외부자극에 감응하는
지능형 자기조립 나노트랜스포머
Intelligent Nanostructured Transformer Based on the Self-Assembly of Stimuli-Responsive Molecules
김인혜ㆍ이나은ㆍ이은지 | Inhye KimㆍNaeun LeeㆍEunji Lee Graduate School of Analytical Science and Technology, Chungnam National University,
Daehak-ro 99, Yuseoung-gu, Daejeon 305-764, Korea E-mail: [email protected]
김인혜
2012 충남대학교 화학과 (학사) 2012-현재 충남대학교 분석과학기술대학원
(석사과정)
이나은
2012 충남대학교 화학과 (학사) 2012-현재 충남대학교 분석과학기술대학원
(석사과정)
이은지
2002 연세대학교 화학과 (학사) 2005 연세대학교 화학과 (석사) 2009 연세대학교 화학과 (박사)
2009-2010 서울대학교 BK21 사업단 (박사후 연구원)
2010-2011 미국 University of Massachusetts, Amherst 고분자 공학과 (박사후 연구원) 2011-현재 충남대학교 분석과학기술대학원 조교수
1. 서론
외부자극에 응답하는 생체 시스템은 자연계에서 얻을 수 있는 가장 복잡하고도 신비로운 모방계가 아닐까?
끊임없는 환경 변화를 자극으로 받아들이고 적절하게 반응하여 자신을 보호하고 안정적인 생명활동을 영위하 는 것은 살아있는 생물이 가지고 있는 가장 근본적인 성질임은 물론, 이러한 생체물질의 기본 구조와 체계, 기능 그리고 다중 변화응답 메카니즘은 기존의 과학적, 공학적 한계를 극복할 수 있는 새로운 기능성 소재 및 소자 개 발의 중요한 동기로 과학자들에게 창의적 연구주제를 제공해 주고 있다.1 구조의 정교함, 계층적인 형태변화, 혼 성화, 외부저항력, 소형화 등이 그 예라고 할 수 있겠다.
더불어 나노기술의 발전에 따라 분자의 자기조립 현상 규명에 관한 기초과학 연구는 관련 소재개발 공정에 자기자발성, 자연모방성과 같은 이점을 부여하여 저가공정, 친환경 공정 등이 가능하게 한다는 점에서 매우 중 요하게 인식되고 있으며, 무엇보다도 나노물질의 근본이 되는 일차원 또는 이차원적 구조적 특성이 새로운 물 리·화학적 특성을 유발한다는 점에서 신소재 및 고효율 소자개발을 위한 매력적인 연구분야임은 틀림없다. 물 질의 기본구성요소인 분자들은 원자들 간의 공유결합 외에 수소결합, 반데르발스 인력, 정전기적 인력 등의 분 자간 비공유 결합을 가질 수 있는데 이는 공유결합에 비해 휠씬 미약하지만 동시다발적으로 작용할 경우 비교 적 강한 결합력을 보여주기에 계층적인 분자 집합체, 초분자를 형성할 수 있고, 따라서 이를 응용한 초분자 자기 조립 나노소재 제조기술은2 대표적인 bottom-up 나노기술로서 정밀한 공정을 위해 전자재료, 에너지 및 바이 오 재료까지 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 무엇보다도 최근 부각되고 있는 자기조립 나노물질의 가장 큰 장점
(b) (a)
그림 2. (a) 나노구조체 형성 자극응답성 고분자의 예, (b) 용액상 자극감응 고분자의 가역적인 구조적 전이.6 그림 1. 감응형 고분자에 영향을 끼치는 자극의 분류.4
은 공유결합력을 이용한 제조법과는 달리 가역적인 소재 특 성 변화를 유도할 수 있다는 점이다.3 특히, 다양한 비공유 결 합력의 효과적인 조합을 통해 온도, 수소농도(pH), 빛, 전기·
자기장, 화학물질, 이온강도(ionic strength) 등에 반응하는 자기조립 집합체는 형태, 표면 특성, 용해도, 복잡한 자기조 립, 졸-겔 반응의 변화 또는 다중 응답성 등을 유도할 수 있 고, 소재개발에 있어서 재활용, 자가손상 치료, 다기능성 등 의 장점을 부여해준다(그림 1).4 즉 약물전달, 조직재생학, 센 서 및 전기전자 소자 구동 등에 응용 가능한 외부자극 응답 성 소재개발의 주요 플랫폼인 것이다.
