KR102147451B1 - 생체 적합적 자기장에서 거대 자기 발열이 가능한 알칼리금속 또는 알칼리토금속이 도핑된 산화철 나노입자 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 산화철 나노입자는 Fe³⁺ 전구체와 M⁺ 또는 M²⁺ 전구체 (M = Li, Na, K, Mg, Ca) 가 산소가 있는 분위기에서 고온 열분해되어 합성되며, γFe₂O₃의 Fe^{3 +} 공공(vacancy site)에 알칼리금속(alkali metal ion) 또는 알칼리토금속(alkali earth metal ion)이 도핑되어 있는 것으로서, 생체 적합적 자기장에서도 폭발적인 열을 발생하게 된다.
생체 외(in vitro)와 생체 내(in vivo) 실험에서 모두 본 발명의 산화철 나노입자를 이용해 저주파 온열치료(Hyperthermia)를 함으로써 암세포를 사멸시킬 수 있다는 것을 증명하였다.

Description

생체 적합적 자기장에서 거대 자기 발열이 가능한 알칼리금속 또는 알칼리토금속이 도핑된 산화철 나노입자 및 그의 제조방법{Iron Oxide Nanoparticle doped with alkali metals or alkali earth metals capable of gigantic self-heating in the biocompatible magnetic field and Preparation Method thereof}

본 발명은 교류 자기장 내에서 자가 발열할 수 있는 산화철 나노입자에 관한 것이며, 온열치료에 이용될 수 있다.

온열치료법(Hyperthermia treatment)이란 암세포 주변의 비정상적 환경으로 인해 암세포가 정상세포에 비해 열(heat)에 매우 민감하다는 특성을 이용한 암치료 방식이다. 이 치료기술은 기존의 화학치료법이나 방사선치료법과는 달리 암세포의 주변 온도를 온열범위(41 ~ 45 ℃)에서 유지함으로써 정상세포의 유해 없이 국소적으로 위치하거나 생체장기의 깊은 곳에 위치한 매우 작은 암세포들까지도 선택적으로 사멸시킬 수 있다는 장점이 있다.

효과적인 암치료를 위한 온열치료법의 실현을 위해서는 생체 내 발열기술의 개발이 요구되는데, 최근에 자성 나노입자를 이용한 자기발열 기술 개발에 대한 연구가 시도되고 있다. 자성 나노입자에 의한 온열 암치료에서는 주파수 및 자기장 조절 코일에 의해 자기발열(self-heating)하는 자성 나노입자의 특성을 이용하여 열을 유발시켜 암세포를 사멸한다.

더욱이 초상자성을 보이는 자성 나노입자는 생체 내 유입과정에서 입자의 뭉침 현상이 없으며, 외부에서 교류 또는 직류 자기장을 인가하면 인가된 자기장에 의해 손쉬운 제어가 가능하여, 별도의 수술과정 없이 간단한 주사 시술만으로 생체 유입과 이동이 가능하다.

그동안 벌크 형태를 갖는 크기가 큰 자성체에서만 발열효과를 보였으나, 발열온도의 계속적 증가의 한계와 생체 내 유입방법의 곤란으로 인해 실제 응용에서의 한계가 있었으나, 최근 싱가폴 국립대학과 일본 요코하마 국립대학의 공동연구팀에 의해 나노입자에서도 효과적으로 발열하는 자성 나노입자의 연구 결과가 발표되었으며, 세포 사이에서의 발열효과도 실제 응용이 가능할 정도로 효과적인 것으로 나타나 새로운 암치료법의 실현을 기대할 수 있게 되었다.

Applied Physics Letters, Vol. 89, 252503 (2006) 에 "Applications of NiFe₂O₄ nanoparticles for a hyperthermia agent in biomedicine"이란 논문에서는 자성 나노입자의 효과적인 발열과 함께 세포들 사이에 투입된 상태에서도 자성 나노입자가 자기발열 및 온도 유지를 한다는 장점이 있다고 기술되어 있다.

또한, 미국 특허공개 제2005-0090732호는 산화철을 이용한 표적 지향적 고온치료를 개시하고 있다. 그러나, 종래 기술은 대부분 고주파 및 고자기장(또는 고 교류 자기장)에서 열방출 효과를 갖는 산화철 나노입자에 관한 것이다.

하지만, 고주파 온열암치료법의 경우 피부 주위에 붉은 반점이 생기거나, 지방이 많은 부위에는 약간의 화상, 상처, 염증, 괴사 등이 나타날 수 있다. 무엇보다도 고주파 전기장의 인체 유해성으로 인한 부작용을 피할 수 없다. 그러므로 임산부, 심한 염증환자, 심장박동기를 식생한 환자, 흉수 및 복수가 심한 환자들에게는 사용이 금지되고 있다.

