To explore the morphology of bilayer aggregates formed by cholesteryl amphiphiles, various cholesterol-containing amphiphiles having different spacer groups were synthesized from cholesterol. The synthesized amphiphiles were as follows:
$CH_2=C(CH_3)CO_2CH_2CH_2\stackrel{+}{N}(CH_3)_2(CH_2)_{10}CO_2CHOL Br^-(CHODAMA-10)$,
$CH_2=C(CH_3)CO_2CH_2CH_2 \stackrel{+}{N}(CH_3)_2(CH_2)_5CO_2CHOL Br^-(CHODAMA-5)$,
$(CH_3)_2CHCO_2CH_2CH_2\stackrel{+}{N} (CH_3)_2 (CH_2)_{10}CO_2CHOL Br^-(CHODABU)$,
$CH_2=CHCO_2(CH_2CH_2O)_2CH_2CH_2\stackrel{+}{N} (CH_3)_2CH_2CO_2CHOL Br^(CHODAMA-OXY-3)$,
$CH_2=CHCO_2CH_2CH_2OCH_2CH_2\stackrel{+}{N} (CH_3)_2CH_2CO_2CHOL Br^(CHODAMA-OXY-2)$and $HOCH_2CH_2\stackrel{+}{N}(CH_3)_2(CH_2CH_2O)_3CH_2CH_2 CO_2CHOL Br^-(CH-DDAUN)$ where CHOL is cholesterol ring moiety, $C_{27}H_{45}$.
These cholesteryl amphiphiles were soluble in water and formed well developed stable bilayer aggregates upon sonication. Morphology of aqueous monomeric or polymeric amphiphilic bilayer aggregates was investigated by optical and electron microscopy, spectroscopic method, differential scanning calorimetry and viscosity measurement.
Hydrophobic $C_5$ or $C_{10}$ hydrocarbon spacers of CHODAMA-5, CHODAMA-10 and CHODABU are embeded into the hydrophobic cholesterol ring region. However, the hydrophilic oxyethylene spacers of CHODAMA-OXY-3 and CHODAMA-OXY-2 are fully extended to the outside of the cholesterol rings.
Tubular or rodlike aggregates were predominantly formed from these cholesteryl amphiphiles, and initially vesicle formations were not observed in all cases. Tubules formed by CHODABU was very rigid and stacked, and changed to myelin-like multilamellars and finally to the large vesicles according to aging time. Monomeric CHODAMA-5 was observed as random clusters, but poly(CHODAMA-5) formed the large extended ordered aggregates by the entanglement of rods. Monomeric and polymeric CHODAMA-10 formed disklike and spheric folded rodlike aggregates. However, the rod structures formed by monomeric CHODAMA-OXY-3 were not folded but separated each other probably because of the presence of hydrophilic oxyethylene spacers. These rods are spherically folded like the ones of poly(CHODAMA-5) or poly(CHODAMA-10) depending upon aging time. Poly(CHODAMA-OXY-2) also formed spherically folded rodlike aggregates. Tubules formed by CHODAUN were not composed of bilayer aggregates but composed of packing of micellar globules.
These morphological changes from folded rods or tubules to large extended aggregates or vesicles are evidenced by viscosity measurement: the monomeric states exhibited higher viscosity than these polymers, and also the viscosity was decreased upon standing.
When $Ca^{+2}$ion was added to the amphiphilic solution of poly(CHODAMA-5) and poly(CHODAMA-10), the spherically folded rods were fused to large extended aggregates or vesicles, and these vesicles are successively fused to form large tubules or ribbon structures. These ribbon-like aggregates derived from poly(CHODAMA-5) were grown to giant right-handed helical superstructures by the ordered packing of ribbons.
콜레스테롤을 포함하는 양친매성분자를 합성하여 이들에 의해서 수용액에서 형성되는 이중층집합체의 구조를 전자현미경 및 광학현미경으로 관찰하였다. 합성된 콜레스테릴 양친매성 분자는 CHODAMA-10, CHODAMA-5, CHODAMA-OXY-3, CHODAMA-OXY-2, CH-ODAUN, 그리고 CHODABU이며, 이들은 물에 잘 녹으며 초음파진동 (sonication) 에 의해 안정한 이중층집합체를 형성한다.
