KR102465931B1 - 고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 중공형 코어-쉘(hollow core-shell) 구조의 고분자 베시클; 및 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 수용되어 있는 나노 입자;를 포함하는 것인 고분자-나노 입자 복합체, 및 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액와 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;를 포함하는 것인 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법을 제공한다.

Description

고분자-나노 입자 복합체 및 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법{Polymer-Nanoparticle Composite and Method for Preparing Polymer-Nanoparticle Composite}

본 발명은 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.

고분자 구조체는 약물 전달 운송체 및 나노 반응기로의 활용이 가능하다고 알려져 많은 연구 분야에서 연구 소재로 활용이 되고 있다. 그 중에서도 생체 적합성이 뛰어난 폴리에틸렌글리콜을 기반으로 한 고분자를 이용하여 바이오 센서로의 적용을 위해 금 나노 입자를 도입한 경우가 있다. 그러나 현재까지는 고분자에 금 나노 입자를 도입하기 위해서, 고분자 및/또는 금 나노 입자를 기능화(기능기 도입)하는 것이 필수 요건으로 수행되어 왔다.

그러나 위와 같이 기능기에 의해 결합된 고분자-금 나노 입자 복합체는, 고분자 체인 혹은 금 나노 입자 표면의 기능화로 인해 최초 사용한 물질의 화학적 성질 변화가 초래될 수 있는 문제점을 내재하고 있으며, 기능기의 강한 공유결합으로 인해 원하는 목표 위치에서 고분자와 금 나노 입자의 개별적인 생분해성이 저하되어 약물의 전달 측면에서 효율성이 떨어질 수 있다. 또한, 고분자 합성 과정에서 고분자 합성 이후에 기능기를 도입하는 과정이 추가적으로 수행되어야 함에 따라, 투입되는 재료에 비해 고분자의 획득 수율이 떨어지게 되어 비용적인 측면에서 매우 불리하다.

고분자-금 나노 입자 복합체는 본래의 고분자 및 금 나노 입자의 물성을 이용하거나 발전시키기 위한 것임에도, 위와 같이 강한 공유결합을 형성하는 기능기의 도입으로 인한 문제가 있고, 다만 아직까지는 기능기를 도입하지 않고서는 위와 같은 복합체를 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에 고분자 및 금 나노 입자의 물성의 변질을 최소화시킬 수 있는 기능기의 도입에 대한 연구가 집중되고 있다.

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하고자, 고분자와 나노 입자를 결합하기 위한 기능기의 도입 없이도, 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클 형태의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 부분에 나노 입자를 수용시킬 수 있는 고분자-나노 입자 복합체 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 중공형 코어-쉘(hollow core-shell) 구조의 고분자 베시클; 및 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 수용되어 있는 나노 입자;를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액과 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 고분자 또는 나노 입자의 표면에 기능기를 도입하지 않고서도 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 이용한 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 쉘의 내부에 나노 입자가 자발적으로 수용, 배치될 수 있어서, 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체가 가지는 생체 적합성을 유지할 수 있고, 나노 입자가 도입되더라도 고분자 베시클의 형태, 물성 변화가 최소화된 고분자-나노 입자 복합체를 제공할 수 있는 효과가 있다. 나아가, 도입된 나노 입자는 베시클 구조체 내에서 방사선과 같은 빛 입자에 대한 산란 강도의 대비를 향상시켜 생체에 투입되었거나 다른 거대한 물체에 투입되었을 때, 구조체의 위치를 발견할 수 있는 기회 확률을 향상시키는 기능성을 부여한다.

