Development of Nano-Bio Materials Based on Nanohybridization

Abstract

새로운 생-무기, 유기-무기 나노하이브리드를 기능성 생/유기분자와 금속이중층수산화물 (LDH)을 이용하여 설계하고 합성하였다. 각각 향상된 물리적, 화학적 특성을 갖는 새로운 생-무기, 유기-무기 하이브리드 시스템을 박리화-재조합법과 표면 개질 방법을 통해 개발하였다. 구체적으로, 박리화된 층상무기격자물질을 암호화 기능을 갖는 생체물질인 유전자 (DNA)와 재조합 하여 높은 다공특성을 가지는 새로운 생-무기 하이브리드 물질을 창출하였다. 또한, 형광을 나타내는 fluorescein-5-isothiocyanate (FITC)를 층상무기격자물질의 표면에 개질 함으로써 새로운 유기-무기 하이브리드 시스템을 구현하였다. 이와 같이 개발된 새로운 나노하이브리드는 유전자보관체와 지능형 약물전달체 등의 특정 반응을 위하여 인위적으로 설계되었다. 제 2장에서는 새로운 생-무기 나노하이브리드를 DNA와 LDH를 이용하여 박리화-재조합 반응을 수행함으로써 합성하고, 이것의 유전자 보관체로써의 가능성을 제시하고자 하였다. 음이온 교환능을 갖는 LDH는 층간에 음이온을 갖는 DNA를 내포하기 위한 무기 매트릭스로서 사용되었다. 다양한 길이의 DNA를 안정화 시키기 위하여, 층상구조를 갖는 LDH를 포름아마이드에서 박리화 시켰다. 그리고 정전기적 인력을 바탕으로 하여 암호화 된 유전자를 박리화된 층상 무기격자와 재조합하여 유전자를 안정화시켰다. X-선 회절분석법과 투과전자현미경분석법을 통하여 얻은 결과들은 비정형으로 재조합 된 박리화한 무기격자에 의해 DNA가 내포되어 있음을 증명해 준다. 적외선 분광법과 전기영동 분석을 통해 내포된 DNA들이 구조 및 기능적 성질을 그대로 유지하면서 정전기적으로 안정화 되어 있음을 밝혔다. 따라서 박리화-재조합 방법은 다양한 사이즈의 DNA를 안정화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 강한 외부 조건에도 안정화 시킬 수 있음을 확인하였다. 제 3장에서 LDH와 세포간의 상호작용에 관한 연구를 시도하기 위하여, 각기 다른 사이즈의 50, 100, 200, 350 nm LDH의 표면에 형광을 나타내는 유기분자인 FITC를 결합시켰다. 합성된 각 사이즈의 LDH는 SEM으로 그 크기를 확인하였으며, FITC-LDH의 결합을 화학 및 생물학적 방법으로 증명하였다. 형광을 나타내는 FITC-LDH의 세포 내 흡수 실험을 통하여 100 ~ 200 nm의 LDH가 세포 내 흡수에 가장 적당함을 확인할 수 있었다. 따라서 형광표지가 된 LDH가 세포 내에서 효율적인 추적자로 사용될 수 있는 가능성을 제시하였다.;New bio-inorganic and organic-inorganic nanohybrids of functional bio/organic molecules and layered double hydroxides (LDHs) have been studied. Hybridization of LDHs is attempted with the functional molecules such as deoxyribonucleic acid (DNA) and fluorescein isothiocyanate (FITC). DNA-LDH and FITC-LDH nanohybrids have been successfully prepared by applying two different kinds of methods such as exfoliation-reassembling reaction and surface modification. They are designed and prepared artificially to provide potential drug or bio-active molecules delivery systems and DNA nanobarcode systems. In chapter 2, a bio-inorganic nanohybrid as a gene reservoir for barcode applications was developed by exfoliation-reassembling reaction in order to stabilize fragile DNA molecules regardless of their size and shape. In order to prop and open the layered LDH lattice, the host magnesium and aluminum LDHs were exfoliated to get colloidal LDH nanosheets. And thus obtained cationic LDH nanosheets were reassembled in the presence of anionic DNA molecules based on the electrostatic interaction. According to the powder X-ray diffraction (PXRD) analysis, the DNA molecules are stabilized in the cavities of the randomly assembled nanosheets, which is further confirmed by transmission electron microscopy (TEM) studies. From the electrophoresis result, we clearly demonstrated that even longer stranded DNA could be protected from biologically and chemically harsh condition. Therefore, it could be concluded that the exfoliation-reassembling route could be a new way of not only encapsulating large molecular sized DNA molecules such as plasmid DNA but also stabilizing them under harsh external conditions. Finally in chapter 3, an organic-inorganic hybrid material of FITC and LDHs has been synthesized by surface modification. FITC grafted LDHs were designed intentionally in order to investigate cellular uptake of LDHs and evaluate quantification of these in the cell, depending on their size. We prepared LDHs with different particle sizes, 50, 100, 200, and 350 nm, using hydrothermal and coprecipitation methods to control the particle size. Scanning electron microscopy (SEM) and XRD analyses clearly showed that LDHs have different size, 50, 100, 200, and 350 nm, respectively. We also confirmed FITC molecules were strongly conjugated on the LDH surface by chemical and biological analyses. We applied FITC grafted LDHs to investigate the relation between particle size and cellular uptake. Based on cellular uptake experiment, we found that the cellular uptake was highly size dependent. In particular, 100 to 200 nm LDHs are considered as an appropriate sized nanovehicle for efficient cellular uptake. Therefore, FITC grafted LDH nanohybrids will open a new opportunity for LDHs to be useful as an efficient tracer in cellular level.