Part I reports the effect of pH on the stability of self-assembled monolayers (SAMs) of various alkanethiols with different terminal groups on gold. The SAMs of 1-hexadecanethiol $(HS-(CH_2)_{15}-CH_3)$, 16-mercaptohexadecanol $(HS-(CH_2)_{16}-OH)$, 16-mercaptohexadecanoic acid $(HS-(CH_2)_{15}-COOH)$ and 16-amino-1-hexadecanethiol $(HS-(CH_2)_{16}-NH_2)$ were prepared, and their stability was investigated at pH values from 1 to 14 for one week. The ellipsometric measurements showed that these SAMs were unstable under highly basic conditions. For example, the thickness of all the four SAMs decreased rapidly within one day at pH 14. At the pH values of 13 and 13.5, the SAMs of $(HS-(CH_2)_{16}-NH_2)$ were found to be stable, while the thickness of the three other SAMs decreased gradually. The SAMs remained stable at pH 12 and below, and no thickness decrease was observed even at pH 1 and 2.
Part II describes the studies of polymer-grafted surfaces and their chemical and biological applications. To generate the surfaces with special functionality, stimuli-responsive polymers and highly protein/cell resistent polymers were used to form surface-tethered polymer brushes. Various polymerization methods such as ring-opening metatheis polymerization and atom transfer radical polymeriation were adopted to form the polymer brushes on numerous substrates, including gold, silicon oxide, and glass. Polymer-grafted surfaces with the special functionality were then applied for selective morphological switching of the surface, effective cell culture surface, and powerful protein/cell-resistent surface maintaining the original form of cell micropatterns.
In Chapter 1, we reported the formation of diblock copolymer brushes on a gold surface by surface-initiated, ring-opening metathesis polymerization (SI-ROMP) with the newly developed ruthenium catalyst, $[(H_2IMes)(3-Br-py)_2(Cl)_2Ru=CHPh]$. Taking advantage of the highly improved activity of the ruthenium catalyst and the rapid initiation step of ROMP, we successfully formed thin films of well-defined block copolymers with 5-norbornene-2-$\It{endo}$,3-$\It{endo}$-dimethanol and norbornene carboxylic acid methyl esters ($\It{endo:exo}$ = 44:56). The catalyst was found to be active enough to polymerize $\It{endo}$ isomers of norbonene derivatives from the surface as well as to form diblock copolymer brushes. SI-ROMP of diblock copolymers from the surface was confirmed by ellipsometry, infrared spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. After the formation, the polymer-grafted surfaces were immersed in various solvents and the selective swelling characteristics of polymer brushes were investigated by atomic force microscopy.
Chapter 2 describes the formation of poly($\It{N}$-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and poly[($\It{N}$-isopropylacrylamide)-$\It{r}-((3-(methacryloylamino)-propyl)-dimethyl(3-sulfopropyl)ammonium hydroxide)] (P(NIPAAm-$\It{r}$-MPDSAH)) films on a glass surface via surface-initiated, atom transfer radical polymerization as a cell-culture platform. The films of PNIPAAm with various thicknesses and of P(NIPAAm-$\It{r}$-MPDSAH) with various ratios of NIPAAm and MPDSAH are formed to investigate the behaviors of cell adhesion and detachment. In the case of the PNIPAAm-grafted glass surfaces, the optimal film thickness, achieving the effective control of both cell adhesion and detachment, is estimated to be 11-13 nm for NIH 3T3 fibroblast cells. The adhesion and detachment behaviors of NIH 3T3 fibroblast cells are further tuned by incorporating the hydrophilic and non-biofouling MPDSAH moiety into the PNIPAAm system. The cell adhesion and detachment is controlled best, when the ratio of NIPAAm and MPDSAH is 75:1 (NIPAAm:MPDSAH).
