂O₃ 나노입자가 캡슐화된 고분자 마이셀의 TEM 이미지이고, (e)는 금나노입자의 TEM 이미지이고, (f)는 금나노입자가 캡슐화된 고분자 마이셀의 TEM 이미지이다.2 is a nanoparticle and the spherical polymer micelle or TEM image containing them, (a) is a TEM image of Fe ₂ O ₃ nanoparticles, (b) is a TEM image of a polymer micelle encapsulated Fe ₂ O ₃ nanoparticles (C) is a TEM image of CdSe nanoparticles, (d) is a TEM image of a polymer micelle encapsulated two kinds of nanoparticles, CdSe nanoparticles and Fe ₂ O ₃ nanoparticles, (e) is gold nano TEM image of the particles, and (f) is a TEM image of the polymer micelle encapsulated gold nanoparticles.

도 3은 THF 용액에서의 CdSe/ZnS 양자점의 포토루미네슨스(실선) 및 고분자 마이셀에서의 CdSe/ZnS 양자점의 포토구미세슨스(점선)을 보여주는 포토루미네슨스 스펙트럼이다.FIG. 3 is a photoluminescence spectrum showing photoluminescence (solid line) of CdSe / ZnS quantum dots in THF solution and photogumisonance (dotted line) of CdSe / ZnS quantum dots in polymer micelles.

도 4는 고분자 마이셀에서의 Fe₂O₃ 나노입자의 VSM(vibrational sample magnetometers) 히스테레시스 루프를 보여주는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing vibrational sample magnetometers (VSM) hysteresis loops of Fe ₂ O ₃ nanoparticles in polymer micelles.

도 5는 α-(p-NTA)-폴리스티렌(화합물 2)(M_{n, GPC} = 4,900; M_w/M_n = 1.09)과 α-(NTA)-폴리스티렌(화합물 3)(M_{n, GPC} = 4,700; M_w/M_n = 1.40)의 GPC 크로마토그램을 보여주는 그래프이다.5 shows α- (p-NTA) -polystyrene (Compound 2 ) (M _{n, GPC} = 4,900; M _w / M _n = 1.09) and α- (NTA) -polystyrene (Compound 3 ) (M _{n, GPC} = 4,700; M _w / M _n = 1.40).

도 6은 THP에 용해된 순수 나노입자 용액(왼쪽)과 고분자 마이셀과 나노입자의 수분산액(오른쪽)의 사진으로서, (A) CdSe/ZnS, (B) CdSe/ZnS 및 Fe₂O₃의 혼합물, (C) Fe₂O₃ 및 (D) 금 나노입자이다.6 is a photograph of a pure nanoparticle solution (left) dissolved in THP and an aqueous dispersion of polymer micelles and nanoparticles (right), and a mixture of (A) CdSe / ZnS, (B) CdSe / ZnS and Fe ₂ O ₃ . , (C) Fe ₂ O ₃ and (D) gold nanoparticles.

본 발명은 고분자 마이셀을 이용한 수분산성 나노입자의 다기능 마이크로운반체 및 이를 위한 캡슐화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multifunctional microcarrier of water dispersible nanoparticles using a polymer micelle and an encapsulation method therefor.

수분산성 나노입자(water-dispersive nanoparticles)는 바이오이미징(M. Bruchez et al, Science, 1998, 281, 2013; X. Michalet et al, Science, 2005, 307, 538; I. L. Medintz et al, Nat Mater, 2005, 4, 435; W. J. Parak et al., Nanotechnology, 2003, 14, R15; J. K. Jaiswal et al., Nat Biotecnol, 2003, 21, 47; Z. Kaul et al., Cell Res Field, 2003, 13, 503), 생분리(I. S. Lee et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 10658; L. R. Moore et al., J Biochem Bioph Meth, 1998, 37, 11; A. Hultgren et al., J Appl Phys, 2003, 93, 7554; C. Bergemann et al., J Magn Magn Mater 1999, 194, 45; K. Rudi et al., Appl Environ Microb 1998, 64, 34; F. Caruso et al., Science, 1998, 282, 1111), 및 바이오센싱(W. C. W. Chan et al., Science, 1998, 281, 2016; J. M. Nam et al., Science, 2003, 301, 1884; R. Weissleder et al., Josephson, Nat Biotechnol 2005, 23, 1418; P. Alivisatos, Nat Biotechnol, 2004, 22, 47; M. Han et al., Nat Biotechnol 2001, 19, 631) 등에서 상당한 주목을 받고 있다. 금속, 금속 산화물 및 반도체 나노입자(Quantum dots, QDs)를 포함한 다양한 나노입자에 대한 몇몇 분산방법이 보고된 바 있다. 구체적으로, 반도체 나노입자(QDs) 분산 시스템으로서 고분자, 지질 및 티올계 리간드, 금속 나노입자 분산시스템으로서 4-(디메틸아미노)피리딘, 철산화물 나노입자 분산시스템으로서, 무수말레산이 보고된다 있다(D. I. Gittins et al., Angew Chem Int Edit, 2001, 40, 3001; H. T. Uyeda et al., J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3870; K. Vijaya Sarathy et al., Chem Commun, 1997, 537; W. Wang, et al., Langmuir, 1998, 14, 602; F. C. Meldrum et al., Langmuir 1994, 10, 2035; S. Chen et al., Langmuir, 2001, 17, 733). 이에 반해, 이미징을 위한 반도체 나노입자 및 생분리를 위한 자성 나노입자(megnetic nanoparticles)의 조합으로 이루어진 수분산성 다기능 마이크로운반체는, 응용의 중요성에도 불구하고, 단지 몇몇 만이 보고된 바 있다(D. K. Yi et al., J Am Chem Soc, 2005, 127, 4990; D. Wang et al., Nano Lett 2004, 4, 409; H. Gu et al., J Am Chem Soc, 2004, 126, 5664; T. R. Sathe et al., J Anal Chem 2006, 78, 562). Layer-by-Layer 또는 공유결합에 의해, 나노입자를 함유하는 메조포러스 실리카 비드 및 구형 템플릿 상에서의 어셈블리가 보고된 바 있다(J. Kim et al., Angew Chemi Int Edit 2006, 45, 4789; F. Caruso et al., J Am Chem Soc, 1998, 120, 8523; T. Cassagneau et al., Adv Mater, 2002, 14, 732; F. Caruso, Adv Mater, 2001, 13, 11; F. Caruso et al., Chem Mater 2001, 13, 109; F. Caruso et al., Adv Mater, 1999, 11, 950; V. Salgueirino-Maceira et al., Adv Funct Mater, 2005, 15, 1036; A. Rogach et al., Adv Mater, 2000, 12, 333; F. Caruso et al., Adv Mater, 2001, 13, 109).Water-dispersive nanoparticles are bioimaging (M. Bruchez et al, Science , 1998, 281 , 2013; X. Michalet et al, Science , 2005, 307 , 538; IL Medintz et al, Nat Mater , 2005, 4 , 435; WJ Parak et al., Nanotechnology , 2003, 14 , R15; JK Jaiswal et al., Nat Biotecnol , 2003, 21 , 47; Z. Kaul et al., Cell Res Field , 2003, 13 , 503), bio-isolated (IS Lee et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 , 10658; LR Moore et al., J Biochem Bioph Meth , 1998, 37 , 11; A. Hultgren et al., J Appl Phys , 2003, 93 , 7554; C. Bergemann et al., J Magn Magn Mater 1999, 194 , 45; K. Rudi et al., Appl Environ Microb 1998, 64 , 34; F. Caruso et al., Science , 1998, 282 , 1111), and biosensing (WCW Chan et al., Science , 1998, 281 , 2016; JM Nam et al., Science , 2003, 301 , 1884; R. Weissleder et al., Josephson, Nat Biotechnol 2005, 23 , 1418; P. Alivisatos, Nat Biotechnol , 2004, 22 , 47; M. Han et al., Nat Biotechnol 2001, 19 , 631). Several dispersion methods have been reported for various nanoparticles, including metals, metal oxides and semiconductor nanoparticles (Quantum dots, QDs). Specifically, polymers, lipids and thiol ligands as semiconductor nanoparticle (QDs) dispersion systems, 4- (dimethylamino) pyridine as metal nanoparticle dispersion systems, and maleic anhydride as iron oxide nanoparticle dispersion systems have been reported (DI). Gittins et al., Angew Chem Int Edit , 2001, 40 , 3001; HT Uyeda et al., J. Am. Chem. Soc., 2005, 127 , 3870; K. Vijaya Sarathy et al., Chem Commun , 1997, 537; W. Wang, et al., Langmuir , 1998, 14 , 602; FC Meldrum et al., Langmuir 1994, 10 , 2035; S. Chen et al., Langmuir , 2001, 17 , 733). In contrast, only a few have been reported for water-dispersible multifunctional microcarriers consisting of a combination of semiconductor nanoparticles for imaging and magnetic nanoparticles for bioseparation (DK Yi et. al., J Am Chem Soc , 2005, 127 , 4990; D. Wang et al., Nano Lett 2004, 4 , 409; H. Gu et al., J Am Chem Soc , 2004, 126 , 5664; TR Sathe et al., J Anal Chem 2006, 78 , 562). By layer-by-layer or covalent bonds, assemblies on mesoporous silica beads containing nanoparticles and spherical templates have been reported (J. Kim et al., Angew Chemi Int Edit 2006, 45 , 4789; F Caruso et al., J Am Chem Soc , 1998, 120 , 8523; T. Cassagneau et al., Adv Mater , 2002, 14 , 732; F. Caruso, Adv Mater , 2001, 13 , 11; F. Caruso et al., Chem Mater 2001, 13 , 109; F. Caruso et al., Adv Mater , 1999, 11 , 950; V. Salgueirino-Maceira et al., Adv Funct Mater , 2005, 15 , 1036; A. Rogach et al., Adv Mater , 2000, 12 , 333; F. Caruso et al., Adv Mater , 2001, 13 , 109).

