자극 감응성 고분자

[사무국]

학‧화공‧섬유 분과 성용길
 
 자극 감응성 고분자(Stimuli- Responsive Polymers)는 외부 환경 특정 신호, 온도, pH, 빛, 전기, 화학 물질 등에 민감하여 감지하고 반응하여 상대적으로 크고 작은 물리적 또는 화학적 변화를 나타내는 폴리머로 정의한다.

 이 자극 감응성 고분자에 부여된 명칭으로는 자극 민감성, 지능형, 스마트 또는 환경 민감성 고분자 등으로 불리고 있다. 이러한 고분자들은 자극을 신호로 인식하고, 고분자 자체의 용해도, 형태, 기계적 강도, 표면 성질 등을 급격히 그리고 대개 가역적으로 변화시키는 가역성 지능형 고분자로 나타난다. 또한 그 감지 신호의 크기를 판단 반응하여 분자 사슬의 구조를 변경시킨다. 고분자 시스템의 반응을 조절하는 다양한 자극이 존재한다.

 이러한 자극은 물리적 또는 화학적 자극으로 분류될 수 있다. 이를테면, pH, 이온(ion), 화학종과 같은 화학적 자극은 분자 수준에서 폴리머 사슬 간의 상호작용 또는 폴리머 사슬과 용매 간의 상호작용을 유발한다. 온도, 전기 또는 자기장, 기계적 스트레스와 같은 물리적 자극은 다양한 에너지원에 영향을 미치고 분자 상호작용으로 임계점에서 발현된다. 

 이러한 고분자들은 ‘감지하고 반응한다!’는 특성이 있기 때문에 그 폴리머 시스템을 약물 전달, 조직공학, 센서, 스마트 코팅, 생물 공정, 크로마토그래피 등과 같은 첨단 분야에서 혁신적으로 응용성이 있다. 현재 두 개 이상의 자극반응 메커니즘을 하나의 폴리머 시스템에 결합하여 연구개발 중에 있다. 예를 들어, 온도에 예민한 고분자는 pH 변화에도 적용된다. 

 또한, 두 개 이상의 신호를 동시에 적용하여 이른바 이중으로 반응이 나타나는 고분자 시스템에도 적용할 수 있다. 최근에는 생화학적 자극 능력이 또 다른 범주로까지 적용되고 있다. 이는 미생물, 항원, 효소, 리간드, 약물 전달 및 생화학 응용 제제에 적용할 수 있는 길이 열려있다. 

 주요 응용 분야로는 표적 약물 전달, 종양 부위의 낮은 pH, 특정 효소에 반응할 수 있는 의약 약물 전달 시스템(DDS: Drug Delivery System), 지속성 조절용 물질 전달, 스마트 약물 주사제 등이 있다. 

 조직공학에서는 세포의 탈부착, 성장을 유도하거나 억제하는 지능형 스캐폴드, 생체 내 조건(온도, pH 등)에 반응하여 형성되는 인공조직, 바이오센서, 분리 기술, 스마트 분리막(이온교환, 크로마토그래피)에 이용할 수 있다. 

 그리고 빛, 전기 화학적 자극으로 수축 또는 팽창되는 인공 근육이나 미세기계 소자, 노출된 화학적 자극(공기, 수분)에 자극 감지 반응하여 손상 부위를 스스로 복구할 수 있는 영역에까지 적용할 수 있다. 또한 스마트 코팅, 환경 변화(pH, 염분, 오염물)에 반응하여 발수성, 방염, 방청 등을 변화시키는 특수코팅에도 적용할 수 있다. 그리고 전단력이나 온도에 따라 점도가 크게 변하는 스마트 점도 조절용 유도체 등에도 응용할 수 있다. 

 외부 자극에 대해 다양한 반응 중 가장 많이 연구되고 잘 알려진 고분자는 온도-민감성 폴리머이다. 이 폴리머들은 온도에 의한 자극으로 인해 저임계 용액 온도(LCST: Lower Critical Solution Temperature)를 나타낸다. 즉, LCST 이하에서는 폴리머 사슬과 용매 분자가 균일한 혼합상에 존재하며, LCST이상의 온도에서는 용해 엔트로피에 의해 응집되는 과정으로 상 분리가 발생한다. 폴리(N-아이소 프로필 아크릴아미드) (pNIPAm)는 LCST가 약 32°C로 이는 인체의 체온 37°C에 가깝다. 용액 온도가 LCST를 초과하면, pNIPAm 사슬은 용매화되어 확장된 무작위 코일 구조에서 비용매화 밀집 구형 구조로 전환된다.

 LCST를 나타내는 고분자는 폴리[N-[2-(다이에틸 아미노)에틸 아크릴아마이드]], 폴리(N,N-다이메틸아미노 에틸 메타크릴레이트), 폴리(N,N-에틸아미노에틸 메타크릴레이트),  폴리(2-(N-모르폴린) 에틸 메타크릴레이트), 폴리[올리고(에틸렌 글리콜)메타크릴레이트], 폴리(N,N-다이에틸 아크릴아마이드) 등이 있다. 또한, 온도 또는 pH 민감 반응성 폴리머에 다른 기능 그룹을 도입함으로써 다중 반응성 공중합체, 자극 감응성 고분자를 합성할 수 있다. 

필자소개
 University of Utah 박사
미국 유타대학교 연구교수
부산대학교 자연과학대학 교수
동국대학교 이과대학장, 명예교수
한국생체재료학회 회장, 명예회장