KR101141364B1 - 경질 주형 안에서 기능성 고분자 나노 입자/나노 튜브 구조의 제조와 단백질 고정막으로 응용 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계면활성제 용액과 기상증착중합을 이용하여 경질 주형 안에서 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자가 고정되어 있는 구조를 한 단계의 과정에 의하여 제조하는 방법에 관한 것으로, 경질 주형을 제거하지 않은 상태에서 경질 주형과 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자로 이루어진 복합체를 단백질을 고정할 수 있는 고정막으로 적용하여 효과적으로 단백질을 고정할 수 있는 방법을 제시한다.

본 발명에 따르면, 계면활성제 용액과 기상증착중합 방법을 이용하여 한 단계의 제조 과정으로 간단하게 나노 튜브/나노 입자 복합체를 제조할 수 있으므로, 단백질 고정막을 쉽게 제조할 수 있는 장점을 가진다. 더욱이 나노 튜브와 나노 입자가 동시에 존재하기 때문에 높은 표면적을 이용하여 단백질을 효율적으로 고정할 수 있는 장점을 갖는다.

단백질 고정, 기상증착중합, 고정막, 나노 튜브, 나노 입자

Description

경질 주형 안에서 기능성 고분자 나노 입자/나노 튜브 구조의 제조와 단백질 고정막으로 응용 {Fabrication of functional polymer nanoparticle in nanotube structure in AAO membrane and their application to the protein immobilization membrane}

본 발명은 경질 주형 안에서 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자가 고정되어 있는 구조를 한 단계의 과정에 의하여 제조하고, 이를 단백질 고정막으로 적용하는 방법에 관한 것으로, 나노 튜브 안에 존재하는 나노 입자의 높은 표면적과 유속 조절에 의하여 단백질을 효율적으로 고정할 수 있는 방법을 제시한다.

양극 산화 알루미늄과 같은 경질 주형은 나노 크기의 원통형 기공이 있으며, 이 기공을 이용하여 나노 구조체를 제조하는 연구들이 진행되어 왔다. 산 또는 염기 용액을 통하여 주형을 제거할 수 있기 때문에 고분자, 무기물, 금속 나노 튜브 및 나노 섬유 등을 손쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있으며, 기공의 크기를 조절할 수 있기 때문에 원하는 직경을 갖는 일차원 나노 구조체를 제조할 수 있다.

최근에는 기공 안에 나노 구조체를 제조한 뒤, 경질 주형을 제거하지 않고 그 자체로 응용하는 연구들이 진행되고 있는데, 기능성 물질이 도입된 촉매 막, 효 소가 도입된 막 반응기, 분자 날인 고분자 막 등이 대표적인 예라고 할 수 있다. 또한, 메조 기공을 갖는 실리카를 경질 주형 안쪽에 제조한 뒤 실리카 위에 글루코오스 산화제를 도입한 효소 촉매 막 반응기는 기존보다 높은 효율과 연속 흐름 공정에도 응용될 수 있는 장점이 있다.

그 중에서도 경질 주형과 기능성 물질을 결합시켜 생체 물질을 고정하는 막에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 기공 안쪽에 고분자 브러시가 도입된 나노 튜브 구조를 통하여 생체 물질을 고정하는 것이 일반적인 방법인데 기공 안쪽에 중합을 위한 표면처리가 필요하고 여러 단계에 의하여 진행되기 때문에 복잡하며, 생체 물질이 기공이 아닌 막 표면에만 흡착되거나 기공이 쉽게 막혀버린다는 단점이 존재한다. 또한, 단순한 고분자 나노 튜브 구조이기 때문에 효율이 뛰어나지 않는 것이 일반적이다.

따라서, 계면활성제 용액과 간단한 기상증착중합 방법으로 한 단계의 과정에 의하여 손쉽게 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자가 도입된 구조를 제조하고, 이를 효과적인 단백질 고정막으로 적용하는 방법이 강력히 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점들을 일거에 해결하고자 계면활성제 용액과 간단한 기상증착중합 방법을 이용하여, 한 단계 과정으로 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자가 도입된 구조를 제조하고, 추가적인 기상증착중합을 통하여 이를 경질 주형과 함께 단백질을 고정하는 막으로 응용하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명자들은 수많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 이제껏 알려진 방법과는 전혀 다른 방법, 즉 단순한 고분자 나노 튜브 구조로 단백질 고정막을 제조하지 않고, 계면활성제 용액과 기상증착중합 방법으로 양극 산화 알루미늄 경질 주형 안에서 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자가 도입된 형태를 한 단계의 과정으로 제조할 수 있음을 확인하였다. 또한, 경질 주형을 제거하지 않고 추가적인 기상증착중합을 통하여, 효과적인 단백질 고정막을 개발할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 된다.