또한 본 발명은 pH 조절 또는 첨가제를 추가하지 않고서도, 친수성 블록을 소정의 비율로 포함하는 양친매성 공중합체의 혼합비를 특정 온도 조건에서 조절함에 따라, 코어가 비어있는 중공형-코어 쉘 구조의 고분자 베시클을 형성할 수 있다. 이에 따라 코어 부분에 다른 생체 물질, 약물 등의 기타 물질을 수용할 수 있어서, 약물 전달 운송체의 측면에서 활용성이 뛰어나고, 나아가 고분자와 나노 입자간에 결합에너지가 약한 비공유 결합을 응용함으로써, 복합체 구조의 해체가 비교적 수월하기 때문에 중공형-코어 쉘 구조체의 코어 부분에 담지한 생체 물질 등을 방출하는 데 유리한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고분자-금 나노 입자 복합체의 개략적인 형태를 나타낸 도시이다.
도 2a는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 금 나노 입자 용액을 나타낸 도시이다.
도 2b는 본 발명의 제조예 1에서 회수된 금 나노 입자를 D₂O에 혼합한 용액을 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 금 나노 입자의 cryo-TEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 금 나노 입자의 UV-vis 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 고분자 베시클의 cryo-TEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체의 cryo-TEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 고분자-금 나노 입자 복합체 용액을 나타낸 도시이다.
도 8은 본 발명의 실험예 1에 따라 실시예 2의 고분자 베시클에 대한 SANS 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 실험예 1에 따라 실시예 2의 고분자-금 나노 입자 복합체에 대한 SANS 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 10은 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 2의 고분자 베시클에 대한 SANS 분석에 활용한 분석용 모델 및 모델에 대한 산란 길이 밀도 (SLD)를 상대적인 값에 따라 높낮이로 표현을 한 결과를 나타낸 도시이다.
도 11은 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 2의 고분자-금 나노 입자 복합체에 대한 SANS 분석에 활용한 분석용 모델 및 모델에 대한 산란 길이 밀도 (SLD)를 상대적인 값에 따라 높낮이로 표현을 한 결과를 나타낸 도시이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

1. 고분자-나노 입자 복합체

본 발명은 고분자-나노 입자 복합체를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 고분자-나노 입자 복합체는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 중공형 코어-쉘(hollow core-shell) 구조의 고분자 베시클; 및 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 수용되어 있는 나노 입자;를 포함할 수 있다.

상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록을 모두 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 에틸렌옥사이드 유래의 제1 친수성 블록, 프로필렌옥사이드 유래의 제2 소수성 블록, 및 에틸렌옥사이드 유래의 제3 친수성 블록을 포함하는 삼중 블록 공중합체인 것일 수 있다. 구체적으로 PEO 블록-PPO 블록-PEO 블록의 배열을 가지는 삼중 블록 공중합체일 수 있다.

또한 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록을 모두 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 양친매성 블록 공중합체일 수 있다.

상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록의 질량 분율이 0.25 내지 0.5일 수 있다.

상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율이란 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 총 질량 중 친수성 블록이 차지하는 질량 백분율을 의미하는 것일 수 있다. 즉 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율이 0.25인 경우에는 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록이 총 중량 중 25 wt% 포함되었다는 것을 의미하고, 또는 친수성 블록과 소수성 블록이 25:75의 중량비로 포함되었다는 것을 의미할 수 있다.

상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 NMR 분석에 의해 수평균분자량을 계산하는 방법과 GPC 분석에 의해 중량평균분자량의 증가에 따른 평균분자량을 계산하는 방법으로 규정할 수 있으며, 일반적으로 계산된 질량 분율의 신뢰성을 높이기 위해 두 가지의 계산법을 동시에 수행하여 계산된 평균 값을 적용할 수 있다.

또한 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 적어도 2종의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록의 질량 분율이 0.5 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.4인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함할 수 있다.

상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.6 내지 0.8일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.1 내지 0.3일 수 있다.

상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 2 내지 1 : 6의 중량비로 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로는 1 : 2 내지 1 : 5의 중량비로 포함하는 것일 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우에 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체로부터 유래되는 고분자 베시클이 자발적으로 중공형 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 1 : 2 미만인 경우에는 나노 입자 용액을 안정화시키는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분이 충분하지 못하여서 고분자-나노 입자 복합체가 마이크로 에멀젼을 온전히 형성하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 1 : 6 초과인 경우에는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분의 과잉으로 구형 내지 중공형 구조는 붕괴되고 폴리에틸렌옥사이드 블록과 폴리프로필렌옥사이드 블록이 적층된 형태의 라멜라 구조와 같은 구형 내지 중공형이 아닌 다른 형태의 구조체가 형성될 수 있다.

