나노 입자 표면의 항균폴리머의 그래프트화와 그 특성
2019-01-28
org.kosen.entty.User@3da19861
전영인(yijhon)
나노 입자 표면의 항균폴리머의 그래프트화와 그 특성
전영인, yijhon@gmail.com
한국과학기술연구원 센서시스템 연구센터
Key words
antibacterial polymer, grafting-to, grafting-from, nanomaterial
항균 폴리머, 그라프팅 투, 그라프팅 프롬, 나노물질
1. 서론
다양한 항생제와 여러 항균요법에도 불구하고, 세균감염은 여전히 질병 및 사망률 증가의 주요원인이다. 대부분의 세균(bacteria)은 고체 표면에 부착되면, 접착단백질과 같은 결합물질을 분비하여 고체와 더 이상 분리되지 않는 비가역적 접착을 일으킨다. 이후, 세균은 세포의 DNA, 다당류, 단백질같은 세포외 고분자물질을 분비하여, 세균의 성장 및 클로니(colony) 형성을 야기하고, 결국 펩티도글리칸(peptidoglycan) 등으로 구성되는 미생물 응집체인 바이오필름(biofilm)을 생성한다. 이러한 바이오필름은 현재 임상에서 이용하는 항균물질이 바이오필름에 항균작용이 약해, 일반 항생제로 치료하고 있다. 하지만, 이러한 항생제는 바이오필름을 덮고 있는 세포외 다당류막(extracellular polysaccharide sheath)의 관통률이 매우 낮으며, 또한 바이오필름 상태의 세균은 부유상태의 세균에 비해 약 100-1000배 정도의 항생제 내성을 가지고 있어서, 새로운 치료물질의 개발이 요구되는데, 적은 투여량으로 높은 항균 활성을 나타내는 항균성 나노물질이 좋은 대안이 될 수 있다. 또한, 두 종류 이상의 세균이 바이오필름을 형성하거나, 세균이 내성을 가지게 되면, 단백질 번역계나 세포벽 합성, DNA 복제 등의 과정단계에서 불활성화시켜 항균작용을 하는 항생제는 제 기능을 발휘하지 못하는 반면에, 항균성(antibacterial 또는 antimicrobial) 물질은 정전기적 상호작용을 통해 막을 파괴하거나, 세포내 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생산하여서 정상적인 항균작용을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이러한 항균성 화합물로는, (1) 은(silver, Ag), 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO)같은 무기 항균화합물과, (2) 4차 암모늄 화합물(quaternary ammonium compound, QAC), 알킬 피리디늄(alkyl pyridinium), 4차 포스포늄(quaternary phosphonium), 그리고 이미다졸(imidazole) 및 그 유도체, 아크릴(acrylic) 화합물, 메타크릴(methacrylic) 화합물같은 양이온성(cationic) 유기항균 화합물 등이 있다. 이 때 무기 항균화합물은 ROS를 생성하여, 양이온성 유기 항균화합물은 음전하를 가진 세포 표면과 결합한 후 화합물의 소수성(hydrophobic) 즉 친유성(lipophilic) 부분이 세포막을 뚫고 들어가서 세포를 물리적으로 손상시킴으로써, 항균작용을 한다. 또한, 4차 암모늄 화합물의 항균 활성은 소수성인 n-알킬 사슬의 길이가, 12-14이면 그람양성(gram-positive)균[그람 염색에서 감청색 또는 보라색으로 염색이 되는 세균]에, 14-16이면 그람음성(gram-negative)균[그람 염색에서 적색 또는 복숭아색으로 염색이 되는 세균]에 대한 살균력이 좋다. 이러한 항균화합물로부터 나노입자 항균물질을 만들려면, (1) 항균화합물을 직접 나노입자로 만들거나 (예: 금속 나노입자, 유기화합물의 나노 미셀), (2) 아니면 기존 나노입자(예: 실리카(silica), 금속나노입자)에 항균화합물을 부착 즉 그래프트(graft)할 수 있다. 본 보고서에서는, 유기 항균성폴리머를 실리카 같은 무기나노입자에 그래프트하는 방법과 그 특성 등에 대하여 알아 볼 것이다.
