나노 기공을 갖는 물질의 제조 및 생물학적 응용

Abstract

나노 물질은 1에서 100 나노미터 전후의 크기를 갖는 물질로 정의되며, 단순히 크기 변화에 의해 다른 영역에서 보이지 않았던 독특한 물성을 나타내므로 여러 분야에서 다양한 연구가 되고 있다. 나노 구조는 대부분 구성요소들의 자기조립에 의해 형성되므로 구성요소들의 제어를 통해 전반적인 나노 구조의 제어가 가능하다. 형성되는 나노 구조의 형태에 따라 1차원 (나노 점), 2차원 (나노 선), 3차원(나노 기공 및 복합체)으로 나눠 볼 수 있는데, 본 연구에서는 3차원 나노 구조인 나노 기공을 갖는 분리막에 대해 연구를 진행하였다. 1장에서는 나노 기공을 갖는 물질과 자기조립에 대해 살펴보고 나노 기공을 갖는 대표적인 물질로 양극산화알루미나 막에 대해 소개하였다. 또한 분리 막을 이용한 응용 가능 분야 중 하나인 약물방출 및 지능형 물질에 대해 소개하였다. 2장에서는 단계적 기공을 갖는 양극산화알루미나 막을 제조 및 분석하고 이를 이용하여 C 형 간염바이러스를 농축하고자 하였다. 분리 막을 이용한 바이러스 농축법은 바이러스 입자보다 작은 크기의 기공을 갖는 분리 막을 사용하여 media를 제거함으로써 분리 막 위에 필터 되지 못한 바이러스 입자들이 남게 되어 농축하는 방법으로 유량이 빠를수록, 기공이 균일하여 빠져나가는 바이러스 입자의 개수가 적을수록 높은 효율을 얻을 수 있다. 높은 유량 및 선택도를 위해서는 hierarchical한 구조가 필수적이므로, 본 연구에서는 큰 기공의 두꺼운 지지층과 작은 기공의 얇은 분리 층을 가지는 hierarchical 한 구조의 무기 분리 막을 양극산화 방법을 통하여 제조하였고, 기존의 분리막에 비해 기계적 강도가 높고 고 유량, 고 선택도의 특성을 보임을 확인하였다. 이렇게 제조한 분리 막으로 C 형 간염 바이러스를 농축하고 기존의 C형 간염 바이러스 농축 방법인 원심분리법과 비교 하였다. 농축 결과 원심분리법을 이용한 바이러스의 농축 효율은 20% 내외에 불과하였으나, 본 연구에서 제조한 분리 막을 이용한 농축 효율은 90% 가 넘는 고효율을 얻을 수 있었다. 이는 다단계 원심분리 법에 비해 실험상의 바이러스의 손실이 적고 바이러스에 가해지는 외부 압력이 적어 바이러스의 손상이 일어나지 않아 고효율 농축을 달성했다. 본 실험에서 개발한 분리 막을 이용하면, 적은 양의 원액으로도 고농도의 바이러스 용액을 얻을 수 있으므로 신규 바이러스의 연구나 바이러스 배양이 힘든 바이러스의 연구에 도움이 될 것이다. 바이러스 농축 이외에도 나노 입자의 농축 및 분리 등에도 사용될 수 있으며 그 외 고효율 필터가 필요한 다양한 시스템에 적용될 가능성을 지니고 있다. 3장에서는 전기자극에 반응하여 기공의 크기를 변화시키는 분리 막을 개발함으로써 맥동형 약물전달을 구현하고자 하였다. 좀 더 인체와 비슷한 방식으로 약물전달을 하기 위해서는 적절한 시점과 양을 조절하여 약물을 방출해야 한다. 본 연구에서는 여러 자극들 중 특히 전기 자극을 이용하여 맥동성 약물전달을 달성하고자 하였다. 전기 자극은 타 자극에 비하여 자극에 대한 반응 속도가 빠르고, 체내에서 인위적인 조절 즉, 자극의 회수나 시점, 간격을 자유롭게 조절할 수 있으며 마이크로칩이나 센서와의 결합이 가능하므로 피드백이나 프로그램 된 시스템, 원거리 조절 시스템이 가능 할 수 있다. 전기 자극에 반응하는 물질로는 여러 가지가 있지만 그 중, 폴리피롤이 전기화학적 상태에 따라 수축과 팽창을 자유롭게 반복할 수 있으며 각 상태에 따른 부피 차이가 최대 30%까지 보고되어 있어 부피 변화량이 크므로 자극 반응성 물질로 선택하였다. 폴리피롤은 전기중합 시 산화상태로 중합이 되는데, 환원을 시키면 전기적 중성을 유지하기 위하여 용액 내의 수화된 나트륨 이온이 침투하게 되어 팽창된다. 폴리피롤이 팽창되면 기공은 수축되거나 닫히게 되며, 산화환원 반응은 가역적이므로 이를 이용하여 맥동성 약물전달에 응용할 수 있다. 제조되는 박막의 두께는 중합 시간에 따라 선형으로 비례하므로 기공 크기의 조절이 매우 쉽다. 산화상태에서는 폴리피롤이 수축하여 기공의 크기가 크므로 유량이 크고, 환원상태에서는 폴리피롤이 팽창하여 기공의 크기가 작아지므로 유량 또한 작아지게 된다. 기공의 변화는 수 초 이내로 매우 빠르게 일어나며, 가역적인 변화가 가능하므로 맥동성 약물전달에 쓰일 수 있는 가능성을 보았다. 유량 측정을 통한 실험으로는 기공의 크기가 유추만 가능하므로 AFM 장비를 이용하여 실제적인 기공 크기 측정하였다. 자극 반응성 분리 막을 이용한 약물방출 실험결과를 통해 기공이 열릴 경우 농도가 증가고, 기공이 닫힐 경우 농도가 유지됨으로써 전기 자극에 따라 약물의 on-off가 가능함을 확인할 수 있다. 기공의 개폐가 가역적이므로 본 연구에서 개발한 기능성 나노기공 막을 이용하여 맥동성 약물방출을 성공적으로 구현할 수 있었다. 또한 나노기공 막의 안정도 테스트를 위해 기공의 개폐상태를 번갈아 주는 cyclovoltammetry 실험을 1000번 이상 수행하여 1000번의 기공 개폐 이후에도 화학적, 물리적으로 안정적임을 확인하여 장기간 동안 빈번한 약물 방출에도 안정적으로 견딜 수 있음을 확인하였다. 전기 자극을 이용하므로, 맥동성 약물전달뿐 아니라 사용자 편의성 약물전달에도 사용할 수 있으므로 보다 효과적인 질병 치료에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