이러한 자극 응답성 소재개발을 위해 자기조립 초분자 나
노구조체 연구에서 고려해야 할 것은 어떻게 분자들이 자기 조립 될 수 있는가와 외부변화에 따라 어떻게 자가변환될 수 있는가이다. 현재 수준에서 자연계의 자기조립 초분자처럼 스스로 복잡한 구조 변화를 유도하고 기능성을 확보하는 시 스템을 완벽하게 재현할 수는 없지만 이를 모방하여 단순화 시키고 분자간 인력을 제어하여 활용할 수 있다면 소재 특성 을 예측할 수 있는 신기능성 지능형 물질 개발은 가속화 될 것이다. 예를 들어, 유기 고분자의 coil-globule 전이를 속도 론적 또는 열역학적으로 제어하기 위해서는 조성과 기하구 조의 변화 등이 필요함이 알려져 왔다.5 이를 기반으로 현재 는 크게 박막과 액상 나노입자 부문으로 나뉘어 외부자극 감 응성 고분자에 관한 연구가 지속되고 있다(그림 2).6 박막 소 재의 경우 자극에 따라 표면의 젖음성, 투과성, 접착성, 기계 적 광학적 특성 등의 변화를 가역적 유도하거나, 화합물 방출 제어에 대한 연구가 진행되고 있으며, 액상 나노입자의 경우 촉매, 센서, 반응 용기, 약물방출, 진단 등에 응용 가능하도록 입자의 안정성 및 구조적 전이에 대해 연구가 진행되고 있으 나 용액 내 자기조립 집합체의 변화무쌍한 움직임으로 인해 자극에 반응하는 움직임 제어와 관측이 어려운 편이다. 따라 서, 기존의 자기조립형 합성 유기고분자의 경우 용액상 나노 입자를 형성하더라도 제한된 화학적 인자로 인해 주변의 자 극에 둔감하거나, 비가역적인 반응을 보였고 화학적 물리적 성질의 변화 예측이 어려워 개질화를 통한 소재 개발 다양성 이 국한적이였다고 볼 수 있다.
Type of interaction or bonding Strength (kJ mol-1) Covalent bond
Coulomb Hydrogen bond
100-400 250 10-65 Ion-dipole
dipole-dopole Cation-π
50-200 5-50 5-80
π-π 0-50
van der Waals forces hydrophobic effects
metal-ligand
<5 difficult to assess
0-400 표 1. 분자 결합력 크기 비교7
따라서, 본 총설에서는 지능형 기능성 소재 및 소자 개발 의 근본이 될 외부자극에 가역적으로 감응할 수 있는 유기 고분자의 다양한 설계 및 용액상 자기조립 나노구조체의 형 상학적 화학적 변화를 소개하고자 한다. 특히, 유기 고분자 중 용액 내 자기조립이 용이한 로드-코일 양친매성 분자를 대표적으로 설명하고자 한다.
2. 초분자 나노구조: 스스로 모이고 스스로 흩어지다.
2.1 비공유결합으로 자기조립하다
지능적인 자극 응답성 물질을 만들기 위해서, 모양과 크기 가 제대로 갖춰진 초분자 나노 집합체의 정교한 제어 기술의 정립이 다른 무엇보다도 중요하다. 1987년 노벨화학상을 수 상한 Jean-Marie Lehn은 초분자 화학을 비공유결합 기반 분 자 조립 화학이라고 소개하였으며, 분자내 분자간 자기조립 과정을 통해 복잡한 나노구조 형성이 가능하다고 설명하였 다. 즉, 수소결합, π-π 상호작용, 소수성 그리고 정전기적 결 합, van der Waals 힘과 같은 약한 비공유 결합을 고려하여 분자 구축 조각을 적절히 설계하면 잘 정의된 나노 집합체 합성이 가능하다(표 1).7 특히, 수소결합과 π-π 상호작용은 그 결합력이 다른 비공유 결합에 비해 비교적 크기 때문에 이를 잘 이용하면 액상에서 안정한 집합체를 합성할 수 있다.
예를 들어, 공액고분자(π-conjugated polymer)의 경우 물속 에 용해시켰을 때 공액고분자 표면의 물 분자들에 의해 상대 적으로 높은 에너지를 가지게 되고 이러한 에너지를 절감하 고자 고분자간 π-π 상호작용 쌓임현상을 통해 응집체가 형 성이 된다. 이러한 공액고분자에 물과 수소결합이 가능한 유 연한 고분자 사슬을 연결하여 공중합체로 개질화시킬 경우 공액고분자와 유연한 고분자 간의 뛰어난 미세상 분리 현상 과 용매와의 상호작용의 조합으로 용액상에서 다양한 나노 구조체 변화의 형성을 유도할 수 있다.8
2.2. 로드-코일 분자
분자 구축 조각의 많은 분류 중에서, 견고한 막대와 유연 한 코일 조각으로 이루어져 있는 로드-코일 블록 고분자는
서로 혼합되지 않는 블록들 간의 반발력과 각 블록의 연결로 나타나는 쌓임(packing)의 제약으로 인해 막대와 코일 블록 의 정렬된 구조 형성이 가능하다는 것이 실험적, 이론적으로 도 확립된 바 있다.9 두 블록의 경계면에서 코일의 사슬 신축 운동, 계면 에너지와 연관된 energetic penalties는 막대-코 일의 자기 조립에서 다양한 나노 구조를 야기한다. 게다가, 기존의 코일-코일 블록 분자와 비교하였을 때, 막대-코일은 적은 분자량으로도 견고한 구조를 형성할 수 있는데 막대 부 분의 뻣뻣하고 선형적인 구조가 일정한 배향을 가지도록 하 여 안정적인 구조를 형성하기 때문이다.10,11 로드-코일은 로 드 부분을 기반으로 세가지 유형으로 분류될 수 있다. 전체적 으로 가장 많이 연구된 로드-코일은 견고한 방향족 막대 지 지대를 기반으로 한다. 벌크 상태나 액정 상태에서의 로드- 코일의 자기 조립 연구 외에 이러한 용액상 자기 조립 과정 에 대한 연구는 매우 다양하고 역동적인 집합 특성을 보여주 고 있다.12,13 로드-코일의 두번째 유형은 막대로 나선형 구조 를 포함하고,14 마지막 유형은 베타 병풍을 형성하는 펩타이 드를 기반으로 한다.15
2.3 자극 응답형 자기조립 나노트랜스포머 제어 전략 로드-코일 양친매성 분자는 용액상에서 다양하고 안정적 인 자기조립 구조체를 형성할 수 있다는 점에서 매우 흥미로 운 소재이다. 따라서 자기조립 메커니즘을 이해하고 일정한 규칙을 찾아내어, 자극감응형 블록을 도입하였을 때 나타나 는 새로운 현상들을 예측하고 유도함으로서 변화무쌍한 환 경적응형 나노집합체를 제조할 수 있다.
