Advance of materials science and technologies is highly based on the development of polymeric surface engineering. Functional versatility, controllable structure, and economic efficiency of polymer have expanded its application to diverse field of material surface engineering. Substrate properties can be controlled with diverse surface modification techniques including surface-initiated polymerization (SIP), polyphenol coating, and layer-by-layer assembly (LbL). They build additional surface layer to the material, for introducing new polymeric characters which did not originally have. In recent research, the importance of cytocompatiblity in polymer coating is getting higher since the surface modification of biomaterials (protein, virus, and living cell) is widely applied in bio-nanotechnology. Especially in cell surface engineering, the chemical vulnerability in living cells requires the tailored design of cytocompatible surface coating.
In this thesis, various polymeric surface coating have been designed for cytocompatible surface modification. Four different strategies were firstly optimized with flat substrates, and applied for single-cell nanoencapsulation:
(1) Surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) was developed for the modification of living yeast surfaces with dopamine-based ATRP initiator. In this work, activators regenerated by electron transfer (ARGET) ATRP was used for reducing the amount of toxic copper catalyst, and proceeding reaction in aerobic conditions. Polydopamine ATRP initiator not only initiated radical polymerization, but also protect cell against radical ion which is produced during reaction. Dense polymer shell of yeast prevented agglutination when they are mixed with E.coli, and impeded cell division.
(2) Plant-derived pyrogallol (1,2,3-trihydroxybenezene) coating was optimized for encapsulation of various cell types (yeast, HeLa, human red blood cells). Polymerization of the pyrogallol was proceeded with weak based (pH 7.8) isotonic solution, showing high cytocompatibility. The shell also blocked antigen-antibody coagulation of hRBC according to blood types.
(3) Enzymatic polymerization inspired by melanogenesis was applied for versatile film formation. Tyrosinase accelerated polymerization and deposition of various phenolic amines (tyrosine, tyramine, dopamine, norepinephrine, and DOPA) in neutral condition. The strategy is fast and efficient, and forms uniform film compared with previous polydopamine coating. Extremely high cytocompatibility of the method also allow the film deposition onto living Jurkat cell surfaces without any noticeable decrease in viability.
(4) Coffee melanoidins was utilized for material-independent coating. Catechol moiety of the melanoidin strongly bind with ferric ion, inducing supramolecular complexation and deposition. The film can additionally be modified with ring-opening polymerization, biomimetic silicification, and functionalized with poly-L-lysine for neural interface. In addition, cytointerfacial reaction was applied for the fabrication of coffee melanoidin shell onto living cell surface, and post-modified with silica.
재료과학기술의 성장은 고분자를 이용한 표면 공정의 발전과 함께해왔다. 고분자는 기능적 다양성, 제어 가능한 구조, 그리고 경제적 효율성으로 인해 표면 재료공학의 다양한 분야로 그 응용분야를 확장시켰다. 다양한 표면개질기술들, 이를테면 표면개시 고분자중합, 폴리페놀 코팅법, 그리고 다층박막적층법 등을 통해 대상 기판의 특성을 제어할 수 있으며, 이를 통해 기판이 원래 가지지 않는 새로운 특성의 표면층을 추가할 수 있다. 최근 생체물질(단백질, 바이러스, 혹은 살아있는 세포)의 표면 개조가 생명 나노기술에서 폭넓게 이용되면서, 고분자 코팅기술의 생체적합성이 중요해졌다. 특히 살아있는 세포는 화학적으로 취약하기 때문에 세포친화적인 맞춤형 표면 코팅을 설계할 필요가 있다. 본 학위논문에서는 세포친화적인 표면 개질을 위해 다양한 고분자 표면코팅기술이 설계되었다. 네 가지의 방법을 평면기판에서 우선적으로 시험하고, 이를 단일세포피포화를 위해 활용하였으며, 그 방법은 다음과 같다.
(1) 먼저 도파민 개시제를 기반으로 한 표면개시 원자이동라디칼중합법(ATRP)을 통해 살이있는 효모세포의 표면을 개조하였다. 본 연구에서는 전자 이동을 통한 환원제의 제 활성화를 통해 독성이 있는 구리 촉매의 사용량을 줄이고 유산소환경에서 반응을 진행하였다. 폴리도파민 개시제는 고분자 중합을 개시할 뿐만 아니라 세포를 반응 중에 발생하는 라디칼 이온으로부터 보호하였다. 또한 ATRP를 통해 형성된 견고한 고분자막은, 박테리아로부터 발생하는 응집 반응으로부터 효모를 보호하거나, 세포분열을 제어할 수 있었다.
(2) 식물 구성성분인 피로갈롤을 활용한 코팅법을 통해 다양한 종류의 세포(효모, HeLa 세포, 적혈구)를 피포화하였다. 중성의 등장액에서 중합이 진행되기 때문에 높은 세포친화성을 보였다. 또한 적혈구의 경우, 항원-항체 반응으로 인한 응집 반응을 껍질을 통해 막을 수 있었다.
(3) 멜라닌 형성반응에서 유래한 효소중합법을 활용하여 다재다능한 막을 형성할 수 있었다. 티로시네이스 효소는 중성 환경에서 다양한 종류의 페놀계 아민(티로신, 티라민, 도파민, 노르에피네프린, 도파)의 중합과 적층을 가속할 수 있었다. 폴리도파민 코팅법과 비교했을 때, 본 방법은 속도가 더 빠르면서 효율적이고 균일한 막을 형성할 수 있었다. 또한 높은 세포친화성을 활용하여 세포생존력에 영향을 주지 않으면서 Jurkat 세포를 피포화할 수 있었다.
(4) 커피 멜라노이딘을 비특이적 흡착에 사용하였다. 멜라노이딘의 카테콜 작용기는 3가 철이온과 강하게 결합하며, 이를 통해 거대 복합체가 형성되면서 표면에 적층된다. 형성된 막은 고리열림중합이나 생체모방 실리카형성을 통해 추가적으로 기능화할 수 있으며, 폴리라이신을 붙여서 신경 계면으로 활용할 수 있었다. 또한 세포계면반응을 통해 세포표면 위에 멜라노이딘 껍질을 형성할 수 있으며, 실리카 막을 추가적으로 입힐 수도 있었다.
