고밀도 무기 나노입자는 X선 영상을 비롯한 방사선을 활용하고 방사선 치료를 위한 방사선량 증강제로 사용하는 의료 응용 분야에서 가능성을 보여주었습니다. 우리는 수소화붕소 환원제를 사용하여 염화이리듐(III)을 환원하여 작은(~ 2nm) 이리듐 나노입자(IrNP)를 생산하는 수성 합성 방법을 개발했습니다. 다른 용액 기반 합성 방법과 달리 균일하고 단분산된 IrNP는 계면활성제 또는 기타 가용화 리간드를 사용하지 않고 생성됩니다. 이러한 나노 입자는 X선 회절 및 고해상도 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 관찰된 바와 같이 매우 결정질입니다. 간세포 및 대식세포를 사용한 시험관 내 대사 독성 분석은 IrNP와 염화 이리듐(III) 모두 최대 10μM의 이리듐 농도에서 잘 견디는 것으로 나타났습니다. 또한 IrNP는 용혈 분석에서 평가되었으며 최대 100μM 농도에 노출되었을 때 적혈구에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 전반적으로 이러한 결과는 이 나노물질의 생체 내 적용 가능성을 뒷받침합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">귀금속 나노 입자는 흥미로운 광학, 전자 및 표면 촉매 특성으로 인해 새로운 나노 기술의 주류입니다. 나노의학에서 이러한 독특한 생체 재료는 광범위한 응용 분야에서 표면 변형을 통해 생물학적 상호 작용을 조정할 수 있는 능력으로 인해 상당한 주목을 받았습니다[1]. 금 나노입자(AuNPs)는 감지 및 치료 응용을 위해 광범위하게 조사되었으며[2, 3], 은을 포함한 다른 귀금속은 항균제와 같은 틈새 용도를 발견했습니다[4]. 그러나 표면 촉매 특성으로 일반적으로 사용되는 백금 원소로 구성된 나노 입자[5]는 아직 생의학 응용 분야에 대해 철저히 조사되지 않았습니다. 이러한 요소의 탁월한 표면 안정성과 알려진 생물학적 호환성은 물론 나노 규모의 잠재적인 새로운 물리적 특성으로 인해 AuNP에 대한 고유한 대안이 됩니다.
고에너지 방사선은 진단 영상 및 방사선 치료를 포함하여 의학에서 광범위하게 활용됩니다. 따라서 높은 원자 번호 및 고밀도 나노 입자와 같이 방사선과 상호 작용하는 기능성 물질은 이러한 양식의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 현재까지 대부분의 화학 및 공학 연구는 방사선 상호작용을 강화하기 위한 AuNP에 초점을 맞추었지만, 비스무트와 하프늄은 각각 진단 및 치료 용도로 조사되었습니다[6, 7].
여기에서는 고밀도로 인해 강한 방사선 감쇠가 예상되는 이리듐 나노 입자(IrNP)를 생산하는 합성 방법을 제시합니다. 이리듐은 반응성이 가장 낮은 금속 중 하나로 일반적으로 생물학적으로 양립 가능한 것으로 간주되며 원소 밀도가 22.56g/cm 3 입니다. (고독성으로 알려진 오스뮴에 이어 두 번째). 이리듐의 동위 원소, 192 Ir은 일반적으로 사용되는 근접 치료 감마 방출기이며 이 재료의 성공 중 일부는 고밀도, 즉 재료의 작은 부피에 많은 수의 원자가 있기 때문입니다. 현재 연구에서 우리는 IrNP의 합성과 시험관 내 생체 적합성뿐만 아니라 이전에 선택된 세포주에서 평가되지 않은 이리듐 이온의 합성을 제시합니다. 이 새로운 IrNP는 물질의 화학적 불활성과 우수한 밀도에도 불구하고 의료 목적으로 쉽게 탐색되지 않았습니다. 이리듐은 다른 귀금속과 마찬가지로 상대적으로 고가의 재료이지만 현재 상품 가치는 금 가격의 약 3/4, 로듐 가격의 절반으로 흥미로운 경제적 대안입니다.
