중합 후 화학적 변형을 통한 랜덤 공중합체 기반의 금속 배위 자기조립체 형성 및 촉매 응용성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 블록 공중합체 기반의 코어/코로나 나노구조체가 갖는 제한된 기질 접근성과 촉매 활성 저하 문제를 해결하기 위해, 금속–리간드 배위 결합을 이용한 랜덤 공중합체 기반의 자가 접힘(Self-folding) 나노구조체를 개발하였다.
Poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA)와 Glycidyl methacrylate (GMA)를 Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) 방법을 이용해 랜덤으로 중합한 후, GMA의 에폭시 링에 Iminodiacetic acid (IDA)를 결합시켜 금속 이온과의 배위 결합이 가능하도록 설계하였다. 리간드로 기능화된 킬레이트 공중합체는 금속 이온과의 배위 결합을 통해 접힘 구조를 형성하며, 금속 이온이 코어에 국한되지 않고 사슬 전반에 분포하여 기질 접근성과 촉매 활성을 향상시킨다. 또한 PEGMA 의 강력한 수화 능력에서 기인한 안티파울링 효과(Antifouling effect)는 생체 유사 조건에서 나노구조체에 높은 콜로이드 안정성을 부여한다.
세륨 이온은 Ce(III)/Ce(IV) 간 가역적 전환을 통해 과산화수소(H2O2)를 물(H2O)로 환원시킴과 동시에 기질을 산화시키는 과산화효소 유사 활성을 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 세륨 이온으로 킬레이트 공중합체의 자가 접힘을 유도하여 세륨 기반의 나노 입자를 형성한 후, 나노 입자의 촉매 활성을 2,2′-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS)를 기질로 사용한 비색분석법으로 확인하였다. 결과적으로 세륨 나노 입자는 기질을 더 빠르게 산화시킬 뿐만 아니라 세륨 이온과 기질 간의 상호작용을 방지하여 침전물이 생성되는 것을 억제하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 금속–리간드 기반 랜덤 공중합체 자기조립체가 보다 향상된 생체 안정성 및 촉매 활성을 갖는 효소 모방 촉매 설계에 유효한 플랫폼임을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we developed a self-folding nanoscaffolds based on random copolymers coordinated with metal ions to overcome the limited substrate accessibility and reduced catalytic activity typically observed in block copolymer–based core/corona nanostructures.
Poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA) and Glycidyl methacrylate (GMA) were randomly polymerized via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP). The epoxy ring of GMA were subsequently functionalized with iminodiacetic acid (IDA) to introduce metal-coordinating sites. These random copolymers form folded nanostructures, enabling metal ions to be distributed throughout polymer chain rather than being confined to a solvophobic core, thereby improving substrate accessibility and catalytic efficiency. In addition, the antifouling effect originating from the strong hydration capability of PEGMA provides high colloidal stability to the nanostructures under biomimetic conditions.
Cerium ions exhibit peroxidase-like catalytic activity through reversible Ce(III)/Ce(IV) redox cycling, mediating oxidation of substrates while reducing hydrogen peroxide. In this study, cerium-based nanoparticles were formed by inducing self-folding of chelating copolymers through coordination with cerium ions, and their catalytic activity was evaluated using a colorimetric assay with ABTS as a substrate. The cerium nanoparticles not only accelerated oxidation of the substrate but also suppressed precipitate formation by preventing strong interactions between cerium ions and ABTS.
This study demonstrates that metal–ligand coordination-guided self-folding strategy provides an effective platform for designing enzyme-like catalysts with biological stability and improved catalytic activity.

목차 (Table of Contents)

• 초 록1
• Ⅰ. 서 론3
• Ⅱ. PART 1. Synthesis of Random Copolymers via Atom Transfer Radical
• Polymerization and Post-Polymerization Modification with Chelating Ligand
• 1. Materials10
• 2. Measurements11
• 3. Experimental Methods14
• 4. Results and Discussion18
• Ⅲ. PART 2. Preparation of Ce(III)-chelated High-Density Nanoparticles and Ce(III)-
• chelated Low-Density Nanoparticles
• 1. Materials24
• 2. Measurements25
• 3. Experimental Methods28
• 4. Results and Discussion32
• Ⅳ. PART 3. Evaluation of Colloidal Stability and Analysis of Peroxidase-like Catalytic
• Activity of Ce-HDNPs and Ce-LDNPs
• 1. Materials39
• 2. Measurements40
• 3. Experimental Methods41
• 4. Results and Discussion43
• Ⅴ. 결 론 51
• Ⅵ. 참 고 문 헌 53
• 영문 논문 제출서 56
• 영문 인준서 57
• ABSTRACT 58