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고분자의 자기조립화 구조를 주형(Template)으로 이용하여 합성되는 메조다공성 물질은 고분자 주형 제거 후 나노크기의 규칙 기공구조가 이루어내는 거대한 비표면적을 제공한다. 이 거대 비표면적을 이루는 나노기공은 광학, 에너지, 환경 및 생체 등 여러 가지 소재분야에서 높은 활용가능성을 가진다.
메조다공성 물질의 에너지 저장 및 발현소재로서의 가능성과 생체활성물질 전달 및 생체골 형성능이 확인되면서 에너지와 바이오 분야에서 특히 높은 관심이 주목되고 있다.
 바이오소재용 메조다공성 물질
1. 합성
대표적인 메조다공성 물질 합성법에는 자기조립화 고분자를 주형(Template)으로 하고, 졸-겔(sol-gel) 법을 이용하여 고분자 구조를 무기질 재료에 전사(copy)한 후 주형을 제거하는 고분자주형법이 있다. 주형으로 이용되는 고분자의 종류 및 합성경로 제어를 통하여 메조크기 영역에서 활용 목적에 따른 기공의 크기 및 구조제어가 용이하다. 또한 여러 가지 기능기로 표면수식 가능한 거대 비표면적 (<1500㎡·g-¹)을 제공한다.
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2. 입자크기 및 형상 제어
메조다공성 물질의 바이오 소재분야 응용이 주목되기 시작한 것은 나노 크기영역에서 균일하게 입자의 크기 및 형상의 제어가 가능한 기술이 제안된2000년대 초반부터이다. 입자의 형상과 크기는 물질의 체내 이동과 침투 및 확산 거동 독성 발현 등과 깊은 관계가 있기 때문이다.
- 입자 크기 제어: 동식물의 세포 독성을 유발하지 않고 용이하게 세포 취입 작용(endocytosis)을 유도할 수 있는 입자 크기(50~300nm)로 제어 가능
- 안정하고 튼튼한 골조(framework) : 일반적 약물 전달체인 고분자에 비하 여 열 pH, 기계적 변형 및 생분해 등에 안정적임
- 기공 크기 제어: 2~6 nm 크기 영역에서 면밀한 기공 크기 제어가 가능하 며 선택적 약물 흡착 및 약물 방출 속도 제거가 가능
- 두 가지 기능성 표면: 원통형의 메조 다공성 실리카의 경우 원통 내부 기 공 표면과 외부 기공 표면을 각각 가지며 내외부의 표면 수식을 달리하여 우수한 선택적 기능성 제공이 가능
- 기공 구조 제어: 상호 잘 연결된 기공 입구의 봉쇄를 통한 불필요한 부분에서 약물의 조기 방출 방지
- 입자 형상 제어: 입자의 형상은 입자의 체내 응집 및 순환 거동과 밀접한 관계가 있으며 주형 고분자의 알킬 체인 길이 제어, 중축합 반응 제어, 반응물질 비 제어 등으로 구형, 타원, 튜브 및 막대형 등으로 형상 제어 가능
3. 표면수식을 통한 기능화
메조 다공성 물질의 표면 수식은 정전하 반응을 통한 생체 활성 물질 흡착 유도를 위하여 표면 전하 제어, 목표하는 생체 활성 물질과 메조 다공성 물질의 화학적 결합 유도, 기공 채널 내에 도입된 생체 활성 물질의 방출 제어를 위한 기공 크기 축소 등의 효과를 유도하여 약물 및 유전자 전달체 및 바이오 센서 등으로의 응용 가능성을 제공한다.
대표적 표면 수식법에는 다음의 세 가지 방법이 있다.
- 그래프팅(grafting; post-synthesis modofication)법
- 공축합(co-condensation; one-pot synthesis)법
- 계면활성제 변위(surfactant displacement)법
4. 고정화
메조 다공성 물질의 기공 내에 효소(enzymes)의 담지 및 고정화는 메조 다공성 물질의 바이오 센서 및 유전자 전달체를 비롯한 다양한 나노 바이오 응용 분야에서의 활용을 가능하게 한다. 나노공간에 효소를 고정함에 있어서 가장 중요한 것은 3차원 구조의 완전성을 유지하는 것이다. 대표적 고정화법은 다음과 같다.
-물리적합착(physical adsorption)
-이온성 인력(ionic attraction)
-공유결합(covalent binding)
-금속친화성(metal affinity)
-교차결합(cross-linking)
5. 게이트키퍼를 이용한 선택적 생체활성물질 전달
메조 다공성 물질의 부작용을 동반하지 않는 약물 혹은 유전자 전달체로 활용하기 위해서는 원하는 장소에서 원하는 때에 필요한 농도의 약물 혹은 유전자의 방출이 가능하여야 한다. 이를 위하여 Lin그룹을 비롯한 몇몇 연구그룹에 의하여 게이트 키퍼라는 자극 반응성 시스템이 제안되었다.
