I. Functionalization of Cellulose Diacetate Fibers by Photografting of Cyclodextrin Derivatized with an Aryl Azide Group
In this paper, a UV-reactive cyclodextrin derivative, N-(6,9,12-trioxa-azapentadecan-15-yl)-4-azido-2-hydroxybenzaido-β-cyclodextrin (Azide-CD), was successfully grafted onto cellulose diacetate (CDA) fibers. The Azide-CD was adsorbed onto CDA fibers by dip-coating, and then UV light was irradiated on the Azide-CD-coated CDA fibers for the chemical fixation of the cyclodextrin moiety. The effect of the concentration of Azide-CD in solution was investigated. The grafting amount of Azide-CD increased as the concentration of Azide-CD in solution increased from 0.5 to 2 mM. CDA fibers grafted with cyclodextrin were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) were used to show the morphology changes of the fiber surfaces. The complexation ability of the grafted cyclodextrin was demonstrated by fluorescence microscopy using coumarin dye, known to bind strongly with β-cyclodextrin, as a model guest molecule.
II. Studies on Cell-Including Hydrogel Matrices for Development of Advanced Wound Dressings
Hydrogels have been widely used in biomedical areas, such as tissue engineering and drug delivery, due to their biocompatibility, flexibility, and wettability. In this study, the acrylic acid-based hydrogel was used for the formation of cell-including polymer matrices. The polymeric hydrogel matrices were prepared by swelling the hydrogel in water. The cells were injected into the hydrogel matrices, and the viability of cells included inside the hydrogel matrices was analyzed. For the analysis of cell viability, the kidney epithelial 293 cells were stained with 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI). The kidney epithelial 293 cells, transfected with the green fluorescent protein (GFP)-expressing construct, were also used. The persistent expression of GFP was observed, confirming the cell viability inside the hydrogel matrices. The formation of hydrogel matrices, adequate for the cell proliferation, could be applicable to various areas in biomedical engineering.
I. 싸이클로덱스트린 유도체의 광그라프트 반응에 의한 셀룰로오스 디아세테이트 섬유의 표면 개질
셀룰로오스 디아세테이트 (cellulose diacetate, CDA)는 플라스틱, 직물, 필름, 막 등의 원료로 사용되고 있다. 특히, CDA 섬유는 페놀이나 퀴놀린과 같은 분자들을 선택적으로 흡착하는 고유한 성질을 가지고 있기 때문에, 담배 필터로 많이 쓰이고 있다. 담배 연기 안에는 폐암을 유발시키는 PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons)이나 다른 유해한 방향족 화합물들이 많이 포함되어 있는데, CDA 섬유를 개질 함으로써 그것의 흡착 능력을 증가시킬 수 있다. 싸이클로덱스트린은 글루코오스가 6~8개가 모여 큰 원을 이루어 도넛 모양을 하고 있으며, 외부는 친수성을, 내부는 소수성을 띠고 있다. 따라서 소수성을 띠는 내부의 공동 안에 소수성을 띠는 여러 가지 객체 분자(guest molecule)를 포획할 수 있으며, 싸이클로덱스트린을 이루는 글루코오스의 개수에 따라 공동의 크기도 달라지므로 다양한 크기의 분자들을 포획하는 것이 가능하다. 따라서 싸이클로덱스트린을 CDA 섬유 표면에 결합시킨다면 효과적으로 그것의 흡착/포획 능력을 향상시킬 수 있을 것이다.
이 실험에서는 UV에 반응하는 아자이드기가 달린 새로운 싸이클로덱스트린 유도체인 N-(6,9,12-trioxa-azapentadecan-15-yl)-4-azido-2-hydroxy benzaido-β-cyclodextrin (Azide-CD)을 합성하여 CDA 섬유에 성공적으로 그라프트시켰다. 먼저, 다양한 농도의 Azide-CD 용액에 CDA 섬유를 12시간 동안 담가서 충분히 흡착시킨 뒤, 화학적으로 고정시키기 위해 Azide-CD가 코팅된 CDA 섬유에 30분간 UV를 쬐어주었다. 그런 뒤, 그라프트되지 않은 분자들을 제거하기 위해 충분히 씻어 주었다. UV spectroscopy를 통해 광반응이 제대로 일어나는지 확인하였고, FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy)분석을 통해 그라프트가 성공적으로 이루어졌다는 것을 확인하였다. 또한, SEM (scanning electron microscopy)과 AFM (atomic force microscopy)을 이용하여 반응 전, 후의 표면의 형태 변화를 알아본 결과, Azide-CD의 농도가 높아짐에 따라 더 많이 그라프트된 것을 확인할 수 있었다. 그라프트된 싸이클로덱스트린의 포획 능력을 알아보기 위해 모델 객체 분자로써 coumarin 6를 사용하였다. Coumarin 6는 베타-싸이클로덱스트린과 잘 결합한다고 알려져 있으며, 초록빛 형광을 낸다. 형광 현미경을 통해 분석한 결과 Azide-CD의 농도가 높아짐에 따라 형광의 세기도 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이 방법은 복잡한 합성 과정 없이 섬유 상태 자체에서 단순히 UV를 쬐어주는 것만으로 짧은 시간 내에 간단히 싸이클로덱스트린 moiety를 도입시킬 수 있다는 데에서 큰 의의가 있다.