또한, 암 조직에 열을 가하는 것 또한 장시간 열을 조사하여야 하므로, 인체가 상당히 높은 고주파 전력의 전자파에 장시간 노출됨으로써 암 조직 외에 정상 조직의 손상까지 초래할 수 있는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 생체 적합적인 저 자기장에서 자가 발열이 가능한 자성 나노입자의 개발이 요구된다.

본 발명은 생체 적합적 자기장 하에서도 충분히 자기 발열이 가능한 산화철 나노입자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 산화철 나노입자는 γ-Fe₂O₃에 알칼리금속(alkali metal) 또는 알칼리토금속(alkali earth metal)이 도핑된 것이며, 구체적으로는 γ-Fe₂O₃의 Fe^{3 +} 공공(vacancy site)에 알칼리금속이온(alkali metal ion) 또는 알칼리토금속이온(alkali earth metal ion)이 도핑되어 있는 것이다.

바람직하게는 상기 알칼리금속은, 리튬(Li), 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)일 수 있으며, 상기 알칼리토금속은, 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)일 수 있다.

상기 도핑된 금속이온은 1종 이상의 알칼리금속이온 또는 알칼리토금속이온일 수 있으며, 바람직하게는 Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +} 또는 Ca^{2 +}으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상이 선택된 것일 수 있다.

상기 산화철 나노입자는, f_appl·H_appl 이 3.0 x 10⁹ Am^-1s^-1 이하의 생체 적합적 교류 자기장에서도 다량의 열을 방출할 수 있으며, f_appl·H_appl < 1.8 x 10⁹ Am^-1s^-1(f_appl <120 KHZ, H_appl < 15.12 KA/m) 이하의 교류 자기장에서 ILP (Intrinsic Loss Power)가 13.5 ~ 14.5 nHm²/Kg이다.

상기 산화철 나노입자는 바람직하게는 M_x-γFe₂O₃ (M = Li, Na, K, Mg, and Ca) 이고, 상기 X는 0.00 < X ≤ 0.30 이며, 바람직하게는 0.10 ≤ X ≤ 0.25 이며, 가장 바람직하게는 0.10 ≤ X ≤ 0.20 이다.

본 발명의 산화철 나노입자는 그 크기가 약 7 nm ~ 13 nm이나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 산화철 나노입자 제조방법은, 생체 적합적인 교류 자기장에서도 발열 가능한 나노입자의 제조방법으로서 산소가 있는 분위기에서 Fe³⁺ 전구체와 M⁺ 또는 M²⁺ (M = Li, Na, K, Mg, and Ca) 전구체가 계면활성제 및 용매와 혼합되어 고온 열분해되어 합성되는 것이다.

Fe^{3 +} 전구체 및 M⁺ 또는 M²⁺ (M = Li, Na, K, Mg, and Ca) 전구체는 금속 니트레이트 계열의 화합물, 금속 설페이트 계열의 화합물, 금속 아세틸아세토네이트 계열의 화합물, 금속 플루오르아세토아세테이트 계열의 화합물, 금속 할라이드 계열의 화합물, 금속 퍼클로로레이트 계열의 화합물, 금속 알킬옥사이드 계열의 화합물, 금속 썰파메이트 계열의 화합물, 금속 스티어레이트 계열의 화합물 또는 유기 금속 계열의 화합물 중에서 적어도 하나가 이용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어서 Mg_x-γFe₂O₃ 나노입자의 경우 마그네슘 아세테이트 테트라하이드레이트(Mg acetate tetrahydrate)와 아이언 아세틸라세토네이트(Fe acetylacetonate)가 사용되었다.

상기 반응 용매로는 벤젠계 용매, 탄화수소 용매, 에테르계 용매, 폴리머 용매, 이온성 액체 용매, 할로겐 탄화수소, 알콜류, 술폴사이드계 용매, 물 등이 이용될 수 있으며 바람직하게는, 벤젠, 톨루엔, 할로벤젠, 옥탄, 노난, 데칸, 벤질 에테르, 페닐 에테르, 탄화수소 에테르, 폴리머 용매, DEG (Diethylene glycol), 물, 이온성 액체 용매 중에서 적어도 하나가 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어서 Mg_x-γFe₂O₃ 나노입자의 경우 벤질에테르(benzyle ether)가 사용되었다.

