Polydopamine (pDA/PDA) coating has been widely utilized for a material-independent surface functionalization in many fields of science and engineering. However, the traditional pDA coating methods require the use of alkaline aqueous solutions, restricting a category of molecules that should be soluble in water. Here, we report that a method to form pDA coating and prepare PDA nanoparticles in organic solvents.
In chapter 1, we demonstrate a one-step, organic solution-based surface chemistry that any type of material surface utilizing pDA coating. The pDA coating in methanol shows unexpectedly fast kinetics in surface modification resulting in ~ 50 nm in thickness for 4 hrs. Furthermore, it enables the surface functionalization of water-insoluble molecules such as anti-cancer drug, paclitaxel and alkanethiols that is previously difficult to achieve by the widely known pDA coating method. Simple one-step immersion of surfaces in a one-pot mixture of a water-insoluble molecule, dopamine, and piperidine results in the aforementioned results. Piperidine is utilized as an organic base which deprotonates/oxidizes dopamine molecules for the formation of the pDA, and we found that the pDA coating in organic solvents is effective only to polar protic solvents such as alcohols. Considering a variety of pDA applications, we anticipate that the pDA coating in organic solvents method might provide a new standard strategy of surface modifications for hydrolysable or degradable substrates as well as of immobilization of water-insoluble, functional molecules.
In chapter 2, methods for general preparation of water-insoluble drugs encapsulation using mussel-inspired polydopamine (PDA) is demonstrated. Various approaches to increase the solubility of water-insoluble anti-cancer drugs in aqueous formulations have been undertaken with the aim of treating solid tumors through intravenous drug administration. Nanoscale drug carriers are particularly attractive for cancer therapy because of their passive targeting effect to enhance the therapeutic efficacy of drug. Herein, we introduce polydopamine (PDA) nanoparticles which are spontaneously formed by change of solution environ-ment from ethanol to water as an efficient intracellular delivery system for water-insoluble drugs. Water-insoluble drugs such as tamoxifen and paclitaxel are successfully encapsulated into the PDA nanoparticles having a spherical shape with an average diameter of about 100 nm. Our results suggest that PDA nanoparticles as biocompatible delivery vehicles can be used for general poorly soluble or insoluble anti-cancer drugs to achieve effective cancer therapy by reducing the side effects to normal tissues.
바다에서 서식하는 홍합은 접착성을 가지는 단백질로 만들어진 섬유실(byssal thread)에 의해 거의 모든 표면에 강하게 붙어서 자라는 수중생물이다. 홍합의 접착력은 인공 접착제보다 강력하고 젖은 표면에서도 그대로 유지되는 특징을 가지고 있다. 이러한 특이적인 접착 능력은 아미노산 도파(3,4-dihydroxyphenylalanine, DOPA)의 화학적 작용기인 카테콜(catechol)에서 기인한 것으로 보고되었다. 홍합의 접착력에 관여하는 화학적 작용기를 모방한 폴리도파민(polydopamine)의 표면 개질 기술은 홍합이 가지는 특성을 그대로 가지고 있어 염기성 pH의 수용액 조건에서 낮은 표면 에너지를 가진 표면에서도 뛰어난 접착력을 나타낸다. 또한 다른 물질과 함께 반응시킬 경우 폴리도파민 위에 2차적으로 표면을 개질 시킬 수 있음이 증명되었다. 그 밖에도 나노 캡슐로 만들어 난용성 약물 전달체로 사용하거나 나노 입자를 제조하여 자유라디칼을 소거하는 역할 (free radical scavenging activi-ty), 또는 적외선 치료제(near-infrared photothermal therapeutic agent)로 응용되었다. 그러나 기존의 폴리도파민 제조 방법은 알칼리 수용액 환경조건에서만 가능했고, 2차 개질 시키려는 물질도 수용액에서 녹을 수 있는 물질로 제한되었으며 물에 녹거나 분해되는 고분자위에는 개질 시킬 수 없다는 한계가 있었다. 또한 나노 캡슐을 제조하는 방법에 있어서 다단계의 과정으로 매우 복잡하고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 물에 녹지 않는 물질도 다양하게 개질 시킬 수 있도록 순수 유기용매를 도입시켜 폴리도파민 코팅 방법과 더 나아가 난용성 약물 전달을 위한 매우 간단한 나노 전달체 합성 기법을 개발하였다.
