In this dissertation, we synthesized biodegradable hydrophobic polyurethane(PU) / hydrophiphilic poly(ethylene glycol)diacrylate (PEGDA) IPNs having micro-separated structure to overcome the problems caused in the long-term clinical use. Polyurethane was modified using biocompatible and biodegradable PCL diol and the hydroxyl group of PEG was substituted to crosslinkable acrylate group. PU/PEGDA IPNs were synthesized changing the molecular weight of PEGDA to investigate the effect of crosslinking density on morphology, bulk and surface hydrophilicity and blood compatibility was investigated.
From the DSC results, it was shown that all PU/PEGDA IPNs had one broad Tg between the Tgs of two pure components. All PU/PEGDA IPNs had micro-separated structure in which the PEGDA-rich phase formed the continuous matrix and the PU-rich phase formed the dispersed domain, since the reaction rate of PEGDA was faster than that of PU. The domain size of PU/PEGDA IPNs decreased as decreasing the molecular weight of PEGDA, which indicated an increase in the intermixing between the PU-rich phase and the PS-rich phase. The micro-separated structure was stable in water and the domain size was almost the same as air. The equilibrium-swelling ratio in water decreased with decreasing the molecular weight of PEGDA due to the increased crosslinking density. The interfacial energy of PEGDA homo networks and PU/PEGDA IPNs was decreased with increasing the molecular weight of PEGDA. The degradation of PU/PEGDA IPNs occurs rapidly after 16 weeks, whereas PEGDA networks and PU networks degrade little after 30 weeks. The weight loss of PU/PEGDA 6k IPNs is highest in all IPNs due to the highest swelling ratio. The amount of adhered platelet of
all PU/PEGDA IPNs was lower than that of PU homo network due to the micro-separated strucutre of IPN. In PU/PEGDA 2k IPN, relatively smaller amount of platelet was adhered due to the smallest hydrophobic domain size of the surface morphology in all PU/PEGDA IPNs. Therefore, the blood compartibility of PU/PEGDA IPNs was enhanced by decreasing the molecular weight of PEGDA due to the increased crosslinking density of the PEGDA network.
To enhance the blood compatibility, we attempted the biohybridization between ECs and biodegradable amphiphilic IPNs. The collagens having cell-binding molecules were immobilized on the IPN surface having different surface energy. The morphology of the collagens adsorbed on the IPN surfaces highly depended on the surface energy of the IPNs. The collagen-treated IPNs become hydrophilic. As the surface becomes hydrophilic, the adsorbed collagens on IPN surface aggregated more. Human umbilical vein endothelial cells were successfully hybridized on the collagen-immobilized IPN surface, and the maximum value of the EC-adhesion was similar with that of TCPS in PU/PEGDA 2k IPN. The morphology of adhered ECs on IPNs after 1-day and 3-day incubation showed that ECs adhered on IPN surface spread successfully and proliferated. The adhesion and the proliferation increased on the non-treated IPN surfaces by increasing of the hydrophobicity of the IPNs. In our study, PU/PEGDA 2k-C has the proper surface energy for adhesion and proliferation of ECS, which indicated that the EC-adhesion and the cell spreading was highly dependant on the amount of the collagen molecules on the substrate. Finally, the platelet adhesion was significantly reduced on the EC-hybridized surface of the IPNs.
본 연구에서는 대부분의 생체 고분자가 장기간 체내에서 사용될 때 생길 수 있는 부작용들을 줄이기 위해 생분해성을 가지는 소수성 폴리우레탄(PU) / 친수성 폴리에틸렌글라이콜 다이아크릴레이트(PEGDA) 상호침투고분자 (IPNs) 를 합성하였다. 폴리우레탄을 생분해성을 가지는 폴리카프로락톤 다이올을 이용해서 개질하였고, 폴리에틸렌 글라이콜 양 말단을 가교가 가능한 아크릴레이트 작용기로 치환하였다. PU/PEGDA IPNs의 가교밀도가 몰폴로지, 표면과 벌크의 친수성정도, 혈액 적합성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 PEGDA 분자량을 변화시키면서 PU/PEGDA IPNs을 합성하였다.
DSC 결과 모든 PU/PEGDA IPNs의 유리전이온도가 PU network와 PEGDA network 의 유리전이온도 사이의 값을 가짐을 알 수 있었다. AFM 결과를 통해 PU/PEGDA IPNs 은 친수성의 PEGDA 풍부상이 연속상을 이루고, 소수성인 폴리우레탄 풍부상이 분산되어 있는 sea-island 구조를 가짐을 알 수 있었다. 이는 PEGDA 의 반응속도가 폴리우레탄의 반응속도보다 빠르기 때문이다. 소수성의 폴리우레탄 풍부상의 도메인 크기는 PEGDA의 분자량이 감소할수록 작아지는 것을 알 수 있었다. 이는 PEGDA의 분자량이 감소할수록 가교밀도가 증가하게 되므로 상분리가 억제되었기 때문이다. 물에의 팽윤거동을 관찰한 결과 벌크의 친수성정도는 가교밀도를 증가시키면 감소함을 알 수 있었고, 표면의 친수성정도도 같은 경향을 보임을 알 수 있었다. PU/PEGDA IPNs의 분해거동을 30주동안 질량의 변화를 통해 알아보았다. PU network 나 PEGDA network의 경우에는 30주가 지난 후에도 분해가 많이 진행되지 않은 반면, PU/PEGDA IPNs 은 16주가 지난 후 분해가 매우 활발히 일어나고 있음을 알 수 있었다. PU/PEGDA IPNs 의 경우에 PEGDA 분자량이 클수록 즉, 평형 팽윤비가 커질수록 재료 내부에 가지고 있는 물의 양이 많아지고, 이것이 생분해성을 가지는 PCL을 가진 PU의 분해를 촉진시킴을 알 수 있었다. 혈액적합성은 혈소판의 점착정도를 측정함으로써 평가하였는데, 미세상분리된 몰폴로지의 효과로 PU network에 비해서 PU/PEGDA IPNs 의 경우 혈소판 점착이 억제됨을 알 수 있었고, 특히 상분리가 억제된 결과 소수성인 PU 풍부상의 도메인 크기가 작을수록 혈소판 점착이 억제됨을 알 수 있었다.
또, 장기적으로 이식 사용이 가능한 IPN 소재를 개발하기 위해 혈관의 내피세포를 양친성을 가지는 PU/PEGDA IPNs의 표면에 배양하였다. 또, 콜라젠 점착을 통해 내피세포의 효과적이고 안정적인 접착을 유도토록 하였다. AFM 을 통해 관찰한 결과 표면에 점착된 콜라젠은 PU/PEGDA IPNs의 친수성이 증가할수록 콜라젠의 약한 점착력으로 인해 콜라젠 간의 응집 현상을 관찰할 수 있었다. 본 실험에서는 PU/PEGDA 2k IPNs 의 경우 가장 많은 콜라젠이 흡착되었고, 콜라젠들의 응집현상도 관찰되지 않았다. 따라서, 가장 많은 내피세포 점착량을 보였다. 내피세포를 삼일간 더 배양하여 점착된 내피세포의 모습을 SEM으로 관찰한 결과, 내피세포가 아주 잘 퍼져있고, 세포의 성장된 형태가 뚜렷이 보였다. 3일이 지난 후에는 거의 표면에 세포층을 형성하고 있음을 볼 수 있었다. 내피세포가 잘 배양된 표면의 혈액적합성을 조사한 결과, 항혈전성이 크게 향상되었음을 알 수 있었다.
