양자 도트의 하이드로겔 캡슐화

용액 중 양자점(QD)의 동작과 다른 표면과의 상호작용은 광학 디스플레이, 동물 태그 부착, 위조 방지 염료 및 페인트, 화학 감지 및 형광 태그 부착과 같은 생물학적 및 산업적 응용 분야에서 매우 중요합니다.그러나 수정되지 않은 양자 점은 소수성이기 때문에 안정적인 수성 콜로이드에서 사용할 수 없다.또한 양자 닷의 표면적과 부피의 비율이 큰 입자에 비해 훨씬 높기 때문에 표면의 매달림 결합에 관련된 열역학적 자유 에너지는 들뜸의 양자 구속을 방해하기에 충분하다.일단 소수성 내부 미셀 또는 친수성 외부 미셀 중 하나에 봉입함으로써 가용화되면 QD는 수성 매체에 성공적으로 도입되어 확장된 하이드로겔 네트워크를 형성할 수 있다.이 형태에서 양자점은 의료 영상 및 악성 ^[1]암의 열 파괴와 같은 고유한 특성으로부터 혜택을 받는 여러 애플리케이션에 사용될 수 있습니다.

양자점

양자점(QD)은 직경 2~10nm 정도의 나노급 반도체 입자다.이들은 벌크 반도체와 개별 분자 사이의 전기적 특성뿐만 아니라 의료 영상과 같이 형광이 바람직한 용도에 적합하도록 하는 광학 특성을 가지고 있다.의료 이미징을 위해 합성되는 대부분의 QD는 CdSe(ZnS) 코어(셸) 입자의 형태입니다.CdSe QD는 유기 ^[2]염료보다 뛰어난 광학 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.ZnS 쉘에는 다음 두 가지 효과가 있습니다.

1. 그렇지 않으면 입자 집합, 시각적 분해능 손실 및 양자 구속 효과의 임피던스를 초래하는 매달림 결합과 상호작용한다.
2. 입자 ^[3]자체의 형광을 더욱 증가시킵니다.

CdSe(ZnS) 양자 도트의 문제

의료 영상 기술의 조영제로 사용할 수 있는 잠재력에도 불구하고 카드뮴의 세포독성으로 인해 생체 내 사용이 저해됩니다.이 문제를 해결하기 위해 생체 불활성 폴리머에 잠재적으로 독성이 있는 QD를 "포장"하거나 "캡슐화"하여 생체 조직에 쉽게 사용할 수 있는 방법이 개발되었습니다.CD가 없는 QD는 시판되고 있지만 유기 ^[4]콘트라스트의 대용품으로 사용하기에는 적합하지 않습니다.CdSe(ZnS) 나노 입자의 또 다른 문제는 혈액이나 척수액과 같은 수용성 매체로 용액에 들어가는 능력을 방해하는 심각한 소수성이다.어떤 친수성 고분자는 점들을 수용성으로 만드는 데 사용될 수 있다.

캡슐화 폴리머 합성

R-PEG_f 합성

주목할 만한 양자 도트 캡슐화 기술은 계면활성제로서 이중 플루오로알킬 엔드 폴리에틸렌 글리콜 분자(R-PEG_f)를 사용하는 것을 포함한다.계면활성제는 임계 미셀 농도(CMC)에서 자발적으로 쥐세포 구조를 형성한다.R-PEG의_f 임계 미셀 농도는 폴리머의 PEG 부분의 길이에 따라 달라집니다.이 분자는 이소포론 디우레탄을 ^[5]통해 결합된 두 개의 친수성 말단 그룹(CF-CHCHO_n2n+122)을 가진 친수성 PEG 골격으로 구성됩니다.1,3-디메틸-5-플루오로우라실과 PEG의 용액을 탈수하여 음파기를 통해 중수(DO₂)가 존재하는 상태에서 혼합하여 합성한다.^[6]

미셀화

적절한 Krafft 온도와 임계 미셀 농도에서 이러한 분자는 개별 눈물 방울 루프를 형성하며, 여기서 소수성 끝은 서로, 다른 분자는 물론 유사한 소수성 QD에 끌립니다.이것은 친수성 외피와 소수성 ^[6]코어를 가진 장전된 미셀을 형성합니다.

이러한 방식으로 하이드로포브를 캡슐화할 경우, PEG mer 단위(일반적으로 6K 또는 10K Daltons)에 따라 미셀의 코어에 성공적으로 포함될 수 있는 최대 입자 크기가 결정되기 때문에 사용되는 PEG backbone에 적합한지 확인하는 것이 중요합니다.

