KR100809366B1 - 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자 및 이의제조방법 - Google Patents

단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자 및 이의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 1) 계면활성제로 보호된 코아 또는 코아/쉘 구조의 무기물 나노입자에 티올기 및 친수성 아민기를 포함하는 유기물을 첨가하여 이들 간의 금속-티올레이트(M-S) 결합을 통해 친수성 나노입자를 제조하는 단계; 2) 상기 단계 1)에서 제조된 친수성 나노입자의 농도를 2×10-6 M 이하로 만들고 초음파 처리하여 분광학적으로 개별 분산된 나노입자를 제조하는 단계; 및 3) 상기 단계 2)에서 개별 분산된 나노입자와 생체고분자와의 아마이드 결합을 초음파 중탕 하에서 수행하는 단계에 의해 제조된, 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유무기 복합체 나노입자는 우수한 입자 균일도, 화학적 안정성, 수용액상 분산성, 생체친화성 및 표적지향성을 가지며 고효율 발광성과 광안정성이 확보되어 바이오-이미지용 또는 필름 코팅용 재료로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
양자점, 나노입자, 유무기 복합체 나노입자, 바이오-이미징 및 유무기 나노복합체 필름

Description

단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자 및 이의 제조방법{SINGLE NANOPARTICLE CONTAINING ORGANIC-INORGANIC COMPOSITE NANOPARTICLE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 단일 무기물 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 구조를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 유무기 복합체 나노입자의 제조 공정을 나타내는 모식도이고, 도 3은 실시예 1 내지 5에서 제조된 복합체의 적외선 분광 스펙트럼을 나타낸 것이고,
a) 실시예 1에서 합성된 CdSe/CdS-AET 나노입자
b) 실시예 2에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG(5000) 유무기 복합체 나노입자
c) 실시예 3에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG(1900) 유무기 복합체 나노입자
d) 실시예 4에서 합성된 FA-en-PEG 생체친화성-표적지향성 분자
e) 실시예 5에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG-en-FA 유무기 복합체 나노입자
f) 실시예 6에서 합성된 CdSe/CdS(-AET-PEG-en-FA)(-AET-PEG1900) 유무기 복합체 나노입자
도 4는 실시예 1에서 합성된 CdSe/CdS-AET 나노입자의 농도별 발광 스펙트럼 을 나타낸 것이고,
도 5는 실시예 1에서 합성된 CdSe/CdS-AET 나노입자의 초음파 처리 전(a)과 후(b), 그리고 초음파 처리한 것을 10시간 정치한 후에 다시 초음파 처리(c)한 나노입자의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 6은 실시예 1에서 합성된 CdSe/CdS-AET 나노입자의 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지를 나타낸 것이고,
도 7은 실시예 2에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG5000 유무기 복합체 나노입자의 TEM 이미지를 나타낸 것이고,
도 8은 실시예 2에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG5000 유무기 복합체 나노입자의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 9는 실시예 2에서 대조군으로 합성된 CdSe/CdS-AET(집단)-PEG5000 유무기 복합체 나노입자를 365 ㎚ 광원으로 여기시켜 얻은 사진이고,
도 10은 실시예 1 내지 3에서 합성된 CdSe/CdS-AET 나노입자, CdSe/CdS-AET-PEG5000 및 CdSe/CdS-AET-PEG1900 유무기 복합체 나노입자 각각을 365 ㎚ 광원으로 여기시켜 얻은 사진이고,
도 11은 실시예 3에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG1900 유무기 복합체 나노입자의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 12는 실시예 5에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG-en-FA 유무기 복합체 나노입자의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 13은 실시예 6에서 합성된 CdSe/CdS(-AET-PEG-en-FA)(-AET-PEG1900) 유무 기 복합체 나노입자의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 14는 실시예 2 및 3에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG5000 및 CdSe/CdS-AET-PEG1900 유무기 복합체 나노입자로 각각 코팅한 유리판의 사진이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
10: 나노입자(코아) 12: 나노입자(쉘)
14: 계면활성제 16: 친수성 유기물
18: 접합체(conjugator): 생체친화성 분자, 표적지향성 분자, 이들의 복합체 또는 혼합물
A: 소수성 나노입자의 친수성 표면 개질 단계
B 및 C: 친수성 나노입자의 접합체 결합 단계
본 발명은 입도가 균일한 친수성 무기물 나노입자를 개별 분산시킨 후 생체고분자를 결합시켜 제조한, 중심에 단일 나노입자를 포함하는 바이오-이미징에 유용한 유무기 복합체 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 계면활성제를 포함한 유기용액 중에서 화학적 방법에 의해 입도가 균일한 소수성 무기물 나노입자를 합성하는 방법이 확립됨에 따라 이를 실용화하려는 노력이 활발해지고 있다. 그 중에서 중심에 단일 무기물 나노입자가 있고 그 표면을 고분자가 둘러싸고 있는 유무기 복합체 나노입자는 바이오-이미지용 재료뿐만 아니라 유무기 복합체 필름이나 기질의 코팅재료 등으로도 유용성이 매우 높아서 실용화를 위한 연구가 집중되고 있는 분야이다.
초기에는 주로 소수성 무기물 나노입자를 이와 비슷한 성질을 갖는 고분자 또는 양쪽 성질을 갖는 고분자로 물리적 상호작용에 의해 코팅하여 표면이 소수성 또는 친수성인 유무기 복합체 나노입자를 제조하였다. 그러나, 이 방법은 하나의 유무기 복합체 나노입자가 그의 내부에 다수의 무기물 나노입자를 포함하게 되어 물성이 떨어지고 수율이 매우 저조한 문제점이 있다. 이것은 하나의 긴 고분자 사슬이 다수의 무기물 나노입자를 둘러싸면서 흡착이 진행되어 근본적으로 피하기 어려운 문제로 인식되었다. 이후에 여러 가지 방법들이 시도되었으나, 다수의 무기물 나노입자를 포함하게 되고 수율이 저조해지는 문제점을 해결하지 못하였다. 따라서, 중심에 단일 무기물 나노입자만을 포함하는 유무기 복합체 나노입자를 고수율로 제조하는 방법에 대한 관심이 점차 증가하고 있으며, 특히 부가가치가 높은 바이오-이미징 등에서의 요구가 급증하고 있다.
