Nanostructured materials exhibit unique and useful electronic, optical, and magnetic properties which can be applied to various fields. In particular, imaging science and technology has actively been adapting these nanomaterials as imaging agents. Semiconductor nanoparticles(quantum dots), fluorescent silica nano-particles, gold nanoparticles and magnetic nanoparticles have been applied as fluorescent probes in optical imaging, X-ray contrast agents for computated tomography (CT) and contrast enhancement agents for mag-netic resonance imaging (MRI), respectively. However, drug delivery technology and interface engineering and technology are necessary to apply nanomaterials as imaging probe in biomedical field. The research ob-jective of this thesis is fabrication of biocompatible and biodegradable magnetic nanoparticles from poly(amino acid)-based amphiphilic graft polymer and iron oxide nanoparticle as a MR imaging contrast agent.
In chapter 2, A biocompatible and water-soluble poly(amino acid) derivative, with a hydrophilic backbone and side chains facilitating linkage to the surfaces of nanoparticles was used to coat hydrophobic $Fe_3O_4$ nanoparticles. Such nanoparticles, of various sizes (4-11 nm), were coated by coordinate bonding and hydrophobic interaction with a hydrophilic poly(amino acid) derivative, poly(2-hydrox-ethyl aspartamide). This is a new method for transfer of hydrophobic nanoparticles from organic solvents into water. The biocompatible poly(amino acid)-coated $Fe_3O_4$ nanoparticles were smaller than 30 nm in aqueous solutions, extremely stable, and maintained their stability even after several lyophilizations. The poly(amino acid)-coated nanoparticles showed no cytotoxicity, good saturation magnetization, and high $T_2$ relaxivity coefficients ($r_2$ values).
In chapter 3, Water soluble iron oxide nanoparticles were synthesized by coating iron oxide nanopar-ticles with a hydrophilic, biocompatible, biodegradable poly(amino acid) derivative, poly(2-hydroxyethyl aspartamide) graft copolymer. Then, HE$r_2$/neu antibodies were conjugated on the surface of poly(amino acid) coated iron oxide nanoparticles for the detection of breast cancer via $T_2$ weighted MRI. The antibody-grafted iron oxide nanoparticles (PAION-Ab) were about 31.1 nm in diameter. The $T_2$ relaxivity of PAION-Ab was 246 L?$mmol^{-1}$?$sec^{-1}$ greater than that of the commercial product such as Ferridex. PAION-Ab showed low cytotoxicity even at relatively high concentrations. Furthermore, Prussian blue staining and in vitro MRI study with SKBR 3, breast cancer cells overexpressing HE$r_2$/neu receptors indicated that PAION-Ab exhibited excellent cancer cell detection ability and enhanced signal intensities in the $T_2$-weighted image.
In chapter 4, Water soluble and biocompatible iron oxide nanoparticles coated with poly(aspartic acid) (PAsp), poly(asparagines) (PAsn), poly(2-hydroxy-ethyl L-aspartamide) (PHEA), and poly-α,β-(N-2-dimethylaminoethyl L-aspartamide) (PDMAEA) were prepared by hydrophobic interaction between hydro-phobic iron oxide nanoparticles and each amphiphilic poly(amino acid)s graft polymer. The octadecyl side chain grafted poly(succinimide)(PSI-g-$C_{18}$), used as a precursor polymer, was easily aminolyzed with nucleo-philic compounds to form various poly(amino acid)s graft polymer (PAsp-g-$C_{18}$, PAsn-g-$C_{18}$, PHEA-g-$C_{18}$, PDMAEA-g-$C_{18}$,) and simultaneously stabilize the dispersion of iron oxide nanoparticles in aqueous solution. The diameters of the poly(amino acid)s coated iron oxide nanoparticles (PAIONs) were smaller than 30 nm in aqueous solution, extremely stable in aqueous solutions with a wide range of pH and salt concentrations. Further, all the PAIONs showed high $T_2$ relaxivity coefficients ($r_2$ values) and the cellular uptake property of the PAIONs was also evaluated.
