The self-assembly of peptide-based building blocks into ordered nanomaterials is drawing great attentions from many researchers because of their close relationship to diseases such as Alzheimer’s, but also to the fabrication of novel nanomaterials. Peptide-based building blocks have unique advantages such as functional flexibility and molecular recognition capability. In this regard, there have been numerous attempts to develop self-assembling peptides since the early 1990s. To date, however, there have been no systematic studies on peptide self-assembly and its applications from the viewpoint of materials science and engineering.
In this thesis, the self-assembly of model peptide (i.e., diphenylalanine) and its application is studied from the viewpoint of materials science. Based on the understandings of relationship between processing conditions for peptide self-assembly and structures/properties of self-assembled peptide-based nanomaterials, potential applications of peptide-based nanomaterials/nanostructures are suggested such as syntheses of functional nanomaterials by using peptide nanostructures as a template or incorporating functional molecules within peptide nanostructures.
Chapter 2 and 3 describes the solid-phase growth of nanostructures from amorphous thin film of aromatic diphenylalanine peptides. The self-assembly of peptide nanowires depends on both the aging temperature and the nature of the solvent vapor used. Vertically well-aligned crystalline peptide nanowires are synthe-sized from amorphous peptide thin film by high temperature self-assembly of diphenylalanine under aniline vapor conditions. A simple method to fabricate a micro-pattern of peptide nanowires is suggested by combining soft lithographic technique and high-temperature aniline vapor-aging process.
In Chapter 4, the relationship between structure of peptide self-assembled nanomaterials and their stability is investigated by comparing diphenylalanine peptide nanotubes (PNTs) and nanowires (PNWs). For practical application of peptide-based nanofabrication technologies, information about the integrity or the stability of peptide nanostructures under extreme environmental conditions is critically needed because they frequently encounters harsh conditions such as high temperature, strong organic solvent conditions, and extreme pHs during the micro-fabrication processes. It is found that the peptide nanowires are robust against thermal (< 200 ˚C), chemical, and proteolytic attacks and suitable for applications requiring harsh processing conditions.
In Chapter 5, synthesis of conducting polymer nanostructures which have huge potential in nano- and bio-technology is presented. Through templated polymerization of polyaniline along the peptide nanowires, one-dimensional nanostructures of polyaniline are readily prepared. Peptide/polyaniline core/shell nanowires are readily formed by preferential growth of polyaniline along the sidewall of peptide nanowires due to the specific interaction between the peptide and polyaniline. Selective removal of peptide core results in the formation of hollow polyaniline nanotubes.
Chapter 6 deals with the synthesis of bone-like peptide/hydroxyapatite nanocomposites with multi-level hierarchical structures using peptide nanowires and biomimetic adhesives. To date, researchers have only succeeded in the fabrication of artificial bone-like composite materials at the lower levels of hierarchy. For the synthesis of bone-like peptide/hydroxyapatite nanocomposite with multi-level hierarchical structures, self-assembled diphenylalanine nanowires are functionalized with mussel-mimetic adhesive, polydopamine. The metal-ion binding ability and unique lattice geometry of polydopamine coated on the peptide nanowires facilitate the epitaxial growth of c-axis oriented carbonated hydroxyapatite nanocrystals and allow further hybridization with osteoblastic cells, forming multi-level hierarchical structure as observed in mineralized collagen of natural bones. These finding can provide a simple but powerful route for the synthesis of next-generation biocomposite materials.
In Chapter 7 and 8, application of self-assembled peptide nanostructures in the synthesis of next-generation electrode materials for Li-ion battery is discussed. Chapter 7 shows that peptide nanowires pre-pared by high-temperature self-assembly of diphenylalanine enable quasi-epitaxial growth of $Co_3O_4$ nanoparticles along the nanowires, which can be used as an anode material for Li-ion batteries. It is found that both electrostatic interactions and lattice matching between peptide nanowires and Co nanocrystals, which can further oxidized into $Co_3O_4$ nanoparticles in an aqueous solution, are responsible for the epitaxial growth of $Co_3O_4$ nanoparticles along the nanowires. In Chapter 8, application of nanofibrous peptide hydrogel is presented for the synthesis of nanostructured transition metal phosphate, which can be used as a cathode material for Li-ion batteries. Fluorenylmethoxycarbonyl-diphenylalanine (Fmoc-FF) peptide self-assembles into nanofibrous peptide hydrogel displaying regular acidic and polar moieties on their surface. Peptide nanofibers are readily mineralized with transition metal phosphate (e.g., $FePO_4$) by sequential treatment with aqueous solutions of metal cations and phosphate anions. Heat treatment of the mineralized peptide nanofibers results in the formation of carbon-coated metal phosphate nanotubes. Peptide/$Co_3O_4$ hybrid nanowires and $FePO_4$-mineralized peptide nanotubes are found to be a promising electrode material for rechargeable Li-ion batteries.
