Interface engineering is of great interest in the field of chemistry and materials science, because the properties of its interface determine the properties of an object in a crucial fashion. Interfacial film, formed with tailor-made functional group, could control the physicochemical properties of interfacial systems and endow extrinsic properties. Due to its potential abilities, various interfaces including surface, cell interface, and fluidic interface have been engineered with functional materials. In relation to this, the chemistry between the target interfaces and coating materials should be considered in advance and the various parameters of the formed films, such as stiffness and elasticity, thickness and porosity, should be designed for purpose. In this thesis, various interfacial systems have been designed based on organic molecules, and can be categorized as follows.
(1) Cell-interface engineering with reactive layer-by-layer (LbL) deposition: LbL technique was combined with bioinspired mineralization for formation of silica and iron oxide films on living-cell surface. Polyamine utilized as catalytic template for reactive LbL deposition of inorganic species, and thickness of resulting films was tightly controlled in nanometer scale with number of deposition cycles. Growth and division of encapsulated cells was controlled with thickness-dependent manner and incorporation of magnetic nanoparticles during the reactive LbL process further allowed spatiotemporal manipulation of living cells as living magnets.
(2) Fluidic-interface engineering with oxidative assembly of Fe(II)-tannin complex: steady oxygen ($O_2$)-induced oxidation of Fe(II) to Fe(III) in the preformed Fe(II)-tannin complex at and/or near the $O_2$-enriched fluidic interface (i.e., air-water interface), generating interface-active Fe(III)-tannin species in situ, led to the formation of micrometer-thick Fe(III)-tannin films, which were transferable, self-healable, pliable, and post-functionalizable. Their in situ generation and self-assembly at the oil-water interface also demonstrated by oil-in-water (o/w) emulsion stabilization and concurrent capsule formation with on aid of surfactants.
Although a wide scope of interfacial films was demonstrated in this thesis, the primitive essences are based on surface chemistry that highlights the coating methods, including layer-by-layer assembly, bioinspired mineralization and supramolecular self-assembly. In following sections, each of the designed interfacial systems is reported in term of the chemical insight they provide as well as their applications.
계면은 하나의 균일한 상이 다른 균일한 상과 접하는 경계를 의미한다. 계면의 성질은 곧 물체의 성질로 이어지기 때문에, 계면 박막 형성을 통해 계면에 다양한 작용기를 도입하여 물체의 고유한 물리화학적 성질을 제어하거나 새로운 성질을 도입하는 기술은 화학과 재료과학 분야에서 중요한 역할을 한다. 계면에 원하는 특성을 부여하기 위해서는 개질하고자 하는 계면과 박막을 형성할 물질간의 화학적 상호작용을 고려해야하며, 또한 강성도, 두께, 다공성, 투과성과 같은 다양한 성질을 고려하여 목적에 맞는 박막을 설계해야한다. 본 연구에서는 유기분자를 기반으로 다양한 계면 박막을 설계하였고, 이를 위해서 반응성 층상자기조립법과 초분자 자기조립법이 활용되었다.
먼저, 반응성 층상자기조립법을 이용해 나노미터 단위로 두께 조절이 가능한 실리카 혹은 산화철 박막을 세포-물질 계면에 형성하여 세포를 피포화하였다. 폴리아민이 생체모방 광물화를 위한 유기물 주형으로 사용되었고, 계면 박막의 두께는 층상자기조립의 적층 횟수에 따라 조절되었다. 피포화된 세포의 성장과 분열은 박막의 두께의 의해서 제어되었으며, 계면 박막 형성 과정 중에 추가로 도입된 자성나노입자는 세포를 살아있는 자석처럼 활용할 수 있게 하였다.
또한, 식물성 유기 분자인 탄닌산과 2 가 철이온 이용하여 산소가 풍부한 계면에서 철-탄닌산 박막을 형성할 수 있었다. 2 가 철이온-탄닌산 복합체는 계면에서 산소와 반응하여 3 가 철이온-탄닌산을 만들며, 뒤이은 초분자 자기조립을 통해 나노미터에서부터 마이크로미터까지 두께 조절이 가능한 박막을 형성한다. 이러한 방법을 통해 자립형 박막(물-공기 계면에서의 박막 형성), 속이 빈 중공입자(물-오일 계면에서의 박막 형성)를 만들 수 있었고, 이들의 물리화학적 견고함을 확인하였다.
요컨대, 본 연구는 유기 물질을 기반으로 유기-무기 복합체 박막을 설계하여 계면에 도입하였고, 복합체 박막은 순수한 유기 박막과 비교하여 우수한 기계적 성질과 물리적인 견고함을 갖으며, 포함된 금속 이온의 높은 화학적 활용도를 보여주었다. 또한 이러한 복합체 박막이 세포-물질 계면에 도입된다면 세포를 더욱 넓은 생물학적 응용에 폭넓게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
