When a material is introduced in vivo, its surface will be the first contact with the biological environment. Due to the importance of cellular interactions that occur at the material-biological interface, numerous attempts were made to functionalize bioactive molecules to make surfaces biologically compatible and functional. Yet, available biofunctional materials for surface modification still endorse intrinsic problems such as surface delamination, complications in preparation method, difficulty in synthesis of coating materials, and protein denaturation if proteins are load-ed. In effort to find appropriate novel biofunctional materials, we synthesized a mussel-inspired polymer derivative via chemical conjugation of catechol onto chitosan in order to make a sticky polymer that can serve as surface modifying material. Furthermore, we screened candidate molecules with reactive head groups and identified a small molecule that is multifunctional (adhesive toward surface and has bioactivity). In this thesis, we were able to develop bioactive surfaces using the bio-inspired functional materials.
In chapter 1, general background on surface modification methods and mussel-inspired surface modification were described. Then, a brief introduction of catechol-conjugated polymers followed by importance of implant surface modification with hemophilic molecules were summarized. Finally, the aim of the thesis was remarked.
In chapter 2, a simple method to prepare water-soluble chitosan derivative by conjugation of an enediol group called catechol was described. Chitosan was functionalized with a catechol-containing compound, 3,4-dihydroxyhydrocinnamic acid, by a carbodiimide coupling method which resulted in chitosan？catechol conjugates (Chi-C) with highly water-soluble property (up to 60 mg mL？1 at pH 7.0). Furthermore, the chitosan？catechol conjugates were shown to be adhe-sive, due to the intrinsic adhesive properties of catechol and can be easily form hydrogel at oxidative pH.
In chapter 3, The sticky mucoahdesive propery of the synthesized Chi-C was characterized. We demonstrated the mucoadhesive property of Chi-C using several tools and showed that the gastrointestinal (GI) tract retention time of Chi-C prolonged after catechol-modification, which we be-lieve is due to formation of catechol mediated-crosslinking with amines and thiols of mucin. The results indicated that catechol modification of mucoadhesive polymers may possibly lead to a new generation of mucoadhesive polymers for mucosal drug delivery.
In chapter 4, Chi-C was used as a cationic polymer for fabrication of a Layer-by-Layer (LbL) film. A phenomenon called Self-Enhancement in the thickness of an LbL Film (SELF) was detected in the fabricated film composed of Chi-C and catechol-conjugated heparin (Hep-C). The SELF process resulted in a film with thickness of ~104 nm (~10 μm) after deposition of 20 bi-layers. This is the fastest growth of an organic film without alternating the external pH of the polymer solutions. We revealed that methyl-π interactions between the catechol group (aromatic ring, π) and the acetyl $(-CH_3)$ group were responsible for SELF phenomenon. After deposition of 20 bilayers, a free-standing film that can serve as a high-capacity protein reservoir was formed and we showed that this film can be used to encapsulate a large amount of green fluorescent protein (GFP) and recombinant human bone morphogenic protein-2 (rhBMP-2).
In chapter 5, a new biofunctional molecule was screened among twenty-one commercially available molecules with a phosphonic acid functional group which for P-O-metal coordination bond with titanium surface. Among these molecules, we reported that vitamin B6, pyridoxal 5′-phosphate (PLP), exhibited superhydrophilicity and hemophilicity, further enhancing pro-liferation, migration, and differentiation of mammalian cells and promoted in vivo osteointegra-tion. Unlike other molecules used so far in surface modification, PLP was shown to bind to a variety of biomacromolecules due to presence of an aldehyde group. In fact, RGD and BMP-2 derived osteogenic peptide were successfully tethered to PLP coated surfaces in one step. The mechanism of PLP in in vivo healing and proliferation of mammalian cells is now under study.
In this thesis, novel biofunctional materials were synthesized and their effects as surface coat-ing materials were studied. We synthesized a mussel-inspired, adhesive polymer derivative that can serve as a surface coating for biomedical devices and identified a small molecule that has multiple functions including adhesive property, cell proliferation, and in vivo healing. Because these biofunctional materials exhibit unique and biologically necessary functions, these materials can be useful tools for a wide range of biomedical applications.
생체활성 표면개질은 의료기기 및 임플란트 등의 생체적합성을 높이기 위해서 활용되어 왔다. 기존에 알려진 코팅 방법으로는 가조립단분자막 (self assembled monolayer), Lang-muir Blodgett, 스프레이 코팅, 진공증착 등이 있지만 표면의 종류나 모양에 따라서는 표면개질이 어렵다는 단점이 있다. 그에 비해 홍합의 접착 단백질에서 유래된 도파 (DOPA) 아미노산의 카테콜 작용기는 표면의 종류와 상관없이 접착성이 우수하며 고분자에 접합된 후에도 접착성이 유지된다. 본 연구에서는 카테콜기를 키토산 고분자에 접합시킨 접합체의 수용성과 접착성에 관한 연구를 하였고 티타늄 표면에 접착성 키토산 접합체를 이용한 자기조립 다층박막(Layer-by-Layer) 필름을 제조하여 생체활성 표면을 개발하였다. 이 필름은 많은 양의 생체활성 물질을 담지하는데 용이하기 때문에 임플란트의 장기적 성공에 영향을 미칠 수 있다. 하지만 고분자 담지체의 벗겨짐 현상이 있기 때문에 실질적 적용에 어려움이 있으며 이를 극복하기 위해 약물 스크리닝 방법으로 생체활성 기능을 갖는 새로운 단분자를 찾는 연구를 하였다. 그중 포스폰산을 갖는 비타민B6가 임플란트 코팅제로 쓰였을 때 골 조직 치유에 미치는 영향과 원리를 연구하였다.
