본 연구는 천연물질인 옻의 주성분인 우루시올을 이용하여 기능성 다층 나노박막을 개발하는 방법 및 박막의 특성을 분석하고 이를 바이오메디컬 분야에 응용한 연구이다. 옻은 옻나무에서 (Toxicodendron vernicifluum) 추출된 수액으로, 우리나라에서는 기원전 3세기부터 목재 가구의 내구성을 높이기 위해 옻칠로써 사용되었다. 옻은 물리적으로 매우 강한 코팅을 형성하며 ...
본 연구는 천연물질인 옻의 주성분인 우루시올을 이용하여 기능성 다층 나노박막을 개발하는 방법 및 박막의 특성을 분석하고 이를 바이오메디컬 분야에 응용한 연구이다. 옻은 옻나무에서 (Toxicodendron vernicifluum) 추출된 수액으로, 우리나라에서는 기원전 3세기부터 목재 가구의 내구성을 높이기 위해 옻칠로써 사용되었다. 옻은 물리적으로 매우 강한 코팅을 형성하며 항균성, 항부식성, 내염성, 내산성 등의 기능을 나타낸다. 옻의 90% 이상은 우루시올이라는 단분자로 구성되어있으며, 화학구조는 카테콜기에 긴 알킬 체인이 연결된 형태이다. 우루시올은 카테콜기로 인해 접착성이 우수하며 이 부분이 알킬 체인의 이중결합과 연결되면서 고분자화가 일어날 수 있다. 단분자인 우루시올이 피부에 알러지 반응을 유발하는 이유는 알킬 체인으로 추정되고 있으며, 고분자화된 우루시올 (poly-urushiol)은 알러지 반응 및 독성을 일으키지 않으며 강도가 증가된다. 본 연구에서는 이러한 우루시올의 장점을 얇은 박막(thin film)에서 구현하고자, 층과층 자기조립법 (Layer-by-layer self-assembly)을 통해 Branched polyethylene imine(BPEI) 고분자와 다층 나노 박막을 제조하였다. 이 박막 제조 방법은 나노 소재 간의 분자적인 인력을 조절하여 박막의 두께, 나노구조, 표면 특성 등을 자유롭게 조절할 수 있으며, 기판의 크기나 형태에 제한되지 않고 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다. 우루시올은 물에 대한 용해도가 낮고 에탄올 상에서 우루시올 분자 간의 소수성 결합으로 인해 나노입자 형태로 존재한다. 따라서 우루시올과 BPEI는 에탄올 용매에서 수소결합을 통해서 다층 박막으로 제조되었으며, 박막의 층수가 증가함에 따라 적층되는 물질의 양도 매우 일정한 것을 박막의 두께, UV흡광도, QCM 정량 분석을 통해서 확인하였다. 박막의 표면에는 우루시올 나노 입자에 의한 매우 특정적인 계층적인 돌탑 형태의 나노-마이크로 구조(hierarchical cairn-like structure)가 관찰되었다. 이러한 미세구조는 박막의 층수가 증가할수록 더욱 계층적인 형태로 형성되며, 이로 인해 소수성이 증가되는 경향이 나타났다. 우루시올 자체의 표면 에너지가 낮은 특성과 계층적인 나노 구조의 미세한 조절을 통해서 후처리없이 박막의 제조를 통해서 소수성 박막을 제조할 수 있었다. 또한 우루시올로 인하여 접착성이 강하고 강도가 좋은 박막이 형성되었음을 일련의 정량적인 물성 평가를 통해서 보고하였다. 테이핑(taping), 벤딩(bending) 테스트와 같이 박막에 직접적인 물리적 힘을 가하는 실험을 실시하여 박막이 표면에너지를 유지함을 확인하였고, AFM을 이용한 나노인덴테이션(nanoindentation) 방법을 통해 박막의 강도 및 탄성을 정량적으로 분석하였다. 또한 치과에서 교정 후에 치열 유지장치로 사용되는 기구의 낮은 강도로 인해 마모가 쉽게 되는 문제를 보완하고자, PETG 재료 위에 우루시올 기반의 박막을 적용하여 고분자화를 통해 강도를 향상시킨 후, 재료의 물성을 분석하는 대규모 실험을 진행하였다. 최대 수 마이크로 두께의 박막임에도 불구하고 물성이 증대되는 결과가 도출되었다. 또한 생체모델환경 및 인공 구강 환경에서 최대 한 달 이상 박막이 매우 안정하게 유지됨을 확인하였다. 박테리아 및 세포를 이용하여 우루시올 다층 박막의 기능성 및 생체적합성도 평가하였다. 우루시올 자체가 가지고 있는 항균효과 및 소수성 성질로 인해 박테리아의 바이오필름이 표면에 형성되지 않음을 확인하였다. 우루시올이 독성이 있다고 알려져 있지만, 본 연구에서 개발된 박막은 두께가 매우 얇아 적은 양의 우루시올을 포함하며 고분자화를 통해서 독성이 전혀 나타나지 않음을 세포실험을 통해서 확인하였다. 이와 같이, 우리는 옻의 주성분인 우루시올 단분자를 이용하여 성공적으로 나노-마이크로 스케일의 박막을 제조하였다. 우루시올 기반의 다층 박막은 제조 방법이 매우 간단하고 추가적인 복잡한 과정없이 표면에너지를 제어 가능하고 기계적 물성이 매우 뛰어나며 실용성이 매우 높다. 우루시올이 천연에서 추출된 물질이므로 매우 친환경적이고 기능성 코팅을 형성하여 바이오메디컬 분야에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 응용 가능성이 클 것으로 예상한다.