본 발명의 제조방법에서 나노입자를 안정화시키기 위하여 계면활성제가 이용되는데 그러한 계면 활성제에는 올레산(oleic acid), 라우르산(lauric acid), 스테아르산(stearic acid), 미스테르산(mysteric acid) 또는 헥사데카노익산(hexadecanoic acid)을 포함한 유기산(C_nCOOH, C_n: 탄화수소, 7≤n≤30) 중에서 적어도 하나가 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어서 Mg_x-γFe₂O₃ 나노입자의 경우 올레산(oleic acid)을 사용하였다.

본 발명의 산화철 나노입자 제조방법은, (a) 산소와 아르곤 혼합분위기에서 Fe³⁺ 전구체, M⁺ 또는 M²⁺ (M = Li, Na, K, Mg, and Ca) 전구체, 계면활성제 및 용매의 혼합용액이 용매의 끓는점 이하로 가열되고 일정시간 유지되는 단계, (b) 산소와 아르곤 혼합분위기에서 상기 혼합용액이 용매의 끊는점까지 재가열되고 일정시간 유지되는 단계, (c) 가열원을 제거하고 상기 혼합용액을 실온까지 식히는 단계, (d) 상기 혼합용액에 극성용매를 첨가하고 원심분리하여 나노입자 분말을 침전분리하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 산화철 나노입자의 제조방법은 Fe³⁺ 전구체 또는 M⁺ 또는 M²⁺ (M = Li, Na, K, Mg, and Ca) 전구체의 양을 조절하여 도핑 레벨을 조절할 수 있다.

본 발명의 산화철 나노입자는 생체 적합적 자기장 하에서도 충분한 자기 발열이 가능하다. 따라서, 본 발명의 산화철 나노입자는 저주파 온열암치료에 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Mg_x-γFe₂O₃ 나노입자의 합성방법을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 합성된 Mg_0.13-γFe₂O₃ 나노입자의 투과전자 현미경 사진이다.
도 3, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자성나노입자의 격자구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예인 Mg_0.13-γFe₂O₃에 저 교류 자기장을 가하고 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 종래 기술로 합성한 나노입자 전자현미경 사진 및 그에 대해 저 교류 자기장하에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 X-ray 흡수 분광기(X-ray absorption spectroscopy) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 EDS 맵핑한 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 DC 히스테리시스 루프를 나타낸 것이고, 도 10은 온도에 따른 자화(magnetization)를 나타낸 그래프이다.
도 11은 AC 히스테리시스 루프를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 Mg²⁺의 도핑 레벨에 따른 자화(magnetization) 정도 및 비등방성에너지(anisotropy energy)를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 자성나노입자를 수용액 층으로 이동시킨 후 시간에 따른 온도변화를 나타낸 결과이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 자성나노입자와 기존에 알려진 대표적인 물질들과의 ILP 값을 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 γFe₂O₃ 에 Li⁺, Na^+, K^+, Ca²⁺ 를 도핑한 나노입자에 대해 저 교류 자기장에서의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 16 내지 18은 본 발명의 일실시예에 따른 자성나노입자를 이용하여 생체 외(in vitro) 온열치료(hyperthermia) 테스트를 진행한 결과이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 자성나노입자를 이용하여 생체 내(in vivo) 온열치료(hyperthermia) 테스트를 진행한 결과이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 자성나노입자를 U87MG 세포 및 Hep3B 세포에서 독성 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 산화철 나노입자는 γ-Fe₂O₃의 Fe³⁺ 공공(vacancy site)에 알칼리금속이온(alkali metal ion) 또는 알칼리토금속이온(alkali earth metal ion)이 도핑되어 있는 것으로서, 생체 적합적인 자기장에서도 폭발적인 열을 발생하게 된다. 본 발명에서 생체 적합적 자기장이란 저주파 또는 저강도의 자기장을 말하며, 온열치료(hyperthermia)에서 일반적으로 생체 적합적인 자기장은 f_appl·H_appl 이 5.0 x 10⁹ Am^-1s^-1 이하의 범위이며, 보다 바람직하게는 f_appl·H_appl 이 3.0 x 10⁹ Am^-1s^-1 이하의 범위이다. 생체 적합적 자기장은 일반적으로 저주파 자기장이며 본 발명의 산화철 나노입자는 120Hz 이하 저주파 자기장에서도 폭발적인 열을 발생할 수 있다.

본 발명에서 금속이온이 도핑되어 있다는 것은 금속원자가 도핑되어 주변 원자와 이온결합을 하고 있다는 의미이며, 따라서 본 발명의 설명에서 '...금속이온이 도핑된다', '...금속원자가 도핑된다', '...금속이 도핑된다'는 것은 모두 동일한 개념으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 산화철 나노입자는 생체 적합적 자기장에서 자기 발열을 하는 것으로서 온열치료에 안정적으로 이용될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 산화철 나노입자의 예로서, Mg_x-γFe₂O₃에 대해 설명한다.