3. 양친매성 로드-코일 분자의 액상 자기조립
전형적으로 양친매성(amphiphilic) 분자는 용액 안에서 의 자기 조립 형성을 유도하기 위해 한쪽은 친수성, 다른 한 쪽은 소수성을 가진 구축조각(building block)으로 이루어 져 있다. 두 가지 또는 그 이상의 블록으로 이루어진 양친매 성 블록 분자는 선택적인 용매에서 용해되었을 때, 미세구역 의 집합 형태로 모인다. 지질 유도체,16 펩타이드,17 유기-금속 하이브리드,18 코일-코일 공중합체19를 포함하는 합성된 구축 조각의 다양한 유형은 용액상에서 나노 크기의 구조집합체 를 조립하는데 사용되어 왔다. 구축조각의 분자구조, 용매 그 리고 다른 환경적인 변수에 의해 구형, 실린더, 리본, 튜브, 소포체와 같은 다양하고 잘 정의된 나노구조체들이 합성되 어 왔다. 이러한 구조체들은 크기와 모양에 따라 특이한 성질 을 보여준다. 일반적으로 자기 조립된 나노 구조의 크기와 모 양에 대한 예측은 공간적인 복잡성과 분자간 상대적인 약한 결합 때문에 매우 어렵다. 그러나, 코일-코일 양친매성 분자 의 경우 전형적인 자기조립특성을 나타내는 일반적인 규칙
Packing Parameter: P= v/a0lc P < 1/3
1/3 < P < 1/2
1/2 < P < 1
P = 1
Packing Parameter: P= v/a0lc P < 1/3
1/3 < P < 1/2
1/2 < P < 1
P = 1
그림 3. 양친매성 분자의 다양한 나노구조체로의 자기조립. 그림 4. 구형 미셀, 베시클, 그리고 실린더 미셀의 모식도와 분자구조.
을 정립한 바 있다.20,21 주로 친수성 블록과 소수성 블록의 상 대적인 부피 분율에 따른다. 소수성 사슬과 친수성 머리로 이 루어진 양친매성 분자의 자기 조립된 형태는 임계 쌓임 변수 에 의해 예측된다. P = v/a0lc에서 v는 소수성 사슬의 부피, a0
는 임계 미셀 농도에서의 친수성 그룹의 극성 머리 표면적, lc
는 소수성 그룹의 사슬 길이이다. P가 1/3보다 작을 때는 양 친매체가 구형의 미셀(micelle)을 형성하고, 1/3과 1/2 사이 일 때는 실린더 미셀의 형성이 우세하다. 변수가 1/2과 1 사 이이면 베시클(vesicle)이 관찰되고, v/a0lc가 거의 1에 가까 우면 평면형 이중층이 생긴다. 변수가 1보다 클 때는 역구조 가 생성된다(그림 3).22
비록 로드-코일 양친매성 분자의 자기 조립 형태 예측은 막대 부분의 독특한 성질과 π-π 쌓임 결합 등으로 변화된 기 하구조로 인해 부피 분율의 차이가 생기므로 때때로 더 복잡 할 수 있지만, 어느 정도는 위에서 언급한 쌓임 변수 이론을 적용할 수 있다. 이 절에서는 로드-코일의 분자 자기조립에 영향을 주는 요인 중 중요한 두가지를 다루고자 한다.