In Chapter 3, the micropattern of poly((3-(methacryloylamino)propyl)-dimethyl(3-sulfopropyl)ammonium hydroxide) (poly(MPDSAH)) and poly-(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (poly($\It{p}$EGMEMA)) brushes were formed on a silicon oxide surface by the combination of micropatterning of a photoresist (PR), vapor deposition of the silane initiator, and SI-ATRP of each monomers, MPDSAH and pEGMEMA. The successful formation of silane initiator SAMs, poly(MPDSAH) and poly(pEGMEMA) micropattern was characterized with the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and imaging ellisometer. Onto the poly(MPDSAH) and poly($\It{p}$EGMEMA)-patterned surface, the NIH 3T3 fibroblast cells were seeded and the cell micropatterns were generated by the selective adhesion of cells in the cell-adhesive region of the patterned surfaces. The cell pattern formed on poly(MPDSAH)-patterned surface finely maintained the original, line-shaped pattern for 20 days and this outstanding ability was compared with the cell pattern formed on a poly($\It{p}$EGMEMA)-patterned surface.
$\Bf{ I. 금 표면에 형성된 자기조립막의 pH에 따른 안정성 연구 }$
본 연구에서는 금 표면에 형성된 자기조립막의 pH 조건에 따른 안정성을 알아보았다. 우선, 다양한 말단기를 갖는 자기조립막의 안정성을 알아보기 위하여 1-hexadecanethiol $(HS-(CH_2)_{15}-CH_3)$, 16-mercaptohexadecanol $(HS-(CH_2)_{16}-OH)$, 16-mercaptohexadecanoic acid $(HS-(CH_2)_{15}-COOH)$, 그리고 16-amino-1-hexadecanethiol $(HS-(CH_2)_{16}-NH_2)$ 분자의 자기조립막을 금 표면에 형성하였다. 그리고 서로 다른 말단기를 갖는 자기조립막이 pH 1부터 14까지의 수용액 상에서 얼마나 안정하게 유지되는지를1주일동안 두께변화 관측을 통하여 알아보았다. 실험결과, pH가 14인 강한 염기성 조건에서는 모든 종류의 말단기를 갖는 자기조립막의 두께가 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있었고, pH 13 이상의 환경에서는 아민기를 말단에 갖는 자기조립막을 제외한 모든 자기조립막이 불안정한 것을 관찰할 수 있었다. pH 1, 2 와 같은 강한 산성 조건 하에서는 4가지 종류의 말단기를 갖는 자기조립막이 모두 안정하게 유지되었다.
$\Bf{ II. 다양한 표면에서의 고분자층 형성과 이의 응용}$
다양한 종류의 표면에 형성된 특이한 구조와 성질을 갖는 고분자층은 다양한 분야로 응용될 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 따라서 본 연구에서는 표면에서 개환 중합 반응과 원자 이동 라디칼 중합에 의하여 표면에서 고분자층을 도입하고, 이들의 응용 가능성을 알아보았다.
먼저, 서로 다른 유기용매에 선택적인 모폴로지 (Morphology) 변화를 보이는 표면 형성을 위하여 금 표면에서 개환 중합 반응을 이용하여 특정 유기 용매에 서로 다른 용해도를 보이는 두 개의 층을 차례로 형성하였다. 이 때, 블록 공중합체를 형성하는 반응이 효과적으로 일어날 수 있도록 새롭게 고안된, $[(H_2IMes)(3-Br-py)_2(Cl)_2Ru=CHPh]$, 루테늄 촉매가 사용되었다. 이 촉매를 이용한 표면에서의 개환중합 반응 결과, norbonene 단량체의 endo 형태 이성질체에 대해서도 반응의 활성이 저하되지 않고 효과적으로 고분자층이 잘 형성됨을 확인할 수 있었다. 이렇게 표면에 형성된 블록 공중합체는 유기 용매에 대한 선택적인 용해도에 따라 서로 다른 모폴로지 변화를 보이는 것을 관찰할 수 있었다.