가장 많은 관심이 집중되고 있는 방법은 소수성 나노입자에 친수성 작용기와 티올(SH)기를 모두 갖는 유기리간드를 반응시켜 수십 개의 금속-티올레이트(M-S) 결합을 형성하고, 유기리간드의 친수성 작용기를 밖으로 향하게 하여 친수성 나노입자를 제조한 후, 이어서 상기 나노입자의 친수성 작용기와 생체고분자 사이에 공유결합을 형성함으로써 중심에 단일 무기물 나노입자만을 포함하는 유무기 복합체 나노입자를 제조하는 것이다(도 2 참조). 이러한 공유결합은 주로 나노입자의 친 수성 말단기와 새로운 생체고분자 사이의 아마이드 결합이나 에스테르 결합에 의해 이루어진다. 아민기(NH2), 카복시기(COOH), 하이드록시기(OH) 중 하나의 친수성 말단기와 티올기를 갖는 유기리간드가 주요 연구대상으로, 이러한 유기리간드는 표면에 금속 성분이 풍부한 반도체 나노입자(예: CdSe, ZnS, 또는 코어/쉘 구조의 CdSe/CdS, CdSe/ZnS 등), 금속 나노입자(예: Au, Ag), 금속산화물 나노입자(예: Fe2O3, Fe3O4) 등과 M-S 결합을 잘 형성하는 것으로 알려져 있다. 이들 중 카복시기는 분산성 및 용액 안정성이 우수하여 아마이드 결합에 의해 생체고분자를 나노입자에 연결하기 위한 친수성 말단기로 널리 사용되고 있다.
그러나, 이 방법은 약산성 수용액에서 나노입자 표면의 카복시기를 활성화시키는 단계를 거쳐야만 하는데, 이 과정에서 많은 나노입자들이 뭉쳐서 침전된다(WC Chan 및 S Nie, Science 281: 2016, 1998; Wen Jiang, et al., Chem. Mater. 18: 872, 2006). 이렇게 침전된 나노입자들은 분산성이 현저히 감소되어 다른 분자들과의 아마이드 결합반응이 진행되지 않으며, 이러한 침전들을 분리해서 제거하고 분산된 일부 용액층만을 사용하는 과정에서 다량의 나노입자가 손실되는 문제점이 있다. 또한, 하이드록시 말단기 역시 강한 산성이나 염기성 용액에서 에스테르 결합을 만들어야 하는데, 이때 나노입자들이 순식간에 뭉쳐서 침전되기 때문에 실질적으로 사용이 곤란하다.
친수성 말단기가 아민기인 경우에는 중성 수용액에서 아마이드 결합 형성반응이 가능한 것이 장점이지만, 여전히 나노입자끼리 뭉쳐서 침전되는 현상이 심각 하다. 실제로 뭉쳐진 상태의 나노입자 집단을 그대로 사용하면 표면에만 아마이드 결합반응이 진행되어 최종 유무기 복합체 나노입자의 수율이 매우 낮고, 양자효율 또한 0.1% 이하로 현저히 낮을 뿐만 아니라 신뢰할만한 값을 얻지 못한다.
이러한 뭉침과 침전현상을 해결하기 위하여, 최근에 소수성의 무기물 나노입자를 티올 말단기를 가진 폴리에틸렌글라이콜(polyethylene glycol, PEG) 고분자와 직접 반응시켜서 M-S 결합을 갖는 유무기 복합체 나노입자를 제조하는 방법이 보고된 바 있다(미국 특허 제7,041,371호). 그러나, 이 방법은 긴 사슬의 친수성 티올기가 계면활성제로 둘러싸인 나노입자의 표면까지 뚫고 들어가야 하기 때문에, 반응의 수율이 개선되었다고는 하나 그 수율이 여전히 낮고 입자의 뭉침현상을 근본적으로 해소할 수 없다는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 표면에 아민 말단기를 가진 친수성 나노입자들이 뭉쳐서 침전되는 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 수용액에서 집단을 이루어 분산되어 있는 친수성 나노입자를 해체하여 이들을 개별 분산시키는 조건을 확립하고, 이 조건에서 개별 분산된 친수성 나노입자에 생체고분자를 공유결합시켜 제조한 유무기 복합체 나노입자가 뭉치거나 침전되는 현상이 없이 중심에 단일 입자만을 포함하고 있어 우수한 입자 균일도, 분산성, 안정성, 생체친화성, 표적지향성 등의 향상된 물성을 나타냄을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 유무기 복합체 나노입자의 제조시 뭉침과 침전현상을 억제하여 친수성 양자점의 손실이 전혀 없으면서 분산성과 안정성이 우수한 유무기 나노입자 복합체를 높은 수율로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 분산성과 안정성이 우수하고 양자효율이 높은 바이오 이미지 또는 필름 코팅용 유무기 복합체 나노입자를 제공하는 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
1) 계면활성제로 보호된 코아 또는 코아/쉘 구조의 무기물 나노입자에 티올기 및 친수성 아민기를 포함하는 유기물을 첨가하여 이들 간의 금속-티올레이트(M-S) 결합을 통해 친수성 나노입자를 제조하는 단계;
2) 상기 단계 1)에서 제조된 친수성 나노입자의 농도를 2×10-6 M 이하로 만들고 초음파 중탕에서 처리하여 분광학적으로 개별 분산된 나노입자를 제조하는 단계; 및
3) 상기 단계 2)에서 개별 분산된 나노입자와 생체고분자와의 아마이드 결합을 초음파 중탕 하에서 수행하는 단계를 포함하는, 중심에 단일 무기물 나노입자를 가지는 유무기 복합체 나노입자의 제조방법을 제공한다.
종래기술에 언급한 바와 같이, 계면활성제를 포함한 유기용액 내에서 입도가 균일한 소수성 나노입자를 합성하고, 티올기와 아민기를 보유한 유기리간드와 나노입자 사이에 M-S 결합을 만들면 친수성 아민기가 겉으로 노출되어 분말의 친수성을 확보할 수 있다. 그러나, 아민기가 겉으로 노출된 친수성 나노입자들은 뭉쳐서 침전되는 현상이 매우 심해서 다른 생체고분자와의 아마이드 결합형성이 성공적으로 진행될 수 없다. 이러한 이유로 아직까지 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자를 고수율로 제조한 예는 보고된 바 없다.
본 발명에서는 아민기가 겉으로 노출된 친수성 나노입자를 포함하는 다양한 친수성 나노입자들이 입자 표면에 있는 수십 개의 친수성 작용기들의 입자간 수소결합에 의해 다른 나노입자들과 집단을 형성하게 된다는 것을 발견하고, 이러한 입자간 수소결합을 방해하기 위해 농도와 분산방법을 제어하여 이들이 뭉쳐서 침전되는 것을 방지할 수 있는 적정 시간과 방법을 선발함으로써 수용액상에서 집단으로서의 분산이 아닌, 개별적으로 분산될 수 있는 조건을 최초로 확립한 것이다. 이 조건 하에서 친수성 나노입자는 생체고분자와 아마이드 결합반응을 성공적으로 수행하여 중심에 단일 나노입자를 포함하는 분산성과 안정성이 향상된 유무기 복합체 나노입자 형태로 제조될 수 있다.
