▲ 산화철 나노입자-고분자 복합체의 광반응에 의한 π-공액고분자 변형과 형광 발광현상-다양한 고분자와 복합체를 형성하여 형광을 유도할 수 있고 가시광 영역을 모두 포함한다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 고려대 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 세포속에서도 형광이 나와 광열치료의 치료위치를 실시간으로 볼 수 있는 산화철 광열제 기술을 개발했다고 밝혔다.

광열치료는 암 부위에 나노입자를 전달한 후 근적외선 레이저가 쬐어질 때 발생하는 열을 이용해 암 세포를 괴사시키는 치료방법으로 수술치료 등 기존 암 치료 방법과 달리 탈모나 구토 등의 부작용이 적어 새로운 치료기술로 주목받고 있다.

그동안 광열치료에서는 금(Au) 나노입자를 주로 연구해왔다. 금 나노입자는 가시광 및 근적외선(빛의 스펙트럼에서 적색 바깥쪽의 적외선 영역에서 가시광선에 가까운 파장범위(0.75~3 μm)의 전자기파) 빛 흡수에 의해 열이 쉽게 나기 때문이다. 그러나 낮은 조도에서 효과가 낮고, 금 나노입자 표면을 화학적으로 변형시키는데 사용되는 결합은 온도가 높아질수록 안정성이 떨어졌다. 따라서 최근에는 산화철 나노입자가 광열제로서 부각되고 있다.

연구팀은 근적외선 파장의 레이저를 쬐어 산화철 나노입자의 광열효과를 유도하였다. 이로 발생하는 열이 나노입자 주변에 있는 고분자의 탄소사슬 구조를 변형하여 파이(π)-공액 구조*를 가지는 새로운 공액고분자 구조*를 형성시킴으로써 강한 형광이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

파이(π)-공액 구조= 2개 이상의 원자가 서로 전자를 방출하여 전자쌍을 형성하고 이를 공유함(공유결합)으로써 분자를 형성할 때, 분자가 만드는 평면과 수직 방향으로 분포하는 파이(π)결합이 번갈아 짝지은 전자 구조

공액고분자 구조= 탄소의 단일결합과 이중결합의 반복으로 인해 형성된 π-공액 구조를 갖고 있어, 기존의 고분자에 비해 낮은 밴드갭(전자가 원자에서 분리되는)에너지를 갖는 반도체적 전기전도성과 가시광영역대의 빛을 내는 고분자구조

나노입자를 세포에 흡수시켜 광열효과를 유도하는 경우도 형광이 나타났다. 세포내에 유기물질이 고분자의 역할을 하여 π-공액 구조로 변형되었기 때문이다. 또한 레이저의 세기와 나노입자의 농도 및 크기를 조절했을 때에 형광의 세기가 달라졌다. 나노입자의 크기가 크고 농도가 높을수록 형광이 강하게 나타났다.

▲ 김영근 교수

김영근 교수는 "이 결과는 산화철 나노입자가 광열치료에 응용되었을 때, 부분적으로 치료가 일어나는 위치를 실시간으로 볼 수 있음을 의미한다" 며 "비수술 방식의 새로운 분야를 개척하기 위한 광열치료기술의 가능성을 제시한다"고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 안정적인 생체 적용 광열제로서 사용이 가능하며, 광열치료와 동시에 치료 부위의 확장 또는 축소를 결정하는 데 도움이 되는 시각화된 기법의 가능성을 보여준 것으로 평가된다.

또 광열치료를 위한 광열제 개발 시 나노입자의 소재, 형태, 크기 및 생체 적용 농도 등 결정 기준을 제시할 수 있다.

아울러 산화철 나노입자와 고분자의 복합체를 형성하고, 고출력 펄스 레이저를 조사하여, 고분자의 사슬구조 변화를 유도하여 무기-유기 나노복합형광체를 제조할 수 있다.

이밖에 나노복합 형광체는 자외선 내지 청색 여기(勵起) 광에 의하여 백색 형광 특성을 제공할 수 있으며, 조사되는 펄스 레이저의 출력 또는 나노입자의 크기, 형태, 농도 등에 의하여 형광 특성을 제어할 수 있다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지인 스몰(Small) 7월 27일자 논문으로 게재되었다.

논문명 : Photonic Reactions Leading to Fluorescence in a Polymeric System Induced by the Photothermal Effect of Magnetite Nanoparticles using a 780-nm Multiphoton Laser

- 저자 정보 : 김영근 교수 (교신저자, 고려대학교), 김유진 박사 (교신저자, 고려대학교), 박범철 박사과정생 (제 1저자, 고려대학교)