Mg_x-γFe₂O₃는 Fe³⁺ 전구체와 Mg²⁺ 전구체가 산소가 존재하는 분위기에서 고온 열분해되어 합성되며, Mg²⁺이 γ-Fe₂O₃의 Fe³⁺ 공공(vacancy site)에 도핑된 구조를 가지게 되고 생체 적합적인 교류 자기장에서도 폭발적인 열을 발생하게 된다.

이하에서는 Mg_x-γFe₂O₃ (x=0.13) 의 합성과정을 설명한다(도 1 참고).

Mg_{0 .13}-γFe₂O₃을 합성하기 위해, 마그네슘 아세테이트 테트라하이드레이트(Mg acetate tetrahydrate) 0.13 mmol, 아이언 아세틸라세토네이트(Fe acetylacetonate) 2.0 mmol, 올레산(oleic acid) 1.2 mmol의 및 벤질에테르(benzyle ether) 20 mL가 50 mL 둥근바닥 플라스크에 혼합되고 자력교반된다. 혼합반응용액은 산소와 아르곤 혼합 분위기(flow rate of ~100 mL/min)에서, 30분 동안 200℃로 가열되고(~ 8℃/min, the first ramping up rate), 50분 유지된다(결정핵 생성 단계). 그리고 혼합반응용액은 20분 동안 296℃(benzyl ether의 끓는점)로 재가열되고(5℃/min, the second ramping rate), 60분 동안 유지된다(성장 단계).

이후, 가열원을 제거하고 혼합반응용액을 실온으로 식힌다.

에탄올과 같은 극성용매를 첨가하고 원심분리를 해서 검은색 분말이 침전 분리된다. 분리된 나노입자들은 톨루엔과 같은 비극성 용매에서 분산된다.

Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 에서 Mg^{2 +} 의 도핑 레벨(X)을 조절하기 위해서는 동일한 조건에서 Fe^{3 +} 또는 Mg^{2 +} 전구체의 양을 다르게 한다. 예를 들어, Mg_{0 .10}-γFe₂O₃ 나노입자를 합성하기 위해서는 Mg acetate tetrahydrate 0.10 mmol, Fe acetylacetonate 2.0 mmol을 동일한 조건에서 사용한다.

상기 과정을 통해 합성된 7nm 크기의 Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 나노입자의 투과전자 현미경 이미지가 도 2에 나타나 있다. 우측 사진을 보면 결정성장 방향(400)이 관찰되며 그 간격(lattice distance)이 2.09Å이고, 결정성장 방향(200)이 관찰되고 그 간격(lattice distance)이 2.95Å인 것을 알 수 있다. 이러한 값들은 γFe₂O₃ 의 기준 벌크 물질의 값과 동일한 값들이다. 따라서, 상기 과정을 통해 합성된 나노입자가 Mg_x-γFe₂O₃ 인 것을 증명할 수 있다.

기존의 일반적인 나노입자 합성법을 적용하면 MgFe₂O₄ 나노입자(Mg^{2 +}이온이 Fe₃O₄ 나노입자에 도핑됨)가 합성된다.

MgCl₂ 1.0 mmol 과 Fe(acac)₃ 2.0 mmol 이 디벤질에테르(dibenzyl ether)에 계면활성제(올레산(oleic acid) 및 올레이라민(oleylamine))가 들어 있는 100 mL 3구 둥근바닥 플라스크에 넣어진다. 1,2-hexadecandiol 10.0 mmol이 환원제로 사용된다.

혼합용액은 아르곤 분위기에서 25분 동안 200℃로 가열되고 60분 동안 유지된다(결정핵 생성 단계).

그리고, 혼합용액은 30분 동안 296℃(benzyl ether의 끓는점)로 다시 가열되고, 60분 동안 유지된다. 가열원을 제거한 후 반응물을 실온까지 식힌다.

에탄올을 첨가하고 원심분리를 통해 침전된 검은색 분말이 얻어지며, 얻어진 MgFe₂O₄ 나노입자는 톨루엔과 같은 비극성 용매에서 분산된다.

기존 나노입자 합성시 크기 제어 인자로 올레산과 올레이라민 2가지를 사용하고 있는데 올레이라민의 경우 환원력이 있어서 γFe₂O₃ 를 Fe₃O₄로 바꿀 수 있다.

