Hydrophilic polyurethane (PU)/ hydrophobic polystyrene (PS) interpenetrating polymer networks (IPNs) were structurally modified for enhanced blood compatibility and endothelial cell culture. Three modification tools were used for enhanced blood compatibility: First, the morphological pattern of PU/ PS IPNs was changed by controlling the polymerization rate and the phase separation kinetics. Second, the PEO chains were grafted on PU/ PS IPNs. Third, the synthesis temperature was controlled to diminish the domain size of PEO-grafted PU/ PS IPNs. Otherwise, the amphiphilic balance of all PS IPNs was controlled, and the collagen immobilization was performed to enhance the adhesion and growth of the human endothelial cells on PU/ PS IPNs.
Polyurethane (PU)/ polystyrene (PS) IPNs were simultaneously synthesized at 80 C , controlling the reaction kinetics to change the morphology. Polymerization kinetics of styrene was controlled by the content of initiator, and that of polyurethane by the catalyst concentration. The in-vitro blood-compatibility tests showed that the surface roughness was an important factor on the adsorption of fibrinogens, and platelets. PU/ PS IPNs were grafted with poly(ethylene oxide) (PEO) for enhanced blood compatibility. PEO-grafted PU/ PS JPNs were successfully synthesized changing the length of the pendant PEO chains and the distance between the PEO chains. The hydrophilic and highly concentrated pendant PEO chains could easily prohibit the adsorption of the fibrinogens and the adhesion of the platelets on the surface. The adsorption of the fibrinogens and the platelets was suppressed, as the length of pendant PEO chains, and the grafting density were increased. The effect of the pendant PEO chains on the surface properties of PEO-grafted PU/ PS IPNs was successfully characterized by using AFM techniques recently developed. The compositional mapping showed that the area fraction of the hydrophilic PU-rich phase increased as the PEO-grafting was increased. Also, the force-distance analysis showed that the PEO-grafting increased the surface hydrophilicity and it decreased the surface hardness of the PU/ PS IPNs.
PEO-grafted PU/ PS IPNs were also synthesized with varying the synthesis temperature to control the phase separation and the micro-domain surface structure, and the effect of the degree of phase separation on the in-vitro blood compatibility. The size of the dispersed PS-rich domains in the PU-rich matrix was decreased, and the hydrophilicity was decreased as the synthesis temperature of the PS network during synthesis of the IPNs was decreased, and the phase separation was suppressed more. The amount of the adsorbed bovine plasma fibrinogens (BPF) on the PEO-grafted PU/ PS IPNs was decreased as the synthesis temperature was decreased, and the in-vitro adhesion of the platelets was suppressed more on the PEO-grafted PU/ PS IPNs prepared at lower temperature.
The PU/ PS IPNs were synthesized by changing the amphiphilic balance and controlling the microphase separated surface structure. The collagens were immobilized on the IPN surface having different surface energy, and the morphology of the collagens adsorbed on the IPN surfaces highly depended on the surface energy of the IPNs. The adhesion and the proliferation of ECs on the non-treated IPN surfaces increased by increasing the hydrophobicity of the IPNs, and they were optimized on the collagen-treated IPN surface having an intermediate hydrophilicity. Finally, the platelet adhesion was significantly reduced on the EC-hybridized surface of the IPNs.
친수성 폴리우레탄 (PU)/ 소수성 폴리스티렌 (PS) 상호침투고분자 (IPNs) 의 혈액적합성 향상을 위하여 본 연구에서는 크게 세가지 개질 방법을 사용하였다.
우선, PU/ PS IPNs의 모폴로지를 반응속도와 상분리속도를 제어하여 다양화 하였다. 반응속도와 상분리속도는 촉매량과 개시제량을 조절하여 제어 하였는데, FT-IR, NMR spectroscopy 및 rheometer 등을 사용하여 그 결과를 체계적으로 분석, 적용하였다. 폴리스티렌의 반응속도가 느리고 상분리 시간이 긴 경우, sea-and-island 모폴로지를 갖는 시편을, 폴리스티렌의 반응속도가 비교적 빠르고 상분리 시간이 짧은 경우, co-continuous 모폴로지를 갖는 시편을 각각 제조할 수 있었다. 모폴로지의 다양한 형태는 PU/ PS IPNs의 표면 거칠기에 크게 영향을 주어, 폴리우레탄의 반응속도가 빠르고, 형성된 모폴로지의 상연속성이 증가할수록 표면 거칠기가 크게 감소하였다. 이는 혈액적합성에도 영향을 주어, 표면 거칠기가 감소할수록 피브리노젠의 점착량과 혈소판의 접착량이 크게 감소하였다.
