1. 서론
바다 속 홍합이 바위 표면에 단단히 붙어있고, 바 다 갯지렁이(sandcastle worm)가 젖은 모래알을 이용 하여 집을 지을 수 있는 것은 해양생물에서 분비되 는 특정 접착 단백질 덕분이다(그림 1). 예를 들어, 바다 갯지렁이가 분비하는 접착제는 인산화/황산화 되어있는 음이온성 단백질과 양이온성 단백질의 회 합(complexation)에 의해 형성된다고 알려져 있다.
이렇게 반대 전하를 갖는 거대분자(예를 들어 고분 자 혹은 단백질)가 정전기적 인력으로 회합하여, 물 속에서 상층액(polymer-depleted liquid)과 고분자층 (polymer-rich liquid)으로 액체-액체 상분리되는 현 상을 코아세르베이션(coacervation)이라 한다. 이 때, 고분자층의 회합체를 코아세르베이트(coacervate) 라고 한다(그림 2). “Coacervate”라는 용어는 1930년 Bungenberg de Jong과 Kruyt에 의해 단백질과 다당류 를 이용한 시스템에서 최초로 정립되었고,[1] 이 코 아세르베이션 현상에 대한 관심은 진핵세포 내에서
구획화(compartmentalization) 현상을 발견하면서 가 속화되었다[2]. 세포 내에서 세포막이 없는 상태로 단백질과 RNA가 밀집되어 있는 세포 소기관이 발견 되었는데, 이 세포 내 구획화 현상은 올리고뉴클레 오티드(oligoneucleotide)와 단백질 간의 상호작용에 의한 액체-액체 상분리 현상으로 알려져 있다. 해양 생명체의 수중 접착 현상이 코아세르베이션과 밀접 한 관련이 있음이 밝혀진 후로, 자연계에서 일어나 는 코아세르베이션을 이해하기 위한 기초 연구와 더 불어 실제 산업에 코아세르베이트를 이용하기 위한 다양한 응용 연구가 활발히 진행되고 있다[3-6].
코아세르베이트를 형성하는 구동력은 수용액 상 에서 반대 전하를 갖는 고분자 전해질간 정전기적 인력과 고분자 전해질에 붙어있던 상대이온(counter kimso7575@snu.ac.kr, shchoi@hongik.ac.kr
그림 2. 액체-액체 상분리 현상에 의한 코아세르베이트의 형성.
그림 1. (좌) 홍합이 기판에 붙어있는 모습과 (우) 모래 알갱이를 이어붙여 만든 갯지렁이의 집.
ion)을 방출하면서 얻어지는 엔트로피 이득이다. 정 전기적 상호작용은 공유결합에 비해 결합력이 상대 적으로 약한 가역반응이기 때문에, 온도, pH, 이온 세기(ionic strength) 등 외부 자극에 따라 코아세르베 이트의 형성과 해리가 가역적으로 변한다. 예를 들 어, 수용액의 pH에 따라 고분자전해질의 이온화도 (degree of ionization)가 조절되기 때문에, pH가 변하 면 고분자전해질의 전하 밀도가 변하고 coacervate의 형성에 영향을 미친다. 또한, 수용액의 이온세기에 따라 정전기적 상호작용이 조절 될 수 있고, 임계 염 농도(critical salt concentration) 이상에서는 코아세르 베이트가 형성되지 않는다.
코아세르베이트의 다양한 외부 자극 감응성은 수 용액상에서 구조재료로 응용되는데 큰 장점이 있다.
최근 블록고분자전해질을 이용하여 전하를 갖고 있 는 고분자 블록의 위치나 농도, 비율을 변화함으로 써 코아세르베이트를 이용한 다양한 나노구조체(예 를 들어, 마이셀 혹은 하이드로젤)를 형성하고, 이를 응용하는 연구가 증가하고 있는 추세이다(그림 3).
본 하이라이트에서는 코아세르베이트를 기반으 로한 재료를 소개하고, 그 응용분야를 확장시키는데
필요한 기초 연구들을 유변물성을 중심으로 소개하 고자 한다. 마지막으로 코아세르베이트의 응용분야 에서 유변물성이 갖는 의미를 최근 연구동향을 통해 소개하고자 한다.
