양이온/음이온 계면활성제 혼합 수용액에서의 층막구형체의 자발적 형성과

이의 메카니즘

김홍운, 임경희1

동양공업전문대학교 응용화학과, 1중앙대학교 화학공학과

khlim@cau.ac.kr

Spontaneous Formation of Vesicle and Its Mechanism in Aqueous Cationic/Anionic Mixed Surfactant Solution

Hong-Un Kim and Kyung-Hee Lim1

Department of Applied Chemistry, Dongyang Technical College,

1Department of Chemical Engineering, Chung-Ang University

khlim@cau.ac.kr

서론

천연 및 합성 계면활성제나 인지질(phospholipid)이 물에 분산되어 있을 때, 그 분자들이 회합하여 막으로 된 구형 모양의 회합체를 층막구형체라고 한다. 인지질에 물이 함유되어 형성되는 liposome은 초음파와 같은 역학적 에너지를 주어 형성된다[1]. 비이온 계면활성제 수용액은 용매를 추출하여 niosome을 형성하는데, 이는 liposome보다는 안정하여 약물전달체로 사용되고 있다[2]. 하지만, 이들은 불안정하여 결국은 자유에너지가 낮은 액정 상태로 바뀌게 된다.

이에 비해 다른 종류의 계면활성제 혼합계에서는 층막구형체가 자발적으로 형성되며, 물에 대한 용해도가 제한되고 물질 투과 능력은 좋지 않지만, 안정성이 우수하여 일단 형성되면 그 형태가 오랫동안 유지된다. 그러므로, 이러한 층막구형체의 주요 관심사는 크기(size), 표면전하(surface charge)와 안정성을 들 수 있다. 또한, 외부의 힘에 의하지 않고 자발적으로 형성되므로 이의 형성 메카니즘 해석이 요구되었다. 본 연구실은 이미 양이온 계면활성제로 대전 방지성과 유연성이 우수하여 화장품 및 생활용품에서 널리 사용되는 octadecyltrimethyl ammonium chloride(OTAC)와 음이온 계면활성제로 지금까지 널리 사용되고 상거동에 대하여 많이 연구되어 있지만 피부 자극이 크고 산성용액과 높은 온도에서 가수분해가 쉽게 일어나 dodecanol과 sodium hydrogen sulfate를 생성하는 sodium dodecyl sulfate(SDS)를 대신하여 ammonium dodecyl sulfate(ADS)을 선택하여 혼합 수용액에 대한 상도해에 대하여 발표하였다[3]. 이 혼합계의 상도해에서 혼합 몰비와 전체 농도에 따라 층막구형체 영역이 관찰되었으며, 이들의 형성여부와 크기, 안정도, 형성 메카니즘을 투과전자현미경(transmission electron microscopy), 염료 봉입률, 작은 각 중성자 산란(small-angle neutron scattering)법, 동적 광산란법(dynamic light scattering)과 레이저 입자 분석(laser particle analyzer), UV 흡광도 및 zeta 전위를 측정하여 해석하고자 하였다. 이들의 형성 메카니즘은 임계충전변수를 계산하여 기하학적으로 접근하였다.

실험

본 연구에서 고려된 두 계면활성제는 모두 정제하여 사용하였다. 먼저 음이온 계면활성제 ammonium dodecyl sulfate (ADS, Fluka)는 30% 수용액의 형태로 구입하여 이를 먼저 회전 증발기에서 3일 동안 저압 (200mbar, 0.3 atm)과 고온 (70 ℃)으로 물 함량과 휘발성 성분을 제거하였다. 그 다음에 남아 있는 고체 덩어리를 90% 에탄올에 녹여 두 번 재결정하고, 절대 에탄올로 세 번 재결정하였다. 또한, 양이온 계면활성제 octadecyltrimethylammonium chloride (OTAC, Fluka, 순도 98%)는 절대 에탄올로 세 번 재결정하여 정제한다. 이렇게 정제된 OTAC와 ADS를 진공 데시케이터에서 건조하여 사용하였다[4]. 사용된 물은 2차 증류수이며, SANS 실험을 위하여 [eqn: D_2 `O`] (Aldrich, purity 99.9 atom % D)를 사용하여 제조하였다.