도 1 및 2를 참고로 하여, 본 발명에 따른 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 제조방법을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 단계 1)은 소수성 나노입자의 친수성 표면 개질 단계로(도 2의 A 참조), 계면활성제(14)에 의해 보호되어 있는 코아(10) 또는 코아/쉘(12) 구조의 무 기물 나노입자를 포함하고 있는 유기용액에 나노입자 표면의 금속원소와 화학결합을 형성하는 티올기 및 친수성 아민기를 함유하는 유기물(16)을 첨가한 후 세게 저어주면서 반응시켜 상기 나노입자 표면상의 금속원소와 상기 유기물 사이에 M-S 공유결합을 형성시킨다.
상기 단계 1)에서, 무기물 나노입자는 코아 또는 코아/쉘 구조로서 양자점 표면은 내부보다 금속성분이 풍부하고, 상기 표면은 유기물의 구성원소인 티올기와 M-S 공유결합에 의해 화학적으로 결합할 수 있다. 상기 무기물 나노입자는 주기율표상의 Ⅱ족 원소인 아연, 카드뮴 및 납 중의 1 원소와 주기율표상의 Ⅵ족 원소인 황, 셀레늄, 텔루륨 중의 1 원소로 구성되는 반도체 나노입자, 금속 나노입자 또는 표면에 금속성분이 풍부한 산화물 나노입자인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 무기물 나노입자로 CdSe, ZnS, CdSe/CdS, CdSe/ZnS, Au, Ag, Fe2O3, Fe3O4 등을 예로 들 수 있으며, 이외에도 티올기와 공유결합을 형성하는 물질로 구성된 모든 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 무기물 나노입자와 결합하는 유기물은 분자 내에 1 내지 2개의 티올기와 1 내지 2개의 친수성 아민기를 포함하고 있어 무기물 나노입자와 1 내지 2개의 M-S 결합을 형성할 수 있고, 다른 생체고분자(18), 예컨대 생체친화성 분자, 표적지향성 분자, 이들의 복합체(생체친화성-표적지향성 분자) 또는 혼합물과의 결합을 위해 1 내지 2개의 결합자리를 제공할 수 있다. 이러한 유기물로 하기 화학식 1을 갖는 유기물이 바람직하다.
(HS)a(CnH2n -x)(NH2)b
상기에서, CnH2n -x는 사슬형 또는 가지형 탄화수소로서, n은 1 내지 20에서 선택되는 정수이고;
a 및 b는 1 또는 2이고;
x는 a=b=1인 경우에는 0이고, a=1이고 b=2이거나 a=2이고 b=1인 경우에는 1이고, a=b=2인 경우에는 2이다.
상기 무기물 나노입자 표면의 금속원소와 유기물 표면의 티올기 사이의 M-S 공유결합에 의해 화학적으로 결합할 수 있는 유기물 분자의 수는 1 내지 100개이다. 이러한 유기물의 바람직한 일례로서 2-아미노에탄티올(2-aminoethanethiol)을 들 수 있다.
이 단계에서 표면 개질된 무기물 나노입자는 아민기가 겉으로 노출되어 친수성을 띄게 됨으로써 물에 대한 분산성이 향상되고, 추가적인 반응, 예컨대 생체고분자와의 상호작용에 참여할 수 있는 작용기를 갖게 된다.
단계 2)는 단계 1)에서 제조된 친수성 나노입자를 2×10-6 M 농도 이하의 용액으로 만들고 초음파 처리하여 입자간 수소결합에 의한 집단형성 거동을 방해함으로써 분광학적으로 개별 분산된 나노입자를 제조하는 단계이다. 단계 1)에서 제조된 친수성 나노입자의 수용액상 분산성은 일시적인 것이어서 보통 24시간 경과 후에는 입자끼리 응집되어 침전이 시작된다. 24시간 이전이라도 신선하게 제조하여 개별 분산된 나노입자를 정치 상태로 보관하면 집단형성 거동이 진행되는데, 이러한 현상은 넓은 트랩 상태 방출(trap state emission)로 확인할 수 있고, 작은 집단이 형성되었을 때에는 침전이 관찰되지 않을 수도 있다. 또한, 개별 분산되었다가 다시 형성된 집단은 그 응집력이 처음보다 강해져서 저농도에서 초음파 처리를 하더라도 넓은 트랩 상태 방출이 사라지지 않아 다시 개별 분산된 나노입자를 얻는 것이 불가능함을 확인하였다. 이에, 본 발명에서는 이러한 현상을 방지하기 위하여 친수성 나노입자를 제조한 후 10시간 이내에, 더욱 바람직하게는 제조한 후 즉시 이후의 반응에 사용하며, 농도를 2×10-6 M 이하로 유지하고 초음파 중탕 처리하여 분광학적으로 뭉침이 없는 상태를 유지한다. 친수성 나노입자의 농도별 발광 스펙트럼 분석에 따르면, 높은 농도의 친수성 나노입자 용액은 비록 침전이 발생하지 않더라도 친수성 나노입자끼리의 집단형성 거동으로 인해 개별 분산된 나노입자의 밴드 가장자리 방출(band edge emission) 보다 장파장 쪽에 넓고 약한 트랩 상태 방출 밴드가 나타나며 밴드 가장자리 방출의 형광세기가 매우 감소한다(도 4 참조). 그러나, 본 발명에서와 같이 친수성 나노입자의 농도를 2×10-6 M 이하로 유지하고 초음파 중탕 처리하여 생체고분자를 반응시키면 친수성 나노입자의 집단거동이 해체되어 개별 분산된 나노입자들에 의해 장파장쪽의 넓은 트랩 상태 방출 현상이 제거되고 밴드 가장자리 방출의 형광세기가 5배 이상 증가한 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자를 제조할 수 있다. 따라서, 신선하게 제조한 친수성 나노입자를 제조 즉시 반응에 사용하되 친수성 나노입자의 농도를 2×10-6 M 이하로 유지하는 것이 매우 중요하다.
또한, 초음파 중탕 처리는 30초 이내, 50 내지 60 Hz의 세기로 수행하는 것이 바람직하다.
단계 3)은 친수성 나노입자에 생체고분자를 결합시키는 단계(도 2의 C 참조)로, 상기 단계 2)에서 개별 분산된 나노입자와 생체고분자와의 아마이드 결합을 초음파 중탕 하에서 수행하여 중심에 단일 무기물 나노입자를 가지는 유무기 복합체 나노입자를 제조한다.
본 발명에서 생체고분자는 합성고분자 또는 생체구성물질로 생체적합성이 우수하여 부작용이 없으며 생분해성과 조건에 따라 용액, 겔, 막 등의 다양한 물성을 가지는 물질을 의미하며, 적어도 한쪽 말단에 알데하이드기 또는 활성화된 카복시기를 갖는 물질이다. 이러한 생체고분자로 생체친화성 분자, 표적지향성 분자, 이들의 복합체 또는 혼합물을 예로 들 수 있다.