II. 상처 드레싱 개발을 위한 세포가 포함된 수화 젤 매트릭스에 관한 연구
하이드로젤(hydrogels)은 화학적 또는 물리적 결합을 통해 3차원적 망상구조를 이루는 친수성 고분자로써, 수성 환경에서 녹지 않고 다량의 물을 흡수하는 특성을 가지고 있다. 이러한 하이드로젤은 생체적합성(biocompatibility)과 유연성(flexibility)으로 인해 생체조직공학(tissue engineering)이나 약물전달시스템(drug delivery system)에 많이 이용되고 있다. 특히 세포가 부착하고 성장하며 분화할 수 있는 충분한 공간을 제공한다는 점은 매우 흥미롭다. 이 연구의 최종 목표는 세포 안에 있는 사이토카인류(cytokines)가 상처를 치료하고, 피부를 재생하는 데에 도움을 줄 수 있을 거라는 데에 착안하여, 세포가 들어있는 상처 드레싱을 만드는 것이다. 이는 살아 있는 세포를 직접 넣었다는 데에서 기존의 패치제들과 구별되는 매우 새로운 개념이라고 할 수 있다. 이 연구는 그것의 선행 연구로써 세포가 충분히 안정하게 존재할 수 있는 새로운 하이드로젤 매트릭스를 개발하는 연구를 수행하였다.
이 연구에서 사용된 하이드로젤은 acrylic acid와 alkyl methacrylate의 copolymer로써, 이것은 다른 첨가제를 넣지 않고, 단지 물에 swelling시키는 것만으로도 패치제에 이용되기에 적합한 물리적 성질을 가지고 있다. 예를 들어, 이것은 농도가 어느 정도 이상이 되면, 그 모양을 그대로 유지하고 있을 뿐만 아니라 피부에 붙였다 떼어 내어도 피부에 묻거나 문드러지지 않는다. 따라서 간편하게 매트릭스를 만들 수 있다는 장점이 있다.
파우더 상태의 고분자 하이드로젤을 원하는 농도로 만들고, 세포가 살아가기에 알맞은 조건을 만들어주기 위해 pH를 중성으로 맞춰 준다. 이렇게 만들어진 하이드로젤 매트릭스에서의 세포의 생존력을 알아보기 위해 마우스 섬유아세포인 $\frac{NIH}{3T3}$와 간암 상피 세포인 ‘293 cell’을 사용하였다. 하이드로젤 매트릭스에서 세포를 일주일간 키운 뒤 눈으로 관찰하기 위해 DAPI (4,6-diamidino-2-phenylindole)라는 dye로 세포를 염색하였다. DAPI는 세포의 핵만을 선택적으로 염색시키는 특성이 있으며 푸른색 형광 빛을 낸다. 그 결과 세포가 잘 살아있음을 관찰할 수 있었다. 세포가 매트릭스와 섞여 있거나 매트릭스 사이에 들어가 있을 경우에는 염색을 시키는 와중에도 하이드로젤이 swelling될 수 있기 때문에 염색을 시키기가 용이하지 않다. 그래서 GFP (green fluorescent protein)가 발현된 세포를 사용하여 세포의 생존력을 알아보았는데, 역시 일주일간 세포가 살아있음을 관찰할 수 있었다. 드레싱의 상용화가 가능한 지를 알아보기 위해 하이드로젤 매트릭스를 freeze-drying시키고 난 뒤에 다시 원래의 모양으로 되돌아오는지를 알아보았다. 그 결과, 원래의 상태로 돌아오는 것을 관찰할 수 있었고, 발현된 GFP의 형광도 여전히 관찰되었다.