QD의 평균 직경 D를 결정하기 위해 다음과 같은 경험 방정식이 사용됩니다.

$({displaystyle {D=\}{(1.6122\times 10^{-9)}\times da ^{4}-{(2.66575\times 10^{-6})\times da ^{3}}+{times da ^{2}}-{0.4277}) } 。57}}$

어디에

• $(\displaystyle$ D$)$는 CdSe QD의 직경(nm)입니다.
• $δ(\displaystyle$ \lambda$)$는 nm 단위의 첫 번째 흡수 피크의 파장입니다.

ZnS 쉘의 역할

ZnS 셸이 특히 중요한 역할을 하는 것은 캡슐화 중에 점의 표면에 앞서 언급한 결합을 점유함으로써 셸이 없었던 CdSe 입자의 응집을 방지하는 데 도움이 된다는 점입니다.다만, 뭉침은 일반적인 소수성으로부터 발생하는 2차적인 힘에 의해서도 발생할 수 있습니다.이로 인해 각 미셀 내에 여러 개의 입자가 생겨 전체 분해능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.따라서 최적의 영상 특성을 달성하기 위해서는 PEG 체인 길이와 입자 직경의 여러 조합이 필요합니다.

하이드로겔망

초기 캡슐화 후 남은 분자는 개별 미셀 사이에 연결을 형성하여 하이드로겔이라고 불리는 수성 매체 내에서 네트워크를 형성하고, 젤 내에 캡슐화된 입자의 확산적이고 비교적 일정한 농도를 형성합니다.하이드로겔의 형성은 초흡수성 폴리머, 즉 "슬러시 파우더"에서 관찰되는 현상으로, 종종 분말 형태의 폴리머가 물을 흡수하여 최대 99%의 액체와 30-60배의 크기가 ^[7]된다.

스토크스-아인슈타인 방정식

현탁액에서 구면 입자의 확산도는 스토크스-아인슈타인 ^[6]방정식에 의해 근사된다.

${\displaystyle D}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{R}{}}$ T ${\displaystyle \frac{6\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ N ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ $、$ { $displaystyle${$$D$$= \ } {$RT \over \ 6$ \$pi rN$_ {$A$} \$eta }$ 。여기서$$,

• $(\displaystyle$ R$)$은 가스 상수입니다.
• $($디스플레이$$ $스타일$ T)
• $\displaystyle$r은$$ 입자의 반지름입니다.
• $(\$는 아보가드로의 ${\displaystyle {\mathrm{번호}}_{}}$입니다.
• $§$ $(\displaystyle$ \eta$)$는 하이드로겔의 점성입니다.

2 nm 양자 닷에 대한 전형적인 R-PEG_f 하이드로겔 확산도는 10 m²/s 정도이므로⁻¹⁶ 양자 닷의 현탁은 매우 안정적인 경향이 있다.하이드로겔 점도는 레올로지 기법을 사용하여 결정할 수 있다.

미셀 레올로지

소수성 또는 잠재적으로 독성 물질을 캡슐화할 때는 캡슐화제가 몸 안에 있는 동안 손상되지 않도록 하는 것이 중요합니다.미셀의 레올로지 특성을 연구하면 장기 생물학적 응용에 가장 적합한 폴리머를 식별하고 선택할 수 있습니다.R-PEG는_f 체내 사용 시 뛰어난 레올로지 특성을 보인다.

고분자 길이의 중요성

고분자의 특성은 체인 길이에 의해 영향을 받습니다.올바른 체인 길이를 지정하면 캡슐화가 시간이 지남에 따라 해제되지 않습니다.환자의 의도하지 않은 세포 괴사를 예방하기 위해서는 QD 및 기타 독성 입자의 방출을 피하는 것이 중요합니다.폴리머의 길이는 다음 두 가지 요인에 의해 제어됩니다.

• PEG 백본의 무게(달튼 수 천 개) (#K로 표시)
• 소수성 끝의 길이. 말단 그룹의 탄소 원자 수로 표시됩니다(C#).

PEG 길이를 늘리면 폴리머의 용해도가 높아집니다.그러나 PEG 체인이 너무 길면 미셀이 불안정해집니다.안정적인 하이드로겔은 6~10,000 Daltons의 ^[8]PEG 백본에서만 형성될 수 있다는 것이 관찰되었습니다.

