Surface-initiated polymerization is mostly useful to modify surfaces of solid substrates because of its advantages such as (1) the ability to control the film thickness by the concentration of monomers and reaction time, (2) the ability to control grafting densities of polymeric films by the surface coverage of initiators, (3) the ability to grow block copolymers in a controlled manner, (4) the possibility to be combined with micro/nanopatterning techniques, and (5) the better uniformity of the polymeric films on the surface of various solids. Polymeric films on substrates were formed by simple two steps in surface-initiated polymerization: Firstly, initiators for polymerization were immobilized on surfaces of substrates, and then, monomers were polymerized on surfaces. The polymers formed by surface-initiated polymerization on surface had brush-type structure and utilized in nano- and biotechnology. In this thesis, various polymers were formed on various substrates by surface-initiated polymerization, and then, utilized in field of cell culture and biomimetic mineralization.
Chapter 2 describes procedures for formations of PNIPAAm polymeric films on surface of gold substrate and application of polymeric films to cell culture matrix. Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) films were formed on gold substrates by a combination of formation of self-assembled monolayers terminating in bromoesters and surface-initiated, aqueous atom-transfer radical polymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAAm). The polymerization was rapid and we successfully grew thick (>100 nm) PNIPAAm films. The PNIPAAm films were utilized for the applications to cell culture: NIH 3T3 fibroblasts were cultivated on the thermoresponsive PNIPAAm films and a preliminary study on the temperature dependency of cell attachment/detachment was performed.
Chapter 3 describes formations of various gold nanparticle/PNIPAAm hybrids and their thermoresponsivenss. In this chapter, we investigated the formation of thermoresponsive gold nanoparticle/poly(N-isopropylacrylamide) (AuNP/PNIPAAm) core/shell hybrid structures by surface-initiated, atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) in aqueous media and the effect of cross-linking on the thermoresponsiveness of the AuNP/PNIPAAm hybrids. The disulfide containing an ATRP initiator was attached onto AuNPs and the monomer, NIPAAm, was polymerized from the surface of AuNPs in the absence or presence of a cross-linker, ethylene diacrylate, in aqueous media at room temperature. The resulting brush-type and cross-linked AuNP/PNIPAAm hybrids were characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy, transmission electron microscopy, and variable temperature dynamic light scattering.
Chapter 4 describes formations of various brush type and cross-linked dextran/PNIPAAm hybrids and their thermoresponsivenss. A thermoresponsive dextran/poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm)/ hybrid particle was formed by surface-initiated, aqueous atom transfer radical polymerization consisting of attachment of a polymerization initiator onto dextran microspheres and polymerization of N-isopropylacrylamide. The resulting hybrid particles were characterized by attenuated total reflectance (ATR) IR spectroscopy, microscopic IR spectroscopy, and scanning electron microscopy. Thermoresponsiveness of resulting particles were studied with optical microscope.
Chapter 5 presents biomimetic silica formation using amine-containing polymers grafted from surface. Biosilicification in diatoms is achieved by specific interactions between silaffins, composed of polypeptides and long-chain polyamines, and silicic acid derivatives. The polycondensation of silicic acids is reported to be catalyzed by the long-chain polyamines that mainly contain tertiary N-methylpropyleneimine moieties. In this report, we utilized a tertiary amine-containing polymer, poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) [poly(DMAEMA)], as a surface-grafted, biomimetic counterpart of the long-chain polyamines in silaffins, and demonstrated that the surface-initiated polycondensation of silicic acids, leading to the formation of silica thin films, proceeded smoothly on surfaces presenting poly(DMAEMA), where poly(DMAEMA) was grown from gold surfaces by surface-initiated, atom transfer radical polymerization. The formed silica film was characterized by FT-IR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, and scanning electron microscopy.
Chapter 6 describes quaternization of amine-containing polymers on surface and silica formation with exchange $Br^-$ anion in polymer chain with phosphate anion. It was well known that quaternary ammonium groups accelerate formation of silica structures, and silaffins had quaternary ammonium groups their structures. In this chapter, silica thin films were formed on surface of quaternized PDMAEMA polymeric films, and then characterized by FT-IR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning electron microscopy. Additionally, the effect of anion exchange between $Br^-$ ions and phosphate ions to silica formation was also investigated.
