The nanometer-scaled control of silica thin films is one of the direct routes to the realization of various applications, including biomedicine, biosensors, heterogeneous catalysis, cell culture, and wettability. In the past decade, biomimetic silica synthesis, found in diatoms and glass sponges, has been investigated as a potential method for cost-effective and low-energy fabrication of silica films. While conventional fabrication methods involve harsh conditions, such as high temperature, extreme pH, and presence of caustic reagents, biomimetic methods?utilizing peptides/proteins found in nature or synthetic polymers as catalytic templates?are considered advantageous for facilely generating and controlling silica thin films under physiologically mild conditions (at near neutral pH and room temperature).
In chapter 1, structures of silica films were controlled in a nanometer scale by simple counteranion exchange of quaternized poly(2-(dimethyl amino)ethyl methacrylate) (q-PDMAEMA). As the charge density of counteranion decreased ($F^-$, $Br^-$, $Cl^-$, and $I^-$), the average diameters of the silica nanoparticulates increased to be 43.2, 56.9, 60.0, and 79.9 nm, respectively. And the roughness of q-PDMAEMA films decreased; root-mean-square (rms) values were 3.55 ($F^-$), 1.80 ($Cl^-$), 1.17 ($Br^-$), and 0.88nm ($I^-$), respectively. In addition, the thickness of silica films and q-PDMAEMA films was also influenced by counteranions. The counteranions were found to significantly affect the morphogenesis of silica nanoparticulates on surfaces by interacting with and shaping q-PDMAEMA films differently based on their charge density. In chapter 2, we reported other method for controlling the silica films. The thickness and surface-morphology of biomimetic silica films was controlled by varying the grafting density of PDMAEMA films. The grafting density of the PDMAEMA films was controlled by the surface density of the polymerization initiator. The thickness of silica films was found to be related directly with the ellipsometric thickness of the PDMAEMA films: the thickness of the silica/PDMAEMA films increased, as that of the PDMAEMA films increased. The morphologies of silica were changed from compactly packed large silica particulates to loosely packed small silica particulates.
In chapter 3, silica micropatterns were generated under biocompatible conditions by taking advantage of the layer-by-layer (LbL) technique and biomimetic silica synthesis. To generate template for silica micropatterns, poly(diallyl dimethyl ammonium chloride) (PDADMA) and polystyrene sulfonate (PSS) were alternatively deposited onto the surface that had been patterned with hexadecanethiol and triethylene glycol mono-11-mercaptoundecyl ether by microcontact printing. Silicification occurred spatio- and chemoselectively, and silica patterns were generated patterns of PDADMA/PSS films. And the thickness of silica micropatterns was controlled by the number of multilayers. In chapter 4, LbL technique was used for forming silica thin films that were continuously uniform at least over the centimeter scale. LbL processes were utilized to deposit catalytic templates onto carboxylic acid-terminated self-assembled monolayers (SAMs) on gold. The thickness of the PDADMA/PSS films increased as the number of the multilayers did. After silicification, silica/PEM films were controlled by the number of deposition steps.
The approach of biomimetic mineralization has successfully been applied to the formation of various nanostructured biominerals, such as calcium carbonate, calcium phosphate, silica, and iron oxide. Biomineralization has drawn a great deal of interest in the field of materials sciences, as a potential alternative to the chemical method requiring harsh reaction conditions. Fundamental studies of biomineralization processes have led to the biomimetic synthesis of abiological materials. In chapter 5, abiological $TiO_2$ thin films were generated on the PDMAEMA and q-PDMAEMA films under ambient conditions by using titanium bis(ammonium lactato)dihydroxide (TBALDH) as a precursor. As an alternative to the chemical method which needs extreme conditions, we demonstrated that the biosilicification processes found in diatoms could be applied to the fabrication of thin films of abiological metal oxides.
Encapsulation of individual cells within artificial shell is thought to be beneficial in the development of biosensor circuits, lab-on-a-chip systems, and bioreactors, as well as for fundamental studies in cell biology. Certain unicellular organisms, such as diatoms, radiolaria, and synurophytes, as well as multicellular sponges, are encased with silica that has exquisite hierarchical structures and superior mechanical properties, while most cells in nature do not have siliceous shells and are exposed directly to the outer environments. In chapter 6, we demonstrated a method for encapsulating individual cells, such as yeast, E. coli, and microbial spores, within a silica shell, by combining two biocompatible processes, LbL and biomimetic silicification. To encapsulate yeast cells within silica (yeast@$SiO_2$), poly(diallyl dimethyl ammonium chloride) (PDADMA) and polystyrene sulfonate (PSS) were alternatively deposited onto the surface of cells and silicification occurred on the polyelectrolyte multilayers. The 50 nm-thick silica shells were confirmed by transmission electron microscopy with microtomous slices of yeast@$SiO_2$. The silica encapsulation was found to threefold enhance the viability of yeast cells after 30 days. And the silica shell prevented yeast@$SiO_2$ from dividing and let it remain in the resting phase (G0) for 20h.
