pH-Responsive DNA Nanolinker Conjugated Hybrid Materials for Electrochemical Microactuator and Biosensor Applications

연구 배경

탄소나노튜브 복합재는 미세구동기, 센서, 커패시터에 쓰이지만, 감지나 변형 같은 특정 기능을 부여하려면 자극 응답 요소를 재료 안에 넣어야 합니다. 시토신이 풍부한 i-motif DNA는 산성에서 네 가닥 구조로 접히고 높은 pH에서 무작위 코일로 풀리므로 이러한 스위치로 쓸 수 있습니다. 이전의 i-motif DNA-탄소나노튜브 재료는 결합제가 없어 자립형 필름이나 섬유로 만들기 어려웠고, 다공성 dsDNA-SWCNT 섬유 제작에 쓰던 이온성 액체 응고는 DNA를 비가역적으로 변형시킵니다. 또한 탄소나노튜브-고분자 섬유는 미세다공성을 높이면 전기전도도가 낮아지는 상충 관계가 있습니다.

설계와 접근

카복실기로 기능화한 SWCNT를 생체 계면활성제이자 고분자 결합제인 dsDNA로 분산하고, 양 끝에 아민기를 가진 i-motif DNA를 EDC/NHS로 SWCNT의 카복실기에 공유결합시킵니다. 이 분산액을 0.3 M 질산(HNO3)과 에탄올(부피비 9:1) 응고조에 압출하면, 수소 이온이 음전하를 띤 DNA-SWCNT를 중화해 정전기적 반발을 줄이고 나노섬유로 자기조립시키며, 이 나노섬유가 다공성 미세섬유를 이룹니다. i-motif 연결체는 접힌 상태에서 약 5 nm, 무작위 코일 상태에서 약 8 nm이므로, pH 5와 pH 8 사이의 전환이 나노섬유 망이 묶이는 정도를 바꿉니다.

평가 방법

분산액은 고분해능 투과전자현미경, 원편광 이색성(CD), 극저온 투과전자현미경, 제타전위, 자외선-가시광 분광으로, 섬유는 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경, 적외선 분광(FT-IR), 라만 분광으로 분석했습니다. 팽윤과 표면 형태는 pH 5와 pH 8에서 비교했습니다. 전도도는 4탐침 셀로 측정했고, 순환전압전류법은 pH 5와 8의 인산완충식염수(PBS)에서 수행했습니다. 전기화학 구동은 2 M NaCl에서 약 1.4 MPa의 등장력 응력과 +0.2~−1.0 V의 사각파 전위로 시험하고 i-motif DNA가 없는 섬유와 비교했습니다. H2O2 감지는 섬유 한 가닥으로 두 pH에서 1 nM~100 μM, 0.5~8 mM 범위를 시험했습니다. 모든 시험은 세포나 동물 없이 체외에서 수행했습니다.

연구 내용과 주요 결과

결합된 i-motif DNA는 pH 응답을 유지해, pH 5에서 pH 8로 바뀔 때 CD 스펙트럼의 287 nm 양의 띠가 270 nm로, 256 nm 음의 띠가 250 nm로 이동했습니다. HNO3 농도를 높이면 DNA-SWCNT는 1 μM에서 응집체를, 10~100 μM에서 느슨한 섬유망을, 1 mM에서 더 굵은 섬유망을 이루었습니다. 물 응고조에서는 느슨한 망이 생긴 반면, HNO3/에탄올 응고조에서는 건조 상태 직경 약 200 μm의 치밀한 섬유가 얻어졌고, 밀도는 0.65 g cm−3로 교신저자 연구진이 이전에 보고한 정적 DNA 섬유(1.5 g cm−3)보다 낮았습니다. 섬유는 직경 약 50 nm의 부분 정렬된 나노섬유 다발로 이루어졌고, 가교 후 FT-IR에서 1385 cm−1의 포스포르아미데이트 띠가 새로 나타났습니다.

pH 5에서는 섬유 표면이 매끄럽고 치밀했으나, pH 8에서는 거칠어지고 작은 기공이 많이 생겼습니다. 건조 섬유는 물을 흡수해 pH 5에서 약 25%, pH 8에서 약 41%의 부피 변화를 보였고, pH 5와 8 사이를 전환할 때 약 12%의 가역적인 직경 변화가 나타났습니다.

다공성 섬유의 전도도는 약 27 S/cm로, 이온성 액체로 만든 이전 dsDNA 피복 SWCNT 섬유보다 높았습니다. pH 5에서 뚜렷한 산화환원 피크(Epa = 0.11 V, Epc = −0.18 V, 100 mV/s)가 나타났다가 pH 8에서 줄어들었고, 20회 연속 순환전압전류 측정에서 안정했습니다. SWCNT 질량으로 정규화한 정전용량은 pH 5에서 약 59.9 F/g, pH 8에서 약 47.8 F/g으로, 이전 전기방사 DNA/SWCNT 매트(약 7 F/g)와 일반 SWCNT 섬유(약 30 F/g)보다 컸습니다. 약 1.4 MPa 하중과 30초 간격의 전위 단계에서 i-motif DNA를 포함한 섬유는 크리프 없이 약 0.15%의 팽창·수축을 보였고, i-motif DNA가 없는 섬유는 큰 크리프를 보였습니다.

pH 5의 H2O2 감지에서는 H2O2가 nM에서 mM 수준으로 늘어남에 따라 약 0.1 V의 산화환원 피크가 감소하고 이동한 뒤 사라졌으며, CD 측정에서 i-motif DNA는 10 mM H2O2까지 접힌 구조를 유지했습니다. 연구진은 H2O2가 DNA의 인산기와 복합체를 이루어 전하 전달을 방해한다고 제안했습니다. pH 8에서는 100 μM H2O2까지 전압전류 곡선이 변하지 않았습니다. 두 pH 모두에서 밀리몰 범위(최대 8 mM)의 H2O2에 따라 새로운 산화 피크(Epa 0.35 V)가 커졌고, 반복 측정 결과도 일관되었습니다. 연구진은 피크 위치와 전류를 함께 읽어 pH와 H2O2 농도를 동시에 파악할 수 있다고 제시했습니다.

다른 연구와의 연결

Chang 등은 i-motif DNA와 G가 풍부한 DNA를 SWCNT에 결합해 pH(5와 8)와 Li+, K+ 이온에 따라 가역적으로 전환되는 산화환원 활성을 보고했습니다. 이 연구는 dsDNA를 결합제로 더해 i-motif로 연결된 SWCNT를 자립형 섬유로 습식 방사하고 구동과 감지에 적용했습니다.