Poly(ethylene glycol) Methyl Ether Methacrylate를 기반으로 하는 열응답 및 양친매성 고분자의 원자 이동 라디칼 중합법을 통한 중합과 자기 조립 거동 연구 Thermoresponsive Amphiphilic Polymers based on Poly(ethylene glycol) Methyl Ether Methacrylate via Atom Transfer Radical Polymerization and Their Self-Assembly Behavior원문보기
Poly(ethylene glycol) Methyl Ether Methacrylate (PEGMA)는 물과 유기용매에 모두 잘 녹는 성질을 가지고 있어 생화학물질 (biomaterial), 바이오센서 (biosensor)등의 생체화학과 생체공학에서 각광을 받고 있는 물질이다. 또한, 구조적으로도 친수기와 소수기를 함께 가짐으로 인해 용액 내에서 자기 조립 구조 (self-assembly structures)를 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 특징으로 나노캐리어 (nanocarrier), ...
Poly(ethylene glycol) Methyl Ether Methacrylate (PEGMA)는 물과 유기용매에 모두 잘 녹는 성질을 가지고 있어 생화학물질 (biomaterial), 바이오센서 (biosensor)등의 생체화학과 생체공학에서 각광을 받고 있는 물질이다. 또한, 구조적으로도 친수기와 소수기를 함께 가짐으로 인해 용액 내에서 자기 조립 구조 (self-assembly structures)를 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 특징으로 나노캐리어 (nanocarrier), 약물전달시스템 (drug delivery system), Encapsulation등에 자주 사용되고 있다. 한편, 예전부터 고분자를 이용한 단백질 및 효소 등의 안정화와 보호에 Polyethylene glycol등을 많이 사용하였다 (PEGylation), PEGM는 곁 사슬 내에 PEG구조를 가지고 있어 단백질 안정화와 보호에도 사용될 수 있다. 본 연구는 PEGM를 nitrilotriacetic acid (NTA)로 관능화된 개시제를 사용하여 원자 이동 라디칼중합 (ATRP)을 통해 잘 규정된 고분자를 합성한 후 분석하였다. 고분자의 구조제어는 합성에 의해 결정되는 1차적인configuration 구조제어와 고분자 주위의 조건을 변화시켜 결정하는 2차적인conformation 구조제어가 있다. 고분자의 고차원적 구조제어를 위한 구조결정과 고분자 본래의 특성을 결정하기 위해서는 전자 (the former case)의 중요성이 크다고 하겠다. 본 연구에서는 구조제어를 보다 용이하게 할 수 있는 컨트롤/리빙 라디칼 중합법 (CRP)을 이용하였다. ATRP방법은 CRP방법중 말단 구조 제어를 하는데 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다. NTA 개시제를 사용하여 ATRP방법을 통해 α위치가 관능화된 고분자를 합성할 수 있었다. NTA 말단 관능 고분자 (NTA end-functionalized polymer)는 구조가 제어된 고분자에 다른 종류의 고분자를 도입하기 용이한 구조가 된다. 본 연구에서는 모델 단백질로서 6-히스티딘 표지 녹색 형광 단백질 (hexa-histidine tagged Green Fluorescent Protein, His6-GFP)을 구조가 제어된 고분자의 NTA말단에 도입하여, 그에 따른 자기조립 구조 현상과 응용방법을 모색하였다. NTA말단 관능그룹이 고분자에 부착되기 전, 고분자의 구조제어를 위한 1차적인 방법인 configuration구조제어를 하기 위해서는 보다 구체적인 구조 디자인이 요구된다. 이를 위하여 다양한 공중합법을 도입할 수 있다. 예를 들어, 블록 공중합, 그래프트 공중합, 구배공중합, 스타 고분자를 도입할 수가 있다. 특히, 생체적합성 및 양 친매성 (amphiphilic) 구조를 가지는 PEGM는 앞서 말한 바와 같이 용매 내에서 자기조립 특성을 갖는데, 생체적합성의 장점을 살리기 위해서는 용매와 가장 잘 섞여 보다 작은 구조를 형성하는 것이 필요할 뿐만 아니라 자기 조립을 용이하게 하는 블록 공중합체의 특징도 가지고 있어야 한다. 이 두 가지 요구사항을 충족시켜주는 것이 구배공중합체이다. 