NCHM :: Research Themes

Research topics at NanoChemistry & Hybrid Materials (NCHM@PKNU)

우리 연구실에서는 DNA(T1), polymer(T2), computation(T3) 세 가지 테마로 아래 연구를 수행합니다.
What we pursue in three research themes specialized in therapeutic biomaterials:
· DNA Synthesis and nanotechnology
· Polymers for bioimaging and targeting
· Nanomaterials modeling and molecular dynamics simulation including AI

Theme I. DNA biomaterials and drug delivery systems - 핵산 생체소재와 약물전달

I-A. 핵산 약물전달 플랫폼 - Nucleic acids drug delivery platform

Drug delivery system (DDS) 설계에 DNA 기반 나노 전달체를 활용해 약물 및 유전자를 안정적으로 운반하고, 치료 효율과 기능 확장성을 동시에 향상시키는 데 목적.

1. Lipid-DNA 기반 자가조립 나노전달체 이용 약물 및 유전자 전달

DNA 서열에 소수성 lipid motif를 도입해, 친수성과 소수성을 동시에 갖는 양친매성(amphiphilic) lipid-DNA를 설계함.
Lipid-DNA는 수용액에서 자가조립하여 micelle 또는 nanoparticle을 형성하며, lipid는 core, DNA는 친수성 corona를 이루어 구조적 안정성을 확보함.
기존 LNP 대비 구조 조절이 정밀하고, DNA, PNA, 형광 dye, 약물 등 기능 모듈을 쉽게 도입할 수 있어 범용 전달 플랫폼으로 확장 가능함.

I-B. DNA 기계화학 - DNA mechanochemistry

DNA를 구조적, 기능성 플랫폼으로 활용하여 외부 자극(특히 초음파) 또는 환경에 반응하는 기능성 생체고분자 소재 시스템을 구현하는 데 목적.

1. DNA 기반 기계화학 플랫폼

DNA를 기계적 힘 전달 매개체로 활용하여 초음파 자극 시 분자 수준의 메카노화학 반응을 유도하는 플랫폼을 제시함.
초음파로 생성된 미세 공동화(cavitation)에 의해 DNA 구조를 따라 힘이 전달되며, 특정 결합 또는 기능성 모듈의 선택적 절단이 일어나는 메커니즘을 규명함.
기존 고분자 메카노포어 시스템 대비 정밀한 구조 설계, 빠른 반응 속도, 높은 재현성과 생체적합성을 강점으로 가짐.
DNA 기반 소재, (예를 들어) 하이드로젤, DNA 나노구조, 또는 나노입자 조립체 등에 통합하여 분자생물학과 메카노화학을 연결하는 힘 반응성 소재의 연구 및 응용을 위한 새로운 과학적·임상적 가능성을 제시.

2. DNA 기계화학 이해를 위한 구조 설계

메카노포어를 DNA 구조 내에 도입하여, 초음파 자극에 의해 발생하는 기계적 힘을 분자 수준의 화학 반응으로 전환하는 DNA 기반 메카노화학 플랫폼을 설계함.
염기서열과 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 DNA의 특성을 활용하여, DNA 구조를 따라 전달되며 특정 결합의 선택적 절단 또는 구조 변화를 유도하는 메커니즘을 분석함.
DNA를 단순한 유전 물질을 넘어 정밀한 힘 전달 매개체이자 반응 제어 플랫폼으로 확장한다는 점에서 의의가 있으며, 향후 DNA 나노구조, 전달체, 힘 반응성 바이오·의료 소재로의 응용 가능성을 제시함.

🔝TOP

T1#1

[107] 10.1016/j.chempr.2025.102920

DNA-mediated force transmission for precise and efficient mechanochemical activation

Chem 2026, 11(June), online.

T1#2

[106] 10.1021/acsnano.5c16539

Receptor-free cellular internalization of DNA micelles driven by membrane interaction

ACS Nano 2026, TBD, online.

T1#3

[104] 10.1039/D5NH00726G

CpG-induced immune responses via DNA micelle, gold nanoparticle, and liposome

Nanoscale Horiz. 2026, 11, 778–785 .

T1#4

[84] 10.1002/adhm.202202358

Suppression of lung cancer malignancy by micellized siRNA through cell cycle arrest

Adv. Healthc. Mater. 2023, 12(11), 2202358.

T1#5

[82] 10.3390/ijms24021592

Structures and applications of nucleic acid-based micelles for cancer therapy

Int. J. Mol. Sci. 2023, 24(2), 1592.

T1#6

[73] 10.1016/j.biomaterials.2021.121081

Carrier-free micellar CpG interacting with cell membrane for enhanced immunological treatment of HIV-1

Biomaterials 2021, 277, 121081.