일반적으로, 나노 입자는, 이것의 특성을 극대화시키기 위해, 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(TOPO) 등과 같은 표면 리간드(surface ligand)에 의해 캡핑된 채 사용된다. 나노입자를 물에 분산시키기 위해, 종래의 방법은 표면리간드에 의해 캡핑된 나노입자를 친수성 고분자와 반응시켜 수분산성 나노입자를 얻고 이를 물에 분산시키는 단계를 포함한다. 그러나, 상기한 방법은 까다로운 공정과 낮은 재현성에 의해 문제점을 야기한다.Generally, nanoparticles are used capped by surface ligands such as tri-n-octylphosphine oxide (TOPO) to maximize their properties. In order to disperse nanoparticles in water, conventional methods include reacting nanoparticles capped by surface ligands with a hydrophilic polymer to obtain water dispersible nanoparticles and dispersing them in water. However, the method described above causes problems due to difficult processes and low reproducibility.

본 연구에서, 우리는 표면 리간드로 캡핑된 나노 입자를 고분자의 마이셀 안에 캡슐화시킴으로써 보다 간단하게 수분산성 나노입자 마이크로운반체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다. 결과적으로, 본 발명에 따른 수분산성 나노입자 마이 크로운반체는 주위의 수용액 매질로 배향되는 극성 작용기와 비극성 매질로 배향되는 소수성 작용기를 갖는 양쪽성 고분자 마이셀과, 상기 양쪽성 고분자 마이셀 내부에 캡슐화된 나노입자를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따르면, 까다로운 직접적 화학결합 등의 공정 없이, 단순히 양쪽성 고분자 마이셀과 상기 마이셀 내부에 형성된 공동에 나노입자가 캡슐화된 채, 수분산성 나노입자 마이크로운반체가 얻어진다.In this study, we found that water-dispersible nanoparticle microcarriers can be prepared more simply by encapsulating nanoparticles capped with surface ligands in micelles of polymers. As a result, the water-dispersible nanoparticle microantibody according to the present invention comprises an amphoteric polymer micelle having a polar functional group oriented in an aqueous solution medium and a hydrophobic functional group oriented in a nonpolar medium, and nano-encapsulated inside the amphoteric polymer micelle. It consists of particles. According to the present invention, a water dispersible nanoparticle microcarrier is obtained while the nanoparticles are encapsulated in the amphoteric polymer micelles and the cavity formed inside the micelles without any difficult direct chemical bonding or the like process.

본 발명에 따른 수분산성 나노입자 마이크로운반체는 주위의 수용액 매질로 배향되는 극성 작용기와 비극성 매질로 배향되는 소수성 작용기를 말단에 갖는 양쪽성 고분자 마이셀과, 나노입자를 포함하며, 여기서, 상기 나노입자는, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 소수성 작용기에 의해, 상기 양쪽성 고분자 마이셀 내부에 캡슐화되고, 물에 분산될 때, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 극성 작용기가 주위의 수용액 매질로 배향된다. 이 때, 양쪽성 고분자 마이셀과 상기 마이셀 내부에 캡슐화되는 나노입자 사이에, 공유결합 등과 같은 직접적 화학 결합이 형성되어 있지 아니하며, 표면에 친수성 작용기를 갖는 고분자 마이셀에 의해 형성된 캡슐의 내부에, 나노입자가 삽입되어 있는 형태를 갖는다. 구체적으로, 상기 나노입자는, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 소수성 작용기에 의해, 상기 양쪽성 고분자 마이셀 내부에 캡슐화되고, 물에 분산될 때, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 극성 작용기가 주위의 수용액 매질로 배향된다. 결과적으로, 양쪽성 고분자 마이셀에 캡슐화된 나노입자는 수분산성을 갖는다. 이 때, 상기 나노입자는 표면 리간드(surface ligand)에 의 해 캡핑된 것이 바람직하다. 표면 리간드에 의해 캡핑된 나노입자의 제조는 아래의 논문에 상세히 기재되어 있다: Bawendi et al., J. Phys. Chem. B 2004, 108, 143; 및 Hyeon et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12798. 이 때, 상기 표면 리간드는 나노입자의 표면에 소수성을 부여하며, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 소수성 작용기와의 상호작용에 의해, 고분자 마이셀 내부에 캡슐화를 증진시킨다. 상기 표면 리간드의 예로는 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(TOPO), 트리-n-옥틸포스핀(TOP), 올레인산(Oleic acid), 올레일아민(Oleyl amine) 등이 있으며 소수성 유기용제에서 전자공여성 기능기 부분(-NH₂, -CO₂H, -P, -P=O)이 나노입자에 부착되어 나노입자끼리의 뭉쳐짐을 막고 소수성의 긴 알킬말단기들이 유기용매에 용해성을 부여한다. The water dispersible nanoparticle microcarrier according to the present invention comprises an amphoteric polymer micelle having a polar functional group oriented in an aqueous solution medium and a hydrophobic functional group oriented in a nonpolar medium, and nanoparticles, wherein the nanoparticles are And, by the hydrophobic functional group of the amphoteric polymer micelle, encapsulated inside the amphoteric polymer micelle, and when dispersed in water, the polar functional groups of the amphoteric polymer micelle are oriented in the surrounding aqueous medium. At this time, a direct chemical bond such as a covalent bond is not formed between the amphoteric polymer micelle and the nanoparticles encapsulated inside the micelle, and inside the capsule formed by the polymer micelle having a hydrophilic functional group on its surface, the nanoparticles Has an inserted shape. Specifically, the nanoparticles are encapsulated inside the amphoteric polymer micelle by the hydrophobic functional groups of the amphoteric polymer micelle, and when dispersed in water, the polar functional groups of the amphoteric polymer micelle are oriented to the surrounding aqueous medium. do. As a result, nanoparticles encapsulated in amphoteric polymer micelles are water dispersible. In this case, the nanoparticles are preferably capped by a surface ligand. The preparation of nanoparticles capped by surface ligands is described in detail in the following paper: Bawendi et al., J. Phys. Chem. B 2004, 108, 143; And Hyeon et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12798. At this time, the surface ligand imparts hydrophobicity to the surface of the nanoparticles and enhances encapsulation inside the polymer micelles by interaction with the hydrophobic functional groups of the amphoteric polymer micelles. Examples of the surface ligands include tri-n-octylphosphine oxide (TOPO), tri-n-octylphosphine (TOP), oleic acid, oleyl amine, and the like in the hydrophobic organic solvent. Female functional group moieties (-NH ₂ , -CO ₂ H, -P, -P = O) are attached to the nanoparticles to prevent the nanoparticles from agglomerating and the hydrophobic long alkyl terminal groups dissolve in the organic solvent.

