Current industrial technologies including informational, biological, and medical technology have their bases mainly on classical mechanics. The ever growing demands for the fabrication of smaller devices used in daily life and faster operation are pushing the limits of current classical mechanics based-technologies to meet the demands from both the general public and industry. Artificial inorganic nano-building blocks that will be key components of futuristic nano-devices have recently emerged as a promising candidate to overcome many of the limitations of the currently available technologies.
In this thesis, I present the development of novel inorganic nanobuilding blocks with well-defined geometry and unique nanoscale property and their utilization not only for in vitro detection of breast cancer cell lines diagnosis but also for in vivo diagnosis of breast cancer through dynamic targeting and imaging.
At the early part of this thesis (Chapter 2-4), the development of novel inorganic nano-building blocks via shape controlled syntheses based on colloidal molecular chemistry and elucidation of their growth processes are mainly discussed. Control of nano-building blocks in terms of size, shape, and composition is of great importance in materials chemistry due to their novel size and shape dependent nanophenomena arising from quantum confinement effects. If the shape of colloidal nanocrystals is systematically controllable, we can obtain the ability to synthetically tune the materials properties which make these materials useful and optimized for desired purposes.
As a model case study for the shape-controlled synthesis of nano-building blocks, I first selected cadmium sulfide nanocrystals (Chapter 2). CdS possesses two distinct crystalline structures which include isotropic zinc blende and anisotropic wurtzite. The crystalline phase of the nuclei is controllable by changing the crystal growth temperature, which is crucial for determining the final geometry of the nanocrystal from quasi 1-dimensional rods to tetrapods. Further delicate control of growth parameters including growth temperature, the choice of surfactant, and monomer concentration yields various shapes of CdS nanocrystals from quasi 1-dimensional monorods to nanopencils and multipods (bi-, tri-, and tetra-pods).
I extended the study to a magnetic semiconductor nanocrystal, MnS, which can have the diverse crystallographic structures from zinc blende to wurtzite, and rock salt (Chapter 3). Reaction parameters governing both the intrinsic crystalline phase and the growth regime (kinetic vs thermodynamic) are found to be important for the synthesis of various shapes of MnS nanocrystals that include cubes, spheres, quasi 1-dimensional rods, 1-dimensional monowires, and branched wires (bipods, tripods, and tetrapods). Obtained nanowires exhibit enhanced optical and magnetic properties compared to those of 0-dimensional nanospheres.
Further studies in the shape-controlled synthesis of nanocrystals were performed with anatase titanium dioxide nanocrystals that have highly anisotropic crystallographic structures of tetragonal symmetry (Chapter 4). In this study, I focused on the role of a surfactant, lauric acid, which selectively binds to a specific crystallographic face. By controlling the concentration of lauric acid molecules, the shape of nanocrystals evolves from bullet and diamond structures to rods and branched rods. The modulation of surface energies of the different crystallographic faces through the use of a surface selective surfactant is the key parameter for the shape control.
At the latter part of this thesis (Chapter 5), synthesis of multi-functional nanocrystals through hybridization of magnetic nanobuilding blocks with biofunctional molecules and their utilization for cancer diagnosis are mainly discussed. The unique properties of magnetic nanocrystals arising from superparamagnetism provide them high potential as key probes and vectors in the next generation biomedical applications such as detection, imaging, cell separation, and drug delivery. The understanding of their nanoscale properties under in vitro conditions, however, is limited and the current strategies for their utilization for in vivo systems are unsatisfactory. In this chapter I present the establishment of a synthetically controlled magnetic nanocrystal model system that correlates and optimizes the nanoscale tunabilities in terms of the size, magnetism, induced nuclear spin relaxation processes, and hydrodynamic size. This model system further leads to the development of high performance magnetic nanocrystal probe systems for magnetic resonance imaging (MRI). Upon conjugation to a targeting antibody, these nanocrystal conjugates are utilized as MR signal enhancers and biological probes for both static and dynamic MR imaging of cancer targeting events with excellent selectivity for in vivo animals.
