Research

본 나노소재연구실은 /무기나노입자를 포함한 다양한 나노/생체 물질간의 구성, 인터페이스/결합화학 등을 정밀하게 디자인 하는, Nanoparticle Engineering 을 통해 우수한 성질의 나노물질을 제조하여, 다양한 바이오/의학 분야에 응용하는 것을 주 연구 목적으로 한다. 다기능성 나노복합 물질의 제조와 목적에 맞는 기능성 부여 등 합성에 대한 전문성과 생체적합성, 나노물질-생체 상호작용, 분자영상/센싱 등 생명의학 분야에 대한 이해를 바탕으로 바이오/의학 분야에서 나노물질의 응용 연구를 진행하고 있다.

 

 

 

<Nanoparticle Engineering: Surface/Structure modification and Conjugation Process>

무기 나노물질 물질 특성은 1차적으로 무기 물질의 구성 성분, 결정성과 그 크기에 결정된다. 이에 균일하고 결정성이 높은 반도체, 금속, 금속산화물 들의 합성에 대한 연구는 본 연구실을 포함한 다양한 연구그룹에서 수행되어 왔다. 다만 대부분의 고품질의 무기나노입자들은 유기용매/계면활성제 환경에서 유기금속물질의 고온반응으로 인하여 제조가 되는 것이 일반적으로, 제조된 나노입자가 소수성의 표면특성을 갖게 되는 한계를 가지고 있어 추가적인 표면 처리 및 개질공정이 필연적으로 동반되어야 하며, 응용 목적에 따라 2차적 구조를 형성 하도록 유연한 변화가 필수적이다. 이를 위해 금속산화물, 반도체, 금속 등 다양한 나노입자를 위한 다기능성 리간드를 효율적으로 제조하는 연구를 수행해 왔으며 이를 이용한 영상/센서 등의 응용에 대한 연구를 하고 있다. 이러한 나노입자의 제조 및 개질 공정, 이른바 Nanoparticle engineering은  다양한 분야에 나노입자를 적극적으로 응용하는 연구목적에 있어서 필수적인 요소로 나노입자 합성을 기반으로 리간드 개발, 표면개질, 2차구조체 형성, 유기/생체물질과의 결합 프로세스 등을 포함한다.

1)     Bio-compatible, anti-biofouling surface and conjugation with biomaterials

 나노입자를 생체내로 도입하여 in vivo 영상/진단을 하거나 생체 외부 혹은 세포 수준 (ex vivo/in vitro)의 영상화 혹은 센서로 이용하기 위해서는 입자 표면의 생체적합성 개질과 함께 표적화 물질의 부착을 위한 기능기 도입, 이들을 이용한 다양한 생체활성 물질들과의 결합반응이 필수적이다. 나노입자의 개질에서 입자의 표면과 결합하여 안정화 하는 작용기는 구성물질과 종류에 따라 상이하므로 물질에 적합한 작용기의 탐색/도입과 결합력의 조절이 가장 중요하다. 또한 나노입자의 친수성 및 생체적합성은 1차적으로 표면 특성에 기반하므로 이를 조절할 수 있는 친수성 물질의 리간드 등의 도입이 요구된다. 특히 생체내 도입하여 영상/진단을 목적을 하는 나노조영제의 경우 체내 면역체계와의 상호작용은 표면 특성 과 함께 용액 및 체액 상에서 나노입자의 크기, 수화지름 (hydrodynamic diameter)에 따라 주로 결정된다. 이때 혈액 및 cytosol 등 체액내의 단백질, 펩타이드 등의 흡착을 비롯한 면역체계의 상호작용이 나노입자의 표면 특성에 직접적인 영향을 받는다고 현재 연구되고 있어, 나노입자가 비선택적 상호작용을 하지 않도록, anti-biofouling 성질을 갖도록 하는 개질공정의 연구를 진행하고 있다. 또한 리간드 등을 포함한 표면의 기능기 (functional group)의 도입으로 표적화 물질과의 결합하는 conjugation chemistry의 개발에 대한 연구를 진행하고 있다.