상기 양쪽성 고분자 마이셀의 극성 작용기의 대표적 예로는 카르복실기를 함유하는 잔기(moiety)이다. 본 발명의 구체예에 따르면, 양쪽성 고분자 마이셀의 극성 작용기로서 나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산이 사용되었다. 나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산은, 다양한 전이금속 이온(예를 들면, Ni²⁺, Cu²⁺ 또는 Co³⁺)과 착물을 형성한 후, 히스티딘 유닛을 갖는 단백질에 대하여 높은 결합친화도를 갖고, 바이오컨쥬게이션 또는 생분리를 위한 링커로서 작용함이 잘 알려져 있다(J. Porath et al., Nature, 1975, 258, 598; L. R. Paborsky et al., Anal Biochem, 1996, 234, 60; D. B. Shieh et al., Nanotechnology, 2006, 17, 4174; H. L. Liu et al., ,J Biomol Struct Dyn, 2003, 21, 31; I. T. Dorn et al., J Am Chem Soc, 1998, 120, 2753). 따라서, 전이금속 이온과의 착화를 통해, 상기 나이 트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산은, 나노입자가 캡슐화된 고분자 마이셀에 친수성을 부여할 뿐만 아니라, 히스티딘-태그된 단백질(histidine-tagged protein)의 바이오컨쥬게이션 또는 생분리에 대한 응용성을 부여한다.Representative examples of the polar functional groups of the amphoteric polymer micelles are moieties containing carboxyl groups. According to an embodiment of the invention, nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid is used as the polar functional group of the amphoteric polymer micelles. Nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid complexes with various transition metal ions (e.g., Ni ²⁺ , Cu ²⁺ or Co ³⁺ ) and then binds high to the protein with histidine units. It is well known to have affinity and to act as a linker for bioconjugation or bioseparation (J. Porath et al., Nature , 1975, 258 , 598; LR Paborsky et al., Anal Biochem , 1996, 234 , 60; DB Shieh et al., Nanotechnology , 2006, 17 , 4® HL Liu et al. ,, J Biomol Struct Dyn , 2003, 21 , 31; IT Dorn et al., J Am Chem Soc , 1998, 120 , 2753 ). Thus, through complexation with transition metal ions, the nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid not only imparts hydrophilicity to the polymer micelles in which the nanoparticles are encapsulated, but also histidine-tagged protein ) For applicability to bioconjugation or bioseparation.

상기 양쪽성 고분자 마이셀의 소수성 작용기의 대표적 예로는 탄화수소 잔기(moiety)이다. 본 발명의 구체예에 따르면, 방향족 잔기(aromatic moiety), 특히 스티렌 유닛이 고분자 마이셀의 형성에 만족스런 결과를 제공하였다. Representative examples of hydrophobic functional groups of the amphoteric polymer micelles are hydrocarbon moieties. According to an embodiment of the invention, aromatic moieties, in particular styrene units, have provided satisfactory results for the formation of polymeric micelles.

본 발명의 가장 바람직한 구현예에 따르면, 상기 양쪽성 고분자 마이셀이 α-나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산 폴리스티렌에 의해 형성되는 것이다. 상기 α-나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산 폴리스티렌은 원자전달라디칼중합(atom transfer radical polymerization, "ATRP")을 통해, 100 - 300 nm 크기의 고분자 마이셀을 형성하였으며, 이것은 나노입자 및 약물전달에 적용하기 적당한 크기이다. 바람직하게는, α-나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산 폴리스티렌은 아래의 화학식 I로 표현된다.According to the most preferred embodiment of the present invention, the amphoteric polymer micelle is formed by α-nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid polystyrene. The α-nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid polystyrene formed a polymer micelle having a size of 100 to 300 nm through atom transfer radical polymerization (“ATRP”), which is a nanoparticle and It is a suitable size for drug delivery. Preferably, the α-nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid polystyrene is represented by the formula (I) below.

화학식 IFormula I

상기 화학식 I에서, Z₁ 및 Z₂는 C₁-C₃ 카르복실산을 의미하며, Z₃은 수소, C₁- C₃ 알킬 또는 C₁-C₃ 카르복실산을 의미하며, Z₄ 및 Z₅는 서로 독립적으로 수소 또는 C₁-C₄ 알킬을 의미하며, Q는 C₁-C₃ 알킬렌 또는 아미드기{NHCO}를 의미하며, X는 Cl, Br 또는 I를 의미하고, R₁, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 서로 독립적으로, C₁-C₄ 알킬, -OH, 아미노, 니트로기, -SO₃H, -COOH, -SH, -SR₆(R₆는 C₁-C₄ 알킬임), -C(O)R₇(R₇는 C₁-C₄ 알킬임), -C(O)OR₈(R₈는 C₁-C₄ 알킬임), -OC(O)R₉(R₉는 C₁-C₄ 알킬임) 및 -(CH₂)_m-R₁₀(여기서, R₁₀는 -OH, 아미노, 니트로기, -SO₃H, -COOH 또는 -SH이고, m은 1-4의 정수임)이고, k는 1-5의 정수이며, n은 5-200를 갖는다.In Formula I, Z ₁ and Z ₂ means a C ₁ -C ₃ carboxylic acid, and, Z ₃ is hydrogen, C ₁ - C ₃ means alkyl or C ₁ -C ₃ carboxylic acid and, Z _4, and Z ₅ independently of each other means hydrogen or C ₁ -C ₄ alkyl, Q means C ₁ -C ₃ alkylene or amide group {NHCO}, X means Cl, Br or I, R ₁ , R ₂ , R ₃ , R ₄ and R ₅ are independently of each other, C ₁ -C ₄ alkyl, -OH, amino, nitro group, -SO ₃ H, -COOH, -SH, -SR ₆ (R ₆ is C ₁ -C ₄ alkyl), -C (O) R ₇ (R ₇ is C ₁ -C ₄ alkyl), -C (O) OR ₈ (R ₈ is C ₁ -C ₄ alkyl),- OC (O) R ₉ (R ₉ is C ₁ -C ₄ alkyl) and-(CH ₂ ) _m -R ₁₀ , wherein R ₁₀ is -OH, amino, nitro group, -SO ₃ H, -COOH or -SH, m is an integer of 1-4), k is an integer of 1-5, n has 5-200.

본 발명에 따르면, 고분자 마이셀을 이용한 수분산성 나노입자 마이크로운반체는 반도성 나노입자, 금속산화물인 자성 나노입자 및 금속 나노입자를 모두 캡슐화할 수 있었으며, 두 종류 이상의 다른 나노입자의 조합에 대한 캡슐화도 가능하였다. 예를 들면, 자성 나노입자인 산화철 나노입자와 반도성 나노입자인 CdSe의 조합의 캡슐화도 용이하게 성취되었다. 나노입자가 고분자 마이셀 내부에 캡슐화된 후에도, 이들은 나노입자 본래의 특성이 그대로 유지되었다. 구체적으로, 고분자 마이셀 내부에 캡슐화된 CdSe 나노입자의 포토루미네선스는 유기 용매의 그것과 실질적으로 동일하였음을 확인할 수 있었다. 그리고, 고분자 마이셀 내부에 캡슐화된 γ-Fe₂O₃ 나노입자는 본래의 쌍자성 이력곡선을 나타내었다.According to the present invention, the water dispersible nanoparticle microcarrier using the polymer micelle was able to encapsulate all of the semiconducting nanoparticles, the magnetic nanoparticles which are metal oxides, and the metal nanoparticles. It was possible. For example, encapsulation of a combination of iron oxide nanoparticles, which are magnetic nanoparticles, and CdSe, which is a semiconducting nanoparticle, has also been readily achieved. Even after the nanoparticles were encapsulated inside the polymer micelles, they retained their original properties. Specifically, it could be confirmed that the photoluminescence of CdSe nanoparticles encapsulated inside the polymer micelle was substantially the same as that of the organic solvent. In addition, γ-Fe ₂ O ₃ nanoparticles encapsulated inside the polymer micelle exhibited an original dipole hysteresis curve.