본 발명은 경질 주형인 양극 산화 알루미늄의 기공 안에 나노입자의 구조를 형성할 수 있는 계면활성제 용액을 담근 후, 기상증착중합 반응기 내에서 단량체를 기상으로 도입하여 기공 안쪽에 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자가 존재하는 나노 구조체를 제조하고, 추가적인 기상증착중합을 통하여 단백질을 고정시킬 수 있도록 하여 경질 주형과 기능성 고분자 나노 튜브 및 나노 입자로 이루어진 복 합체 전체를 단백질 고정막으로 응용하는 것을 내용으로 한다.

본 발명에 따른 기능성 고분자 나노 입자/나노 튜브 구조의 제조 방법은,

(A) 나노입자 구조를 형성할 수 있는 계면활성제와 단량체를 중합시키는 산화제를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;

(B) 상기 용액을 경질 주형에 도입한 후, 단량체를 기상증착 방법으로 도입하여 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자의 구조를 한 단계의 과정에 의하여 제조하는 단계; 및,

(C) 추가적인 기상증착중합을 통하여 단백질을 고정시킬 수 있는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 구조를 제조하는 단계; 및

(D) 상기의 복합체를 이용하여 단백질을 고정할 수 있는 고정막으로 응용하는 단계로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 양극 산화 알루미늄 경질 주형 내부에서의 한 단계의 과정에 의한 고분자 나노 튜브/나노 입자 제조 및 추가적인 기상증착중합을 통하여 그 자체를 단백질 고정막으로 적용하는 방법은 여태껏 보고된 바 없는 전혀 새로운 방법으로서, 나노 튜브 내부에 존재하는 나노 입자의 높은 표면적을 통하여 단백질을 고정할 수 있는 고정막을 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 기상증착중합 방법을 통하여 한 단계의 과정에 의해 나노 튜브/나노 입자 복합체를 제조할 수 있는 장점이 있다. 추가적인 기상증착중합을 조절함으로써 원하는 기능성 그룹이 도입된 단백질 고정막을 제조할 수 있으며, 단백질 또는 다양한 생체 물질의 고정막 등에 응 용이 가능할 것으로 여겨진다.

단계 (A)에서 사용되는 계면활성제의 경우, 용액 상에서 미셀(micelle)을 형성할 수 있는 것이 적합하며, P65, P84, P103, P123, F127 등을 이용하는 것이 바람직하다.

산화제는 고분자를 중합시킬 수 있는 것이 적합하며, 염화철(ferric chloride), 염화구리(cupper chloride), CAN(cerium ammonium nitrate) 등이 사용 가능하다.

상기 용액의 조성에는 크게 제약이 있는 것은 아니며, 바람직하게는 포화 농도 이하에서 균일한 혼합 용액을 제조하는 것이 바람직하다.

단백질을 고정할 수 있는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 제조에 사용되는 양극 산화 알루미늄 경질 주형의 기공 직경에는 크게 제약이 있는 것은 아니며, 바람직하게는 100 나노미터에서 500 나노미터 정도에서 제조하는 것이 바람직하다.

단계 (B)에서 경질 주형에 상기 용액을 도입하는 방법에는 크게 제약이 있는 것은 아니며, 경질 주형을 용액에 담그는 방법으로 1분 내지 2 시간 정도 도입하는 것이 적당하나, 이들 범위에 한정되지 않고, 상기 범위보다 적거나 많을 수 있다.

기상증착중합 온도에는 특별히 제한이 있는 것은 아니며, 진공 또는 상압 상태에서 단량체가 기상으로 도입될 수 있을 정도의 온도이면 적용 가능하다. 본 발명에서는 상온에서 섭씨 180도까지가 바람직하다.

사용되는 단량체의 종류에는 특별히 제한이 있는 것은 아니며, 산화제로 중 합할 수 있는 피롤 (pyrrole), 아닐린(aniline), 싸이오펜(thiophene) 등이 바람직하다.

기상증착중합 시간에는 크게 제약이 있는 것은 아니며, 30분에서 24시간이 바람직하다.

