인체 내 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM)의 물성 및 기능을 모사할 수 있는 하이드로젤(hydrogel)을 설계 및 제조하여 생체 내, 그리고 생체 외에서의 적용 가능성을 확인하였다. 첫째, 다양한 하이드로젤의 물성을 제어하기 위해 소수성/친수성의 정도를 조절할 수 있는 시스템을 설계하여 보다 효과적인 세포외기질 모사체로 구현하고자 시도하였다. 구체적으로는 ...
인체 내 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM)의 물성 및 기능을 모사할 수 있는 하이드로젤(hydrogel)을 설계 및 제조하여 생체 내, 그리고 생체 외에서의 적용 가능성을 확인하였다. 첫째, 다양한 하이드로젤의 물성을 제어하기 위해 소수성/친수성의 정도를 조절할 수 있는 시스템을 설계하여 보다 효과적인 세포외기질 모사체로 구현하고자 시도하였다. 구체적으로는 친수성 합성 고분자인 Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA)에 소수성 고분자인 Poly(propylene glycol) methacrylate (PPGMA)를 도입하여 안정적인 하이드로젤을 제작했다. 소수성 도입 정도를 조절하여 기존의 하이드로젤에서는 볼 수 없었던 구조적 특이성(기공 크기 영향과 소수성/친수성 비율)을 보이는 활성 도입 포인트를 도출할 수 있었다. 이러한 소수성 역할 기작은 하이드로젤 안에서의 콜라겐 젤 형성과 단백질 방출 실험을 통해 증명하였고 또한 세포와의 친화도 검증을 통해 세포외기질 모사 가능성을 확인하였다. 둘째, 생체 친화적이며 친수성 천연 고분자인 한천(agar)과 한천에 소수성 분자인 알킬 사슬(alkyl chain)를 접목한 소수성 개질 한천(hydrophobically-modified agar)을 사용하여 MEMS 용 몰드로 응용한 연구를 진행하였다. NMR 분석을 통해 실제 접목도를 측정하였고, 물성 및 구조 분석(SEM)을 통해 큰 구조적 변화 없이 소수성/친수성 정도를 제어할 수 있는 시스템을 개발한 것을 확인하였다. 또한 콜라겐 젤과의 결합을 통해 소수성 도입으로 인한 Bio-MEMS에서 사용되는 몰드로서의 적용 가능성을 확인하였다. 결론적으로 소수성/친수성 제어를 통해 세포전달체, 조직공학, 약물전달시스템 및 Bio-MEMS 등의 다양한 분야에서 효과적으로 구조적/기능적 적용이 가능한 세포외기질 모사 하이드로젤 시스템을 구현할 수 있다 하겠다.
인체 내 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM)의 물성 및 기능을 모사할 수 있는 하이드로젤(hydrogel)을 설계 및 제조하여 생체 내, 그리고 생체 외에서의 적용 가능성을 확인하였다. 첫째, 다양한 하이드로젤의 물성을 제어하기 위해 소수성/친수성의 정도를 조절할 수 있는 시스템을 설계하여 보다 효과적인 세포외기질 모사체로 구현하고자 시도하였다. 구체적으로는 친수성 합성 고분자인 Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA)에 소수성 고분자인 Poly(propylene glycol) methacrylate (PPGMA)를 도입하여 안정적인 하이드로젤을 제작했다. 소수성 도입 정도를 조절하여 기존의 하이드로젤에서는 볼 수 없었던 구조적 특이성(기공 크기 영향과 소수성/친수성 비율)을 보이는 활성 도입 포인트를 도출할 수 있었다. 이러한 소수성 역할 기작은 하이드로젤 안에서의 콜라겐 젤 형성과 단백질 방출 실험을 통해 증명하였고 또한 세포와의 친화도 검증을 통해 세포외기질 모사 가능성을 확인하였다. 둘째, 생체 친화적이며 친수성 천연 고분자인 한천(agar)과 한천에 소수성 분자인 알킬 사슬(alkyl chain)를 접목한 소수성 개질 한천(hydrophobically-modified agar)을 사용하여 MEMS 용 몰드로 응용한 연구를 진행하였다. NMR 분석을 통해 실제 접목도를 측정하였고, 물성 및 구조 분석(SEM)을 통해 큰 구조적 변화 없이 소수성/친수성 정도를 제어할 수 있는 시스템을 개발한 것을 확인하였다. 또한 콜라겐 젤과의 결합을 통해 소수성 도입으로 인한 Bio-MEMS에서 사용되는 몰드로서의 적용 가능성을 확인하였다. 결론적으로 소수성/친수성 제어를 통해 세포전달체, 조직공학, 약물전달시스템 및 Bio-MEMS 등의 다양한 분야에서 효과적으로 구조적/기능적 적용이 가능한 세포외기질 모사 하이드로젤 시스템을 구현할 수 있다 하겠다.
