Layer-by-layer (LbL) assembly is a facile and versatile method for surface engineering. LbL assembly has been widely applied to various applications, including drug delivery, tissue engineering, single-cell nanoencapsulation (SCNE) by applying nature-derived biopolymers, which have intrinsic biocompatibility and biodegradability. In particular, polysaccharides are the most abundant polymer in nature and also basic structural materials of natural organisms. Due to these advantageous features of polysaccharides, polysaccharide-based LbL films have considerable potential for making the functional interface with biodegradability and nature-mimetic properties. In this thesis, various LbL films have been designed and fabricated with nature-derived polysaccharides, and can be categorized as follows. (1) Ulvan-based neurocompatible LbL films: Ulvan, the sulfated polysaccharide extracted from the cell wall of green seaweed of Ulva species, has a similar structure with extracellular matrix (ECM) molecules, which is expected to have neurocompatibility in general. LbL films with ulvan and chitosan were fabricated, and the neurocompatibility was examined on the films with hippocampal neurons. Ulvan-based LbL films showed stable adhesion of neuronal cells and even accelerated neurite outgrowth, which was comparable with poly-D-lysine-coated control substrates. The ulvan-based surface could also suppress astrocyte adhesion. This LbL film with ulvan and chitosan could be a functional neurocompatible surface for further applications, including neuro-implants.(2) Starch-based cytocompatible and degradable LbL films: Starch has intrinsic cytocompatibility and outstanding biodegradability which induced by -amylase. The starch-based LbL nanofilms were fabricated with synthesized cationic starch (c-ST) and alginate (ALG). All the processes, including film formation and degradation, proved highly cytocompatible, and this cytocompatible characteristic of the system was advantageously applied to SCNE. The c-ST/ALG shells were formed and degraded in a controlled fashion on individual Saccharomyces cerevisiae without any noticeable loss in cell viability. The -amylase-triggered film degradation was also applied to the controlled release of DNA molecules from the multilayer films.The nature-derive polysaccharides-based LbL films were successfully fabricated and demonstrated neurocompatibility and cytocompatible degradability with ulvan and starch, respectively. These polysaccharides showed their intrinsic characteristics on the LbL films and proved their applicability in neuronal culture and SCNE. The systems designed in this thesis could have considerable potential in further biomedical applications and provide possibilities for further studies with nature-derived polysaccharides.
층상자기조립법은 표면 성질 제어 및 박막 형성을 할 수 있는 간단하면서도 범용성이 아주 높은 방법이다. 높은 세포친화성 및 생분해성을 가지는 생체고분자를 기반 물질로 사용하여 층상자기조립법으로 박막을 제작하는 것은 약물 전달, 조직공학, 세포피포화 등에서 다양하게 응용되었다. 특히, 자연 유래 다당류 고분자는 자연계에서 흔하게 구할 수 있고, 고유의 생체적합성이 아주 높으며, 채내에서 분해될 수 있어 이를 기반으로 한 박막은 앞서 언급한 생의학적 응용분야에서 효과적으로 이용될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 자연 유래 다당류 고분자를 층상자기조립법을 이용하여 다양한 박막을 설계 및 제작하였다. 먼저, 파래 속으로 분류되는 해초의 세포벽에서 추출한 자연 유래 물질인 울반을 기반으로 하는 박막을 층상자기조립법으로 제작하여 뉴런세포와의 친화성을 확인하였다. 그 결과 해당 박막은 대조군으로 사용한 폴리라이신 표면보다도 더 안정적으로 해마 뉴런 세포를 부착할 수 있었으며 신경돌기성장을 더 촉진시키는 것으로 나타났다. 또한, 해당 박막은 벌아교세포의 부착을 효과적으로 억제하는 것으로 나타나 향후의 뉴런세포를 이용한 체내에서의 응용 과정에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.또한, 기능화된 녹말과 알지네이트를 이용하여 세포친화적이며 생분해성을 가지는 박막을 제작하였다. 형성된 박막은 알파 아밀레이즈에 의하여 빠른 속도로 분해되었으며, 박막 제작 및 분해과정 모두 높은 세포친화도를 보였고, 효모세포를 같은 물질을 이용하여 층상자기조립법으로 피포화한 결과 피포화 과정 및 껍질 분해과정에서 세포의 생명활동에 영향을 끼치지 않는 것을 확인하였다. 녹말을 기반으로 한 해당 박막은 효소 반응에 의하여 조절되는 DNA 분자의 방출을 실현하였다.요약하면, 본 연구는 자연 유래 다당류 고분자를 기반으로 생체친화적이며 효소에 의해 분해가능한 박막들을 설계 및 제작하였다. 층상자기조립법을 이용하여 울반으로 제작한 다층 박막은 해마 뉴런 세포를 효과적으로 배양할 수 있는 표면으로 활용되었으며, 기능화된 녹말을 이용한 박막은 효소에 의하여 조절가능한 분해성을 보였으며, 세포피포화에 성공적으로 적용되었다. 이와 같이 자연 유래 물질을 이용한 박막은 물질의 고유 특성을 이용하여 생물학 및 의학적 응용에 폭넓게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