2. 본론
2.1 산업에서 이용되는 코아세르베이트 기반의 재료
앞서 서론에 언급한 바다 갯지렁이, 홍합에서 볼 수 있듯이 수중 환경에서도 분해되지 않고 우수한 접착성을 유지하는 코아세르베이트의 성질은 수술 용 봉합사를 대체하는 의료용 접착제 개발에 많이 이용되고 있다[7, 8]. 생체조직을 접합하기 위해 기존 에 사용하던 봉합사는 체액 누수로 인한 감염의 위 험성, 연약한 조직에 사용하기 어려움 등의 단점이 있었으며, 이를 보완하기 위해 개발된 다른 의료용 접합제 또한 수중 환경 내 접착력 저하, 화학적 성질 로 인한 염증 문제 등의 한계가 있었다. 반면, 생물 에서 분비되는 단백질을 모사하여 개발한 의료용 수 중접착제는 인체에 무해하고 낮은 계면 장력을 가지 고 있어 얇은 관을 통해서도 주입이 쉽다는 장점을
그림 3. 고분자에 따라 다양한 architecture로 형성되는 코아세르베이트(Whitney et al., 2016, WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology 발췌).
송하는 전달체로써의 가능성도 주목받고 있다[10- 13]. 기존 약물 전달체와 달리 코아세르베이트를 기 반으로 한 약물전달체는 전하를 갖는 친수성 고분 자를 사용하므로, 전하를 갖고 있거나 친수성 약물 을 담지할 수 있고, 유기용매의 사용이 없다는 장점 이 있다. 약물 전달뿐만 아니라 RNA, DNA, 맛, 향, 무기금속 입자 등을 담지하고 전달하는 데에도 응용 되고 있다[14-17]. 예를 들어, MRI를 촬영할 때 영 상의 해상도를 높이기 위해 주로 란탄 계열의 이온 gadolinium(III), europium(III)이 사용되는데, 이 때 각 이온들을 원하는 비율만큼 정확히 담지하고, 운반 체 안에서 이온들이 고르게 분포되어야 한다. 기존 에 사용하던 나노 입자 기반의 전달체는 담지하고자 하는 이온의 양과 비율을 조절하기 어려웠고, 운반 체 내에서 같은 종류의 이온들끼리 뭉쳐있는 경향을 보였다. 반면 코아세르베이트 기반의 운반체를 사용 할 경우, 원하는 양과 비율의 이온들을 까다로운 공 정없이 비교적 쉽게 담지 할 수 있으며, 내부에서 이 온이 고르게 분포하게 할 수 있는 장점을 갖는다[17- 22](그림 4). 또한 식품이나 화장품에서 코아세르베 이트는 외부 열이나 빛, 수분 등에 의해 맛/향/영양 소가 파괴되지 않도록 보호하고, 담지하고 있는 물 질의 방출을 조절하는 역할을 할 수 있다. 이 외에도 식품첨가물, 식품 유화제, 점도 개선제 등으로 사용 될 수 있어 그 응용 영역이 넓다[30].
응용분야의 확대를 위해서는 재료 및 상황에 따라 요구되는 성질(예를 들어, 안정한 회합체 형성 및 특 정 환경에서 회합체 분리)을 조절하는 방법을 열역학 적 관점에서 이해할 수 있어야 하며, 다양한 환경에 서 코아세르베이트의 유변물성을 이해해야 한다.
주 응용되며 최근까지 활발히 연구되고 있다[26-28].
Chai연구팀은 잘 알려져 있는 단백질 소혈청알부민 (Bovine serumm albumin, BSA)과 음이온성 다당류인 카라기난(κ-carrageenan)을 사용하여, pH와 이온 세 기에 따라 변화하는 코아세르베이트의 유변물성(예 를 들어, 탄성률(modulus))을 비교하는 연구를 진행 한 바 있다[29].