This thesis focuses on recapitulating the extracellular matrix (ECM) in structurally and also functionally, using the three dimensional hydrogel which is increasingly used as a cell encapsulation and transplantation device. First, this study presents an advanced biomaterial design strategy to introd...
This thesis focuses on recapitulating the extracellular matrix (ECM) in structurally and also functionally, using the three dimensional hydrogel which is increasingly used as a cell encapsulation and transplantation device. First, this study presents an advanced biomaterial design strategy to introduce the hydrophobic microenvironments in a hydrogel for enhancing the quality of a collagen fiber formation (Chapter2). The successful use of a hydrogel greatly relies on a desired control of the mechanical properties including stiffness, toughness, degradation and also hydrophobicity. However, it is still challenging to control the hydrogel properties in an independent manner due to the interdependency between hydrogel properties. Therefore, we hypothesized that the incorporation of pendant hydrophobic polymers in cross-linked networks will allow us to control the hydrophobicity and further affect the structural diversity while limiting changes in other factors. This hypothesis was examined by cross-linking poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) and poly(propylene glycol) methacrylate (PPGMA) to form hydrogels by varying of the concentration of PPGMA. The mass fraction and molecular weight of the polymers were controlled to tune the hydrophobicity, swelling ratio, and the permeability of the hydrogels and also to address the underlying mechanism. Separately, this concept of the hydrophobically modified hydrophilic polymer was used to fabricate a novel microfluidic-based mold for being demonstrated and also used in the bio-microelectromechnical system(Bio-MEMS) (chapter 3). We suggest that the hydrophobically modified agar would be more effectively working than the PDMS elastomers specifically in the bio-related micro-fluidic system because of their structural futures. To meet this challenge, we examined to modify the agar molecules with octadecyl isocyanates and directly fabricate the three dimensional gar gel mold for investigating the collagen fiber formation. Overall, the results from this thesis may be useful in understanding the role of the hydrophobic/hydrophilic balance in the extracellular microenvironments in tuning a variety of cellular activities and also structural/functional properties in hydrogels.
This thesis focuses on recapitulating the extracellular matrix (ECM) in structurally and also functionally, using the three dimensional hydrogel which is increasingly used as a cell encapsulation and transplantation device. First, this study presents an advanced biomaterial design strategy to introduce the hydrophobic microenvironments in a hydrogel for enhancing the quality of a collagen fiber formation (Chapter2). The successful use of a hydrogel greatly relies on a desired control of the mechanical properties including stiffness, toughness, degradation and also hydrophobicity. However, it is still challenging to control the hydrogel properties in an independent manner due to the interdependency between hydrogel properties. Therefore, we hypothesized that the incorporation of pendant hydrophobic polymers in cross-linked networks will allow us to control the hydrophobicity and further affect the structural diversity while limiting changes in other factors. This hypothesis was examined by cross-linking poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) and poly(propylene glycol) methacrylate (PPGMA) to form hydrogels by varying of the concentration of PPGMA. The mass fraction and molecular weight of the polymers were controlled to tune the hydrophobicity, swelling ratio, and the permeability of the hydrogels and also to address the underlying mechanism. Separately, this concept of the hydrophobically modified hydrophilic polymer was used to fabricate a novel microfluidic-based mold for being demonstrated and also used in the bio-microelectromechnical system(Bio-MEMS) (chapter 3). We suggest that the hydrophobically modified agar would be more effectively working than the PDMS elastomers specifically in the bio-related micro-fluidic system because of their structural futures. To meet this challenge, we examined to modify the agar molecules with octadecyl isocyanates and directly fabricate the three dimensional gar gel mold for investigating the collagen fiber formation. Overall, the results from this thesis may be useful in understanding the role of the hydrophobic/hydrophilic balance in the extracellular microenvironments in tuning a variety of cellular activities and also structural/functional properties in hydrogels.
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