T1#7

[59] 10.1016/j.jconrel.2019.09.013

Soft matter DNA nanoparticles hybridized with CpG motifs and peptide nucleic acids enable immunological treatment of cancer

J. Control. Release 2019, 315, 76–84.

T1#8

[32] 10.1021/acsbiomaterials.7b00440

Administration of soft matter lipid-DNA nanoparticle as the immunostimulant via multiple routes of injection in vivo

ACS Biomater. Sci. Eng. 2017, 3(9), 2054–2058.

T1#9

[26] 10.1016/j.biomaterials.2016.11.020

Modular delivery of CpG-incorporated lipid-DNA nanoparticles for spleen DC activation

Biomaterials 2017, 115, 81–89.

T1#10

[6] 10.1021/ja101444j

Virus-like particles templated by DNA micelles: a general method for loading virus nanocarriers

J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (23), 7834–7835.

T1#11

[4] 10.1039/C0CC00855A

DNA-functionalised blend micelles: mix and fix polymeric hybrid nanostructures

Chem. Commun. 2010, 46 (27), 4935–4937.

Theme II. Fabrication and application of polymeric nanoparticles - 고분자 나노입자

II-A. Encapsulation

Pluronic F127 micelle 기반 encapsulation을 통해 기능성 분자를 안정적으로 보호하고 성능을 향상시키는 나노플랫폼을 연구함.

1. Engineering stable nanoplatforms based on F127 micelle encapsulation

Pluronic F127 기반 고분자 micelle을 이용한 나노 캡슐화 플랫폼을 중심으로, 소수성·광기능성 분자를 안정적으로 보호하고 성능을 향상시키는 나노소재를 연구함.
기존 micelle 시스템의 구조적 불안정성을 극복하기 위해 semi-interpenetrating polymer network (sIPN)를 micelle core에 도입하여, 열·광·환경 변화에도 붕괴되지 않는 안정한 고분자 나노입자를 구현함.
형광 염료, 자외선 흡수제, 발광 분자 등 다양한 기능성 물질의 광안정성과 효율을 극대화하여 바이오 이미징, 안전한 선스크린, 백색 OLED 소재 등으로 연구를 확장함.

II-B. Programmable Nanoparticle Platform

안정적인 F127 encapsulation을 기반으로 표면과 방출 거동을 제어하여 생체 환경에서의 기능을 정밀하게 구현함.

1. 나노입자 표면 전하 도입

sIPN 도입으로 안정화시킨 고분자 micelle의 표면 전하 밀도를 정밀하게 제어하여 세포 간 상호작용 연구.
전기영동 이동도 분석을 통해 micelle aggregation number를 실험적으로 규명함.
양전하·음전하 나노입자의 세포 흡수 효율 차이를 정량적으로 비교·분석함.

2. 안정적인 약물 전달 플랫폼

항암제 캡슐화 나노입자의 장기 약물 방출 전략을 통해 조기 방출을 억제하고 효능을 유지함.
오일-인-워터 나노에멀젼 기반 플랫폼으로 온도 및 희석 조건 변화에도 안정적인 소수성 항암제 전달 연구.
지속 방출 특성과 세포 독성 감소 효과를 통해 차세대 항암 약물 전달체로서의 가능성 제시.

🔝TOP

T2#1

[89] 10.1007/s13233-023-00191-0

Sustained release of doxorubicin through semi-interpenetrating polymer network-stabilized micelles

Macromol. Res. 2023, 31, 1105–1111.

T2#2

[88] 10.7317/pk.2023.47.5.678

Assessment of near-infrared penetration depth and photothermal efficiency of organic and inorganic materials in tissue-mimicking phantoms

Polym.(Korea) 2023, 47(5), 678–685.

T2#3

[83] 10.5012/jkcs.2023.67.1.68

Polymer nanoparticles containing sunscreen ingredients for UVA and UVB coverage

J. Kor. Chem. Soc. 2023, 67(1), 68–71.

T2#4

[78] 10.1002/bkcs.12528

A convenient platform for real-time non-contact thermal measurement and processing

Bull. Kor. Chem. Soc. 2022, 43(6), 854–858.

T2#5

[76] 10.3390/bioengineering9040170

Rylene dye-loaded polymeric nanoparticles for photothermal eradication of harmful dinoflagellates, Akashiwo sanguinea and Alexandrium pacificum

Bioengineering 2022, 9(4), 170.

T2#6

[66] 10.14226/KSIST.2020.26.04.6

Polymer nanoparticles encapsulating hydrophobically surface-modified CQD and spectroscopic analysis

J. Kor. Soc. Imaging Sci. Technol. 2020, 26(4), 133–140.

T2#7

[58] 10.1080/15421406.2019.1651052

Near infrared dye-encapsulated polymeric nanoparticles with enhanced photostability under hyperthermal condition

Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2019, 687(1), 53–59.

