New fabrication method for silica-based nanomaterials adopting ultrasound are developed and applied to make nanoparticles to be used as the non-viral gene delivery tool, bioimaging agent, and catalyst support materials.
Firstly, the fluorescent silica nanoparticles were fabricated by employing ultrasound-assisted St??ber method. This method is relatively easy to make highly biocompatible nanoparticles for bioimaging, biosensors and gene delivery with accelerated chemical reaction. Luminescent dye, tris(2,2??-bipyridyl)ruthenium(II) chloride (Rubpy), was used in dye-encapsulated silica nanoparticles for better dispersion, low cytotoxicity, and increased chemical and mechanical stability. The role of ultrasound in the synthesis of Rubpy-encapsulated silica nanoparticles is to accelerate the chemical reaction for the encapsulation of Rubpy molecules in silica network. Cytotoxicity of silica particles were tested with various particle concentrations using several types of cell lines. The surface of nanoparticles is functionalized to immobilize green fluorescence protein (GFP) gene that is to be delivered into cells.
Secondly, single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were adopted as template to synthesize silica nanorods under ultrasound irradiations. Diameter of the resulting SWCNT-silica particles was in the range of 60-70 nm. The role of ultrasound and the mechanism of silica layer formation on SWCNTs are explained by the hydrolysis of silica source and adsorption of siloxane groups on SWCNT surfaces under ultrasound irradiation. The fabricated silica nanorods were used as non-viral tool for green fluorescence protein (GFP) gene delivery.
Thirdly, manganese and zinc oxide nanoparticles were deposited on surface of silica under ultrasound. Silica particles with the diameter of around 150 nm were prepared using St??ber method. The metal oxide nanoparticles were collapsed and coated over the surface silica nanoparticles under highly intensive ultrasound irradiation. Silica nanoparticles could provide a large surface for attaching other metal nanoparticles and the fabricated silica-metal nanoparticles were tried as catalysts in depolymierization process.
Fourthly, blue fluorescent silica nanoparticles were fabricated by water-in-oil microemulsion method employing 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyl)thiophene. The average diameter of fabricated fluorescent silica nanoparticles was about 58 nm. Green Fluorescent Protein gene would be easily attached on the positively charged surface of nanoparticles to form nanoparticle-DNA complex. The nanoparticle-DNA complex successfully passed through various systemic barriers into HeLa cells and HEK 293T cells. Cytotoxicity of PEI-coated and BBOT-encapsulated silica nanoparticles on both HeLa cell and HEK 293T cell lines was at the acceptable level to be used as gene carriers when the particle concentration was below 125 μg/ml. The fluorescence intracellular images verified that successful delivery of nanoparticle-DNA complex and gene expression.
Lastly, red, green, blue fluorescent silica nanoparticles were fabricated by water-in-oil microemulsion method employing three different fluorescent dyes. The diameter of fabricated silica nanoparticles was in the range of 45-60 nm. The fluorescent silica nanoparticles were used as a platform to incorporate gold nanoparticles on the surface of silica spheres. The diameter of doped gold nanoparticles was in the range of 1-2nm. Both silica and gold NPs with uniform size and shape were successfully fabricated and used to produce hybrid-nanostructure materials. The fluorescent dyes were encapsulated and protected by silica matrix against the external environment so that the fluorescent properties were preserved. It was used in the biosensor applications where GBP-AIa was attached to where gold-doped RGB-SNPs for the interaction with anito-AI antibody. Results showed that the gold-deposited RGB-SNPs would provide a large binding surface area necessary for the development of the new detection tool of biomolecules such as viruses with high selectivity and reproducibility. These gold-deposited fluorescent SNPs will be a potential material for various biological applications such as multiplex bioanalysis, fluorescent imaging and biomolecular separation.