3.1 자기조립에 영향을 주는 블록 부피 분율
같은 친수성 블록과 소수성 블록을 가지고 있지만 단지 블록 길이 변화만 있을 경우는 부피분율 이론을 잘 따른다. 예를 들어, tetra(p-phenylene) 막대와 α-D-mannopyranoside-fuctionalized PEO(DP = 23)을 이루는 막대-코일 양친매성 분자(1)은 수용 액 안에서 지름 20 nm 크기의 구형 미셀 집합체로 조립된다 (그림 4).23 소수성 방향족 부분은 물에 잘 녹는 친수성 PEO 껍 질에 의해 둘러싸여진다. 상대적으로 짧은 PEO 코일을 기반을 둔 분자 2 (DP = 12)는 구형 집합으로 자가 조립한다. 그러나
분자 1보다는 크기가 큰 베시클을 형성한다(~40 nm). 분자 1 과 2의 자가 조립은 상대적인 부피 분율과 경계면 곡률 형성 사이의 관계를 나타낸, 위에서 기술된 이론과 잘 맞는다. 그 러나, 대조적으로 쌍둥이 막대 조각을 기반으로 한 분자 3은 분자 길이의 2배의 직경을 갖는 실린더 미셀로 자기 조립한 다. 실린더의 긴 축을 따른 방향족 부분 간의 강한 π-π 상호 작용의 증가로 실린더의 형성이 설명된다.
3.2 자기조립에 영향을 주는 블록 분자형태
분자의 모양은 막대-코일의 자기 조립 형태를 결정하는데 있어서 중요한 요인이 될 수 있다. 그림 5의 아령 형태의 삼 중 블록 분자는 긴 방향족 그룹의 π-π 상호작용과 알킬사슬 의 소수성 상호작용으로 인해 기존의 알려진 구조적 전이와 다른 양상을 보인다.24 가장 짧은 알킬 소수성 사슬을 가지는 아령분자(4)는 수용액 상에서 구형과 직경 15 nm의 짧은 실 린더형 미셀로 공존한다. 분자가 완전히 펼쳐진 길이 8.3 nm 를 고려하였을 때, 미셀의 직경은 겹쳐진 이중층의 구조를 설 명하였고, 테트라데실 알킬 사슬을 가지는 아령분자(6)는 수 마이크로미터 길이의 길고 얼기설기 얽힌 직경 18 nm의 실 린더형 미셀을 형성하였다. 이러한 구조적 변화는 일반적인 양친매성 분자의 구조전이와 같다.19-21 그러나 놀랍게도, 분 자 4과 6의 중간 길이의 알킬 사슬을 포함하는 아령형 분자 5 에서 주목할 만한 현상이 발견되었는데, 단면의 폭이 16 nm 에 직경이 70에서 300 nm에 이르는 나노 고리가 형성된 것 이다. 초기 단계에서 형성된 구형의 미셀이 수 주가 지난 뒤 에는 열역학적으로 안정한 고리구조로 변하는 것이 관찰되 었다. 아령분자에서 얻어진 독특한 나노고리 구조는 일반적
그림 5. 아령모양의 삼중블록 공중합체.24 그림 6. 물과 헥산에서 내부결정구조 변화에 따른 역 실린더 미셀.26
으로 알려져있는 구형과 긴 실린더형 미셀의 용액상 구조 전 이 사이에 또다른 구조들이 존재할 수 있다는 것을 의미한다.
나노고리 구조형성의 추진력은 집합체 중심을 형성하는 딱 딱한 긴 로드와 긴 알킬 사슬의 비등방성 응집, 강한 소수성 군집의 조합으로 초기의 구형미셀들이 용액내 안정한 나노 구조 형성을 위해 측간 자기조립을 한 것으로 보인다. 이 외 에도 거대고리형 로드-코일 분자에 키랄성 도입자리에 따라 기존의 알려져있지 않은 나선형-튜브 구조들이 계층적으로 나타나는 것이 보고된 바 있기에25 분자조성, 기하학적 구조, 그리고 로드-코일 구축조각의 키랄성 도입을 통한 입체적 장 애 유발 등이 최종 자기조립 구조체 형성에 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.
4. 자극감응 나노트랜스포머
자극에 반응하는 물질은 pH, 특정한 화학물질의 농도, 온 도, 용매, 빛, 이온 세기, 전기장에 대한 노출과 같은 외부 자 극에 따라 갑작스러운 변화를 나타낸다. 보통 이러한 변화들 은 일단 자극이 없어지면 원 상태로 회복이 된다. 따라서 비 공유결합을 기반으로 스스로 조립된 나노 구조체는 자극 응 답성 나노 물질을 구성하는 가장 유망한 후보들 중에 하나이 고 분자들의 알맞은 설계가 필요하다. 우리는 앞절에서 설명 한 로드-코일 양친매성 분자의 자기조립을 기반으로 자극에 반응하는 나노 구조체의 최근 연구결과를 소개하고자 한다.