도파민(dopamine)은 일반적으로 유기용매에서 중합반응과 산화반응이 이루어지지 않기 때문에 유기염기인 피페리딘(piperidine)을 첨가하였다. 또한 여러 가지 유기용매로 비교 실험해본 결과 극성 양자성 용매(polar protic solvent)에서 가장 빠른 반응성을 나타내었고, 이는 양자성 용매가 피페리딘의 탈양자화를 도와주는 것으로 판단된다. 실험 결과, 기존 수용액상에서는 폴리도파민이 4시간 동안 50 nm의 두께로 코팅 되는 반면, 메탄올의 경우 동일한 시간에 100 nm이상 코팅됨을 확인하였다. 또한 물에 잘 용해되는 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA) 고분자를 나노 섬유(Nanofiber) 형태로 제조하여 메탄올에서 2시간 동안 코팅한 결과, 나노 섬유는 그대로 보존되면서 폴리도파민은 잘 코팅되었음이 확인되었다. 폴리도파민은 기본적으로 카테콜아민에 의한 접착 능력을 가지고 있기 때문에 유기용매 상에서 반응이 이루어졌다면 수용액에서와 동일하게 2차 개질 능력도 존재할 거라 가정하였고, 이를 증명하기 위해 추가적인 연구를 진행하였다. 그 첫 번째 예로 불수용성 항암제인 파클리탁셀(paclitaxel)을 폴리도파민을 이용하여 타이타늄 기판 위에 고정시킨 후, 항암 효과가 있는지 확인해 보았다. 그 결과, 폴리도파민은 세포 독성이 없음에도 불구하고 암세포 증식이 매우 억제되었음을 확인할 수 있었고, 이러한 결과를 통해 파클리탁셀이 폴리도파민에 의해 잘 고정되었음이 증명되었다. 또한 카테콜작용기가 아민(amine) 또는 티올(thiol)과의 공유결합 형성을 통해 2차 표면 개질화가 가능하다는 점을 이용하여 유기용매를 기반으로 폴리도파민과 물에 녹지 않는 알케인티올(alkanethiol)물질을 원 포트(one-pot) 공정으로 자가조립필름(self-assembled films, SAFs)을 형성시키는 연구를 진행하였다. 기존에 자가조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)은 금과 같은 특정 기판에서만 가능했지만, 유기용매상에서 폴리도파민의 카테콜과 알케인티올과의 중합반응과 공유결합을 통해 기판 종류에 관계없이 자가조립필름을 형성할 수 있었다. 이는 접촉각(contact angle)을 통해 측정되었고, 기판 종류에 상관없이 탄소 사슬의 수가 길어질수록 분자간의 반 데르 발스(van der Waals) 상호작용에 의해 접촉각이 증가함을 확인하였다.
한편, 에탄올을 기반으로 한 폴리도파민 용액 안에서는 물로 희석하는 간단한 과정을 통해 100 nm의 폴리도파민 입자가 제조되었다. 나노 입자가 형성되는 원리는 에탄올이 물로 치환되는 과정 중에 무정형의 고분자가 친수성 환경을 만나면서 상대적으로 소수성 부분인 아민이 안쪽으로, 친수성 부분인 카테콜이 바깥쪽으로 재배열 되며 에너지적으로 가장 안정한 구 형태의 균일한 나노 입자로 형성되는 것으로 보여지고 있다. 이를 이용하여 도파민과 불수용성 약물을 함께 반응 시키면 불수용성 물질을 포함한 폴리도파민 나노 입자를 간단히 제조할 수 있을 거라 가정하였고, 난용성 약물인 유방암 치료제 타목시펜(tamoxifen)을 함유한 폴리도파민 입자를 제조하였다. 이렇게 제조된 폴리도파민 나노입자에 실제 약물이 포함되었는지 확인하기 위해 세포독성실험을 진행하였다. 자궁암과 유방암 세포를 사용 하였고, 실험 결과, 폴리도파민 입자는 세포에 아무런 영향이 없는 반면, 타목시펜을 함유한 폴리도파민 입자는 시간과 농도에 따라 단계적으로 세포의 사멸을 유도하였다. 또한 암을 발생시킨 실험 쥐에 타목시펜을 함유한 폴리도파민 나노입자를 정맥주사(I.V injection)로 주입하였을 때 나노입자가 암 조직 주변까지 안정적으로 전달되었으며 암 증식을 억제하는 효과도 관찰할 수 있었다.
다양한 기능을 접목시킨 유기용매 기반의 폴리도파민 표면 개질 및 약물 전달 기법 개발을 통해 기존의 방식에서 할 수 없었던 불수용성 물질을 적용함으로써 더욱 더 넓은 분야로 확대되어 생체재료 및 에너지, 신소재 재료 등 다양한 복합재료를 개발할 수 있는 계기가 될 것으로 전망된다. 또한 암 치료에 매우 효과적이지만 난용성 물질이 대다수였던 항암물질들을 매우 간단한 방법으로 제조하고, 동시에 효과적으로 체내 목표 지점까지 전달 할 수 있는 방법을 개발하는 것은 앞으로도 암을 치료하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