모든 합성 반응은 18MΩ 정제수에서 호기성 조건의 실온에서 수행되었습니다. 20mM 이리듐(III) 클로라이드(Acros Organics) 스톡을 수조 초음파 처리로 제조하고 20분 이상 교반하여 광학적으로 투명한 용액을 생성했습니다. 1.0M 보란 모르폴린(Alfa Aesar) 용액도 목욕 초음파 처리로 준비했습니다. 500mL 총 부피의 대규모 합성을 위해 25mL 염화 이리듐(III) 용액을 사용하고(1.0mM으로 희석) 5.0mL 보란 모르폴린을 빠르게 교반하면서 첨가했습니다(최종 10mM 농도). 용액은 30분에 걸쳐 점차 짙은 갈색에서 검은색으로 변했습니다. 나노입자는 최소 60분 동안 안정화되도록 두었다. 이 콜로이드 용액을 원심 스핀 필터(Amicon Ultra-4, 10k MWCO 재생 셀룰로오스)에 직접 첨가하고 4000xg에서 나노 입자를 수집했습니다. 그리고 정제수로 씻었다. 그런 다음 나노입자를 물에 현탁시키고 주사기 필터(Millex-MP 0.22μm EO)를 통과하고 정량화를 위해 보관했습니다.
X선 광전자 분광법(XPS) 분석을 위해 나노입자를 동일한 부피의 질산에 현탁시키고 미세원심분리 튜브(5분, 17rcf)에서 원심분리하여 수집하고 분석 전에 물에 현탁했습니다. 투과 전자 현미경(TEM)은 200kV에서 작동하는 FEI Tecnai F-20 TEM에서 수행되었습니다. 정제된 IrNP를 구멍이 있는 탄소 Cu 지지 TEM 그리드(Ted Pella)에 드롭 캐스트하고 실온에서 밤새 건조했습니다. ImageJ 소프트웨어 분석을 사용하여 라인 회절 분석을 수행했습니다. X선 회절(XRD) 분석을 위해 농축된 IrNP를 유리 슬라이드에 드롭 캐스트하고 실온에서 건조했습니다. XRD 데이터는 흑연 단색 Cu Kα 방사선을 사용하여 Rigaku Ultima IV X선 회절 시스템에서 집중 빔(Bragg-Brentano) 형상으로 수집되었습니다. 스캔은 실온에서 0.1°/min의 스캔 속도로 각도 범위 20–80° 2θ에 걸쳐 수행되었습니다. 동적 광산란(DLS)은 일회용 폴리스티렌 큐벳의 Malvern Nano ZSP에서 수행되었습니다. 나노 입자는 물에 현탁되었고 데이터는 숫자로 분포된 것으로 보고됩니다. UV-Vis 흡광도 스펙트럼은 100μL의 총 용액 부피와 검은색 96웰 플레이트의 Tecan M200 Pro에서 수집되었습니다. 상대 흡광도 피크를 설명하기 위해 이리듐의 농도를 조정했습니다. XPS 분석은 반구형 전자 분석기와 알루미늄 Kɑ(1486.7 eV) X선 소스가 장착된 PHI Versaprobe II에서 수행되었습니다. 스펙트럼 분석은 Multipak 소프트웨어 제품군을 사용하여 수행되었습니다. 결합 에너지 보정은 284.6eV에서 C1s 피크를 사용하여 수행되었으며 피크 피팅은 비대칭 피크와 반복된 Shirley 배경을 기반으로 하여 카이제곱 값이 1.13이 되었습니다. IrNPs 및 이리듐(III) 염화물 용액의 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)은 생물학적 독성 분석 전에 평가되었습니다. 각 IrNP 용액 50마이크로리터를 50μL 왕수(3:1M 농축 질산 대 염산)에서 70°C의 소화관에서 밤새 소화했습니다. 그런 다음 샘플을 분석을 위해 5.0mL 1% 질산에 희석했습니다. ICP-MS는 충돌 가스로 헬륨을 사용하여 Agilent 7900에서 수행되었습니다. 보정 곡선은 100–0.1μg/mL 이리듐 스톡 용액(1% HCl에서)을 사용하여 작성되었으며 모든 샘플은 농도가 수십 ppb 범위에서 측정되도록 희석되었습니다.