상기 고분자 마이셀을 이용한 수분산성 나노입자 마이크로운반체는 약물 운반 시스템, 촉매, 반응체 등 다양하게 사용될 수 있다. 고분자 마이셀은, 주위의 수용액 매질로 배향된 극성 작용기와 비극성 매질로 배향된 소수성 작용기를 갖는 양쪽성 구조로 인해, 수분산성 마이크로운반체로서 사용될 수 있다(Y. Chen et al., Nano Lett 2002, 2, 1299; H. Fan et al., Nano Lett 2005, 5, 645; R. Bakalova et al., Anal Chem, 2006, 78, 592). 고분자 마이셀은, 이들이 나노입자가 아니라, 고분자의 구조에 따라 마이셀의 형태가 결정될 수 있기 때문에, 다양한 응용을 가능하게 한다. 구체적으로, 고분자 마이셀은, 고분자의 종류와 구조를 조절하여 목적성 고분자의 설계를 가능하게 한다. 마이셀의 장점과 나노 입자의 장점을 동시에 응용할 수 있는 시너지 효과를 가질 수 있으며, 물에서의 분산을 가능하게 함으로써 생물학적 분야에 더 많은 응용을 가능하게 할 수 있다.The water dispersible nanoparticle microcarrier using the polymer micelle may be used in various ways such as drug delivery systems, catalysts, and reactants. Polymeric micelles can be used as water dispersible microcarriers because of the amphoteric structure having polar functional groups oriented in an aqueous solution medium and hydrophobic functional groups oriented in a nonpolar medium (Y. Chen et al., Nano Lett 2002, 2). , 1299; H. Fan et al., Nano Lett 2005, 5 , 645; R. Bakalova et al., Anal Chem , 2006, 78 , 592). Polymer micelles enable a variety of applications because they are not nanoparticles, but the shape of the micelles can be determined according to the structure of the polymer. Specifically, the polymer micelles enable the design of the target polymer by controlling the type and structure of the polymer. Synergy can be applied to the advantages of the micelles and the advantages of nanoparticles at the same time, it is possible to enable more applications in the biological field by enabling the dispersion in water.

상기 고분자 마이셀을 이용한 수분산성 나노입자 마이크로운반체는 a) 표면 리간드에 의해 캡핑된 나노입자가 용해된 유기용액에, 주위의 수용액 매질로 배향되는 극성 작용기와 비극성 매질로 배향되는 소수성 작용기를 말단에 갖는 양쪽성 고분자 마이셀과 물을 첨가하는 단계, 및 b) 상기 단계 a)의 이계면 매질(two phase medium)로부터 유기상을 증발시켜 제거하는 단계에 의해 제조된다. 물의 첨가는 고분자 마이셀의 자발적 형성을 가능하게 하고, 이것은 성공적인 캡슐화와 나노입자의 수용액 분산을 제공한다. 따라서, 친수성을 부여하기 위한 복잡한 공정 없이, 나노 입자를 고분자 마이셀을 이용하여 캡슐화시킴으로써, 수분산성 나노입자 마이크로운반체가 용이하게 제조된다. The water dispersible nanoparticle microcarrier using the polymer micelle has a) an organic solution in which the nanoparticles capped by the surface ligand are dissolved, and has a polar functional group oriented in an aqueous solution medium around it and a hydrophobic functional group oriented in a nonpolar medium. Adding amphoteric polymer micelle and water, and b) evaporating and removing the organic phase from the two phase medium of step a). The addition of water allows for spontaneous formation of the polymer micelles, which provides for successful encapsulation and aqueous solution dispersion of nanoparticles. Thus, by encapsulating the nanoparticles using polymer micelles without the complicated process of imparting hydrophilicity, the water dispersible nanoparticle microcarrier is easily produced.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명의 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명의 이해를 위해 제시되는 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것 으로 이해되어서는 안된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. These examples are presented for the understanding of the present invention, and the scope of the present invention should not be understood as being limited to these examples.

물질matter

스티렌(Junsei)는 CaH₂를 넣고 진공 정제하여 사용하며, Cu(I)Cl(Aldrich)는 문헌(J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 674-680)을 따라 정제하여 사용한다. N,N,N',N'',N''-펜타메틸디에틸렌트리아민(PMDETA, Aldrich)는 진공 정제를 하여 사용하였다. 또한 다른 시약들은 모두 알드리치에서 구입하여 정제 없이 바로 사용하였다. 광개시제는 문헌(Langmuir 2003, 19, 1671-1680)을 따라 합성하였다.Styrene (Junsei) is used by vacuum purification with CaH ₂ and Cu (I) Cl (Aldrich) is used according to the purification (J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 674-680). N, N, N ', N ", N" -pentamethyldiethylenetriamine (PMDETA, Aldrich) was used by vacuum purification. All other reagents were purchased from Aldrich and used directly without purification. Photoinitiators were synthesized according to Langmuir 2003, 19, 1671-1680.

기기device

분자량(M_n)과 분자량 분포(M_w/M_n)는 겔 투과 크로마토그래피 분석기를 통해 측정하였으며, 스티렌으로 기준을 잡았다(Agilent 1100 펌프, RID 검출기 및 PSS SDV 컬럼 (5 μm, 10⁵, 10³, 10² Å, 8.0 X 300.0 mm). Varian Unity Plus 300 기기로부터 NMR 스펙트럼을 얻었으며, Mattson Istruments, Inc. 1001 Fourier Drive, Model GL-5060 기기로 IR 스펙트럼을 얻었다. TEM 이미지는 H-100 HITACHI 기기를 사용해 120 kV에서 측정하였으며, SEM 이미지는 Hitachi S4200/PCI와 Horiba/EX-250(EDX)를 사용하였다. Model 7407 LakeShore 기기로 VSM 히스테레시스 루프를 얻었다. Oceanoptics USB 4000 기기를 사용해 형광을 측정하였다Molecular weight (M _n ) and molecular weight distribution (M _w / M _n ) were measured by gel permeation chromatography analyzer and standardized with styrene (Agilent 1100 pump, RID detector and PSS SDV column (5 μm, 10 ⁵ , 10 ³ , 10 ² Å, 8.0 X 300.0 mm) NMR spectra were obtained from a Varian Unity Plus 300 instrument and IR spectra were obtained from a Mattson Istruments, Inc. 1001 Fourier Drive, Model GL-5060 instrument. Measurements were made at 120 kV using a HITACHI instrument and SEM images were taken using Hitachi S4200 / PCI and Horiba / EX-250 (EDX) A VSM hysteresis loop was obtained with the Model 7407 LakeShore instrument Fluorescence using an Oceanoptics USB 4000 instrument Was measured