올레이라민이 산화철 나노입자를 합성하는데 많이 사용되기 때문에, 올레산 대신에 올레이라민을 가지고 실험을 해보고 계면활성제로서의 기능을 조사해 보았다. 그러나, 올레이라민을 이용해 합성된 나노입자는 자기발열현상이 MFe₂O₄ (M = Fe³⁺, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Mg^{2 +}) 나노입자와 유사하게 나타났다. 이는 Fe^{3 +}가 Fe^{2 +}로 환원되어 Fe₃O₄ 격자로 만들어진 것으로 파악된다.

본 발명의 산화철 나노입자인 Mg_x-γFe₂O₃ 는 γFe₂O₃ 에서 Fe^{3 +} 공공(vacancy site)에 Mg^{2 +}이 도핑된 것이다.

γFe₂O₃는 Fe₃O₄와는 다르게 약 11% 정도의 금속원자가 비어 있는 공간(vacancy site)이 존재한다(도 3 참고). 이런 이유는 산소가 있는 분위기에서 합성할 경우 Fe₃O₄가 Fe₂O₃로 변하게 되는데, 이 경우 Fe₃O₄에 존재하는 Fe^{2 +} 이온이 Fe^{3 +} 이온으로 산화하게 되면서 확산하게 되며, 그러면서 생긴 빈 공간이 산화된 물질인 Fe₂O₃에 존재하기 때문이다. 본 발명에 따른 산화철 나노입자를 합성하기 위해서는 산화가 필요하며, 따라서 산소가 있는 분위기에서 합성하거나 산화제를 이용할 수 있다. 실제 합성에서는 반응의 안정성을 위하여 산소와 아르곤 혼합분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 빈 공간에 알칼리 금속 또는 알칼리토금속이 도핑되는 경우 자기적 성질(magnetic properties)이 바뀌게 되는데, 특히 자기적 민감도(magnetic susceptibility)가 변하게 되고 교류 연자성(AC magnetic softness)이 바뀌면서 저교류 자기장에도 반응하게 되어 자체 발열을 하게 되는 것이다(도 4 참고).

반면에 전이금속(transition metal, Zn, Fe, Mn, Co, Ni 등)의 경우는 이와 다르게 빈 공간(vacancy site) 옆에 자리 잡은 팔면체공간(octahedral site, O_h)과 사면체공간(tetrahedral site, T_h) 자리에 있는 Fe³⁺과 자리를 치환하는 것이 열역학적 관점에서 에너지적으로 유리하며, 이는 결국 전체 자기적 성질(net magnetic properties)을 감소시키고 저 교류 자기장에 반응하지 않게 된다(도 3 및 도 4 참고).

본 발명의 산화철 나노입자는 γFe₂O₃에 알칼리금속(alkali metal) 또는 알칼리토금속(alkali earth metal)이 Fe^{3 +} 공공(vacancy site)에 도핑되는 것이다. 본 발명에서 도핑되는 금속은 알칼리금속이나 알칼리토금속이면 모두 해당될 수 있으며, 바람직하게는 알칼리금속은, 리튬(Li), 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)이고, 알칼리토금속은, 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)이다.

또한, 본 발명의 산화철 나노입자는 1종 이상의 알칼리금속 또는 알칼리토금속이 도핑될 수도 있으며, 바람직하게는 도핑되는 금속이온이 Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +} 또는 Ca²⁺으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상이 선택된 것일 수 있다.

본 발명의 산화철 나노입자는, f_{appl ·}H_appl 이 3.0 x 10⁹ Am^-1s^-1 이하의 생체 적합적 교류 자기장에서도 다량의 열을 방출할 수 있으며, f_{appl ·}H_appl < 1.8 x 10⁹ Am^-1s^-1(f_appl <120 KHZ, H_appl < 15.12 KA/m) 이하의 교류 자기장에서 ILP (Intrinsic Loss Power)가 13.5 ~ 14.5 nHm²/Kg이다.

또한 본 발명의 산화철 나노입자는 M_x-γFe₂O₃ (M = Li, Na, K, Mg, and Ca) 이고, 금속의 도핑량에 따라 X 값이 달라질 수 있는데, 상기 X는 0.00 < X ≤ 0.30 이며, 바람직하게는 0.10 ≤ X ≤ 0.25 이며, 가장 바람직하게는 0.10 ≤ X ≤ 0.20 이다.