단량체 및 고분자 콜레스테릴 양친매성 분자에 의해 구성되는 이중층집합체의 구조는 스페이스 (spacer) 그룹, 방치시간 (aging time), $Ca^{+2}$ 이온에 의해 변한다. 고분자주쇄와 소수성콜레스테롤 그룹사이의 스페이스의 길이와 성질은 이중층 구조에 중요한 영향을 미친다. 소수성 $C_5$ 또는 $C_{10}$의 탄화수소 스페이스는 콜레스테롤 링속에 묻히게 되어 CHODAMA-5, CHODAMA-10에 의해 형성되는 막대구조 (rod structure) 의 직경은 약 50Å이나, 친수성 옥시에틸렌 스페이스는 콜레스테롤 링 밖으로 완전히 펼쳐져서 물분자와 강하게 수화되어 있으며 CHODAMA-OXY-3, CHODAMA-OXY-2 에 의해 형성되는 막대구조의 직경은 약 100Å 이다. CHODAMA-5, CHOD-AMA-10 의 막대구조는 매우 효과적으로 중첩되어 있으나 (disklikely folding) CHODAMA-OXY-3의 막대구조는 중첩되지 않고 서로 풀어헤쳐진 구조를 하고 있는데 이는 물분자의 수화에도 불구하고 옥시에틸렌의 안정성이 유지되기 때문이다. 이들 막대구조는 모두 중합에 의해서 구형으로 중첩되어 (spherically folding) 커다란 펼쳐진 규칙적 집합체 (large extended ordered aggregates) 또는 액포 (vesicle)를 형성하게 된다.
중합가능한 이중결합을 갖지 않는 CHODABU와 CHODAUN은 각각 이중층막으로 구성된 관구조 (tubular structure) 와 미셸글로블 (micelle globule)의 규칙적인 배열에 의해 이루어진 관구조를 형성하며, CHODABU의 관구조는 매우 뻣뻣하며 여러개가 다발로 뭉쳐져 있으나 CHODAUN의 관구조는 매우 유동적이고 비틀려진 구조를 하고 있다.
짧은 스페이스 그룹을 갖는 CHODAMA-5는 단량체 상태에서 불규칙적구조 (ramdomly cluster structure) 로서 관찰되나 고분자화된 CHODAMA-5 또는 CHODAMA-10은 매우 규칙적인 이중층집합체를 형성한다. 이러한 현상은 스페이스 길이가 짧을수록, 단량체 상태에서 양친매성분자의 쌓임 (packing)은 매우 어려우나, 중합에 의해서 이들 단량체 분자들이 더욱 규칙적으로 쌓임을 할 수 있다는 것을 말해준다.
콜레스테릴 양친매성 분자에 의해 형성되는 관구조 또는 막대구조는 구형으로 중첩되어서 방치시간에 따라서 서서히 커다란 펼쳐진 규칙적집합체 또는 액포로 융합 (fusion) 된다. 이러한 융합과정은 $Ca^{+2}$ 이온에 의해서 가속화되며, $Ca^{+2}$ 이온의 존재하에서 고분자화된 CHODAMA-5와 CHODAMA-10은 커다란 액포로 성장하게 되며, 이들 액포의 연속적인 융합에 의해서 리본모양의 관구조로 자라나게 된다. 고분자화된 CHODAMA-5에 의해 형성되는 관구조는 점차 커다란 섬유상으로 성장하게 되어 육안으로 관찰가능하며 섬유의 미세구조는 오른쪽으로 비틀어진 나선구조 (right-handed helical structure) 를 하고 있음이 광학현미경에 의해서 관찰되었다. 나선구조의 피치 (pitch) 는 32Å이며 열적안정도는 매우 높으나, 압력 등 역학적 힘에는 약하여 쉽게 파괴되어 끊어진다.