나노입자의 제조Preparation of Nanoparticles

반도성 나노입자인 CdSe 나노입자는 다음의 방법으로 제조되었다. 4 mL TOP(트리-옥틸포스핀), 951 mg Cd(CH₃COO)₂ 및 1.7 g of HDDO(1,2-헥사데칸디올)을 혼합하여 Cd 전구체 혼합물을 얻었다. 얻어진 혼합물을 100℃에서 1시간 동안 탈가스화하고, 아르곤으로 하제(purge)하고, 상온으로 냉각하였다. 6mL of 1.5M TOPSe (트리옥틸포스핀 셀레나이드)를 Cd 전구체 혼합물에 첨가하고, 얻어진 조합체를, 건조 아르곤 상에서, 시린지에 로딩하였다. 6.25 g (TOPO), 5.75 g HDA(헥사데실아민) 및 3.4 mL TOP를 140℃에서 건조하고 탈가스화하였다. 아르곤 하에서, 용융 반응 용매의 온도를 360℃로 상승시켰다. 시린지 내의 반응 혼합물을 교반 용매에 재빨리 주입하고, 열을 제거하였다. 반응 용액의 온도를 90℃로 하강시켜, 표면리간드, 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(TOPO)에 의해 캡핑된 CdSe 나노입자의 결정을 얻었다.CdSe nanoparticles, which are semiconducting nanoparticles, were prepared by the following method. 4 mL TOP (tri-octylphosphine), 951 mg Cd (CH ₃ COO) ₂ and 1.7 g of HDDO (1,2-hexadecanediol) were mixed to obtain a Cd precursor mixture. The resulting mixture was degassed at 100 ° C. for 1 hour, purged with argon and cooled to room temperature. 6 mL of 1.5 M TOPSe (trioctylphosphine selenide) was added to the Cd precursor mixture and the resulting combination was loaded onto a syringe on dry argon. 6.25 g (TOPO), 5.75 g HDA (hexadecylamine) and 3.4 mL TOP were dried at 140 ° C. and degassed. Under argon, the temperature of the molten reaction solvent was raised to 360 ° C. The reaction mixture in the syringe was quickly poured into the stirring solvent and heat was removed. The temperature of the reaction solution was lowered to 90 ° C. to obtain crystals of CdSe nanoparticles capped by surface ligand, tri-n-octylphosphine oxide (TOPO).

이와 유사한 방법으로 자성 나노입자인 Fe₂O₃ 나노입자를 이전의 보고, Hyeon et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12798에 기재된 방법으로 얻었다.In a similar manner, Fe ₂ O ₃ nanoparticles, magnetic nanoparticles, were previously reported, Hyeon et al., J. Am. Chem. Soc. Obtained by the method described in 2001, 123, 12798.

금나노입자 합성을 위해 아세트화 금(Au(CH₃COO)₃, 0.08 mmol, 30 mg)를 탈가스화된 올레인산 (0.25 mmol, 70.5 mmg), 올레일아민 (0.24 mmol, 64.08 mg) 및 8ml의 옥타데센 용액에 첨가하였다. 얻어진 혼합물의 온도를 분당 0.5℃의 속도로 천천히 가열하여 110℃까지 상승시키고, 30분 동안 유지한 후, 상온으로 냉각하여, 표면리간드(올레인산과 올레일아민)에 의해 캡핑된 금나노입자를 제조하였다.Acetylated gold (Au (CH ₃ COO) ₃ , 0.08 mmol, 30 mg) was subjected to degassed oleic acid (0.25 mmol, 70.5 mmg), oleylamine (0.24 mmol, 64.08 mg) and 8 ml for gold nanoparticle synthesis. It was added to the octadecene solution. The resulting mixture was slowly heated at a rate of 0.5 ° C. per minute to raise it to 110 ° C., held for 30 minutes, and then cooled to room temperature to prepare gold nanoparticles capped by surface ligands (oleic acid and oleylamine). It was.

N',N'N ', N' -비스[(t-부틸옥시카르보닐)메틸]--Bis [(t-butyloxycarbonyl) methyl]- N''N '' -브로모이소부티릴-L-리신 t-부틸 에스테르{화합물 1: α-(p-NTA)}의 합성-Bromoisobutyryl-L-lysine t-butyl ester {Compound 1: α- (p-NTA)}

질소분위기에서, N ^α ,N ^α -비스[(t-부틸옥시카르보닐)메틸]-L-리신 t-부틸 에 스테르(p-AB NTA, 342 mg, 7.7 X 10^-1 mmol)와 트리에틸아민(TEA, 320 ㎕, 2.3 mmol)이 용해된 50.0 ml 테트라히드로푸란(THF) 혼합용액에, 얼음 반응조에서 교반하면서, 2-브로모이소부티릴 브로마이드(103.7 ㎕, 8.5 X 10^-1 mmol)를 1시간 동안 적가하였다. 상기 산 브로마이드를 완전히 첨가한 후, 실온에서 12시간 동안 추가로 교반하였다. THF를 증발시킨 후, 혼합물을 100 ml CH₂Cl₂에 녹이고, 물 100ml을 사용하여 5회 세척하였다. 미정제 생성물을 칼럼 크로마토그래피(용출액: n-헥산:에틸아세테이트 = 4:1)로 정제하여 목적하는 화합물 1을 합성하였다.In a nitrogen atmosphere, a mixture of N ^α , N ^α -bis [(t-butyloxycarbonyl) methyl] -L-lysine t -butyl ester (p-AB NTA, 342 mg, 7.7 X 10 ^-1 mmol) and tree To a 50.0 ml tetrahydrofuran (THF) mixed solution in which ethylamine (TEA, 320 μl, 2.3 mmol) was dissolved, while stirring in an ice bath, 2-bromoisobutyryl bromide (103.7 μl, 8.5 × 10 ⁻¹ mmol ) Was added dropwise for 1 hour. After the acid bromide was completely added, it was further stirred at room temperature for 12 hours. After evaporating THF, the mixture was taken up in 100 ml CH ₂ Cl ₂ and washed five times with 100 ml of water. The crude product was purified by column chromatography (eluent: n-hexane: ethyl acetate = 4: 1) to synthesize desired compound 1.

¹H NMR (300 MHz, CDCl₃) δ 1.38(s, 18H), 1.40 (s, 9H), 1.49 (m, 2H), 1.60 (m, 2H), 1.65 (m, 2H), 1.88 (s, 6H) 3.20 (t, 2H), 3.25 (t, 1H), 3.42 (dd, 4H). ¹ H NMR (300 MHz, CDCl ₃ ) δ 1.38 (s, 18H), 1.40 (s, 9H), 1.49 (m, 2H), 1.60 (m, 2H), 1.65 (m, 2H), 1.88 (s, 6H) 3.20 (t, 2H), 3.25 (t, 1H), 3.42 (dd, 4H).

MS(ESI-MASS): 실측치 601 , 계산치 C₂₆H₄₇N₂O₇Br₁Na₁(M+Na⁺) m/z 601.2.MS (ESI-MASS): found 601, calcd C ₂₆ H ₄₇ N ₂ O ₇ Br ₁ Na ₁ (M + Na ⁺ ) m / z 601.2.

α-(p-NTA)-폴리스티렌 (화합물 2)의 합성Synthesis of α- (p-NTA) -polystyrene (Compound 2)

스티렌(1.0 ml)와 아니솔(1.0 ml)을 질소분위기의 쉬렌크 플라스크(Schlenk flask)에 첨가하였다. 동결-펌프-해동 사이클을 3번 반복한 뒤, CuCl(36.4 mg)와 dNbpy (300.8mg)을 상기 플라스크에 첨가하고, 다시 2회의 동결-펌프-해동 사이클을 수행하였다. 상기 플라스크를 110℃의 오일 반응조에 위치시켰다. 광개시제 (106. 5mg, 18.4 X 10^-2 mol)를 상기 플라스크에 추가하였다. 생성물을 메탄올에 침 전시켜 573 mg의 α-(p-NTA)-폴리스티렌 2를 얻었다.Styrene (1.0 ml) and anisole (1.0 ml) were added to a Schlenk flask in a nitrogen atmosphere. After three freeze-pump-thaw cycles, CuCl (36.4 mg) and dNbpy (300.8 mg) were added to the flask, followed by two freeze-pump-thaw cycles. The flask was placed in an oil reactor at 110 ° C. Photoinitiator (106. 5 mg, 18.4 × 10 ⁻² mol) was added to the flask. The product was precipitated in methanol to give 573 mg of α- (p-NTA) -polystyrene 2 .

α-(NTA)-폴리스티렌(화합물 3)의 합성Synthesis of α- (NTA) -polystyrene (Compound 3)

화합물 2(300 mg, 61.2 X 10^-3 mmol)와 20.0 ml CH₂Cl₂를 플라스크에 넣고 트리플루오로 아세트산(TFA, 136.7 ㎕, 18.4 X 10^-4 mol)을 첨가하였다. 12시간 동안 실온에서 교반시킨 후, 메탄올에 침전시켜 187 mg의 α-(NTA)-폴리스티렌 3을 얻었다. Compound 2 (300 mg, 61.2 × 10 ⁻³ mmol) and 20.0 ml CH ₂ Cl ₂ were placed in a flask and trifluoro acetic acid (TFA, 136.7 μl, 18.4 × 10 ⁻⁴ mol) was added. After stirring for 12 hours at room temperature, precipitated in methanol gave 187 mg of α- (NTA) -polystyrene 3 .