더구나, 구배공중합체는 블록공중합체보다 작은 구조를 형성하여 생체 내 활용성은 더욱 크다고 하겠다. 본 연구에서는 이 구배공중합체를 ATRP중합법을 이용하여 보다 쉽고 간단하게 합성하는 방법에 대해서 기술하였고 반응성비가 비슷한 두 모노머를 이용하여 구배공중합체가 중합되는 이유와 중합된 고분자의 모노머의 배열에 구배를 가진다는 것을 증명하였다. PEGM는 분자량이 큰 마크로 모노머 (macromonomer) 로서 중합 중에 마크로 모노머 효과를 보이게 된다. 이 마크로 모노머 효과는 크게 확산효과 인자와 입체장애에 따른 반발효과 인자로 설명할 수 있다. 시간에 따른 전환율 등을 계산하여 본 연구에서 행한 중합 계에서는 주로 마크로 모노머 효과에 의해 구배 공중합체가 생성된다는 것을 알아내었다. 두 번째 연구로는, ATRP를 통해 NTA를 말단 관능화 시킨 poly(PEGMA)를 합성하여 His6-GFP와 컨쥬게이션 (conjugation) 시켜 혼합 유기용매 (물/DMF) 조건에서 GFP의 안정성에 미치는 영향을 연구하였다. 양 친매성 고분자인 p(PEGMA)가 혼합 유기 용매에서 역 마이셀 (reverse micelle)구조를 형성하여 GFP 안정성에 기여한다는 것을 알아내었다. 투과전자현미경(TEM)에 의한 관측과 동적 광산란 법에 의한 마이셀 크기 분석, 형광분광계를 통한 시간에 따른 GFP형광세기 관측 분석을 통해 역 마이셀 구조의 형성을 확인하였다. 게다가, 수용액상에서 형성되는 마이셀 구조, 크기 및 GFP 형광세기를 비교 분석하여 재차 확인하였다. 앞선 두 연구에서는 고분자 중합 시 고분자 구조 자체에서 기인하는 구조 제어와 PEGMA의 양 친매성 인자에 기인하는 혼합 용매에서 자기 조립에 의한 단백질 안정화를 살펴보았다. 세 번째 연구에서는 이 두 가지 인자에 온도와 단백질의 컨쥬게이션에 따른 자기조립 구조 특성을 살펴보았다. 온도에 따른 고분자 구조 변화와 고분자의 자기 조립 구조에 단백질이 결합함으로 인해서 고분자 구조의 변화를 살펴보았고 또 그에 따른 단백질 안정성에 어떤 영향이 미치는지를 연구하였다. 또한, PEGMA의 PEG 곁 사슬 길이에 따라 LCST변화를 알아보았고 모노머의 비를 조절하여 LCST를 보다 세밀하게 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 LCST를 고분자 자기 조립 구조의 척도로 살펴보았으며, LCST거동에 따른 마이셀 변화와 그에 따른 단백질 안정성에 대해서도 살펴보았다. 열 응답성 양친매 고분자 구조의 관측을 통해 여러 가지 응용 가능성에 대해서 살펴보았다. 컨트롤 중합법을 통해 원하는 관능기를 가지는 고분자의 정밀합성과 천연고분자인 단백질과 결합을 통하여 보다 개선된 성질과 보다 넓은 영역에서 응용이 가능하다는 것을 본 연구에서 제시하였고 더욱 진보된 연구가 가능하다.
Poly(ethylene glycol) Methyl Ether Methacrylate (PEGMA)는 물과 유기용매에 모두 잘 녹는 성질을 가지고 있어 생화학물질 (biomaterial), 바이오센서 (biosensor)등의 생체화학과 생체공학에서 각광을 받고 있는 물질이다. 또한, 구조적으로도 친수기와 소수기를 함께 가짐으로 인해 용액 내에서 자기 조립 구조 (self-assembly structures)를 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 특징으로 나노캐리어 (nanocarrier), 약물전달시스템 (drug delivery system), Encapsulation등에 자주 사용되고 있다. 한편, 예전부터 고분자를 이용한 단백질 및 효소 등의 안정화와 보호에 Polyethylene glycol등을 많이 사용하였다 (PEGylation), PEGM는 곁 사슬 내에 PEG구조를 가지고 있어 단백질 안정화와 보호에도 사용될 수 있다. 본 연구는 PEGM를 nitrilotriacetic acid (NTA)로 관능화된 개시제를 사용하여 원자 이동 라디칼 중합 (ATRP)을 통해 잘 규정된 고분자를 합성한 후 분석하였다. 고분자의 구조제어는 합성에 의해 결정되는 1차적인configuration 구조제어와 고분자 주위의 조건을 변화시켜 결정하는 2차적인conformation 구조제어가 있다. 고분자의 고차원적 구조제어를 위한 구조결정과 고분자 본래의 특성을 결정하기 위해서는 전자 (the former case)의 중요성이 크다고 하겠다. 