Two biogenic materials from mussels are attracting attention from scientists: calcium carbonate ($CaCO_3$), the most widely studied biomineral that composes the shell - or nacre - of mussels; dopamine, a small catechol-containing biomimetic molecule of adhesive foot proteins secreted by mussels. We have incorporated these two materials into the biomimetic mineralization process to produce stable vaterite microspheres, which are the most unstable crystalline phase of $CaCO_3$. Spherical vaterite crystals were readily formed within two minutes in the presence of dopamine undergoing polymerization, and were preserved for over two months in aqueous solution. The prolonged maintenance of spherical structure is attributed to the affinitive interaction between calcium in the vaterite microspheres and catechols from dopamine retarding the dissolution of vaterite and the growth of calcite crystals. The mussel-inspired inducement of a stable vaterite phase suggests a facile route for the synthesis of complex organic-inorganic hybrid materials utilizing biogenic systems. Thus-formed vaterite microspheres were readily transformed to carbonated hydroxyapatite crystals when incubated in a simulated body fluid at human body temperature. We found that dopamine not only stabilized the vaterite phase but also influenced the level of conversion to carbonated hydroxyapatites. Considering that carbonated hydroxyapatites are highly bioresorbable, similar to natural bone and dentin, the synthesis of a mussel-inspired hybrid material showing good in vitro bone bioactivity should present a new prospect for future applications in the treatment of bone defects and bone degenerative diseases. We could also synthesize hollow $CaCO_3$ microspheres and their composite with biodegradable polymer fibers having enhanced in vitro bone bioactivity by utilizing gaseous $CO_2$ in the presence of dopamine. $CO_2$ gas was successfully stored as hollow vaterite microspheres that have numerous potential applications such as drug delivery medium and encapsulants for various biomolecules, in the presence of dopamine. In addition, the storage rate of $CO_2$ for the mineralization was increased in the presence of dopamine. Using the same approach, vaterite hybridized with highly porous electrospun polycaprolactone scaffold which is suitable for tissue ingrowths and bone regeneration, was facilely synthesized by one-pot process for efficient transformation to hydroxyapatite in a simulated body fluid. The synthesis of hollow vaterite microspheres and hybrid material of hydroxyapatite and biodegradable polymer in CO2-storing pathway may suggest a novel approach for utilizing $CO_2$ to produce advanced materials with prospective biomedical and industrial applications.
조개류의 외골격 구성물질인 탄산칼슘($CaCO_3$)과 조개류의 하나인 홍합이 바위 등에 붙기 위해 분비하는 강력한 접착단백질의 모방 물질인 폴리도파민은 생체모방 기술 분야의 흥미로운 주제가 되고 있다. 탄산칼슘은 생성 환경과 시간에 따라 비정질 탄산칼슘(amorphous calcium carbonate, ACC)으로부터 바테라이트(vaterite), 아라고나이트(aragonite), 그리고 가장 안정한 상(phase)인 칼사이트(calcite)로 상변화한다. 이러한 탄산칼슘의 여러 상들은 각각 그 형태와 특성이 상이하게 다르다. 그 중 가장 불안정한 상인 바테라이트는 수 마이크로미터 크기의 다공성의 구(sphere) 모양과 높은 면적비율, 뛰어난 용해성, 작은 비중을 가지고 이는 약 전달 시스템이나 LbL assembly 등 다양한 목적으로의 응용 가능성이 크기 때문에 이 sphere 상태를 안정화시키는 것에 관련해 많은 연구들이 이루어지고 있다. 또한, 홍합의 어떠한 물체에나 탁월하게 붙는 강력한 접착력은 홍합의 부족(斧足)에서 분비되는 접착단백질 Mfp-5의 염기 서열 중 많이 반복되는 특정한 아미노산 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (do-pa)를 모방한 물질인 도파민(dopamine)을 중합하여 폴리도파민 코팅을 만듦으로써 비슷한 성격의 접착성을 재현할 수 있다는 것이 최근 밝혀졌다. 본 연구자는 기본적으로 조개의 외골격과 인간의 골격은 기능상 유사한 역할을 갖는다는 것에 착안하여, 조개의 외골격 성분인 탄산칼슘으로부터 인간의 뼈를 구성하는 성분으로의 전환 또는 이와 유사한 대체 복합재료의 생성이 가능하리라는 가정을 세웠다. 특히 다공성 spherical 바테라이트의 앞서 언급한 열역학적 불안정성과 우수한 생체 내 안정성과 분해성은 뼈 형성을 위한 기저 물질로서 적합한 조건이다. 여기에 폴리도파민의 접착성, 즉 물질을 당기는 우수한 능력을 이용하면 탄산칼슘에 뼈 형성 시 필요한 성분들을 쉽게 결합시킬 수 있을 것으로 예상하였고 이를 뒷받침하는 실험결과를 얻었다. 도파민이 중합되는 과정 속에서 무기화된 탄산칼슘은 구형 바테라이트 상을 나타냈고 이는 최장 2개월간 칼사이트로의 현저한 변화 없이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이렇게 형성된 바테라이트는 인간 혈장 유사 용액 (SBF) 내에서 2일 안에 급속하게 뼈의 구성 물질인 하이드록시아파타이트로 전환되는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 앞서 관찰된 현상을 이산화탄소 저장 기술에 응용함으로써, 이산화탄소를 hollow한 구형 바테라이트 상 탄산칼슘으로 고정화시키는 방법을 고안하였다. 이 기술을 이용함으로써 인공 뼈 성장의 scaffold로 사용되는 생분해성 고분자인 electrospinning된 폴리카프롤락톤 (polycaprolactone) 섬유 위에 성공적으로 바테라이트를 형성할 수 있었고, 역시 인간 혈장 유사 용액 내에서 용이하게 하이드록시아파타이트로 전환시킬 수 있었다. 본 연구를 통해, 홍합 모방 접착 물질을 이용해 spherical 바테라이트를 안정화시키는 것뿐만 아니라 이를 바탕으로 인체 골격 구성 물질을 형성하는 새로운 방안을 소개함으로써 골다공증과 같은 퇴행성 골 질환 치료 등 실질적 의료 기술 및 관련 과학 기술 분야에 새로운 응용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