본 연구에서는 금 표면 및 고분자 입자에서의 고분자 막의 형성 및 바이오테크날러지에 대한 적용성에 관하여 기술하고 있다.
일차적으로 금 및 고분자 입자의 표면에 고분자 중합 반응을 위한 개시제 부분을 고정한 후 열감응성 고분자 및 아민 작용기를 가진 고분자를 표면개시 원자전이 라디칼 중합법(Surface-Initiated, Atom Transfer Radical Poymerization, SI-ATRP)을 이용하여 고체의 표면에서 중합하였다. 표면에 중합된 여러 가지 고분자 막의 물리화학적인 성질을 연구하였으며, 세포 배양 및 생체 모방 광물화 반응 (Biomimetic mineralization)에서의 기질로서의 고분자 막의 적용 가능성에 관한 연구를 수행하였다.
먼저, SI-ATRP를 위한 개시제 부분인 bromoester 작용기를 가진 disulfide를 자기조립 단분자막 (Self Assembly Monolayer, SAM)방법을 이용하여 금 표면 위에 고정하였다. N-isopropylacrylamide (NIPAAm) 단량체를 수용액상에서 SI-ATRP를 이용하여 금 표면위에서 온도 감응성 고분자인 poly(N-isopropylacrylamide (PNIPAAm)을 중합하였다. NIPAAm의 농도를 0.5, 1.0, 2.0, 및 4.0 M로 조절하면서 중합되는 고분자 막의 두께를 측정하였다. 각각의 고분자 막은 123 nm, 205 nm, 237 nm, 및 270 nm 두께로 표면에서 중합됨을 확인하였다. 상기 결과를 통하여 단량체의 농도를 조절함으로써 원하는 두께의 고분자 막을 금 표면 위에서 형성할 수 있음을 알 수 있었다. 두께가 120 nm 인 PNIPAAm 고분자 막 표면에서 표면에 고정되어 배양되는 L929 세포의 배양 실험을 실시하였다. 배양 온도가 37℃ 일 경우에는 고분자 막에 세포가 고정되지 못하였으나, 배양 온도를 40℃ 로 증가시킬 경우 세포의 고정이 성공적으로 이루어졌으며, 세포 배양이 가능하였다. 이러한 연구 결과는 기존의 고분자 막 형성 방법인 "grafting-onto" 방법과 본 연구에서 적용한 고분자 막 형성 방법인 "SI-ATRP"방법과의 차이에서 기인한다고 사료된다.
금 나노입자의 표면에 SI-ATRP 를 위한 개시제 부분인 bromoester 작용기를 가진 disulfide 를 고정한 후 SI-ATRP 방법을 이용하여 온도 감응성 고분자인 PNIPAAm 을 금 나노입자의 표면에서 중합하였으며, 가교결합을 통하여 여러 가지 형태의 금 나노입자/PNIPAAm 하이브리드 나노입자를 합성하였다. 합성된 금 나노입자/PNIPAAm 하이브리드 나노입자는 FT-IR 을 통하여 PNIPAAm 이 성공적으로 중합되었음을 확인하였으며, TEM 사진을 통하여 하이브리드의 구조가 core/shell 형태의 구조를 이루고 있음을 확인하였다. 또한, Dynamic Light Scattering 을 통하여 온도에 따른 여러 가지 형태의 금 나노입자/PNIPAAm 하이브리드 나노입자는 크기가 감소하였으며 온도를 다시 감소시킬 경우 그 크기가 다시 증가함을 확인하였다. 이는 PNIPAAm 의 온도감응성이 금 나노입자/PNIPAAm 하이브리드 나노입자에서도 그대로 유지됨을 보여 주는 결과이다.
