Catechol-containing biopolymers found in mussel adhesive proteins have attracted much attention due to their water-resistant adhesion properties in wet environment on a variety of substrates. Not only for adhesion properties, catechol moieties have also known for playing an important role to the unique cohesion properties of materials in natural creatures such as insect cuticles, and squid beaks. However, regardless of widespread biomimetic approaches developing catechol-based artificial materials, the fundamental mechanism of how the properties of materials are affected by chemical reactions of catechol moiety at a molecular level has not been clearly understood.
In this thesis, we have discussed catecholamine chemistry in three different physical environments (1) solid/water interface, where a polymeric coating layer is formed by a material-independent surface functionalization technique using low molecular weight catecholamines (in chapter 3-5), (2) water phase, in which 3-dimensional bulk materials are formed via crosslinking of catechol-conjugated biomacromolecules (in chapter 6-7), (3) air/water interface, where the interfacial Janus-faced microfilm having stimuli-responsive and self-healing properties is formed (in chapter 8). Fundamental studies about the materials chemistry of catecholamines at a molecular level will give an inspiration to develop brand-new biomaterials for a variety of purposes in surface functionalization technologies and constructing 3-dimensional bulk adhesives.
In chapter 2, motivation and objective, thesis outline, and specific aims with hypothesis are addressed as for the general introduction of the thesis.
In chapter 3, we report that a physical, self-assembled trimer of (dopamine)2/DHI exists in polydopa-mine, that has been previously known to be formed only by covalent polymerization. We also found that the trimeric complex is tightly entrapped within polydopamine coating layer and barely released out. Our study reveals a different perspective of polydopamine formation, where it forms in part by the self-assembly of dopamine and 5,6-dihydroxyindole (DHI), providing a new clue to understanding the structures of catechola-mines such as melanin.
In chapter 4, we propose that oligomerization is sufficient for achieving the capability of material-independent surface modification. The analysis of oxidation chemistry of pyrogallol 2-aminoethane (PAE) unexpectedly revealed that hydroxylation reactions at the pyrogallol rings were predominated rather than Michael addition, which is the typical oxidative reaction of dopamine (which is discussed in chapter 3). We found that the hydroxylation at the pyrogallol ring blocks inter-molecular oxidative crosslinking, resulting in termination of crosslinking at an early stage. Interestingly, the terminated compounds (mostly hydroxylated dimers of PAE) are able to functionalize virtually any materials in material-independent manner by self-assembly themselves to form supramolecular nano-aggregates.
In chapter 5, we report a material-independent catecholamine surface chemistry with a well-defined molecular architecture by utilizing oxidative polymerization of norepinephrine to yield a poly(norepinephrine) (pNE) coating. Nearly perfect smoothness at the nanometer scale allows one to perform a variety of experi-ments that have not been feasible using in polydopamine surface chemistry. A novel property was found in which pNE layers can be a universal depot for storing and releasing small therapeutics such as nitric oxide (NO).
In chapter 6, we demonstrate that hyaluronic acid-catechol (HA-catechol) conjugates exhibit to be adhesive, functionalizing surface of materials, or to be cohesive, building three-dimensional hydrogels. Up to now, catechol-conjugated polymers have shown to be useful in one of the two functions. We demonstrated usefulness of the polymer in stem cell engineering in which one can prepare a platform for neural stem cell culture utilizing the adhesive property of HA-catechol, and fabricate hydrogels to encapsulate the neural stem cells utilizing the cohesive property of the HA conjugate. Moreover, the HA-catechol hydrogels are high-ly compatible to neural stem cells, showing better viability compared to HA-based hydrogels prepared by UV-irradiation.
In chapter 7, we report a new type of catechol-conjugated poly(ethylene glycol) (PEG) derivatives, PEG-NH-catechols, that can expand the spectrum of catecholamine chemistry. The secondary amine and catechol in the conjugate can be participated in quinone tanning reaction simultaneously. The inter-molecular reaction between PEG-NH-catechols forms a dramatic nano-scale junction resulting in enhancement of gelation kinetics and mechanical properties of PEG hydrogels compared to results obtained by using PEG-catechols in the absence of amine groups. Therefore, the study provides new insight into designing new crosslinking chemistry for controlling nano-scale chemical reactions that can broaden unique properties of bulk hydrogels.
In chapter 8, we show that catecholamine crosslinking in the presence of amine-rich polymers occurs only at the air/water interface forming an extremely robust, adhesive, self-healing, freestanding film. This unique interfacial tanning reaction essentially requires oxygen in air, which explains why the formation of insect cuticle must inevitably occur at an air-contacting outer layer of the body and why hemolymph (insect blood) is solidified at the air/water interface, protecting inner part of the body and at the same time preventing from solidification of entire blood solution.