Lastly, Chapter 9 deals with application of peptide nanotubes formed by aqueous self-assembly of diphenylalanine peptides. In aqueous phase, diphenylalanine readily self-assemble into water-soluble nanotubes through hydrogen bonding between the peptides and water molecules and hydrophobic $\pi$-$\pi$ stacking interaction between the peptides. Due to both aromatic moieties and nanopores abundant in the peptide nanotubes, they can act as an excellent host for encapsulation of functional hydrophobic molecules. In this study, luminescent lanthanide complexes (i.e., complexes of lanthanide ions and aromatic photosensitizer molecules) are incorporated within peptide nanotubes. Interestingly, peptide nanotubes not only act as a host matrix for lanthanide complexes, but also as a photosensitizer, resulting in the significant enhancement of lanthanide photoluminescence. It is found that peptide nanotubes and photosensitizer molecules exhibited a high synergistic effect on the enhancement of lanthanide photoluminescence through a cascaded energy transfer between the peptide and lanthanide complexes. These results demonstrate the utility of peptide nanotubes as a novel host matrix for functional hydrophobic molecules and hint at a new horizon for the application of self-assembled peptide nanotubes.
생체고분자의 일종인 펩타이드(peptide)의 자기조립을 통한 나노소재의 합성은 치매 등 각종 퇴행성 신경질환 등과의 연관성 때문에 현재까지는 주로 의학적인 측면에서 연구가 진행되어 왔으나, 최근 들어 이를 이용한 새로운 나노소재의 개발이 많은 관심을 받고 있다. 펩타이드 기반의 자기조립형 물질들은 특정분자에 대한 뛰어난 인지능력(molecular recognition), 다양한 화학적 특성 (functional flexibility)을 지니는 동시에, 생체 및 환경친화적 (biocompatible & environmentally friend)이라는 장점을 지닌다. 따라서 펩타이드 기반의 나노소재는 기존의 유기 합성물질 기반 나노소재에 비하여, 다양한 분야, 특히 나노바이오기술 (nanobiotechnology) 분야에의 응용이 기대된다. 그러나 전세계적으로도 이러한 분야에 대한 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 대체로 자기조립능력을 지니는 새로운 펩타이드 기본물질의 스크리닝 등에 초점을 맞추어 연구가 진행되어 온 실정이다. 본 논문에서는 우수한 물리/화학적 특성을 지닌 것으로 알려진 디페닐알라닌 (diphenylalanine) 펩타이드의 자기조립을 재료공학적인 측면(공정 제어를 통한 나노소재의 구조 및 물성 제어)에서 연구하고, 이를 기반으로 기능성 나노소재의 개발등에 응용하고자 하였다.
제2장 및 3장에서는 비정질 펩타이드 박막의 고체상 자기조립현상 및 그 매커니즘에 관한 연구를 다루었다. 기존의 액상 펩타이드 자기조립방법은 분산 및 응집 문제등으로 나노구조를 정교하게 제어하기 어렵고, 공정 및 생성물의 특성평가가 어렵다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는, 이러한 단점을 극복하기 위해서 고체기판 위에 비정질 디페닐알라닌 펩타이드 박막을 제조하고, 온도 및 화학적 분위기와 같은 환경인자가 펩타이드 자기조립 및 나노구조 성장에 끼치는 영향을 연구하였다. 그 결과, 비정질 펩타이드 박막이 기체상의 용매 분자를 흡수하거나, 열에너지를 공급받게 되면, 자기조립을 통해 균일하고 정렬된 나노구조를 형성할 수 있음을 확인하였다. 특히, 펩타이드 필름에 흡수된 용매 분자가 펩타이드 분자의 확산을 돕는 역할 뿐만 아니라, 펩타이드 분자와의 수소결합 등을 통해 펩타이드 나노구조체를 형성함을 확인할 수 있었다. 화학적 분위기 및 열처리 온도의 정교한 제어를 통해, high aspect ratio(>100)를 가지고 기판상에 수직으로 배열된 펩타이드 나노선를 제조할 수 있었다. 이러한 고체상 펩타이드 자기조립 기술과 soft-lithography기술을 접목함으로써, 선택적 영역에서의 펩타이드 나노선의 성장도 유도할 수 있었다.
