나노 - 바이오재료화학 (Nano-Bio Material Chemistry) CHEMISTRY TOPICS 1 고효진, 신관우 * 서강대학교화학과, kwshin@sogang.ac.kr 서론 What is the self-shaping? : active motion in nature 자연계의물질이단위세포단위에서다양한기능을갖는조직으로성장하면서, 각다양한세포들이결합하여기계적인특성을갖는다양한구조를형성할때, 능동적인움직임 (active motion) 이존재한다. 동물들의내장기관의주름구조를형성하고, 이러한주름구조가내부의상하운동으로움직이거나, 식물에서두개의잎사이에씨앗들을품고있는콩깍지는처음엔납작한모양이지만, 콩깍지가마르면서두개의잎이반대방향으로뒤틀리고, 그렇게스스로벌어지면 서안에있는씨앗을밖으로내보낸다. 외부의먹이를잡기위하여식물인파리지옥이두잎을활짝벌리고있다가, 먹이가되는벌레가앉으면스스로그잎을오므려벌레를안에가두는것을생각해볼수있다. 1~8) 이러한움직임이일어나는부분을자세히들여다보면물성이다른두종류의물질로구성된이중층구조로이루어져있는것을알수있다. 기계적물성이매우다른이중층구조는역학적으로비대칭 (mechanical asymmetry) 을야기하게되고, 각층의기계적인변화는동일한자극이주어졌을때, 물리적으로특정한방향으로의거시적인 (macroscopic) 구조변화를이끌어낸다. 예를들어 [ 그림 1] 에서처 그림 1. 식물의덩굴손이단단한세포와부드러운세포로이루어진이중층구조를형성하면서나선형꼬임구조를만드는과정 10) 2015. 01 화학세계 15
읽기쉬운총설 럼스프링모양으로꼬여있는식물의덩굴손은처음부터그렇게자라나는것이아니라곧게뻗은직선의형태였다가, 줄기의한쪽면에딱딱한세포들이형성되기시작하면서꼬여있는덩굴의모양을형성하게된다. 말랑하고부드러운세포로이루어진층과딱딱한세포로이루어진두개의다른층이곡면 (curvature) 을만들고, 이것이덩굴손의나선 9, 10) 형구조를만들어내는것이다. 최근자연계의이러한현상을모사하여다양한재료와형태로새로운구조체를만들어내는연구분야가활발하게진행되고있다. 흔히나노미터스케일의분자단위에서일어나는자기조립 (self-assembly) 과는다르게아주작은규모에서부터눈으로보이는센티미터크기까지의이러한자가적인움직임을자기접힘 (self-folding) 또는자기성형 (self-shaping) 이라고한다. 본총설에서는최근이러한이질적인층 ( 연성물질과강성물질 ) 의결합에의하여조직단위의자기성형을구현하는분야의연구동향과그활용분야를소개하고자한다. 젤박막의가로세로의비 (aspect ratio) 를다르게하면원하는형태로접힘 (folding) 을제어할수있다. 한쪽의가로나세로의길이가길때에는긴방향에서의접힘이크게작용하여튜브형태를만들지만, 가로세로비가비슷할때에는사선 (diagonal) 방향, 또는그크기에따라모든방향에서의접힘이일어나게된다. 이러한시나리오는이중박막의두께를바꾸면서또한달라지고이러한조건들을바꾸는방식으로 3D 구조를컨트롤할수있다. 14) 이와같이두개의다른외부자극응답성을갖는고분자를사용한다든지, 금속과고분자처럼완전히물성이다른두개의물질을하나의층으로만들어수동적 / 능동적 (passive/active) 이중층구조를만들기도하고, 위쪽은수축하고아래쪽은팽창하는형태로도만들수있지만, 그큰원리는모두 물성이다른물질로이루어진이중층구조에의한변형 이다. 본론 1. 원리 : 상이한이중층간의구조변이인공적으로자기성형을구현하는메커니즘은다양하게밝혀져왔다. 본총설에서는그중다른물성을가지는물질들로이루어진소프트 -하드이중층 (soft-hard bilayer) 에국한하여소개하고자한다. 1900 년대초반 Stoney 가금속다중박막을가지고, 각각의박막이다른압박 (stress) 을받기때문에곡면을만들면서평형을유지하게되는현상을발견했고, 최근에는금속박막뿐만이아니라다양한고분자재료를가지고도활발한연구가이루어지고있다. 11~13) 예를들어고분자하이드로젤은팽창 (swelling) 이나수축 (contraction) 을하면서굉장히큰부피변화를나타내며, 이성질을이용하여이중층의 active layer 로사용된다. 