Overall, silica based nano-sized materials or silica base nanocomposite with different size and shapes were obtained using ultrasound-assisted method. Silica particles showed high mechanical and chemical stabilities and fluorescent dyes inside of silica matrix are protected from the surrounding environment. In addition, the large surface area of silica particles was highly suitable as support material to immobilize biomolecules or deposit metal oxide nanoparticles. The size and shape of silica particles have always maintained even after doping with various kinds of metal oxide nanoparticles and under highly intensive ultrasound irradiation. Compared with other nanomaterials including carbon nanotubes, silica showed low cytotoxicity indispensable for bioimaging or biomolecules delivery tool. These great properties of silica nanoparticles can be widely used in various kinds of applications including catalytic and biomedical applications.
본 연구는 초음파화학(sonochemistry)을 이용하여 다양한 종류의 실리카기반 나노 복합체를 합성 및 그 복합체를 이용하는 것에 대한 연구이다. 초음파화학은 초음파를 이용하는 화학합성 기술을 말한다. 초음파를 이용한 세라믹 또는 금속 입자의 제조과정에서는 초음파 공동화 현상이 중요하다. 제조 원료가 혼합되어 있는 수용액 속에 초음파를 조사하였을 때 발생하는 초음파 공동화(ultrasonic cavitation)의 메카니즘은 핵의 생성, 기포(bubble)의 성장, 그리고 충분히 성장한 bubble의 폭발적 파열 등 3단계로 이루어지며 생성된 기포내의 온도와 압력이 각각 약 4,500oC와 수 백 기압에 이 르고, 충분히 성장한 기포가 깨어질 때에는 온도가 약 1500oC이고 압력이 수 백 기압에 달 하는 충격파가 발생하며 이때 기포내부와 기포가 깨어질때의 충격파로 인하여 순간적으로 고온??고압의 현상이 발생된다. 이러한 현상으로 인하여 분산 및 유화작용이 일어나면서 물로부터 H?? 와 OH?? 라티칼 생성을 촉진시켜 화학반응이 단축된다. 본 연구에서는 상기의 초음파화학의 특성을 이용하여 여러 종류의 실리카 기반 나노 복합체를 제조하는 연구를 진행하였다.
초음파 화학을 응용하여 복합체를 제조하는 그 첫번째로 형광 염료가 도입된 실리카 입자를 합성하였으며 Rubpy라는 형광 염료를 실리카 담체에 내포시키며 합성 시간을 단축하였다. 이렇게 제조된 실리카 입자는 형광 염료가 가지는 독성을 감소시켜 형광 실리카 복합체를 바이오 이미징 도구로 사용에 대한 연구를 진행하였다.
탄소나노튜브는 1D 나노물질로 그 표면적이 넓으며 뛰어난 전기적 특성 및 물리적 특성을 바탕으로 바이오 센서, 유전자 전달체로 이용되었다. 하지만 탄소나노튜브가 가지는 독성으로 인하여 바이오 응용성에 한계를 보여왔다. 본 연구에서는 이러한 잠재적인 문제점을 해결하고자 탄소나노튜브 표면에 생체 친화적인 실리카 나노레이어를 형성하였다. 이 방법은 탄소나노튜브의 표면을 코팅하는 새로운 방법으로 실리카-탄소나노튜브 복합체를 초음파를 조사하여 짧은 시간에 합성하였다. 지속적인 초음파 조사로 인하여 엉겨붙은 탄소나노튜브는 용매속에서 분산되고 이렇게 분산된 탄소나노튜브 표면에 실리카 전구체가 생성되어 탄소나노튜브를 감싸서 탄소나노튜브가 가지는 독성을 감소시키는 역할을 하였다. 이렇게 생성된 1D 실리카-탄소나노튜브 나노 복합체 표면을 개질하여 GFP를 발현하는 유전자를 고정하여 세포내로 전달하였으며 GFP가 성공적으로 세포내에서 발현되었다. 이러한 응용성을 바탕으로 실리카-탄소나노튜브 나노 복합체가 세포내 유전자 전달체로 이용할 수 있다는 것을 증명하였다.
