Interactions between two different supramolecular self-assemblies, phospholipid bilayer vesicles and surfactant micelles, and thermotropic and lyotropic phase behaviors in aqueous mixtrues of them were systematically investigated by methods of turbidity titration, dynamic laser light scattering, fluorometric assay detecting the release of fluoropore, and differential scanning calorimetry. The effects of cholesterol and cetyl alcohol on the stability of bilayer vesicles against various surfactants were also studied.
The bilayer vesicle despersions were made of egg yolk lecithin(EYL), egg yolk phosphatidylcholine (EPC), dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC), and dioleyl phosphatidylethanloamine(DOPE) vesicles incorporated with immunoglobulin G(IgG), respectively. As the water-soluble and micelle forming amphiphiles, monosialoganglioside, poly(oxyethylene) fatty alcohols as diblock copolymer which have various lengths of tails and headgroups, and conjugated and unconjugated bile salts wewr used to analyze the effect of various surfactant structures, effects of the values of hydrophile-lipophile balance graded by either size of hydrophobic tail or head group, and effects of configurational and/or conjugational states of bile salts.
The turbidities of the mixed dispersions of sonicated phospholipid vesicles and nonionic-, diblock copolymer surfactants, POE(n) fatty alcohols, were systematically measured as a function of the surfactant added for a wide range of lipid concentrations (from 0.51 to 6.35 mM EPC). The results allowed the phase diagrams of EPC-POE(n) fatty alcohols-excess water systems as well as the quantitative determinations of solubilization parameters below. Considering the three-stage model for bilayer-to-micelle phase transitions of phospholipid vesicles induced by surfactants, namely solubilization, the effective molar ratios of surfactant to phosphilipid in the surfactant-saturated liposomes, $R^sat$, and in the mixed micelle state, $R^sol$, were quantitatively determined as a function of the size of phdrophilic part, oxyethylene moiety, and hydrophobic part, hydrocarbon tail, respectively. The free surfactant concentration in satruated and completely solubilized state, $D_w$, and the partition coefficient of POE(n) cetyl ethers between lipid bilayer membranes and aqueous medium in surfactant-saturated state were also calculated by using equilibrium partition model. Solubilization parameters such as effective ratios, free surfactant concentrations. and partition equilibrium of surfactants showed potimal behaviors according to the number of hydrophile-lipophile balance(HLB) graded by the length of oxyethylene moiety and hydrocarbon tail. In the middle ranges of HLB number (about HLB=14), maximum solubilizations of membrane components and closest approaches of phase boundaries of onset and complete solubilization were observed.
The stability of sonicated vesicles formed by EPC also has been examined in the presence of diblock copolymeric surfactants, POE(n) alkyl ethers during storage. The release rate of liposamal contents changed as the total surfactant concentration increased. Surfactantinduced release of calcein from liposomal formulae did not occur as a result of solubilization of phospholipid bilayers, but rather a different phenomena, occurring at surfactant concentrations substantially lower than onset solubilizations. The surfactant concentration of abrupt liberation depend clearly on the water-soluble amphiphiles such as HLB number as much as solubilization parameters. Surfactant-induced release of vesicle contents also depend on bilayer compositon. When cholesterol or cetyl alcohol were added as a membrane component, they increased the stability of bilayer towards surfactants. Furthermore, EPC vesicles containing about 1:1 mixtures of cholesterol and cetyl alcohol showed a best stability towards surfactant-induced release of vesicle contents.
In addition to the effect of each chain lengh of linear diblock copolymeric surfactants on the solublization and on the stability of bilayer vesicles containing pure EPC cesicles or mixtrues of EPC with cholesterol and cetyl alcohol, the configurational and conjugational effect of water soluble amphiphiles have been studied. Therefore, physical damage of DOPE vesicles containing IgG, namely immunoliposomes, cause by the salts of conjugated and unconjugated bile acids have been investigated by measuring turbidities of liposomal dispersions and the surfactant-induced release of vesicle contents, calcein. Of three kind of conjugated form of bile salts, unconjugated, taurinated and glycinated bile salts, unconjugated bile salts were the most destructive. Additionally, for each conjugational state, hydrophobiciy indices of them was very important as descrived previously for linear surfactants. Increasing hydrophobicity of each conjugated from of bile salts, solubulizing power decreased.
The microstructure of three different phases which were observed duirng solubilization, bilayer phase, coexistent phase of bilayer and mixed micelles, and spherical mixed micelles were simultaneously studied to describe mechanism of solubilization process. For the purpose, two phospholipids having thermotropic phase transition at room temperature, water-insoluble saturated L-α -dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) and water-soluble monosialoganglioside (G(M1)) were treated. That is, the thermotropic behavior of aqueous mixtures of DPPC and G(M1) were determined by differential scanning calorimeter. Transition phenomena by increasing surfactant concentration was clearly in agreement with turbidity measurement.
서로다른 초분자 결집체인 인지질막으로 구성된 리포좀과 계면활정제로 부터 만들어지는 마이셀의 상호 작용과 두 결집체의 수성 혼합물에 대한 상거동 현상에 관하여 체계적으로 연구 하였다.
