계면 복합화를 통한 탄산칼슘결정 성장의 제어

고대영, 이길선, 안동준

고려대학교 화학공학과

계면 및 분자소재 연구실

Growth Control of Calcium Carbonate Crystals Using

Composite Interfaces

Dai Young Goh, Gil Sun Lee, and Dong June Ahn

Interfaces and Supramolecular Materials Laboratory

Department of Chemical Engineering, Korea University

Seoul 136-701, Korea

서론

자연계에서는 carbonate외에도 phosphate, halide, sulfate, silica 및 manganese  oxide등 여러 무기물 결정들의 성장이 각종 동식물과 곰팡이 체내에서 그 크기와 배열이 정교하게 제어되고 있음을 관찰할 수 있는데 이와같은 생체내 결정성장을 생체 유도 결정화(biomineralization)라 한다[1],[2]. 현재까지 생체내 세포막과 구조적으로 가장  흡사한 고밀도 계면활성제 박막(Langmuir-Blodgett film, 이하 LB film)을 이용하여 이러한 결정성장을 모사하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으며 그 결과 무기물과 상호작용을 하는 유기물의 계면 작용이 생체 유도 결정화에 중요한 역할을 하는 요인임이 밝혀져 있다.

LB film은 그 막의 두께가 nanometer 차원으로 정밀한 제어가 가능하며, 생체막의 물리·화학적 성질을 쉽게 모방할 수 있다. 또한 막의 표면에 sensing element나 reacting site 역할을 하는 화학적 작용기들을 최대 20Å2/(작용기)의 고밀도로 집적  하여 radical의 수를 최대화할 수 있으며 화학적 작용기가 다른 유기 분자들을 채 용함으로써 수월하게 막의 계면성질을 변환할 수 있다는 장점이 있다.

본 연구에서는 위와 같은 장점을 지닌 LB film을 이용하여 생체내 결정성장에서의 유기물-무기물간 상호작용에 영향을 미치는 변수들을 밝히고자 하였다. 먼저 서로 상이한 계면작용을 갖는 순수한 성분으로 만들어진 막의 특징과 결정성장 경향을 각각 규명한 후 이들 성분을 여러 조성비로 혼합하여 만들어진 혼합막에서의  결정 생성 경향을 관찰함으로써 lattice spacing과 streochemistry의 변화가 결정성장에 미치는 영향을 분석하였다. 이번 연구 결과는 향후 생체 유도 결정화의 메카니즘 이해와 이를 인공적으로 재현하는데 기여할 수 있을 것이며, 새로운 나노복합소재의 합성을 위한 생체 모방 기술로 이용될 수 있을 것이다.  또한, 체내 투입용 인공장기 표면에서 발생하는 석회화를 억제하는데 응용될 수 있을 것이다.

실험

LB film을 구성하는 재료로는 10,12-pentacosadiynoic acid (PDA, Farchan Laboratories, 99%)와 stearyl alcohol (StOH, Aldrich, 99+%)로서 2차정제 없이 구입한 상태에서 사용하였다. Chloroform (Aldrich, HPLC grade)을 용매로 PDA, StOH 용액과 이를 혼합하여 몰농도비(PDA:StOH)로 8:1, 4:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:4를 갖는 혼합용액을 각각 1mM의 농도로 제조하였다. 물을 1차 증류한 뒤 Milli-Q water purifier system을 이용하여 최종적으로 18.2M □□cm의 전기저항을 갖는 초순수(deionized(DI) water)를 Langmuir minitrough (KSV, Finland)의 trough에 채운후 주사기를 이용해 PDA, StOH용액과 각 혼합용액을 기/액 계면에 분사하였다(T=25℃, pH=5.5). Chloroform이 전량 증발하도록 10분간 기다린후 최종 표면압력이 30mN/m에 도달할 때까지 barrier를 10mm/min의 속도로 2차원 대칭 압축하였다. 30분간 기다린 후 자외선(파장:254nm)을 노광하여 고분자 반응을 유도하였다. 그후 octadecyltrichloroethoxysilane (OTE, Huls America, 99%)를 self-assembling method[3]로 입힌 소수성 유리기판을 사용하여 막을 수평 증착하였다. 초순수를 용매로 탄산칼슘(CaCO3, Aldrich, 99%)을 용해하고 CO2 bubbling을 거쳐 과포화용액을 제조하였다. 이때 과포화된 용액의 최종 칼슘 이온 농도는 칼슘전극을 이용하여 8mM로 측정되었다. 위에서 만들어진 막위에 탄산 칼슘 과포화용액 100□l를 떨어뜨려 30분간 결정을 생성시켰다. 막의 성분과 구조는 Visible Absorption, FT-IR, 그리고 AFM을 이용하여 분석하였고, 생성된 결정의 형상은 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.

