[論文レビュー] Versatile coating platform for metal oxide nanoparticles: applications to materials and biological science

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

Polymer Surface Interaction Studies参考文献 136被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、金属酸化物ナノ粒子（MOx-NPs）への強力な多齿結合と、コロイダル安定性およびステルス効果をもたらすポリエチレングリコール（PEG）鎖を有する統計的コポリマーを用いた、多様なポリマー被膜プラットフォームを提案する。この手法により、CeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂、Al₂O₃ナノ粒子の高収率でスケーラブルな被膜化が可能となり、分散安定性が向上し、タンパク質吸着が低減される。本研究は、ナノ医療および材料科学分野への応用における有効性を示している。

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.

研究の動機と目的

• 金属酸化物ナノ粒子（MOx-NPs）のためのスケーラブルな2段階被膜戦略を開発し、コロイダル安定性およびタンパク質吸着に対する耐性を確保すること。
• リン酸基修飾コポリマーを用いた多齿結合により、生理的条件下でのナノ粒子凝集を克服すること。
• サイズや形状が異なる多様なMOx-NPs（CeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂、Al₂O₃）に適用可能なユニバーサル被膜プラットフォームを構築すること。
• MRIおよびin vitro細胞取り込み試験を含む生物学的アッセイにおいて、薬物動態特性の向上と性能向上を実証すること。
• ナノ材料合成と臨床応用のギャップを埋めるために、ナノ粒子の界面安定性および生体適合性を向上させること。

提案手法

• リン酸基（MPh）およびPEG（MPEGik）または熱応答性（MPAm）を有するメタクリル酸誘導体モノマーを用いたラジカル重合による統計的コポリマーの合成。
• 金属酸化物表面への多齿結合リン酸基による化学吸着を活用し、強固で安定したアドレイヤーを形成する。
• クォーツシンアブレーション周波数変化法と損失測定（QCM-D）を用いて、平板基板上でのポリマー吸着等温線およびアドレイヤー厚さを定量する。
• 動的光散乱（DLS）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて、ナノ粒子上での水動的直径および被膜厚さを測定する。
• 誘導結合プラズマ発光分光法（ICP-OES）を用いて、細胞内への金属吸着量を定量し、取り込み度を評価する。
• 2段階被膜プロセスの実装：ナノ粒子とコポリマーを別々に合成し、制御された混合により高収率でスケーラブルな機能化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのコポリマー・プラットフォームが、CeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂、Al₂O₃など多様な金属酸化物ナノ粒子に、高収率かつコロイダル安定性を維持して効果的に被膜化可能か。
• RQ2 リン酸基の多齿結合が、MOx-NPs上でのポリマー・アドレイヤーの安定性および密度にどのように影響するか。
• RQ3 PEGベースの被膜が、生理的条件下でのタンパク質吸着をどの程度低減し、コロイダル安定性を向上させるか。
• RQ4 被膜がin vitroにおける薬物動態挙動および細胞内取り込みにどのように影響するか。
• RQ5 本被膜プラットフォームは、スマートドラッグデリバリー応用を想定した刺激応答性ポリマー（例：PNIPAm）に適応可能か。

主な発見

• コポリマー被膜により、10〜100 nmの水動的直径を有するCeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂、Al₂O₃ナノ粒子が高収率で被膜化され、高イオン強度バッファー中でもコロイダル安定性が維持された。
• QCM-D測定により、平板基板上でのコポリマーのマルチレイヤー吸着が確認され、ポリマー密度は最大0.3 nm⁻²に達し、アドレイヤー厚さは20 nmを超えた。
• QCM-Dおよび表面プラズモン共鳴法を用いた実験により、被膜化ナノ粒子は未被膜ナノ粒子と比較してタンパク質吸着が90%以上低減された。
• 被膜化CeO₂ナノ粒子は、未被膜ナノ粒子（M_Ce = 2.0 pg/cell）と比較して細胞内取り込みが40%低減（M_Ce = 1.2 pg/cell）し、効果的なステルス特性を示した。
• PBS中で24時間にわたり、被膜化γ-Fe₂O₃ナノ粒子の磁気共鳴画像（IMRI）強度に変化がなく、生理的条件下でのコロイダル安定性が確認された。
• 乾燥ナノパウダーの再分散が凝集を伴わず実現され、医療応用における長期保存および再構成の実用的利点を示した。