본 연구는 천연물질인 옻의 주성분인 우루시올을 이용하여 기능성 다층 나노박막을 개발하는 방법 및 박막의 특성을 분석하고 이를 바이오메디컬 분야에 응용한 연구이다. 옻은 옻나무에서 (Toxicodendron vernicifluum) 추출된 수액으로, 우리나라에서는 기원전 3세기부터 목재 가구의 내구성을 높이기 위해 옻칠로써 사용되었다. 옻은 물리적으로 매우 강한 코팅을 형성하며 항균성, 항부식성, 내염성, 내산성 등의 기능을 나타낸다. 옻의 90% 이상은 우루시올이라는 단분자로 구성되어있으며, 화학구조는 카테콜기에 긴 알킬 체인이 연결된 형태이다. 우루시올은 카테콜기로 인해 접착성이 우수하며 이 부분이 알킬 체인의 이중결합과 연결되면서 고분자화가 일어날 수 있다. 단분자인 우루시올이 피부에 알러지 반응을 유발하는 이유는 알킬 체인으로 추정되고 있으며, 고분자화된 우루시올 (poly-urushiol)은 알러지 반응 및 독성을 일으키지 않으며 강도가 증가된다. 본 연구에서는 이러한 우루시올의 장점을 얇은 박막(thin film)에서 구현하고자, 층과층 자기조립법 (Layer-by-layer self-assembly)을 통해 Branched polyethylene imine(BPEI) 고분자와 다층 나노 박막을 제조하였다. 이 박막 제조 방법은 나노 소재 간의 분자적인 인력을 조절하여 박막의 두께, 나노구조, 표면 특성 등을 자유롭게 조절할 수 있으며, 기판의 크기나 형태에 제한되지 않고 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다. 우루시올은 물에 대한 용해도가 낮고 에탄올 상에서 우루시올 분자 간의 소수성 결합으로 인해 나노입자 형태로 존재한다. 따라서 우루시올과 BPEI는 에탄올 용매에서 수소결합을 통해서 다층 박막으로 제조되었으며, 박막의 층수가 증가함에 따라 적층되는 물질의 양도 매우 일정한 것을 박막의 두께, UV 흡광도, QCM 정량 분석을 통해서 확인하였다. 박막의 표면에는 우루시올 나노 입자에 의한 매우 특정적인 계층적인 돌탑 형태의 나노-마이크로 구조(hierarchical cairn-like structure)가 관찰되었다. 이러한 미세구조는 박막의 층수가 증가할수록 더욱 계층적인 형태로 형성되며, 이로 인해 소수성이 증가되는 경향이 나타났다. 우루시올 자체의 표면 에너지가 낮은 특성과 계층적인 나노 구조의 미세한 조절을 통해서 후처리없이 박막의 제조를 통해서 소수성 박막을 제조할 수 있었다. 또한 우루시올로 인하여 접착성이 강하고 강도가 좋은 박막이 형성되었음을 일련의 정량적인 물성 평가를 통해서 보고하였다. 테이핑(taping), 벤딩(bending) 테스트와 같이 박막에 직접적인 물리적 힘을 가하는 실험을 실시하여 박막이 표면에너지를 유지함을 확인하였고, AFM을 이용한 나노인덴테이션(nanoindentation) 방법을 통해 박막의 강도 및 탄성을 정량적으로 분석하였다. 또한 치과에서 교정 후에 치열 유지장치로 사용되는 기구의 낮은 강도로 인해 마모가 쉽게 되는 문제를 보완하고자, PETG 재료 위에 우루시올 기반의 박막을 적용하여 고분자화를 통해 강도를 향상시킨 후, 재료의 물성을 분석하는 대규모 실험을 진행하였다. 최대 수 마이크로 두께의 박막임에도 불구하고 물성이 증대되는 결과가 도출되었다. 또한 생체모델환경 및 인공 구강 환경에서 최대 한 달 이상 박막이 매우 안정하게 유지됨을 확인하였다. 박테리아 및 세포를 이용하여 우루시올 다층 박막의 기능성 및 생체적합성도 평가하였다. 우루시올 자체가 가지고 있는 항균효과 및 소수성 성질로 인해 박테리아의 바이오필름이 표면에 형성되지 않음을 확인하였다. 우루시올이 독성이 있다고 알려져 있지만, 본 연구에서 개발된 박막은 두께가 매우 얇아 적은 양의 우루시올을 포함하며 고분자화를 통해서 독성이 전혀 나타나지 않음을 세포실험을 통해서 확인하였다. 이와 같이, 우리는 옻의 주성분인 우루시올 단분자를 이용하여 성공적으로 나노-마이크로 스케일의 박막을 제조하였다. 우루시올 기반의 다층 박막은 제조 방법이 매우 간단하고 추가적인 복잡한 과정없이 표면에너지를 제어 가능하고 기계적 물성이 매우 뛰어나며 실용성이 매우 높다. 우루시올이 천연에서 추출된 물질이므로 매우 친환경적이고 기능성 코팅을 형성하여 바이오메디컬 분야에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 응용 가능성이 클 것으로 예상한다.
In this study, we explored the ancient Asian coating material “lacquer” to enhance the physiological and mechanical stability of nanofilms. Lacquer is extracted from the lacquer tree and its main component called urushiol (>90%), which is a small molecule that can produce an extremely strong coating...