Lin그룹은 메조 기공의 크기에 맞게 크기가 제어되고 화학적으로 제거 가능한 CdS 나노 입자를 메조 다공성 실리카 기공의 입구에 수식, 메조 다공성 실리카 용기의 뚜껑 역할을 하게 하여 약물 방출제어가 가능함을 확인하였다. 이 연구에서는 100nm 이하의 메조 다공성 실리카 나노 입자가 사용되었으며 CdS입자를 포함한 실리카 입자는 세포 실험에 있어서 생체 적합성과 안정성이 인정되었다. CdS 외 Fe3O4 및 Au 동 나노입자로 사용될 수 있다.
6. 세포 내 흡수
물질이 비포식세포 내로 효율적으로 흡수되기 위해서는 입자의 크기가 서브 마이크로 크기로 제어되어야 한다.
세포 내 약물이나 유전자의 효율적 전달에 가장 적합한 입자 크기 및 형상 제어와 관련된 많은 연구가 진행되어 왔으며 이와 더불어 표면 물성의 제어도 이루어지고 있다. 물질의 세포내 흡수는 물질과 세포막 수용처와의 특정한 결합을 통하여 가능하게 된다. 실리카 입자는 다양한 인지질의 머리 그룹과 높은 친화성을 가지는 것으로 잘 알려져 있으며 이 세포 표면에 흡착되는 높은 친화성은 내포작용(세포 취입작용, endocytosis)을 동반한다. 메조 다공성 실리카 입자의 여러 가지 포유류 세포 즉 암세포(HeLa, CHO, lung, PANC-1), 비암세포(nueral glia, liver, endothelial), 대식세포 및 줄기 세포(3TL3, 간엽) 등에 대한 내포 작용이 확인되었다.
사진 2에 메조 다공성 실리카의 HeLa 세포내 내포 작용을 관찰한 결과를 나타낸다. 메조 다공성 실리카 입자의 흡수는 빠르면 30분 이내에 세포 내부로의 도입이 종종 확인된다. 메조 다공성 실리카의 외부 표면을 수식하여 세포 내 흡수 효율과 내포낭 배출 조절이 가능함이 보고되고 있다.
메조 다공성 실리카 입자의 생체 적합성에 관한 연구는 아직 초기단계이며 구형의 나노 입자의 경우 크기와 관계없이 안전하다는 결과들이 대부분이다.
하지만 생체 안전성 평가는 체내, 체외 실험에 따라 그 결과의 큰 차이가 있을 수 있으며 실험군 실험 기간 및 평가 방법 등에 따라 안전성과 관련된 견해의 차이가 있을 수 있다. 안전성 평가와 관련된 면밀한 가이드라인 설정이 필요한 시점이다.
메조 다공성 실리카를 포함한 여러 가지 나노물질은 물질의 크기 형상과 더불어 공급량, 결정 구조, 표면전하, 용해도, 비표면적, 이물질, 잔류량 및 옵소닌 작용(opsonization) 등 여러 가지 요인들이 독성 발현과 연결되어 있으며 재료설계 단계에서부터 물질의 안전성이 고려되어야 할 것이다.
생체활성물질 전달 매체
화학물질을 캡슐상 화합물에 채우거나 담체재료와 결합시켜 외부환경으로의 확산과 방출을 제어하는 기술을 일반적으로 controlled release라고 부른다. 이 기술을 의료 분야 등의 약물운반에 사용하는 것을 약물 전달 시스템(drug delively system ; DDS)이라고 한다.
메조 다공성 물질은 균일 용액으로부터 합성되기 때문에 원료 용액에 각 종 생체 활성 물질을 혼입하는 것도 가능하다. 수용성 물질 뿐만이 아니라 난용성의 화합물도 유기 용액을 출발 용액으로 하는 졸-겔법에 의하여 매트 릭스 내에 도입하는 것이 가능하다. 이 졸-겔법은 저온, 중성영역의 온화한 조건하에서 실시할 수 있어 무기질 기공 내에 여러 가지 저분자량 약물의 내포와 단백질 등의 복잡한 생체 관련 물질 내포를 가능하게 한다.
1. 약물 전달 시스템 매체
약물의 기공 내 담지를 위하여 가장 흔하게 사용되는 방법은 함침법이다. 메조 다공성 물질의 분말상 혹은 압분체를 필요한 농도로 제어된 약물 용액속에 넣고 pH, 온도, 약물 용해도, 극성 등의 조건을 제어하여 기공 내 담지를 시도한다. 용매는 약물의 용해도를 고려하여 선택하여야 한다.