상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 2,000 내지 30,000 g/mol일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 150 내지 10,000 g/mol일 수 있다. 상기 중량평균분자량은 당업계에 알려진 통상의 방법에 의해 측정이 가능하며, 예를 들어 GPC (gel permeation chromatograph) 방법으로 측정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 고분자 베시클은 중공형 코어-쉘 구조(hollow core-shell)일 수 있다. 다만 상기 고분자 베시클은 일반적인 코어-쉘 미셀 구조와는 달리, 코어가 비어있는 중공형일 수 있고, 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체가 쉘을 형성하는 구조일 수 있다.

상기 고분자 베시클은 구형 또는 구에 가까운 형태를 가질 수 있다.

상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록 중에 분산되어 있는 것일 수 있다. 특히 상기 나노 입자는 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록과 별도의 기능기를 매개로한 공유 결합이 아닌 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)의 비공유 결합에 의해 분산되어 있는 것일 수 있다.

상기 나노 입자가 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록 중에 분산되어 있다는 것은, 상기 나노 입자가 소수성 블록 중에 함몰되어 있거나, 고정되어 있거나, 임베드(embed)되어 있는 것을 의미할 수 있다.

상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록의 두께는 2 내지 10 ㎚일 수 있고, 구체적으로는 2.5 내지 7.5 ㎚일 수 있고, 더 구체적으로는 2.5 내지 5 ㎚일 수 있다.

상기 고분자 베시클의 쉘의 내부의 표면측 및 외부 표면측에는, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록이 노출되어 있는 것일 수 있다. 이에 따라 상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록 중에 하나의 층으로 정렬되어 분산된 것일 수 있다. 따라서, 나노 입자가 고분자 베시클 구조 내에서 얇은 막의 형태로 존재할 수 있어서, 코어 부분이나 고분자 베시클 구조의 전체적인 형태에는 영향을 미치지 않을 수 있다.

상기 나노 입자는 금 나노 입자, 은 나노 입자, 자성 나노 입자, 퀀텀 나노 입자 (quantum dot) 및 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 입자는 금 나노 입자; 은 나노 입자; 산화철 (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 등), 또는 산화철을 포함하거나 합금 (FePt, CoPt 등)을 포함하는 자성 나노 입자; 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 또는 황화아연 (ZnS) 등의 퀀텀 나노 입자 (quantum dot); 및 다양한 원소의 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

상기 나노 입자는 표면이 소수성을 가지도록 제조된 것이거나 헥세인, 톨루엔, 에탄올 등의 유기용매에 분산이 될 수 있는 성질을 가질 수 있도록 제조된 것일 수 있다.

상기 나노 입자의 평균 입경(D₅₀)은 2 내지 20 ㎚인 것일 수 있고, 구체적으로는 2 내지 10 ㎚, 또는 2 내지 6 ㎚, 또는 2 내지 4 nm인 것일 수 있다. 상기 평균 입경(D₅₀)은 입자의 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있으며, 상기 평균 입경(D₅₀)은 당업계에서 사용되는 통상의 방법으로 측정될 수 있으며, 예를 들어 레이저 회절법을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 고분자-나노 입자 복합체를 체내 약물 전달용 운송체의 목적으로 이용하려는 경우에는 상기 고분자-나노 입자 복합체의 평균 입경(D₅₀)은 모세혈관과 같은 극미세혈관을 통과할 수 있는 크기인 30 내지 500 ㎚인 것일 수 있고, 구체적으로는 50 내지 300 ㎚인 것일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.