비등방성 막대-코일이 적은 분자량에서도 뚜렷한 나노 구조 체를 형성하고 외부 환경의 변화에 역동적인 자기 조립 형태 변화 응답성을 보여주는 만큼 지능형 나노 소재 개발될 수
있는 무한한 잠재력을 가지고 있다는 점을 주목해주길 바란 다. 특히, 잘 정립된 자기조립 현상들을 기반으로 분자 설계 단계에서 목적으로 하고자 하는 감응성을 프로그래밍하고 이에 따라 움직이는 자기조립 나노구조체야 말로 외부 환경 에 적응하는 분자생명체라고 볼 수 있으며 인공적인 합성을 기반으로 여러가지 형태로 전환 가능함으로 ‘나노트랜스포 머’라 부르고자 한다.
4.1 용매응답성 나노입자
쐐기 모양의 견고한 방향족 부분을 기반으로 한 쐐기-코 일 분자는 머리 부분에 tetradecyloxy기를 가지고 꼬리 부분 에는 유연한 PEO 사슬(DP = 34)을 가진다.26 흥미롭게도, 자 기 조립으로 형성된 나노 섬유는 견고한 막대와 같은 집합체 에서 신축성 있는 코일 형태의 집합체로 가역적인 변화가 가 능한데, 이는 용매의 극성 변화에 의해 유발된다(그림 6). 쐐 기-코일 분자는 수용액에서 매우 유연한 나노 섬유로 자기 조립이 되었으며, 헥산에서는 네마틱 방향성을 가지는 딱딱 한 막대와 같은 나노 섬유를 형성하였다. 같은 실린더 형태를 가지더라도 용매의 극성에 반응하여 나노 섬유의 경직성이 전환되는 것은 실린더 내부가 용매에 따라 부피가 큰 비정형 의 덴드리머 부분에서 결정성을 가진 PEO 부분으로 구조적 변화가 일어나기 때문이다. 즉 비공유결합 구조뿐 아니라 용 매에 따라 가지는 기하학적 구조의 변화도 전체 나노구조를 결정짓는 중요한 요소라 할 수 있겠다.
4.2 온도응답성 나노입자
온도 또한 자기 조립 공정을 조절하는 자극제로서 쓰일 수 있 다.27 친수성 PEO 사슬이나 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)이 응집체의 외부에 존재하는 경우 수용액 상에
그림 8. 온도감응형 바이러스 모방 로드-코일 나노캡슐.
그림 7. 온도감응에 따른 2D 나노고리의 네트워크로의 변화.
그림 9. 펩타이드 이차 구조 변화에 따른 나노집합체 전이.31
서 낮은 임계 온도(LCST)를 나타내는 것으로 잘 알려져 있
다.28,29 LCST 이상에서는 열에 민감한 PEO나 PNIPAM은
탈수되어 분자 소구체(globule)로 붕괴되고, 결과적으로 상 당한 구조적 변화가 일어날 수 있다. 앞서 3.2절에서 소개한 비대칭성 아령형태의 양친매성 분자의 경우 알킬사슬 변화 를 통해 수용액 상에서 2D 고리구조 외에 2D 네트워크와 같 은 특이한 구조를 가짐을 밝혀내었다. 분자의 소수성 알킬 사 슬의 길이가 급격하게 증가함에 따라 구형의 미셀, 나노고리, 2D 그물과 같은 자가 조립체가 결국엔 베시클의 형태로 변 화하게 되는 것은 극저온의 투과 전자 현미경(cryo-TEM)에 의해 밝혀졌다. 기존의 코일-코일 블록 공중합체와 저 분자 량의 계면 활성제가 중간 구조체로서 실린더형 미셀과 3D 네트워크만을 이룬다는 것을 고려할 때 이러한 전례없는 막 대-코일의 자가 조립 경향은 뻣뻣한 막대 부분의 독특한 비 등방성의 배열로부터 온다는 것을 다시 한번 의미한다. 주목 할 만한 것은, 알킬사슬 변화에 따른 아령형 분자의 독특한 구조적 전이가 온도 변화에 의해 서도 유발될 수 있다는 것 이다(그림 7).30 이는, 나노고리의 외부에 존재하는 PEO 덴드 론의 LCST 현상으로 설명될 수 있는데 온도가 실온에서 LCST 이상으로 증가하게 되면 고리형 입자는 외부는 PEO 덴드론의 탈수화로 소수성을 띠는 측면을 물에 노출되게 되 고, 소수성 내부와 물과의 접촉을 피하기 위해 여러 나노고리 형 집합체들이 함께 측면으로 융합되어 2D 네트워크를 형성 한다고 설명된다. 결과적으로, 온도변화에 의해 유도된 구조 적 전이와 상대적인 블록의 부피 분율에 따른 구조적 변화는 같다고 볼 수 있다. 이러한 온도 변화에 감응하는 초분자 나 노 구조체의 구조적 전이는 기존의 기능성을 뛰어넘는 물질 로 응용될 가능성이 크다. CCMV(cowpea chlorotic mottle virus) 캡시드는 외부의 수소이온농도에 민감하게 반응하여 낮은 pH에서는 수축되고 높은 pH에서는 10%이상 팽윤되
어 2 nm 크기의 구멍들이 생기고 이로인해 캡시드 내부로 물질전달을 유도한다고 알려져 있다. 이를 모방하여 위에서 언급한 아령모양의 양친매성 분자의 자기조립에 관한 연구 를 기반으로 온도에 감응하여 캡슐의 구멍이 가역적으로 열 리고 닫히는 베시클 또한 개발되었다(그림 8). 캡슐은 유전자 를 성공적으로 가두고 세포의 온도에 감응하여 효과적으로 유전자를 전달하는 응용성을 보였다. 이는 여기서는 언급하 지 않지만 PEO의 염석 효과(salt out)를 통해서도 유도할 수 있었다.
