Multifunctional Photonic Nanomaterials for Biomedical Applications

Abstract

Diverse nanomaterials have been widely investigated for biomedical photonic applications involving inorganic materials, such as rare-earth ions doped nanomaterials (UCNs), metallic nanomaterials, silica nanoparticles (SiNPs), gold nanoparticles (AuNPs) and 2D nanomaterials, and organic materials like carbon nanodots (CNDs), polymeric nanoparticles and organic dyes. Photonic nanomaterials which have the luminescence optical properties are induced by the energy transfer and relaxations between multi-energy level after absorbing the light. The optical properties can be tuned by modifying their compositions, structures, size and shapes based on the quantum confinement effect. The properties of the nanomaterials emitting the luminescence have been used for the photonic applications, such as solar cells, anti-counterfeiting and displays, and biomedical applications involving diagnosis, therapy and theragnosis. During my Ph.D course, multifunctional photonic nanomaterials of UCNs, SiNPs and CNDs have been developed and investigated for biomedical applications including molecular imaging, photochemical tissue bonding and organic photovoltaics based drug delivery systems. In part I, UCNs were synthesized and developed for clarifying the energy transfer and controlling the optical properties by tuning the size, shapes, structures and core-shell compositions. UCNs enable anti-Strokes emission converting near infrared light with low energy into UV-Vis light with high energy via nonlinear optical processes such as excited-state absorption (ESA), energy transfer upconversion (ETU) and cooperative sensitization upconversion (CSU). The new generation fluorophore of inorganic lanthanide metallic ions doped UCNs has remarkable optical properties of large anti-Strokes shift, sharp emission spectra and long excited-state lifetime, enabling further advanced applications in vitro and in vivo for imaging, photonics, and therapy. And the surface of UCNs was modified with various organic polymers of polyallyamine (PAAm), hyaluronate (HA) and silica (SiO2) for the assigning the hydrophilicity and viability. Specifically, HA is known to be derived from the body and distributed to the extracellular matrix (ECM), skin and vitreous humor of the eyes. HA is well known as a promising drug carrier which can penetrate skin barrier due to the hygroscopic property and the structural hydrophobic patch domain in the HA backbone. Here, we developed HA-PAAm/UCNPs (HA-UCNP) conjugates for biocompatible transdermal delivery and molecular imaging with two-photon microscopy. UCNPs of NaYF4:Yb/Er (Y : Yb : Er = 69 : 28 : 3) was synthesized by solvothermal method. The HA-UCNP was prepared by firstly PAAm modifications by ligand exchange method and HA conjugation according to covalent peptide bonding. HA-UCNP conjugates could be delivered through desired regions and penetrated into the epidermis and dermis skin layer, visualized in a controlled manner by irradiating NIR laser and two-photon microscopy. In part II, upconversion nanoparticles/polyallylamine/hyaluronate-rose bengal (UCNP/PAAm/HA-RB) conjugates complex was prepared for the photochemical tissue bonding of the wounded skin. UCNPs have the property to convert NIR light, which can penetrate into deep tissues, to visible light. To utilize UCNPs for deep tissue photomedicines, the surface of UCNPs was modified with PAAm providing hydrophilic functionality on the UCNPs. The RB dye has been used for wound healing to induce