점탄성을 갖는 고분자의 경우 넓은 시간대에 서 유변물성을 이해하기위해, 일반적으로 time- temperature superposition을 이용한다. 즉, 같은 구조 를 갖는 고분자의 경우, 고분자 동역학과 상호작용 은 온도와 밀접한 연관성이 있음을 알 수 있다. 코아 세르베이트의 경우 고분자전해질 간 상호작용은 수 용액의 이온세기에 큰 영향을 받기 때문에, 고분자 동역학 역시 수용액의 이온세기와 밀접한 연관성이
그림 4. 코아세르베이트 마이셀 코어 안에 고르게 담지된 Gd3+, Eu3+이온 (Wang et al., 2013, Chemical Communications 에서 발췌22))
있다. Spruijt 연구팀은 합성 고분자전해질로 이루어 져 있는 코아세르베이트 시스템에서 여러 염 농도에 따라 탄성률을 측정하고 time-salt superposition 기법 을 제안하고, 이를 바탕으로 고분자 전해질의 동역 학을 분석하였다(그림 5). 이를 통해 실험으로 측정 하기 힘든 영역의 주파수/시간에서 코아세르베이트 의 유변물성을 측정할 수 있고, 각 농도마다 중첩시 킬 때 얻어진 환산 인자(shift factor, tＴ)를 통해 고분 자의 완화 시간(relaxation tie) 등의 물리적 성질에 대 한 정보를 얻을 수 있다[31, 32]. 회합체의 이온 결합 은 외부 염 농도가 높아질수록 약해지기 때문에 탄 성률은 염 농도가 높을수록 감소하는 것을 확인하였 고, 외부 전단응력(shear stress)에 의해 파괴된 고분자 전해질간의 이온 결합이 다시 형성되는 시간으로 해 석될 수 있는 완화 시간은 염 농도가 낮고 고분자 길 이, 즉 전하를 갖는 단량체가 많아질수록 길어지는 것을 확인하였다.
현재 코아세르베이트의 유변물성에 대해서는 많 이 알려진 바가 없으며, 특히 실험 데이터의 부족으 로 제안된 이론의 확인 및 검증이 어려운 상황이다.
2.3 코아세르베이트 기반 응용분야에 연구된 유 변학적 성질
코아세르베이트는 체계적으로 잘 정의된 이전의 연구들을 바탕으로 2.1에서 소개한 다양한 실제 산업 에 응용되었다. 응용분야마다 요구되는 물리적 성질 이 다르고 적용되는 환경에 따라 물성이 변하기 때문 에, 재료 특성의 변화를 잘 이해하고 모델링하는 것
은 보다 진보된 재료를 만들기 위해 필수적이다.
Tiwari 연구팀은 단백질을 이용한 코아세르베이 트 안에 살부타몰황산염(Salbutamol sulphate) 약물 을 담지하도록 하였는데 이때 하나는 코아세르베이 트가 물에 분산되어 있는 상태에서 약물을 첨가하는 방법(그림 6에서 “before” 샘플)을 사용하였고, 다른 하나는 원심분리를 통해 코아세르베이트만 수집한 후 약물을 첨가하는 방법(그림 6에서 “after” 샘플)을 사용하였다. 그리고 약물을 담지하기 전의 코아세르 베이트와 before, after 샘플에 대해 탄성률을 측정하 였다[33] 그림 6에 나타난 n′과 n″은 G′ ~ ωn′과 G′ ~ ωn″에서 피팅을 통해 나온 값이다. 측정 결과 담지된 약물이 코아세르베이트의 저장탄성률을 현저히 떨 어트린다는 것을 확인하였다. 이는 약물이 담지되면 서 코아세르베이트 네트워크가 무너졌음을 의미하 며, 그 정도가 샘플마다 다른 것으로 보아 무너지는 정도는 약물 로딩 방법에 따라 달라질 수 있음을 예 상할 수 있다. 또한 증가한 손실탄성률을 통해 코아 세르베이트의 유동성이 약물이 담지됨에 따라 좋아 졌음을 알 수 있다.
외부 전단응력에 의해 그 네트워크가 무너져도 다시 회합체를 형성할 수 있다는 점에서 코아세르 베이트는 자기 회복 작용(self-healing)과 구조 회복 (structural recovery)의 분야에도 응용될 수 있다. 자기 회복능력은 응력을 가했다가 풀면서 돌아오는 저장 탄성률을 통해 측정할 수 있다(그림 7). Qazvini 연구 팀은 젤라틴과 층상실리케이트(layered silicates)의 일 종인 몬모릴로나이트를 섞어 코아세르베이트를 만
그림 5. 코아세르베이트에 염농도를 바꾸어가며 (a)로부터 완성한 time-salt superposition 마스터 커브(b). (c)고분자 길
이에 따라 형성된 코아세르베이트의 환산 인자 (Spruijt et al., 2013, Macromolecules에서 발췌
31)).