일반적으로 실리카는 뛰어난 물리적, 화학적 안정성과 넓은 표면적을 가진다. 또한, 실리카의 표면은 여러 종류의 실란 원료를 이용하여 그 표면을 쉽게 개질할 수 있으며 다양한 종류의 금속 나노 입자와 생체분자를 도입할 수 있는 장점을 가진다. 일반적으로 순수한 금속 나노 입자는 서로 엉겨붙으며 이로 인하여 그 표면적이 감소한다. 상기의 문제점으로 말미암아 촉매로서의 기능성이 감소한다는 단점을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 실리카를 지지체로 사용하여 실리카 표면에 금속 나노 입자를 도입하였다. 실리카 표면에 금속 나노 입자 부착을 위하여 실리카를 용매에 분산시킨후 강력한 초음파를 조사하여 짧은 시간에 금속 나노 입자를 제조 및 실리카 표면에 부착하였다. 이렇게 제조된 금속 나노 입자-실리카 복합체는 넓은 표면적을 가지며 실험을 통하여 PET를 재사용 가능한 모머인 BHET를 생산하는 glycolysis 공정에 촉매로 사용하였으며 상기의 금속 나노 실리카 복합체를 이용할 경우 모노머의 수율을 향상시킬 수 있음을 보였다.
푸른색 형광 염료를 포함한 실리카 나노 입자를 water-in-oil microemulsion 방법과 BBOT 형광 물질을 이용하여 합성하였다. 이렇게 합성된 실리카 나노 입자의 지름은 약 58nm로 균일하다. 이렇게 생성된 형광 나노 입자의 표면을 PEI로 표면을 개질하여 GFP를 발현하는 유전자를 고정화 시킨후 세포내 유전자 절달체로 사용하여 HeLa 세포와 HEK 293T에 적용하였다. 유전자가 고정화된 실리카 나노 입자를 두 세포에 전달한 후 GFP가 발현이 관찰되었다. 또한, 세포내에 실리카 입자가 전달된 것을 형광 분석을 이용하여 확인하였으며 실리카 나노 입자의 독성이 낮고 뛰어난 유전자 전달 능력을 가진다는 것을 확인하였다.
마지막으로 붉은색, 녹색, 푸른색 형광을 가지는 실리카 나노 입자를 water-in-oil microemulsion 방법과 여러 종류의 형광 염료를 사용하여 합성하였다. 이렇게 합성된 실리카 나노 입자의 지름은 45-60 nm이다. 이렇게 생성된 형광 실리카 입자의 표면에 초음파를 이용하여 금 나노 입자를 도포하였으며 이렇게 생성되는 금 나노 입자의 크기는 약 1-2 nm 정도이다. 실리카 속에 도입된 형광 염료들은 외부 환경으로부터 실리카에 의하여 보호되며 그 형광 특성이 오랜기간 유지가 가능하다. 이렇게 제조된 금-실리카 복합체 표면에 금에만 선택적으로 부착되는 단백질을 기반으로 하여 GBP-Aia로 금 나노 입자의 표면을 개질한 후 anti-AI antibody를 사용하여 생성된 실리카 나노 입자를 바이오 센서 및 바이오 이미징 도구로 사용 가능한 것을 증명하였다.
다양한 모양과 크기를 가지는 실리카 기반 나노 복합체를 초음파화학을 이용하여 제조하였다. 실리카는 뛰어난 물리적, 화학적 안정성을 가지면 도입되는 여러 종류의 형광 염료를 외부 환경으로부터 보호하여 형광 염료의 특성을 유지하는 역할을 하였다. 실리카는 독성이 낮고 생체 친화성이 높아 그동아 여러 종류의 바이오 실험에 이용되었으며 그 표면의 개질이 쉽다는 장점과 크기 조절이 용이하여 다양한 종류의 생체 물질 및 금속 나노 입자를 도입하는 지지체 역할을 하였다. 이러한 실리카 특성을 이용하여 독성이 보고된 탄소나노튜브의 표면을 개질하여 실리카-탄소나노튜브 복합체를 제조하였으며 금, 망간, 아연과 같은 여러 종류의 금속 나노 입자와 결합하여 금속-실리카 복합체를 제조하였다. 다양한 나노 복합체 제조를 위하여 초음파화학을 이용하였으며 이렇게 제조된 실리카 나노 복합체를 촉매 또는 바이오 실험 도구로 사용하여 그 활용 가능성이 무궁무진함을 보였다.
