제2 근적외선(NIR-II, 1000~1300 nm) 윈도는 비교할 수 없는 조직 투과성을 제공하여 영상과 광열 치료의 이상적인 광학 영역으로 자리잡았습니다. 그러나 이 대역에서 흡수하면서 저세포독성을 유지하는 금 나노로드 제작은 여전히 도전적입니다. 본 연구는 NIR-II 윈도 전체에 걸쳐 견고한 표면 플라즈몬 공명을 보이는 고종횡비 금 나노로드 시리즈를 개발했습니다. 소혈청 알부민(BSA) 코팅으로 광학 성능 저하 없이 생체적합성을 획기적으로 향상시켰습니다. 유방암 마우스 모델에서 BSA 코팅 나노로드는 0.75 W/cm²의 낮은 NIR-II 레이저 강도만으로 완전한 종양 소멸을 달성했습니다. 이는 대종횡비 금 나노로드로 저용량 NIR-II 광열 치료가 가능함을 입증합니다.
금 나노입자(AuNP)는 뛰어난 생체적합성과 낮은 세포독성으로 생물의학 연구에서 다재다능한 제제로 부상했습니다. 높은 X-선 감쇠로 CT 종양 영상[1,2]에 매력적이며, 강한 표면 플라즈몬 공명(SPR)은 효율적인 광-열 변환으로 광열 치료(PTT)[3,4]를 가능하게 합니다. 크기와 형태 조절이 가능한 AuNP(나노로드, 나노쉘, 나노케이지)는 특히 금 나노로드(AuNR)가 이방성으로 강한 NIR 흡수와 광열 안정성을 가져 암 소멸용으로 맞춤화되어 왔습니다[5-8]. NIR 빛은 가시광보다 조직 투과가 깊고, 더 긴 파장은 산란이 적습니다[9]. 막대 모양 입자는 향상된 종양 투과성과 연장된 순환으로 축적을 증진합니다[10,11]. 그러나 기존 PTT는 고출력 레이저가 필요해 부수적 손상 위험이 있습니다[12]. NIR-II 윈도는 NIR-I보다 깊은 투과와 낮은 산란으로 낮은 레이저 강도에서 효과적 치료를 가능하게 합니다[13-17]. 그러나 NIR-II에서 흡수하면서 생체적합한 AuNR 제작은 어렵습니다. 여기서는 종자 없는 합성으로 1000~1300 nm 흡수 피크를 가진 AuNR을 제조하고 BSA 코팅으로 세포독성을 낮췄습니다. 체외 및 체내 광열 성능을 평가하여 유방암 마우스 모델에서 0.75 W/cm² 레이저 강도로 종양 소멸을 입증했습니다.
초산 금 삼수화물(HAuCl₄·3H₂O, 99.9%), 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB, 99%), 질산(65-68%), 과산화수소(30%), 붕소수소화나트륨(NaBH₄, 97%), 질산은(AgNO₃, 99.8%), 염산(38%), 하이드로퀴논(99%), 소혈청 알부민(BSA, 98%)을 상하이 알라딘 생물기술에서 구입. RPMI 1640, 페니실린-스트렙토마이신, PBS, 태아소혈청(FBS), 4T1 세포, CCK-8 키트는 HyClone, Corning, Gibco, Dojindo에서 구입. 초순수(Millipore) 사용.
AuNR을 종자 없는 프로토콜로 합성. 0.4 mL 10 mM HAuCl₄와 10 mL 0.1 M CTAB에 23-33 µL 100 mM AgNO₃ 혼합. 이후 10-30 µL 1.2 M HCl과 525 µL 0.1 M 하이드로퀴논 첨가해 연한 황색 성장 용액 제조. 15분 교반 후 10-40 µL 신선 제조 10 mM 얼음 냉각 NaBH₄ 주입, 30초 교반, 실온에서 18시간 숙성. AuNR@CTAB을 PBS로 2회 세척 정제.
AuNR@CTAB의 CTAB 농도를 1 mM로 조절하고 초음파로 완전 용해. 3 mL AuNR@CTAB에 3 mL 10 mg/mL BSA 혼합, 30분 초음파. 원심분리(9500×g, 40분) 후 펠릿을 6 mL 5 mg/mL BSA에 재현탁, 2 M NaOH로 pH 11-12 조절, ≥18시간 교반. 최종 AuNR@BSA를 PBS로 2회 세척 후 PBS에 보관.