본 발명의 산화철 나노입자는 그 크기가 약 7 nm ~ 13 nm이나 이에 제한되는 것은 아니며 나노 스캐일에서 다양한 크기로 제조될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예인 Mg_0.13-γFe₂O₃에 저 교류 자기장(f_appi = 110 kHz, H_appi = ±140 Oe)을 가하고 시간에 따른 온도변화를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, Mg²⁺ 이온의 도핑량이 0.13인 Mg_0.13-γFe₂O₃일 경우 저 교류 자기장에서 약 180℃까지 온도가 상승하는 것을 알 수 있다. 반면에, 기존 방식인 아르곤(Ar) 분위기에서 합성한 MgFe₂O₄ 나노입자(Mg²⁺이 Fe₃O₄에 도핑된 형태)의 경우 저주파에서 거의 열방출 효과가 없는 것을 알 수 있다.

도 6은 종래 기술로 합성한 나노입자에 대해 동일한 조건의 저 교류 자기장(f_appi = 110 kHz, H_appi = ±140 Oe) 하에서 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 것이다. 종래 알려진 아르곤(Ar) 분위기에서 합성된 CoFe₂O₄, Fe₃O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄ 나노입자의 경우 거의 열방출 효과가 없음을 알 수 있다. CoFe₂O₄, Fe₃O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄ 는 Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺ 이온이 γ-Fe₂O₃가 아닌 Fe₃O₄에 도핑된 구조이다.

도 7은 X-ray 흡수 분광기(X-ray absorption spectroscopy) 측정 결과를 나타낸 것이다. 퓨리에 변환을 한 우측 그래프를 보면, MgFe₂O₄ 나노입자와 벌크 Fe₃O₄의 피크는 유사하게 나타나고 있으며, Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 나노입자의 경우는 γFe₂O₃의 피크와 유사한 것을 알 수 있다. 따라서, 이 결과로부터 종래 기술로 합성된 MgFe₂O₄ 나노입자는 마그네타이트(magnetite(Fe₃O₄)) 구조에 Mg^{2 +} 이 도핑된 것이며, 본 발명에 의한 Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 나노입자는 마그헤마이트(maghemite(γFe₂O₃)) 구조에 Mg^{2 +} 이 도핑된 것임을 알 수 있다.

도 8은 X-선 미소 분석(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)법을 이용해 Mg_0.13-γFe₂O₃ 나노입자들을 맵핑한 결과이며, γFe₂O₃ 주변에 Mg^{2 +} 이 분산되어 있는 것을 알 수 있다.

도 9는 DC 히스테리시스 루프를 보여주는 것이고, 도 10은 온도에 따른 자화(magnetization)를 나타낸 그래프이다. 이것에 의해, 본 발명에 따른 Mg_x-γFe₂O₃은 초상자성(superparamagnetic)을 갖고 있다는 것이 증명될 수 있다.

도 11은 AC 히스테리시스 루프를 나타낸 것이다. 히스테리시스 곡선의 면적이 넓어질수록 교류 자기장에서 열을 많이 방출할 수 있는 것인데(a large AC magnetic softness), Mg_x-γFe₂O₃ (x = 0.13) 나노입자가 MgFe₂O₄ 나노입자나 Fe₃O₄ 보다 넓은 면적을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 이로써 본 발명의 따른 Mg_x-γFe₂O₃나노입자가 높은 열방출 현상을 나타낸다는 것을 증명할 수 있다.

도 12는 Mg^{2 +}의 도핑 레벨에 따른 자화(magnetization) 정도 및 자기이방성 에너지(magnetic anisotropy energy)를 나타내는 그래프이다. Mg_x-γFe₂O₃ 나노입자 중 X=0. 0.05, 0.10, 0.13, 0.15에 대해서 계산한 값들을 나타낸 것이다. 이에 의하면, 0.05 ≤ X ≤ 0.15에서 많은 열방출 효과가 있는 것으로 나타났으며, 이론적으로 X=0.13 일 경우 가장 큰 열을 방출하며, 이는 실험적인 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.

도 13은 본 발명의 산화철 나노입자를 수용액 층으로 이동시킨 후 시간에 따른 온도변화를 나타낸 결과이다. 도 13에 의하면, 톨루엔, 에탄올, 물 모두에서 ILP(intrinsic loss power)값이 약 14 nHm²/Kg 정도가 나오는 것을 확인할 수 있다.