collagen crosslinking in the tissue by the radical formation upon ~570 nm light irradiation. To improve biocompatibility and penetrating depth of RB, a biodegradable, non-immunogenic and bio-derived polymer of HA was conjugated with RB dye molecules. Previously, HA was conjugated with diverse drugs for the transdermal delivery into skin tissue. In addition, highly expressed HA receptors in skin tissues can facilitate the transdermal delivery of HA-RB conjugates into deep tissues through the skin barrier. The prepared UCNP/PAAm and HA-RB conjugates were mixed and formed UCNP/PAAm/HA-RB conjugate complex by electrostatic interactions. After transdermal delivery of UCNP/PAAm/HA-RB conjugates complex into the skin incision, 980 nm NIR laser irradiation resulted in the successful crosslinking of the collagen matrix for wound healing in in vitro and in vivo experiments. From the results, the feasibility of UCNP/PAAm/HA-RB conjugates complex could be confirmed as a deep tissue photomedicine for skin wound healing. In part III, UCNP coated organic photovoltaics (OPV) was fabricated and integrated with the gold thin film based drug reservoirs for developing the NIR triggered on-demand drug delivery system. The rare-earth metallic ions doped upconversion nanomaterials have been emerged as the functional nanomaterials because of their unique optical properties to shift NIR range lights to facile visible lights. The organic photovoltaics which have been used the organic electronics of conductive organic polymers or small organic molecules have been emerged with their low production costs, solution-processability and high throughput. However, generally, the solar cells have only small absorption fractions in the range of UV and visible light (c.a. 280 nm – 800 nm) converted into electricity and lost the rest ranges of the light as thermalization and non-absorption photons. Here, we used NaYF4:Yb,Er@NaYF4:Nd,Yb core-shell UCNP to extend the absorption ranges of organic solar cells (Au/MoO3(HTL)/Pbdbt:itic(active layer)/ZnO(ETL)/ITO/PEN substrate) to NIR lights involving either 808 nm or 980 nm. Finally, we developed the UCNP coated OPV and integrated the solar cells with the gold thin film based drug reservoirs for developing the NIR triggered on-demand drug delivery system. The photocurrents of the organic solar cell increased by the upconversion lights of UCNP triggered by 808 nm NIR irradiation according to the j-v characterization. The gold thin film dissolution of and drug release from the drug reservoir were investigated operated by UCNP coated OPV with 808 nm illuminations. In part IV, multifunctional hybrid nanoparticles of inorganic silica nanoparticles and organic carbon nanodots were prepared for molecular imaging by confocal microscopy. Silica nanoparticles (SNPs) are considered one of the most promising bionanomaterials with their nontoxicity, biocompatibility, and biodegradability. However, SNPs are not yet used for bioimaging applications because they generally have no direct function in clinical diagnoses. In this work, we present the hydrothermal synthesis of fluorescent SNPs using tetraethyl orthosilicate (TEOS) and (3-aminopropyl)trimethoxysilane (APTMS) and examine the origin of their optical properties in terms of transient PL and phosphorescence. The synthesized SNPs were assessed for the strong blue PL originating from the dioxasilyrane (=Si(O2)) and silylene (=Si:) defect centers with the aid of aminopropyl groups using time-correlated single photon counting (TCSPC) and phosphorescence spectroscopy. Finally, these SNPs were utilized in fluorescence imaging of various cell lines with in vitro and in vivo cytotoxicity assessment.