또한하이드로젤박막의팽창의경우박막전체에균일하게일어나는것이아니라바깥가장자리부분부터시작해서서서히일어나기때문에이로인해만들어지는구조도달라진다. 아래그림 2에서만들어지는곡면의지름이작으면박막이튜브형태로말리게된다. 그림에서보듯이하이드로 width length 그림 2. 가로세로길이의변화에따른하이드로젤박막의접힘시나리오 14) 2. 최근의연구동향 2.1. 외부자극응답성고분자하이드로젤 (stimuli-responsive polymer hydrogel) 앞에서간단히설명한바와같이, 자기성형연구분야에서하이드로젤은가장각광받는소재중하나이다. 온도, 습도, ph와같은주위환경의변화에따라반응하는외부자극응답성소재 (stimuli-responsive materials) 로사용할수있기때문이다. PNIPAAm(poly(N-isopropylacry- 16 화학세계 2015. 01
그림 3. 온도감응성고분자 (active layer) 와반응성이적은고분자 (passive layer) 로이루어진이중막과외부온도변화에의한구조변화 16) lamide)) 은온도변화에의해부피가변화하는대표적인온도감응성 (temperature-responsive) 고분자이고, 여기에다양한작용기 (functional group) 을도입한고분자하이드로젤은온도뿐만아니라습도나 ph, 이온의농도변화, 빛에대한반응성까지다양한외부환경변화에반응한다. 이러한 PNIPAAm 공중합체 (copolymer) 들은대부분그반응성이가역적 (reversible) 이라는아주큰장점을가지고있다. 친수성고분자로이루어진하이드로젤은수분을흡수하여팽창하며큰부피변화를만들지만, 고분자사슬이외부자극에의해구조적 / 화학적변화를일으키면서물분자를흡수하거나방출할수있기때문이다. 구조변화가 2차원평면에서 3차원구조로한번에그치는것이아니라, 외부환경을변화시킴으로써다시처음의구조로되돌릴수있고, 이것이반복적으로이루어질수있다는것은실제로자연계에서일어나는움직임처럼필요에따라그동작을제어할수있다는것을의미한다. 15~18) Nematic phase, smectic phase 등으로분자의배열변화가가능한액정 (liquid crystal) 은 active layer 로사용될수있는또다른물질이다. 액정탄성중합체 (liquid crystal elastomer) 는고분자사슬에액정분자들이결합되어있는형태로탄성체내부의액정의배열에의해전체고분자의구조와물성이변화한다. 이를이용하면액정의배열변화를통해탄성체박막의굽힙 (bending) 을제어할수있으며, 액정분자의종류에따라온도변화에반응하는고분자가될수도있고, 습도의변화에따라구조변화를일으키는고분 19, 20) 자가될수도있다. [ 그림 3] 에서처럼자기성형을유도하는이중층구조에서하이드로젤은변화가큰 active layer 로사용되고, 이위에폴리스티렌 (polystyrene) 과같은반응성이없는또는적은 고분자, 혹은금속박막과같은것들이 passive layer 로올라가구조변화를만들어낸다. 외부자극에대한반응성이다른고분자들로이루어진박막은, 원하는모양으로패턴을만들거나크기나두께를조절하기가쉽다. 예를들어 UV 조사를통해가교 (cross-linking) 를이루는고분자는조사시간 / 세기등만변화시켜주면손쉽게기계적물성을조절할수있고, 합성과정에서다양한작용기를적용해서화학적성질이다른고분자를합성할수있다. 이러한하이드로젤의성질을이용하여다양한화학적 / 물리적성질의변형이가능한환경에서세포를배양하고새로운형태의생물학 12, 13) 적플랫폼으로사용하려는연구들이진행되고있다. 2.2. Metal 고분자하이드로젤이외부환경변화에반응함으로써각광받는소재라면, 금속박막에서도또한외부환경변화를이용하여박막의형태변화를이끌어낼수있다. 미국존스홉킨스대학의 Gracias 교수연구진은크롬과구리를이용한이중박막 (Cr/Cu bilayer) 을만들고구리표면의외부환경변화에의한산화 / 환원을통해가역적으로구조변화를컨트롤할수있는시스템을개발하였다 [ 그림 4]. Cr/Cu 박막은제작후표면에서떨어져나오면서크롬층의잔류응력 (residual stress) 때문에크롬이있는면으로구부러진다. 