한편 소수성 말단군의 길이를 늘리면 수용성이 저하된다.주어진 PEG 중량의 경우, 하이드로포브가 너무 짧으면 폴리머가 용액에 용해되고, 너무 길면 폴리머가 전혀 용해되지 않습니다.일반적으로 두 개의 말단 그룹이 미셀(91%)^[8]로 가장 많이 전환됩니다.

• ${\displaystyle C_{10}F_{214}$
• ${\displaystyle C_{8}F_{17}$

맥스웰 유체

6000~10,000 Daltons 분자량에서 R-PEG_f 하이드로겔은 Maxwell 물질로 작용하며, 이는 유체가 점도와 탄성을 모두 가지고 있음을 의미합니다.이는 진동 레올로지(^[9][10]lehology)를 통해 일정한 주파수 범위에서 점탄성 폴리머의 탄성 계수가 일정하거나 변형되면 "완화"되는 고원 계수를 측정하여 결정됩니다.계수 값의 1차 적분 대 2차 적분을 그리면 Maxwell 모델에 적합할 때 다음과 같은 관계를 제공하는 콜-콜 그림을 얻을 수 있습니다.

${\displaystyle {G^{\prime \prime }=\ }[G^{\prime }-{G^{\prime }(\prime })^{2}^{-{1 \over2}}}$

어디에

• ${\displaystyle {G\mathrm{}}_{}}$ 0$(\$은 플라토 계수입니다.
• $§$ ${\displaystyle$ \omega$}$는 초당 라디안 단위의 발진 ${\displaystyle \mathrm{주파수}}$입니다.

일반적인_f R-PEG 분자의 기계적 특성

하이드로겔의 Maxwellian 거동과 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 통한 침식 관측에 기초하여 다음 데이터는 지정된 ^[11][12]농도의 3가지 일반적인_f R-PEG 유형에 대한 결과이다.

	$\ displaystyle \ \ \ \ \ \ text { 10KC 10 } }$	$(\displaystyle\text{10KC8})$	$디스플레이 스타일{displaystyle\text{6}KC8}}}$
$\ displaystyle \ text { Composition } \ ( wt \ )$	6.8	6.5	11.0
$(\displaystyle {text {Relaxation Time}}\ (\tau _{r}\s)$	1.2	0.029	0.023
$(\displaystyle\{Plateau Modulus}}\(G_{o})\(kPa)}$	14.4	18.5	56.1
$(\displaystyle {Viscotsic}}\ (\eta _{o}\ (kPa\cdot s))$	18	0.53	1.5
${\displaystyle\text{변환율}}\(\%)}$	94	94	89

XKCY는 분자량과 Y 탄소 원자의 X000 달톤을 나타냅니다.

이러한 값은 얽힘의 정도(또는 고려 중인 폴리머에 따라서는 교차 링크의 정도)에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.일반적으로 얽힘 정도가 높을수록 폴리머가 미형성 상태 또는 이완 시간으로 되돌아가는 데 필요한 시간이 길어집니다.

적용들

QD의 하이드로겔 캡슐화에 의해 다음과 같은 새로운 범위의 응용 프로그램이 열립니다.

• 바이오센서

효소와 다른 생물 활성 분자는 생체 인식 단위 역할을 하는 반면 QD는 신호 전달 단위 역할을 한다.QD 하이드로겔 네트워크에 효소를 첨가함으로써 두 유닛을 조합하여 바이오센서를 형성할 수 있다.특정 분자를 검출하는 효소 반응은 QD의 형광을 억제시킨다.이러한 방법으로 관심 분자의 위치를 ^[13]관찰할 수 있다.

• 세포의 영향과 이미징

QD 미셀에 산화철 나노입자를 첨가하면 형광과 자성을 띠게 됩니다.이러한 미셀은 자기장 내에서 움직여 세포의 과정에 ^[14]영향을 미치는 농도 구배를 만들 수 있습니다.

• 금고온증

레이저와 같은 고에너지 방사선에 의해 흥분되면 금 나노입자는 열장을 방출한다.이 현상은 주변 조직을 손상시키지 않고 악성 암을 파괴하는 온열 요법의 한 형태로 사용될 수 있다.하이드로겔의 QD와 결합하면 종양 ^[15]치료의 실시간 모니터링을 용이하게 할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 소수성 동물
• 미셀화 열역학
• Krafft 온도
• 계면활성제
• 세제
• 엔트로피력
• 콜-콜 방정식

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