상기 고분자-나노 입자 복합체를 나노 센서로 응용(적용)하려는 경우에는 그 평균 입경(D₅₀)이 10 내지 1000 nm일 수도 있으며, 또는 마이크로 센서로 응용(적용)하려는 경우에는 그 평균 입경(D₅₀)이 마이크로 영역 대의 크기일 수도 있다.

2. 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법

본 발명은 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법은 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액과 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.

상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록을 모두 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 에틸렌옥사이드 유래의 제1 친수성 블록, 프로필렌옥사이드 유래의 제2 소수성 블록, 및 에틸렌옥사이드 유래의 제3 친수성 블록을 포함하는 삼중 블록 공중합체인 것일 수 있다.

또한 상기 고분자 용액은 적어도 2종의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 고분자 용액은 친수성 블록의 질량 분율이 0.5 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.4인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 혼합 용액을 포함하는 것일 수 있다. 더 구체적으로는 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.6 내지 0.8일 수 있고, 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 친수성 블록의 질량 분율은 0.1 내지 0.3일 수 있다.

상기와 같은 친수성 블록의 질량 분율을 가지는 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함함에 따라, 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체로부터 형성되는 고분자 베시클이 자발적으로 중공형 코어-쉘 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체가 상기 범위의 친수성 블록의 질량 분율을 벗어나는 경우에는 고분자 구조체가 베시클의 형상으로 형성되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

또한 상기 고분자 용액은 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 2 내지 1 : 6의 중량비로 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로는 1 : 2 내지 1 : 5의 중량비로 포함하는 것일 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우에 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체로부터 유래되는 고분자 베시클이 자발적으로 중공형 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 1 : 2 미만인 경우에는 나노 입자 용액을 안정화시키는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분이 충분하지 못하여서 고분자-나노 입자 복합체가 마이크로 에멀젼을 온전히 형성하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 1 : 6 초과인 경우에는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 부분의 과잉으로 중공형 구조는 붕괴되고 폴리알킬렌옥사이드 블록과 폴리프로필렌옥사이드 블록이 적층된 형태의 라멜라 구조와 같은 구형 내지 중공형이 아닌 다른 형태의 구조체가 형성될 수 있다.

이에 더해 상기 고분자 용액은 상압 조건에서 20 내지 80℃의 온도에서 제조되는 것일 수 있고, 구체적으로는 20 내지 60℃, 또는 25 내지 60℃의 온도에서 제조되는 것일 수 있다. 상기 고분자 용액의 온도가 20℃ 미만이거나 80℃ 초과인 경우에는 형성되는 고분자 구조체의 형태가 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 형상으로 제조되기 어려운 문제가 발생할 수 있다.

이 때 고분자 구조체의 형태가 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 형상이 되기 위해서, 상기 고분자 용액의 온도는 고분자 용액 내의 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 농도(함량)에 따른 의존성을 가질 수 있다.

즉 상기 고분자 용액의 온도는 고분자 용액 내의 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비에 따라 선택되는 것일 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체에 비하여 제2 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 비율이 낮아질수록 고분자 구조체를 베시클의 형상으로 제조하기 위한 상기 고분자 용액의 온도는 높아질 수 있다. 또는 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체에 비하여 제2 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 비율이 높아지면 상기 고분자 용액의 온도를 상온(약 20 내지 25℃)까지 낮추어도 고분자 구조체를 베시클의 형상으로 제조할 수 있다.

조금 더 구체적으로 예를 들면, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 1 : 3 이하인 경우에는 상기 고분자 용액의 온도를 약 50℃ 이상으로 올려주어야 고분자 구조체가 베시클 형상으로 제조될 수 있으며, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량비가 1 : 4 이상인 경우에는 상기 고분자 용액의 온도가 약 45℃ 이하인 경우에도 고분자 구조체가 베시클 형상으로 제조될 수 있다.

위와 같은 고분자 용액의 온도는 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록공중합체의 중량비에 따라 고분자 구조체를 베시클의 형상으로 제조하기 위한 선택적인 것이며, 전술한 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록공중합체의 중량비의 범위 및 상기 고분자 용액의 온도의 범위 안에서는 고분자 구조체가 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클을 형성할 수 있다.