이중층막의 결집체를 형성하는 물질로는 EYL (egg yolk lecithin), EPC (egg yolk phosphatidylcholine), DPPC (dipalmitoyl phosphatidylcholine)과 DOPE (dioleyl phosphatidylethanolamine)이 사용 되었다. 마이셀을 형성하는 수용성 계면활성제로는 선형 블럭 코폴리머 형태의 비이온성 계면활성제인 poly (oxyethylene) fatty alcohols를 수용성 머리의 길이와 지용성 꼬리의 길이를 변화시켜가며 계면활성제의 구조가 이중층막의 구형 결집체인 리포좀의 상전이 현상과 안정도에 미치는 영향 등에 대하여 체계적으로 실험하였고, 이 때 일어나는 계면활성제의 분배 현상에 대하여 연구 하였다. 또한, 생체 계면활성제인 여러 종류의 담즙산염 (bile salts) 즉, 담즙산염의 여러가지 관능기 유도체의 역할과 몸체에 붙어 있는 수산기들의 배향성과 갯수의 효과를 연구하였으며, 인지질의 열적, 용매적 상전이에 미치는 현상에 관하여 연구하기위하여 일종의 수용성 지질인 G(M1) (mono sialoganglioside)가 사용 되었다.
연구방법으로는 우선 혼합된 분산체 입자의 크기와 형태를 탁도측정법, 레이저 광산란법으로 측정하였으며, 계면활성제에 의한 인지질막의 투과성 변화를 형광방출 실험으로, 혼합 분산체의 열적 상전이 현상을 DSC (differential scanning calorimetry) 를 이용하여 측정하였다.
먼저 수용액 중에서 인지질막의 구형 결집체와 비이온성 블럭 코폴리머의 상호작용과 이들 삼성분계의 상거동에 관해 탁도적정법과 레이저 광산란 장치를 이용하여 연구하였다. 이 실험의 결과로 부터 삼단계 가용화 모델과 평형분배 이론을 응용하여 이중층막상과, 이중층막과 혼합 마이셀의 공존상, 그리고 구형 혼합 마이셀상의 변화 과정을 관찰하였고 각상의 경계에서의 가용화 매개변수인 인지질에 대한 계면활성제의 몰비, 자유 계면활성제의 농도, 계면활성제의 인지질막상과 수용상사이의 분배계수를 구하였다. 또한, 계면활성제의 구조와 성질이 삼성분계의 상거동과 가용화 매개변수에 미치는 영향을 알아보기 위해 블럭 코폴리머 계면활성제의 수용성머리와 지용성 꼬리의 길이를 다양하게 체계적으로 변화 시키며 실험하였으며, 이들의 결과를 계면활성제의 가용화 및 용도 선택의 척도로 많이 쓰이는 HLB (hydrophile - lipophile balance) 수와 연관지어 설명하였다.
즉, HLB 가 14 정도일 때 최대의 가용화 능력이 나타 났으며, 이때 상경계 사이의 간격이 가장 좁은 것으로 나타났다. 이러한 현상을 선형 계면활성제의 소수성효과 (hydrophobic effect)와 분자동적구조이론 (molecular dynamic packing shape)를 연관시켜 설명하였다. 한편, 계면활성제가 인지질 이중층막의 물리적 안정도에 관해 연구하였다. 형광성 물질을 함유한 이중막 액포 (vesicles)를 계면활성제로 처리하여 이때 방출되는 형광물질의 양을 시간에 따라, 계면활성제의 양에 따라 측정해본 결과 가용화 현상과 같이 HLB가 중요한 변수임이 밝혀 졌다. 그러나, 이중층막상과 공존상의 경계면에 도달하기 전에 형광 물질이 완전히 방출 되는 것으로 보아 가용화가 시작되기 전에 인지질막이 깨어지거나 계면활성제의 작용에 의해 유동성 급격히 증가함을 알 수 있었다. 또한, 콜레스테롤이나 세틸알콜을 이중층막에 함유 시키면 계면활성제에 대한 인지질막의 안정성이 크게 증가함이 밝혀졌다. 뿐만아니라, 인지질막에 콜레스테롤과 세틸알콜이 1:1 정도로 첨가시킨 경우 인지질막의 안정성이 가장 좋은 것으로 나타났다.
선형의 비이온성 계면활성제의 구조의 역할에 부가하여 계면활성제의 배향과 관능기가 이중층 액포의 계면활성제에 의한 가용화현상 즉, 이중층막상에서 혼합 마이셀상으로의 전환현상에 미치는 영향에 관해 연구 하였다. 즉, 담즙산염의 여러 관능기 유도체와, 몸체의 수산기의 배향과 갯수의 영향을 탁도적정법과 형광물질 방출 실험을 이용하여 비교연구 하였다. 이결과로 부터, 담즙산염과 그것들의 두가지 유도체, 즉 타우린 유도체, 글리신 유도체 중에서 유도체가 붙어 있지 않은 담즙산염이 가용화에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 나타 났으며, 유도체가 같을 때 수산기의 배향과 갯수의 영향을 보면 수산기의 배향에 의한 영향은 매우 작았으나, 갯수의 영향은 매우 크게 나타났다. 즉, 수산기의 갯수가 변화하면 담즙산염의 소수능 인덱스 (hydrophobicity indices) 가 변화 하는데, 동일한 유도체를 갖고 있는 담즙산들의 가용화 능력을 비교하면 소수능 인덱스가 증가할 수록 가용화능력은 감소하는 것으로 나타나 비이온성 선형 계면활성제와 유사한 결과가 나타났다.
인지질막과 마이셀과 같은 초분자 결집체는 최근 모사 생체막 연구와 재료과학 분야에서 매우 중요하게 다루어 지고 있다. 본 연구논문에서는 이 두 결집체의 상호작용과 상전이 현상을 다룸으로써 생체막과 단백질의 기능연구, 단백질의 분리 회수, 인지질막의 재구성 등에 필요한 기초자료를 제공해 주었으며, 약제나 기능성분자의 생체전달에 사용되는 약전달기구의 안정성과 약제를 포집했을 때 약제의 분배와 포집 효율에 관한 정보를 제공해준다. 뿐만아니라, 모사막을 이용한 물분해 장치, 광합성 장치와 같은 비균질 촉매 화학반응 장치의 설계및 모사연구에 기초자료가 될 것이다.