본 연구에서는 구조제어를 보다 용이하게 할 수 있는 컨트롤/리빙 라디칼 중합법 (CRP)을 이용하였다. ATRP방법은 CRP방법중 말단 구조 제어를 하는데 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다. NTA 개시제를 사용하여 ATRP방법을 통해 α위치가 관능화된 고분자를 합성할 수 있었다. NTA 말단 관능 고분자 (NTA end-functionalized polymer)는 구조가 제어된 고분자에 다른 종류의 고분자를 도입하기 용이한 구조가 된다. 본 연구에서는 모델 단백질로서 6-히스티딘 표지 녹색 형광 단백질 (hexa-histidine tagged Green Fluorescent Protein, His6-GFP)을 구조가 제어된 고분자의 NTA말단에 도입하여, 그에 따른 자기조립 구조 현상과 응용방법을 모색하였다. NTA말단 관능그룹이 고분자에 부착되기 전, 고분자의 구조제어를 위한 1차적인 방법인 configuration구조제어를 하기 위해서는 보다 구체적인 구조 디자인이 요구된다. 이를 위하여 다양한 공중합법을 도입할 수 있다. 예를 들어, 블록 공중합, 그래프트 공중합, 구배공중합, 스타 고분자를 도입할 수가 있다. 특히, 생체적합성 및 양 친매성 (amphiphilic) 구조를 가지는 PEGM는 앞서 말한 바와 같이 용매 내에서 자기조립 특성을 갖는데, 생체적합성의 장점을 살리기 위해서는 용매와 가장 잘 섞여 보다 작은 구조를 형성하는 것이 필요할 뿐만 아니라 자기 조립을 용이하게 하는 블록 공중합체의 특징도 가지고 있어야 한다. 이 두 가지 요구사항을 충족시켜주는 것이 구배공중합체이다. 더구나, 구배공중합체는 블록공중합체보다 작은 구조를 형성하여 생체 내 활용성은 더욱 크다고 하겠다. 본 연구에서는 이 구배공중합체를 ATRP중합법을 이용하여 보다 쉽고 간단하게 합성하는 방법에 대해서 기술하였고 반응성비가 비슷한 두 모노머를 이용하여 구배공중합체가 중합되는 이유와 중합된 고분자의 모노머의 배열에 구배를 가진다는 것을 증명하였다. PEGM는 분자량이 큰 마크로 모노머 (macromonomer) 로서 중합 중에 마크로 모노머 효과를 보이게 된다. 이 마크로 모노머 효과는 크게 확산효과 인자와 입체장애에 따른 반발효과 인자로 설명할 수 있다. 시간에 따른 전환율 등을 계산하여 본 연구에서 행한 중합 계에서는 주로 마크로 모노머 효과에 의해 구배 공중합체가 생성된다는 것을 알아내었다. 두 번째 연구로는, ATRP를 통해 NTA를 말단 관능화 시킨 poly(PEGMA)를 합성하여 His6-GFP와 컨쥬게이션 (conjugation) 시켜 혼합 유기용매 (물/DMF) 조건에서 GFP의 안정성에 미치는 영향을 연구하였다. 양 친매성 고분자인 p(PEGMA)가 혼합 유기 용매에서 역 마이셀 (reverse micelle)구조를 형성하여 GFP 안정성에 기여한다는 것을 알아내었다. 투과전자현미경(TEM)에 의한 관측과 동적 광산란 법에 의한 마이셀 크기 분석, 형광분광계를 통한 시간에 따른 GFP형광세기 관측 분석을 통해 역 마이셀 구조의 형성을 확인하였다. 게다가, 수용액상에서 형성되는 마이셀 구조, 크기 및 GFP 형광세기를 비교 분석하여 재차 확인하였다. 앞선 두 연구에서는 고분자 중합 시 고분자 구조 자체에서 기인하는 구조 제어와 PEGMA의 양 친매성 인자에 기인하는 혼합 용매에서 자기 조립에 의한 단백질 안정화를 살펴보았다. 세 번째 연구에서는 이 두 가지 인자에 온도와 단백질의 컨쥬게이션에 따른 자기조립 구조 특성을 살펴보았다. 온도에 따른 고분자 구조 변화와 고분자의 자기 조립 구조에 단백질이 결합함으로 인해서 고분자 구조의 변화를 살펴보았고 또 그에 따른 단백질 안정성에 어떤 영향이 미치는지를 연구하였다. 또한, PEGMA의 PEG 곁 사슬 길이에 따라 LCST변화를 알아보았고 모노머의 비를 조절하여 LCST를 보다 세밀하게 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 LCST를 고분자 자기 조립 구조의 척도로 살펴보았으며, LCST거동에 따른 마이셀 변화와 그에 따른 단백질 안정성에 대해서도 살펴보았다. 열 응답성 양친매 고분자 구조의 관측을 통해 여러 가지 응용 가능성에 대해서 살펴보았다. 컨트롤 중합법을 통해 원하는 관능기를 가지는 고분자의 정밀합성과 천연고분자인 단백질과 결합을 통하여 보다 개선된 성질과 보다 넓은 영역에서 응용이 가능하다는 것을 본 연구에서 제시하였고 더욱 진보된 연구가 가능하다.
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