결과 및 토론

순수용액 및 혼합용액의 표면 등온선: 그림 1은 물위에서의 순수한 PDA와 StOH의 표면 등온선을 보여준다(T=25℃, pH=5.5).  순수한 StOH의 경우 collapse 과정을 거치지 않고 표면압력(□)이 15mN/m이상에서 solid-like상태로 접어들어 분자평균면적(mean molecular area, 이하 MMA)이 19Å2/molecule인 지점에서 표면 압력 30mN/m 도달한 후 안정한 monolayer를 이룬다. 반면 순수한 PDA의 경우 MMA가 24Å2/molecule인 지점(□=8mN/m)에서 한번의 collapse를 거친 후 점차 면적이 줄어 들면서 최종적으로 MMA가 8Å2/molecule인 지점에서 표면압력이 30mN/m에 도달한다. 이로부터 상온에서는 PDA 단층막이 불안정하여 곧 collapse되고 평균적으로 3층막을 형성하게 됨을 알 수 있다. 그림 2는 여러 혼합막의 표면 등온선을 나타내고 있다.  StOH의 양이 증가함에 따라 표면등온선이 PDA 경향에서 점차 StOH로 전환됨을 알 수 있다. 또한, collapse가 일어나는 표면 압력이 점진적으로 증가하는 것으로 보아  두 혼합물은 well-mixing system임을 간접적으로 확인할 수 있다. 이는 PDA 고분자 도메인 크기가 StOH 조성의 증가에 따라 감소함을 시사한다.

LB film상에서의 탄산칼슘 결정 생성: 탄산 칼슘 결정은 막표면에 탄산칼슘   과포화 용액을 노출시킴으로써 생성시킬 수 있다. 다음 반응식에 의해 이산화 탄소가 빠져나오면서 결정이 생성된다.

Ca2+(aq) + 2HCO3-(aq)  →  CaCO3(s) + CO2(g)↑+ H2O(l)

메틸기를 head group으로 갖는 OTE막의 경우 탄산칼슘결정 중  가장 안정한 형태인 (104) 결정면을 갖는 calcite 결정이 생성되었다. 이는 메틸기로 노출된 표면이 소수성을 띄어서 수용액과 상호작용이 적을 뿐만아니라 head group의 전기적 상호작용이 적음으로 인해 나타나는 현상이다. 표면이 이온 성질을 갖는 순수한 PDA 막의 경우 (012) 결정면을 갖는 calcite가 유도되었다(그림 3). 또한, 한 도메인상에서 그 배열이 일정한 방향으로 정렬되어 있음을 관찰할 수 있다. 이를 분자수준에서 볼때 calcite 결정의 장축, 즉 a축이 polymer backbone 방향과 일치됨이 관찰되며, 이는 carbonate 이온의 lattice spacing이 4.99Å으로 PDA의 head group인 카르복실기의 lattice spacing 4.5±0.3Å과 일치되어 나타나는 결과이다[4]. 반면 표면이 알콜기로 노출된 StOH막의 경우에는 aragonite결정이 생성되었다. 이 경우 결정들의 일정한 배열은 전혀 관찰되지 않았다.

그림 3에서 혼합막의 조성에 따라 생성된 탄산칼슘결정 모양을 나타내었다. PDA:StOH 농도비가 8:1인 경우 (012) calcite결정이 주성분을 이루었으나 순수한 PDA막위에서 관찰되었던 배열의 규칙성은 전혀 관찰되지 않았다. 4:1막의 경우 (012) calcite 보다 aragonite 결정들이 주로 생성되었으며 2:1, 1:1, 1:2, 1:4 막위에서는 순수한 StOH막의 경우에서 처럼 aragonite 결정들이 관찰되었다[5]. 그림 4에 AFM을 이용하여 관찰된 혼합막들의 구조를 제시하였다. 표면등온선의 거동으로부터 유추할 수 있었던 바와 같이, StOH 함량이 증가함에 따라 PDA 고분자 도메인의 크기가 감소함을 직접적으로 보여 주고 있다. 따라서, 계면의 lattice spacing과 stereochemistry에 부가하여, PDA 고분자 도메인의 크기가 성장되는 결정의 형태와 배열에 중요한 영향을 미치는 변수임을 새롭게 확인할 수 있었다.

감사

본 연구는 1996년도 교육부 학술연구조성비(생물화학공학: 96-H-1)에 의해 수행되었다.

참고 문헌

[1] H.A. Lowenstam and S. Weine, "On Biomineralization," Oxford University Press, New York, 1989.

[2] Mann, S., Archibald, D.D., Didymus, J.M., Douglas, T., Heywood, B.R.

Meldrum, F.C., and N.J. Reeves, "Crystallization at inorganic-organic

interfaces: Biominerals and biomimetic synthesis," Science, 261, 1286-1292

(1993).

[3] Kessel, C.R. and S. Granick, "Formation and characterization of a

highly ordered and well anchored alkylsilane monolayer on mica by self-

assembly," Langmuir, 7, 532-538 (1991).

[4] A. Berman, D.J. Ahn, A. Lio, M. Salneron, A. Reichert, and D. Charych, "Total alignment of calcite at acidic polydiacetylene films: Cooperativity at the organic-inorganic interface," Science, 269, 515-518 (1995).

[5] D.Y. Goh, D.J. Ahn, "Carbonate crystal growth controlled by interfacial interactions of artificial cell membranes," Biotechnology and Bioprocess Engineering, 1998 (in press).