단계 (C)에서 고분자 나노 튜브/나노 입자에 추가적인 기상증착중합을 통하여 단백질을 고정시킬 수 있는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 구조를 제조하는 방법에는 특별히 제한이 있는 것은 아니며, 사용되는 단량체의 종류에는 카르복실기가 포함된 단량체와 같이 단백질을 고정할 수 있는 기능기가 존재하는 피롤-3-카르복시산 (pyrrole-3-carboxylic acid) 등이 바람직하다.

기상증착중합 온도에는 특별히 제한이 있는 것은 아니며, 진공 상태에서 단량체가 기상으로 도입될 수 있을 정도의 온도이면 적용 가능하다. 본 발명에서는 상온에서 섭씨 180도까지가 바람직하다.

기상증착중합 시간에는 크게 제약이 있는 것은 아니며, 30분에서 24시간이 바람직하다.

단계 (D)에서 고정하고자 하는 단백질 용액의 농도에는 특별히 제약이 있는 것은 아니며, 본 발명에서는 0.1 w/v %에서 10 w/v %까지가 바람직하다.

본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체는 한 단계의 제조 과정으로 간단하게 나노 구조를 제조할 수 있다. 제조된 복합체에 추가적인 기상증착중합을 통하여 기능기를 도입할 수 있으며, 나노 튜브/나노 입자의 구조는 단백질을 효과적으로 고정할 수 있는 기능을 제공한다. 또한, 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 다른 응용으로는 질병 진단막, 효소 촉매막 등에 사용될 수 있을 것으로 예상되나, 본 발명에 따른 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체는 이들 예시적인 용도에 한정됨이 없이 추후 예상되는 다양한 용도에 응용, 적용될 수 있으며, 이들의 용도가 본 발명의 범주를 벗어나는 것은 아니다.

[실시예]

이하 실시예를 참조하여 본 발명의 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

상온에서 용매로서 물 5 g에 에탄올 3 g을 넣고 산화제 염화철 0.5 g, 계면활성제 P123 2 g을 첨가하여 1시간 이상 교반한다. 얻어진 용액에 직경 200 나노미터, 높이 60 미크로미터의 기공을 가진 지름 13 밀리미터의 양극 산화 알루미늄 경질 주형을 5분간 담가서 처리한다. 용액이 처리된 경질 주형을 기상증착중합을 위한 유리 초자에 넣은 뒤, 상압 상태, 섭씨 70 도에서 단량체 피롤 0.1 g을 도입시켜 기상증착중합을 실행한다. 4시간의 반응 시간 후에 기상증착중합 초자에서 양극 산화 알루미늄 경질 주형을 회수한다. 단백질을 고정시킬 수 있는 기능기를 도입하기 위하여, 중합이 완료된 양극 산화 알루미늄을 기상증착중합을 위한 유리 초자에 넣은 뒤, 피롤-3-카르복시산 0.1 g을 섭씨 160 도에서 도입시켜 추가적인 기상증착중합을 실행한다. 반응 후, 양극 산화 알루미늄 3 M의 염산 용액에 넣어 경질 주형 을 제거하는 별도의 실험을 진행하였다. 단백질을 고정시킬 수 있는 기능기가 도입되었음을 도 1에 제시되어 있는 적외선 분광 분석 그래프를 통하여 알 수 있다. 도 2에 제시된 투과전자현미경 사진에서 볼 수 있듯이 고분자 나노 튜브의 직경은 200 나노 미터인 것이 관찰되었으며, 튜브의 두께는 10 ~ 20 나노 미터 사이의 인 것을 알 수 있다. 또한, 나노 입자가 튜브 안쪽에 동시에 생성되었으며, 입자의 직경은 30 나노 미터인 것이 관찰되었다. 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자와 양극 산화 알루미늄 경질 주형으로 이루어진 고정막에 단백질 용액을 흡입할 수 있는 장치를 제조하였으며, 10 밀리리터 PBS 용액에 10밀리그램의 FITC-스트렙타비딘 (FITC-Streptavidin) 을 혼합하여 0.1 w/v % 농도 용액을 제조한 뒤, 이 용액 1 밀리리터를 펌프에서 3 시간 동안 고정막을 통과하게 한다. 통과시킨 후, 도 3에 제시된 공초점레이저주사현미경 (CLSM)을 이용하여 단백질의 고정효과를 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 계면활성제를 P123가 아닌 P65, P84, P103을 이용하여 고분자 나노 튜브/나노 입자 구조를 제조하였다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 나노 튜브/나노 입자 구조에는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 3]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 산화제를 염화철이 아닌 염화구리 0.2 g을 첨가하면 염화구리에 의해 중합된 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자가 제조 되었으며, 구조에는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 4]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 직경 50 나노미터의 기공을 갖는 양극 산화 알루미늄 경질 주형을 이용하여 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자를 제조한 결과, 나노 튜브/나노 입자의 구조를 재현할 수 있었으나 직경이 좁기 때문에 단백질 용액의 투과 속도가 현저히 떨어짐을 관찰할 수 있었다.

