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Interfacial properties of Nano/Micro bubbles and their application to ultrasonic contrast agents = 미세기포 계면 특성과 초음파 조영제로의 응용 연구
서명 / 저자 Interfacial properties of Nano/Micro bubbles and their application to ultrasonic contrast agents = 미세기포 계면 특성과 초음파 조영제로의 응용 연구 / Sung-Ho Cho.
저자명 Cho, Sung-Ho ; 조성호
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2005].
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A bubble is the entrapment of gas in a spherical shape inside liquids and it is related to many important physical and chemical processes. Many researchers have studied at the liquid-gas interface, which reflect many important properties of the gas and the adsorption of molecules at the microscopic level. The nucleation of a gas bubble is facilitated by the presence of dissolved gas, or of dust or ions. Surfactants also play a role in the nucleation by lowering the surface tension of aqueous solution, and the interface of bubbles can be characterized by the adsorptions, surface tensions and zeta-potentials. The adsorption of ionic substances onto an air/water surface can be found at some classical examples of ore flotation and foam separation processes and air bubbles are the target of research for ultrasonic contrast agents. Surfactant adsorption and ionization at the curved air/water interface investigated in a stable nanobubbles system generated by ultrasonication with palladium electrode. Nanobubbles are very useful to analyze the surface ionization of adsorbed monolayers at the bubble surface as well as determination of CMCs of ionic surfactant, since surface excess from the surface tension data at the planar air/water interface can be reasonably applied to calculate a degree of dissociation by assuming the planar air/water interface. Calculated degree of dissociation at the bubble surface is comparable with that of silica surface while it is very low compared with that of micelles. The zeta potential of nanobubbles generated by ultrasonication in the presence of palladium electrode was measured in aqueous pulmonary surfactants solutions. Equilibrium surface tension and dynamic surface tension were measured in comparison with other results. Nanobubble technique was used for study the adsorption behavior of DPPC/Cetyl alcohol/Tyloxapol. The retardation effect of Tyloxapol on the activation of DPPC surface activity at air/water interface was demonstrated by surface tension, bubble size distribution and zeta potential of bubbles. Cetyl alcohol played important roles in complementing with DPPC, and show a synergism in improving the adsorption behaviors. Cetyl alcohol decreased the maximum surface tension and improves the adsorption rate of DPPC. Tyloxapol leads the adsorption in the beginning, and DPPC adsorbs slowly and dominated in long time Medical ultrasound is a highly valuable diagnostic tool, especially when compared with other imaging modalities. Ultrasound stands out for being portable and relatively inexpensive, making it an appealing imaging tool. In this study, we reported formulation of a new ultrasound contrast agent and the enhancement of backscatter from it. The shells used in the synthesis of the contrast agents were gas filled layer of lipids and surfactant. To evaluate stability of contrast agent, size distribution of sample was measured with time. There was no transition of size distribution of contrast agent in two hours. To practice in vitro test, Ultrasound system was used for evaluation of contrast agent. Enhancement was achieved for long times, they would maintain efficiency of contrast media. It has been shown that fabrication of lipid based microbubbles can be developed with small adaptation to the selection of mixture. Surfactant influenced formation of microbubble and stability. For effective application of lipid based contrast agent, critical concentration was found by using enhancement data and size distribution of microbubbles. Addition of PPG/Glycerin took a great effect for improvement of microbubble stability at ultrasound. These results demonstrate the potential of contrast-enhanced imaging and may provide a physical foundation for application of contrast agents in medical diagnosis. The use of lipid-based contrast agents benefits from the large literature on lipid dispersion and enables the preparation of a contrast agent that may be directed to specific disease areas, particularly in the readily accessible cardiovascular system, which both extends the diagnostic potential and offers pharmaceutical possibilities Targeted microbubble contrast agent was assessed the binding interaction by surface plasmon resonance (SPR) biosensor. An ultrasound contrast agent targeted was designed by conjugating monoclonal antibodies to the lipid monolayer shell of the microbubble using poly amino acid-biotin-avidin. Avidin-biotin interaction as a typical protein-ligand model were investigated on biotinylated poly amino acid lipid microbubbles functionalized with biotin by directly grafting to poly succinimide(PSI). The affinity constant $(K_A)$ of biotinylated poly amino acid lipid- microbubble from the SPR data $(K_A=9.46g^{-1}L)$ was about 10 times greater than poly amino acid lipid microbubbles $(K_A=1.00g^{-1}L)$. In vitro experiment in the ultrasound image showed that the conjugated microbubbles enhanced the contrast of target material compared to lipid microbubbles. SPR biosensor may help in the prediction of in vivo behavior of targeted microbubbles (ultrasound contrast agent) in flow system and in the design of successful targeted preparation. SPR biosensor is a simple and useful tool for analysis of attachment behavior of targeted microbubbles.