2. 효소담체용 매체
효소 혹은 생체모방 촉매 분자를 메조 다공성 물질 내에 담지하는 것은 안정성, 촉매 활성 및 선택성 등을 향상시킬 수 있으므로 화학 합성에서의 생체촉매 바이오센서 및 생물의학에서의 활용이 기대된다. 메조 다공성 실리카를 운반체로 사용하는 경우 실리카는 미생물의 공격을 받지 않고 pH 등의 환경 변화에 의하여 기공 구조가 변화하지 않으므로 효소 등 생체 물질의 활성을 유지한 채로 내포하는 것이 가능하다.
조직재새용 소재
1. 메조다공성 생체활성유리
일반적인 졸-겔법으로 합성된 생체 활성 유리(SiO2-CaO-P2O5)가 수산화아파타이트 생성에 3일 정도가 소요되는 것에 비하면 메조 다공성 실리카는 생체 활성이 매우 낮다. 즉 우수한 기공 구조 특성이 생체 활성을 나타내기 위한 필요 충분 조건이 될 수 없으며 적당한 조성의 제어가 필요함을 예상 할 수 있다. 이를 위하여 Zhao그룹은 일반적 졸-겔법으로 합성되는 생체 활성 유리 공정에 삼블럭공중합체(poly(ethylene oxide)m-poly (proylene oxide)n-poly (ethylene oxide)m, EOmPOnEOm)를 고분자 주형으로 이용하여 종래의 생체 활성 유리와 같은 조성(SO2-CaO-P2O5)을 가지면서 우수한 기공 구조 특성 (비표면적: 351㎡/g, 기공체적: 0.5cc/g, 기공크기: 46nm)을 나타내는 메조 다공성 생체 활성 유리의 합성에 성공하였다.
메조 다공성 생체 활성 유리는 일반적 생체 활성 유리에 비해 매우 우수한생체 활성 특성을 나타내며, 화학적 조성보다 비표면적 기공체적 3차원 기공 구조 등 나노영역에서의 기공 구조 특성이 생체 활성에 더 크게 영향을 미치는 것이 증명되었다.
2. 조직재생용 지지체
인체골은 나노-마이크로 크기영역에서 계층적 기공 구조로 구성되며 특히 세포성장과 혈관 생성 등을 통한 골 조직 재생을 위하여서는 10-1000μm 크기영역에서 3차원으로 상호 연결된 기공 구조가 필요하다.
일반적으로 인체골은 해면골과 피질골로 구성되어 있으며 특히 해면골은 200-400μm의 기공으로 이루어져 있는 다공체(50-95%)이다. 나노 크기 영역에서 기공 구조를 가지는 메조 다공성 생체 활성 유리는 골 재생에 유리한 높은 생체 활성을 나타내지만 그 자체만으로는 경조직 재생용 지지체로 사용될 수 없다. 따라서 메조 다공성 생체 활성 유리를 원료로 사용한 3차원지지체의 디자인이 필요하며 본 연구그룹을 시작으로 지지체 개발 관련 연구가 현재 활발히 진행되고 있다.
우선 본 그룹에서는 컴퓨터 제어를 통하여 환자 맞춤형 3차원 지지체 제조가 가능한 쾌속 조형법을 수백마이크로 크기영역의 기공제어기술로 주목하였다. 이 중 특히 주사기를 이용하여 충진 물질을 한 줄씩 압출시켜 차례로 쌓아가는 단순한 공정이 특징인 적층조형법에 주목하였다. 주사기 내에 충진 압출되는 겔 상의 물질은 3차원 형상을 유지하기 적합한 점도와 유동성을 가지면서 적층 후 형상이 유지될 수 있도록 경화 속도의 제어가 가능하여야 한다. 본 연구그룹에서는 메조 다공성 생체 활성 유리의 전구체 용액에 거대 고분자인 메틸셀룰로오즈(MC) 첨가를 통해 압출에 적합한 점도로 조절 가능함을 확인하였고 이를 컴퓨터 프로그램에 의하여 원하는 형상과 기공 크기로 적층조형 후 소성을 통하여 메조 기공 구조의 주형인 삼블럭공중합체와함께 메틸셀룰로오즈가 제거된다. 공성 생체 활성 유리 3차원 지지체의 합성에 최초로 성공하였다.
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출처 : 박영조, 송인혁, 윤희숙
‘대기환경 청정화 다공성 세라믹스’ [기계와재료] 제22권4호 |
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