According to the progress in material science, smart systems capable of incorporating functions of sensing, actuation, and response to environmental changes, have been gained attention in the various appli-cations. For instance, since the development of first hydrogel by Witchler and Lim, hydrogels with soft texture and large amount of water, have been utmost candidate for biomedical fields as well as tissue engineering, carriers for drug delivery, and even in cosmetics. And, nowadays, the uses of hydrogels have expanded to fabricate soft material devices, actuators, sensors, self-healable materials. However, it is difficult to design smart hydrogels due to the demand on complicate systems, and therefore, facile methods are required.
In nature, the marine creatures often shows strong adhesiveness to surfaces. Especially, mussel (Mytilus edulis) secretes adhesive proteins, called Mytilus edulis foot protein (Mefp), which have an unusual amino acid, L-3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (DOPA). This interesting mussel adhesion is derive from cate-chol moiety in DOPA showing self-polymerization in basic condition, resulting in adhesiveness to various ma-terials including rocks, ships, and other synthetic materials. Moreover, this catechol moiety can undergoes various covalent/non-covalent reactions such as Michael-type addition reactions, Schiff-base formations, and π-cation bonds. Thus, catechol moiety and catechol-tethered polymers might have high potentials to be used in smart systems. Furthermore, boronic acid consisted of trivalent boron-containing compound with di-hydroxyl group is also an attractive molecule. Unlike DOPA and other catechol moieties, boronic acid are synthetic compound which is come from acidified borax and carbon dioxide. However, The unique properties as a Lewis acids due to two deficient electrons, and dynamic ester formation with cis-diol group can provide significant role in smart system.
Utilizing smart molecules, we synthesized a catechol-, boronic acid-conjugated alginate (Alginate-C, Alginate-BA) to design smart hydrogels. In thesis dissertation, we propose the novel hydrogels to improve the $alginate-Ca^{2+}$ hydrogel, and augment multi-functionalities. In addition, we also developed conventional sur-face modification method by controlling kinetics of self-polymerization with dopamine.
The first part (Chapter 2) of my thesis is the design of novel calcium-alginate hydrogel. Calcium-alginate hydrogels have extensively utilized as scaffolding materials in tissue regeneration and drug delivery. However, the major drawback to the calcium-alginate gels is the rapid dissolution of the alginate polymers caused by the loss of the ionic interaction between $Ca^{2+}$ and $COO^-$. Methods to overcome the dissolution of alginate hydrogel are achieved mostly by additional cationic polymer coating on surfaces of the hydrogels. Herein, we demonstrate that the additional coating by cationic polymers is not necessary to maintain the original physicochemical integrity of the hydrogels. When using polyphenol-tethered alginate as a backbone polymer to prepare calcium alginate hydrogel at pH 7.4, the tethered polyphenol undergoes relatively slow crosslinking, which well matches the kinetics of the calcium dissociation. Thus, the original physicochemical integrity of the hydrogel maintained even after the calcium dissociation. This novel method to prepare the alginate hydrogel may increase the potential utility in a variety of biomedical applications.
The second part (Chapter 3 and 4) is the design of novel multi-functional hydrogel utilizing boronic acid, and its application. For the increasing demand of soft materials with wide range of applications, hydro-gels with variety of functions (e.g. self-healing, stimuli-responsive, stretchability, and etc.) have been devel-oped. However, most functional hydrogels, developed so far, have vulnerable point in preparation method; requiring multi-components in hydrogel. Moreover, none of the studies have achieved multi-functions utiliz-ing ‘single’ component. Herein, we designed single component hydrogel prepared by alginate-boronic acid conjugate by establishing dynamic bond formation, and the alginate-BA hydrogel which is named SMART (Stimuli-sensitive and Multifunctional Alginate gel prepared via bond Rearrangement and Transfer) exhibited various multi-functionalities simultaneously such as self-healing, re-shaping, pH-, glucose-sensitivity, stretch-ability, and adhesive properties. In addition, the continuous bond dissociation and association was further studied in microscopic level by AFM pull-off experiments. We suggest that this novel hydrogel have potential feasibility in wide range of biomedical applications.
One of the most emerging issues is the developing techniques for gluing hydrogels. The purposes of gluing hydrogels are i) understanding cell-cell or cell-protein interactions, ii) substituents for tissue adhesives, and iii) hybridization of hydrogels with different characteristics. However, in most cases, hydrogels are at-tached through complementary interactions (e.g. ionic or hydrophobic interactions, and molecular recogni-tion) that can use particular hydrogels, and are required pre-designed. Here, we propose a new approach to glue hydrogels utilizing alginate-BA hydrogel glue. This novel method is notably different from other conven-tional techniques in its facile method and adhesion to versatile hydrogels. The robust assembling of hydrogels was evaluated by both quantitative and qualitative methods. We expect that this novel hydrogel glue can provide potential applications in the fields of soft material actuators and biological glues.