상기 고분자 용액은 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 중수 (deuterium oxide, D₂O) 혹은 정제수나 초순수 (hydrogen oxide, H₂O)에 혼합하여 제조하는 것일 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 고분자 용액에는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 중공형 코어-쉘(hollow core-shell) 구조의 고분자 베시클이 포함될 수 있다.

상기 나노 입자 용액은 표면이 소수성을 가지도록 합성된 나노 입자를 유기 용매에 혼합하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 표면이 소수성을 가지도록 합성된 나노 입자는 물, 중수 등에서는 잘 분산되지 않고, 유기 용매에는 잘 분산될 수 있다 (도 2a 및 도 2b 참조).

상기 나노 입자는 나노 입자 전구체를 아민계 화합물을 이용하여 환원시켜 얻어지는 것일 수 있다.

상기 나노 입자 전구체는 하이드로젠 테트라클로로아우레이트 하이드라이트(HAuCl₄·3H₂O), 또는 테트라클로로아우레이트하이드로젠 (HAuCl₄) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 아민계 화합물은 올레일아민(oleylamine), tert-부틸아민 보론 복합체(TBAB), 또는 테트라옥틸암모늄 브로마이드(TOAB) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 유기 용매는 탄화수소계 용매와 알코올계 용매를 포함할 수 있고, 구체적으로는 알케인(C_nH_2n+2), 알켄(C_nH_2n), 알카인(C_nH_2n-2), 다이엔(C_nH_2n-4), 트라이엔(C_nH_2n-6), 사이클로알케인, 사이클로알켄, 사이클로알카인, 아렌, 아눌렌, 알코올, 또는 수산기(-OH) 함유 용매 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 헥세인(hexane)일 수 있다.

상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체와 나노 입자의 중량비가 3 : 1 내지 10 : 1을 만족하도록, 상기 고분자 용액에 나노 입자 용액을 혼합하는 것일 수 있다. 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체와 나노 입자의 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우에, 나노 입자와 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 상호 작용으로 인해, 공중합체의 소수성 블록 중에 나노 입자가 고르게 분산될 수 있다.

상기 나노 입자는 금 나노 입자, 은 나노 입자, 자성 나노 입자, 퀀텀 나노 입자 (quantum dot) 및 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 입자는 금 나노 입자; 은 나노 입자; 산화철 (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 등), 또는 산화철을 포함하거나 합금 (FePt, CoPt 등)을 포함하는 자성 나노 입자; 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 또는 황화아연 (ZnS) 등의 퀀텀 나노 입자 (quantum dot); 및 다양한 원소의 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계는 20 kHz 이상의 소니케이션 (sonication)을 포함하는 것일 수 있다. 상기 소니케이션은 일반적으로 사용되는 소니케이터를 이용할 수 있으며, 상기 범위의 주파수를 만족하는 경우에는, 강한 에너지가 주입되어서 나노 입자가 혼합 용액 내에서 잘 분산될 수 있도록 해줄 수 있다.

상기 혼합 용액을 제조하는 단계 후, 상기 혼합 용액 중의 나노 입자 용액에 함유된 유기 용매를 기화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 유기 용매를 기화시키는 단계는, 상기 유기 용매의 끓는점 이상이면서 물의 끓는점인 100℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.

예를 들어, 상기 유기 용매가 헥세인(hexane)인 경우에는, 상기 혼합 용액의 온도를 70 내지 80℃로 올려서, 나노 입자가 유기 용매로부터 벗어나도록 하여 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록에 잘 분산될 수 있다.

상기와 같은 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법에 따라 제조된 고분자-나노 입자 복합체는, 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록 중에 상기 나노 입자가 분산되어 있는 것일 수 있다.