2. 나노입자표면으로의 항균폴리머의 그래프트화
나노입자의 표면 개질(surface modification)은 화학적이거나 물리적일 수 있으며, 화학적 개질은 그 지속기간이 반영구적이지만, 물리적 개질은 임시적이라고 할 수 있다. 이러한 나노입자의 화학적 표면개질 중에서, 실리카나 카본 블랙(carbon black)표면으로의 폴리머 그래프트는, 무기화합물의 탁월한 열저항성(heat-resistance)이나 화학적 저항성(chemical resistance)와, 그래프트된 폴리머의 광선택성(photoselectivity)이나, 생체적합성(biocompatibility), 항균성을 모두 지니는 유/무기 하이브리드물질(inorganic/organic hybrid material)을 생성할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 보고서에서는 항균폴리머가 그래프트된 나노 입자로서 실리카같은 무기화합물을 고려할 것이다.
2.1. 항균폴리머의 그래프트 반응의 분류
항균폴리머의 나노입자 표면으로의 그래프트 반응은 크게, 폴리머 말단의, 미리 형성된 기능기(preformed, functional group)와 입자 표면의 상대기(complementary functional group) 즉 반응성 말단기(reactive end group) 사이의, 공유결합 형성 화학적 반응 [그라프팅 투(grafting-to)]와, (2) 폴리머와 입자 표면의 개시제 기능기(initiator functional group)사이의 공유결합 형성 화학적 반응[그라프팅 프롬(grafting-from)]으로 나눌 수 있다 (그림 1 참조).
그림 1. 그라프팅 투 반응(왼쪽)과 그라프팅 프롬 반응(오른쪽) [참고문헌4 변형]
‘그라프팅 투’반응의 주요 장점은, 단순성(simplicity)과 폴리머 기능기를 상세히 특성화할 수 있다는 점이다. ‘그라프팅 투’ 반응시, 일반적으로, 고분자 용액을 사용할 수 있는데, 농도가 높을수록 그래프트화 밀도가 높은데, 이미 존재하는 그래프트기가 새로운 기의 표면으로의 접근을 방해하여 아주 높은 그래프트화 밀도는 얻을 수 없다는 견해(argued)가 있다. ‘그라프팅 프롬’ 반응을 이를 회피할 수 있다. 기존의 많은 관련 비닐 중합 기술이 이 반응을 사용하였다. ‘그라프팅 프롬’ 반응에서 그래프트기 밀도는 개시제의 밀도에 의해 결정되는데, 개시제의 크기가 작아서, 대개 개시제의 밀도는 상대적으로 높은 편이다. 이러한 ‘그라프팅 프롬’ 반응은, 낮은 개시제 효율(initiator efficiency)와, 단량체의 활성 중합지점(active polymerization site)으로의 활산속도의 변동성 때문에 복잡한 양상을 보일 수 있다. 또한, 그래프기 층(grafted layer)의 높은 국부 농도(local concentration) 때문에, 벌크에서의 중합(bulk polymerization)보다 부반응(side reaction)이 더 중요할 수 있으며, 따라서, ‘그라프팅 투’ 반응보다 더 넓은 사슬길이 분포(chain length distribution)을 가질 수 있다. ‘그라프팅 프롬’ 반응의 예로서, 원자이동 라디칼중합반응(atom transfer radical polymerization, ATRP)와 이온 중합반응(ionic polymerization) 등이 있다.
2.2. 폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카(그래프트 반응예1)
실리카는 이산화규소(SiO2)로 구성되는 무기화합물로서, 내열성, 내화학성이 우수하며, 항균폴리머를 그래프트한 경우, 폴리머의 항균작용과 열에 약한 유기 항균폴리머를 보호하는 역할을 모두 기대할 수 있으며, 실리카가 나노형태로 제작될 경우, 항균작용을 위한 세균으로의 침투와, 기재표면 항균 코팅제로 도포 등이 가능하다. 이 반응 예에서는, 폴리St-SO3–P+Bu3R기[ 여기서, St: 스티렌(styrene), Bu: 부틸기, R:알킬기(여기서는, C14H29) ]를 나노실리카에 그래프트하는 반응을 알아 볼 것이다. 그래프트기인 폴리St-SO3–P+Bu3R기같은 알킬 포스포늄은 Escherichia coli 와 Staphylococcus aureus 세균에 매우 강한 항균성을 가진다고 알려져 있다. ‘폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카’의 합성은 2단계 반응으로 구성되는데, 먼저 나노실리카의 표면에 폴리St-SO3–Na+ (폴리스티렌소듐설페이트)를 그래프트하고(Scheme 1), 이후 Na+부분을 P+Bu3R기로 치환시키는 것(Scheme 2)이다(그림2 참조).