In chapter 5, A biocompatible and endosome escapable magnetic micelles which consist of the his-tidine conjugated poly(amino acid)s shell and aggregated iron oxide nanoparticles core were prepared for the diagnosis and therapy of cancer. Endosomolytic synthetic poly(amino acid) (PHEA-g-$C_{18}$-His) which has buffering capacity at physiological and endosomal pH was synthesized from conjugation of histidine to octadecyl grafted poly(2-hydroxytehyl aspartamide) (PHEA-g-$C_{18}$) for intracellular delivery. And 6 nm sized iron oxide nanoparticles were encapsulated within the PHEA-g-$C_{18}$-His micelles for negative contrast enhancement on $T_2$ weighted MR imaging. Anticancer drug, doxorubicin (DOX), was also encapsulated within the magnetic micelles by solvent diffusion method for cancer therapy. The size, zeta potential of magnetic micelles increased at pH 5.0 due to the swelling of magnetic micelles induced by the electrostatic repulsion of ionized histidine on the surface. The histidine conjugated magnetic micelles demonstrated high $T_2$ relaxivity coefficients ($r_2$ values) and remarkable MR sensitivity for HeLa cell. Furthermore, histidine conjugated magnetic micelles shows the faster release of DOX and higher efficacy than histidine non-conjugated magnetic micelles which is attributed to the endosomolytic ability of conjugated histidine moeity.
$10^{-9}$ m 영역의 크기를 갖는 나노구조체 물질은 벌크물질과 달리 전기적, 광학적, 자기적으로 고유한 성질을 가지고 있으며 다양한 분야에서 널리 응용되고 있다. 특히, 이들 나노물질은 imaging agent로서 최근 수년 동안biomedical 기술 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 이중 반도체 나노입자 (quantum dots), 형광 silica 나노입자, 금 나노입자, 자성 나노입자들은 각각 optical imaging, computated tomography(CT), magnetic resonance imaging(MRI)에서 imaging agent로 가장 많이 이용되고 있는 물질이다. 그러나 이들 나노입자들을 imaging agent로서 안전하게 체내/외에 응용하기 위해서는 약물전달기술 및 계면공학 기술들이 접목되어야 한다. 본 연구 목적은 초상자성을 가지는 산화철 나노입자를 MRI 조영제로 응용하기 위해 생분해성을 가지는 폴리아미노산 유도체를 이용하여 100 nm 이하의 크기를 가지며 생체친화적인 MRI 조영제 및 약물 전달체를 개발하는데 있다.
제 2장에서는, 생체친화적이며 생분해성을 가지는 폴리아미노산 유도체, poly(2-hydroxylethyl $_L-aspartamide$)(PHEA) 백본에 산화철 나노입자 표면과 결합할 수 있는 기능성 사슬을 부착하여 소수성의 산화철 나노입자를 코팅하고 산화철 크기에 따른 자성성질을 조절하는 연구를 수행하였다. Coordinate bonding및 hydrophobic interaction을 이용하여 4, 6, 8, 11nm의 다른 크기를 갖는 산화철 나노입자를 PHEA 고분자로 성공적으로 코팅하였다. 이 방법을 통하여 수 분산이 전혀 되지 않는 소수성의 산화철 나노입자를 완전하게 표면성질을 변화시켜 수 분산을 가능하게 하였으며 여러 번의 동결건조 과정을 거치더라도 물상에서 매우 안전하게 30 nm 이하의 크기를 유지하였다. Poly(amino acid) coated iron oxide nanoparticles (PAION)은 높은 농도에서도 세포 독성을 보이지 않았으며 높은 saturation magnetization 및 $T_2$ relaxivity coefficient ($r_2$ values) 값을 보여주었다.