상기 생체친화성 분자는 양쪽 사슬 말단에 알데하이드기 또는 활성화된 카복시기를 갖거나, 한쪽 사슬 말단에는 알데하이드기 또는 활성화된 카복시기를 갖고 다른 쪽 사슬 말단에는 탄소수가 1 내지 10에서 선택되는 알콕시기 또는 하이드록시기를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 생체친화성 분자로 폴리에틸렌글라이콜(PEG), 덱스트란, 폴리(L-락타이드)(PLLA), 폴리(DL-락타이드)(PDLLA), 폴리-DL-락타이드/글라이콜라이드 공중합체(PLGA), 키토산, 알긴산, 히아루론산, 콜라겐, 헤파린, 폴리(ε-카프로락톤) 등이 사용될 수 있다.
또한, 표적지향성 분자는 생체 내에서 특이적으로 인지되는 물질로서 아민 기, 하이드록시기 및 티올기 중의 하나를 가지고 있어서 상기 생체친화성 분자와 아마이드 결합, 에스테르 결합 및 티오에스테르 결합 중의 하나에 의해 연결될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 표적지향성 분자로 엽산 수용체 단백질에 선택적으로 반응하는 엽산(folic acid)이나 메토트랙세이트(methotrexate, MTX), 특정 세포에 선택적인 펩타이드, 예를 들면 RGD 펩타이드(RGD peptide)나 tat 펩타이드(tat peptide), 또는 특이 항원에 선택적으로 반응하는 항체, 예를 들면 스트렙타비딘에 대한 바이오틴, PSA에 대한 PSA 항체 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 생체친화성 분자와 표적지향성 분자를 아마이드 결합이나 에스테르 결합에 의해 연결하여 이들의 복합체 형태로 제조된 생체친화성-표적지향성 분자 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
이러한 생체친화성 분자, 표적지향성 분자, 생체친화성-표적지향성 분자 또는 이들의 혼합물과 같은 생체고분자는 적어도 분자의 한쪽 말단에 알데하이드기나 활성화된 카복시기를 가지고 있어서 단계 2)에서 개별 분산된 친수성 나노입자의 아민기와 아마이드 결합을 형성하여 유무기 복합체 나노입자를 형성할 수 있다. 이때, 친수성 나노입자의 개별 분산성을 유지하기 위하여 상기 반응은 초음파 중탕 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 제조방법을 기존의 방법과 비교해보면, 도 2의 단계 B에 나타난 바와 같이, 친수성 나노입자들이 집단을 이루어 뭉쳐진 상태로 생체고분자와 아마이드 결합반응이 수행되는 경우에는 집단 표면에만 생체고분자가 둘러싸는 형태로 아마이드 결합이 형성되고 그의 내부에 존재하는 나노입자는 생체 고분자와의 접촉이 불가능하여 아마이드 결합을 형성할 수 없다. 이로 인해 최종 유무기 복합체 나노입자의 수율이 낮아지고 양자효율이 저하되는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명에서는, 도 2의 단계 C에 나타난 바와 같이, 적정 농도로 유지된 친수성 나노입자를 초음파 중탕 처리로 개별 분산시켜 단일 입자형태를 유지한 상태에서 단일 친수성 나노입자와 생체고분자와의 아마이드 결합이 보통 수십 개까지 형성되기 때문에 친수성 양자점의 소실없이 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자를 100% 수율로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 유무기 복합체 나노입자의 양자 효율을 4배 이상 증가시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 10 ㎚ 이하의 구형이며 형광 특성을 갖는 코아 또는 코아/쉘 나노입자를 유기용액 상에서 합성하여 입자의 균일성을 확보하고 표면 개질에 의해 친수성으로 전환한 후, 이 친수성 나노입자의 농도를 조절하고 초음파 중탕에서 처리하여 넓은 트랩 상태 방출 밴드가 없는, 즉 분광학적으로 개별 분산된 친수성 나노입자 용액을 얻는다. 이렇게 분광학적으로 개별 분산된 친수성 나노입자에 생체친화성 분자, 표적지향성 분자, 생체친화성-표적지향성 분자 또는 이들의 혼합물을 아마이드 결합으로 연결하여 중심에 단 하나의 나노입자를 포함하고 있는 친수성, 생체친화성, 표적지향성을 일부 또는 모두 갖는 바이오-이미지용 유무기 복합체 나노입자를 100% 수율로 제공한다.
또한, 본 발명의 제조방법은 내부 무기물 나노입자의 구성 성분에 관계없이 나노입자 표면의 금속 성분이 티올기를 갖는 유기물과 공유결합을 형성할 수 있기만 하면 상기 유기물 내 아민기를 통해 생체고분자와 결합할 수 있으므로, 다양한 종류의 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 제조에 적용될 수 있다.
아울러, 본 발명의 제조방법은 내부 무기물 나노입자와 친수성 유기물과의 공유결합이 M-S 결합이 아니더라도 친수성 나노입자 표면에 아민기(알킬아미노기)를 노출하고 있기만 하면 상기와 같은 방법, 즉 농도 제어와 초음파 중탕 처리로 상기 유기물 내 아민기를 통해 생체고분자와 아마이드 결합을 형성할 수 있으므로, 다양한 종류의 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 제조에 적용될 수 있다. 이러한 예로 실리카 무기물 나노입자 표면에 트라이알콕시아미노프로필실란이 결합하여 형성된 친수성 나노입자를 들 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조되는 중심에 단일 무기물 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자를 제공한다.
본 발명에 따른 유무기 복합체 나노입자는 중심에 코아 및 코아/쉘 구조의 무기물 나노입자에 금속-티올레이트 결합한 유기물을 포함하는 단일 친수성 나노입자를 포함하고, 상기 친수성 나노입자의 친수성 아민기에 아마이드 결합으로 생체고분자가 연결된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 유무기 복합체 나노입자는 뭉침에 의한 친수성 양자점의 소실이 전혀 없으며, 하나의 나노입자 표면에 수십 개의 유기리간드가 존재하고, 이에 결합한 수십 개의 생체고분자를 포함하고 있어 매우 우수한 입자 균일도, 화학적 안정성, 수용액상 분산성, 생체친화성 및 표적지향성을 가지며 고효율의 발광성과 광안정성을 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 유무기 복합체 나노입자는 바이오-이미지용 또는 필름 코팅용 재료로 매우 유용하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라 질병의 진단과 치료 등을 고감도로 실행할 수 있는 의료용 기초재료로도 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예에서 출발물질로 사용한 코아/쉘 구조의 소수성 나노입자 CdSe/CdS(2.5층)는 문헌(JJ Li, et al., Journal of the American Chemical Society 125: 12567-12575, 2003; WW Yu, et al., Chemistry of Materials 15: 2854-2860, 2003)에 기재된 방법을 참고하여 CdSe 코아 나노입자 표면에 Cd, S, Cd, S, Cd 각 0.5층씩을 교대로 성장시켜 제조하였다. 그러나, 어떤 방법으로 제조하더라도 표면에 금속 성분이 풍부한 소수성 나노입자라면 실시예 1 내지 6에 동일하게 적용할 수 있음은 당업자에게 자명한 것이다.