Finally, we have developed and optimized traditional surface modification method with poly-doapmine (Chapter 5). Polydopamine (pDA) coating has been extensively implemented in many areas rang-ing from fundamental surface science to practical applications due to its material-independent capability of surface functionalization. Despite the successful use of pDA, the current pDA coating method has a signifi-cant drawback represented by long coating time (typically overnight). Similar to layer-by-layer assembly, the long coating time has been a barrier for practical applications. Furthermore, oxidation of dopamine, which is an essential chemistry for surface modification, prevents from repeatable use of the dopamine solution in a traditional dip-coating method. Therefore, the development of an approach to implement sprayable, ultra-fast pDA (f-pDA) coating is necessary. Herein, we analyzed physicochemical factors that affected the coating kinetics of pDA and found the following optimum condition: 40 mM dopamine and 80 mM of $NaIO_4$ dis-solved in a pH 9.5 aqueous buffer. Within one minute, virtually any surface could be functionalized with pDA. This enhanced pDA coating speed enabled us to establish a spray system by mixing two solutions of dopamine and pH titrated $NaIO_4$, which is suitable for large-scale surface coating applications in industrial roll-to-roll processes and other related applications. Using the spray, ultrafast pDA coating, we prepared pDA-functionalized poly(ethylene) separator membranes, resulting in increases of power of Li-ion batteries. Addi-tionally, non-adhesive surfaces were dramatically changed to mammalian cell-friendly interfaces for mam-malian cell attachment within several minutes.
최근 재료 과학의 성장에 따라 기존 시스템에 각종 기능성이 도입된 새로운 ‘스마트 시스템’들이 많은 각광을 받고 있다. 한 예로, 다량의 물을 함유하고 있는 삼차원 망상 구조체인 하이드로젤은 1960년에 처음 보고된 이래로 쉽게 조절 가능한 기계적 물성과 생체 친화적인 성질로 인해 대표적인 생체재료로서 조직공학, 약물 전달, 화장품 등 과 같이 넓은 범위의 생의학적 분야에서 사용되어 왔다. 이렇게 초기에는 하이드로젤의 물성 자체만을 활용한 응용이 되어 왔지만, 지속적인 연구를 통하여 최근에는 자극민감성, 신장력, 자가치유 등과 같은 다양한 기능성들이 도입되어 연성 장치 (soft material devices), 액츄에이터 (actuator), 센서, 자가 치유 가능한 코팅 등과 같은 다양한 분야로의 적용이 가능 하게 되었다. 하지만 일반적으로, 이러한 스마트 시스템을 구현하는데 있어서 복잡한 디자인 과정이 수반되는 경우가 많기 때문에 그로 인한 노동력 손실을 줄이기 위해서는 간편한 제조 방식의 개발이 필요한 실정이다.
이에 본 연구에서는 특정 기능성을 내포하고 있는 단분자를 도입하여 줌으로써, 2차원 및 3 차원 기능성 시스템을 구현하고자 노력하였다. 자연속의 수중 생물체중에서는 흔히 돌이나 배 바닥 등에 접착하여 자라는 경우가 발견되는데, 특히 홍합의 경우 족사에 다량 분포하는 카테콜 (catechol)이라고 하는 특정 작용기로부터 기인한다는 게 밝혀졌다. 카테콜은 기본적인 산화를 통한 중합 외에도다양한 화학적/ 물리적 반응이 가능한 다기능성 단분자로 스마트 시스템을 구현하는데 있어서 높은 잠재성을 가지고 있다고 볼 수 있다. 또한, 보론산 (boronic acid)은 두 개의 ？OH 그룹을 가지고 있는 3가의 보론 화합물로 한 쌍의 전자가 결핍되어 있기 때문에 루이스 산으로 작용하는 독특한 물질이다. 중요한 보론산의 특징은 염기성에서 cis-다이올과 가역적인 반응을 통하여 에스터를 형성 한 다는 점인데 이러한 특성을 이용하여 마찬가지로 다양한 기능성을 구현 할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 기능성 스마트 단분자인 카테콜과 보론산을 알긴산 고분자에 도입하여 기존의 칼슘-알긴산 하이드로젤을 개선한 새로운 하이드로젤을 제조 하였으며, 다 기능성을 보유한 새로운 스마트 하이드로젤 또한 개발하였다. 추가적으로 기존의 카테콜을 이용한 표면 개질 방법을 최적화 시키는 연구를 수행하였다.
