PEG화 양자점 인코딩 고성능 폴리전해질 마이크로캡슐: 첨단 바이오이미징용

초록

형광 이미징은 분자, 세포, 조직 역학의 실시간 가시화를 가능하게 하는 현대 진단의 초석입니다. 반도체 나노결정인 양자점(QD)은 크기 조절 가능한 발광, 넓은 흡수, 우수한 광안정성을 결합하여 생체분자 표지와 미세입자 인코딩에 이상적인 형광체입니다. 본 연구에서는 용매 없는 간소화된 방법으로 수용성 PEG-기능화 CdSe/ZnS QD를 폴리전해질 마이크로캡슐의 다층 막에 층별 증착법으로 통합하는 것을 제시합니다. 결과적인 중공 캡슐은 균일한 크기(평균 4.45 ± 0.65 μm), 견고한 표면 전하 제어, 자유 QD와 동일한 590 nm 형광 피크를 나타냅니다. 유세포 분석과 형광 현미경은 캡슐이 높은 신호 강도(~10⁴ PE 단위)의 균질 집단을 형성함을 확인하며, 표준 실험실 기기에서 간편한 검출을 가능하게 합니다. 이 PEG화 QD 인코딩 마이크로캡슐은 자극 반응형 전달을 위해 추가 기능화될 수 있는 밝고 광안정한 바이오이미징 및 테라노스틱 에이전트로서 가능성을 가집니다.

서론

치료제의 표적 전달과 고해상도 이미징은 생체 내에서 정밀하게 추적할 수 있는 담지체를 요구합니다. 정전기적 층별 증착으로 조립되는 폴리전해질 마이크로캡슐은 자기, 금속, 형광 나노입자 등 기능성 에이전트 통합에 다용도 플랫폼을 제공합니다. 입자 크기에 따라 스케일링되는 좁고 대칭적인 방출 스펙트럼을 가진 양자점은 단일 여기 파장으로 다중 검출을 가능하게 합니다. 그들의 광안정성과 양자 수율(~40%)은 유기 염료와 경쟁하며, 더 큰 소멸 계수는 입자당 더 높은 밝기를 부여합니다.

마이크로캡슐의 전통적 형광 표지는 일반적으로 염료의 공유 결합 또는 물리적 혼합에 의존하며, 이는 용출과 광표백을 겪을 수 있습니다. 캡슐 막 내에 QD를 임베딩하는 것은 QD가 수용성을 유지하고 안정적으로 고정된다면 더 견고한 광학 인코딩 전략을 제공합니다. 여기서는 카복실기 말단 PEG화 CdSe/ZnS QD의 합성, 다층 폴리전해질 쉘로의 통합, 결과 형광 마이크로캡슐의 종합적 특성 분석을 보고합니다.

방법

목적, 설계, 연구 설정

QD 인코딩 폴리전해질 마이크로캡슐 제조

CdSe/ZnS 코어/쉘 QD(590 nm 피크)는 Dr. P. Samokhvalov(NRNU MEPhI, 모스크바)가 합성하고 반복적인 클로로포름 추출과 시스테인 침전으로 정제했습니다. QD는 이후 티올 말단 PEG12-COOH 유도체(1:4.6 질량비)로 PEG화되고 겔 여과로 정제되었습니다. 유체역학적 직경(18.7-23.3 nm)과 제타 전위(-26.7 ± 0.8 mV)는 DLS와 레이저 도플러 미세 전기영동(Zetasizer Nano ZS)으로 측정되었습니다.

층별 증착은 탄산칼슘(CaCO₃) 미세입자에서 수행되었습니다. 초기 5개 폴리전해질 층(PAH/PSS)을 조립한 후, PEG화 QD를 말단 PAH 표면에 흡착시켰습니다. 추가 PAH/PSS 층으로 QD를 캡핑하고, 0.2 M EDTA(pH 6.5)로 CaCO₃ 코어를 제거했습니다. 결과 중공 마이크로캡슐은 50 mM 인산염 완충액(pH 7.4, 1% BSA)에서 4 °C, 12시간 소우혈청알부민(BSA) 배양으로 표면 수정되었습니다. 최종 현탁액은 5회 세척 후 4 °C 암소에 보관했습니다.

광학 및 형광 현미경

마이크로캡슐 형태와 크기 분포는 40×/0.55 렌즈를 장착한 Axio Observer 3(Zeiss)로 관찰했습니다. 형광 이미징은 HBO 100 수은 조명기, FITC 장파장 필터 세트, 100×/1.30 오일 대물렌즈(Immersol 518F)를 사용했습니다. 단면 시료(150 nm)는 에폭시 포매와 초미세 절삭(Leica EM UC6)으로 준비했습니다. 단면 형광은 TexasRed 필터 세트(560/40 nm 여기, 630/75 nm 방출)로 기록했습니다.

형광 특성 분석

자유 및 캡슐화 QD의 방출 스펙트럼은 480 nm 여기로 Infinite 200 PRO 멀티모드 플레이트 리더(Tecan)에서 기록했습니다. 시료는 측정 전 원심분리(2630 × g, 20분)했습니다.