실시예 1: 친수성 반도체 나노입자 CdSe / CdS - AET 의 제조
소수성 CdSe/CdS(2.5층) 양자점 용액(2.9×10-5 M) 5 ㎖을 클로로폼 25 ㎖에 분산시키고 0.05 M HSCH2CH2NH2·HCl(Acros, 98%, AET·HCl)을 포함하는 메탄올 용액을 가하면서 격렬히 교반하여 침전을 형성시켰다. 더 이상 침전이 생기지 않는 시점에서 증류수를 첨가하여 수용성으로 표면이 개질된 CdSe/CdS-AET를 수용액층(상층)으로 이동시켰다. 클로로폼 층에서 어떠한 침전이나 발광이 관찰되지 않는 것으로 보아 양자점의 손실이 없음을 확인하였다.
이로부터 수용액층만을 취한 후 메탄올/에틸아세테이트 혼합용매를 첨가하여 침전을 형성시키고 이를 원심분리를 이용하여 분리하였다. 분리된 침전물을 메탄올/에틸아세테이트 혼합용매로 씻어주고 3차 증류수에 분산시켜 Cd-S 결합에 의해 안정화되고, 표면 쪽으로 노출된 아민기에 의해 친수성을 갖는 CdSe/CdS-AET 용액을 제조하였다.
상기에서 합성된 CdSe/CdS-AET 친수성 나노입자의 적외선 분광 스펙트럼과 농도에 따른 발광 스펙트럼을 측정하여 각각 도 3의 (a)와 도 4에 나타내었다. 적외선 분광 스펙트럼으로부터 양자점 표면에 AET가 결합된 것을 확인하였고, 발광 스펙트럼으로부터 농도가 낮아질수록 700 내지 850 ㎚ 영역의 넓은 트랩 상태 방출 밴드가 약해지는 것을 확인하였다. 또한, 도 5는 CdSe/CdS-AET 친수성 나노입자(2×10-6 M)를 30초간 초음파 중탕 처리하기 전과 후, 그리고 초음파 중탕 처리한 용액을 10시간 정치한 후에 다시 30초간 초음파 중탕 처리한 용액의 발광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 수용성 나노입자 용액을 만들어서 바로 초음파 처리를 하면 700 내지 850 ㎚ 영역의 넓은 트랩 상태 방출 스펙트럼이 사라지는 것을 알 수 있다. 그러나, 이 용액을 일정 시간이상 정치한 후에는 다시 초음파 중탕 처리를 하더라도 넓은 트랩 상태 방출이 제거되지 않았는데, 이는 양자점 집단이 수용액 상태에서 제조 초기에만 해체되어 개별 분산될 수 있음을 나타내는 것이다. 또한, 넓은 트랩 상태 방출이 사라지고 밴드 가장자리 방출만이 관찰되는 것으로 양자점 용액이 단일 양자점을 포함하는 유무기 복합체 나노입자로 전환되었음을 판단할 수 있다. 도 6은 CdSe/CdS-AET 친수성 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 것으로, TEM 그리드 위에서 용매가 서서히 기화하면서 3차원 집단으로 뭉쳐진 양자점이 관찰되었다.
실시예 2: 유무기 복합체 나노입자 CdSe / CdS - AET - PEG5000 의 제조
실시예 1에서 제조한 CdSe/CdS-AET 나노입자 용액을 일부 취하여 2×10-6 M 농도의 시료 10 ㎖을 만든 후 초음파 중탕에서 처리하여 700 내지 850 ㎚ 영역에 넓은 트랩 상태 방출이 없는 것을 확인하였다. 여기에 폴리(에틸렌 글라이콜) 모노메틸 에테르 모노(석시니미딜 석시네이트) 에스테르(poly[ethylene glycol] nomethyl ether mono[succinimidyl succinate] ester, PEG5000, Polysciences Inc., Mw=5000) 0.020 g(200 당량)을 아세토나이트릴 2 ㎖에 녹여서 가한 후 6시간 동안 초음파 중탕 처리와 교반을 반복하고 다시 12시간 동안 교반하였다. 이 용액에 메탄올과 에틸아세테이트를 가하여 침전을 얻고 메탄올로 5회 이상 세척하여 최종적으로 얻은 고체를 다이클로로메탄에 분산시켰다. 원심분리 후 버려지는 액체에서 형광이 전혀 검출되지 않는 것으로 100% 수율임을 확인하였다.
상기에서 합성된 CdSe/CdS-AET-PEG5000 유무기 복합체 나노입자의 적외선 분 광 스펙트럼, 투과전자현미경 이미지 및 발광 스펙트럼을 각각 도 3의 (b), 도 7 및 도 8에 나타내었다. 적외선 분광 스펙트럼으로부터 PEG5000이 결합한 것을 확인하였고, TEM 이미지에서는 각각의 양자점들이 독립적으로 존재하며 뭉침 현상이 없는 것으로 보아 중심에 단일 양자점을 포함하는 유무기 복합체 나노입자임을 확인하였다. 또한, 발광 스펙트럼으로부터 700 내지 850 ㎚ 영역에 넓은 트랩 상태 방출이 없으며, 양자효율이 CdSe/CdS-AET(1.7%) 보다 약 5배(8.3%) 증가한 것을 확인하였다.
이와 비교하기 위하여, 실시예 1의 방법으로 제조하고 제조 후 1 일이 경과해서 700 내지 850 ㎚ 영역에 넓은 트랩 상태 방출이 있는 5×10-6 M 농도의 시료 4 ㎖를 취하여 단순히 2.5배로 희석하고 PEG5000 0.020 g(200 당량)을 아세토나이트릴 2 ㎖에 녹여서 가한 후 하루 동안 교반하였다. 이 용액에 메탄올과 에틸아세테이트를 가하여 침전물을 얻고 메탄올로 5회 이상 세척하여, 최종적으로 얻은 고체를 3차 증류수에 분산시켰다. 세척을 위해 원심분리 후 버려지는 액체에서 형광이 계속 검출되는 것으로 보아 반응이 효율적으로 진행되지 않았으며, 최종 유무기 복합체 나노입자 용액의 양자효율이 0.1% 이하이고 형광이 극히 약함을 확인하였다. 대조군으로 수행한 반응의 집단 양자점 용액을 365 ㎚ 광원으로 여기시켜서 얻은 실제 이미지를 도 9에 나타내었고, 이의 이론적인 유무기 복합체 집단 양자점의 모식도를 함께 나타내었다. 도 9에서 최종 유무기 복합체 나노입자의 형광이 미미한 것은 나노입자들이 비록 분산되기는 하지만, 여전히 집단으로 존재하는 친수성 CdSe/CdS-AET 나노입자의 표면에서만 PEG와의 아마이드 결합반응이 진행되어 반응수율과 양자효율이 매우 저하되었기 때문이다.
