METHOD FOR PREPARING RED BLOOD CELL-SHAPED NANOSTRUCTURE BY USING MULTI-CHANNEL ELECTROSPRAYING THROUGH PLURALITY OF NOZZLES

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 출원에서 용어 "나노"는 나노 미터(nm) 단위의 크기를 의미할 수 있고, 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 크기를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 용어 "나노 입자"는 나노 미터(nm) 단위의 평균 입경을 갖는 입자를 의미할 수 있고, 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 평균입경을 갖는 입자를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 적혈구 형상의 나노 구조체를 제조하는 방법을 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 적혈구 형상의 나노 구조체 및 이를 이용하여 제조한 나노 구조체의 범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.

도 2는 본 출원의 일 실시예인 적혈구 형상 나노 구조체의 제조 방법에 대한 플로우 차트이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 출원의 적혈구 형상의 나노 구조체의 제조 방법은 기체 및 액상 고분자 화합물을 준비하는 단계(S110), 제 1 노즐을 통하여 기체를, 상기 제 1 노즐과 동축성이며, 제 1 노즐의 직경보다 큰 직경을 갖는 제 2 노즐을 통하여 액상 고분자 화합물을 함께 분무하는 단계(S120) 및 제 1 노즐 및 제 2 노즐을 통하여 분사된 나노 구조체를 수집하는 단계(S130)을 포함한다.

이하, 각 단계별로 본 출원을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 기체 및 액상 고분자 화합물을 준비한다(S110).

기체는 특별히 한정되는 것은 아니며, 대기 중에 존재하는 일반적인 공기를 사용하는 것이 경제성이 우수하여, 바람직하다. 후술하는 바와 같이, 노즐을 통해서 분무된 구조체는 코어-쉘과 유사한 형태를 하며, 이 때, 코어를 기체가 차지하고 있다가, 기체는 쉘의 기공 등을 통하여, 빠져나간다. 예를 들어, 이중 노즐 정전분무 방식을 이용하며, 내부 노즐에 공기를 흘려 나노 구조체의 내부가 부풀려지게 한 후, 이 공기가 빠져나오면서 최종적으로 적혈구 형상의 나노 구조체를 제조할 수 있는 것이다.

또한, 액상 고분자 화합물은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 액상 고분자 화합물은 유드라짓계 화합물이다. 또한, 보다 바람직하게는 유드라짓계 화합물은 유드라짓-L, 유드라짓-RL 및 유드라짓-RS 중 적어도 하나를 포함한다.

유드라짓-L은 Methacrylic acid와 Methyl methacrylate이 1: 1로 포함된 코폴리머이다. 유드라짓-RS와 유드라짓-RL은 ethyl acrylate, methyl methacrylate 및 methacrylic acid ester이 quaternary ammonium groups과 함께 포함된 화합물로서, 하기 화학식으로 표시될 수 있다. 하기 화학식에서 m=0.2, n=2 및 o=1은 유드라짓-RL을 나타내며, m=0.1, n=2 및 o=1은 유드라짓-RS를 나타낸다.

[화학식]

그리고, 제 1 노즐을 통하여 기체를, 상기 제 1 노즐과 동축성이며, 제 1 노즐의 직경보다 큰 직경을 갖는 제 2 노즐을 통하여 상기 액상 고분자 화합물을 함께 분무한다(S120).

이는 정전분무(electrospray) 방식을 이용한 것으로서, 도 3에 본 출원의 일 실시예인 적혈구 형상 나노 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 정전분무 기기의 모식도를 나타내었다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 출원의 일 실시예 따른 정전 분무 기기(1)는 이중 노즐을 포함한다. 기체 공급부(13)에 기체가 채워져 있으며, 제 1 노즐(11)을 통하여, 기체를 분문한다. 또한, 제 2 노즐(21)은 제 1 노즐(11)과 동축성이며, 제 1 노줄(11) 보다 직경이 크다. 액상 고분자 화합물 공급부(23)에 액상 고분자 화합물이 채워져 있으며, 제 2 노즐(21)을 액상 고분자 화합물이 분무된다. 이를 통하여 적혈구 형상 나노 구조체(31)를 수득할 수 있다.