온도 감응성이 있는 PNIPAAm/Dextran 혼합입자를 ATRP 를 이용하여 수용액상에서 형성하였다. 일차적으로 AT게 반응을 위한 개시제 부분인 bromoester 작용기를 cross-linked dextran (CLD) 마이크로 입자에 화학결합을 이용하여 고정하였다. 개시제가 고정된 CLD 입자에 NIPAAm 단량체를 수용액상에서 중합하였으며, 가교결합을 통하여 여러 가지 형태의 CLD/PNIPAAm 마이크로 고분자 입자를 합성하였다. FT-IR 을 통하여 PNIPAAm 이 성공적으로 중합되었음을 확인하였으며, 가교 결합 또한 이루어졌음을 확인하였다. 광학현미경이 부착된 FT-IR을 통하여 PNIPAAm이 CLD 의 외부 뿐만 아니라 내부에서도 중합되었으며, 가교결합 또한 내부 및 외부에서 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 온도의 증가 및 감소에 따른 여러 가지 형태의 CLD/PNIPAAm 마이크로 고분자 입자의 크기를 측정하여 온도 감응성의 보유 여부를 확인하였다. 상온에서부터 온도를 증가함에 따라 고분자 입자들의 크기가 감소하였으며, 다시 온도를 감소시키면 고분자 입자들의 크기가 다시 증가함을 관찰하였다. 이는 CLD/PNIPAAm 고분자 입자는 PNIPAAm 과 동일한 온도감응성을 가지고 있음을 나타내는 결과이다.
조류 중 한 종류인 Diatom 은 biosilicification을 통하여 silica 로 이루어진 골격을 형성한다. Biosilicification은 diatom 내의 polypeptide 와 long-chain amine 으로 이루어진 구조를 가지고 있는 silaffin 이라는 단백질과 silica 의 전구체인 silicic acid 및 그 유도체와의 강한 상호작용에 의해서 silica 를 형성하는 방법이다. Silicic acid 는 대부분 tertiary N-methylpropyleneimine 작용기로 이루어진 long-chain amine 의 촉매작용에 의해서 축합 및 탈수되어 silica를 형성하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 silaffin의 long-chain amine 의 생체 모사 상대로서 amine 작용기를 가지고 있는 poly(2(dimethylamino)ethoxymethacrylate) (PDMAEMA)를 이용하여 금 표면에서 silica 막을 형성하였다. 먼저, SI-ATRP를 위한 개시제 부분인 bromoester 작용기를 가진 disulfide를 금 표면위에 고정한 후 PDMAEMA 고분자 막을 수용액상에서 형성하였다. 형성된 PDMAEMA 고분자 막에서 silicic acid 를 축합하여 silica 막을 형성하였다.
상기의 결과를 바탕으로 하여 silica micropattern 들을 생체 모사 방법 및 silicic acid의 축합을 통하여 금 표면 위에서 형성하였다. Silica micropattern 을 형성하는 방법은 크게 두 가지로 요약할 수 있다: 일차적으로 SI-ATRP의 개시제 부분인 bromoester 작용기를 가진 disulfide로 이루어진 pattern 을 microcontact printing 기술을 이용하여 형성한 후 PDMAEMA 고분자 pattern을 형성하였다. 형성된 고분자 pattern과 silicic acid의 축합을 이용하여 silica pattern을 금 표면 위에서 형성하였다. 또한, 단량체의 농도를 조절하여 여러 가지 두께의 PDMAEMA 고분자 박막을 형성한 후 여러 가지 두께의 silica film을 형성하였다. Tertiary amine 작용기를 가지고 있는 PDMAEMA 고분자는 silicic acid 의 polycondensation을 공간적으로 조절할 수 있었으며, microcontact printing 기술과 결합하여 silica micropattern 을 성공적으로 형성할 수 있었다. 본 연구 결과는 어떠한 형태, 크기, 두께의 silica pattern도 형성할 수 있음을 보여 주고 있다.
PDMAEMA 구조 내에 존재하는 Tertiary amine을 ethylbromid를 이용하여 quaternary amino 작용기로 변화시킨 후 silica film을 금 표면위에서 형성하였다. Quaternary amino 작용기는 질소 원자가 양전하를 가지고 있으며, silica 형성시 많은 영향을 주는 것으로 알려져 있다. Phosphate 완충용액의 존재 여부에 관계없이 quaternized PDMAEMA(qPDMAEMA) 고분자 박막은 silica를 형성하였으며, 이는 quaternary amino group의 영향으로 판단된다. 또한, quaternary amino 작용기의 짝이온인 $Br^-$ 이온을 phosphate 음이온으로 치환한 후 silica 를 형성할 경우 지금까지 알려진 구조인 박막 구조가 아닌 입체적인 배향을 가진 silica 박막을 형성하였다. 이는 양전하를 가진 고분자 chain을 phosphate 음이온이 3차원적으로 배향하였으며, silicic acid 의 축합을 더욱더 촉진하는 형태로 변환되었기 때문으로 사료된다.