화합물 3은, CH₂Cl₂/TFA에서, t-부틸기의 제거에 의해서 얻어졌다 t-부틸기의 제거는 ¹H-NMR에서 확인하였다. ¹H-NMR 분석에서, t-부틸기가 제거된 후, t-부틸기의 프로톤에 의한 1.38 ppm에서의 피크와 1.40 ppm에서의 피크가 사라졌다. 또한 GPC를 통해 NTA 말단의 구조가 바뀌었음을 확인할 수 있었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 분자량의 최고값은 거의 비슷하지만, t-부틸기가 제거된 후, 높은 분자량 부분의 뭉침 현상과 상당한 끌림(tailing)이 관측되었다. 이것은 t-부틸기가 이 제거되었음을 보여준다. GPC 상에서의 중량평균 분자량은 5×0³ - 1×10⁴ g/mol의 범위를 가졌다.Compound 3 was obtained by removing t-butyl group in CH ₂ Cl ₂ / TFA. Removal of t-butyl group was confirmed by ¹ H-NMR. ^{In the 1} H-NMR analysis, after the t-butyl group was removed, the peak at 1.38 ppm and the peak at 1.40 ppm by the proton of the t-butyl group disappeared. It was also confirmed that the structure of the NTA terminal was changed through GPC. As shown in FIG. 5, the peak values of the molecular weight were about the same, but after the t-butyl group was removed, agglomeration of the high molecular weight portion and significant tailing were observed. This shows that the t-butyl group has been removed. The weight average molecular weight on a GPC was 5 × 0 ³ - had a range of 1 × 10 ⁴ g / mol.

캡슐화 절차Encapsulation Procedure

건조된 THF에 다양한 나노입자를 용해시켜, THF 용액 시편들을 준비하였다. 고분자 마이셀 용액은, α-NTA-폴리스테렌 3(1 mg) 수용액과 나노입자가 용해된 THF 용액(1 ml)을 이용한, 용매증발법에 의해서 제조되었다. 준비한 THF 용액 1 ml 에 α-NTA-폴리스테렌 3(1 mg)을 녹인 후 빠르게 교반시키면서 물(3ml, BAKER ANALYZED HPLC Reagent)을 점차적으로 떨어뜨렸다. 그 후, 60℃에서 3시간 동안 열을 가해 THF를 제거하고 30분 동안 초음파 분해를 시켜주었다. 두 가지 종류의 나노 입자를 캡슐화하는 실험은 0.5 ml CdSe와 0.5 ml Fe₂O₃의 THF 용액을 사용하여 같은 방법으로 제조하였다.Various nanoparticles were dissolved in dried THF to prepare THF solution specimens. The polymer micelle solution was prepared by solvent evaporation using α-NTA-polystyrene 3 (1 mg) aqueous solution and THF solution (1 ml) in which nanoparticles were dissolved. After dissolving α-NTA-polystyrene 3 (1 mg) in 1 ml of the prepared THF solution, water (3 ml, BAKER ANALYZED HPLC Reagent) was gradually dropped while rapidly stirring. Thereafter, heat was applied at 60 ° C. for 3 hours to remove THF and sonication for 30 minutes. Experiments to encapsulate two kinds of nanoparticles were made in the same manner using THF solutions of 0.5 ml CdSe and 0.5 ml Fe ₂ O ₃ .

CdSe를 포함하는 마이크로운반체와 Ni의 복합체 제조 방법Method for preparing a composite of Ni-carrier and Ni containing CdSe

CdSe를 함유하는 고분자 마이셀 용액(1.5 ml)을 Ni 용액에 첨가하였다. 이 혼합용액을 이틀 동안 교반기에서 흔들어 준 다음, 셀룰로즈 에스테르 멤브레인 백 (Spectra/PoRCE, 몰질량 컷오프: 2,000)을 사용하여 삼투(dialysis)시켰다. 바깥의 물은 이틀 동안 3회 바꾸어 주었다.Polymer micelle solution (1.5 ml) containing CdSe was added to the Ni solution. This mixed solution was shaken in a stirrer for two days and then subjected to osmosis using a cellulose ester membrane bag (Spectra / PoRCE, molar mass cutoff: 2,000). The water outside was changed three times over two days.

TEM과 SEM을 통한 분석Analysis by TEM and SEM

TEM 시료는 실온에서 TEM 그리드(카본 코팅 그리드)를 마이크로운반체 용액에 담근 후 꺼내어 여과지를 사용하여 건조시켜 준비하였다. SEM 시료는 실온에서 탄소 코팅된 양면 테이프 위에 마이크로운반체 용액을 한 방울 떨어뜨려 자연 건조시킨 다음, 이온 증착기로 Pt 코팅하여 준비하였다.TEM samples were prepared by dipping a TEM grid (carbon coated grid) in a microcarrier solution at room temperature and taking it out and drying using a filter paper. SEM samples were prepared by naturally drying a drop of a microcarrier solution on a carbon-coated double-coated tape at room temperature, and then Pt-coated with an ion evaporator.

결과 및 토의Results and discussion

나노입자를 함유하지 않는 고분자 마이셀을 우선 용매증발방법으로 제조하였다. NTA-폴리스티렌의 THF 용액에, 빠르게 교반하면서, 물을 천천히 첨가한 후, 60℃에서 3시간 동안 추가로 교반하여 THF를 완전히 제거하였다. 도 1(a) 및 도 1(b) 는 100 - 300 nm 크기의 고분자 마이셀의 TEM 이미지를 보여준다. 우리는 대부분의 고분자가, 양 말단에 배치된 카르복실기와 소수성 탄화수소 잔기의 양쪽성 특성에 의해, 오염없는 구형 마이셀을 형성함을 확인할 수 있었다. 반도성 나노입자(semiconductor nanoparticles or quantum dots)인 CdSe 나노입자가 고분자와 혼합될 때, 이들은 유사한 크기의 마이셀 내부에서 규칙적으로 패킹되었다. 도 1(c) 및 도 1(d)는 CdSe 나노입자가 고분자 마이셀 내부에 캡슐화된 TEM 이미지를 구체적으로 보여준다. 이유가 명확하게 밝혀진 것은 아니지만, CdSe의 캡핑제로서 사용된 표면 리간드의 입체 장애가 중요한 역할을 하는 것으로 믿어진다. 마이셀 내부에서, CdSe 나노입자는, 이전과 동일하게, 밝은 루미네센스를 나타내었다(도 1(c)의 삽입도 참조). FE-SEM 이미지는 순수한 마이셀{도 1(e)}과 양자점(quantum dots)이 캡슐화된 마이셀{도 1(f)}이 유사한 크기의 구형 마이셀이 형성됨을 구체적으로 보여준다.Polymer micelles containing no nanoparticles were first prepared by a solvent evaporation method. To the THF solution of NTA-polystyrene, water was added slowly with rapid stirring, followed by further stirring at 60 ° C. for 3 hours to completely remove THF. 1 (a) and 1 (b) show TEM images of polymer micelles of 100-300 nm size. We found that most of the polymers formed spherical micelles without contamination due to the amphoteric nature of the carboxyl groups and the hydrophobic hydrocarbon residues disposed at both ends. When CdSe nanoparticles, which are semiconductor nanoparticles or quantum dots, were mixed with polymers, they were regularly packed inside micelles of similar size. 1 (c) and 1 (d) show TEM images in which CdSe nanoparticles are encapsulated inside a polymer micelle. Although the reasons are not clear, it is believed that steric hindrance of the surface ligands used as capping agents for CdSe plays an important role. Inside the micelles, the CdSe nanoparticles showed bright luminescence as before (see also inset in FIG. 1 (c)). The FE-SEM image specifically shows that pure micelles (Fig. 1 (e)) and micelles encapsulated with quantum dots (Fig. 1 (f)) form spherical micelles of similar size.