투과전자현미경(TEM, Talos F200X)으로 형태 분석; 동적 빛 산란(DLS, Zetasizer Nano ZS)으로 크기와 제타 전위 측정; UV-Vis 분광법(Shimadzu UV-2700)으로 흡수 스펙트럼 기록. 체내 종양 분포는 사후 종양 절편 TEM으로 확인. FT-IR과 XRD 분석(베이징 중커 바이체)으로 BSA 코팅과 결정성 금 확인.
AuNR 용액(OD=0.5-2 at 1064 nm)을 1064 nm 레이저(0.35-1 W/cm²)로 30분 조사, 적외선 열화상(FLUKE TI25)으로 온도 변화 모니터링. 광안정성은 0.5 W/cm²에서 10분 on/off 반복 조사 사이클로 평가.
4T1 세포를 96웰 플레이트(5×10³ cells/well)에 파종, 24시간 배양. AuNR@CTAB 또는 AuNR@BSA(10 µL)를 다양한 농도로 첨가, 24시간 배양. CCK-8(10 µL) 첨가, 40분 배양, 450 nm에서 흡광도 측정. 광독성 분석은 CCK-8 테스트 전 1064 nm 조사(0.75 W/cm², 10분) 수행.
암컷 BALB/c 마우스(6-8주)에 2×10⁶ 4T1 세포 피하 접종. 종양 ~100 mm³ 도달 시 실험 개시. 모든 절차는 기관 윤리 지침 준수.
AuNR@BSA(200 µL) 꼬리정맥 주사. 혈액 시료를 0.25, 2, 4, 6, 8, 12, 36, 48시간에 채취, HNO₃와 H₂O₂로 소화, ICP-OES로 금 함량 정량. 장기(심장, 간, 비장, 폐, 신장)는 주사 24시간 후 수확, 동일 방식으로 소화 및 금 농도 측정.
마우스를 4군으로 분할: (1) AuNR@BSA, (2) AuNR@BSA+레이저, (3) 레이저만, (4) 대조군. AuNR@BSA(200 µL) 종양 내 주사, 10분 후 1064 nm 조사(0.75 W/cm², 10분). 종양 온도, 부피, 체중을 14일간 모니터링. 연구 종료 시 종양 절제.
통계 분석은 SPSS 16.0으로 수행. 데이터는 평균±SD로 표현; 유의수준 p<0.05.
NaBH₄, HCl, Ag⁺ 농도 최적화로 종횡비와 SPR 피크 위치 제어. NaBH₄ 증가는 피크를 1223→865 nm로 청색 편이, HCl 증가는 871→1070 nm로 적색 편이. Ag⁺ 농도 감소는 SPR 피크를 더 연장. 최종 AuNR은 와인 레드 색상, 흡수 최대치 1064 nm(그림 1). 이 파장은 NIR-II 윈도와 가용 레이저 소스에 부합.
그림 1. 다양한 합성 조건에서 AuNR@CTAB의 광특성: (a) 제조 개요; (b) TEM 이미지; (c) NaBH₄에 따른 UV-Vis; (d) HCl에 따른 UV-Vis; (e) AgNO₃에 따른 UV-Vis.
CTAB은 나노로드 성장에 효과적이지만 1-10 µM 이상에서 세포독성, 저온에서 침전 우려. BSA 치환으로 독성 완화 및 콜로이드 안정성 개선. AuNR@BSA는 유사 종횡비 유지, SPR 피크 ~30 nm 적색 편이하여 1064 nm(그림 2). 제타 전위는 양성(CTAB)에서 음성(BSA)으로 변화해 표면 교환 확인. FT-IR에서 BSA 특유 아미드 밴드(1649, 1539 cm⁻¹) 확인. DLS 수두 직경 8.6 nm와 89 nm 두 집단으로 BSA 코팅 후 크기 약간 증가. TEM으로 막대 형태와 약간 둥근 끝 확인(그림 2). 모든 치수 100 nm 미만으로 종양 투과 유리.