그림 2. ‘폴리St-SO3-P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카’의 합성 반응 [참고문헌1]
이 반응과정을 자세히 알아 보면, 다음과 같다.
Scheme 1 : 아조기(azo group, –N≡N–)가 미리 도입된 실리카의 열분해나 트리클로로아세틸(trichloroacetyl)기가 도입된 실리카와 Mo(CO)6의 반응에 의해 실리카 표면에 개시제(라디칼)가 생성되고, p-St-SO3–Na+ (p-스티렌소듐 설페이트)와의 연쇄 라디칼반응을 통해, 폴리St-SO3–Na+를 그래프트한다. 이 때, 아조기가 도입된 실리카의 제조는 다음과 같다.
아조기 도입 : 실리카 표면을 γ-아미노프로필트리에톡시실란(γ-aminopropyltriethoxysilane)처리하여 아미노기(-NH2) 도입 à 아미노기가 도입된 실리카를 표면처리하여 이소시아네이트(isocyanate)기 도입 à 실리카 표면의 이소시아네이트기와 4,4’-아조-비스(4-시아노펜타노산) [ 4,4-azo-bis-(4-cyanopentanoic acid) ]를 반응시켜 아조기 도입.
또한, 트리클로로아세틸기가 도입된 실리카는, 아미노기가 도입된 실리카(‘아조기 도입’ 참조)표면의 아미노기를 트리클로로아세틸 이소시아네이트를 반응시켜 트리클로로아세틸기를 도입함으로써 제조한다. 연구결과에 의하면, 트리클로로아세틸기와 Mo(CO)6의 반응에 의한 ‘폴리St-SO3–Na+ 그래프트 반응의 그래프팅 분율(특정조건에서 약 30-40%)이, 아조기의 열분해를 통한 반응에서의 분율(특정조건에서 약 6-8%)보다 더 높다고 보고되었다. 여기서, 그래프팅 분율(%)은, 그래프트된 폴리St-SO3-Na+중량 / 전하를 띤 실리카 중량× 100으로 산출된다.
Scheme 2 : Scheme 1으로 제조된 ‘폴리St-SO3-Na+ 가 그래프트된 실리카’ 를 Bu3RP+Cl– [ 염화트리부틸테트라데실포스포늄(tributyltetradecylphosphonium chloride) ]와 반응시켜, 실리카의 Na+부분을 P+Bu3R으로 치환한다. 이 때 Bu3RP+Cl–은 Bu3P [ 트리-n-부틸포스핀(tri-n-butylphosphine) ]과 R-Cl [ 1-클로로테트라데칸(1-chlorotetradecane) ]과 반응시켜 합성한다.
이러한 폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카 제조반응은, 실리카 표면의 라디칼 개시제로부터 출발하는 반응이므로, ‘그라프팅-프롬’ 반응이라 할 수 있으며, R-Cl 의 알킬기 길이와, 폴리St-SO3–Na+ 가 그래프트된 실리카에서의 St-SO3–Na+ 중합도(n)을 변화시키면, 다양한 항균폴리머가 그래프트된 나노실리카를 제조할 수 있다.
2.3. 4차암모늄기가 그래프트된 나노실리카(그래프트 반응예2)
4차 암모늄화합물(QAC)은 의료용으로 가장 널리 사용되는 항균 물질 중의 하나이다. 예를 들면, 염화 3-(트리메톡시실릴)-프로필디메틸옥타데실 암모늄[ (trimethoysilyl)-propylmethyloctadecyl ammonium chloride ]은 다양한 세균에 대하여 항균성을 보인다. 이 반응예에서는 나노실리카 표면에, 개환(ring-opening) 반응을 통해, 4차암모늄 항균화합물을 그래프트하는 것에 대하여 알아 볼 것이다. 이 경우, 개환반응으로 실리카 표면에 그래프트되는 원 화합물은, 고리형 탄산화합물인 5-메틸-5-카르복실-1,3-디옥산-2-온(5-methyl-5-carboxyl-1,3-dioxan-2-one, MTC-OH)로부터 합성되는 4차 암모늄 기능기가 부착된 고리형 탄산화합물들(그림3 참조)이다.