HepG2 및 J774A.1 세포주는 2 × 10 5 으로 시딩되었습니다. 96웰 플레이트(10% FBS가 포함된 DMEM)에 웰당 세포(100μL)를 넣고 24시간 동안 침전되도록 둡니다. 이리듐 나노입자, 이리듐 염, 물 또는 DMSO를 10% 부피(10μL 추가 부피)로 첨가했습니다. 그런 다음 세포를 24시간 또는 48시간 동안 배양했습니다. 생존력 분석을 위해 배지를 제거하고 세포를 PBS에서 한 번 세척했습니다. 10% Alamar Blue(Thermo Scientific)가 포함된 100마이크로리터의 배양 배지를 2시간 동안 세포와 함께 배양했습니다. 그런 다음 배지를 검은색 96웰 플레이트에 다시 플레이팅하고 Tecan M200 Pro에서 형광을 판독했습니다(ex530/em590). 모든 데이터는 4중으로 수행되었으며 일반적인 경향을 확인하기 위해 독립적인 날에 실험을 반복했습니다. 이전에 보고된 대로 용혈 분석을 수행했습니다[8].
<섹션 데이터-제목="결과">이 합성에서 우리는 물에서 10배 몰 과량의 보란 모르폴린으로 환원하여 이리듐(III) 염화물 염으로부터 원소 IrNP를 형성합니다. 반응은 수 리터로 쉽게 확장할 수 있으며 입자는 호기성 조건에서 실온에서 형성됩니다. 이 합성 방법은 고해상도 TEM 이미징으로 관찰된 바와 같이 높은 결정도를 가진 작은(2-3nm) 균일한 IrNP(그림 1a)를 생성합니다. TEM에서 얻은 회절 패턴은 이리듐의 회절 격자를 나타내는 0.22nm의 선 간격으로 나노결정의 정체를 추가로 확인합니다(그림 1b). X선 회절 패턴은 원소 이리듐의 회절 패턴과 거의 일치합니다(PDF 카드 번호:9008470, 그림 1c). 합성된 IrNP는 물에서 콜로이드적으로 안정하고 실온에서 몇 달 동안 용액에 부유 상태를 유지합니다(그림 1d).
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아 이리듐 나노입자는 TEM 이미징으로 2~3nm이며 b 고 결정 격자 매개변수로. ㄷ XRD 스펙트럼은 원소 이리듐과 일치하며 d 입자는 DLS에 의해 물에서 5nm의 유체역학적 크기를 가집니다.
밝은 노란색 이리듐(III) 전구체에서 어두운 검은색 나노입자 용액으로 색이 변하는 것을 관찰할 때 30분 동안 나노결정이 형성됩니다(그림 2). 기본 환경에 노출되면 이러한 IrNP는 파란색으로 나타나는 예측된 산화 이리듐을 형성합니다. 순수한 질산에서의 배양과 같은 산성 조건은 입자 결정도 또는 재료의 무결성에 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다. 그러나 응집과 침전을 유발합니다. 또한, 몇 시간 동안 생물학적으로 관련된 용액(인산염 완충 식염수 및 조직 배양 배지)에서도 응집이 관찰되었으며, 이는 향후 생물의학 응용을 위해 추가 표면 변형이 필요할 것임을 시사합니다. 질산으로 헹구고 물에 현탁된 IrNP의 X선 광전자 분광법 분석은 데이터의 피크 피팅 분석이 20% 표면 산화를 나타냄에도 불구하고 우세한 이리듐(0) 표면을 나타냅니다(그림 3). XRD 또는 XPS에 의해 입자의 선호되는 결정자 배향이 관찰되지 않습니다. 또는 합성 과정(핵 생성 전) 동안 반응 용액에 티올 계면활성제를 도입하면 입자 형성이 억제됩니다.
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이리듐(III) 염화물은 324 및 386nm에서 흡광도 피크가 있는 옅은 노란색으로 나타납니다. IrNP는 넓은 스펙트럼의 흡수체이며 검은색으로 보입니다. 염기성 용액에서 처리된 산화된 IrNP에서 생성된 이리듐 산화물(예상)은 584nm에서 흡광도 피크와 함께 청자색 보라색으로 나타납니다.