특히 상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록 중에 하나의 층으로 정렬되어 분산된 것일 수 있다. 나아가, 방사선과 같은 특정 빛 입자에 대한 산란 대비에 있어, 낮은 산란 길이 밀도(scattering length)를 가진 고분자 혹은 올리고머 물질에 대해 산란 길이 밀도가 높은 나노 입자를 도입함으로써, 고분자 혹은 올리고머로 이루어진 구조체를 추적하는 데에 유리함을 목적으로 분산된 것일 수 있다. 또한, 나노 입자가 고분자 베시클 구조 내에서 얇은 막의 형태로 존재할 수 있으며, 코어 부분이나 고분자 베시클 구조의 전체적인 형태에는 영향을 미치지 않을 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

<제조예 1> - 금 나노 입자의 합성

1,2,3,4-테트라-하이드로나프탈렌 (1,2,3,4-tetra-hydronaphthalene, Sigma Aldrich) 10 ml, 올레일아민 (oleylamine, Sigma Aldrich) 10 ml, HAuCl₄·3H₂O (Sigma Aldrich) 0.1 g을 25℃에서 혼합한 후 마그네틱 교반기를 이용하여 300 rpm에서 10분간 교반하여 전구체 용액을 제조하였다.

제조된 전구체 용액에 tert-부틸아민-보란 복합체 (TBAB, Sigma Aldrich) 86 mg, 1,2,3,4-테트라-하이드로나프탈렌 (1,2,3,4-tetra-hydronaphthalene, Sigma Aldrich) 1 ml, 올레일아민 (oleylamine, Sigma Aldrich) 1 ml을 혼합하여 45℃에서 반응시켰다.

1 시간 후 에탄올 (Sigma Aldrich) 60 ml를 첨가하여 환원제를 제거하였다. 원심 분리기 (3,000 rpm, 7분)를 이용하여 금 나노 입자를 회수하였고, 이를 헥산 용매에 보관하였다. 제조된 금 나노 입자의 평균 직경(D₅₀)은 2.7 ㎚이었고, 제조한 금 나노 입자 용액은 도 2a와 같이 붉은 색을 나타내었다.

제조된 금 나노 입자의 cryo-TEM 이미지를 도 3에 나타내었고, UV-vis 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.

<제조예 2> - 고분자 베시클의 합성

4 g의 D₂O에 0.25 wt%의 Pluronic F127 (PEO₉₉PPO₆₅PEO₉₉, 중량평균분자량 12,600 g/mol, BASF 社)과 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 (PEO_10.5PPO₃₀PEO_10.5, 중량평균분자량 2,450 g/mol, BASF 社)를 혼합하고, 볼텍스 믹서 (voltex mixer)를 이용하여 30분간 교반함으로써 고분자 베시클을 제조하고, 이의 cryo-TEM 이미지를 도 5에 나타내었다.

<실시예 1>

4 g의 D₂O에 0.25 wt%의 Pluronic F127 (PEO₉₉PPO₆₅PEO₉₉, 중량평균분자량 12,600 g/mol, BASF 社)과 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 (PEO_10.5PPO₃₀PEO_10.5, 중량평균분자량 2,450 g/mol, BASF 社)를 혼합하고, 볼텍스 믹서 (voltex mixer)를 이용하여 30분간 교반하여 고분자 용액을 제조한 후 35℃에서 보관하였다.

제조된 고분자 용액 4 mL와 제조예 1에서 합성한 금 나노 입자 용액 200 μL를 혼합한 후, 혼합 용액을 70℃에서 소니케이션시켰다. 이어서 소량의 D₂O를 첨가하여 D₂O와 고분자의 소수성 블록의 부피비가 13.3 : 1이 되도록 하여, 최종적으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.

제조된 고분자-금 나노 입자의 cryo-TEM 이미지를 도 6에 나타내었다.

<실시예 2>

실시예 1에서 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 대신 0.75 wt%의 Pluronic PE6200을 이용하고, D₂O와 고분자의 소수성 블록의 부피비가 13.3 : 1 대신 10 : 1이 되도록 소량의 D₂O를 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.

