Organic interfacial film is of great interest for biological applications, because the formed film, containing tailor-made functional group, could fine-tune intrinsic interfacial properties such as biomolecular adsorptions and cell-adhesion characteristics as well as mechanical rigidity, permeability, and wettability. Due to its potential abilities, the formation of organic interfacial film has been attempted for biomedical device technology, biosensor and bioelectronics, and cell encapsulation. Among a variety of biological applications, cell encapsulation with organic interfacial film provides chemical tools for endowing living cells, in a programmed fashion, with exogenous properties that are neither innate nor naturally achievable, such as UV filtration and immunogenic shielding, as well as enhanced tolerance in vitro against lethal factors in real-life settings. So it promises various practical applications, such as whole-cell catalysis and sensors, cell therapy, tissue engineering, probiotic packaging, and provides a basic platform for studying cellular differentiation and communications.
Many different materials have been utilized as a cell-encapsulation material with proper choice of synthetic strategies. For successful cell encapsulation, living cells should be encapsulated with cytocompatible materials under mild conditions. Conventional cell encapsulation with organic interfacial film is usually based on layer-by-layer (LbL) assembly of polyelectrolytes. However, laborious and multistep process has been one of major challenges in the LbL-based cell encapsulation, because repeated purification and concentration steps are required during LbL assembly. Since polyphenolic chemistry (e.g. catechol/pyrogallol chemistry) was introduced in substrate-independent coating, it has been succeeded to simply form organic film on solid substrate under mild condition. So, based on the polyphenolic chemistry, one-pot formation of organic film at various interface is also feasible and, by extension, applied to cell encapsulation.
In this thesis, organic interfacial films, composed of polyphenolics, were formed for cell encapsulation, and could be categorized as follows. (1) Polydopamine thin film at hydrogel-water interface: cytoprotective alginate/polydopamine core/shell microbeads; in this part, the alginate/polydopamine core/shell microbeads were developed by forming the polydopamine film at hydrogel-water interface. Although alginate hydrogel beads swell uncontrollably and are physicochemically labile, the resulting alginate/polydopamine core/shell microbeads were mechanically tough, prevented gel swelling and cell leakage, and increased resistance against enzymatic attack and UV-C irradiation. (2) Polydopamine thin film at hydrogel-water interface: control of cell growth in alginate/polydopamine core/shell microbeads; cell encapsulation not only protects cells from harmful environments by physically isolating them from the outside media, but also has the potential to tailor the release profile of the encapsulated cells. However, the microbial release has not yet been controlled tightly, leading to undesired detrimental exposure of microorganisms to the outside. This challenge could be simply solved by forming ultrathin but robust polydopamine film at hydrogel-water interface. The alginate/polydopamine core/shell microbeads effectively suppressed the microbial growth rate, while maintaining the cell viability, resulting in controlling cell release. (3) Ferric ion-tannic acid metal-organic complex thin film at interfaces through biphasic supramolecular self-assembly: novel chemical strategy for cell encapsulation; in this case, the interfacial supramolecular self-assembly and film formation of ferric ions and tannic acid in biphasic systems was reported, where ferric ion and tannic acid come into immiscible phases. Its versatility is demonstrated with various biphasic systems: hollow microcapsules, encasing microbial or mammalian cells, are generated at the water-oil interface in a microfluidic device; a cytoprotective ferric ion-tannic acid film was formed at hydrogel-water interface for probiotic encapsulation; a pericellular ferric ion-tannic acid shell forms on individual Saccharomyces cerevisiae. The formation of organic interfacial film for cell encapsulation will advance chemical manipulability of living cells and also suggest a simple but versatile structural motif in materials science.
계면 유기 박막의 형성은 계면에 다양한 작용기를 도입하여 강성도, 투과성, 습윤성 조절뿐만 아니라 바이오 물질 및 세포의 흡착성 조절과 같은 고유한 계면 성질을 제어 할 수 있어 다양한 생물학적 응용에 사용될 수 있다. 특히 계면 유기 박막을 이용한 세포피포화는 기존의 세포가 가지고 있지 않는 외생적 성질을 살아있는 세포에게 도입할 수 있어, 세포 보존 및 대사 조절을 화학적으로 제어할 수 있는 중요한 기술일 뿐만 아니라 세포의 생화학적 행동 패턴을 이해하는데 중요한 도구로 여겨진다.
살아있는 세포를 다루기 때문에 온화한 조건에서 이루어져야 하는 세포피포화는 주로 세포친화적 물질을 이용한 층상자기조립법을 통해 수행되어왔지만, 이는 여러 단계의 과정을 거쳐야하므로 비효율적이며 많은 시간을 요한다. 본 연구에서는 카테콜 작용기를 지닌 홍합모사 고분자를 이용한 계면 개질 방법을 도입하여 기존의 세포피포화 문제점을 해결하고자 하였다. 먼저 폴리도파민 박막을 하이드로젤-물 계면에 형성함으로써, 알지네이트/폴리도파민 코어/쉘 마이크로 비드를 만들고 이를 세포피포화에 적용하였다. 형성된 폴리도파민 박막은 하이드로젤-물 계면의 고유한 물리화학적 성질을 조정하여 외부 유해환경으로부터 세포를 보호할 수 있었으며, 뿐만 아니라 알지네이트 하이드로젤 내에 존재하는 세포의 성장을 억제하여 세포 방출의 속도도 제어할 수 있었다.
또한 식물성 유기 물질인 타닌산과 3가 철이온을 이용하여 타닌산-철 박막을 다양한 계면에서 형성할 수 있었다. 섞이지 않는 서로 다른 두 상에 각각 타닌산과 철을 녹이고 계면에서 이들이 만나면 초분자 자동조립에 의해 박막을 형성하게 되는데, 이러한 방법을 통해 속이 빈 마이크로 캡슐 (물-기름 계면에서 박막 형성), 코어/쉘 마이크로 비드 (하이드로젤-물 계면에서 박막 형성), 껍질에 싸인 세포 복합체 (세포-물 계면에서 박막 형성)를 만들 수 있었다. 여러 계면에서 형성된 타닌산-철 박막 역시 세포피포화에 사용될 수 있었으며, 뛰어난 세포 보호 효과 및 세포 성장 조절 능력이 관찰되었다.
요컨대, 본 연구는 온화한 조건에서 형성된 계면 유기 박막을 세포피포화에 도입함으로써 살아있는 세포의 화학적 조종 및 조작이 가능함을 보여주었으며, 세포-물질 계면의 생화학적 중요성을 시사하였다. 또한 이를 통해 계면 유기 박막 형성이 다양한 생물학적 개체에 적용된다면 더욱 넓은 생물학적 응용에 폭넓게 사용될 수 있음을 기대할 수 있다.