나노 미터 수준에서 실리카 박막을 제어하는 기술은 의약, 바이오센서, 불균일 촉매, 세포 배양 그리고 초소수성 표면 등에 응용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 규조류와 유리스펀지에서 영감을 얻어 개발된 생체모방 실리카 합성법을 이용하여, 낮은 비용과 낮은 에너지로 실리카 박막을 제조하기 위한 연구가 지난 십여 년간 계속되어 왔다. 기존의 실리카 형성 방식이 높은 온도, 극단적인 pH, 부식성의 시약 등의 혹독한 조건을 포함하고 있는 반면, 생물체에 존재하는 펩타이드나 단백질 혹은 합성 고분자를 촉매 및 주형으로 사용하는 생체모방 방식을 이용하면, 거의 중성에 가까운 pH, 상온, 상압 등과 같은 생리적으로 온화한 조건에서 실리카 박막을 형성하고 제어하기에 유리할 것으로 보인다.
본 논문은 생체 모방 실리카 합성법을 이용하여, 나노미터 수준에서 실리카 박막의 구조와 두께를 제어할 수 있음을 보여주었고, 생체 모방 실리카 합성법이 생물체에 존재하지 않는 물질의 합성 그리고 세포에도 적용될 수 있음을 보여주었다. 단원 1 에서는 원자 이동 라디칼 중합반응으로 만든 양이 온성 고분자 박막의 음이온을 간단히 다른 이온으로 치환함으로써, 실리카 박막의 두께와 실리카 입자의 크기를 제어하였다. 음이온의 치환에 따라 양이온 고분자의 구조가 바뀐다는 사실로부터 표면 상에서의 생체 모방 실리카 합성이 기존에 시도된 용액 상에서의 합성과는 다른 양상으로 진행될 수 있음을 보였다. 2 단원에서는 중합되는 고분자의 표면 밀도를 제어하여, 실리카 박막의 두께와 구조를 제어하였다. 고분자의 표면 밀도 변화로부터 비롯된 양이온 고분자의 구조 변화를 이용하면, 실리카 구조를 제어할 수 있음을 보여주었다.
3 단원과 4 단원에서는 더 온화한 조건에서 실리카를 합성하기 위해서, 원자 이동 라디칼 중합 대신 layer-by-layer(LbL) 방법을 도입하였다. LbL 방법은 어떤 물질을 양이온 고분자와 음이온 고분자 수용액에 번갈아 담그는 방식이기 때문에, 실리카를 형성시키기 위한 양이온 고분자 주형을 더욱 생체 친화적인 조건에서 형성시킬 수 있다. 3 단원에서는 마이크로 컨택트 프린팅 방법으로 만들어진 표면 패턴에 LbL 방법으로 고분자 주형을 쌓아 올려, 실리카 마이크로 패턴을 형성하였다. 4 단원에서는 LbL 방법으로 대면적에서 연속적으로 일정한 실리카 박막을 형성할 수 있음을 보여주었다. 또한, LbL 을 거듭하는 숫자를 달리하여, 실리카 박막의 두께와 구조를 제어하였다.
생체 모방 실리카 합성법의 유용성은 생물체에 존재하는 실리카의 합성뿐만 아니라, 생물체에 존재하지는 않는 다양한 산화금속의 합성에도 적용 할 수 있다는 점에서도 찾을 수 있다. 기존의 산화 금속 합성 방법은 대부분 혹독한 조건을 필요로 하기 때문에, 생체 모방 실리카 합성법은 온화하고 생체친화적인 조건에서 산화금속을 합성하기 위한 대안 평가 받고 있다. 5 단원에서는 1 단원과 2 단원에서 만든 양이온 고분자 박막을 주형으로 생체에 존재하지 않는 산화티타늄 박막을 형성함으로써, 적절한 선구물질을 사용하면, 생체 모방 실리카 합성법으로 다양한 산화 금속 박막을 만들 수 있음을 보여 주었다.
생체 모방 실리카 합성법이 궁극적으로 적용되어야 하는 분야는 아마도 생물체일 것이다. 생모 모방 실리카 합성의 가장 큰 장점은 생체친화적인 환경에서 실리카를 합성할 수 있다는 점이다. 이는 생체 모방 실리카 합성법을 생체물질과 미생물, 세포, 인체 등에 응용하기에 충분한 가능성이 있음을 시사한다. 6 단원에서는 앞서 개발한 두 개의 생체친화적인 방법인 LbL 과 생체 모방 실리카 합성법을 연속적으로 세포에 적용하여, 효모, 대장균, 포자 등을 실리카 박막으로 둘러쌀 수 있음을 보여주었다. 또한, 실리카 캡슐화는 장기간에 걸쳐 세포의 생존력을 높일 뿐만 아니라, 세포의 증식을 조절할 수 있 다는 사실을 확인하였다. 세포에 인공적인 껍질을 도입하는 기술은 바이오센서, lab-on-a-chip, 생체반응기 등에 응용될 수 있을 뿐만 아니라, 세포 생물학 연구에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