그림 3. 4차암모늄 기능기가 부착된 고리형 탄산화합물의 제조 – (i): 양이온중심으로부터 다양한 길이의 알킬기 함유 화합물, (ii), (iii): 옥틸기말단에 다양한 양이온구조가 있는 화합물 (참고문헌6)
이렇게 제조된 고리형 탄산화합물들을 개환반응을 통해, 아미노기가 도입되어 있는 나노실리카(2.2.의 ‘아조기 도입’ 참조)의 아미노기와 반응시켜, 다양한 4차 암모늄염이 그래프트된 나노실리카를 생성한다 (그림4 참조).
그림 4. 개환반응을 통한, 4차암모늄 항균화합물이 그래프트된 나노실리카의 생성 (참고문헌6)
3. 결론
세균감염은 질병 및 사망률 증가의 주요원인이며, 내성균 및 세균 변종의 발생으로 인해, 항균을 위한 효과적인 항생제 개발이 늦어질 수 있다. 항균화합물은 직접 세포에 작용하여, 세포기전과는 관련없이 정정기적 부착과, 항균 물질의 소수성 부분에 의한 세포의 물리적 파괴를 그 작동기전으로 하기 때문에, 세균의 종류에 관계없이 항균작용을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이러한 항균화합물을 나노입자 등에 그래프트하면, 침투력이 향상되고, 특히 항균화합물이 유기물일 경우, 부착된 무기나노입자가 열에 약한 유기물의 단점을 보완하는 기능도 있다. 그 밖에 이러한 항균나노입자는 의료기기나 필요한 기재에 도포함으로써, 바이오필름 생성을 원천적으로 차단하는 도포제로도 사용이 가능하다. 따라서, 다양한 유기 항균화합물을 나노입자에 그래프트할 수 있는 일반적인 화학공정 개발은, 향후 다양하고 효과적인 항균 나노입자 개발에 많은 도움이 될 것으로 생각된다.
References
1. Yamashita, R. et al. Preparation of antibacterial polymer-grafted nano-sized silica and surface properties of silicone rubber filled with the silica. Polymer Journal, 38(8), 844–851, 2006.
2. 김혜은, 대체 항균적 접근: 나노 항균 재료들. KOSEN expert review, KOSEN, 2015.
3. 조주현, 항균코팅제 개발에 대한 최근 연구동향. 지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구단, 2017.
4. Murugan, P. et al. Controlled decoration of the surface with macromolecules: polymerization on a self-assembled monolayer (SAM). Chem Soc Rev, 44(10), 3212-3243, 2015.
5. Li, D. et al. Combining surface topography with polymer chemistry: exploring new interfacial biological. Polym Chem, 5(1), 14-24, 2014.
6. Xu, Q. et al. Antimicrobial silica particles synthesized via ring-opening grafting of cationic amphiphilic cyclic carbonates: effects of hydrophobicity and structure. Polym Chem, 7(12), 2192–2201, 2016.
전영인, yijhon@gmail.com
한국과학기술연구원 센서시스템 연구센터
Key words
antibacterial polymer, grafting-to, grafting-from, nanomaterial
항균 폴리머, 그라프팅 투, 그라프팅 프롬, 나노물질
1. 서론
다양한 항생제와 여러 항균요법에도 불구하고, 세균감염은 여전히 질병 및 사망률 증가의 주요원인이다. 대부분의 세균(bacteria)은 고체 표면에 부착되면, 접착단백질과 같은 결합물질을 분비하여 고체와 더 이상 분리되지 않는 비가역적 접착을 일으킨다. 이후, 세균은 세포의 DNA, 다당류, 단백질같은 세포외 고분자물질을 분비하여, 세균의 성장 및 클로니(colony) 형성을 야기하고, 결국 펩티도글리칸(peptidoglycan) 등으로 구성되는 미생물 응집체인 바이오필름(biofilm)을 생성한다. 이러한 바이오필름은 현재 임상에서 이용하는 항균물질이 바이오필름에 항균작용이 약해, 일반 항생제로 치료하고 있다. 