기포는 액체 안에 기체가 존재하는 형태를 말하는데, 물리 화학적 공정에서 중요한 관련이 있다. 특히 나노 혹은 마이크로 수준의 작은 미세 기포는 microscopic 수준에서 분자간 혹은 계면현상을 분석하는데 좋은 방법을 제시할 뿐만 아니라 ore flotation 이라든지 오염물을 제거하거나 분리하는 공정에 이용되기도 하고 반응 효율을 높이거나 새로운 저장 수송매체로 이용되기도 한다. 또한 이러한 미세 기포는 의료용 진단 초음파 이미지 분석을 위한 조영제로 사용되기도 하여 더욱 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 초음파를 이용하여 작은 나노/마이크로 기포(bubble)를 여러 가지 조건에서 발생시키고 이러한 작은 기포를 이용하여 이온이나 계면활성제에 따른 계면의 변화를 관찰하였다. 기포가 발생하고, 유지되는 과정에서 액체 내부에 존재하는 이온이나, 계면활성물질에 따라 여러 가지 다른 특성을 가지게 되는데 이러한 과정에서 얻어진 정보를 토대로 안정한 미세 기포를 형성시키고 초음파 조영제로서 응용하는 연구를 진행하였다. 나노 수준의 기포를 제조하는 일은 매우 어려운 일로서, 일반적으로 형성되는 미세 기포들은 대부분은 강력한 내부 압력에 의해 매우 짧은 시간 내에 사라져버리게 된다. 본 연구에서 초음파를 이용하여 순수한 물에서 750nm의 안정한 기포를 형성시켰다. pH, 이온의 농도, 계면활성제의 종류와 농도에 따라 기포의 크기와 분포가 변화하였으며, 나노 기포의 제타 전위를 측정하여 계면 특성을, 기존의 계면을 분석하는 표면 장력이나 전도도 측정과 비교하여, 나노 기포를 제조하여 제타 전위를 측정하는 것은 계면 특성을 평가하는 간단하고 쉬운 방법이 될 수 있음을 확인하였으며, 그러한 결과를 토대로 양이온 계면활성제인 $C_nTAB$ 의 CMC, 기/액 계면에서의 해리도는 마이셀과 비교했을 때 급격하게 감소하는 것을 확인하였다. 또한 나노 기포를 발생시켜서 폐포 계면활성제의 흡착 거동을 관찰하여, 그러한 결과를 평형 표면장력과 동적 계면장력 결과와 비교 관찰하였다. 폐포 계면활성제는 생체에 존재하는 계면활성 물질로서 부재시 호흡곤란 증상을 일으킨다. 우리가 사용한 물질은 DPPC/Cetyl 알코올/Tyloxapol 혼합물로 각 물질 상호간의 영향을 주는데, Tyloxapol의 존재는 DPPC의 흡착을 지연시키는 역할을 하고 Cetyl 알코올의 첨가는 흡착성능 향상시키고, spreading이 좋아지게 하는데 기여를 하는 것을 확인할 수 있었다. 그러한 과정에서 얻은 결과를 토대로 DPPC와 Tyloxapol을 미세기포 초음파 조영제의 안정화에 기여하는 surface active 물질로 사용하였다. 초음파는 값이 싸고 비교적 간편하게 인체 내부를 관찰할 수 있는 진단법으로 지속적으로 성장하는 의료용 진단 방법이다. 이에 따라 조영제에 대한 연구도 외국에서는 활발히 이루어지고 있으나 국내 연구는 거의 미비한 수준이다 초음파 조영제로 가장 적합한 성분은 초음파 반사능이 좋은 기체이므로 의료용 초음파 영역에 적절한 조건은 7 마이크로 미터 이하의 작고 안정한 미세 기포이다. 인체내 존재하는 리피드인 DPPC와, DCP, Tyloxapol, poly amino acid를 이용하여 평균 크기가 약 3마이크로미터인 안정한 마이크로 기포를 형성시켰으며, 2시간 동안 상온에서 크기변화는 없었다. In vitro 초음파 test 결과, 기포의 크기나 안정성은 혼합물의 조성에 민감하게 변화하였다. 초음파 조영제로 사용되는 마이크로 기포를 평가하기 위해 초음파 반사 신호의 시간에 따른 변화를 측정하였으며, 혼합물의 비율이 DPPC/DCP/Tyloxapol(10/1/5) 일 때 가장 안정한 기포를 형성하였다. 