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IrNP의 X선 광전자 분광법(XPS)은 이리듐 원소 표면 상태가 대부분이며 약 20%의 산화물 표면 오염이 있습니다.
우리는 덮개가 없는 IrNP의 시험관 내 생물학적 적합성을 평가하고 이를 두 가지 유형의 포유동물 세포에서 이리듐(III) 염화물 염과 비교했습니다. 간세포 암종 세포주인 HepG2를 사용하여 간에 대한 잠재적인 독성을 평가했습니다. J774A.1 대식세포를 사용하여 단핵 식세포 시스템에 대한 독성을 평가했습니다. 세포를 IrNPs 또는 이리듐(III) 클로라이드(이리듐의 총 농도에 대해 정규화)와 함께 24시간 또는 48시간 동안 인큐베이션하고 세척하여 세포외 이리듐을 제거하고 Alamar Blue 분석을 사용하여 대사 활성을 평가했습니다(그림 4). HepG2 세포는 24시간에 이리듐(III) 존재 시 증가된 대사 활성을 나타내지만(최대 115% 생존율), 500μM 이리듐(III)이 생존율을 90%로 감소시키면서 반응은 48시간까지 완화됩니다. HepG2 세포는 24시간과 48시간에 50μM IrNP가 존재할 때 세포 생존율이 94%에서 78%로 감소했습니다. 흥미롭게도 J774A.1 세포는 50μM 농도에서 IrNP에 반응하여 대사 활성이 증가했으며 24시간에 122%의 생존력을 보였습니다. 그러나 48시간 후 정상적인 세포 기능이 재개되었으며(98% 생존율), 이는 나노물질에 대한 반응으로 일시적인 대사 자극을 시사합니다. 24시간 동안 500μM IrNP와 함께 배양된 J774A.1 세포는 분명히 중성 대사 반응을 나타내지만, 48시간 후 이 농도에서 생존율의 감소는 이것이 독성 및 중성 생존 반응으로 나타나는 대사 자극의 결과임을 시사합니다. 또한, 우리는 용혈 분석을 통해 IrNPs와 혈액의 체외 생체 적합성을 평가했으며 IrNPs가 PBS의 적혈구와 함께 37°C에서 1시간 동안 배양했을 때 유의한 용혈을 유도하지 않았음을 발견했습니다(추가 파일 1:그림 S1).
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Ir(0) 나노입자 또는 Ir(III) 염과 함께 24시간 또는 48시간 동안 배양된 HepG2 및 J774A.1 세포의 세포 생존율. *통계적으로 유의미한 값(p <0.05) 처리되지 않은 세포 대비
수소화물 및 수소 가스[9,10,11,12,13], UV 및 감마선[14,15,16,17]에 의한 이리듐 염의 환원을 포함하여 촉매 적용을 위한 나노스케일 이리듐을 생산하기 위한 다양한 합성 공정이 조사되었습니다. 및 폴리올 또는 알코올 환원 [18,19,20]. 그러나 이러한 합성 방법 중 다수는 이리듐을 기질에 통합하거나 화학 반응을 지원하도록 설계되었으며 생물학적 응용 분야와 호환되지 않습니다[21]. 최근에 에어로졸화 192 Ir은 폐 독성에 대한 모델 나노 스케일 재료로 사용되었으며 탁월한 불활성으로 선택되었습니다[22, 23]. 이 연구의 주요 목적은 폐에서 흡입된 미세 입자의 제거 및 이동을 조사하는 것이었습니다. 그러나 이 요소의 생체 적합성을 강조하기도 합니다.