그림 2. AuNR@BSA 및 AuNR@CTAB 특성: (a) 합성; (b) UV-Vis 스펙트럼; (c) DLS 크기 분포; (d) TEM 이미지.
AuNR@BSA(OD≈1)가 0.35 W/cm²에서 5분 내 ~25°C→80°C 온도 상승, 이후 평탄(그림 3A). 온도는 레이저 출력이 선형적(그림 3B). OD 증가 시 최고 온도 추가 상승. 0.5 W/cm²에서 10분 조사 3사이클로 광열 안정성 확인(그림 3D). 열화상: AuNR 85.5°C vs PBS 44.5°C(그림 3E). NIR-II 영역에서 BSA 코팅 나노로드의 우수한 광열 변환과 안정성 입증.
그림 3. 체외 광열 성능: (a) 온도-시간; (b) 온도-레이저 출력; (c) 온도-흡광도; (d) 3사이클 안정성; (e) 열화상.
AuNR@CTAB은 낮은 농도(OD≈0.05)에서도 유의한 세포독성, AuNR@BSA는 OD≈1까지 >80% 세포 생존율 유지(그림 4A). 광열 처리(0.75 W/cm², 10분)로 4T1 세포 생존율 ~20%로 감소(OD≈1), 대조군은 ~100% 유지(그림 4B). BSA 코팅이 생체적합성 유지하면서 효과적 광열 살상 가능케 함.
그림 4. 세포독성 및 광열 독성: (a) 농도별 세포 생존율; (b) 레이저 유무에 따른 생존율.
AuNR@BSA 순환 반감기 ~1.5시간(그림 5A). 24시간 후 간과 비장에 주로 축적, 망상내피계 섭취와 일치(그림 5B). 간-비장 표적 응용 가능성 시사.
그림 5. 생체분포: (a) 시간별 혈중 금 농도; (b) 24시간 장기 분포.
AuNR@BSA 종양 내 주사 후 1064 nm 조사(0.75 W/cm², 10분)로 종양 온도 ~64°C 도달, 대조군은 체온 유지(그림 6D). 14일간 AuNR@BSA+레이저군 완전 종양 소멸, 재발 없음; 대조군 종양 급속 진행(그림 6A, B). 사후 분석으로 잔존 종양 조직 부재 확인(그림 6C). 처리된 종양 TEM에서 온전한 AuNR 확인, 체내 광안정성 입증(그림 7).
그림 6. 체내 치료 결과: (a) 종양 부피; (b) 체중; (c) 종양 사진; (d) 적외선 열화상; (e) 치료 후 이미지.
그림 7. 종양 조직 내 AuNR@BSA TEM: (a) 처리; (b) 미처리.
1064 nm SPR 피크를 가진 BSA 코팅 금 나노로드 합성으로 높은 광열 효율과 향상된 생체적합성 결합. 체내 연구에서 저용량 NIR-II 레이저 조사로 유방암 마우스 모델에서 신속한 종양 소멸 입증. 나노로드는 유리한 생체분포(간·비장 높은 섭취)와 종양 미세환경 내 광안정성 유지. 이러한 특성은 AuNR@BSA를 NIR-II 광열 치료의 유망한 플랫폼으로 위치시키며, 면역요법 또는 화학요법과의 병용으로 개인맞춤형, 안전하고 효과적인 암 치료 가능성이 열립니다.
본 연구의 기초 데이터셋은 합리적 요청 시 해당 저자로부터 제공 가능. 연구 기간 생성/분석된 모든 데이터는 본 게재 논문에 포함됨.
나노물질
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혹한 환경, 고신뢰성 커넥터, 고주파 신호, 장수명 요구... 이런 조건에서 일반 HASL(납땜 레벨링)이나 OSP로는 부족합니다. 금도금(Gold Plating)과 침금(ENIG, Electroless Nickel Immersion Gold)은 프리미엄 표면 처리의 양대 산맥입니다. 본문에서는 금도금 PCB의 물성, 하드골드/소프트골드 구분, ENIG/ENEPIG 비교, 골드 핑거 설계, 재료비/공정비 트레이드오프까지 실무 엔지니어 관점에서 심층 분석합니다. PCB에서 하드 골드(Hard Gold)란? 하드 골드 도금 표면 (