형성된 층막구형체는 2% uranyl acetate로 negative-staining한 전자투과현미경법(JEM-200CX, Japan)으로 그 이미지를 관찰하였다. 또한, UV 흡광도의 590 nm에서 피크를 보이는 염료 bromophenol blue를 첨가하여 봉입률을 계산하였고, 작은 각 중성자 산란(SANS)법 (한국원자력연구소 하나로 내)을 사용하여 구조를 확인하였다[5-7].

층막구형체의 안정도는 UV/Vis 분광기(V-550, Jasco)에서 흡광도 측정과 ZetsSizer 2000(Malvern Instrument, UK)에 의한 zeta 전위를 측정하여 확인하였다.

결과 및 고찰

층막구형체의 형성여부를 알기 위해 전체 농도가 10 mM인 [eqn: alpha_ADS `]=0.7에 대하여 전자투과현미경(TEM)으로 관찰하였으며, 그 이미지는 Fig. 1과 같이 이중층의 단층막이 확실히 구분됨을 알 수 있었다.

Fig. 1.	TEM image of	Fig. 2. Log-log plot of SANS spectra for vesicles

10 mM [eqn: alpha_ADS `]=0.7.	of ADS/OTAC mixed aqueous solutions.

10 mM [eqn: alpha_ADS `]=0.7에 대하여 염료 bromophenol blue에 대한 봉입률은 10∼17%로서 산출되므로 층막구형체가 형성되어 염료를 적당량 봉입함을 알 수 있었다. 이 봉입률은 다른 계 sodium 10-undecanoate/DeTAB 혼합 수용액에서 형성되는 층막구형체가 최고 6.2%인 것[8]에 비해 상당히 좋은 결과를 보였다.

층막구형체 형성 영역인 전체 농도가 4 mM인 [eqn: alpha`]=0.2와 [eqn: alpha`]=0.3의 5와 8mM에 대하여   동적 광산란법과 레이저 입자 분석으로 그 크기가 400 nm∼1.2 [eqn: mu`]m 정도임을 알 수 있었다. 이 시료들에 대하여 SANS 스펙트라을 측정하였으며, [eqn: q`] 범위는 이 크기를 결정할 수 있는 영역까지 미치지 못하여 크기에 대한 정보는 알 수 없었다. 하지만, 각 시료에 대하여 측정된 [eqn: q`]의 전 범위에서 지수법칙, [eqn: I(q)` SIM `q^-n `]를 적용하면, [eqn: n`]의 값은 Fig. 2에서 보이는 것처럼 각각 1.99, 2.48와 2.49가 되어 [eqn: n`] = 2인 이중층 구조를 잘 따르고 있으므로 층막구형체가 형성되었음을 뒷받침해주고 있다[9,10].

또한, TEM 이미지에서 관찰된 [eqn: alpha_ADS `]=0.7의 층막구형체 형성 영역에 대하여 전체 농도가 1, 2, 5, 10 mM로 농도가 증가됨에 따라 나타나는 SANS 스펙트라로부터 모든 농도에서 이중층 구조인 층막구형체 형성을 확인할 수 있었다. 또한, 이중층을 이루고 있는 층간의 두께([eqn: d_L `])는 sheet Guinier법인 [eqn: ln(I(q)`q^2 `)`]과 [eqn: q^2 `]의 그래프로부터 □[eqn: d_L^2 `/12 `]=기울기□[11]의 관계에서 전체 농도가 증가됨에 따라 15 nm에서 5 nm로 감소됨을 알 수 있었다. 이는 농도가 증가될수록 같은 전하를 띠고 있는 층막구형체간에 반발력이 강하게 작용하여 이중층간을 줄여서 층막구형체의 크기를 감소시키는데 기여하였다.