하지만, 이러한 항생제는 바이오필름을 덮고 있는 세포외 다당류막(extracellular polysaccharide sheath)의 관통률이 매우 낮으며, 또한 바이오필름 상태의 세균은 부유상태의 세균에 비해 약 100-1000배 정도의 항생제 내성을 가지고 있어서, 새로운 치료물질의 개발이 요구되는데, 적은 투여량으로 높은 항균 활성을 나타내는 항균성 나노물질이 좋은 대안이 될 수 있다. 또한, 두 종류 이상의 세균이 바이오필름을 형성하거나, 세균이 내성을 가지게 되면, 단백질 번역계나 세포벽 합성, DNA 복제 등의 과정단계에서 불활성화시켜 항균작용을 하는 항생제는 제 기능을 발휘하지 못하는 반면에, 항균성(antibacterial 또는 antimicrobial) 물질은 정전기적 상호작용을 통해 막을 파괴하거나, 세포내 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생산하여서 정상적인 항균작용을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이러한 항균성 화합물로는, (1) 은(silver, Ag), 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO)같은 무기 항균화합물과, (2) 4차 암모늄 화합물(quaternary ammonium compound, QAC), 알킬 피리디늄(alkyl pyridinium), 4차 포스포늄(quaternary phosphonium), 그리고 이미다졸(imidazole) 및 그 유도체, 아크릴(acrylic) 화합물, 메타크릴(methacrylic) 화합물같은 양이온성(cationic) 유기항균 화합물 등이 있다. 이 때 무기 항균화합물은 ROS를 생성하여, 양이온성 유기 항균화합물은 음전하를 가진 세포 표면과 결합한 후 화합물의 소수성(hydrophobic) 즉 친유성(lipophilic) 부분이 세포막을 뚫고 들어가서 세포를 물리적으로 손상시킴으로써, 항균작용을 한다. 또한, 4차 암모늄 화합물의 항균 활성은 소수성인 n-알킬 사슬의 길이가, 12-14이면 그람양성(gram-positive)균[그람 염색에서 감청색 또는 보라색으로 염색이 되는 세균]에, 14-16이면 그람음성(gram-negative)균[그람 염색에서 적색 또는 복숭아색으로 염색이 되는 세균]에 대한 살균력이 좋다. 이러한 항균화합물로부터 나노입자 항균물질을 만들려면, (1) 항균화합물을 직접 나노입자로 만들거나 (예: 금속 나노입자, 유기화합물의 나노 미셀), (2) 아니면 기존 나노입자(예: 실리카(silica), 금속나노입자)에 항균화합물을 부착 즉 그래프트(graft)할 수 있다. 본 보고서에서는, 유기 항균성폴리머를 실리카 같은 무기나노입자에 그래프트하는 방법과 그 특성 등에 대하여 알아 볼 것이다.
2. 나노입자표면으로의 항균폴리머의 그래프트화
나노입자의 표면 개질(surface modification)은 화학적이거나 물리적일 수 있으며, 화학적 개질은 그 지속기간이 반영구적이지만, 물리적 개질은 임시적이라고 할 수 있다. 이러한 나노입자의 화학적 표면개질 중에서, 실리카나 카본 블랙(carbon black)표면으로의 폴리머 그래프트는, 무기화합물의 탁월한 열저항성(heat-resistance)이나 화학적 저항성(chemical resistance)와, 그래프트된 폴리머의 광선택성(photoselectivity)이나, 생체적합성(biocompatibility), 항균성을 모두 지니는 유/무기 하이브리드물질(inorganic/organic hybrid material)을 생성할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 보고서에서는 항균폴리머가 그래프트된 나노 입자로서 실리카같은 무기화합물을 고려할 것이다.
2.1. 항균폴리머의 그래프트 반응의 분류
항균폴리머의 나노입자 표면으로의 그래프트 반응은 크게, 폴리머 말단의, 미리 형성된 기능기(preformed, functional group)와 입자 표면의 상대기(complementary functional group) 즉 반응성 말단기(reactive end group) 사이의, 공유결합 형성 화학적 반응 [그라프팅 투(grafting-to)]와, (2) 폴리머와 입자 표면의 개시제 기능기(initiator functional group)사이의 공유결합 형성 화학적 반응[그라프팅 프롬(grafting-from)]으로 나눌 수 있다 (그림 1 참조).