첫 번째로, 기존의 칼슘-알긴산 하이드로젤을 발전 시킨 새로운 하이드로젤을 개발하였다. 칼슘-알긴산 하이드로젤은 강한 물성과 손쉬운 제조 방법으로 인하여 조직공학에서 지지체로 많은 각광을 받아 왔다. 하지만 이 젤은 체내에 삽입 될 경우 칼슘의 방출 및 소실에 의한 지지체의 붕괴가 일어난다는 치명적인 단점을 가지고 있는데, 때문에 실제적인 적용에 어려움이 있어왔다. 기존의 연구에서는 양이온을 가지는 고분자를 코팅해주거나 안정적인 공유결합을 형성 시켜줌으로써 낮은 안정성을 극복하고자 시도하여왔다. 이러한 방식 대신 우리는 간단하게 카테콜기를 도입해줌으로써 문제점을 개선하였다. 카테콜을 알긴산에 도입해줄 경우 생리학적 조건인 pH 7.4, $37\circ C$ 에서 자연적으로 산화를 통한 가교가 진행되게 되는데 이러한 가교 생성이 칼슘의 소실으로 인한 망상구조의 붕괴를 막아 줌으로써 칼슘의 완전히 제거 된 이후에도 여전히 하이드로젤 형체를 유지할 수 있도록 도와준다. 이러한 높은 안정석을 가진 알긴산 하이드로젤을 이용하여 기존의 제약을 극복하고, 실질적인 생의학적으로의 적용이 가능 할 것으로 생각된다.
두번 째로, 보론산을 사용하여 다기능성 하이드로젤을 제조하였다. 앞서 언급했듯이 최근 들어 기능성을 가지는 스마트 하이드로젤들에 대한 연구가 중점으로 진행되어 오고 있다. 하지만 대부분의 기능성 하이드로젤은 여러 성분을 복합적으로 사용함으로써 구현하는 경우가 대 부분으로 단일 구성요소를 사용하여 다양한 기능성을 한번에 구현 하는 연구는 아직 진행되지 않았다. 우리는 알긴산 고분자에 보론산을 도입하여 신장성, 연속적인 모양 정형 능력, 자가 치유 능력, 접착력 및 pH와 글루코오스에 자극감응성을 동시에 가지는 점탄성적, 단일성분, 다 기능성 하이드로젤을 제조 하였다. 또한 AFM을 이용한 메커니즘 분석을 통하여 이러한 특성들이 분자 레벨에서의 지속적인 동적결합 형성 및 분해에 기인하여 나타난다는 것을 확인 할 수 있었다.
또한, 이렇게 제조된 보론산이 도입된 알긴산 하이드로젤을 이용하여 최근 많이 회자되고 있는 기술인 하이드로젤용 접착제로의 추가 응용을 시도 하였다. 일반적으로 하이드로젤 접착은 1) 세포-세포 혹은 세포-단백질 간의 상호작용을 분석하거나, 2) 조직 접착실험의 대체 모델, 혹은 3) 하이드로젤들간의 성질을 융합하고자 하는 목적으로 연구되고 있다. 하지만 대부분의 경우에 이온결합, 소수성 상호작용, 분자 인식과 같은 상보적인 물리적 상호작용을 이용하여 접착이 이루어지고 있기 때문에 특정 하이드로젤에서만 적용이 가능 하거나, 젤에 사전 처리가 필요하다는 단점들이 있다. 우리는 앞서 개발한 보론산이 도입된 알긴산 하이드로젤을 이용하여 새로운 형태의 하이드로젤용 접착제를 개발하였다. 점탄성적 특성으로 인한 자유로운 형태 변화와 접착력을 이용하여 간단하게 하이드로젤의 접착면에 발라주어 하이드로젤의 접착 및 조립을 성공적으로 이루어냈으며 정석, 정량적 분석을 통한 접착력 또한 측정 하였다.
마지막으로, 카테콜기를 포함한 도파민 분자를 이용한 기존의 표면 개질 법을 개선 시켰다. 폴리도파민 코팅법은 기초 과학에서 응용 과학에까지 다양한 방면에서 많이 사용되고 있는 표면 개질 방법이다. 하지만 긴 소요 시간과 도파민 용액의 산화로 인하여 지속적인 사용이 불가능 하기 때문에 실제적인 산업적 응용으로는 아직 이루어지고 있지 못한 상황이다. 때문에 우리는 기존 도파민 코팅에 영향을 미치는 요소인 농도, pH, 산화제의 양을 조절 하여 코팅 소요 시간을 획기적으로 단축 시킬 수 있는 조건을 설정 하였고, 용액을 분리 시켜 산화를 방지 함으로써 기존의 딥 코팅 방식이 아닌 스프레이 코팅 법을 개발 하였다. 새로운 고속, 스프레이 코팅 법을 이용하여 기존 대비 240 배 빠른 속도로 표면 개질을 완료 하였으며, 개질된 표면의 성질 또한 기존의 방식과 같이 그대로 유지 되는 것을 확인 하였다.
결과적으로 본 연구에서 기능성 단분자들을 활용하여 성공적으로 새로운 스마트 시스템들을 개발 할 수 있었고, 추후 다양한 분야로의 적용을 기대 할 수 있을 것으로 생각된다.
