바이오인

나노기술 기반 약물 전달 시스템

◈ 목차

1. 서론

2. 본론

2.1. 나노입자의 분류

2.1.1. 유기물 기반 나노입자

2.1.2. 무기물 기반 나노입자

2.1.3. 탄소 기반 나노입자

2.2. 의약품 적용

2.2.1. 약물전달

2.2.2. 의약품 개발

2.3. 투여경로 및 질환에 따른 응용

2.3.1. 항암제

2.3.2. 눈

2.3.3. 비강 및 폐

2.3.4. 피부

2.3.5. 뇌신경계

2.4. 의료기기 적용

2.4.1. 조직공학

2.4.2. 진단용

2.5. 나노기술의 위험 및 제한요소

2.5.1. 위험요소

2.5.2. 제한요소

3. 결론

4. 맺음말

5. 참고문헌

◈본문

1.서론

나노기술은 보건, 화학, 약학, 광학, 공학 등 기존 분야에 적용되어 새로운 물질 특성을 부여할 수 있는 플랫폼 기술이다. 최근 나노기술과의 결합으로 보다 효과적인 의학적 도구와 치료 접근법을 제공함으로써 의약 분야를 향상시키고 있다 [1]. 나노기술은 미립자 물질을 10 nm에서 100nm 사이의 물리적 상태로 제조하여 향상된 기능을 갖춘 나노 시스템으로 재배열하거나 재조립할 수 있는 기술을 의미한다 [2]. 기존 물질과 비교할 때 높은 표면적과 나노 크기의 강화된 특성으로 의약 용도의 특징적인 특성을 가능하게 한다. 나노기술이 적용되어 다양한 임상적 이점을 지닌 다양한 나노크기의 물질들이 연구되었다. 또한, 금속 나노입자를 포함한 새로운 나노재료를 이용한 나노입자가 의학분야에서 주목을 받아왔으며 폴리머, 미셀, 덴드리머, 리포솜, 에멀젼, 나노캡슐 등과 같은 나노기술을 이용한 나노입자들이 연구되고 있다. 나노기술은 2020년까지 세계적으로 약 3조 달러에 달하는 매출액을 나타낼 것으로 추산되며 화학, 의학, 물리학 및 공학 분야와 접목하여 나노입자의 독특한 물리화학적 특성을 부여하여 성장하고 있다 [3]. 

나노기술에서 가장 유망한 적용 분야 중 하나는 약물 전달로써 나노입자를 신체의 특정 세포나 조직에 약물을 전달하는 운반체로 사용할 수 있다. 나노입자는 건강한 세포를 피하면서 질병에 걸린 세포를 선택적으로 표적으로 삼을 수 있는 특정 표면 특성을 가지도록 설계될 수 있으며, 이는 효능을 높이고 약물의 부작용을 줄일 수 있다. 또한, 나노입자는 활성물질 방출을 제어하도록 설계되어 시간이 지남에 따라 지속적인 약물 전달이 가능하도록 할 수 있다 [4]. 또한, 나노입자는 의료 영상의 조영제나 생물학적 샘플에서 특정 생체분자의 검출과 같은 진단 목적으로도 사용될 수 있으며 재생 의학에서 나노물질은 조직 공학을 위한 지지체로 사용될 수도 있고 조직 복구 및 재생을 촉진하는 성장 인자 및 기타 신호 분자의 운반체로 사용될 수도 있다 [5]. 나노기술이 적용된 의약품은 엄청난 수의 출판물과 상용화된 제품(약 90개의 승인된 나노의약품)을 통해 발전 중이다나노의약품인 Vyxeos와 siRNA가 탑재된 지질나노입자 기술인 Onpattro(다발성 신경병증 치료용)가 승인되었다. 또한, 2005년부터 FDA는 나노의약품 개발을 촉진하기 위해 나노의학 등록 프로세스를 간소화하였다 [6]. 또한, 많은 연구자들은 임상시험을 통해 미셀, 단백질 기반 나노입자, 다양한 무기 및 금속 입자 등 보다 효율적인 물질을 개발 중이다. 본문에서는 영상, 진단, 표적 약물 전달 시스템 및 인간 질병에 대한 효과적인 치료 전략에 나노기술을 이용되는 사례를 통해서 나노기술의 중요성을 다룬다. 또한, 나노기술과 관련된 위험과 제한요소에 대해서도 다루고자 한다.