그림 1. 그라프팅 투 반응(왼쪽)과 그라프팅 프롬 반응(오른쪽) [참고문헌4 변형]
‘그라프팅 투’반응의 주요 장점은, 단순성(simplicity)과 폴리머 기능기를 상세히 특성화할 수 있다는 점이다. ‘그라프팅 투’ 반응시, 일반적으로, 고분자 용액을 사용할 수 있는데, 농도가 높을수록 그래프트화 밀도가 높은데, 이미 존재하는 그래프트기가 새로운 기의 표면으로의 접근을 방해하여 아주 높은 그래프트화 밀도는 얻을 수 없다는 견해(argued)가 있다. ‘그라프팅 프롬’ 반응을 이를 회피할 수 있다. 기존의 많은 관련 비닐 중합 기술이 이 반응을 사용하였다. ‘그라프팅 프롬’ 반응에서 그래프트기 밀도는 개시제의 밀도에 의해 결정되는데, 개시제의 크기가 작아서, 대개 개시제의 밀도는 상대적으로 높은 편이다. 이러한 ‘그라프팅 프롬’ 반응은, 낮은 개시제 효율(initiator efficiency)와, 단량체의 활성 중합지점(active polymerization site)으로의 활산속도의 변동성 때문에 복잡한 양상을 보일 수 있다. 또한, 그래프기 층(grafted layer)의 높은 국부 농도(local concentration) 때문에, 벌크에서의 중합(bulk polymerization)보다 부반응(side reaction)이 더 중요할 수 있으며, 따라서, ‘그라프팅 투’ 반응보다 더 넓은 사슬길이 분포(chain length distribution)을 가질 수 있다. ‘그라프팅 프롬’ 반응의 예로서, 원자이동 라디칼중합반응(atom transfer radical polymerization, ATRP)와 이온 중합반응(ionic polymerization) 등이 있다.
2.2. 폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카(그래프트 반응예1)
실리카는 이산화규소(SiO2)로 구성되는 무기화합물로서, 내열성, 내화학성이 우수하며, 항균폴리머를 그래프트한 경우, 폴리머의 항균작용과 열에 약한 유기 항균폴리머를 보호하는 역할을 모두 기대할 수 있으며, 실리카가 나노형태로 제작될 경우, 항균작용을 위한 세균으로의 침투와, 기재표면 항균 코팅제로 도포 등이 가능하다. 이 반응 예에서는, 폴리St-SO3–P+Bu3R기[ 여기서, St: 스티렌(styrene), Bu: 부틸기, R:알킬기(여기서는, C14H29) ]를 나노실리카에 그래프트하는 반응을 알아 볼 것이다. 그래프트기인 폴리St-SO3–P+Bu3R기같은 알킬 포스포늄은 Escherichia coli 와 Staphylococcus aureus 세균에 매우 강한 항균성을 가진다고 알려져 있다. ‘폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카’의 합성은 2단계 반응으로 구성되는데, 먼저 나노실리카의 표면에 폴리St-SO3–Na+ (폴리스티렌소듐설페이트)를 그래프트하고(Scheme 1), 이후 Na+부분을 P+Bu3R기로 치환시키는 것(Scheme 2)이다(그림2 참조).
그림 2. ‘폴리St-SO3-P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카’의 합성 반응 [참고문헌1]
이 반응과정을 자세히 알아 보면, 다음과 같다.
Scheme 1 : 아조기(azo group, –N≡N–)가 미리 도입된 실리카의 열분해나 트리클로로아세틸(trichloroacetyl)기가 도입된 실리카와 Mo(CO)6의 반응에 의해 실리카 표면에 개시제(라디칼)가 생성되고, p-St-SO3–Na+ (p-스티렌소듐 설페이트)와의 연쇄 라디칼반응을 통해, 폴리St-SO3–Na+를 그래프트한다. 이 때, 아조기가 도입된 실리카의 제조는 다음과 같다.
아조기 도입 : 실리카 표면을 γ-아미노프로필트리에톡시실란(γ-aminopropyltriethoxysilane)처리하여 아미노기(-NH2) 도입 à 아미노기가 도입된 실리카를 표면처리하여 이소시아네이트(isocyanate)기 도입 à 실리카 표면의 이소시아네이트기와 4,4’-아조-비스(4-시아노펜타노산) [ 4,4-azo-bis-(4-cyanopentanoic acid) ]를 반응시켜 아조기 도입.
또한, 트리클로로아세틸기가 도입된 실리카는, 아미노기가 도입된 실리카(‘아조기 도입’ 참조)표면의 아미노기를 트리클로로아세틸 이소시아네이트를 반응시켜 트리클로로아세틸기를 도입함으로써 제조한다. 연구결과에 의하면, 트리클로로아세틸기와 Mo(CO)6의 반응에 의한 ‘폴리St-SO3–Na+ 그래프트 반응의 그래프팅 분율(특정조건에서 약 30-40%)이, 아조기의 열분해를 통한 반응에서의 분율(특정조건에서 약 6-8%)보다 더 높다고 보고되었다. 여기서, 그래프팅 분율(%)은, 그래프트된 폴리St-SO3-Na+중량 / 전하를 띤 실리카 중량× 100으로 산출된다.