[실시예 5]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 직경 100 나노미터 및 500 나노미터의 기공을 갖는 양극 산화 알루미늄 경질 주형을 이용하여 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자를 제조한 결과 나노 튜브/나노 입자의 구조에는 큰 차이가 없었다.

[실시예 6]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 경질 주형의 담그는 시간을 1분으로 하고 단량체의 종류를 아닐린 0.1 g을 도입시켜 실험에 적용한 결과, 아닐린 고분자 나노 튜브/나노 입자의 구조를 확인할 수 있었다.

[실시예 7]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 경질 주형의 담그는 시간을 2 시간으로 하고 실험에 응용한 결과, 나노 튜브/나노 입자의 구조에는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었으며, 동일한 단백질 고정 능력을 갖는 것이 관찰되었다.

[실시예 8]

실시예 1과 같은 방법으로 실험을 진행하되, 기상증착중합 온도를 섭씨 180 도, 시간을 30분으로 실시하여 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자를 제조하면 나노 튜브의 두께가 다소 증가하는 것이 관찰되었으나, 단백질의 고정 능력에는 큰 차이가 없었다.

[실시예 9]

실시예 1과 같은 방법으로 실험을 진행하되, 기상증착중합 온도를 상온, 시간은 24시간으로 실시하여 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자를 제조하면 나노 튜브의 두께가 다소 증가하는 것이 관찰되었으나, 단백질의 고정 능력에는 큰 차이가 없었다.

[실시예 10]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 카르복실산이 도입된 피롤을 통하여 추가적인 기능성 처리를 하지 않을 경우, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 단백질 용액을 투과시킨 후에 단백질의 고정이 거의 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다.

[실시예 11]

실시예 1과 마찬가지 방법으로 하되, 흡입시키는 단백질 용액을 10 w/v %로 하여 실험을 진행할 경우, 단백질 고정의 효과에는 큰 차이가 없으며 용액의 농도가 높기 때문에 표면에 단백질이 머무는 현상도 관찰되었다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체에서 기능기를 도입하기 전과 후의 적외선 분광 분석 그래프이고;

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2을 통하여 제조된 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자의 투과 전자 현미경 사진이며;

도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 고정막에서, 기능기를 도입하기 전과 후의 단백질 고정 능력을 공초점레이저주사현미경으로 관찰한 사진이다.

Claims (9)

1. 나노입자 구조를 형성할 수 있는 계면활성제와 단량체를 중합시키는 산화제를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;

   상기 용액을 경질 주형에 도입한 후, 단량체를 기상증착 방법으로 도입하여 고분자 나노 튜브 안에 고분자 나노 입자의 구조를 한 단계의 과정에 의하여 제조하는 단계; 및,

   추가적인 중합을 통하여 단백질을 고정시킬 수 있는 기능성 고분자 나노튜브/나노입자 구조를 제조하는 단계; 및

   상기의 복합체를 이용하여 단백질을 고정할 수 있는 고정막으로 응용하는 단계로 구성되어 있음을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
2. 제 1항에 있어서, 사용되는 계면활성제의 종류가 P65, P84, P103, P123 및 이들로 구성된 혼합물인 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
3. 제 1항에 있어서, 사용되는 산화제의 종류가 염화철, 염화구리 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
4. 제 1항에 있어서, 경질 주형 기공 직경이 100 나노미터에서 500 나노미터임을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
5. 제 1항에 있어서, 경질 주형의 담금 시간이 1 분에서 2 시간임을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
6. 제 1항에 있어서, 기상증착중합 온도가 상온에서 섭씨 180도임을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
7. 제 1항에 있어서, 기상증착중합 시간이 30 분에서 24 시간임을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
8. 제 1항에 있어서, 기상증착중합에 사용되는 단량체의 종류가 피롤, 아닐린 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법
9. 제 1항에 있어서, 기능기를 도입하기 위한 단량체가 피롤-3-카르복시산임을 특징으로 하는 기능성 고분자 나노 튜브/나노 입자 복합체의 제조 방법

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