이후산화하기쉬운환경에놓이면구리표면에산화막 (Cu 2 O) 이형성되면서새로운이중막시스템이만들어지고, 이산화막이큰인장응력 (tensile stress) 을가지면서반대방향으로구부러지게된다. 산화 / 환원이반복되면전체적인구조도가역적으로변화가능하다. [ 그림 5] 를보면이를경첩 (hinge) 으로사용하여금속으로이루어진그리퍼 (gripper) 또는컨테이너를만들고, 산화 / 환원조건에따라열림 2015. 01 화학세계 17
읽기쉬운총설 a) b) a) Polymer trigger Copper Chromium Si substrate Sacrificial layer c) Polymer trigger b) Copper Chromium c) d) d) Dissolve polymer trigger Copper e) Heat to form copper oxide 그림 5. 외부자극반응성금속박막을이용한마이크로디바이스. Cr/Cu bilayer 박막을경첩으로사용하여외부자극에의해디바이스가열리고닫힐수있다. 22) Copper(Ⅰ) oxide 그림 4. 산화 / 환원반응을이용한 Cr/Cu bilayer 의자기접힘. 구리산화막형성에의해가역적으로산화 / 환원반응으로인한구조변화가가능하다. 22) 21, 22) 과닫힘을제어할수있다. 2.3. DNA 접합구조 DNA 는유전정보를담고있는것과는별개로 A-T, G-C 의방식으로염기들이수소결합을이루면서자가조립하며, 또한원하는염기서열을마음대로프로그래밍하여제작할수있는장점이있어, 정교하게배열된나노구조물을제작하는데좋은재료로사용되어왔다. 처음에는 2차원평면에 DNA 를패터닝하는것부터시작해서최근에는 DNA origami 방법을사용하여나노미터규모의정교한 3차원 23, 24) 구조물을만드는연구들이진행되고있다. B-form DNA 는나선 1 turn 당 10.5 개의염기쌍이배열되어있는데, 이염기쌍의수를줄이면 DNA 사슬이수축하게되고, 염기쌍의수가더많으면원래의사슬보다길이가늘어나는형태의 DNA 를합성할수있다. 미국하버드대학 교의연구진은이러한방법을가지고 DNA 블록을제작하였는데, 블록의위쪽에는수축하는 DNA 사슬을배열하고, 아래쪽에는늘어나는사슬을배열해서이중막시스템을만들었다. [ 그림 6] 을보면이러한블록은일정한방향으로곡면을형성하게되고, 이블록들을조립하여새로운형태의나노기어들을만드는데에성공했다. 25) 3. Applications 3.1. 약물전달능동형미소구조마이크로또는나노구조체를만드는분야에있어서자기성형은다양하게이용된다. 단어그대로스스로형태를바꾸는이러한디바이스들은외부의전원에연결되어있는형태가아니므로그위치이동이자유롭고, 특정조건에서만형태변화가일어난다. 아직시작단계이긴하지만가장활발하게연구가이루어지는분야는약물전달 (drug delivery) 이다. 약물전달체는소화기관이나혈관내에서안정해야하고, 그에맞게크기도작아야하며, 표면에특정리간드를붙이는것이쉽고, 시간을두고서서히약물을방출하거나특정위치에서만약물을방출해야하는등의여러가지조건이필요하다. 수분을다량함유하고있는하이드로젤은생물친화적이고, 크기조절이용이하며, 표면처리가쉽고, 18 화학세계 2015. 01
a) f) b) c) d) e) 그림 6. DNA 블록을조립한나노기어 (nano gear). 곡면을이루는블록 ( 붉은색 ) 과직선형태의 DNA 블록 ( 회색 ) 을이용하여다양한형태의나노구조를만들수있다. 25) 특히외부자극반응성하이드로젤은몸속의 ph 변화나외부이온농도등에반응하여특정위치에서약물을방출하는방식으로응용할수있기때문에약물전달체의재료로서각광받고있다. 