In this study, we explored the ancient Asian coating material “lacquer” to enhance the physiological and mechanical stability of nanofilms. Lacquer is extracted from the lacquer tree and its main component called urushiol (>90%), which is a small molecule that can produce an extremely strong coating. The chemical structure of urushiol is catechol group conjugated with long alkyl chain. Urushiol induces skin allergy but polymerized urushiol has no effects and higher durability. And urushiol possesses various functions of anti-microbial, anti-corrosive, anti-acid or base, and salt-resistance. Taking full advantage of layer-by-layer assembly techniques, we successfully fabricated urushiol-based thin films composed of small molecule/polymer multilayers by controlling their molecular interaction. Urushiol was existed as nanoparticles in ethanol and assembled with branched polyethylene imine (BPEI) polymer by mostly hydrogen bonding. Unique cairn-like nanostructures in this film, produced by urushiol particles, have advantages of intrinsic hydrophobicity and durability against mechanical stimuli at physiological environments. We assessed the mechanical stability of urushiol thin films using taping and bending tests demonstrated in the lab, nanoindentation tool of atomic force microscope, and so on. Furthermore, to investigate practical availability of urushiol thin films in biomedical applications, we confirmed biocompatibility, anti-bacterial effects, and large-scale mechanical stability of films.
In this study, we explored the ancient Asian coating material “lacquer” to enhance the physiological and mechanical stability of nanofilms. Lacquer is extracted from the lacquer tree and its main component called urushiol (>90%), which is a small molecule that can produce an extremely strong coating. The chemical structure of urushiol is catechol group conjugated with long alkyl chain. Urushiol induces skin allergy but polymerized urushiol has no effects and higher durability. And urushiol possesses various functions of anti-microbial, anti-corrosive, anti-acid or base, and salt-resistance. Taking full advantage of layer-by-layer assembly techniques, we successfully fabricated urushiol-based thin films composed of small molecule/polymer multilayers by controlling their molecular interaction. Urushiol was existed as nanoparticles in ethanol and assembled with branched polyethylene imine (BPEI) polymer by mostly hydrogen bonding. Unique cairn-like nanostructures in this film, produced by urushiol particles, have advantages of intrinsic hydrophobicity and durability against mechanical stimuli at physiological environments. We assessed the mechanical stability of urushiol thin films using taping and bending tests demonstrated in the lab, nanoindentation tool of atomic force microscope, and so on. Furthermore, to investigate practical availability of urushiol thin films in biomedical applications, we confirmed biocompatibility, anti-bacterial effects, and large-scale mechanical stability of films.
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