다음으로, PU/ PS IPNs에 친수성의 폴리에틸렌옥사이드 곁가지를 도입하여 혈액적합성을 향상시키고자 하였다. 폴리에틸렌옥사이드 곁가지의 길이가 길어지고, 폴리에틸렌옥사이드 곁가지의 간격이 줄어들수록, PU/ PS IPNs의 표면친수성이 증가하였으며, 소수성의 도매인 크기가 감소하였다. 폴리에틸렌옥사이드 곁가지의 길이가 길어지고, 폴리에틸렌옥사이드 곁가지의 간격이 줄어들수록, 피브리노젠의 점착량이 크게 감소하였으며, 혈소판의 접착량 및 접착율 또한 크게 감소하였다.
폴리에틸렌옥사이드 곁가지가 PU/ PS IPNs의 표면 성질에 미치는 영향을 AFM의 최신 기술을 사용하여 정량적으로 분석하였다. PU/ PS IPNs 각상의 면적비를 AFM 이미지 분석기를 이용하여 조사한 결과, 친수성의 폴리우레탄 풍부상의 면적비가, 폴리에틸렌옥사이드 곁가지의 길이가 길어지고, 폴리에틸렌옥사이드 곁가지의 간격이 줄어들수록, 증가함을 관찰할 수 있었다. 또한, 힘-거리 분석 (Force-distance analysis) 을 통하여 폴리에틸렌옥사이드 곁가지 도입으로 인한, PU/ PS IPNs의 표면 친수성의 증가와 표면경도의 감소를 확인할 수 있었다.
폴리에틸렌옥사이드 곁가지를 가지는 PU/ PS IPNs의 혈액적합성 향상을 위하여, 합성 온도를 감소시킴으로써 상분리를 억제하였다. 합성온도가 감소할수록 IPNs의 합성 과정에서 발생하는 상분리의 속도가 감소되어, 최종 모폴로지 분석 결과, 소수상의 도매인 크기가 감소하였음을 관찰하였다. 합성온도가 감소할수록 폴리에틸렌옥사이드 곁가지를 가지는 PU/ PS IPNs에 점착된 피브리노젠의 양이 감소하고, 혈소판의 접착량 및 접착율이 감소함을 관찰하였다. 이로써, 폴리에틸렌옥사이드 곁가지를 가지는 PU/ PS IPNs에 있어서도 상분리가 억제될수록 혈액적합성이 향상됨을 알 수 있었다.
본 연구에서는 또한 장기적으로 이식 사용이 가능한 친수성/ 소수성의 IPN 소재의 개발을 위해, PU/ PS IPNs의 표면에 인간 내피세포를 배양토록 하였다. 내피세포의 성공적인 배양을 위하여, PU/ PS IPNs의 합성에 사용되는 폴리우레탄 프리폴리머의 종류를 다양화하여 PU/ PS IPNs의 친수성 정도와 상분리 정도를 조절하였고, 부가적으로 콜라젠 점착을 통해 내피세포의 효과적이고 안정적인 접착을 유도토록 하였다. PU/ PS IPNs의 합성에 사용된 폴리우레탄 프리폴리머의 소수성이 강해질수록, PU/ PS IPNs의 소수성이 증가하고, 상분리가 억제되었다. PU/ PS IPNs에 점착된 콜라젠의 형태를 AFM으로 관찰한 결과, PU/ PS IPNs의 친수성이 큰 경우, 콜라젠의 약한 점착력으로 인한, 콜라젠 간의 응집 현상을 관찰할 수 있었고, 반면, PU/ PS IPNs의 소수성이 큰 경우, 콜라젠의 변성을 관찰할 수 있었다. PU/ PS IPNs의 양친성 균형이 이상적일 때, 점착된 콜라젠이 안정적이었고, 이후 내피세포의 점착량도 최고치를 나타내었다. 내피세포를 삼일간 더 배양하여 내피세포의 성장된 모습을 AFM으로 관찰한 결과, PU/ PS IPNs의 양친성 균형이 이상적일 때, 접착된 내피세포의 수적인 증가 및 성장된 세포의 크기 증가가 뚜렷이 나타남을 확인할 수 있었다. 양친성 균형이 이상적인 PU/ PS IPNs의 표면 위에 성장하고 있는 내피세포의 기능성을 확인하기 위해, 혈액적합성을 조사한 결과, 내피세포의 정상기능인 항혈전성을 확인할 수 있었다.