또한 소수성 블록으로 poly(γ -(2-methoxyethyoxy)esteryl- -glutamate 인공 펩타이드를 포함하고 친수성 블록으로 PEO 를 포함하는 블록 고분자의 경우 초기 수용액 상태에서는 소 수성 펩타이드가 알파나선(α-helix) 구조를 이루고 있기 때 문에 실린더를 형성하지만 열적안정 구조를 이루도록 오랜 시간 동안 열을 가해주면 펩타이드 구조가 베타병풍(β -sheet) 구조로 변하면서 전체 구조가 리본형태로 변형이 일 어남을 확인하였다(그림 9).31 즉 온도에 따른 펩타이드 이차 구조의 변형이 자기조립 구조체의 형태를 결정한 것이다. 이 러한 펩타이드의 이차구조의 전이는 다양한 질병의 원인이 되기도 하기 때문에 이와 같은 연구는 인공 생체재료 개발 및 약물 개발에 큰 도움을 줄 것이다.
4.3 pH 감응형 나노입자
pH에 반응하는 나노 물질은 생물학적 시스템을 포함한 약물 전달 등에 응용이 가능하기 때문에 주목을 받고 있다.
자극에 감응하는 나노 캡슐은 낮은 pH를 가지는 감염된 조 직 혹은 암 세포 등으로의 선택적인 약물 전달에 무한한 응 용이 가능하다. Lecomandoux 교수팀은 생체친화적 특성을 가지면서 pH에 감응하는 폴리펩타이드 이중 블록 혼성 중합 체의 자기조립 현상을 보고 하였다(그림 10).32 이중 블록 혼성 중합체인 poly(L-glutamic acid)-b-poly(L-lysine)(PGA-b-PLys) 가 α-amino acid N- carboxyanhydrides의 연속적인 고리 열림 중합에 의해 합성되었는데 이 블록 폴리펩타이드는 염 기성이나 산성 용액에 용해되면 내부 공간을 가지는 나노캡
그림 10. 폴리펩타이드 이중 블록 혼성 중합체 PGA15-b-PLys15로 만들어진 수용성 베시클의 pH 응답.32
그림 11. 다중응답성 PHIC-b-P2VP고분자의 예.33
그림 12. 손님분자에 의해 유도된 나노섬유에서 나노리본으로의 구조 변화와 이에 따른 졸-겔 상전이.36
슐을 형성하였다. 이것은 무작위한 코일 형태가 밀집된 알파 나선 구조로 변하는 블록들 중 한 블록의 중성화 때문에 일 어난다. 산성의 pH에서는 PGA 블록은 중성화되고 그에 따 라 막대 형태의 PGA는 소포체의 중심을 이루고 PLys 블록 은 껍질을 이루게 된다. 이와 달리, 염기성 조건에서는 양성 화된 PLys 블록(-NH3+)이 중성의 불용성 –NH2기로 바뀌면 서 집합체의 중심을 이루게 된다. 이러한 pH에 민감한 나노 입자들은 약물 표적화 그리고 고분자 나노바이오기술에 뛰 어난 응용 가능성을 보여줄 것이다. 최근에는 용매의 조성과 pH의 변화 등 동시 다발적인 외부환경 변화에 응답하는 고 분자에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다(그림 11).33 여기 서는 한가지 예만을 들었지만 pH 응답성 자기조립 고분자에 관한 연구가 꾸준히 보고되고 있음을 알려둔다.