전체 농도가 10 mM인 [eqn: alpha_ADS `]=0.6 시료에 대하여 UV 흡광도를 시료 제조 직후와 두달에 걸쳐 측정하였으며, 흡광도에 거의 변화가 없었다(Fig. 3). 또한, 전체 농도가 3, 5, 10 mM에서 [eqn: alpha_ADS `]에 따른 zeta potentials의 측정 결과는 Fig. 4와 같다. Fig. 4에서 OTAC가 많은 쪽은 그 값이 양이고, ADS가 많은 쪽은 음의 값을 나타내었으며, 절대값이 상당히 큼을 알 수 있었다.

Fig. 3.	UV absorbance for 10 mM [eqn: alpha_ADS `]	Fig. 4. Zeta-potnetials vs. [eqn: alpha_ADS `] at

=0.6 for 2 months.	different total concentrations.

Fig. 3과 4의 결과로부터 형성된 층막구형체는 상당히 안정함을 알 수 있었다. 자발적으로 형성된 층막구형체의 형성 메카니즘은 Fig. 5와 같이 기학학적 모델을 통하여 해석할 수 있었다. 즉, 계면활성제의 알킬사슬의 부피와 길이를 [eqn: V`], [eqn: l`], 머리그룹의 면적을 [eqn: a_0`]라고 할때, 임계 충전 변수, [eqn: N_P_c `=V`/a_0 `l`]의 값이 계산된다. OTAC와 ADS의 경우 0.2와 0.37로서 구형의 미셀을 이루는 조건, [eqn: N_P_c `＠`1/3`]을 만족하였다. 이들의 혼합물은 [eqn: alpha_ADS `]=0.1, 0.3, 0,7 시료에 대하여 0.55에서 0.67로서 [eqn: 1/2`＠`N_P_c `＠`1`]의 층막구형체를 이루는 값의 범위에 해당하였다[12].

결론

양이온/음이온 혼합 계면활성제 수용액 계 중의 하나인 OTAC/ADS 혼합계에서 형성되는 층막구형체는 TEM 이미지와 염료 bromophenol blue의 봉입률이 17%인 것으로 확인하였으며, SANS 스펙트라의 지수법칙에서 지수가 2에 가까운 값을 가지는 것으로 해석하였다. 그 크기는 동적 광산란법과 레이저 입자 분석을 통해 400 nm∼1.2 [eqn: mum`] 정도임을 알 수 있었고, 정해진 몰분율에서 전체 농도가 증가됨에 따라 반발력이 강하게 작용하여 층막구형체의 층간 길이가 작아지므로 크기가 감소함을 알 수 있었다.

또한, 형성된 층막구형체는 UV 흡광도가 두달동안 거의 변화가 없고 zeta 전위의 절대값이 크므로 상당히 안정함을 알 수	Fig. 5. Geometric analysis of vesicles.

있었다.

이의 형성 메카니즘은 기하학적으로 설명할 수 있는데, 임계 충전 변수가 0.55∼0.67의 값을가지므로 층막구형체는 자발적으로 형성됨을 알 수 있었다.

감사의 글

본 연구의 일부는 한국학술진흥재단 신진연구인력장려금의 지원으로 수행되었으며, SANS 실험을 지원해 준 한국원자력연구소 하나로 이용 연구단의 성백석, 한영수 박사님께 감사 드립니다.

참고문헌

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3. K.-H. Kang, H.-U. Kim, K.-H. Lim, and N.-H. Jeong, Bull. Korean Chem. Soc.,    22(9), 1009 (2001).

4. W. L. F. Armarego and D. D. Perrin, "Purification of Laboratory Chemicals",        4th ed., Butterworth-Heinemann, Oxford (1996).

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6. R.-J. Roe, "Methods of X-ray and Neutron Scattering in Polymer Science", p.155-209, Oxford University Press, New York (2000).

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9. A. Guinier, G. Fournet, "Small-Angle Scattering of X-Rays", John Wiley & Sons., New York (1955).

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11. G. Ma, D. J. Barlow, M. J. Lawrence, R. K. Heenan, and P. Timmins, J. Phys.    Chem. B, 104, 9081 (2000).

12. J. N. Israelachvili, "Intermolecular and Surface Forces", 2nd ed., p.381, Academic  Press, London (1991).