실시예 3: 유무기 복합체 나노입자 CdSe / CdS - AET - PEG1900 의 제조
실시예 1에서 제조한 CdSe/CdS-AET 용액을 일부 취하여 1×10-6 M 농도의 시료 10 ㎖를 만들어 초음파 중탕에서 처리하여 700 내지 850 ㎚ 영역에 넓은 트랩 상태 방출이 없는 것을 확인하였다. 여기에 PEG1900(Polysciences Inc. Mw=1900) 4.8 ㎎(250 당량)을 가한 후 6시간 동안 초음파 중탕 처리와 교반을 반복하고 다시 12시간 동안 교반하였다. 이 용액에 메탄올과 에틸아세테이트를 가하여 침전을 얻고 메탄올로 5회 이상 세척하여 최종적으로 얻은 고체를 다이클로로메탄에 분산시켜 CdSe/CdS-AET-PEG1900 유무기 복합체 나노입자 용액을 제조하였다. 원심분리 후 버려지는 액체에서 형광이 전혀 검출되지 않는 것으로 100% 수율임을 확인하였다.
실시예 1 내지 3에서 합성된 유무기 복합체 나노입자 용액을 365 ㎚ 광원으로 여기시켜서 얻은 실제 이미지를 도 10에 나타내었고, 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 모식도를 함께 나타내었다. 실시예 1의 나노입자 CdSe/CdS-AET 보다 실시예 2 및 3의 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 형광세기가 매우 높은 것을 육안으로 쉽게 구별할 수 있다. 이의 적외선 분광 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 각각 도 3의 (c)와 도 11에 나타내었다. 적 외선 분광 스펙트럼으로부터 PEG1900이 결합한 것을 확인하였고, 발광 스펙트럼으로부터 700 내지 850 ㎚ 영역에 트랩 상태 방출이 없으며 양자효율이 CdSe/CdS-AET(1.7%) 보다 약 6배(10%) 증가한 것을 확인하였다. 이러한 결과들로부터 중심에 단일 양자점을 포함하는 유무기 복합체 나노입자가 제조되었음을 확인하였다.
실시예 4: 생체친화성-표적지향성 분자( FA - en - PEG )의 제조
441 ㎎(1 mmol)의 엽산(folic acid=FA)을 14 ㎖의 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide=DMF)에 녹이고 이를 얼음물 중탕에서 10분간 교반하였다. 여기에 226 ㎎(1.1 mmol)의 다이사이클로헥실카보다이이미드(dicyclohexylcarbodiimide=DCC)를 가하고 18시간 동안 교반하였다. 2.5 ㎖의 에틸렌다이아민(ethylenediamine=en)을 20 ㎖의 DMF에 녹이고 상기 용액을 가하여 3시간 동안 교반하였다. 이 용액에 물과 아세토나이트릴을 가하여 FA-en 침전을 형성하고 동일한 용매를 사용하여 재결정하였다. 다른 플라스크에 1.98 g(3.3 mmol)의 폴리에틸렌글라이콜다이카복시산(PEG600 dicarboxylic acid, Mw=600)을 8 ㎖의 DMF에 녹인 용액을 준비하고 얼음물 중탕에서 10분간 교반하였다. 여기에 1.572 g(6.9 mmol)의 DCC를 가하고 18시간 동안 교반하였다. 이 용액의 온도를 상온으로 올린 후, 상기의 FA-en 침전(161 ㎎, 0.33 mmol)을 가하고 상온에서 5시간 동안 교반하였다. 이로부터 백색의 부유고체를 걸러서 제거하고 거른 용액에 에테르를 과량 첨가하여 침전을 형성시켰다. 이를 냉장고에 보관하여 침전을 묵혀서 거르고 차가운 에테르를 이용하여 세척한 후 진공 하에서 건조하여 FA-en-PEG 162 ㎎을 얻었고, 이의 적외선 분광스펙트럼을 도 3의 (d)에 나타내었다.
실시예 5: 친수성, 생체친화성 및 표적지향성을 갖는 CdSe / CdS - AET - PEG - en -FA의 제조
실시예 1의 방법으로 제조한 CdSe/CdS-AET 용액을 일부 취하여 1×10-6 M 농도의 시료 20 ㎖를 만들어 초음파 중탕에서 처리하여 700 내지 850 ㎚ 영역에 넓은 트랩 상태 방출이 없는 것을 확인하였다. 여기에 실시예 4에서 제조한 FA-en-PEG 2.8 ㎎(100 당량)을 가한 후 6시간 동안 초음파 중탕 처리와 교반을 반복하고 다시 12시간 동안 교반하였다. 이 용액에 메탄올/에틸아세테이트를 가하여 침전을 형성시키고 이를 원심분리하여 얻은 고체를 메탄올/에틸아세테이트를 이용하여 재결정하였다. 최종적으로 얻은 고체를 3차 증류수에 분산시켜 CdSe/CdS-AET-PEG-en-FA 유무기 복합체 나노입자를 제조하였다. 상기 유무기 복합체 나노입자의 적외선 분광 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 각각 도 3의 (e)와 도 12에 나타내었다. 적외선 분광 스펙트럼으로부터 FA-en-PEG가 결합한 것을 확인하였고, 발광 스펙트럼으로부터 700 내지 850 ㎚ 영역에 방출이 없으며 양자효율이 CdSe/CdS-AET(1.7%) 보다 약 4배(6.9%) 증가한 것을 확인하였다.