4.4 손님분자 응답형 나노입자
수용액상에서 로드-코일 분자로부터 자기 조립된 집합체 의 소수성 중심 부분은 π-π 상호작용이나 소수성 상호작용 과 같은 분자간 상호작용을 통해 비극성 방향족 손님분자를 가둘 수 있는 적합한 환경을 제공한다.34 그렇다면, 손님분자 도입에 의한 블록들간의 상대적인 부피 분율의 변화는 양친 매성 분자의 전체적인 자기 조립 특성에 영향을 줄 수 있을 까? 이에 Würthner 교수팀은 2007년에 두개의 로드코일 분 자의 공자기조립은 다양한 나노입체 구조의 형성을 가능하
게 한다는 것을 보고하였고,35 이를 응용하여 손님분자 도입 에 의한 계층적 거대 상분리를 유도한 예가 있다. 다양한 자 기조립 나노구조체 중 가늘고 긴 실린더형 미셀의 고유한 특 성은 그들이 거시적 네트워크 형성이 가능하다는 점이다. 이 에, 방향족 손님 분자를 포함함으로써 나타나는 1D 섬유상 집합체의 구조적 변화는 가역적인 졸-겔 전이를 유도하였다 (그림 12).36 Y자 모양의 분자는 수용액상에서 자가조립을 하 여 19 nm의 일정한 폭과 최소 수 마이크로미터 단위의 길이 를 가지는 실린더형 미셀이 된다. 미셀의 중심은 소수성 공간 을 가지고 있고 여기에 방향족 손님 분자를 도입함으로서 각 각의 섬유는 측면 방향으로 상호작용하여 수 마이크로의 길 이를 가지는 납작한 리본 형태를 이루게 된다. 그리고 손님 분자를 제거하자 원래의 섬유 형태가 완전히 회복되었다. 이 러한 결과는 방향족 손님 분자의 층간 삽입이 본래 섬유의 느슨한 구형 쌓임 구조를 좀 더 조밀하고 평행한 쌓임 구조 로 바꾸기 때문이다. 재미있는 것은 본래의 섬유는 느슨한 구 형 내부로 인해 유연한 네트워크를 이루어 2 wt% 이상에서
그림 14. 외부자극에 감응하는 자기조립 나노트랜스포머.
그림 13. Voltage-감응형 로드-코일 분자의 용액상 거동.37
의 농도에서 젤을 형성하는 것이고, 손님분자 도입에 따라 납 작한 2D 구조로 변하게 되면 섬유간의 네트워크가 힘들어져 유동성을 가진 용액이 된다. 손님 분자 도입에 의한 분자 내 부의 변화가 전체 물질의 물리적 성질을 변화시킨다는 점에 서 매우 재밌는 연구결과라 할 수 있겠다.
4.5 전기장에 응답하는 나노입자
산화환원 반응에 민감한 양친매성 분자의 자기조립 형태는 전기장에 민감하게 응답가능하다(그림 13).37 Tetraaniline과 PEO 구축 조각을 포함한 양친매성 분자의 경우 베시클을 형 성하였다가 산화되면 베시클의 멤브레인이 쪼개져서 미셀 형태로 전환이 되고 다시 환원시키면 원래의 베시클의 형태 로 돌아가는 가역적인 거동을 수용액상에서 보였다. 이는 바 이오의학 미세유체 소자 등에서 분자의 전달 기능을 효과적으
로 수행할 수 있는 분자부품으로 사용될 수 있다고 생각된다.
5. 결론
본문에서 저자가 ‘나노트랜스포머’라고 일컫은 자극에 반 응하는 나노 입자는 미래 지향적인 소재 부품이며, 나노디바 이스, 나노 전자 제품 그리고 나노 바이오 물질 등의 응용 분 야에 대단한 잠재성을 가지고 있다(그림 14). 이 총설에서는 용액상 감응형 입자 중 로드-코일 유기 고분자를 기반으로 하여 자극에 반응하는 나노물질의 개발에 대한 동향을 설명 하였지만, 자극에 반응하는 물질은 펩타이드, 유무기 하이브 리드 물질 등의 다양한 양친매체에서도 연구되고 있다. 모든 계는 그들만의 독특한 특징과 장점을 가지고 있다. 다만, 막 대-코일계 양친매성 분자의 가장 핵심적인 특징은 비등방성 분자 모양으로 인해 π-π 상호작용에 의한 강한 응집력을 기 반으로 매우 다양하고 광범위한 초분자 나노 구조의 형성을 가능하게 한다는 점이다. 특히, 이를 통해 용액상 집합체 형 태는 구축조각의 기하구조에 크게 의존하는 것이 밝혀졌고 따라서 국소적인 환경에 응답하도록 초분자 구축 조각을 개 질화하면 평형상태의 빠른 전이를 유도할 수 있음을 알아냈 다. 이는 기능성 응답소재 개발의 좋은 시작점이 될 수 있다 고 본다. 비교적 낮은 분자량에서의 효과적인 미세상 분리는 코일-막대 고분자의 또 하나의 장점이라고 할 수 있겠다. 상 대적으로 작은 분자량 때문에 매우 균일하거나 단분산된 막 대-코일 구축 조각의 합성이 가능했고, 이러한 구축 조각들 은 자극에 반응하는 나노 구조의 손쉬운 형태 변화와 재현성 개선을 용이하게 한다. 더욱 발전하기 위해서는 다양한 측면 에서의 노력이 필요할텐데, 아마 자기 조립을 조절하는 일반 화된 규칙을 찾는 것이 우선일 것이다. 이 분야의 연구는 얼 마 되지 않았기 때문에 구축 조각 구조와 자기 조립된 나노
구조체의 물리학적 특성 간의 정확한 관계를 파악하기 위한 집중적인 연구가 필요하다. 그와 더불어, 온도, pH, 그리고 외부자극 화학물질 뿐 아니라 전기, 빛, 그리고 이온성 세기 와 같은 외부 자극에 반응하는 다양한 물질들 또한 꾸준히 연구되어야 한다. 마지막으로, 이 총설에서는 구조적 변화에 따른 전자기적, 광학적 성질의 변화는 다루지 아니하였지만, 이를 토대로 기존의 바이오 관련 치료 및 진단 소재 뿐 아니 라 전기전자재료에도 신중한 응용이 필요할 것이다.
