A series of amphiphilic graft copolymers, poly($\alpha$,$\beta$-dimethylaminoethyl aspartamide) grafted with didodecyl chains with different degree of substitution (DS), were successfully synthesized and confirmed by $^1H-NMR$ and FT-IR analysis. An appropriate amount of 2-hydroxypyridine was involved in synthetic reaction in order to increase the grafting reactivity of didodecyl chain.
Self-assembled structures of synthesized polymers in aqueous solution were induced by direct dissolution method. At the same polymer concentration condition, the morphologies of self-aggregates were changed from spherical micelles to wormlike micelles, and finally to vesicles in order of DS of didodecyl chains. Those self-aggregates were characterized by TEM, DLS, and Zeta potential measurement and their structure change could be explained in terms of packing parameter and backbone flexibility. In addition, a broad transition from spherical micelles to vesicles was observed with didodecyl chain systems compared to single dodecyl chain systems within the same range of grafted dodecyl chain numbers.
Structural transition also can be induced by controlling pH. In this study, vesicles were transformed into spherical micelles (or wormlike micelles) through reassembly at different pH solution. As pH increased or decreased, electrostatic repulsion between each head groups became stronger and that resulted in an increase of head group area, which meant the decrease of packing parameter. Structural transition from vesicles to spherical micelles (or wormlike micelles) could be explained based on this mechanism.
Self-aggregates of PDMAEA-g-$diC_{12}$ had great potential for stimuli drug carriers. We prepared DOX-encapsulated three different self-assembled structures from PDMAEA-g-$diC_{12}$ and their pH-dependent drug release was investigated. Release of DOX from self-aggregates of PDMAEA-g-$diC_{12}s$ at mildly acidic pH was significantly faster compared to at physiological pH. It was found that spherical micelle was the most effective carrier among three morphologies.
Consequently, self-aggregates behaviors and their structures are affected profoundly by the hydrophilic/hydrophobic ratio. And pH dependency of self-assembled structures such as structural transition from vesicles to micelles or different drug release shows the possibility for therapeutic application.
양 이온성 친수성 고분자인 Poly($\alpha$,$\beta$-dimethylaminoethyl aspartamide) (PDMAEA)에 다음과 같은 합성 과정을 통해 소수성인 이중 dodecyl 사슬을 접목시킨 양친성 고분자를 합성하였다. 우선 아미노산의 한 종류인 L-aspartic acid로부터 acid-catalyst condensation 반응을 거쳐 PSI를 합성한 후 적절한 양의 didodecylamine과의 aminolysis를 통해 원하는 정도의 didodecyl 사슬을 접목시킨다. 일반적으로 이중 사슬의 경우 그 반응성이 낮기 때문에 이 점을 보완하고자 2-hydroxypyridine을 같이 첨가해주어 보다 효과적인 결과를 얻고자 하였다. Didodecylamine과 반응하지 않은 PSI 단위는 N,N-dimethylethylendiamine과 반응시킴으로써 최종적으로 친수성의 PDMAEA를 고분자 백본으로 갖는 양친성 그래프트 공중합체가 합성된다. 이렇게 하여 4가지 서로 다른 didodecyl 사슬 접목도를 갖는 양친성 고분자를 합성하였고, 물에 직접 용해 하여 자기회합 현상을 유도하였다. 이 연구에서 합성한 고분자가 수용액상에서 나타내는 물리화학적 특성들은 고분자의 조성, 즉 친수기와 소수기의 비율을 나타내는 DS를 변수로 하여 관찰되었다.
TEM 사진을 통해 관찰한 결과 didodecyl 사슬이 접목되는 정도가 증가함에 따라 자기회합체의 구조가 spherical micelle, wormlike micelle, 그리고 vesicle로 변화하였다. 이러한 자기회합체의 구조 변이 현상은 packing parameter를 이용하여 설명할 수 있다. 접목도가 증가하면, 사슬 자체의 부피와 길이는 일정한 반면 하나의 이중 사슬이 갖는 친수기의 면적이 줄어들게 되기 때문에 결과적으로 packing parameter가 증가하게 되고 이로 인해 spherical micelle로부터 vesicle 구조로 변화하게 되는 것이다. 이중 사슬 구조로부터 나타나는 효과를 관찰하기 위해, 동일한 백본에 단일 dodecyl 사슬을 접목시킨 양친성 그라프트 공중합체를 준비하였다. 이중 사슬은 하나의 단위당 단일 사슬 2개를 가지고 있기 때문에, 단일 사슬을 이용한 고분자의 접목도가 이중 사슬을 이용한 고분자 접목도의 2배를 갖도록 반응 조건을 조절하였다. TEM 사진을 통해 자기회합체의 구조를 비교해 본 결과, 결과적으로 동일한 수의 사슬이 붙어 있음에도 불구하고 이중 사슬을 이용한 고분자에서 훨씬 bilayer 에 가까운 구조체를 형성한다는 것을 확인할 수 있었다.
뿐만 아니라 이렇게 형성된 자기회합체의 구조는 pH를 조절함으로써 다른 구조체로의 변화시킬 있었다. Vesicle을 형성하였던 두 고분자에 대해서 유기 용매에 녹여 형성된 구조체를 분해시킨 후, 다양한 pH buffer solution에 대해 dialysis 시킴으로써 다시 자기회합현상을 유도하였다. TEM 사진을 통해 다시 유도된 자기 회합체의 구조를 확인해 본 결과 중성 조건에서 vesicle을 형성하였지만 pH가 증가하거나 혹은 감소함에 따라 vesicle 대신에 wormlike micelle과 spherical micelle의 구조체가 나타나는 것을 볼 수 있었다. 이것은 pH가 변화하면서 그에 따라 고분자 내에 있는 amine group과 amide group의 이온화 되는 정도가 증가하여 서로간의 반발력에 의해 하나의 소수기가 갖는 친수기의 면적이 넓어지고 그 결과 packing parameter가 작아짐에 따라 나타나는 현상이었다.
또한, 서로 다른 모양으로 형성된 자기회합체 내에 소수성 항암제 Doxorubicin (DOX)을 고분자내의 소수기와의 상호작용을 통해 봉입하여 약물전달체로 응용하였다. 봉입효율을 측정한 결과, spherical micelle이 wormlike micelle이나 vesicle 보다 높은 수치를 나타내었고, 이렇게 DOX가 봉입된 입자들을 pH 7.4와 pH 5.2 조건에서 방출 거동을 관찰하였다. 세가지 구조체 모두 약 산성 조건인 pH 5.2에서 좀 더 빠르고 많은 양의 DOX가 방출되는 것을 확인할 수 있었는데, 이것은 입자의 swelling 현상과 DOX의 reprotonation 현상에서 비롯된 결과라고 해석할 수 있었다.