정전 분무 방식은 정전 분무 기기에서 액적을 분무시키는 힘이 적당한 전기 전도도를 가진 용액이 고전압이 걸린 노즐을 통화하여 양극으로 작용하는 노즐로 음이온들이 인력을 받아 이동하게 되고, 액체속에 용해되어 있던 양이온들은 액체곡면으로 반발력을 받아 이동하게 된다. 액체 곡면에 존재하는 액체는 초기에 액체곡면에서 작용하는 액체의 표면장력이 전기력보다 크기 때문에 액적이 생성되지 않지만, 노즐에 인가전압을 증가시키면 노즐 팁에 콘모양의 액체 곡면이 생기는데, 이를 테일러콘이라고 한다.

도 4는 본 출원의 일 실시예인 적혈구 형상 나노 구조체의 제조 방법 중 정전분무(electrospray) 방식에 의한 테일러콘을 설명하기 위한 모식도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 가해준 전압에 의해 테일러 콘의 끝에서 전기력에 기인한 표면 전단응력을 받아 매우 가는 액주가 형성되고, 이어서 액주 표면에 작용하는 분열 현상이 나타난다.

본 출원은 복수의 노즐을 이용하며, 이중 노즐의 경우 내측 노즐에 기체를, 외측 노즐에 액상 고분자 화합물을 함께 분사한다. 이를 통하여, 이류체 정전분무 기술을 이용해, 생친화적 폴리머를 공기로 풍선부는 효과를 통해 부풀려진 후 공기가 빠져나오면서 최종적으로 대략 400nm 크기의 적혈구 형상의 나노 구조체를 제조할 수 있다.

전술한 바와 같이, 정전 분무 방식은 노즐과 기판 사이에 일정 이상의 전압을 걸어주면 강한 전기장이 형성되고, 이로 인해 용액 안에서 정전기적인 반발력이 표면장력을 이겨내게 되면 테일러 콘이 형성되며, 나노 입자를 제조하는 기술로서, 이 때, 용액의 점성, 표면장력, 인가 전압, 유량 등을 조절함으로써 제조되는 나노 입자의 특성(크기, 형상)을 다양하게 제어할 수 있다. 정전 분무는 나노입자의 대량 생산에 적합한 방법으로, 고전압만 걸어주면 간단히 입자를 제조할 수 있으며, 제조된 입자의 크기와 형상이 매우 균일하다는 장점을 갖고 있다.

본 출원에서는, 제 2 노즐을 통하여 분무되는 액상 고분자 화합물과 제 1 노즐을 통하여 분무되는 기체의 유속비는 1: 0.1 내지 10인 것이 바람직하다.

다만, 액상 고분자 화합물의 유속은 1 내지 20 μlpm 일 수 있으나 10 μlpm인 것이 바람직하고, 기체의 유속은 1 내지 10 μlpm인 것이 바람직하다.

액상 고분자 화합물의 유속이 커지면 입자의 크기가 점점 커지기 때문에, 본 출원이 목표로 하는 나노 구조체의 크기는 이러한 유속을 제어하여, 조절이 가능하다. 본 출원에서는 수 백 나노(400 nm 이하) 크기의 나노 구조체를 제조하기 위하여, 액상 고분자 화합물의 유속을 고정할 수 있다.

또한, 제 1 노즐 및 제 2 노즐에 인가되는 전압의 범위는 7 내지 9 kV인 것이 바람직하다. 이는 테일러 콘이 형성되는 전압 범위이다. 인가되는 전압이 7kV보다 낮을 경우 액적을 형성하기 어렵고, 인가되는 전압이 9kV를 초과하는 경우 multi-jet이 형성되어 원하는 형태를 얻을 수 없다.

그리고, 제 1 노즐 및 제 2 노즐을 통하여 분사된 나노 구조체를 수집한다(S130).