<실시예 3>

실시예 1에서 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 대신 1.0 wt%의 Pluronic PE6200을 이용하고, D₂O와 고분자의 소수성 블록의 부피비가 13.3 : 1 대신 8 : 1이 되도록 소량의 D₂O를 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.

<실시예 4>

실시예 1에서 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 대신 1.25 wt%의 Pluronic PE6200을 이용하고, D₂O와 고분자의 소수성 블록의 부피비가 13.3 : 1 대신 6.7 : 1이 되도록 소량의 D₂O를 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.

<실시예 5>

실시예 1에서 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 대신 1.5 wt%의 Pluronic PE6200을 이용하고, D₂O와 고분자의 소수성 블록의 부피비가 13.3 : 1 대신 5.7 : 1이 되도록 소량의 D₂O를 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.

<비교예 1>

실시예 1에서 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 대신 0 wt%의 Pluronic PE6200을 이용하고(즉, PE6200을 혼합하지 않음), D₂O와 고분자의 소수성 블록의 부피비가 13.3 : 1 대신 40 : 1이 되도록 소량의 D₂O를 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.

<비교예 2>

실시예 1에서 0.5 wt%의 Pluronic PE6200 대신 0.25 wt%의 Pluronic PE6200을 이용하고, D₂O와 고분자의 소수성 블록의 부피비가 13.3 : 1 대신 20 : 1이 되도록 소량의 D₂O를 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-금 나노 입자 복합체를 제조하였다.

실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1 내지 비교예 2에서 제조한 고분자-금 나노 입자 복합체를 도 7에 나타내었다.

<실험예 1>

실시예 2에서 제조된 고분자 베시클에 대한 중성자 소각 산란 (small angle neutron scattering (SANS)) 분석 결과를 도 8에 나타내었고, 실시예 2의 고분자-금 나노 입자 복합체에 대한 중성자 소각 산란 (small angle neutron scattering (SANS)) 분석 결과를 도 9에 나타내었다.

일반적으로 고분자 구조체의 형태가 달라지면, 중성자를 이용한 중성자 소각 산란 분석 결과 그래프 (도 8에서 보라색, 도 9에서 노란색)의 형태가 달라진다. 그러나 도 8 및 도 9에 따르면, 그래프의 기본적인 형태가 같게 나타남으로 인해서 중공형의 코어-쉘 구조의 고분자 베시클의 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 실시예 2의 고분자-금 나노 입자 복합체의 형태는 고분자 구조체 (고분자 베시클)의 쉘의 내부에 존재하는 소수성 블록에 금 나노 입자를 도입하더라도 영향을 받지 않음(베시클의 형태를 유지)을 확인할 수 있었다.

<실험예 2>

실시예 2에서 제조된 고분자 베시클에 대한 중성자 소각 산란 (small angle neutron scattering (SANS)) 분석에 활용한 분석용 모델 및 모델에 대한 산란 길이 밀도 (scattering length density (SLD))를 상대적인 값에 따라 높낮이로 표현을 한 결과를 도 10에 나타내었고, 실시예 2의 고분자-금 나노 입자 복합체에 대한 중성자 소각 산란 (small angle neutron scattering (SANS)) 분석에 활용한 분석용 모델 및 모델에 대한 산란 길이 밀도 (scattering length density (SLD))를 상대적인 값에 따라 높낮이로 표현을 한 결과를 도 11에 나타내었다.

도 8 및 도 9를 살펴보면, 도 10과 도 11의 분석용 모델은 도 8과 도 9에서 중성자 소각 산란을 통해 얻어진 데이터를 함수로 재현함으로써, 도 8과 도 9의 중성자 소각 산란 데이터가 중공형 코어-쉘 구조의 고분자 베시클 및 금 나노 입자가 고분자 베시클의 쉘 내부에 수용된 고분자-금 나노 입자 복합체로부터 기인된 결과임을 증명하고 있다. 이에 따라, 도 10의 모델이 보여주는 바와 같이 실시예 2에서 제조된 고분자 구조체는 중공형의 코어-쉘 구조를 가지고 있는 베시클임을 확인함과 동시에, 실시예 2에서 제조된 고분자-금 나노 입자 복합체는 도 10의 고분자 베시클의 쉘 내부에 금 나노 입자가 하나의 층을 형성하면서 임베드된다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (25)