신경전달물질로 잘 알려져 있는 카테콜아민은 한편 홍합의 접착단백질, 곤충의 큐티클층, 오징어의 부리 등의 유기물 기반 자연소재의 독특한 접착능력 및 점착성질에 관여하는 중요한 화학작용기로써 자연모사 생체재료를 만드는 연구자들에게 많은 관심을 받고 있다. 홍합은 표면의 성질에 관계없이 다양한 표면에 붙어서 사는 수중생물로써 일반적인 접착제가 물에 닿을 때에 접착능력을 잃어버리는 것과 달리 수중환경에서 다양한 표면에 매우 강한 접착력을 보이는 특이적인 접착능력을 가지고 있으며, 이러한 접착단백질은 카테콜을 매우 높은 농도로 함유하고 있는 것으로 보고되었다. 또한 곤충의 큐티클층과 오징어 부리와 같은 매우 높은 기계적 강도를 가지는 유기물 기반의 자연소재 또한 매우 높은 농도의 카테콜을 함유하고 있으며, 특히 카테콜의 산도민감성 가교반응을 조절 함으로써 기계적 강도를 조절하고 다양한 강도의 기울기를 가지는 복합유기소재를 형성할 수 있다는 것이 보고되었다. 이로부터 2007년 카테콜과 아민 작용기를 가지는 단분자인 도파민의 산도민감성 가교에 의해 홍합 단백질의 범용적 접착성질을 모사한 표면개질 기법이 보고되었으며, 카테콜 작용기를 도입하여 이러한 자연소재의 특이적인 성질을 모사한 접착/점착 소재를 개발하기 위한 시도가 계속되고 있다.
그러나 이러한 생체모방 카테콜 기반 유기소재의 개발 및 응용에도 불구하고, 소재의 물성을 결정하는 근본적인 메커니즘이 되는 분자수준에서의 카테콜 작용기의 화학반응에 대한 이해가 매우 부족한 상태이며, 특히 카테콜 작용기가 관여하는 화학반응이 매우 광범위할 것으로 예상되지만 이에 대해 보고된 바가 없어 카테콜 기반 소재의 발전을 위한 카테콜의 화학의 폭 넓은 이해가 필요한 상태이다. 단분자 수준에서의 카테콜 화학은 다양한 표면에 형성되는 카테콜과 표면 간의 화학결합 및 3차원 하이드로젤에서의 카테콜-카테콜 가교반응을 포함하고 있으며, 이러한 화학반응의 이해를 통해 인공소재의 물성을 정밀하게 조절하거나, 이제까지 보고되지 않았던 새로운 물성을 가지는 자연모사 복합 소재를 개발 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구논문에서는 이러한 연구배경을 바탕으로 크게 3가지의 서로 다른 조건에서 형성되는 카테콜기반 소재의 물리적, 화학적 분석을 통해 카테콜의 화학반응을 이해하고자 하였으며, 특히 고체/물 및 공기/물의 경계면에서 이루어지는 계면반응에 큰 관심을 두었다. 연구내용 및 결과는 크게 아래와 같은 3개의 소주제로 정리될 수 있다.
(1) 고체/물 경계면에서의 카테콜 화학: 제 3, 4, 5장에서는 표면의 성질에 관계없이 다양한 표면에서 형성되는 고분자성 카테콜아민 코팅막의 형성 메커니즘을 이해하기 위한 연구에 대해 다루고 있다. 연구를 통해 저분자성 카테콜아민의 물리적 결합이 나노두께의 코팅막 형성에 매우 중요하게 관여하는 것을 밝혀내었으며, 이로부터 코팅막을 형성하기 위한 카테콜아민의 가교는 기존에 예상되었던 고분자화가 아닌 3-5분자가 이루는 올리고머를 형성하고, 이렇게 형성된 올리고머 간의 물리적 자가조립에 의해 나노두께의 코팅막을 이루는 것으로 새롭게 제시되었다.
(2) 액상에서의 카테콜 화학: 제 6, 7장에서는 액상에서 이루어지는 카테콜 간의 화학반응을 다루고 있다. 카테콜 간의 액상 가교반응을 통해 카테콜이 접합된 고분자의 3 차원 네트워크를 형성할 수 있으며, 이때 카테콜 간의 화학 반응의 정도는 형성되는 3차원 소재 (하이드로젤)의 기계적 물성에 영향을 준다는 것을 확인하였다.
(3) 공기/물 경계면에서의 카테콜 화학: 제 8장에서는 이제까지 보고된 적 없던 카테콜 가교에 대한 산소의 영향을 다루고 있다. 카테콜-카테콜, 카테콜-아민 간의 공유결합 형성은 공기중의 산소에 의해 크게 촉진되었으며, 이를 이용하여 공기/물 경계면에서 곤충의 큐티클층과 화학적 성분 및 형성 메커니즘이 유사한 곤충모사 필름 소재를 개발할 수 있다.