우리는 캡핑되지 않은 IrNP의 시험관 내 생물학적 적합성을 평가하고 주입된 나노입자의 최고 농도를 축적할 것으로 예상되는 두 가지 유형의 포유동물 세포에서 이리듐(III) 염화물 염과 이를 비교했습니다. J774A.1 세포에서 이리듐(III) 독성은 정상적인 독성 용량-반응 곡선을 따릅니다. 100μM 이리듐(III)은 세포 생존율을 93% 및 66%로 감소시키고 500μM은 24시간 및 48시간에 각각 40% 및 10% 세포 생존율을 나타냅니다. 이 데이터는 이리듐(0) 및 이리듐(III)에 대한 흥미로운 세포 특이적 반응을 반영하며 우리는 생체 내에서 이러한 효과를 추가로 탐색할 것으로 예상합니다. 더 작은 IrNPs 및 기타 난용성 무기 나노물질은 신장과 간으로 이동될 것으로 예상되며, 신장에서의 일시적인 체류 시간은 짧고 간에서의 체류 기간은 길어 세포 특이적 독성 프로필에 추가로 영향을 미칠 수 있습니다. 더 큰 이리듐 입자의 경우 대변을 통해 배설될 것으로 예상되지만 생체 내 콜로이드 안정성이 유지될 수 있다면 이러한 IrNP의 극히 작은 크기가 신장 시스템을 통해 쉽게 걸러질 수 있을 것으로 예상됩니다[23].
생체 내 적용을 준비하기 위해 IrNP의 혈액 적합성을 용혈 분석으로 평가했습니다. 전체 마우스 혈액을 사용하여 적혈구 파열 및 헤모글로빈의 잠재적 방출에 대한 이러한 IrNP의 영향을 평가했습니다. 최종 표면 개질된 IrNP에 대한 심층 연구를 평가해야 하지만 현재 IrNP 빌딩 블록은 극도로 높은 농도(500μM)가 될 때까지 감지 가능한 용혈 반응을 이끌어내지 못합니다.
우리는 이러한 연구로부터 이리듐(0) 나노결정이 염화이리듐(III)의 단순한 수용성 보로하이드라이드 환원에 의해 쉽게 합성될 수 있다는 결론을 내립니다. 크기. 급성 노출 동안 이러한 입자는 간세포에서 최대 50μM의 이리듐 농도(염화이리듐의 경우 10μM)에서 무독성이며 대식세포에서 대사 활동을 자극하며 실제 농도에서 용혈 반응을 일으키지 않습니다. 이러한 리간드가 없는 나노입자는 생물학적 및 의학적 응용 분야에서 사용하기 위한 후속 표면 개질된 IrNP의 빌딩 블록 또는 코어 역할을 할 수 있습니다. X선이나 기타 방사선이 있는 상태에서 이러한 고밀도 나노물질의 기능적 특성에 대한 추가 조사는 새로운 치료제 및 진단제에 대한 기회를 제시합니다.
금 나노 입자
동적 광산란
유도 결합 플라즈마 질량 분석기
이리듐 나노 입자
분말 회절 파일
자외선
X선 광전자 분광법
X선 회절
나노물질
초록 본 연구에서는 고압증기멸균기에서 아미드화 반응을 통해 아미노 하이퍼브랜치 폴리머(HBP)-그라프트된 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유를 제조하였다. 준비된 PAN-G-HBP 섬유는 Ag+를 복합화할 수 있습니다. 아미노 HBP의 아미노 그룹을 통해, 그리고 뜨거운 증기 조건에서 Ag+ HBP의 환원성을 통해 Ag0로 전환될 수 있습니다. PAN-G-HBP 및 Ag 나노입자(NPs) 코팅된 섬유는 FTIR, UV-VIS DRS, FE-SEM, EDS, XPS 및 항균 측정을 통해 특성화되었습니다. FTIR 결과 HBP가 PAN
초록 나노기술은 과학의 모든 분야에서 중요한 응용으로 가장 유망한 연구 분야가 되었습니다. 최근 몇 년 동안, 산화주석은 나노미터 범위에서 이 물질의 합성으로 개선된 매혹적인 특성으로 인해 엄청난 주목을 받았습니다. 오늘날 주석 산화물 나노 입자를 생산하기 위해 수많은 물리적 및 화학적 방법이 사용됩니다. 그러나 이러한 방법은 고가이고 높은 에너지를 필요로 하며 합성 과정에서 다양한 유독성 화학물질을 사용한다. 인간의 건강 및 환경적 영향과 관련된 증가된 우려는 생산을 위한 비용 효율적이고 환경 친화적인 공정의 개발로 이어졌습니다