유세포 분석

시료(10⁶ 비즈/mL)를 488 nm 레이저 장착 FACSCanto II(BD)로 분석했습니다. 전방 산란(FSC), 측면 산란(SSC), PE(585/42 nm) 신호를 기록했습니다. 데이터는 FACSDiva로 처리했습니다.

재료

카복실화 PEG12-HS (Thermo Fisher), PAH (Mw ≈ 15 kDa, Sigma-Aldrich), PSS (Mw ≈ 70 kDa, Sigma-Aldrich), PAA (Mw ≈ 15 kDa, Sigma-Aldrich), CaCl₂, Na₂CO₃, EDTA, BSA, 모든 시약은 Sigma-Aldrich에서 구매. 용액은 MilliQ 물(18.2 MΩ cm)로 제조.

통계 분석

데이터는 MS Excel 2007과 Origin Pro 2015로 분석했으며, 결과는 3회 독립 실험의 평균 ± SD로 보고.

결과 및 논의

QD 인코딩 폴리전해질 마이크로캡슐 개발

층별 전략은 QD를 제어 가능한 폴리전해질 쉘 내에 캡슐화하는 용매 없는 생체적합성 경로를 제공합니다. 탄산칼슘 입자는 먼저 PAH 층을 획득한 후, 번갈아 PSS와 PAH 층으로 10층 쉘을 구축합니다. 음전하를 띤 PEG화 QD는 말단 PAH 층에 흡착된 후 추가 폴리전해질 층으로 봉인됩니다. EDTA로 CaCO₃ 코어 제거 시 중공 캡슐이 생성되며, 최종 BSA 코팅은 생체적합성을 부여하고 비특이적 응집을 감소시킵니다.

그림 1은 층 적층 순서, 제타 전위 변화, 최종 캡슐의 대표 형광 현미경 사진을 보여줍니다.

양자점(QD) 인코딩 폴리전해질 마이크로캡슐의 설계 및 구조: a 층 배열 개요도. b 조립 및 QD 통합 중 제타 전위 변화. c PEG화 QD 인코딩 마이크로캡슐 형광 현미경 사진. * 코어 제거 후 제타 전위; ** BSA 코팅 후.

단면 주사 전자 현미경은 중공 구조와 막 내 QD의 균일한 분포를 확인합니다(그림 5).

QD 인코딩 마이크로캡슐 단면 현미경 사진. (a)의 화살표는 (b)와 (c)에서 확대된 영역을 가리킴.

동적 빛 산란은 평균 직경 4.45 ± 0.65 μm의 좁은 크기 분포를 보여줍니다(그림 2), 적혈구와 유사하여 혈액-조직 장벽을 침범하지 않고 정맥 내 전달에 적합합니다. 투과성 증가 영역(예: 종양)에서 이 캡슐은 혈관외유출이 가능하여 표적 이미징을 가능하게 합니다.

양자점으로 광학 인코딩된 폴리전해질 마이크로캡슐 크기 분포(n = 600).

형광 및 구조적 특성

캡슐화 캡슐의 방출 스펙트럼은 자유 QD의 590 nm 피크를 유지합니다(그림 3), 폴리전해질 매트릭스가 형광을 퀀칭하지 않음을 나타냅니다. 유세포 분석은 PE 채널에서 QD 인코딩(주황색)과 위약(회색) 캡슐의 명확한 분리를 보여주며, 형광 강도 ~10⁴ PE 단위인 반면 FSC/SSC 분포는 중첩되어 동일한 크기와 과립도를 확인합니다(그림 4).

유세포 분석으로 QD 인코딩 마이크로캡슐 검출 가능성: a 도트 플롯(SSC-PE). b PE 히스토그램. c 도트 플롯(SSC-FSC). d FSC 히스토그램. 샘플당 2500 이벤트.

QD의 높은 광안정성과 ~40% 양자 수율은 기존 유기 염료와 같거나 더 밝으면서 광표백을 피하는 밝기를 제공합니다. 크기 조절로 여러 색상 인코딩이 가능하여 사실상 무한한 스펙트럼 다중화를 제공합니다.

결론

균일한 크기, 안정적인 표면 전하, 밝은 형광을 가진 PEG화 QD 인코딩 폴리전해질 마이크로캡슐의 재현 가능하고 용매 없는 제조 경로를 입증했습니다. 캡슐은 표준 유세포계와 공초점 현미경으로 쉽게 검출 가능하여, 인비트로 및 인비보 바이오이미징의 강력한 후보가 됩니다. 향후 연구는 자극 반응형 기능화와 테라노스틱 플랫폼 통합을 탐구할 것입니다.

약어

BSA:

소우혈청알부민

EDTA:

에틸렌다이아민테트라아세트산 이나트륨

PAA:

폴리아크릴산

PAH:

양이온성 폴리(알릴아민 염산염)

PEG:

폴리에틸렌 글리콜

PSS:

음이온성 폴리(나트륨 4-스타이렌설포네이트)

QD:

양자점

TOPO:

트리옥틸포스핀 산화물