나노 구조체는 60 내지 70 cm를 이동 후 수집되는 것이 바람직하다. 너무 짧아질 경우, 정전분무가 아닌 전기방사가 되어, 액적이 아니라 화이버(fiber) 형태로 생성되게 된다.

전술한 바와 가티, 제 1 노즐 및 제 2 노즐의 팁을 통하여 분사시 나노 구조체의 형상은 코어-쉘(core-shell) 형상으로서, 상기 쉘은 고분자 화합물로 이루어지고, 상기 코어는 기체로 이루어지나, 상기 코어의 기체는 쉘을 통하여 방출되고, 수집된 나노 구조체의 형상은 적혈구 형상처럼 바뀐다.

또한, 제 1 노즐을 통하여 분무되는 기체에, 치료제, 진단제 및 조영제 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 기체가 고분자 화합물층을 빠져나가더라도, 치료제, 진단제 및 조영제는 최종 적혈구 형상 나노 구조체의 내부에 잔류하게 된다. 그래서, 이러한 나노 구조체는 본 출원이 목적하는 바에 따라, 치료용, 진단용 등의 의학용 물질 담지체로서 작용할 수 있다.

또한, 액상 고분자 화합물은 치료제, 진단제 및 조영제 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다. 이 경우 역시, 치료제, 진단제 및 조영제는 최종 적혈구 형상 나노 구조체의 고분자 화합물 층 자체에 잔류하게 된다. 그래서, 이러한 나노 구조체 역시 본 출원이 목적하는 바에 따라, 치료용, 진단용 등의 의학용 물질 담지체로서 작용할 수 있다.

즉, 나노 구조체를 제조한 후, 의학용 물질을 담지시킬 수 도 있으나, 나노 구조체를 제조할 때, 치료제, 진단제 및 조영제를 함께 혼합하여, 분무하여, 본 출원이 의도하는 의학용 물질 담지체로서 사용할 수 있다.

또한, 제 1 노즐 및 제 2 노즐과 동축성이며, 제 2 노즐의 직경보다 큰 직경을 갖는 제 3 노즐을 통하여, 제 2 노즐을 통하여 분사되는 액상 고분자 화합물과 상이한 액상 고분자 화합물을 함께 분무할 수 있다. 이 경우, 3가지 물질을 조합할 수 있다. 예를 들어, 제 1 노즐에 기체를, 제 2 노즐에 제 1 액상 고분자 화합물을, 제 3 노즐에 제 2 액상 고분자 화합물을 동시에 분무하면, 전술한 나노 구조체와 달리 이중층으로 형성된 고분자 화합물층을 갖는 나노 구조체를 제조할 수 있다.

이 경우 역시, 기체, 제 1 액상 고분자 화합물 및 제 2 액상 고분자 화합물 중 적어도 하나에 치료제, 진단제 및 조영제를 함께 혼합하여, 분무하여, 본 출원이 의도하는 의학용 물질 담지체로서 사용할 수 있다.

본 출원의 다른 측면은 전술한 제조 방법으로 제조된 적혈구 형상 나노 구조체이다.

도 5에 본 출원의 일 실시예인 중심이 오목한 원판(biconcave discoid) 형상 나노 구조체의 모식도를 도시하였고, 도 6에 본 출원의 다른 실시예인 중심이 오목한 보울(bowl) 형상 나노 구조체의 모식도를 도시하였다.

도 5에 도시한 바와 같이, 적혈구 나노 구조체의 형상은 중심이 오목한 원판 형상일 수 있다. 이 경우 양쪽(위 및 아래) 모두 오목한 구조이다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 적혈구 나노 구조체의 형상은 중심이 오목한 보울 형상일 수 있다. 이 경우 한 쪽만 중심이 오목한 구조이다.

나노 구조체의 평균 외경(outer diameter, OD)은 300 내지 550nm이고, 평균 내경(inner diameter, ID)은 230 내지 270 nm일 수 있다. 나노 구조체의 크기가 너무 큰 경우, 본 출원의 의도와 다르게 세포내에서 대식작용에 의하여 흡수되며, 그 크기가 너무 작은 경우 사라져버릴 수 있다.