들었다[34]. 몬모릴로나이트는 혈액응고작용을 한다 고 알려져 있어 의료용 뿐만 아니라, 조직공학(tissue engineering)에도 사용되는 물질이고, 따라서 높은 내 구력이 필수적인 요소이다. 이 연구팀은 코아세르베 이트에 100%의 전단 변형(oscillatory shear strain)을 1 분 동안 가한 후, 돌아오는 저장탄성률을 측정하였 다. 초기값보다 감소하긴 하였지만, 변형 이후 회복 된 코아세르베이트는 최고 2,000 Pa정도의 높은 탄성 률을 보였다(그림 7). 순간적인 구조 변형으로 낮은 점성을 보이다가 외력이 제거되면 다시 탄성을 보이 는 이 코아세르베이트의 자가 회복 특성은 결과적으 로 견고한 물성을 지니지만 가공 과정에서 낮은 점 성을 보여 가공을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있 어 재료로 이용되기 적합하고 볼 수 있다.
Hawker 연구팀은 서로 다른 전하가 도입된 ABA 타입의 삼중블록 공중합체를 사용하여 고분자농도 에 따른 자가조립구조를 분석하고, 구조에 따른 전 단 탄성률을 측정하였다(그림 8). 15wt% 이하의 농 도에서 무질서한 구형 구조, 15wt%~25wt% 사이에서 BCC구조를 보였으며 25wt% 이상에서 육각 구조로 배치된 실린더 형태를 보였다. 초기 저장/손실 탄성 률은 무질서한 구형, 실린더, BCC구조 순으로 높아 졌으며, 이는 실린더를 사이를 이어주는 고분자 사 슬이 실린더 축을 따라 액체와 비슷한 움직임을 보 일 수 있기 때문에 무질서한 구조보다는 큰 탄성률
을 보이지만 BCC구조보다는 낮은 탄성률을 보인다 고 설명할 수 있다[35]. 여기에 구조 회복 능력을 보 기 위해 100%의 전단 변형을 주고 회복되는 탄성률 을 분석 한 결과, BCC와 무질서한 구형의 구조를 갖 는 경우 변형 후 평형상태에 도달하기까지 탄성률이 초기보다 점차 증가하는 반면 실린더 구조를 갖는 경우 변형 후 탄성률이 확연히 감소하였다[36] (그림 8). 실린더 구조의 경우, 전단응력이 가해진 방향으 로 실린더가 평행하게 align되면서 구조 회복 능력이 떨어지는 것으로 유추할 수 있다. 구조에 따라 탄성 률이 변하는 것 또한 코아세르베이트 기반의 재료를
그림 6. 왼쪽은 약물 담지 전(no drug), 서로 다른 방법으로 약물을 담지하고 있는 코아세르베이트(drug before, after)의 저장탄 성률(storage modulus)을 나타낸 모습이고, 오른쪽은 손실탄성률(loss modulus)을 나타낸 모습니다. (Tiwari et al., 2009, Biomacromolecules에서 발췌34)).
그림 7. 100% 전단 변형(oscillatory shear strain)에 가한 후 노말 라이즈된 저장탄성률을 측정한 결과 (Tiwari et al., 2009, Biomacromolecules에서 발췌35)).
마련하는데 유용한 특성이 될 수 있다.
3. 결론 및 전망
코아세르베이트는 자극과 환경에 따라 가역적인 상거동을 보이며, 물을 기반으로 형성되어 독성이 적고, 계면 장력이 낮아 쉽게 주입, 적용이 가능하다 는 장점이 있다. 또한 합성 고분자 뿐만 아니라 단백 질, 다당류 등의 천연 고분자를 이용해서도 코아세 르베이트를 형성될 수 있어 식품이나 인체에 사용하 는데 적합하며, 물 속 접착제, 물질을 전달하고 보호 하는 담지체로써도 그 응용 가능성이 주목받고있다.
코아세르베이트의 복잡한 상 거동에 대한 열 역학 지식과, 분자 움직임에 대한 특성 시간 규모 (characteristic time scale) 등 유변학적 변수를 통해 얻 은 동역학을 연결 짓는 것은 재료를 개발하는 데 중 요한 단계이다. 따라서 코아세르베이트의 형성과 관 련된 다양한 변수, 특히 물질 자체의 구조 및 화학적 성질에 관한 체계적인 연구가 요구되고 있으며, 나 아가 코아세르베이션 현상에 대한 더 상세한 이론과 모델을 구축하여 그 응용가능성을 더 확대할 수 있 을 것으로 기대한다.
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