제 3장에서는, 위 2장에서 이용한 산화철 코팅방법을 이용하여 breast cancer 진단을 위한 in vitro cell 실험을 수행하였다. 위 2장 연구 결과를 바탕으로, 가장 높은 포화 자성 값 및 $T_2$ relaxivity coefficient를 갖는 PHEA로 코팅된 산화철(PAION) 표면에 HE$r_2$/neu receptor와 특이적으로 결합하는 HE$r_2$/neu antibody를 성공적으로 부착하였다. HE$r_2$/neu antibody가 부착된 자성나노입자 (PAION-Ab)는 약 31.1 nm크기를 가지고 있으며 $T_2$ relaxivity coefficient값은 246 L?$mmol^{-1}$?$sec^{-1}$로, 이 값은현재 상용 품인 Ferridex와 비교 할 때 2배 이상의 높은 값을 가지고 있다. 제조된 PAION-Ab은 높은 농도에서도 세포 독성을 보이지 않았으며 Prussian blue staining와 in vitro MRI study를 통해 HE$r_2$/neu receptor가 과 발현 되어 있는 breast cancer 진단에 탁월한 효과를 보여주었으며 특히 lung cancer와 비교 실험에서, 높은 targeting ability와 MRI contrast effect를 보여주었다.
제 4장에서는, 소수성 산화철 나노입자 표면의 alkyl chain과 양친성 poly(amino acid)의 소수성 side alkyl chain과의 hydrophobic interaction을 이용하여 poly(aspartic acid) (PAsp), poly(asparagines) (PAsn), poly(2-hydroxy-ethyl L-aspartamide) (PHEA), and poly-α,β-(N-2-dimethylaminoethyl L-aspartamide) (PDMAEA)로 코팅된 생체친화적인 산화철 나노입자를 제조하였다. Precursor polymer로 이용된 Octadecyl ($C_{18}$) grafted poly(succinimide)(PSI-g-$C_{18}$)은 물상에서 다양한 nucleophilic compounds와 aminolysis 반응을 통해 PAsp-g-$C_{18}$, PAsn-g-$C_{18}$, PHEA-g-$C_{18}$, PDMAEA-g-$C_{18}$ 등의 다양한 amphiphilic poly(amino acid)를 형성할 수 있다. 위 고분자 합성법을 이용하여 물상에서 다양한 poly(amino acid) shell과 표면 성질을 가지는 산화철 나노입자 (PAION)을 쉽게 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 PAION은 물상에서 30 nm 이하의 크기를 가지고 있으며 생체 내 pH와 salt 농도에서도 높은 안정성을 보여주었다. 또한 향상된 $T_2$ relaxivity coefficient값을 가지고 있으며 각각의 PAION에 대한 세포 봉입 실험을 수행하였다.
제 5장에서는, 암 진단과 암 치료를 동시에 수행하는 생체적합하고 endosome escapa-ble한 magnetic micelles를 제조하였다. 이를 위해 생리적 pH 조건 및 endosomal pH 조건에서 buffering capacity를 가지는 endosomolytic poly(amino acid) (PHEA-g-$C_{18}$-His)를 amphiphilic PHEA-g-$C_{18}$ 백본에 histidine moiety를 conjugation 하여 합성하였다. 위 고분자와 6 nm 크기를 갖는 산화철 나노입자를 이용하여 emulsion method을 통해 magnetic micelles를 제조하였다. 이 magnetic micelles는 core 부분에 여러 개의 산화철 나노입자를 가지고 있으며 shell 부분은 PHEA-g-$C_{18}$-His 로 둘러싸여 물상에서 약 100 nm 크기의 균일한 입자를 형성하였다. 위 magnetic micelles은 pH가 5일 때 입자의 사이즈와 제타포텐셜이 증가하는 것을 확인하였다 이는 표면에 부착된 histidine이 이온화되면서 histidine 사이의 electrostatic repulsion에 의해 입자가 swelling 되기 때문이다. 또한 histidine이 부착된 입자의 경우 그렇지 않은 입자에 비해 buffering ability에 의해 endosome 붕괴 능으로 인해 세포질 내에 고루 분포되는 것이 확인되었다. 또한 암 치료를 위해 anticancer drug의 한 종류인 doxorubicin (DOX)를 봉입하여 histidine이 부착된 입자의 경우 pH 5에서 swelling에 의해 약물방출이 증대 되었으며 histidine의 endosome 붕괴능과 시너지 효과를 일으켜 세포핵 내로의 dox 전달을 증가 시켜 in vitro 상에서 강한 cell cytotoxicity를 나타내었다. 또한 $T_2$ relaxivity coefficient 값과 in vitro 상에서의 MR imaging을 수행하여 암 진단 probe로서의 높은 응용 가능성을 보여주었다.