Scheme 2 : Scheme 1으로 제조된 ‘폴리St-SO3-Na+ 가 그래프트된 실리카’ 를 Bu3RP+Cl– [ 염화트리부틸테트라데실포스포늄(tributyltetradecylphosphonium chloride) ]와 반응시켜, 실리카의 Na+부분을 P+Bu3R으로 치환한다. 이 때 Bu3RP+Cl–은 Bu3P [ 트리-n-부틸포스핀(tri-n-butylphosphine) ]과 R-Cl [ 1-클로로테트라데칸(1-chlorotetradecane) ]과 반응시켜 합성한다.
이러한 폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카 제조반응은, 실리카 표면의 라디칼 개시제로부터 출발하는 반응이므로, ‘그라프팅-프롬’ 반응이라 할 수 있으며, R-Cl 의 알킬기 길이와, 폴리St-SO3–Na+ 가 그래프트된 실리카에서의 St-SO3–Na+ 중합도(n)을 변화시키면, 다양한 항균폴리머가 그래프트된 나노실리카를 제조할 수 있다.
2.3. 4차암모늄기가 그래프트된 나노실리카(그래프트 반응예2)
4차 암모늄화합물(QAC)은 의료용으로 가장 널리 사용되는 항균 물질 중의 하나이다. 예를 들면, 염화 3-(트리메톡시실릴)-프로필디메틸옥타데실 암모늄[ (trimethoysilyl)-propylmethyloctadecyl ammonium chloride ]은 다양한 세균에 대하여 항균성을 보인다. 이 반응예에서는 나노실리카 표면에, 개환(ring-opening) 반응을 통해, 4차암모늄 항균화합물을 그래프트하는 것에 대하여 알아 볼 것이다. 이 경우, 개환반응으로 실리카 표면에 그래프트되는 원 화합물은, 고리형 탄산화합물인 5-메틸-5-카르복실-1,3-디옥산-2-온(5-methyl-5-carboxyl-1,3-dioxan-2-one, MTC-OH)로부터 합성되는 4차 암모늄 기능기가 부착된 고리형 탄산화합물들(그림3 참조)이다.
그림 3. 4차암모늄 기능기가 부착된 고리형 탄산화합물의 제조 – (i): 양이온중심으로부터 다양한 길이의 알킬기 함유 화합물, (ii), (iii): 옥틸기말단에 다양한 양이온구조가 있는 화합물 (참고문헌6)
이렇게 제조된 고리형 탄산화합물들을 개환반응을 통해, 아미노기가 도입되어 있는 나노실리카(2.2.의 ‘아조기 도입’ 참조)의 아미노기와 반응시켜, 다양한 4차 암모늄염이 그래프트된 나노실리카를 생성한다 (그림4 참조).
그림 4. 개환반응을 통한, 4차암모늄 항균화합물이 그래프트된 나노실리카의 생성 (참고문헌6)
3. 결론
세균감염은 질병 및 사망률 증가의 주요원인이며, 내성균 및 세균 변종의 발생으로 인해, 항균을 위한 효과적인 항생제 개발이 늦어질 수 있다. 항균화합물은 직접 세포에 작용하여, 세포기전과는 관련없이 정정기적 부착과, 항균 물질의 소수성 부분에 의한 세포의 물리적 파괴를 그 작동기전으로 하기 때문에, 세균의 종류에 관계없이 항균작용을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이러한 항균화합물을 나노입자 등에 그래프트하면, 침투력이 향상되고, 특히 항균화합물이 유기물일 경우, 부착된 무기나노입자가 열에 약한 유기물의 단점을 보완하는 기능도 있다. 그 밖에 이러한 항균나노입자는 의료기기나 필요한 기재에 도포함으로써, 바이오필름 생성을 원천적으로 차단하는 도포제로도 사용이 가능하다. 따라서, 다양한 유기 항균화합물을 나노입자에 그래프트할 수 있는 일반적인 화학공정 개발은, 향후 다양하고 효과적인 항균 나노입자 개발에 많은 도움이 될 것으로 생각된다.
References
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