Surface modification has been widely used as a useful method for controlling the surface properties of various materials. However, the chemical characteristics of the surface were different for each substance, and the chemical interactions required for the modification should be different. Thus, for a certain modification method, the surface to which it can be applied was limited, and some materials were difficult to modify. In this situation, there is a need for a modification method that does not depend on the surface characteristics, and the substrate-independent modification method using catechol and galloyl groups capable of various chemical interactions with various surfaces has been proposed.
Tannic acid (TA), a type of polyphenol found in nature, has recently been reported to form nanometer-thick films (< 100 nm) with adhesion to various surfaces through coordination with ferric ions ($Fe^III$). The $Fe^III$-TA complex thin film has a merit that it is very rapid and easy to form compared to other surface modification methods. Due to the reversible nature of the coordination bond, degradation of the film was also possible by treatment with an acidic solution or a chelating ligand (EDTA).
In this thesis, we first studied the formation of a $Fe^III$-TA thin film with the presence of a salt. Unlike pure water, the thickness of the $Fe^III$-TA complex thin film was found to increase with time in the salt solution, which was confirmed to be influenced by the concentration and kind of salt. The salts consist of cations and anions, of which the effect of the anions is negligible and most of the effects came from the cations. The larger the cation charge, and the smaller the cation size if the cation charge is the same, the more effectively the thin film could be formed.
Second, a thin film of $Fe^III$-TA complex was formed on the surface of red blood cells to make it resistant to the attack of antibodies while maintaining the oxygen-carrying ability of red blood cells. Since the antigens causing the immune reaction upon transfusion are present on the surface of the red blood cells, they can be shielded by surface coating, which would inhibit the immune response by blocking the antigen-antibody interactions. Since red blood cells are very sensitive to the salt concentration, we needed to use isotonic saline in the whole coating process and optimize other coating conditions. As a result, it was confirmed that a thin film of $Fe^III$-TA complex having a thickness of 20 nm was formed on the surface of red blood cells, which successfully prevented cell aggregation by antibody treatment.
Thirdly, we developed a method to reduce the immune response in the transplantation by forming the $Fe^III$-TA complex thin film on the pancreatic islet cell surface. Pancreatic islet transplantation in patients with type 1 diabetes has the advantage of eliminating the need for periodic insulin injections, but there have been side effects such as the immune rejection causing the transplanted cells to last for a short time. The pancreatic islets coated with a cell-friendly substance cannot be recognized as foreign cells in the body when transplanted, thus reducing the immune rejection. The pancreatic islet cells coated with the $Fe^III$-TA complex thin film maintained viability at a level similar to that before coating, and further studies on the immune response are needed to verify the effectiveness of the coating.
표면 개질은 여러가지 물질의 표면 특성을 제어하는 데 유용한 방법으로 널리 쓰여왔다. 하지만 물질들 마다 표면의 화학적 특성이 제각기 달라서, 개질에 필요한 화학적 상호작용이 다를 수밖에 없었다. 따라서 개질 방법마다 이를 적용할 수 있는 표면은 제한적이었고 심지어는 개질이 어려운 물질도 존재했다. 이러한 상황 속에서 표면 특성에 구애 받지 않는 개질 방법의 필요성이 대두되었고, 다양한 표면과 여러가지 화학적 상호작용이 가능한 카테콜과 갈롤기를 활용한 방법들이 제시되었다.
최근 자연에서 발견된 폴리페놀의 일종인 탄닌산은 철 이온과 배위 결합을 통해 다양한 표면에 접착성을 갖는 박막(< 100 nm)을 형성하는 것이 보고되었다. 철-탄닌산 복합체 박막은 여타 표면 개질법과 비교했을 때 매우 빠르고 쉽게 형성할 수 있다는 장점을 갖는다. 그리고 배위 결합의 가역적인 특성으로 인해 산성 용액 또는 킬레이트 리간드(EDTA) 처리를 통해 박막의 분해도 가능했다.
본 학위논문에서는 첫번째로 염을 이용한 새로운 철-탄닌산 복합체 박막 형성법을 연구하였다. 순수한 물속에서와는 달리, 염이 녹아있는 용액 속에서 철-탄닌산 복합체 박막 두께가 시간에 따라 증가하는 현상을 발견하였고, 이는 염의 농도와 종류에 의해 영향을 받는 것 확인하였다. 염은 양이온과 음이온으로 이루어져 있는데, 그 중 음이온의 영향은 미미했고 양이온의 영향이 대부분이었다. 양이온의 가수가 클수록, 가수가 같다면 양이온 크기가 작을수록 적은 농도로도 박막을 효과적으로 형성할 수 있었다.
두번째로 철-탄닌산 복합체 박막을 적혈구 표면에 형성하여, 적혈의 산소 운반 기능을 유지하면서도 항체의 공격에 저항성을 갖는 적혈구를 만들었다. 적혈구의 수혈 시 면역반응을 일으키는 항원은 적혈구 표면에 존재하므로, 표면을 코팅함으로써 항원-항체 간 결합을 막아 면역반응을 억제할 수 있다. 적혈구는 용액의 염 농도에 굉장히 민감해서, 우리는 철-탄닌산 복합체 박막 형성 과정에서 등장액을 사용하였고 또한 기타 조건을 최적화하는 과정이 필요했다. 그 결과 20 nm 두께를 갖는 철-탄닌산 복합체 박막이 적혈구 표면에 형성되었음을 확인하였고, 원래의 적혈구와 달리 항체를 처리했을 때 전혀 뭉침이 일어나지 않았다.
세번째로 철-탄닌산 복합체 박막을 췌장도세포 표면에 형성하여 체내 이식 시 면역반응을 줄일 수 있는 방법을 개발하고자 하였다. 제1형 당뇨병 환자에 췌장도세포를 이식하면 주기적인 인슐린 주사제 주입 없이도 일상적인 생활이 가능하다는 장점이 있으나, 면역거부반응으로 인해 이식한 세포가 오래가지 못하는 등의 부작용이 있었다. 따라서 세포친화적인 물질로 표면이 코팅된 췌장도세포를 이식하면 체내에서 외부 세포로 인식하지 못해 면역거부반응을 줄일 수 있다. 철-탄닌산 복합체 박막으로 코팅된 췌장도세포는 코팅전과 비슷한 수준으로 생존력을 유지했으며, 코팅의 유효성을 검증하기 위해 면역반응에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
