[논문 리뷰] Versatile coating platform for metal oxide nanoparticles: applications to materials and biological science

Jean‐François Berret, Alain Graillot|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 22.

Polymer Surface Interaction Studies참고 문헌 136인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 금속 산화물 나노입자(MOx-NPs)에 강력하고 다점 결합을 가능하게 하는 인산기 기능을 가진 통계적 공중합체를 기반으로 한 다용도 폴리머 코팅 플랫폼을 제시한다. 이 코팅은 펴일렌 글리콜(PEG) 사슬을 통해 콜로이드 안정성과 스테일스 성질을 제공한다. 이 방법은 CeO₂, γ-Fe₂O₃, TiO₂ 및 Al₂O₃ 나노입자를 고수율, 대량 생산이 가능한 방식으로 코팅할 수 있으며, 분산 안정성이 향상되고 단백질 흡착이 감소함을 입증하였다. 이는 나노의학 및 재료 과학 분야의 응용에서 유용함을 보여준다.

ABSTRACT

In this feature article, we provide an overview of our research on statistical copolymers as a coating material for metal oxide nanoparticles and surfaces. These copolymers contain functional groups enabling non-covalent binding to oxide surfaces and poly(ethylene glycol) (PEG) polymers for colloidal stability and stealthiness. The functional groups are organic derivatives of phosphorous acid compounds R-H$_2$PO$_3$, also known as phosphonic acids that have been screened for their strong affinity to metals and their ability to build multidentate binding. Herein we develop a polymer-based coating platform that shares features with the techniques of self-assembled monolayers (SAM) and Layer-by-Layer (L-b-L) deposition. The milestones of this endeavor are the synthesis of PEG-based copolymers containing multiple phosphonic acid groups, the implementation of simple protocols combining versatility with high particle production yields and the experimental demonstration of the colloidal stability of the coated particles. As a demonstration, coating studies are conducted on cerium (CeO$_2$), iron ($\gamma$-Fe$_2$O$_3$), aluminum (Al$_2$O$_3$) and titanium (TiO$_2$) oxides of different sizes and morphologies. We finally discuss applications in the domain of nanomaterials and nanomedicine. We evaluate the beneficial effects of coating on redispersible nanopowders, contrast agents for In Vitro/Vivo assays and stimuli-responsive particles.

연구 동기 및 목표

• 금속 산화물 나노입자(MOx-NPs)에 대해 콜로이드 안정성과 단백질 흡착에 대한 저항성을 보장하는 대규모로 적용 가능한 이중 단계 코팅 전략을 개발하기 위해.
• 생리적 조건에서 나노입자의 응집 문제를 해결하기 위해 인산기 기능을 가진 공중합체를 통해 강력하고 다점 결합을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 크기와 형태를 가진 다양한 MOx-NPs(CeO₂, γ-Fe₂O₃, TiO₂, Al₂O₃)에 적용 가능한 통합 코팅 플랫폼을 구축하기 위해.
• 약리동역학적 특성 향상과 생물학적 시험(예: MRI 및 in vitro 세포 내화학적 연구)에서의 성능 향상을 입증하기 위해.
• 나노재료 합성과 임상 적용 사이의 격차를 메우기 위해 나노입자의 표면 안정성과 생체 적합성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 인산기(MPh) 및 PEG(MPEGik) 또는 열역학적 반응성(MPAm) 기능을 가진 메타크릴레이트 단량체를 이용한 자유 라디칼 중합을 통한 통계적 공중합체 합성.
• 금속 산화물 표면에 화학적 흡착을 통해 강력하고 안정적인 어드레이어를 형성하기 위해 다점 결합을 가진 인산기 기반의 결합을 활용.
• 평판 기판에 대한 고분자 흡착 Isotherm 및 어드레이어 두께를 정량화하기 위해 진동 주파수 결정량자량측정법과 함께 분산 측정 기반의 진동 주파수 결정량자량측정법(QCM-D)을 활용.
• 나노입자에 대한 수소 동역학적 직경과 코팅 두께 측정을 위해 동적 빛 산산법(DLS)과 투과전자현미경(TEM)을 활용.
• 세포 내 금속 흡수를 정량화하고 내화학적 과정을 평가하기 위해 인덕션 결합 플라즈마-광학 방출 분석법(ICP-OES)을 활용.
• 이중 단계 코팅 공정을 구현: 나노입자와 공중합체를 별도로 합성한 후 제어된 혼합을 통해 고수율, 대량 생산이 가능한 기능화를 실현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 가지 공중합체 플랫폼이 고수율과 콜로이드 안정성을 확보하면서도 다양한 금속 산화물 나노입자(CeO₂, γ-Fe₂O₃, TiO₂, Al₂O₃)를 효과적으로 코팅할 수 있는가?
• RQ2 인산기 기능의 다점 결합이 MOx-NPs 표면에 형성된 고분자 어드레이어의 안정성과 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 PEG 기반 코팅이 생리적 조건에서 단백질 흡착을 얼마나 줄이고 콜로이드 안정성을 향상시키는가?
• RQ4 코팅이 in vitro 조건에서 나노입자의 약리동역학적 행동과 세포 내화학적 흡수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 코팅 플랫폼은 스마트 약물 전달 응용을 위해 자극 반응성 고분자(예: PNIPAm)에 적응할 수 있는가?

주요 결과

• 공중합체 코팅은 수소 동역학적 직경이 10~100 nm인 CeO₂, γ-Fe₂O₃, TiO₂ 및 Al₂O₃ 나노입자를 고수율로 기능화하였으며, 고이온 농도 버퍼에서도 콜로이드 안정성을 유지하였다.
• QCM-D 측정 결과, 평판 기판에 공중합체의 다층 흡착이 확인되었으며, 고분자 밀도는 최대 0.3 nm⁻²에 도달했고 어드레이어 두께는 20 nm를 초과하였다.
• 코팅된 나노입자는 비코팅된 나노입자 대비 단백질 흡착이 90% 이상 감소함을 입증하였으며, 이는 진동 주파수 결정량자량측정법(QCM-D)과 표면 플라즈몬 공명을 통해 확인되었다.
• 코팅된 CeO₂ 나노입자는 비코팅된 나노입자(2.0 pg/cell) 대비 세포 내화학적 흡수량이 40% 감소한 1.2 pg/cell로 나타나 효과적인 스테일스 성질을 보였다.
• 코팅된 γ-Fe₂O₃ 나노입자의 자기공명영상(MRI) 강도(IMRI)는 PBS에서 24시간 동안 안정성을 유지하여 생리적 조건 하에서의 콜로이드 안정성을 확인하였다.
• 건조된 나노입자 분말을 다시 분산시키는 데에 코팅이 성공적으로 작용하여, 장기 저장 및 생물의학적 응용에서 재구성 가능성을 입증하였다.