희토류 금속 이온 도핑 나노소재, 금속 나노소재, 실리카 나노입자, 2D 소재 등의 무기 나노소재와 카본닷, 폴리머 중합 나노입자 등의 유기 나노소재를 포함하는 다양한 나노소재를 이용한 바이오 의약적 광학 응용에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 형광을 발광하는 광학적 특성을 가지고 있는 광 나노소재는 빛을 흡수한 후 다중 에너지 레벨 사이의 에너지 전달 및 이완에 의해 유도된다. 이러한 특성은 양자 구속 효과에 기초하여 소재의 조성, 구조, 크기 및 형상을 변형시킴으로써 그 특성을 조절할 수 있다. 형광 방출 나노소재는 태양 전지, 위조 방지 및 디스플레이 등의 광학 분야와 진단 및 치료 등의 생체 의학 분야에 널리 응용되어 왔다. 본 박사 학위 과정에서는 희토류 금속 도핑 상향변환 나노소재, 실리카 나노입자 및 카본닷을 포함하는 다기능성 광 나노소재를 이용하여 바이오 이미징, 광화학적 조직 접합 연구와 태양전지와의 접목을 통한 약물전달 시스템을 개발하는 연구를 수행하였다. 파트 1에서는 상향변환의 크기, 모양, 구조 및 코어-쉘 구성을 조절함으로써 에너지 전달 및 광학적 특성을 제어하는 연구를 수행하였다. 상향변환 나노소재는 비선형 광학 프로세스를 통해 저에너지의 근적외선을 흡수하여 고에너지의 자외선/가시광선으로 변환하여 방출하는 안티-스트로크 타입의 특별한 광학적 특성을 가지고 있다. 분명한 안티 스트로크, 샤프한 방출 스펙트럼 및 긴 여기 상태 수명의 광학적 특성을 띄는 무기 란탄계열 금속 이온 도핑 상향변환 나노소재는 체외 및 체내의 광학 분야, 이미징 분야 및 치료 분야에서의 발전된 응용 연구를 가능하게 한다. 상향변환 나노소재에 친수성 부여 및 생체 적합성을 향상시키기 위해 폴리알릴아민, 히알루로네이트 및 실리카 등의 다양한 유기 중합체를 이용하여 표면을 게재하였다. 특히, 히알루론산은 생체 유래 고분자로써 유리체, 피부, 세포외 기질 등 생체를 구성하는 구성 요소이다. 히알루론산은 흡습성과 백본의 소수성 도메인을 통해 피부 장벽을 투과할 수 있어 촉망되는 약물 전달체이다. 따라서, 생체 적합한 히알루론산-상향변환 나노입자 접합체를 개발하여 경피 전달 및 이광자 현미경 이미징에 응용하는 연구를 수행하였다. 상향변환 나노입자를 용매 열법을 통해 합성한 후 폴리알릴아민을 표면에 리간드 교환 방법을 통해 도입한다. 이후, 공유 펩티드 결합을 통해 히알루론산-상향변환 나노입자 접합체를 합성하였다. 히알루론산-상향변환 나노입자 접합체는 특정 부위에 도포된 후 표피 및 진피의 피부층을 투과하였으며 이는 근적외선 빛 및 이광자 현미경을 통해 시각화되었다. 이를 통해 상향변환 나노입자가 생체 이미징에 쓰일 수 있는 조영제로서의 가능성을 확인하였다. 파트 2에서는 상향변환 나노입자/폴리알릴아민/히알루로네이트-로즈벵갈 복합체를 개발하여 피부의 상처 조직을 광화학적으로 접합하는 연구를 수행하였다. 상향변환 나노입자는 비침습적으로 조직을 투과할 수 있는 근적외선을 흡수하여 활용도가 높은 가시광선으로 변환하는 특성을 가지고 있다. 우선, 깊은 조직에 적용하기 위해, 상향변환 나노입자의 표면에 폴리알릴아민을 도입하여 친수성을 부여하였다. 로즈 벵갈 염료는 570 nm의 빛을 조사할 때 라디칼을 형성하여 주변 조직의 콜라겐 가교를 유도한다. 이를 이용하여 광의학적으로 상처를 접합하는 연구에 사용되어 왔다. 생체 접합성과 로즈 벵갈의 조직 침투력을 향상시키기 위해, 피부 조직에 고도로 발현된 히알루론산 수용체에 결합하여 피부 전달력을 높이는 생체 유래 고분자인 히알루론산과 접합하여 접합체를 형성하였다. 합성한 상향변환 나노입자/폴리알릴아민과 히알루론산-로즈벵갈 접합체를 혼합하여 정전기적 상호 작용을 통해 복합체를 형성하였다. 피부의 절개부에 히알루론산/폴리알릴아민/로즈벵갈 복합체를 경피 전달 후, 980 nm 근적외 레이저를 조사할 때 콜라겐 중합 및 상처 접합이 효과적으로 수행됨을 시험관 내 및 생체 내 실험을 통해 확인하였다. 이러한 결과들을 통해, 히알루론산/폴리알릴아민/로즈벵갈 복합체의 심부 조직에서의 효과적인 상처 치유 효과를 보였고 광의학적 치료 시스템으로서의 잠재성을 보였다. 파트 3에서는 상향변환 나노입자가 코팅된 유기 태양전지를 합성하고 금 박막 기반의 약물 저장소와 결합하여 근적외선에 의해 조절되는 약물 전달 시스템을 개발하는 연구를 수행하였다. 희토류 금속 도핑 상향변환 나노입자는 근적외 영역의 빛을 가시광 영역으로 이동시키는 독특한 광학적 특성으로 인해 기능성 나노소재로써 주목받고 있다. 유기 태양전지는 전도성 유기 중합체 및 유기 분자로 구성돼있으며 낮은 생산 비용, 용액 처리성 및 높은 처리량으로 각광 받고 있다. 그러나, 일반적으로 태양 전지는 280 nm-800 nm 사이 자외선/가시광선의 작은 범위에서 흡수 분율을 나타내며 열 및 비 흡수광자로 에너지를 손실한다. 따라서, 우리는 코어-쉘 상향변환 나노입자를 코팅한 유기 태양 전지를 개발하여 유기 태양 전지의 흡수 범위를 808 nm 및 980 nm의 적외선 영역으로 확장했다. 또한, 상향변환 나노입자 코팅 유기 태양전지를 금 박막 기반 약물 저장소와 결합하여 근적외선에 의해 조절되는 약물 전달 시스템을 설계 및 연구하였다. 상향변환 나노입자 코팅 유기 태양전지의 광전류는 전류밀도-전압 측정을 통해 808 nm 근적외 조사에 의해 전류가 증가함을 확인하였다. 또한, 808 nm 레이저를 조사함으로써 태양 전지가 구동하고 약물 저장소가 분해됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 상향변환 나노입자가 태양 전지의 흡수 영역을 확장 및 성공적으로 구동시킬 수 있음을 확인하였고 이를 통해 비침습적인 근적외 빛에 의해 조절되는 약물 전달 시스템을 개발함으로써 새로운 약물 치료 시스템의 가능성을 확인하였다. 파트 4에서는 다기능성 하이브리드 나노입자를 이용한 공초점 현미경 이미징 연구를 수행하였다. 파트 4의 첫번째 연구로써 결함 유도 실리카 나노입자를 이용한 공초점 이미징 연구를 수행하였다. 비독성, 생체 적합성 및 생분해성의 실리카 나노입자는 유망한 바이오 나노소재이다. 그러나, 일반적으로 실리카 나노입자는 직접적인 진단 기능은 없기에 바이오 이미징 용도로는 사용되지 않았다. 최근 연구에 따르면 실리카 나노입자는 Si 클러스터의 양자 구속 효과 또는 고유 결함 부위의 존재로 인해 빛과 상호작용 할 수 있음이 입증되었다. 따라서, TEOS와 APTMS를 이용하여 형광을 발광하는 실리카 나노입자를 수열 합성을 통해 합성하고 형광 및 인광의 광학적 특성에 대해 분석했다. 합성된 실리카 나노입자는 결함 중심에 의해 강한 청색광이 발광되었으며 이를 시분해형광분광광도계 및 인광 분광법을 통해 확인하였다. 또한, 실리카 나노입자의 세포 독성 및 생체 독성을 평가하여 다양한 세포주를 이용하여 세포 공초점 이미징 연구를 수행하였으며 이를 통해, 세포 이미징 조영제로서의 가능성을 확인하였다.