실시예 6: 친수성, 생체친화성 및 표적지향성을 갖는 CdSe /CdS(- AET - PEG - en -FA)(-AET-PEG1900)의 제조
실시예 1의 방법으로 제조한 CdSe/CdS-AET 용액을 일부 취하여 1×10-6 M 농도의 시료 20 ㎖를 만들어 초음파 중탕에서 처리하여 700 내지 850 ㎚ 영역에 넓은 트랩 상태 방출이 없는 것을 확인하였다. 여기에 실시예 4에서 제조한 FA-en-PEG 1.12 ㎎(40 당량)을 넣고 1시간 동안 초음파 중탕 처리와 교반을 반복한 후에 계속해서 PEG1900 38.5 ㎎(200 당량)을 가한 후 6시간 동안 초음파 중탕 처리와 교반을 반복하고 다시 12시간 동안 교반하였다. 상기 용액에 메탄올/에틸아세테이트를 가하여 침전을 형성시키고 이를 원심분리하여 얻은 고체를 메탄올/에틸아세테이트를 이용하여 재결정하였다. 실시예 5에서 합성한 CdSe/CdS-AET-PEG-en-FA의 경우보다 용해도가 커서 침전을 얻는데 시간이 훨씬 오래 걸리는 것으로 보아 PEG1900이 혼합되어 결합한 것을 알 수 있었다. 최종적으로 얻은 고체를 3차 증류수에 분산시켜 CdSe/CdS(-AET-PEG-en-FA)(-AET-PEG1900) 유무기 복합체 나노입자를 제조하였다. 상기 유무기 복합체 나노입자의 적외선 분광 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 각각 도 3의 (f)와 도 13에 나타내었다. 적외선 분광 스펙트럼으로부터 FA-en-PEG와 PEG1900 혼합물이 양자점에 결합한 것을 확인하였고, 발광 스펙트럼으로부터 700 내지 850 ㎚ 영역에 방출이 없으며 양자효율이 CdSe/CdS-AET(1.7%) 보다 약 4.5배(7.6%) 증가한 것을 확인하였다.
실시예 7
상기 실시예 2 및 3에서 제조한 유무기 복합체 나노입자 용액에 유리판을 수 차례 담갔다가 건조시켜 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자 필름이 코팅된 유리판을 제조하였다. 이 유리판을 365 ㎚ 광원으로 여기시켜 얻은 이미지와 광원없이 얻은 이미지를 도 14에 나타내었다.
도 14에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 유무기 복합체 나노입자가 필름 코팅용 재료로 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제조방법은 입도가 균일한 친수성 나노입자의 수용액상에서의 집단형성 거동을 해체하여 분광학적으로 개별 분산된 나노입자를 확보한 후, 이 친수성 나노입자에 생체친화성 분자 또는 표적지향성 분자와 같은 생체고분자를 결합시키기 때문에 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자를 100% 수율로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법은 내부 무기물 나노입자의 구성 성분에 관계없이 나노입자 표면의 금속 성분이 티올기를 갖는 유기물과 또는 기타의 유기물과 공유결합을 형성할 수 있기만 하면 상기 유기물 내 아민기를 통해 생체고분자와 결합할 수 있으므로, 다양한 종류의 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 제조에 적용될 수 있다. 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 유무기 복합체 나노입자는 10 ㎚ 이하의 구형, 입자 균일도, 화학적 안정성, 수용액상 분산성, 생체친화성, 표적지향성 등의 성질을 가질 뿐만 아니라 고효율의 발광성과 광안정성이 확보되어 바이오-이미지용 또는 필름 코팅용 재료로뿐만 아니라 질병의 진단과 치료 등을 고감도로 실행할 수 있는 의료 용 기초재료로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (16)

1) 계면활성제로 보호된 코아 또는 코아/쉘 구조의 무기물 나노입자에 티올기 및 친수성 아민기를 포함하는 유기물을 첨가하여 이들 간의 금속-티올레이트(M-S) 결합을 통해 친수성 나노입자를 제조하는 단계;
2) 상기 단계 1)에서 제조된 친수성 나노입자의 농도를 1×10-8 내지 2×10-6 M로 만들고 초음파 중탕에서 처리하여 개별 분산된 나노입자를 제조하는 단계; 및
3) 상기 단계 2)에서 개별 분산된 나노입자와 생체친화성 분자, 표적지향성 분자, 이들의 복합체 또는 혼합물과의 아마이드 결합을 초음파 중탕 하에서 수행하는 단계를 포함하는, 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계 1)에서 무기물 나노입자가 주기율표상의 Ⅱ족 원소인 아연, 카드뮴 및 납 중의 1 원소와 주기율표상의 Ⅵ족 원소인 황, 셀레늄 및 텔루륨 중의 1 원소로 구성되는 반도체 나노입자, 금속 나노입자 또는 금속 산화물 나노입자인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 무기물 나노입자가 CdSe, ZnS, CdSe/CdS, CdSe/ZnS, Au, Ag, Fe2O3 및 Fe3O4로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방 법.
제 1항에 있어서, 상기 단계 1)에서 유기물이 분자 내에 1 내지 2개의 티올기와 1 내지 2개의 친수성 아민기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 유기물이 하기 화학식 1을 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법:
<화학식 1>
(HS)a(CnH2n -x)(NH2)b
상기에서, CnH2n -x는 사슬형 또는 가지형 탄화수소로서, n은 1 내지 20에서 선택되는 정수이고;
a 및 b는 1 또는 2이고;
x는 a=b=1인 경우에는 0이고, a=1이고 b=2이거나 a=2이고 b=1인 경우에는 1이고, a=b=2인 경우에는 2이다.
제 5항에 있어서, 상기 유기물이 2-아미노에탄티올(2-aminoethanethiol)인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계 1)에서 무기물 나노입자와 금속-티올레이트 결 합을 형성할 수 있는 유기물 분자의 수가 1 내지 100개인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 단계 1)에서 제조된 친수성 나노입자 이외에 입자 표면에 아미노알킬기가 겉으로 노출된 친수성 나노입자가 단계 2)에서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 단계 2)에서 초음파 중탕 처리가 30초 이내, 50 내지 60 Hz의 세기로 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계 3)에서 생체고분자가 적어도 한쪽 말단에 알데하이드기 또는 활성화된 카복시기를 갖는 생체친화성 분자, 표적지향성 분자, 이들의 복합체 또는 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 생체친화성 분자가 양쪽 사슬 말단에 알데하이드기 또는 활성화된 카복시기를 갖거나, 한쪽 사슬 말단에는 알데하이드기 또는 활성화된 카복시기를 갖고 다른 쪽 사슬 말단에는 탄소수가 1 내지 10에서 선택되는 알콕시기 또는 하이드록시기를 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 11항에 있어서, 상기 생체친화성 분자가 폴리에틸렌글라이콜(PEG), 덱스트란, 폴리(L-락타이드)(PLLA), 폴리(DL-락타이드)(PDLLA), 폴리-DL-락타이드/글라이콜라이드 공중합체(PLGA), 키토산, 알긴산, 히아루론산, 콜라겐, 헤파린 및 폴리(ε-카프로락톤)으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 표적지향성 분자가 생체 내에서 특이적으로 인지될 수 있고, 아민기, 하이드록시기 및 티올기 중의 하나를 가지고 있어서 생체친화성 분자와 아마이드 결합, 에스테르 결합 및 티오에스테르 결합 중의 하나에 의해 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 표적지향성 분자가 엽산(folic acid), 메토트랙세이트(methotrexate, MTX), 특정 세포에 선택적인 펩타이드, 또는 특이 항원에 선택적으로 반응하는 항체인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 복합체인 생체친화성 분자와 표적지향성 분자가 아마이드 결합 또는 에스테르 결합에 의해 연결된 것임을 특징으로 하는 제조방법.