상기한 고분자 마이셀의 유용성을 테스트하기 위해, 자성 나노입자인 γ-Fe₂O₃와 금속 나노입자인 금나노입자를 사용하여, 유사한 캡슐화 실험을 수행하였다. 도 2의 TEM 이미지는 이들이 고분자 마이셀 내부에 성공적으로 캡슐화됨을 보여준다. 도 2(a) 및 도 2(b)는 각각 나노입자 γ-Fe₂O₃의 TEM 이미지와 고분자 마이셀에 캡슐화된 γ-Fe₂O₃의 TEM 이미지이다. 마이셀 내부에서의 규칙성은 양자점보다는 다소 낮았으며, 몇몇 응집체가 발견되었다. 다기능성 어셈블리를 제조하기 위해, γ-Fe₂O₃ 나노입자와 CdSe 나노입자를 혼합하고, 이들을 한꺼번에 마이셀 내부 에 캡슐화하였다. 두 종류의 나노입자, γ-Fe₂O₃ 나노입자와 CdSe 나노입자의 캡슐화된 TEM 이미지를 보여주는 도 2(d)는 두 종류의 나노입자가 성공적으로 캡슐화되었음을 보여준다. 이것은, 고분자 마이셀을 이용하여, 자성과 형광을 갖는 새로운 조합을 제안한다. 금속 나노입자인 금 나노입자도 마찬가지로 고분자 마이셀 내부에 캡슐화되었으며, 이것은 금나노입자의 TEM 이미지{도 2(e)} 및 금나노입자가 캡슐화된 마이셀의 TEM 이미지{도 2(f)}에서 확인할 수 있었다.To test the usefulness of the polymer micelles, similar encapsulation experiments were performed using γ-Fe ₂ O ₃ , a magnetic nanoparticle, and gold nanoparticles, a metal nanoparticle. The TEM image of FIG. 2 shows that they are successfully encapsulated inside the polymer micelles. 2 (a) and 2 (b) are TEM images of the nanoparticles γ-Fe ₂ O ₃ and γ-Fe ₂ O ₃ encapsulated in the polymer micelle, respectively. Regularity within micelles was somewhat lower than quantum dots, and some aggregates were found. To prepare multifunctional assemblies, γ-Fe ₂ O ₃ nanoparticles and CdSe nanoparticles were mixed and encapsulated at once in micelles. 2 (d) showing encapsulated TEM images of two types of nanoparticles, γ-Fe ₂ O ₃ nanoparticles and CdSe nanoparticles, shows that the two types of nanoparticles were successfully encapsulated. This suggests a new combination of magnetic and fluorescence using polymer micelles. Gold nanoparticles, metal nanoparticles, were likewise encapsulated inside the polymer micelles, which can be seen in the TEM images of gold nanoparticles (Fig. 2 (e)) and the TEM images of micelles in which gold nanoparticles are encapsulated (Fig. 2 (f)). Could.

마이셀 내부에서의 나노입자의 성질을 도 3 및 도 4에 나타내었다. 구체적으로, 고분자 마이셀 내부에서의 나노입자의 특성을 살펴보기 위해, 고분자 마이셀 내부에 캡슐화된 CdSe 나노입자의 포토루미네선스를 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 마이셀에 캡슐화된 양자점의 방출 피크는 유기 용매에서의 그것과 실질적으로 동일하였다. 도 3에서 실선은 THF에서의 방출피크를 점선은 마이셀 내에서의 방출피크를 각각 나타낸다. 고분자 마이셀 내부에 캡슐화된 γ-Fe₂O₃ 나노입자의 자기적 성질을 VSM(vibrational sample magnetometers) 히스테레시스 루프를 물에서 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 각각 나타내었다. γ-Fe₂O₃ 나노입자의 필드-의존성 자성 루프는, 이들이 자성 분리에서 강자성(ferromagnetism) 보다 더욱 적합한 슈퍼쌍자성(superparamagetic properties)을 갖고 있음을 보여준다. Ni²⁺, Cu²⁺ 또는 Co³⁺와 같은 다양한 전이금속 이온과의 착화(complexation)를 통해, 나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산은 히스티딘 유닛을 갖는 단백질에 대하여 높은 결합친화도를 갖고, 바이오컨쥬게이션 또는 생분리를 위한 링커로서 작용함이 잘 알려져 있다(J. Porath et al., Nature, 1975, 258, 598; L. R. Paborsky et al., Anal Biochem, 1996, 234, 60; D. B. Shieh et al., Nanotechnology, 2006, 17, 4174; H. L. Liu et al., ,J Biomol Struct Dyn, 2003, 21, 31; I. T. Dorn et al., J Am Chem Soc, 1998, 120, 2753). 따라서, 우리는 나노입자를 함유하는 고분자 마이셀의 극성 작용기인 나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산과 니켈 이온의 착화를 추가적으로 연구하였다. CdSe 나노입자가 캡슐화된 고분자 마이셀의 수분산액에 NiCl₂를 참가하였다. 2일 동안 교반한 후, 잉여의 Ni²⁺를 투석을 통해 제거하였다. 나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산과 니켈 이온 사이의 성공적 착화는 SEM-EDS 분석에서 Ni²⁺ 신호(0.8 keV)의 목격에 의해 확인되었다. 다기능 고분자 마이셀의 표면에서의 Ni²⁺와의 착물형성은 히스티딘이 태그된 단백질의 바이오컨쥬게이션 또는 생분리를 약속한다.The properties of the nanoparticles in the micelles are shown in FIGS. 3 and 4. Specifically, in order to examine the properties of the nanoparticles in the polymer micelles, photoluminescence of CdSe nanoparticles encapsulated in the polymer micelles was measured, and the results are shown in FIG. 3. The emission peak of the quantum dots encapsulated in micelles was substantially the same as that in the organic solvent. In FIG. 3, the solid line indicates the emission peak in THF and the dotted line indicates the emission peak in the micelle, respectively. The magnetic properties of the γ-Fe ₂ O ₃ nanoparticles encapsulated inside the polymer micelle were measured in water using a vibrational sample magnetometers (VSM) hysteresis loop, and the results are shown in FIG. 4. The field-dependent magnetic loops of γ-Fe ₂ O ₃ nanoparticles show that they have superparamagetic properties that are more suitable than ferromagnetism in magnetic separation. Through complexation with various transition metal ions such as Ni ²⁺ , Cu ²⁺ or Co ³⁺ , the nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid has a high binding affinity for proteins with histidine units. It is well known to act as a linker for bioconjugation or bioseparation (J. Porath et al., Nature , 1975, 258 , 598; LR Paborsky et al., Anal Biochem , 1996, 234 , 60; DB Shieh et al., Nanotechnology , 2006, 17 , 4® HL Liu et al. ,, J Biomol Struct Dyn , 2003, 21 , 31; IT Dorn et al., J Am Chem Soc , 1998, 120 , 2753). Thus, we further studied the complexation of nitrilo- (di or tri) -carboxylic acids with nickel ions, which are the polar functional groups of polymer micelles containing nanoparticles. NiCl ₂ was added to an aqueous dispersion of polymer micelles in which CdSe nanoparticles were encapsulated. After stirring for 2 days, excess Ni ²⁺ was removed via dialysis. Successful complexation between nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid and nickel ions was confirmed by the observation of the Ni ²⁺ signal (0.8 keV) in SEM-EDS analysis. Complexation with Ni ^{2+ on} the surface of multifunctional polymer micelles promises bioconjugation or bioseparation of histidine tagged proteins.

도 6은 THP에 용해된 순수 나노입자 용액(왼쪽)과 고분자 마이셀과 나노입자의 수분산액(오른쪽)의 사진으로서, (A) CdSe/ZnS, (B) CdSe/ZnS 및 Fe₂O₃의 혼합물, (C) Fe₂O₃ 및 (D) 금 나노입자이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 고분자 마이셀의 내부에 나노입자가 캡슐화된 마이크로운반체는 물에서 분산액으로 존재한다. 6 is a photograph of a pure nanoparticle solution (left) dissolved in THP and an aqueous dispersion of polymer micelles and nanoparticles (right), and a mixture of (A) CdSe / ZnS, (B) CdSe / ZnS and Fe ₂ O ₃ . , (C) Fe ₂ O ₃ and (D) gold nanoparticles. As shown in FIG. 6, the microcarrier in which the nanoparticles are encapsulated inside the polymer micelle exists as a dispersion in water.

