[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

초분자화학1) 분야에서의 호스트-게스트 상호작용은 호스트와 게스트 물질 사이의 화학적 결합 특성뿐만 아니라 구조적 특성에 의해 형성되는 비공유결합성 상호작용이다. 가역적이고 선택적인 특성이 있어 잠재적으로 응용 가능한 분야가 많다. 약물전달 시스템, 생체 센세, 생체 접착체 등이 대표적이다.

이러한 호스트-게스트 상호작용 기반의 초분자물질을 설계하고 응용하기 위해서는 두 물질간의 상호작용 측정과 평가가 필수적이나, 기존의 초분자 복합체의 상호작용에 대한 평가는 결합상수 또는 단일 분자 수준에서의 그 상호작용 힘에 대한 측정에 그쳐 있다. 이러한 수준에서의 측정된 정보를 실용화 단계에서 직접적으로 적용하기에는 한계가 있다.

이번 연구에서는 계면에서의 상호작용 에너지를 호스트 분자의 크기, 게스트분자의 수용액 상태 농도 별로 분석하고 이를 정량화 하고자 했다. 실험에는 표면 힘 측정기가 쓰였다.

2. 연구내용

연구팀은 대표적인 호스트 분자인 사이클로덱스트린을 측정 물질로 선택했다. 또 사이클로덱스트린과 호스트-게스트 상호작용을 할 물질로 아다만테인을 골랐다.

계면에서의 상호작용 에너지 측정을 위해서 사이클로덱스트린을 표면 처리했다. 표면 처리된 사이클로덱스트린 분자는 표면 힘 측정기 내부의 한 쌍의 표면에 위치해 있다. 또 양 말단에 아다만테인을 포함하는 게스트 분자도 합성했다.

사이클로덱스트린 분자가 표면 힘 측정기 내부에 붙어 있는 상태(그래프팅)에서 아다만테인 수용액을 넣어 계면 에너지를 측정했다. 수용액에 분포한 아다만테인 분자 농도를 변화시키며 계면에서의 상호작용 에너지를 측정해본 결과, 아다만테인의 농도가 증가할수록 사이클로덱스트린과의 상호작용 에너지 또한 증가하는 경향성을 보였다. 또 일정 농도 이상에서는 일정하게 유지되는 것을 확인했다.

호스트 분자인 사이클로덱스트린의 고리의 크기에 따른 상호작용 에너지 변화를 관찰하기 위하여 알파-,베타-, 그리고 감마-사이클로덱스린과 아다만테인 게스트분자와의 상호작용 에너지를 측정했다. 그 결과 베타-사이클로덱스트린 표면에서만 특이적으로 상호 에너지 힘이 강하게 관찰되는 것을 확인하였으며, 이는 베타-사이클로덱스트린 내부의 빈 공간과 아다만테인 분자의 크기의 유사성으로부터 기인한 것으로 분석된다.

더 나아가 측정된 상호작용 힘으로부터 산출한 단위 면적당 접착에너지와 수정진동자저울 측정을 통해 얻은 사이클로덱스트린의 표면밀도를 동시에 이용해 단일 분자 간의 접착에너지 계산했다. 그 결과가 기존에 계산 또는 측정 된 결합상수 정보와 일치하다는 것을 확인해 이 실험 방법의 유효성을 입증했다.

3. 기대효과

표면 힘 측정기를 통하여 초분자 복합체의 상호작용 분석 시스템을 검증했다. 이는 본 연구에서 다룬 사이클로덱스트린-아다만테인 복합체 외에 다른 초분자 복합체 분석에 있어서도 유용하게 활용 가능할 것으로 기대된다.

더 나아가 계면에서의 상호작용 에너지 측정을 이용하는 본 분석법은 기존의 용액 상 또는 단일 분자 수준에서의 초분자 상호작용의 분석과 더불어 초분자 상호작용 기반 물질의 실용화 단계의 연결고리 역할을 할 수 있는 데이터베이스 생성 기법으로 활용 가능할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 초분자화학

독립된 두 종류 이상의 분자가 비공유결합(수소결합, 반데르발스힘 등)에 의해 특정 구조를 갖는 것을 초분자라 한다. 이러한 초분자를 만드는 화학결합은 공유결합에서 비해 결합 세기가 약해 가역적인 특성이 있다. 필요에 따라 벌어졌다 닫히는 이중 나선 구조를 갖는 DNA가 대표적 초분자구조다.

2. 사이클로덱스트린(Cylcodextrin)

속이 빈 고리형 초분자 화합물로 바깥 표면의 친수성을 띄며 내부 빈 공간은 소수성 특성을 띄고 있어 빈 공간을 통하여 호스트분자로서 다른 소수성 게스트 분자와 함께 비공유결합성 호스트-게스트 상호작용을 이룰 수 있다. 전분에서 유래한 물질로 독성이 없어 생체 친화적이다.

3. 아다만테인(Adamantane)

사이클로덱스트린과 호스트-게스트 상호작용이 가능한 게스트 분자이다. 의자형 구조의 사이클로헥산 고리 4개가 가마형으로 축합된 구조를 가지는 탄화수소 분자다.

4. 표면 힘 측정기(Surface Forces Apparatus, SFA)

SFA는 두 표면 간의 정적 및 동적 간섭력을 0.1 나노 미터 이내의 거리까지 확인할 수 있으며 10⁻⁸ N 정도의 미세한 힘까지 측정이 가능한 장치이다. 따라서 계면에서 일어나는 전반적인 상호작용을 분자적인 수준에서 정량화하고 분석 가능한 효과적인 장치이다. 대기 중에서 뿐만 아니라 수용액 상에서 두 표면 사이에서 일어나는 반데르발스 힘, 정전기력(electrostatic force), 소수성 상호작용(hydrophobic interaction), 접착력과 모세관 힘(adhesion and capillary forces) 등의 측정에 사용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 계면에서의 초분자복합체의 상호작용 에너지 측정 결과 a. 표면 힘 측정기 실험 도식도. 내부 위아래 각 표면에는 호스트 분자인 사이클로덱스트린(파란색)이 붙어 있다. b. 계면에서의 호스트-게스트 상호작용 모식도. 하단은 아마만테인 게스트 분자(좌측)와 사이클로덱스트린 호스트 분자(우측)의 화학구조 c. 아다만테인 분자의 농도에 따른 상호작용 힘과 에너지 측정 d. 호스트 분자의 크기와 수용액 상태 게스트분자의 농도에 따른 접착에너지 비교