Nanoporous material has been studied in various research fields. One of them, the membrane type of nanoporous material, is widely applicable in various fields such as separation, ion exchange, sensing, catalysis, energy storage and conversion, biological molecular isolation and purification, and drug delivery, etc. Among many porous materials, anodic aluminum oxide (AAO) is the representative materials with nanopores produced via self-assembly. AAO can be extensively used in various applications, because the center-to-center distance, regularity, pore size, and thickness of barrier layer for this material are easily controllable depending on the purpose of the application. In this thesis, we studied the nanoporous membrane about AAO, and tried to use our nanoporous membrane for biomedical applications. And for the advanced biomedical applications, we introduced the intelligence for the nanoporous membrane. In chapter 2, we fabricated the hierarchically self-assembled nanoporous membrane by stepwise anodization via different anodizing conditions. As the importance of the virus research has been increased with discovering new viruses and widely spreading of various viral diseases. The highly concentrated virus is required to develop vaccines and treatment of viral diseases. In this study, we try to concentrate Hepatitis C virus (HCV) with the filter process showing high efficiency. Our membrane has large pores at the bottom side that facilitates mainly the flux. Oppositely, the top side has very regular, small size of pores with thin thickness that are suitable for the filtration of the virus particles. In addition, it shows high thermal stability as well as mechanical strength. The enrichment efficiency of HCV from the general centrifugation process is about 20 %. On the other hand, that from the filter process reached at around 90 %. This high efficiency results from the perfect filtration with no leakage and no damage during concentration process. Therefore, this membrane might be a powerful tool to research new or some viruses that is difficult to cultivation. In chapter 3, we report on the fabrication of electrically responsive nanoporous membrane based on polypyrrole doped with dodecylbenzenesulfonate anion (PPy/DBS) that was electropolymerized on the upper part of anodized aluminum oxide membrane. The membrane has regular pore size and very high pore density. Utilizing a large volume change of PPy/DBS depending on electrochemical state, the pore size was acutated electrically. The actuation of the pores was experimentally confirmed by in situ atomic force microscopy and in situ flux measurement. We also demonstrated successfully pulsatile (or on-demand) drug release by using fluorescently labeled protein as a model drug. Because of a fast switching time (less than 10 s) and high flux of the drugs, this membrane could be used for emergency therapy of angina pectoris and migraine, which requires acute and on-demand drug delivery, and hormonerelated disease and metabolic syndrome.