제 1항의 제조방법에 의해 제조되고, 코아 및 코아/쉘 구조의 무기물 나노입자에 금속-티올레이트 결합된 친수성 아민기를 갖는 유기물을 포함하는 친수성 나 노입자를 포함하고, 상기 친수성 나노입자의 친수성 아민기에 아마이드 결합으로 생체고분자가 연결된 구조를 갖는, 중심에 단일 나노입자를 포함하는 유무기 복합체 나노입자.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10577484B2 (en) 2014-07-01 2020-03-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Compositions and polymer composites prepared from the same

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7803347B2 (en) * 2005-07-01 2010-09-28 Tohoku Techno Arch Co., Ltd. Organically modified fine particles
US20100075137A1 (en) * 2006-05-17 2010-03-25 Lockheed Martin Corporation Carbon nanotube synthesis using refractory metal nanoparticles and manufacture of refractory metal nanoparticles
US7736414B1 (en) 2006-05-17 2010-06-15 Lockheed Martin Corporation Rhenium nanoparticles
KR100943839B1 (ko) * 2007-10-31 2010-02-24 한국과학기술연구원 불규칙 표면구조의 우선 도입에 의해 고수율의바이오-이미지용 나노입자를 제조하는 방법
US8642991B2 (en) 2008-11-11 2014-02-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Photosensitive quantum dot, composition comprising the same and method of forming quantum dot-containing pattern using the composition
KR101501644B1 (ko) 2008-11-27 2015-03-12 삼성디스플레이 주식회사 나노 입자의 제조 방법, 발광 소자의 제조 방법 및 표시 기판의 제조 방법
CN101491835B (zh) * 2009-02-27 2013-07-17 江南大学 一种制备肝素修饰的金纳米粒子的方法
WO2010114770A1 (en) * 2009-03-30 2010-10-07 Cerulean Pharma Inc. Polymer-agent conjugates, particles, compositions, and related methods of use
WO2010114768A1 (en) * 2009-03-30 2010-10-07 Cerulean Pharma Inc. Polymer-epothilone conjugates, particles, compositions, and related methods of use
CA2756072A1 (en) * 2009-03-30 2010-10-14 Cerulean Pharma Inc. Polymer-agent conjugates, particles, compositions, and related methods of use
CN102029401B (zh) * 2010-11-30 2012-06-27 厦门大学 叶酸受体靶向型纳米金颗粒的合成方法
US9518921B2 (en) 2011-12-28 2016-12-13 The Hong Kong University Of Science And Technology Silica nanoparticles with aggregation induced emission characteristics as fluorescent bioprobe for intracellular imaging and protein carrier
EP2812139B1 (en) 2012-02-10 2017-12-27 Lockheed Martin Corporation Nanoparticle paste formulations and methods for production and use thereof
US20130206225A1 (en) 2012-02-10 2013-08-15 Lockheed Martin Corporation Photovoltaic cells having electrical contacts formed from metal nanoparticles and methods for production thereof
US20150011763A1 (en) 2013-07-03 2015-01-08 Carestream Health, Inc. Surface modification of metal nanostructures
CN103520741B (zh) * 2013-10-10 2016-04-06 厦门大学 一种靶向核磁造影剂制备方法
CN104162174B (zh) * 2014-07-14 2016-11-09 东华大学 一种金包覆氧化铁星形核壳结构纳米颗粒的制备及其成像和热疗的应用
GB201820470D0 (en) * 2018-12-14 2019-01-30 Midatech Ltd Antifolate-carrying nanoparticles and their use in medicine
GB201820471D0 (en) * 2018-12-14 2019-01-30 Midatech Ltd Nanoparticle-based therapy of inflammatory disorders
CN111266599B (zh) * 2020-01-21 2022-06-21 王海龙 一种多极子局域表面等离子体共振吸收体的制备方法及其应用
CN113171784A (zh) * 2021-04-25 2021-07-27 福州大学 一种用于光解水产氢的MXene修饰的硒化镉量子点异质复合材料的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5417982A (en) 1994-02-17 1995-05-23 Modi; Pankaj Controlled release of drugs or hormones in biodegradable polymer microspheres
KR20010102598A (ko) * 2000-05-01 2001-11-16 김성근 티올기가 부착된 탄소나노튜브 및 이의 제조방법
KR20030000316A (ko) * 2001-06-23 2003-01-06 주식회사 태평양 폴리에틸렌이민을 친수성 블록으로 갖고 폴리에스테르계고분자를 소수성 블록으로 갖는 양친성 생분해성 블록공중합체 및 이를 이용한 수용액 상에서의 고분자자기조합 회합체
US6783746B1 (en) 2000-12-12 2004-08-31 Ashland, Inc. Preparation of stable nanotube dispersions in liquids
KR20050054349A (ko) * 2003-12-04 2005-06-10 학교법인 한양학원 유무기 나노 복합체 및 그의 제조방법
KR20060041416A (ko) * 2004-11-08 2006-05-12 삼성전자주식회사 고정화된 금속-리간드 복합체에 의한 세포 용해 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6599631B2 (en) * 2001-01-26 2003-07-29 Nanogram Corporation Polymer-inorganic particle composites
US6251303B1 (en) * 1998-09-18 2001-06-26 Massachusetts Institute Of Technology Water-soluble fluorescent nanocrystals
JP4181435B2 (ja) * 2003-03-31 2008-11-12 日油株式会社 ポリエチレングリコール修飾半導体微粒子、その製造法及び生物学的診断用材料

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5417982A (en) 1994-02-17 1995-05-23 Modi; Pankaj Controlled release of drugs or hormones in biodegradable polymer microspheres
KR20010102598A (ko) * 2000-05-01 2001-11-16 김성근 티올기가 부착된 탄소나노튜브 및 이의 제조방법
US6783746B1 (en) 2000-12-12 2004-08-31 Ashland, Inc. Preparation of stable nanotube dispersions in liquids
KR20030000316A (ko) * 2001-06-23 2003-01-06 주식회사 태평양 폴리에틸렌이민을 친수성 블록으로 갖고 폴리에스테르계고분자를 소수성 블록으로 갖는 양친성 생분해성 블록공중합체 및 이를 이용한 수용액 상에서의 고분자자기조합 회합체
KR20050054349A (ko) * 2003-12-04 2005-06-10 학교법인 한양학원 유무기 나노 복합체 및 그의 제조방법
KR20060041416A (ko) * 2004-11-08 2006-05-12 삼성전자주식회사 고정화된 금속-리간드 복합체에 의한 세포 용해 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10577484B2 (en) 2014-07-01 2020-03-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Compositions and polymer composites prepared from the same

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KR20080017149A (ko) 2008-02-26
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