1. 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 중공형 코어-쉘(hollow core-shell) 구조의 고분자 베시클; 및
   상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 수용되어 있는 나노 입자;
   를 포함하고,
   상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록을 모두 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체이며,
   상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 친수성 블록의 질량 분율이 0.5 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.4인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 입자는 상기 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 소수성 블록 중에 분산되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 고분자 베시클의 쉘의 내부의 표면측 및 외부 표면측에는, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체의 친수성 블록이 노출되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 입자는 금 나노 입자, 은 나노 입자, 자성 나노 입자, 퀀텀 나노 입자 (quantum dot) 및 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 입자는 표면이 소수성을 가지는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 입자의 평균 입경(D₅₀)은 2 내지 20 ㎚인 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 적어도 2종의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 에틸렌옥사이드 유래의 제1 친수성 블록, 프로필렌옥사이드 유래의 제2 소수성 블록, 및 에틸렌옥사이드 유래의 제3 친수성 블록을 포함하는 삼중 블록 공중합체인 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
10. 삭제
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체는, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 2 내지 1 : 6의 중량비로 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 2,000 내지 30,000 g/mol이고,
    상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 중량평균분자량은 150 내지 10,000 g/mol인 것인, 고분자-나노 입자 복합체.
13. 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계;
    상기 고분자 용액과 나노 입자 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는 친수성 블록과 소수성 블록을 모두 포함하는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체이며,
    상기 고분자 용액은, 친수성 블록의 질량 분율이 0.5 내지 0.9인 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체 및 친수성 블록의 질량 분율이 0.1 내지 0.4인 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
14. 삭제
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 고분자 용액은 적어도 2종의 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
16. 청구항 13에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체는, 에틸렌옥사이드 유래의 제1 친수성 블록, 프로필렌옥사이드 유래의 제2 소수성 블록, 및 에틸렌옥사이드 유래의 제3 친수성 블록을 포함하는 삼중 블록 공중합체인 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
17. 삭제
18. 청구항 13에 있어서,
    상기 고분자 용액은, 상기 제1 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체와 상기 제2 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체를 1 : 2 내지 1 : 6의 중량비로 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
19. 청구항 13에 있어서,
    상기 고분자 용액은 20 내지 80℃의 온도에서 제조되는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
20. 청구항 13에 있어서,
    상기 나노 입자 용액은 표면이 소수성을 가지도록 합성된 나노 입자를 유기 용매에 혼합하여 제조되는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
21. 청구항 13에 있어서,
    상기 폴리알킬렌옥사이드계 공중합체와 나노 입자의 중량비가 3 : 1 내지 10 : 1이 되도록, 상기 고분자 용액에 나노 입자 용액을 혼합하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
22. 청구항 13에 있어서,
    상기 나노 입자는 나노 입자는 금 나노 입자, 은 나노 입자, 자성 나노 입자, 퀀텀 나노 입자 및 방사성 동위원소 나노 입자 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
23. 청구항 13에 있어서,
    상기 혼합 용액을 제조하는 단계 후, 상기 나노 입자 용액 중의 유기 용매를 기화시키는 단계를 더 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
24. 청구항 13에 있어서,
    상기 혼합 용액을 고주파 처리하는 단계는 20 kHz 이상의 소니케이션 (sonication)을 포함하는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.
25. 청구항 13에 있어서,
    상기 고분자-나노 입자 복합체는, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체로부터 유래되는 고분자 베시클의 쉘의 내부에 존재하는 폴리알킬렌옥사이드계 블록 공중합체의 소수성 블록 중에 상기 나노 입자가 분산되어 있는 것인, 고분자-나노 입자 복합체의 제조 방법.

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