T2#8

[56] 10.1016/j.jiec.2019.08.001

Highly photostable rylene-encapsulated polymeric nanoparticles for fluorescent labeling in biological system

J. Ind. Eng. Chem. 2019, 80, 239–246.

T2#9

[52] 10.1007/s13233-019-7100-x

Phosphate-functionalized stabilized F127 nanoparticles: Introduction of discrete surface charges and electrophoretic determination of aggregation number

Macromol. Res. 2019, 27(7), 657–662.

T2#10

[50] 10.1016/j.jiec.2019.01.007

Dye encapsulated polymeric nanoprobes for in vitro and in vivo fluorescence imaging in panchromatic range

J. Ind. Eng. Chem. 2019, 73, 87–94.

T2#11

[38] 10.1122/1.5009202

Rheological analysis of core-stabilized Pluronic F127 by semi-interpenetrating network (sIPN) in aqueous solution

J. Rheol. 2018, 62(1), 107–120.

T2#12

[34] 10.1080/15421406.2018.1452721

Blending Lumogen-encapsulated nanoparticles as white OLED materials

Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2017, 659, 154–159.

T2#13

[30] 10.7567/JJAP.56.07JF12

Application of organic IR788-loaded semi-interpenetrating network dyes for photoacoustic imaging

Jpn. J. Appl. Phys. 2017, 56, 7S1.

T2#14

[20] 10.7317/pk.2016.40.1.130

Dispersion and stabilization of quantum rod through semi-interpenetrating network formation

Polym.(Korea) 2016, 40 (1), 130–134.

T2#15

[4] 10.1039/C0CC00855A

DNA-functionalised blend micelles: mix and fix polymeric hybrid nanostructures

Chem. Commun. 2010, 46 (27), 4935–4937.

Theme III. Computational science and artificial intelligence - 계산과학과 인공지능

III-A. 분자동역학 시뮬레이션

Molecular dynamics(MD) simulation은 원자 및 분자의 물리적 움직임을 컴퓨터로 계산하여 시뮬레이션을 통해 원자 수준에서 분자 간 상호작용을 분석할 수 있음.

1. 나노구조체의 self-assembly

Amphiphilic 분자(친수성과 소수성을 동시에 가진 분자)는 수용액에서 자발적으로 미셀(micelle), vesicle 등의 나노구조체를 형성함.
lipid-modified DNA가 어떻게 self-assembly를 통해 구형 micelle을 형성하는지, 이 구조가 얼마나 안정적인지를 시뮬레이션으로 분석함.
시뮬레이션을 통한 최적의 분자 조성 및 구조적 특성 예측 가능하며, 효율적인 실험 설계 가이드라인 제시 가능.

2. 세포막 상호작용 메커니즘

시뮬레이션을 통해 나노구조체가 세포막에 어떻게 접근 및 삽입되며, 최종적으로 세포 내로 들어가는 메커니즘을 원자 수준에서 규명함.
Lipid-modified DNA가 세포막에 직접 삽입되어 막(membrane) 곡률을 유도하고, 이를 통해 endocytosis가 촉진되는 과정을 확인함.
메커니즘에 대한 이해는 보다 효율적인 약물 전달체 설계에 핵심적인 정보를 제공함.

III-B. AI for applied sciences - 화학, 소재 분석 및 설계를 위한 인공지능

Machine Learning: 머신러닝은 인공지능(artificail intelligence)을 탑재한 컴퓨터가 데이터로부터 패턴을 학습하는 계산 접근법을 의미하며, 분석화학에서 화합물을 식별할 때 사용하는 패턴 인식과 유사하지만 더 큰 데이터셋과 더 복잡한 문제에 적용됨.

1. 법과학 분석 분야에 머신러닝 응용

2. 생체분자 분석을 위한 스펙트럼 예측

3. 이미지 분석의 농・수산업 적용

🔝TOP

T3#1

[106] 10.1021/acsnano.5c16539

Receptor-free cellular internalization of DNA micelles driven by membrane interaction

ACS Nano 2026, TBD, online.

T3#2

[99] 10.1002/bkcs.70023

Dielectric environment effects on rylene-based organic fluorophores: A quantum mechanical study

Bull. Kor. Chem. Soc. 2025, 45(5), 526–539.

T3#3

[84] 10.1002/adhm.202202358

Suppression of lung cancer malignancy by micellized siRNA through cell cycle arrest

Adv. Healthc. Mater. 2023, 12(11), 2202358.

T3#4

[73] 10.1016/j.biomaterials.2021.121081

Carrier-free micellar CpG interacting with cell membrane for enhanced immunological treatment of HIV-1

Biomaterials 2021, 277, 121081.

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