새로운 피부 침투형 광의학 플랫폼인 HA-PCL/UC 나노입자의 혁신적 개발
성과 · 2025-01-02 · 조회 83
논문명 : 경피전달을 위한 수분산성 및 생체적합성 고분자 기반 유기 상향전환 나노입자
저자 : 박정민(부산대학교), 최혜은(부산대학교)
저널 : 생체재료 연구
연구 개요
광의학은 다양한 치료에 빛을 활용하는 획기적인 접근 방식으로 주목 받고 있다. 빛의 파장에 따라 특정 효과를 유도할 수 있으나 단파장의 조직 침투 제한성과 장파장의 반응 활성화 부족이라는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 광자 에너지 업컨버전(UC) 기술이 등장했으며, 낮은 에너지 광자를 높은 에너지 광자로 변환하는 이 기술은 생체 이미징, 광열 치료, 약물 전달 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크다.
그러나 기존의 Lanthanide(Ln)-기반 inorganic UC 나노입자는 높은 레이저 출력 필요성, 낮은 양자 효율, 잠재적 독성 등 여러 문제점이 있다. 이에 따라 최근에는 triplet–triplet annihilation UC(TTA-UC) 기반의 유기 나노입자가 대안으로 떠오르고 있다. 이번 연구에서는 이를 바탕으로 히알루론산(HA)-결합 폴리카프로락톤(PCL) 기반 UC 나노입자(HA-PCL/UC NPs)를 개발하였다.
연구 내용
HA-PCL/UC 나노입자는 TTA-UC 특성을 가진 크로모포어를 탑재하여 적색광(635 nm)을 청색광(470 nm)으로 변환할 수 있는 특성을 가지고 있다. 이를 통해 피부 조직 깊숙이 침투하여 비침습적 경피 약물 전달 시스템(TDDS)의 가능성을 보여주었다.
- 나노입자 설계와 특성화
- 유기 크로모포어인 PdTPBP(감광제)와 페릴렌(수용체)을 사용하여 HA-PCL 나노입자에 로딩.
- HA는 입자의 수분 분산성을 높이고 피부 침투 효율을 향상시킴.
- TEM 분석에서 입자는 구형이며, 평균 크기는 약 280 nm로 확인.
- 광학적 성질
- 635 nm 적색광에 의해 청색광으로 변환되는 업컨버전 현상 확인.
- HA-PCL/UC NPs는 수용액 상태에서 1.6%의 높은 UC 양자 효율을 기록하며, 이는 기존의 UC 나노입자 대비 78% 향상된 수치.
- 생체 적합성과 세포 내부화 효율
- HeLa 세포와 L929 세포를 대상으로 한 생체 적합성 실험에서 독성이 거의 없음을 확인.
- HA를 통해 CD44 수용체에 결합하여 세포 내부화 효율을 크게 향상.
- 경피 전달 및 침투 평가
- 돼지 피부 모델을 이용한 실험에서 HA-PCL/UC NPs가 피부 각질층(Stratum Corneum)을 넘어 진피층(Dermis)까지 침투 가능성을 확인.
- 이는 HA의 뛰어난 보습력과 친수/친유성 특성이 피부 침투를 촉진한 결과로 분석.
연구 결과
HA-PCL/UC NPs는 기존 TDDS의 한계를 뛰어넘으며, 광의학 분야에 혁신적인 가능성을 제시하였다. HA의 도입으로 피부 장벽을 효율적으로 넘을 수 있는 비침습적 플랫폼을 제공하며, 기존 정맥 주사 방식의 부작용을 최소화하였다. 고해상도 이미징을 통해 암 진단 및 치료 모니터링에 활용하여 생체 이미징에 활용할 수 있고 특정 파장에서 약물 방출을 유도한 정밀 치료의 가능성을 보였다. 또한 깊은 피부 조직까지 에너지를 전달하여 종양 및 감염을 치료할 수 있는 광역학 치료(PDT)로써의 가능성을 제시하기도 했다. 효율성수용액에서의 안정성과 높은 UC 효율은 상용화 가능성을 크게 높이는 요인으로 평가할 수 있다.
기대 효과와 미래 연구 방향
이 연구는 TTA-UC 기반의 유기 나노입자를 활용한 첫 번째 비침습적 광의학 플랫폼으로, 기존 무기 UC 나노입자의 한계를 극복하며 피부과와 광의학의 융합 가능성을 열었다. HA-PCL/UC NPs의 장기 안정성 및 생체 내 대사 경로 분석을 통하여 응용의 범위를 확대시킬 수 있다.
결론
HA-PCL/UC 나노입자는 경피 약물 전달과 광의학 치료를 결합한 혁신적 플랫폼으로, 피부 깊숙한 곳까지 효과적인 에너지 전달과 치료를 가능케 한다. 이 연구는 향후 광의학과 피부과학의 융합 분야에서 새로운 치료법 개발의 초석이 될 것으로 기대된다.