This thesis suggests the methods of surface chemical modification for controlled cell culture on the solid substrates. Surface-initiated, atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) was utilized as the method of chemical functionalization, and NIH 3T3 fibroblast cells were cultured for cell micropatterns.
First work describes a method to fabricate the dual functionalized surface, which is suitable for controlling cell adhesion and detachment. The surface is prepared with non-biofouling poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (pOEGMA) and thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAAm) polymeric brushes on the photolithographic patterned substrate via SI-ATRP. Then, NIH 3T3 fibroblast cells were seeded and cultured to the dual functionalized surface to investigate the cell behaviors. The cells adhered to the only pNIPAAm polymeric brush and the cell micropatterns were successfully generated. The cell adhesion and detachment was manipulated with respect to the thermoresponsive properties of the polymeric brush: the cells adhered to the surface at 37oC (above low critical solution temperature (LCST) of 32 oC), and detached at 21 oC (below the LCST).
The generalized method for polymeric functionalization of inactive organic substrates via surface-initiated, atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) is described in second work. Polycarbonate and polyethylene terephthalate (PET) were selected as the model organic substrates. The initiator of SI-ATRP was spin coated on the organic substrates, and then cured by UV irradiation. After the photoreaction of the initiator, succinimidyl carbonate-poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (SC-pOEGMA) polymeric brush was grafted from the initiator-coated substrate. To develop a general method for the surface functionalization of organic substrates with bioactive molecules, SC-OEGMA was synthesized. As SC-OEGMA has both non-biofouling moiety and the reactive moiety (disuccinimidyl), we can directly bind the amine-containing materials onto the modified organic substrates. It is advantageous over the previous method where pOEGMA grafted surface has to be activated with N,N’-disuccinimidyl carbonate (DSC) for binding biomaterials onto the surface. The functionalized polycarbonate and PET were characterized by contact angle and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The micropatterns of bioactive polymer, FITC-PLL, were formed by microcontact printing (μCP) on the functionalized substrates, and the micropatterns were confirmed by laser-scanning confocal microscopy (LSCM).
본 논문은 고체 기질에서 세포 배양 조절을 위해 표면을 화학적으로 변경하는 방법을 제시한다. 화학적 기능화의 방법으로 표면개시 원자이동 라디칼 중합 (SI-ATRP)을 이용하였고, 세포 마이크로패턴을 위해 NIH 3T3 fibroblast 세포를 배양하였다.
첫 번째로, 세포의 부착과 분리를 조절하는데 적합한 두 가지로 기능화된 표면을 만드는 방법을 서술하였다. 포토리소그래피로 패터닝 된 기판의 표면에 SI-ATRP를 이용해 비생물 부착성을 가지는 poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate (pOEGMA)와 열에 반응하는 poly(N-isopropylacrylaide) (pNIPAAm) 고분자를 코팅하였다. 다음으로, 세포 행동을 관찰하기 위해 이 표면에 NIT 3T3 fibroblast 세포를 뿌리고 배양하였다. 세포는 오직 pNIPAAm 고분자가 코팅된 영역에만 부착되었고, 세포 마이크로패턴이 성공적으로 형성되었다. 세포의 부착과 분리는 고분자의 열반응성에 의해 조절되었다. 세포는 37 oC (32 oC의 low critical solution temperature (LCST) 이상)의 표면에서는 부착되었고, 21 oC (LSCT 미만)에서는 분리되었다.
두 번째에서는, SI-ATRP를 이용해 비활성화된 유기 기질의 고분자적 기능화를 하기 위한 방법을 서술하였다. 유기 기질의 모델로 폴리카보네이트와 페트(PET)를 선택하였다. 유기 기질에 SI-ATRP의 개시제를 코팅하기 위해 스핀 코팅한 후 UV를 조사해 주었다. 개시제의 광반응 후에 succinimidyl carbonate-poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (SC-pOEGMA) 고분자가 기질에 코팅되었다. 생물체에 작용하는 분자와 함께 유기 기질 표면의 기능화를 위한 일반적인 방법을 개발하기 위해 SC-OEGMA을 합성하였다. SC-OEGMA는 비생물 부착성과 생물 반응성 (disuccinimidyl)을 모두 가지는 물질로써, 아민이 들어있는 물질을 기능화된 유기 기질에 직접적으로 결합시킬 수 있다. 이 방법은 pOEGMA가 코팅된 표면을 생물적합물질과 결합시키기 위해 N,N’-disuccinimidyl carbonate (DSC)로 활성화 시켜야 하는 이전의 방법보다 유리하다. 기능화된 폴리카보네이트와 페트는 contact angle과 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)로 분석되었다. 생물체에 작용하는 고분자인 Fluorescein isothiocyanate poly-L-lysine (FITC-PLL)의 마이크로패턴은 microcontact printing에 의해 형성되었고, 이는 laser-scanning confocal microscopy (LSCM)에 의해 확인되었다.
