Layered Double Hydroxide as a Reservoir of Bio-functional Molecules

Abstract

Recently, there has been a great deal of interest in various inorganic nanoparticles because of their potential application for reservoirs or delivery carriers for bio-functionalized substances such as pharmaceutical, nutritional and cosmetically functionalized molecules. In general, Layered double hydroxide (LDH) has attracted great attention as anionic reservoir or drug delivery carrier due to its low toxicity and anion exchangeability. 4-hydroxy-3-methoxybenzoic acid (vanillic acid: VA), is a widely used flavoring agent in foods, however, long-lasting and sustained flavoring effect has been difficult because of the high volatility and uncontrolled release of VA. In this study, we have successfully intercalated into LDH in order to achieve both stabilization and controlled release of VA. Three LDHs with different metal ratios, Zn₂Al-VA LDH, Zn₃Al-VA LDH and Zn₄Al-VA LDH were prepared and their chemical structures and VA release behaviors of VA how the LDH lattices were compared one another. Powder X-ray diffraction (PXRD) analysis and spectroscopic analyses, such as UV-Vis and Fourier transform infrared (FT-IR) exhibited that the VA molecules were well stabilized between the inorganic layers. In particular, FT-IR spectra revealed that VA molecules are well stabilized in the LDH through electrostatic intercalation without deformation of functional groups. In addition, we were also able to prove that the VA release kinetics and total release amount are dependent on the metal ratio and charge density of host LDHs, which represents the controlled release of VA. The VA intercalated LDHs were also utilized as secondary host for volatile aroma 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde (vanillin: V). VA-LDHs were suspended in vanillin/EtOH solution and the vanillin molecules were readily adsorbed on VA-LDH according to the π-π interaction between VA and V. The thermal stability of both intercalated vanillic acid and adsorbed vanillin was checked at 200℃ condition, and it was verified that the stability of both components can be improved through intercalation into LDHs.;여러 유용물질 및 생기능성 분자의 효율적인 전달을 위한 전달체계로 다양한 무기 나노 입자에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그 중에서도 금속 이중층 수산화물 (Layered Double Hydroxide: LDH)은 금속염의 침전을 이용한 나노구조물로 음이온이온교환 반응을 통해 DNA, 아미노산등 여러 유용물질들을 층 사이로 삽입시킬 수 있다. 금속 층은 내부에 캡슐화 시킨 기능성 물질을 보호하며, 특히 전달하는 물질의 전하를 중성화 시킴으로써 세포 내로의 내포작용을 촉진시킨다. 또한, 독성이 낮으며 세포 내 높은 투과율 때문에 약물 전달체로써 많은 이목이 집중되어 있다. 본 연구에서는 나노무기담체 나노기술을 이용하여 기능성 소재의 안정성 효과를 증진시키고자 하였다. 이를 위해 향 물질의 보관을 위한 최적의 나노무기담체 합성 방법을 확립하고, 나노무기담체에 캡슐화된 향 물질의 열 안정성 특성을 규명하기 위하여 온도와 저장시간에 대한 안정성을 분석하였다. 나노기술을 이용하여 개발된 향 물질이 담지된 나노하이브리드는 X-선 회절분석, 분광학적 분석을 통하여 특성을 분석하였다. 우선 공침방법을 이용하여 바닐산 (vanillic acid: VA)을 Zinc-Aluminum LDH내에 성공적으로 합성 시킴으로써 새로운 유기-무기물 층상 나노하이브리드 (VA-무기 나노하이브리드)를 개발하였다. X-선 회절 분석을 통해 VA가 무기화합물 층간에 삽입되었음을 확인 할 수 있었으며, 분광학적 분석을 통해 층간에 삽입된 VA의 구조가 지그재그로 위치하고 있음을 알 수 있었다. VA-무기 나노하이브리드는 VA의 서방특성을 보이는데, 이는 VA와 층상 무기화합물간의 정전기적 인력이 작용하기 때문이다. 그리고 합성 전의 VA와 비교해본 결과, 저장 안정성이 뛰어남을 관찰 할 수 있었다. 또한, VA-무기 나노하이브리드에 바닐린 (vanillin: V) 향 물질을 흡착시켜 또 다른 유기-무기물 층상 나노하이브리드 (VAV-무기 나노하이브리드)를 개발하였다. VAV-무기 나노하이브리드는 우수한 저장능력을 나타내었다. 원 물질 V와 VA-무기나노하이브리드에 흡착된 V의 안정성을 비교해본 결과, 원 물질의 경우 매우 낮은 안정성을 나타내었으나 흡착된 바닐린은 나노하이브리드의 우수한 저장능력으로 인해 안정성이 개선되었음을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과로부터 금속 이중층 수산화물(LDH)은 이미 많이 연구된 생물학적 응용뿐 만 아니라 기능성 소재 개발에 폭넓게 응용되어 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 특히, 본 연구에서 사용된 바닐산과 바닐린은 가장 대표적인 향 물질이므로 개발된 향 나노무기감체 기술은 다양한 식품에 적용 및 활용이 가능할 것으로 사료된다.