도 14는 기존에 알려진 대표적인 물질들과의 ILP 값을 비교한 그래프이다. 도 14에 의하면, 일반 Fe₃O₄ 나노입자에 비해 ILP 값이 약 100배 정도 증가된 값을 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 15는 γFe₂O₃ 에 Li⁺, Na^+, Ka⁺, Ca²⁺ 를 도핑한 산화철 나노입자에 대해 저 교류 자기장(f_appl = 110 kHz, H_appl = ±140 Oe)에서의 온도변화를 나타낸 그래프이다. Li_0.15-γFe₂O_3, Na_0.20-γFe₂O_3, K_0.18-γFe₂O_3, Ca_0.18-γFe₂O₃ 모두에서 높은 온도로 상승하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 산화철 나노입자는 γFe₂O₃에 Mg 뿐만 아니라 다른 알칼리금속 또는 알칼리토금속을 도핑하는 경우에도 모두 저 교류 자기장에서 높은 자가 발열을 하는 것을 확인할 수 있다.

도 16 은 Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 나노입자를 U87MG 세포에 넣어서 생체 외(in vitro) 온열치료(hyperthermia) 테스트를 진행한 결과이다.

U87MG 세포는 세포 유입을 위해 Mg_0.13-γFe₂O₃ 나노유체와 조영제인 레조비스트(resovist) 700 ㎍/mL에서 배양되었다. 세포는 교류 자기코일에서 1500초 동안 f_appl = 99 kHz, H_appl = ±155 Oe (H_applf_appl = 1.22 x 10⁹ Am^-1s^-1)의 자기장이 인가되었다. 도 16의 오른쪽 그래프를 보면, Mg_0.13-γFe₂O₃ 나노유체는 조영제 온도(37.5℃)보다 매우 높은 온도(63.5℃ )로 상승된 것을 확인할 수 있다.

테스트 결과를 나타내는 도 17을 보면, 우측 사진에서 모든 암세포들이 괴사된 것을 확인할 수 있다. 보다 상세하게는 48℃의 온도에서 75%가 괴사하였고, 63.5℃에서 완전히 괴사된 것을 확인하였다. 이로써, 본 발명에 따른 나노입자의 생체적 활용성이 증명되었다.

반면에, 도 18은 조영제 레조비스트(resovist) 만으로 처리된 세포에 대한 테스트 결과를 보여주는 사진인데, 변형되거나 위축된 세포가 관찰되지 않았다. 따라서, 세포의 생존도(viability)가 온열치료에 전적으로 의존하는 것임을 알 수 있다.

도 19는 생체 내(in vivo)에서 진행한 온열치료(hyperthermia) 결과들을 나타낸 것이다.

소동물 광학영상(bioluminescence imaging, BLI)을 위하여, 루시페라제(luciferase)에 감염된 Hep3B 세포를 실험용 쥐(cancer-xenograft model) 피하에서 자라게 했다.

쥐의 암세포에 11.5 ㎍/㎕ Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 나노유체 100㎕를(~ 1000 mm³)주입하고, 암세포와 창자에 광학온도측정기(optical thermometers)를 장착해 온도를 모니터링하였다.

비교를 위하여, 쥐에 레조비스트와 생리식염수를 각각 주입하였다.

쥐를 교류 자기코일에서 교류 자기장(f_appl = 99 kHz, H_appl = ±155 Oe, H_applf_appl = 1.22 x 10⁹ Am^-1s^-1)에 900초 동안 노출시켰다.

쥐의 창자와 레조비스트가 주입된 Hep3B는 34℃에서 36.37 ^oC와 37.14 ^oC로 각각 온도가 조금 증가하였으나, Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 나노유체가 주입된 Hep3B는 온도가 빠르게 증가하여 ~ 50.2 ^oC(열소작요법 온도(Thermoablation temperature))에 이르렀다.

초기와 2일 후와 7일 후 영상을 비교한 결과, 2일 후부터 Mg_{0 .13}-γFe₂O₃ 나노유체가 주입된 모델에서는 BL-intensity가 나타나지 않았으나, 생리식염수와 레조비스트가 주입된 모델에서는 BL-intensity가 여전히 나타났다.

BL-intensity가 없다는 것은 Mg_{0 .13}-γFe₂O₃로 인하여 암세포가 완전히 괴사하여 사멸하였다는 것을 의미한다.

도 20은 U87MG 세포 및 Hep3B 세포에서의 독성 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 두 세포에서의 독성 테스트 결과 300 ㎍/mL 까지 독성이 거의 없는 것으로 나타났다.