12, 26, 27) 실제로한국의연구진들이하이드로젤이중막을이용하여미세운반체 (microcarrier) 로이용될수있는마이크로캡슐을개발하여보고된바도있다. Active layer 로사용된 p(hema-co-aa) 는외부 ph의변화 에의해팽창하고, 이를이용하여반복적으로캡슐을열고닫을수있어, 내부에담겨있던미세입자또는약물을원하는조건또는목표하는위치에서외부로방출시킬수있다. 28) 3.2. 세포에의하여구동되는인공조직구조최근하버드대학의 Parker 교수연구진은 PDMS 박막위에쥐의심장세포를패턴하여해파리의움직임을모사한 a) b) c) d) 그림 7 외부 ph 의변화에따라열리고닫히는마이크로캡슐. 캡슐이완전히닫히는데에는 60 초가량소요되지만, 내부물질의방출을위해서는 10 초정도밖에소요되지않는다. 28) 2015. 01 화학세계 19
읽기쉬운총설 Body design Muscle design Jellyfish muscle Jellyfish Medusoid Medusoid muscle 그림 8. 고분자박막에심장세포를배양하여만든인공해파리. 실제해파리의근육배열을모사한단백질패턴을따라심장세포가자라고 ( 오른쪽 ), 물속에서실제해파리처럼수영한다. 30) 인공해파리를선보였다. 스스로수축 / 이완하는심장세포는 active layer 이고, PDMS 박막은 passive layer 의역할을한다. fibronectin 이라는세포외기질 (extracellular matrix) 단백질을이용하면세포를원하는모양 / 방향으로패터닝할수있고, 심장세포가수축하는방향에의해이중막이이루는곡면의방향성을결정할수있다. 실제해파리의근육이배열되어있는것과유사하게 PDMS 표면위에 fibronectin 단백질을패터닝하고, 그위에심장세포를배양하여심장세포가수축 / 이완하는것을이용하여해파리가물 29, 30) 속에서수영하는움직임을모사하였다. 결론 다양한특성의조직은세포의분화과정에서자연스럽게단단한세포들과부드러운세포들이하나의조직으로분화되는신비로운현상이다. 기존의하나의균일한특성을분자들이스스로조립되는자기조립 (self-assembly) 가지난 10년간의화학계의화두이었다면, 이러한자기조립현상을넘어새로운조직단위의기능을구현하는자기성형 (selfshaping) 이새로운연구의방향으로하는다양한시도들이보고되고있다. 물성이다른물질들로이루어진이중층은 균일하지않은변형에의해곡면을만들어내고, 이는 2차원평면에서새로운 3차원구조를만들수있는원동력이된다. 박막의가로세로의비를다르게하면원하는형태로곡면의접히는정도와방향을조절할수있고, 이는박막의두께나패턴등을이용해서도조절가능하다. 외부자극응답성고분자하이드로젤은다양한작용기를도입하여온도뿐만아니라습도나 ph, 이온의농도변화, 빛에대한반응성까지다양한외부환경변화에반응하도록합성할수있다. 또한가역적으로수분을흡수하고방출하면서반복적인부피변화가가능한장점이있고, 합성방법에따라그물성을쉽게변화시킬수있어그연구가활발하게진행되고있다. 이외에도금속박막에서부터 DNA 나동물의세포까지그재료나크기가매우다양하다. 이러한분야에서약물전달이나새로운형태의세포배양환경, 소프트로보틱스 (soft robotics) 개발을위해이미활발한연구들이진행되고있다. 외부의전원 (power source) 과전선으로직접연결되어있을필요가없고, 외부환경에반응하여특정조건에서만형태를변화시키며유기물부터무기물까지실로제한이없는다양한재료들을적용할수있기때문이다. 이러한기능들이결합되는것은나노와바이오가결합되는새로운연구사조로자리잡을것을확신한다. 참고문헌 1. T. Savin, N. A. Kurpios, A. E. Shyer, P. Florescu, H. Liang, L. Mahadevan, C. J. Tabin, Nature 2011, 476, 57-62. 2. A. E. Shyer, T. Tallinen, N. L. Nerurkar, Z. Wei, E. S. Gil, D. L. Kaplan, C. J. Tabin, L. Mahadevan, Science 2013, 342, 212-218. 20 화학세계 2015. 01
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