실리카로 코팅된 자성 나노입자의 제조 및 표면 기능화에 관한 연구

Abstract

크기가 적정 수준에서 제어된 실리카 입자(약 150-200nm)는 인체에 무해한 것으로 알려져 있다. 이러한 특성을 이유로 하여, 실리카는 특정 한 기능을 하는 각종 유기 혹은 무기 물질의 지지체가 되어서 생체의학 적 응용을 목적으로 하는 물질의 제조에 쓰이게 된다. (실리카 표면은 -OH 치환기로 이루어져 있기 때문에 표면을 개질하기도 용이하다.) 또한 이와 더불어 실리카 내부에 산화철 중 자성을 띄는 입자가 들어있는 형 태의 자성 실리카를 만들게 되면, 의약학적 치료와 이미징을 모두 끝낸 후에, 회수 또한 가능하게 된다. 위와 같은 형태의 나노 입자를 만들기 위해서는 크게 두 단계의 실험 과정을 거치게 된다. 먼저, “Coprecipitation method” 방법을 이용해서 Fe^(2+) 와 Fe^(3+) 간의 전자의 이동을 유도한다. FeCl₂와 FeCl₃ salt, 염기 촉매를 이용해서 고체 상태의 Fe₃O₄ 자성입자를 얻어내는 단계이다. 이 때 실리카를 만들 때 쓰이는 물질인 TEOS와의 반응성을 가지는 안정화제를 사용해서 두번째 단계 실험을 진행하게 된다. 자성입자 제조를 위한 방법에는 Microemulsion 방법이나 Thermal decomposition 방법 등의 여러 가지가 있지만, 수율이 높고, 계면 활성제나 고분자 등의 안정화제를 사용할 필요가 없고, 물을 용매로 하 여 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 이 방법을 사용하였다. 이렇게 하여 만들어진 자성체를 출발 물질로 해서 두 번째 단계로 실리 카로 코팅하는 프로세스를 진행하게 된다. 역시 실리카 제조시 잘 알려 진 방법인 Stober 방법을 이용해서 실리카를 만들게 되는데, 이 때 물과 에탄올, 그리고 촉매로 쓰이는 암모니아수의 조성에 따라서 실리카 입 자의 크기가 결정된다. 또한 실리카 입자의 Precursor 인 TEOS 와 자성 체 콜로이드의 비율, 회수 방법 및 기타 다른 변수들의 조절에 의해서 실리카의 크기와 자성체가 코팅된 정도가 최적화된 최종 산물을 얻을 수 있다. 이와 같이 만들어진 입자는 의학적인 응용을 목적으로 제조되 었는데, 실리카의 표면에 인체 내 암 조직을 추적하여 흡착될 수 있는 단백질이나 항체, 기타 생체 적합성 물질을 붙여서 자성 실리카 입자가 암 세포에 붙도록 할 수 있다. 실리카 표면의 -OH 그룹을 이용하거나 amine functional group 등으로 치환하게 되면, MRI 와 같은 암 조직의 이미징에 사용할 수 있다. 더 나 아가서는 금이나 백금과 같은 귀금속과의 복합체를 제조하여, 금속들이 특정 파장을 흡수했을 때 방출되는 열에너지를 이용해 암 치료용 물질을 만드는 것이 그 최종적인 목적이라 할 수 있을 것이다.; The silica is well-known for the biocompatible material, and has the silanol groups at the end which make various ligands attach to its surface. So, the silica whose surface is functionalized with glucose can be applied to the biomedical techniques, for example, imaging techniques, because glucose is essentially required to the metabolism process. In addition, because of the magnetic nanoparticles which are embedded in silica particles, the collection of used nanocomposites is possible. Eventually, the purpose of this research is to prepare the silica-coated magnetic nanoparticles and functionalize them with glucose molecules. The silica-coated magnetic nanoparticles are synthesized in two stages. First, Fe₃O₄ magnetic nanoparticles are made by co-precipitation method, which uses FeCl2, FeCl3 and base catalyst, NH4OH. These particles have superparamagnetic behaviour, so the aggregation occurs spontaneously. To prevent them from aggregation, second stage is required. In second stage, we use sol-gel method to obtain silica-coated magnetic particles. TEOS is employed as the precursor material of silica. Because of high affinity between silica and magnetite surface, it is possible to encapsulate magnetic particles with silica directly. In this stage, ethanol and water are used as solvent, and the catalyst is NH4OH. From the surface of Fe₃O₄particles, the growth of the silica particles occurs and we can obtain magnetite?silica nanocomposites. After this process, silica particles in which a few magnetic particles are embedded have to be treated with the functional groups, for example, amine groups, to make the glucose molecules attach easily. Next, the glucose molecules are adsorbed to the silica surfaces by the interaction between amine groups of the silica surface and the hydroxide groups of the glucose. The introduction of magnetic nanoparticles into the silica particles are confirmed by transmission electron microscope (TEM). Magnetic property of the products is measured by vibrating sample magnetometer (VSM). In order to test the chemical bonding between the silica and glucose, we use Infrared microscopy (IR).