제 4장에서는 동일한 펩타이드(디페닐알라닌)의 고체상 자기조립공정으로 제조한 두 가지 나노구조(나노튜브 및 나노선)의 특성평가를 통해 자기조립 펩타이드 기반 나노소재의 구조-물성 관계에 관한 연구를 수행하였다. 고온의 유기용매 분위기하에서의 자기조립으로 생성된 펩타이드 나노선이 실온의 수증기 분위기하에서 생성된 나노튜브에 비해 매우 우수한 열적/화학적 안정성을 가짐을 확인하였다. X선 회절, 원편광 이색성분광 (Circular dichroism spectroscopy), FT-IR 분광 분석 등을 통해 펩타이드 나노선의 고안정성이 펩타이드 나노선의 베타시트 구조에 기인함을 확인할 수 있었다.
제 5장 ~ 제9장은 공정조건 제어 및 생성된 펩타이드 나노구조의 특성평가를 바탕으로, 펩타이드 나노구조의 응용분야에 관한 연구를 다루었다. 본 연구에서는, 디페닐알라닌의 고체상 자기조립으로 생성된 수직배향 펩타이드 나노선 (제5장 ~ 제 7장), Fmoc-디페닐알라닌 펩타이드의 수용액상 자기조립으로 생성된 펩타이드 하이드로젤 (제 8장), 디페닐알라닌의 수용액상 자기조립으로 생성된 펩타이드 나노튜브 (제 9장) 등의 펩타이드 나노구조를 이용하여 기능성 나노소재를 합성하는 연구를 수행하였다.
제 5장 및 6장에서는 디페닐알라닌 펩타이드 나노선의 방향족 특성을 이용한 방향족 고분자 나노소재의 합성 및 그 응용에 관한 연구를 다루었다. 디페닐알라닌은 두 개의 벤젠고리를 가지는 방향성 펩타이드로, 수소결합 및 벤젠고리간의 $\pi$-$\pi$ 상호작용 등을 매개로한 자기조립을 통해 높은 결정설을 지니는 펩타이드 나노선을 형성하게 된다. 디페닐알라닌 펩타이드 나노선의 안정성 및 결정성, 방향족 특성은 폴리아닐린 (제 5장), 폴리도파민(제 6장)과 같은 방향족 고분자와의 특이적 상호작용을 가능케 하여, 기존의 나노가공기술로는 제조가 어려웠던 방향족 고분자 나노선/나노튜브 등을 쉽게 제조할 수 있었다. 폴리아닐린은 전도성 고분자의 일종으로, 환경/바이오센서, 고분자 전자소재분야, 에너지 저장/변환소재로서 활용이 가능하며, 폴리도파민은 생체모방 접착고분자의 일종으로 다양한 유/무기 복합소재의 합성에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 그 예로, 본 연구에서는 폴리도파민으로 코팅된 펩타이드 나노선을 이용하여 자연계의 뼈와 유사한 구조를 가지는 펩타이드/하이드록시아파타이트 나노복합체를 제조할 수 있었다.
제 7장 및 8장에서는 펩타이드 나노구조를 이용한 에너지 저장소재의 개발에 관한 연구를 다루었다. 펩타이드 나노선 및 펩타이드 하이드로젤은 펩타이드 분자들의 규칙적인 배열을 통해 형성되는데, 그 표면에는 다양한 작용기들이 규칙적으로 배열되어 있어 나노크기의 무기소재를 성장시키는 유기 템플릿으로서의 응용이 가능하다. 그 예로 본 연구에서는 펩타이드 나노선 및 하이드로젤을 이용하여, 차세대 리튬이온전지의 음극 및 양극 활물질로 활용 가능한 코발트 산화물($Co_3O_4$) 및 전이금속인산염(MPO4, M: transition metal) 나노소재를 합성하였다.
마지막으로 제 9장에서는 디페닐알라닌 펩타이드 나노튜브를 기능성 분자의 담지체로 활용하는 방안을 다루었다. 소수성 디페닐알라닌은 수소결합 및 $\pi$-$\pi$ 상호작용을 통해 다공성 펩타이드 나노튜브를 형성하게 되는데, 자기조립과정에서 소량의 소수성 기능성 분자를 첨가하게 되면, 복잡한 공정과정을 거치지 않고도 매우 빠르고 간편하게 기능성 분자를 펩타이드 나노튜브 내에 담지할 수 있게 된다. 그 예로, 본 연구에서는 란탄계열 금속 이온 및 소수성 광감응분자 복합체를 펩타이드 나노튜브내에 담지하여, 우수한 발광 특성을 지니는 발광나노튜브를 제조할 수 있었다.
결론적으로, 본 연구에서는 재료공학적인 접근방식으로 펩타이드 자기조립을 연구함으로써, 펩타이드 자기조립 기술이 단순한 학문적 연구대상에서 벗어나 다양한 분야에의 활용이 가능함을 보일 수 있었다. 이러한 연구결과는 펩타이드 자기조립현상뿐만 아니라, 나노소재 합성 및 응용에 관한 연구에 기여할 것으로 기대된다.