참고문헌
1. C. Sanchez, H. Arribart, M. Madeleine, and G. Guille, Nat.
Mater., 4, 277 (2005).
2. J. M. Lehn, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 99, 4763 (2002).
3. B. Rybtchinski, ACS Nano, 5, 6791 (2011).
4. E. Cabene, X. Zhang, K. Langowska, C. G. Palivan, and W. Meier, Biointephases, 7, 9 (2012).
5. B. Jeong and A. Gutowska, Trends in Biotech., 20, 305 (2002).
6. M. A. C. Stuart, W. T. S. Huck, J. Genzer, N. Müller, C. Ober, M. Stamm, G. B. Sukhorukov, I. Szleifer, V. V. Tsukruk, M.
Urban, F. Winnki, S. Zauscher, I. Luzinov, and S. Minko, Nat.
Mater., 9, 101 (2010).
7. J. W. Steed and J. L. Atwood, Supramolecular Chemistry, Wiley
& Sons, Chichester, 2000.
8. F. J. M. Hoeben, P. Jonkheijm, E. W. Meijer, and A. P. H. J.
Schenning, Chem. Rev., 105, 1491 (2005).
9. D. R. M. Williams and G. H. Fredickson, Macromolecules, 25, 3561 (1992).
10. L. H. Radzilowski, J. L. Wu, and S. I. Stupp, Macromolecules, 26, 879 (1993).
11. H.-A. Klok, J. F. Langenwalter, and S. Lecommandoux, Macromolecules, 33, 7819 (2000).
12. C. Tschierske, Chem. Soc. Rev., 36, 1930 (2007).
13. J.-H. Ryu, D.-J. Hong and M. Lee, Chem. Commun., 1043 (2008).
14. E. G. Bellomo, M. D. Wyrsta, L. Pakstis, D. J. Pochan, and T.
J. Deming, Nat. Mater., 3, 244 (2004).
15. Y.-b. Lim and M. Lee, J. Mater. Chem., 18, 723 (2008).
16. J.-H. Fuhrhop and W. Helfish, Chem. Rev., 93, 1565 (1993).
17. E. P. Holowka, V. Z. Sun, D. T. Kamei, and T. J. Deming, Nat.
Mater., 6, 52 (2007).
18. B. G. G. Lohmeijer and U. S. Schubert, Angew. Chem., Int. Ed., 41, 3825 (2002).
19. I. W. Hamley, The Physics of Block Copolymers, Oxford University Press, New York, 1998.
20. L. A. Estroff and A. D. Hamilton, Chem. Rev, 104, 1201 (2004).
21. S. Jain and F. S. Bates, Science, 300, 460 (2003).
22. J. N. Israelachivili, Intermolecular and Surface Forces, Academic Press, New York, 1985.
23. B.-S. Kim, D.-J. Hong, J. Bae, and M. Lee, J. Am. Chem. Soc., 127, 16333 (2005).
24. J.-K. Kim, E. Lee, Z. Huang, and M. Lee, J. Am. Chem. Soc., 128, 14022 (2006).
25. W.-Y. Yang, E. Lee, and M. Lee, J. Am. Chem. Soc., 128, 3484 (2006).
26. J.-K. Kim, E. Lee, and M. Lee, Angew. Chem., Int. Ed., 45, 7195 (2006).
27. L. Desbaumes and A. Eisenberg, Langmuir, 15, 36 (1999).
28. G. D. Smith and D. Bedrov, J. Phys. Chem. B., 107, 3095 (2003).
29. E. E. Dormidontova, Macromolecules, 35, 987 (2002).
30. E. Lee, Y.-H. Jeong, J.-K. Kim, and M. Lee, Macromolecules, 40, 8355 (2007).
31. J. Shen, C. Chen, W. Fu, L. Shi, and Z. Li, Langmuir, 29, 6271 (2013).
32. J. Rodrìguez-Hernández and S. Lecommandoux, J. Am. Chem.
Soc., 127, 2026 (2005).
33. M. Changez, N.-G. Kang, H.-D. Koh, and J.-S. Lee, Langmuir, 26, 9981 (2010).
34. A. F. M. Kilbinger, A. P. H. J. Schenning, F. Goldoni, W. J. Feast, and E. W. Meijer, J. Am. Chem. Soc., 122, 1820 (2000).
35. X. Zhang, Z. Chen, and F. Würthner, J. Am. Chem. Soc., 129, 4886 (2007).
36. E. Lee, J.-K. Kim, and M. Lee, Angew. Chem., Int. Ed., 47, 6375 (2008).
37. H. Kim, S.-M. Jeong, and J.-W. Park, J. Am. Chem. Soc., 133, 5206 (2011).