제 1 장 에서는 연구의 배경 및 요약을 기술하였다. 먼저 기존의 표면개질 방법을 소개하였고 카테콜기를 포함한 고분자를 이용한 생체활성 표면개질에 대해 기술하였으며 기존의 임플란트 코팅제에 대한 배경을 기술하였다. 또한, 본 연구의 목적과 내용을 요약하여 설명하였다.
제 2 장 에서는 키토산 접합체의 수용성 증가에 대해 연구하였다. 키토산은 셀룰로스 다음으로 생산량이 많은 다당류이지만 물에서 녹지 않기 때문에 쓰임새가 제한적이다. 키토산은 pH 2이하의 용액에서만 녹는데 비해 키토산 접합체는 pH 7에서도 녹는 것을 용액의 탁도로 확인하였고 pH 8이상의 용액에서는 키토산의 아민과 카테콜기은 산화조건에서 Schiff-base 반응을 하기 때문에 하이드로겔이 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 카테콜을 접합시킨 다른 고분자들과 유사하게 금 표면에 접착성이 있는 것을 확인하였다.
제 3 장 에서는 키토산 접합체의 점막 접착성 및 생체활성 단백질 전달체로써의 역할을 기술하였다. 키토산은 양전하를 띄기 때문에 음전하를 띄는 점막과 정전기적 상호작용을 하고 약물전달시스템으로써 약물의 체내 유지시간을 늘릴 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 키토산 접합체의 카테콜기가 추가적으로 점막의 아민과 티올기와 반응하면서 키토산의 점막 접착성 증가에 기여하는 것으로 나타났다. 키토산 접합체는 생체독성이 낮으며 인슐린 치료단백질과 같이 렛드에 전달하였을 때 인슐린의 생체 이용율 또한 증가시킨다는 것을 확인하였다.
제 4 장 에서는 키토산 접합체 필름을 다량의 생체활성 물질 담지체로 활용한 연구에 대해 소개하였다. 자기조립 다층박막 코팅방법은 다양한 모양의 표면개질 용도로 사용되어 왔지만 마이크론 단위 두께의 필름을 만들기 위해서는 수백번 코팅 용액에 담가야 하는 어려움이 있어 실용성적이지 않다. 이 연구에서는 카테콜기를 키토산과 헤파린에 접합시켜 자기조립 다층박막 필름을 형성했을 때 각 층의 두께가 다른 자기조립 다층박막 필름 대비 훨씬 두꺼운 것을 발견하였다. 분석 결과 카테콜기와 키토산의 아세틸기가 methyl-π 수소결합을 형성하며 각 층의 두께를 증가시키는 것으로 확인되었다. 키토산과 헤파린은 의료용으로 흔히 쓰이는 유기물질이기 때문에 rhBMP-2와 같은 생체활성물질을 담지 및 전달하는 용도로 사용될 수 있는데 실제로 기존에 자기조립 다층박막 코팅에 담지할 수 있는 양보다 다량의 rhBMP-2를 담지하는 것이 가능하였다.
제 5 장 에서는 포스폰산기를 갖는 단분자를 생체활성 표면 개질에 활용하였다. 포스폰산기를 갖는 여러 단분자의 혈액 적합성 (blood compatibility)정도가 높은 단분자를 간추렸고, 간추려진 단분자를 임플란트 식립체에 코팅한 후 렛드의 대퇴골에 이식하였다. 이식된 임플란트 식립체는 push-in 실험을 통해 임플란트와 골융합 정도를 알 수 있는데 비타민B6 (pyridoxal 5’-phosphate, PLP)가 골융합에 가장 효과적인 것을 확인하였다. 또한, human umbilical vein endothelial cell과 osteoblast primary cell을 비타민B6 가 코팅된 표면 위에서 배양하였을 때 세포 증식 능력에 도움을 준다는 것을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 본 논문에서는 홍합모방 고분자인 키토산-카테콜 접합체와 $비타민B_6$ 단분자를이용한 생체활성 표면에 대해 연구하였다. 홍합모방 고분자의 수용성과 접착력, 그리고 생체활성 물질의 담지체로써의 활용 가능성을 확인했고 포스폰산기를 갖는 단분자 중 $비타민B_6$ 가 세포증식과 이동과 골-임플란트 융합에 미치는 영향을 연구하였다. 표면에 강하게 접착하며 생체활성도 부여하는 기술은 의료용 기기에 필수적으로 고려되기 때문에 앞으로의 의료 및 제약 분야에서의 응용이 기대된다.
