Stimulus-responsive material architectures can empower medical therapies by bio-imaging for diagnosis, destruction of cells for cancer therapy and controlling release of drug in response to selective biological recognition events. In this thesis, we have discussed three components; one is pH and light responsive polymer integrated fluorophore with graphene oxide (in chapter 2-3), the next one is biocompatible delivery (in chapter 4) and the last one is carbonized fluorescence nanoparticles (in chapter 5-6). In chapter 2, we report a stimuli responsive fluorescence nano-material based on graphene oxide with photochromic dye spiropyran (SP) and hydrophobic dye BODIPY conjugated polymer, for triggered target multi-color bioimaging application. Then, we have synthesized a pH-dependent, NIR-sensitive, reduced graphene oxide (rGO) hybrid nano-composite via electrostatic interaction with indocyanine green (ICG) which is designed not only to destroy localized cancer cells but also be minimally invasive to surrounding normal cells (chapter 3). We also report on dopamine-conjugated hyaluronic acid (HA-D), a mussel-inspired facile capping material that can modify tungsten oxide $(WO_3)$ nanoparticles to be both biocompatible and targetable, allowing precise delivery $(WO_3-HA)$ to a tumor site for photothermal therapy (chapter 4). In chapter 5, we describes the in situ synthesis of single fluorescence carbon nanoparticles (FCNs) for target bioimaging applications derived from biocompatible hyaluronic acid (HA) without using common conjugation processes. The converted nanocrystal carbon particles from HA provide outstanding features for in vitro and in vivo new targeted delivery and diagnostic tools. In last chapter, we report the development of cooperative drug delivery systems that can detect and target the disease site, with an environment sensitive (pH), and external photothermally remote controlled, cooperative image-guided drug delivery matrix. Cooperative guided bioimaging that employs both internal pH responsive and external NIR controlled drug carriers is a promising method for chemotherapeutic release that can be adjusted according to physiological needs.
한번의 투여로 진단과 치료를 동시에 하는 테라그노시스(theragnosis)는 생의공학 분야에서 향후 맞춤형치료의 초석으로 주목받고 있다. 테라그노시스 플랫폼의 중요성을 고려하면, 빛을 이용하여 치료 범위 및 시간을 조절할 수 있는 약물전달 및 광열치료(photothermal therapy)에 대한 연구가 필요하다. 테라그노시스를 위한 성공적인 기능성 나노물질의 개발과 그 생물학적 효과를 판별하기 위해서는 첫째로 외부와 내부의 자극으로 조절 가능한 형광 나노입자이어야 한다. 두 번째로 pH에 반응하는 광열치료제여야 하며. 세 번째로는 WO3 나노입자의 생체적합성이 확보되어야 한다. 네 번째로는 종양을 표적으로 형광나노입자를 전달 할 수 있어야 하며, 외부 및 내부의 자극이 파클리탁셀(Paclitaxel)의 전달을 조절할 수 있어야 한다. 본 연구는 외부 및 내부 자극을 조절할 수 있는 형광 나노입자에 대한 연구이다. 이러한 형광나노 입자는 같은 세포 안에서도 동시에 다양한 색의 빛을 연속적으로 발광할 수 있다. rGO-polymeric 화합물 내에 존재하는 spiropyran 는 photosensitive 하기에 무색에서 보라색까지 빛을 통해 색을 조절할 수 있다. 또 다른 연구에서 본 연구자는 암세포만 선택적으로 제거하기 위해 pH에 선택적으로 반응하는 광열치료용 제재를 디자인 하였다. pH의 7.4에서 5.0으로의 점진적인 변화는 적용된 세포에서의 급격한 열생성 및 광열 분해 현상이 관찰되었다. 서로 다른 pH 에서 세포 이미징과 In vitro의 광열치료효과는 환경에 반응적인 바이오이미징의 가능성을 보여준다. 또한 우리는 종양 표적 전달성이 좋고 생체친화적인 도파민이 도입된 히알우론산을 이용하여 금속 광열치료제의 마스킹제로 개발하였다. 지금까지 금속나노 약제는 생체친화성에 있어서 제약이 있어왔다. 또한 개발된 본 물질은 다른 플라즈모닉(plasmonic) 나노입자의 치료효과와 독성을 제한하는데 사용될 수 있다. 다음으로 본 연구자는 생체적합성물질인 히알우론산이 형광물질을 사용하여 표적전달이 가능한 생체적합성을 가진 형광물질을 합성하였다. 카본화(carbonization) 과정을 거친 HA-FCN의 HA 부분은 타겟 분자들에게 동시에 전달될 수 있으며 동시에 이미징도 가능하다. 본 연구자는 바이오이미징, 약물 전달, 바이오센서, 생체 진단, 바이오메디컬 분야에서 HA-FCN와 FCN이 널리 쓰이게 되기를 기대한다. 마지막으로 본 연구자는 각기 다른 장소부터의 자극을 통해 화학치료효과를 전달하고 동시에 치료된 세포들을 추적할 수 있음을 확인 하였다. 앞으로 표적전달 시스템과 실시간 생체이미지 시스템이 성공적으로 접목될 수 있다면, 향후 약물 전달 효율 및 암진단에 있어서 획기적인 발전이 있을 것으로 기대된다.