고전역학에 근간을 둔 현재의 정보, 생물, 의학 과학 기술은 현재 한계를 나타내고 있다. 이에 현재 과학 기술의 한계를 극복할 수 있는 차세대 과학 기술로서 나노 기술이 대두되고 있다. 양자 역학에 의해 그 성질이 결정되는 무기 나노 빌딩 블록은 이러한 차세대 나노 소자에 있어 핵심 물질로서 사용될 수 있는 대안으로 제시되고 있다.
본인은 이 학위 논문에서 새로운 특이한 형상과 성질을 나타내는 무기 나노 빌딩블럭의 합성과 얻어진 나노 빌딩 블럭을 이용한 생체내 암진단 기술의 개발에 대해 다루었다.
우선 콜로이드 분자화학을 통하여 무기 나노 빌딩 블럭의 형태를 조절할 수 있는 합성법을 개발함과 동시에 그 나노 빌딩 블록의 형태를 결정하는 형성 인자 및 성장 과정에 대한 연구를 진행하였다. 그 첫번째로서 등방성 zinc blende 와 비등방성 wurtzite 의 두가지 다른 결정구조를 가진 CdS 나노 결정에 대한 연구를 진행하였다. 결정 성장 온도, 안정화 리간드의 종류, 단량체의 농도 등의 결정 성장인자를 조절함에 따라 1차원 나노 막대를 비롯하여 bipod, tripod, tetrapod, nano-pencil등의 다양한 형태로 조절가능함이 밝혀졌다. 이 연구를 근간으로 하여 나노 빌딩 블럭의 형태 결정에 관한 연구를 MnS 나노 결정으로 확장 시켰다. 이때 고유한 결정 구조 (zinc blende, wurtzite, rock salt) 및 결정 성장 영역의 조절 (kinetic vs. thermodynamic)이 나노 빌딩 블럭의 형태에 있어 중요한 인자로 작용함이 밝혀졌다. 이러한 결정 성장 인자를 조절함에 따라 MnS 나노 결정은 그 형태가 큐브, 구, 나노 막대, 나노 선, 가지친 막대 등의 여러가지 형태로 얻어질 수 있음이 밝혀졌다.
또한 매우 비등방성 형태의 결정 구조 (tetragonal) 를 갖는 $TiO_2$ 나노 결정의 결정 성장 연구를 통해 안정화 리간드의 역할에 대한 연구를 진행하였다. 라우릴산은 $TiO_2$ 나노 결정의 특정한 결정면에 선택적으로 결합하는 것으로 알려져있어 여러가지 다른 결정면간의 표면 에너지를 조절할 수 있다. 이러한 점을 이용하여 $TiO_2$ 결정 성장시에 라우릴 산의 농도를 조절함에 따라 나타나는 나노 결정의 형태를 조사하였다. 그 결과 나노 결정의 형태가 탄환, 다이아몬드 구조로부터 막대 및 가지친 막대로 그 변화하는 것을 볼 수가 있었다.
이러한 나노 결정의 합성뿐만 아니라 본 학위 논문의 뒷부분에서는 다기능성 자성 나노 입자의 합성 및 이를 이용한 유방암 진단에 대한 연구를 진행하였다. 자성 나노 입자는 초상자성에 기인한 특이한 성질을 나타내며 이는 차세대 진단, 영상화, 분리, 약물전달 등의 생의학적 응용에 있어 큰 역할을 담당할 것으로 기대되고 있다. 그러나 이러한 자성 나노 입자의 나노 크기 성질은 잘 알려져 있지 않으며 이를 생체 적용한 예는 매우 드물다. 본 연구에서는 이러한 자성 나노 입자의 크기 및 성질을 분자화학을 통하여 조절하고 이로 인해 유도되는 자기적 성질, 핵 스핀 이완 과정의 새로운 나노 현상에 대해 규명하였다. 이렇게 합성된 자성 나노 입자를 이용하여 자기 공명 영상 장치의 진단 조영제로서 응용 가능성을 살펴보았다. 자성 나노 입자는 유방암 선택성 항체와의 결합을 통해 유방암진단의 선택적이고 효율적인 자성 나노 하이브리드 진단제로서 이용될 수 있다.
