Hydrogel formation and surface modification based on mussel-inspired catechol-conjugated natural polymers

Abstract

천연고분자는 합성고분자에 비해 고유의 생체 적합성, 생분해성, 그리고 좋은 세포 부착 특성을 갖고 있기 때문에 하이드로젤 형성과 표면개질과 같은 생체의학 분야 응용에 여러 장점을 갖고 있다. 하지만 천연고분자 하이드로젤을 형성하기 위해서는 티올 (thiol), 알데히드 (aldehyde), 다이하이드라자이드 (dihydrazide), 그리고 메타크릴레이트 (methacrylate) 등을 포함한 추가적인 작용기의 도입이 필요하다. 또한 천연고분자의 표면고정화를 위해서는 또 다른 화학적 작용기가 도입되어야 하기 때문에, 이를 동시에 수행할 수 있는 작용기를 천연고분자에 도입하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 바다홍합 (mussel)은 수중 환경에서 바위, 이끼, 수초와 같은 다양한 유무기 물질에 강하게 붙어서 자라는 수중 생물이다. 또한 홍합은 일반적으로 실생활에서 사용되는 본드나 테이프 등이 물에 접촉하였을 때 접착성을 잃어버리는 것과 달리 수중 환경에서 강한 접착력을 가지기 때문에 연구 대상으로 많은 관심을 받고 있다. 홍합의 접착능력은 접착섬유실을 구성하는 단백질 조성을 통해 밝혀진 특이적인 아미노산인 도파 (DOPA, 3,4-dihydroxyphenylalanin)에 기인하는 것으로 보고되었다. 이러한 홍합의 접착단백질은 표면에 물질이 잘 달라붙지 않는 것으로 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene, PTFE)을 비롯하여, 금속, 비금속, 유기 고분자, 무기물질 등의 대부분의 표면에서 모두 강한 접착력을 가지는 것으로 알려져 있다. 홍합의 접착 단백질에서 접착력에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 도파의 화학적 작용기인 카테콜 (catechol)과 아민 (amine)으로 구성된 단분자 물질인 도파민 (dopamine)을 이용한 재료 비특이적 표면개질법 (material-independent surface modification)이 보고되었다. 이를 통해 물질의 표면에 카테콜아민의 산화에 의한 폴리도파민 (polydopamine, pDA) 코팅 층을 형성시켜 표면 부착능력을 부여할 수 있었을 뿐만 아니라, 폴리도파민 표면개질은 그 자체의 화학적 성질에 의한 2차 표면개질을 가능하게 하였으므로 이를 바탕으로 다양한 응용 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 홍합의 접착 작용기인 카테콜을 화학반응을 통해 천연고분자에 도입하여 생체적합성을 갖는 의료기기 개발을 위한 표면개질연구와 하이드로젤 형성연구를 진행하였다. 이에 따라 생체 친화적 고분자인 키토산 (chitosan)에 카테콜기를 도입 (키토산-카테콜)하여 생체친화적이고 빠른 시간 내에 접착성 하이드로젤을 형성하는 방법을 개발하였고, 카테콜이 도입된 히알루론산 (hyaluronic acid)에 카테콜기를 도입 (히알루론산-카테콜)하여 산화그래핀 (graphene oxide)과의 하이드로젤 형성을 통한 약물전달시스템을 개발하였다. 또한 히알루론산-카테콜을 마이크로플루이드 채널 (microfluidic channel) 내부 표면에 고정화하여 혈관내피 환경을 모방한 시스템의 개발과 천연 화학적 라이게이션을 통한 표면개질방법을 개발하였다...