 

2)     The assembly of Nano-Bio Hybrid Structure

1차적인 나노입자의 처리가 표면의 개질과 conjugation chemistry를 통한 플랫폼 구축이라고 한다면, 응용목적에 따라 2차적이고 보다 구조적인 형성이 필요하게 된다. 간단하게는 앞에서 기술한 1차적 결합반응을 통한 항체, protein, aptarmer 등의 표적화 물질들과 나노입자의 결합이며, 좀 더 나아가 효소 등의 생체활성물질, 약물담지를 위한 고분자 매트릭스, 하이드로젤, 실리카세공 물질 등의 나노구조체 유/무기 나노-마이크로 구조체와의 결합을 통한 2차 구조 형성에 대한 연구를 진행하고 있다.

<Development of Molecular Imaging/Drug Delivery Agents>

분자영상분야는 나노물질의 도입으로 큰 진보가 예상되는 분야로 현재의 연구는 대부분 나노입자의 고유적인 성질을 영상화 기법에 도입하여 기본적인 모델 질환의 초기적인 영상화에 머무르는 기초단계의 연구이다. 최근의 연구로 나노입자의 크기, 표면 특성에 생체내 분포 등이 결정되며, 보다 실질적인 응용을 위해서는 위의 나노입자의 성질을 적합하게 조절하여야 원하는 영상화와 질병의 진단이 가능하다고 이해되고 있다. 자성 나노물질은 MRI, (Au) 나노입자는 CT, 반도체 나노입자는 광학영상 이라고 기초적인 나노입자와 분자영상기술의 단순한 매칭/결합을 넘어서 보다 복합적이고 다제간의 융합연구가 분자영상 및 약물전달에 필수적이라고 할 수 있다. 이를 위해 나노입자의 개질 기술이 확립하여 Nanoparticle engineering 을 통해 나노입자를 개질하고 이를 다시 protein, organ 등 생체 내 시스템과의 상호작용을 연구하여 나노입자의 생체 내 분포의 이해하고 이에 따른 독성 등의 연구가 필수 적이다. 이해와 함께 이루어지는 Nanoparticle engineering은 다양한 영상기술/조영제 개발을 이용한 분자영상은 질병의 진단과 함께 적절한 약물전달로 이어져 효과적인 치료가 가능할 것이라고 예상하고 있다.  


 
 We have focused on the synthesis of biocompatible nanomaterials and their biomedical applications. Unique and controlled properties of monodisperse inorganic nanocrystals can provide a new basis to develop new multifunctional nano-biomedical platforms for simultaneous targeted delivery, fast diagnosis, and efficient therapy.

 Nanoparticle Engineering
 
 First we have researched on synthesis of various kinds of functional nanocrystals including noble metal, metal oxide, and semiconductor nanoparticles. High quality magnetic nanocrystals with uniform particle size and high crystallinity were synthesized from thermal decomposition of metal precursors in organic media. But, they are hydrophobic and consequently are not sufficiently stable in aqueous media for biomedical applications.
 Therefore, it is very important to develop the process to modify and control the surface and resulting nanoparticles.The design of the biocompatible and stable ligands has improved, and the facile design and preparation of new sets of biocompatible ligands exhibit much stronger affinity to various inorganic nanoparticles including quantum dots, metal and metal oxide nanocrystals. Furthermore, NPs become reactive to complementary functionalities by inserting controllable fractions of functional groups for the further conjugation with bioactive materials.

 

 
Biomedical Imaging based on Biocompatible Inorganic Nanoparticles
 
 We have applied oxide nanoparticles as magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents including iron oxide, manganese oxide and metal-metal oxide hybrid nanocrystals. Superparamagnetic iron oxide nanocrystals, the only clinically used nanoparticulate agent, have several disadvantages from negative (T2) contrast effects and related susceptibility artifact. MnO nanoparticles were developed as a new T1 MRI contrast agents for body organs such as brain, liver, and kidney. Furthermore, MnO nanocrystals conjugated with a tumor-specific antibody were used for targeted imaging of breast cancer cells in a metastatic tumor in brain. Compared to T2 contrast agents, the major advantage of MnO nanocrystals as T1 contrast agents is positive contrast imaging by signal enhancing, which can maximize the forte of MRI, i.e., anatomic imaging with high spatial resolution. Furthermore, their bright signal could be distinguished clearly from other pathogenic or biological conditions.
 

 

 

 
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