그러나 30분 이상 안정한 초음파 반사 신호를 유지하기는 힘들었는데, PPG/Glycerin 혼합물을 10mg/mL 첨가하여 초음파에 대한 안정성이 2시간 이상이 되는 것을 확인하였으며, PPG/Glycerin은 액체의 점도를 향상시키고 표면장력을 감소시키는 역할은 하였다. Lyophilization 공정은 액체 내부에서 기포를 형성할 때 분자들의 초기 확산과정에 영향을 미치는 과정으로 마이크로 기포 형성을 위해 필수적이며, DPPC/DCP/Tyloxapol 혼합물에 의해 마이크로 기포가 형성되는 경우에는 단일 분자의 흡착이 아니라, vesicle 형태로 계면에 흡착하는 것을 알 수 있었다. Poly amino acid를 합성하여 Tyloxapol을 대체하여 사용하였을 경우에도 좋은 효과는 나타내었고, air 대신 PFC 가스를 사용할 경우 조영 신호가 증가하고 안정성도 향상하였다. 이러한 결과를 토대로 제조된 초음파 조영제는 초음파 이미지로 분석한 결과 상용 초음파 조영제와 비슷한 수준에 조영증강을 보여주었고, 오랜 시간 안정성을 유지시켜주는 장점을 가지고 있었다. 리피드를 포함하는 초음파 조영제는 표면 수식이나, ligand를 이용하여 목표 선택성을 가지거나, 약물을 함유하도록 할 수 있기 때문에, target 마이크로 기포 초음파 조영제를 형성시키고, 그들의 선택성을 SPR 바이오센서를 이용하여 평가해보았다. DPPC/DCP/PHEA-C18-PEG5000-Biotin으로 구성된 마이크로 기포를 제조하고, avidin-biotin interaction으로 인한 기포의 선택성을 확인하였다. 제조된 미세 기포의 평균 크기는 약 3μm이며, 초음파 신호에 안정하게 유지하는 특성을 가지고 있였다. SPR 센서의 표면에 avidin이 고정화된 SAM층을 형성시키기 위해 MUA 단분자막을 금 필름 표면에 형성시킨 뒤, MUA를 EDC/NHS로 활성화시킨 후에 avidin을 흘려주어 고정화시켰다. binding site가 없는 경우에는 흡착된 기포가 다시 떨어지는 physical binding만 일어났으며 biotin이 conjugation된 미세 기포의 경우에는 avidin-biotin interaction에 의한 SPR 곡선을 보여주었고, chemical binding이 일어났다. 미세 기포들의 affinity constant$(K_A)$ 를 비교해보면 biotin이 없는 경우에는 $K_A$ 가 $1.00g^{-1}L$ 이며, biotin이 있는 경우에는 $9.46g^{-1}L$ 로 10배정도의 차이를 보여주었다. 초음파 진단 장치를 사용하여 target 이미지를 비교했을 때도 biotin이 conjugation된 미세 기포에 의해 targeting이 된 경우에는 같은 농도의 미세 기포를 투여하더라도 target영역에 뚜렷한 명암 차이와 보다 효과적이고 효율적인 조영 영상을 보여주었다. 본 실험을 통해 SPR 센서로 targeting 미세 기포의 흡착의 정량 분석이 가능한 새로운 방법이 될 수 있으며, 동물 실험과 인체 실험 전에 in vitro수준에서 조영제를 평가하고 결과를 예측하는 좋은 방법이 될 수 있음을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 05031
형태사항 xii, 171 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 조성호
지도교수의 영문표기 : Jong-Duk Kim
지도교수의 한글표기 : 김종득
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Reference : p. 155-164
주제 Nanobubble
microbubble
ultrasonic contrast agent
zeta potential
interfacia property
SPR
미세기포
초음파 조영제
제타 포텐셜
계면 특성
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