전술한 바와 같이, 생체 외(in vitro)와 생체 내(in vivo) 실험에서 모두 암세포 치료가 가능하다는 것을 증명하였다. 따라서, 본 발명의 산화철 나노입자는 임상도 가능하다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

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Claims (14)

1. γFe₂O₃의 Fe³⁺ 공공(vacancy site)에 알칼리금속(alkali metal) 또는 알칼리토금속(alkali earth metal)이 도핑되어 있으며,
   M_x-γFe₂O₃ (M = Li, Na, K, Mg, Ca)이고, 상기 X는 0.05 ≤ X ≤ 0.15 이며,
   f_appl·H_appl 이 3.0 x 10⁹ Am^-1s^-1 이하의 생체 적합적 교류 자기장에서도 다량의 열을 방출하는 것을 특징으로 하는 산화철 나노입자.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 알칼리금속은, 리튬 (Li), 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)인 산화철 나노입자.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 알칼리토금속은, 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)인 산화철 나노입자.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 도핑된 금속은,
   Li, Na, K, Mg 또는 Ca으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상이 선택된 산화철 나노입자.
   
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 산화철 나노입자는,
   f_appl·H_appl 이 1.8 x 10⁹ Am^-1s^-1 (f_appl <120 KHZ, H_appl < 15.12 KA/m) 이하의 생체 적합적 교류 자기장에서도 다량의 열을 방출하는 산화철 나노입자.
   
8. 제 1항에 있어서,
   f_appl·H_appl 이 1.8 x 10⁹ Am^-1s^-1 (f_appl <120 KHZ, H_appl < 15.12 KA/m) 이하의 교류 자기장에서 ILP(Intrinsic Loss Power)가 13.5 ~ 14.5 nHm²/Kg 인 산화철 나노입자.
   
9. 삭제
10. 생체 적합적인 자기장에서 거대 자기발열이 가능한 산화철 나노입자의 제조방법으로서,
    산소가 있는 분위기에서 Fe³⁺ 전구체와 M⁺또는 M²⁺ (M = Li, Na, K, Mg, Ca) 전구체가 계면활성제 및 용매와 혼합되어 고온 열분해되어 합성되어,
    γFe₂O₃의 Fe³⁺ 공공(vacancy site)에 알칼리금속(alkali metal) 또는 알칼리토금속(alkali earth metal)이 도핑되고,
    상기 산화철 나노입자는 M_x-γFe₂O₃ (M = Li, Na, K, Mg, Ca)이고, 상기 X는 0.05 ≤ X ≤ 0.15 이며,
    f_appl·H_appl 이 3.0 x 10⁹ Am^-1s^-1 이하의 생체 적합적 교류 자기장에서도 다량의 열을 방출하는 것을 특징으로 하는 산화철 나노입자의 제조방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    Fe^{3 +} 전구체 및 M⁺ 또는 M²⁺ (M = Li, Na, K, Mg, and Ca) 전구체는,
    금속 니트레이트 계열의 화합물, 금속 설페이트 계열의 화합물, 금속 아세틸아세토네이트 계열의 화합물, 금속 플루오르아세토아세테이트 계열의 화합물, 금속 할라이드 계열의 화합물, 금속 퍼클로로레이트 계열의 화합물, 금속 알킬옥사이드 계열의 화합물, 금속 썰파메이트 계열의 화합물, 금속 스티어레이트 계열의 화합물 또는 유기 금속 화합물 중에서 적어도 하나인 산화철 나노입자 제조방법.
    
12. 제 10항에 있어서,
    상기 계면활성제는,
    올레산(oleic acid), 라우르산(lauric acid), 스테아르산(stearic acid), 미스테르산(mysteric acid) 또는 헥사데카노익산(hexadecanoic acid)을 포함하는 유기산(CnCOOH, Cn: 탄화수소, 7≤n≤30) 중에서 적어도 하나인 산화철 나노입자의 제조방법.
    
13. 제 10항에 있어서,
    산화철 나노입자 제조방법은,
    (a) 산소와 아르곤 혼합분위기에서 Fe^{3 +} 전구체, M⁺ 또는 M²⁺ 전구체 (M = Li, Na, K, Mg, Ca), 계면활성제 및 용매의 혼합용액이 용매의 끓는점 이하로 가열되고 일정시간 유지되는 단계,
    (b) 산소와 아르곤 혼합분위기에서 상기 혼합용액이 용매의 끊는점까지 재가열되고 일정시간 유지되는 단계,
    (c) 가열원을 제거하고 상기 혼합용액을 실온까지 식히는 단계,
    (d) 상기 혼합용액에 극성용매를 첨가하고 원심분리하여 나노입자 분말을 침전분리하는 단계,
    를 포함하여 이루어지는 산화철 나노입자 제조방법.
    
14. 제 10항에 있어서,
    상기 산화철 나노입자의 제조방법은,
    Fe^{3 +} 전구체 또는 M⁺ 또는 M²⁺ 전구체 (M = Li, Na, K, Mg, Ca) 의 양을 조절하여 도핑 레벨을 조절하는 산화철 나노입자 제조방법.
    
    

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