본 연구에서, 우리는 고분자 마이셀을 이용하여, 나노입자들을 위한 새로운 수분산성 나노입자 마이크로운반체를 개발하였다. 이들은 반도성 나노입자, 금속산화물인 자성 나노입자 및 금속 나노입자를 모두 캡슐화할 수 있었으며, 따라서 다양한 나노입자에 대한 일반화된 캡슐화를 성취한다. 특히, 친수성을 부여하기 위한 복잡한 공정 없이, 나노 입자를 고분자 마이셀을 이용하여 캡슐화시킴으로써, 수분산성 나노입자 마이크로운반체가 용이하게 제조되었다. 그리고, 상기 수분산성 나노입자 마이크로운반체는, 고분자 마이셀을 형성하는 고분자의 종류와 구조를 조절하여 목적성 고분자의 설계가 가능해지며, 마이셀의 장점과 나노 입자의 장점을 동시에 응용할 수 있는 시너지 효과를 갖는다. 특히, 물에서의 분산을 가능하게 함으로써 생물학적 분야에 더 많은 응용을 가능하게 한다. 더 나아가, 상기 수분산성 나노입자 마이크로운반체는, 표면에 존재하는 나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산과 전이금속 이온 사이의 성공적 착화에 의해, 단백질에 대한 바이오컨쥬게이션 또는 생분리에 대한 잠재력을 갖는다.In this study, we developed a novel water dispersible nanoparticle microcarrier for nanoparticles using polymer micelles. They were able to encapsulate both semiconducting nanoparticles, magnetic nanoparticles that are metal oxides, and metal nanoparticles, thus achieving generalized encapsulation for various nanoparticles. In particular, the water dispersible nanoparticle microcarriers were easily prepared by encapsulating the nanoparticles using polymer micelles without the complicated process of imparting hydrophilicity. In addition, the water-dispersible nanoparticle microcarrier, it is possible to design the target polymer by controlling the type and structure of the polymer forming the polymer micelle, and has a synergistic effect that can simultaneously apply the advantages of the micelles and the advantages of the nanoparticles. In particular, by enabling dispersion in water, more applications in the biological field are possible. Furthermore, the water dispersible nanoparticle microcarriers have potential for bioconjugation or bioseparation of proteins by the successful complexation of nitrilo- (di or tri) -carboxylic acids and transition metal ions present on the surface. Has

Claims (11)

주위의 수용액 매질로 배향되는 극성 작용기와 비극성 매질로 배향되는 소수성 작용기를 말단에 갖는 양쪽성 고분자 마이셀과,Amphoteric polymer micelles having a polar functional group oriented in the surrounding aqueous medium and a hydrophobic functional group oriented in a nonpolar medium, 상기 양쪽성 고분자 마이셀에 캡슐화된 나노입자를 포함하여 이루어지며,It comprises a nanoparticle encapsulated in the amphoteric polymer micelle, 여기서, 상기 나노입자는, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 소수성 작용기에 의해, 상기 양쪽성 고분자 마이셀 내부에 캡슐화되고, 물에 분산될 때, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 극성 작용기가 주위의 수용액 매질로 배향되고,Here, the nanoparticles are encapsulated inside the amphoteric polymer micelle by the hydrophobic functional group of the amphoteric polymer micelle, and when dispersed in water, the polar functional groups of the amphoteric polymer micelle are oriented in the surrounding aqueous medium. , 양쪽성 고분자 마이셀이 화학식 I을 갖는 화합물에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 고분자 마이셀을 이용한 수분산성 나노입자 마이크로운반체:A water-dispersible nanoparticle microcarrier using a polymer micelle, wherein the amphoteric polymer micelle is formed by a compound having Formula I: 화학식 IFormula I

상기 화학식 I에서, Z₁ 및 Z₂는 C₁-C₃ 카르복실산을 의미하며, Z₃은 수소, C₁-C₃ 알킬 또는 C₁-C₃ 카르복실산을 의미하며, Z₄ 및 Z₅는 서로 독립적으로 수소 또는 C₁-C₄ 알킬을 의미하며, Q는 C₁-C₃ 알킬렌 또는 아미드기{NHCO}를 의미하며, X는 Cl, Br 또는 I를 의미하고, R₁, R₂, R₃, R₄ 및 R₅는 서로 독립적으로, C₁-C₄ 알킬, -OH, 아미노, 니트로기, -SO₃H, -COOH, -SH, -SR₆(R₆는 C₁-C₄ 알킬임), -C(O)R₇(R₇는 C₁-C₄ 알킬임), -C(O)OR₈(R₈는 C₁-C₄ 알킬임), -OC(O)R₉(R₉는 C₁-C₄ 알킬임) 및 -(CH₂)_m-R₁₀(여기서, R₁₀는 -OH, 아미노, 니트로기, -SO₃H, -COOH 또는 -SH이고, m은 1-4의 정수임)이고, k는 1-5의 정수이며, n은 5-200을 갖는다.In Formula I, Z ₁ and Z ₂ means C ₁ -C ₃ carboxylic acid, Z ₃ means hydrogen, C ₁ -C ₃ alkyl or C ₁ -C ₃ carboxylic acid, Z ₄ and Z ₅ independently of each other means hydrogen or C ₁ -C ₄ alkyl, Q means C ₁ -C ₃ alkylene or amide group {NHCO}, X means Cl, Br or I, R ₁ , R ₂ , R ₃ , R ₄ and R ₅ are independently of each other, C ₁ -C ₄ alkyl, -OH, amino, nitro group, -SO ₃ H, -COOH, -SH, -SR ₆ (R ₆ is C ₁ -C ₄ alkyl), -C (O) R ₇ (R ₇ is C ₁ -C ₄ alkyl), -C (O) OR ₈ (R ₈ is C ₁ -C ₄ alkyl),- OC (O) R ₉ (R ₉ is C ₁ -C ₄ alkyl) and-(CH ₂ ) _m -R ₁₀ , wherein R ₁₀ is -OH, amino, nitro group, -SO ₃ H, -COOH or -SH, m is an integer of 1-4), k is an integer of 1-5, n has 5-200. 제1항에 있어서, 상기 양쪽성 고분자 마이셀이 α-나이트릴로-(디 또는 트리)-카르복실산 폴리스티렌의 마이셀인 것을 특징으로 하는 수분산성 나노입자 마이크로운반체.The water dispersible nanoparticle microcarrier according to claim 1, wherein the amphoteric polymer micelle is a micelle of α-nitrilo- (di or tri) -carboxylic acid polystyrene. 제1항에 있어서, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 내부에 둘 이상의 서로 다른 나노입자가 캡슐화된 것을 특징으로 하는 수분산성 나노입자 마이크로운반체.The water dispersible nanoparticle microcarrier of claim 1, wherein two or more different nanoparticles are encapsulated inside the amphoteric polymer micelle. 제3항에 있어서, 상기 양쪽성 고분자 마이셀의 내부에 캡슐화되는 나노입자가, 산화철 나노입자를 포함하는 자성 나노입자와, CdSe를 포함하는 반도성 나노입자의 조합인 것을 특징으로 하는 수분산성 나노입자 마이크로운반체.The water-dispersible nanoparticles of claim 3, wherein the nanoparticles encapsulated in the amphoteric polymer micelle are a combination of magnetic nanoparticles containing iron oxide nanoparticles and semiconducting nanoparticles containing CdSe. Microcarrier. 제1항에 있어서, 상기 나노입자가 표면 리간드에 의해 캡핑된 것을 특징으로 하는 수분산성 나노입자 마이크로운반체.The water dispersible nanoparticle microcarrier of claim 1, wherein the nanoparticles are capped by surface ligands. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete

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