Titania Coated Anisotropic Gold Nanoparticles for Photodynamic Therapy Induced By NIR

Abstract

Titanium dioxide (TiO2) is well known as photosensitizer (PS) but this semiconductor has the large band gap of 3.2 eV, allowing for the absorption of only UV light, which occupies only ~5% of solar spectrum. In biomedical applications, this feature is more relevant considering that near infrared (NIR) light retains longer penetration depth. The inherent limitation of conventional TiO2 can be overcame by incorporating surface plasmons resonance (SPR) property. When the gold core absorbs near infrared light, surface plasmons are excited and the field is sufficiently energetic to be transferred to the conduction band of TiO2 shell over the Schottky barrier. These hot electrons react with oxygen molecules in the medium to generate reactive oxygen species (ROS). In this work, we synthesized highly uniform gold nanorods with 81 ± 3 nm length and 32 ± 1 nm diameter, and gold nanobipyramids with 64 ± 1 nm length and 25 ± 1 nm diameter, and titania-coated gold nanoparticles core/shell hybrid structures with tailored Au architecture for systematic studies. On the basis of dye degradation and EPR results, this unique type of hybrid nanomaterials successfully produce ROS (1O2, ∙OH). By compromising NIR, especially 808 nm wavelength, in vitro photodynamic therapy effect was induced on U-87 MG (human glioblastoma cell). As a result, titania-coated gold nanoparticles were effectively uptaken proportional to their dose and offered sufficient treatment ability, especially, gold nanobipyramids structure showed better therapeutic influence twice. Our work presents their potential ability of NIR-based noninvasive deep cancer photodynamic therapy. This hybrid nanocomposite is anticipated as promising agent to cancer phototherapy efficiency in the clinical aspect.;이산화티타늄은 광감각제 중 주로 널리 사용되고 있다. 하지만 이산화티타늄은 넓은 띠간격으로 인해 강한 자외선의 빛에만 반응한다는 제한성이 있다. 수많은 광촉매 연구들을 통해 이러한 한계점을 극복하기 위한 방법으로서 표면 플라즈몬 공명현상을 도입한 구조체가 제안되었다. 금나노입자-이산화티타늄 복합나노구조체의 경우 금나노입자가 근적외선의 빛을 흡수하여 표면플라즈몬이 여기되면서 발생하는 강한 전기장을 통해 이산화티타늄에 그 에너지를 직접 전달하여 엑시톤 생성을 유도하거나 고에너지 상태의 표면플라즈몬 전자가 이산화티타늄의 전도대에 직접 전이됨으로써 여기된 전자를 발생 시킬 수 있다. 이렇게 발생된 고에너지 전자들은 이산화티타늄의 촉매반응에 사용되며 입자 주변의 산소분자와 반응하여 활성산소종을 발생시킨다. 본 연구에서는 이렇게 발생되는 활성산소종을 광역학치료에 응용할 수 있도록 세포실험 구현이 가능한 입자를 합성하였다. 금나노막대 구조는 최근 이러한 연구 분야에 금나노입자들 중 가장 활발히 연구되어 온 구조체로써 그 세포 친화력이 입증되어 있다. 더 나아가 본 연구는 이방성 금양뿔구조의 도입을 시도하였고 같은 조건의 빛 조사 하에 국소적으로 더 강력한 장을 형성하여 에너지 효율성을 증진시킨 구조체를 합성하였다. 또한 이산화티타늄의 결정구조를 조절함으로써 분산도가 좋은 비정질 부분과 높은 촉매 효율성을 가진 금홍석 부분이 혼합된 상태를 구현하여 그 효율성을 최적화 시켰다. 금나노막대구조와 금양뿔구조를 가진 금나노입자를 매우 균일하게 합성하고 이를 적절한 고분자를 통해 표면처리를 한 후 이산화티타늄 얇은 막을 형성시켜 코어/쉘 복합나노구조체를 제안하였다. 궁극적 구조체들의 흡수파장을 동일하게 조절하여 그 효용성을 검증함으로써 염료제거 실험과 전자상자기공명 (EPR) 분석 결과를 토대로 성공적으로 활성산소종을 발생시킴을 증명하였다. 또한 현재의 보편적인 화학적, 수술적 치료법의 부작용이 큰 뇌 암세포인 악성뇌종양 세포를 표적으로 세포실험 수준에서 근적외선으로 유도되는 광역학치료를 검증하였다. 우수한 세포친화도와 미량의 농도(0.05 mg·mL-1)로 광역학치료 효과를 일으킴으로써 본 연구의 나노입자의 향후 임상적 광역학치료로의 응용 가능성을 보였다.