칼사이트 및 바테라이트의 선택적 형성을 위한 하이드로젤 내 확산 기반 결정화 = Diffusion-Based Crystallization for Selective Formation of Calcite and Vaterite in a Hydrogel

국문 초록 (Abstract)

생광물은 살아있는 유기체 내에서 물질 전달과 확산 과정이 정교하게 조절되어 오랜 기간에 걸쳐 형성되며, 매우 복잡하고 정교한 구조를 갖는다는 특징이 있다. 여러 생광물 중 탄산칼슘(CaCO3)은 연체동물의 껍질이나 성게의 가시 등을 구성하는 가장 풍부한 광물로서, 생체 광물화 메커니즘 연구뿐만 아니라 약물 전달 및 조직 공학 분야에서도 집중적으로 연구되어 왔다. 하지만 기존의 수용액 기반 연구는 이온을 직접 혼합하여 급격한 침전을 유도하기 때문에, 생체 내에서 일어나는 느리고 규제된 결정 성장 과정을 모방하는 데 한계가 있었다.
본 연구에서는 이온의 확산이 느리게 일어나는 아가로스 하이드로젤을 매질로 사용하고, 최근 개발된 직교 확산 시스템을 도입하여 이온의 공급 속도와 pH를 정밀하게 제어함으로써 생체 환경을 모사하였다. 칼슘 이온(Ca2+)을 포함한 하이드로젤에 탄산수소 이온(HCO3-)과 수산화 이온(OH-)을 서로 수직인 방향으로 확산시켰으며, 두 이온의 플럭스에 따라 결정화 환경이 달라지는 수백만 개의 미세 반응기를 형성하였다. 실험 결과, 이온 플럭스가 높은 영역에서는 열역학적으로 가장 안정적인 칼사이트(Calcite)가 형성되었으나, 이온 플럭스가 점차 감소함에 따라 준안정 상태인 바테라이트(Vaterite)가 함께 관찰되거나 지배적으로 나타나는 공간적 분화 현상이 확인되었다.
탄산칼슘의 다형체 선택과 형태 변화는 국부적인 이온 과포화도와 pH에 의해 결정되었으며, 이는 핵 형성 이론과 결정 성장 속도론을 기반으로 설명되었다. 플럭스가 높고 알칼리성이 강한 조건에서는 칼사이트로의 상전이가 빠르게 일어나는 반면, 낮은 플럭스와 중성에 가까운 pH 조건에서는 바테라이트와 같은 준안정상이 효과적으로 보존되었다.
본 연구의 결과를 종합해 보면, 이온 공급의 정밀한 속도 조절과 적절한 pH 환경의 조화가 이루어질 때 특정 탄산칼슘 결정상을 선택적으로 합성할 수 있음을 알 수 있다. 이는 생체 광물화 과정을 시공간적으로 이해하고, 제어된 확산 환경을 이용해 원하는 물성의 결정을 제조할 수 있는 새로운 방법론을 제시했다는 점에서 중요한 의의를 갖는다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction1
• Ⅱ. Theoretical Background4
• Ⅲ. Experimental Section7
• 1. Materials 7
• 2. Orthogonal Diffusion Crystallization of CaCO38
• 3. Characterization 10
• Ⅳ. Results and Discussion 11
• 1. Morphological Analysis of CaCO3 Polymorphs 11
• 2. Spatial Distribution and Quantitative Analysis of Crystal Phases 21
• 3. Spatiotemporal Monitoring of Local pH Variations 35
• 4. Crystallization Pathways and Flux-Dependent Mechanisms 38
• Ⅴ. Discussion41
• Ⅵ. Conclusion 45
• Reference 47
• Acknowledgements 59
• ABSTRACT60