2.본론

2.1 나노 입자의 종류

나노입자는 크기, 형태, 상태, 화학적 조성에 따라 분류된다. 나노입자는 약 10~100 nm 크기의 입자 형태의 물질을 포함하는 나노기술 기반의 물질이다. 일부 연구에 따르면 이러한 물질의 크기는 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag) 및 팔라듐(Pd)과 같은 물질의 물리화학적 시각화(광학 특성)에 영향을 미칠 수 있다. 나노입자는 다음의 세 가지 구조적 부분으로 살펴볼 수 있다. 첫째, 다양한 소분자로 기능화될 수 있는 표면층과 둘째, 중심부분과 달리 화학적으로 다양한 물질들로 구성될 수 있는 껍질층. 마지막은 질적으로 나노입자 그 자체로 불려지는 중심 부분이다. 나노입자의 화학적 특성에 따라 다음의 유기, 무기 및 탄소 기반 나노입자로 분류될 수 있다 [7].

2.1.1. 유기물 기반 나노입자

유기물 기반 나노입자는 덴드리머, 미셀, 리포솜 또는 폴리머를 비롯한 물질들의 분자의 자가 조립을 위해 비공유 상호작용으로 제조된다. 이러한 나노입자는 생분해성 및 무독성 특징을 지닌다[8].

1) 고체지질 나노입자(Solid Lipid Nanoparticles): 고체지질 나노입자의 크기는 50-1000 nm 범위이며 고체지질을 물에 녹이고 유화제를 첨가하여 안정화된 용액을 형성함으로써 제조된다. 열에 취약한 약물, 물리화학적 적합성이 낮고 약동학적 프로필이 낮은 약물은 고체지질 나노입자를 사용하여 전달될 수 있다 [9].

2) 리포좀(Liposome): 리포좀은 약물과 같은 생리활성 물질을 운반할 수 있는 수성 코어를 둘러싸고 있는 지질 이중층으로 구성된 구형 소포이다 [10].

3) 덴드리머(Dendrimer): 덴드리머는 설탕, 뉴클레오티드 및 아미노산을 사용하여 제조된 코어에서 유래된 부분으로 구성된다 [11].

4) 고분자 나노입자(Polymeric nanoparticles): 고분자 나노입자는 생분해성 고분자로 구성된 콜로이드 입자로 나노캡슐과 나노스피어의 두 가지 형태로 존재할 수 있다. 나노캡슐은 고분자막으로 캡슐화된 액체 코어(기름 또는 물)에 약물을 용해 또는 분산시켜 제조되며 나노스피어는 고분자 매트릭스에 약물을 포집하여 제작된다 [12].

5) 고분자 미셀(Polymeric micelles): 고분자 미셀은 수성 매질에서 양친매성 이중 또는 삼중 블록 공중합체를 사용하여 자가 조립되는 구형 입자이다 [13].

6) 나노겔(Nanogel): 나노겔은 친수성 또는 양친매성 고분자 사슬을 가교시켜 얻은 3D 나노입자로, 수소결합, 염결합 형성 또는 소수성 상호작용을 통해 약물을 봉입하는 데 사용할 수 있다 [14].

7) 바이러스 기반 나노입자(Virus-based nanoparticles): 바이러스 기반 나노입자는 단백질, 펩타이드, 핵산 및 약물을 캡슐화할 수 있는 자기 조립을 통해 제조된 단백질 케이지이다 [15].

2.1.2. 무기물 기반 나노입자

무기 나노입자는 탄소 골격으로 구성되지 않고 주로 금속 이온(Al, Cd, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ag 및 Zn)과 금속 산화물이 무기 나노입자의 형성에 관여한다. 무기 나노입자는 크기(10 nm~100 nm), 높은 표면적 대 부피 비율, 기공 크기, 표면 전하 및 표면 전하 밀도, 결정질 및 비정질 구조, 구형 및 원통형 모양과 같은 다양한 독특한 특성을 가지고 있다 [16].

1) 메조다공성 실리카 나노입자(mesoporous silica nanoparticles): 메조다공성 실리카 나노입자는 벌집 모양과 유사한 구조를 가진 실리카 물질로 서로 다른 기공 크기로 구성된 다양한 크기로 합성될 수 있다. 졸-겔 공정은 실리콘 알콕시드 전구체의 가수분해 및 축합을 포함하여 나노입자 합성에 일반적으로 사용되는 방법이다 [17]

2.1.3. 탄소 기반 나노입자

탄소 기반 나노입자는 주로 탄소 입자로 만들어진다. 탄소 기반 나노입자는 화학적 안정성, 전도성 및 열적 특성을 포함한 특징적인 화학적, 물리적, 기계적 특성을 보여준다. 탄소 기반 나노입자는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 풀러렌, 그래핀, 카본블랙 등으로 분류될 수 있다.

1) 탄소나노튜브(Carbon nanotubes): 탄소나노튜브는 직경이 나노크기이고 길이가 직경의 1000배인 튜브형 구조로 그래핀 시트를 접어서 제조된다. 탄소나노튜브는 유연하고 전기 전도성과 생체 적합성을 가지고 있다. 복합제 성질 강화, 뼈 성장용 지지체 등 다양한 용도로 사용된다 [18].

...................(계속)

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