외부의 온도 변화에 감응하는 표면 형성과 이의 생물학적인 응용성을 알아보기 위하여 온도감응성 고분자인 poly($\It{N}-isopropylacrylamide) (PNIPAAm)이 코팅된 표면을 형성하고, 이 표면을 세포배양 표면으로 활용하는 실험을 수행하였다. 유리 표면에서서 온도 감응성 고분자인 PNIPAAm을 중합하여 형성된 온도 감응성 표면은 세포 배양 과정 중 세포 표면에 손상을 줄 수 있는 트립신 처리를 거치지 않고 온도조절만으로 배양 표면으로부터 세포를 떼어낼 수 있는 효과적인 세포배양 표면이 될 수 있다. PNIPAAm은 하부임계 용해온도인 $32 \deg C$를 기점으로 이 온도 이상에서는 친유성을 나타내고 그 이하에서는 친수성을 나타낸다. 이러한 PNIPAAm의 특징을 이용하여 세포배양 시 온도 조건인 $37\deg C$ 에서는 PNIPAAm이 코팅된 표면이 친유성을 나타내어서 세포가 표면에 잘 붙어서 자라고, 실온 $(25\deg C)$ 으로 온도가 떨어졌을 때에는 표면이 친수성으로 바뀌어서 세포가 트립신 처리 없이 표면으로부터 자발적으로 떨어져 나오는 표면을 형성하였다. 이와 같은 세포의 흡/탈착을 효과적으로 조절할 수 있는 표면 조건을 알아내기 위하여 다양한 두께를 갖는 PNIPAAm 층을 유리 표면에 형성하고, 각각의 두께 조건에서 세포 배양 실험을 수행하여 온도에 따른 세포의 흡/탈착을 가장 효과적으로 제어할 수 있는 최적 두께를 알아보았다. 실험 결과, PNIPAAm 층의 두게가 11-13 nm 일 때, 가장 효과적으로 세포의 흡/탈착이 조절됨을 관찰할 수 있었다. 그리고 PNIPAAm층의 두께가 10 nm 이하일 때에는 $37 \deg C$ 에서 세포가 가장 효과적으로 유리표면 전체에 잘 붙어서 자라지만 온도가 실온으로 떨어졌을 때에는 PNIPAAm의 양이 너무 적어서 표면이 충분한 친수성을 띄지 못하고, 세포가 효과적으로 표면으로부터 떨어지지 못하는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 이 조건에서 추가적으로 poly((3-(methacryloy-lamino)propyl)dimethyl(3-sulfopropyl)ammonium hydroxide) (PMPDSAH)를 도입하여 PNIPAAm과 PMPDSAH의 공중합체를 유리 표면에 형성하고, 세포의 흡 /탈착을 정교하게 조절할 수 있는 표면을 형성하였다. PMPDSAH의 경우, 단백질 및 세포의 흡착을 억제하는 nonbiofouling 효과와 함께 강한 친수성을 나타내는 특징이 있기 때문에 세포 탈착에 효과적인 환경을 제공해 줄 수 있을 것으로 생각하였다. 실험결과, P(NIPAAm-$\It{r}-MPDSAH) 공중합 체 형성시, NIPAAm과 MPDSAH의 비율이 75:1일 때, 가장 효과적으로 온도에 따른 세포의 흡/탈착이 제어 되는 것을 관찰할 수 있었다.
앞의 실험에서 사용된 PMPDSAH의 강한 nonbiofouling 효과를 이용하여 효과적인 세포의 마이크로 패턴을 형성하는 실험 또한 수행하였다. PMPDSAH 고분자의 경우 기존에 흔히 쓰이던 PEG 계열의 고분자와 비교 하여 훨씬 효과적으로 단백질 및 세포의 흡착을 억제한다는 기존의 연구를 바탕으로 표면에서의 세포 마이크로 패턴 형성 시, 탁월한 세포흡착 억제하는 능력을 바탕으로 패턴 본래의 형태를 효과적으로 유지하는 물질이 될 것으로 기대하였다. 따라서, 본 실험에서는 기존에 세포 흡착을 억제하는 물질로 흔히 쓰이던 PEG 계열의 고분자 중 하나인 poly-(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (poly(pEGMEMA))와 PMPDSAH, 각각으로 패터닝 된 표면을 형성하고, 두 가지 종류의 표면에서 세포의 흡착과 증식을 $비교 \cdot 관찰$ 하였다. 관찰 결과, PMPDSAH로 패터닝된 표면에서 형성된 세포 마이크로패턴이 더 긴 시간 동안 원래의 형태를 잘 유지하는 것을 볼 수 있었다.
