Reverse Thermogelling PEG-Polypeptide Diblock Copolymers

Abstract

Well-defined nanostructural control from biological motifs is gaining attention among the material scientists. In chapter 2, we are reporting that the β-sheet structure of L-polyalanine plays a critical role in developing a fibrous nanostructure as well as sol-to-gel transition of amphiphilic poly(ethylene glycol)-L/or DL-polyalanine diblock copolymers. L-isomers underwent transitions from random coils to β-sheets, and to nanofibers as the polymer concentration increased, whereas DL-isomer remained as a random coil structure without developing any specific nanostructure. This report provides fundamental information on the relationship between hierarchical structures of polypeptides and thermosensitive sol-gel transition of the polypeptide aqueous solution. In chapter 3, we synthesized a series of poly(ethylene glycol)-homopolypeptide block copolymers that shows reverse thermal gelation in chloroform to investigate the relationship between the secondary structure of a polypeptide and the morphology of an organogel. Poly(ethylene glycol)-poly(L-valine) and poly(ethylene glycol)-poly(L-isoleucine) with dominantly β-sheet structures in chloroform developed fibrous morphologies in the organogel. Whereas, poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine) and poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine-co-L-phenylalanine) diblock copolymers with mixed conformation of β-sheet and α-helix structures in chloroform, spherical micelles were observed.Well-defined nanostructural control from biological motifs is gaining attention among the material scientists. In chapter 2, we are reporting that the β-sheet structure of L-polyalanine plays a critical role in developing a fibrous nanostructure as well as sol-to-gel transition of amphiphilic poly(ethylene glycol)-L/or DL-polyalanine diblock copolymers. L-isomers underwent transitions from random coils to β-sheets, and to nanofibers as the polymer concentration increased, whereas DL-isomer remained as a random coil structure without developing any specific nanostructure. This report provides fundamental information on the relationship between hierarchical structures of polypeptides and thermosensitive sol-gel transition of the polypeptide aqueous solution. In chapter 3, we synthesized a series of poly(ethylene glycol)-homopolypeptide block copolymers that shows reverse thermal gelation in chloroform to investigate the relationship between the secondary structure of a polypeptide and the morphology of an organogel. Poly(ethylene glycol)-poly(L-valine) and poly(ethylene glycol)-poly(L-isoleucine) with dominantly β-sheet structures in chloroform developed fibrous morphologies in the organogel. Whereas, poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine) and poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine-co-L-phenylalanine) diblock copolymers with mixed conformation of β-sheet and α-helix structures in chloroform, spherical micelles were observed.;본 연구에서는 L-폴리알라닌의 β-병풍구조가 양친매성 폴리에틸렌글리콜-L/ 또는 DL-폴리알라닌 이중블록 공중합체의 졸-겔 전이뿐만 아니라 섬유 모양의 나노구조를 형성시키는데 중요한 역할을 함을 보고하고자 한다. 특정 아미노산 서열을 갖는 폴리펩티드는 α-나선구조, β-병풍구조, 또는 무작정코일 등의 이차구조로 자가응집한다. 이러한 이유로 폴리펩티드는 구조형성 물질과 나노튜브, 나노입자, 나노테이프, 수화겔과 같은 새로운 생기능성 물질로서 광범위하게 연구되어 왔다. 수용액상에서의 가역적 온도성 겔화 고분자는 온도가 증가함에 따라 졸-겔 전이를 보인다. 이는 임플란트 형성 시 침투작용이 적으므로 약물 전달과 조직 공학 응용에 있어서 매우 유망한 시스템으로 보고되고 있다. 첫 번째 장에서는 폴리펩티드 이차구조의 차이가 수용액상에서 고분자의 가역적 온도성 겔화 성질에 어떤 영향을 끼치는지에 대한 의문을 제기하고자 한다. 이것의 대안으로, 아미노산의 입체화학의 차이에 의해 폴리펩티드의 이차구조가 달라질 것으로 기대되므로 비슷한 분자량의 폴리에틸렌글리콜-폴리(L-알라닌) (mPEG-L-PA) 과 폴리에틸렌글리콜-폴리(DL-알라닌) (mPEG-DL-PA) 이중블록 공중합체를 합성하였다. 결론적으로, 폴리펩티드의 이차구조는 졸-겔 전이의 고분자 성질을 조절하는 것뿐만 아니라 섬유 모양의 나노구조를 형성시키는데 중요한 역할을 한다. 이 보고는 폴리펩티드의 일차구조 (입체화학), 이차구조 (β-병풍구조 대 무작정코일)와 삼차원적 구조 (나노섬유) 사이의 관계에 대한 근본적인 이해를 향상시키기 위함일 뿐만 아니라, 특정한 생기능성 생체재료를 디자인하는데 있어서 유용한 정보를 제공하고자 함이다. 대부분의 유기젤은 낮은 온도에서 형성되고, 이 젤은 온도가 증가할수록 풀리게 된다. 최근 우리는 폴리에틸렌글리콜-폴리(L-알라닌-co-L-페닐알라닌) 이중블록 공중합체가 클로로포름에서 가역적 온도성 유기젤화 현상을 보임을 밝혀냈다 (Adv. Mater. 2007, 19, 3947-3950). 클로로포름에서 점도가 낮은 고분자 용액은 온도가 증가할수록 반고체 형태의 젤을 형성한다. 두 번째 장은 폴리펩티드 이차구조가 가역적 온도성 유기젤이 나노구조를 형성하는데 어떤 영향을 끼치는지에 관한 것이다. 폴리펩티드 이차구조와 유기젤의 형태와의 관계에 대해 알아보기 위해, 클로로포름에서 가역적 온도성 젤화 현상을 보이는 폴리에틸렌글리콜-호모폴리펩티드 블록 공중합체 여러 개를 합성해 보았다. 이차구조로 β-병풍구조가 우세한 폴리에틸렌글리콜-폴리(L-발린) 과 폴리에틸렌글리콜-폴리(L-이소루신) 은 섬유 형태가 관찰되었다. 그러나 이차구조로 β-병풍구조와 α-나선구조가 섞여있는 폴리에틸렌글리콜-폴리(L-알라닌) 과 폴리에틸렌글리콜-폴리(L-알라닌-co-L-페닐알라닌) 이중블록 공중합체는 구형의 미셀 구조가 관찰되었다.